管壳与热管换热比较

热管与管壳换热管的传热性能的分析比较
一、有一热管，蒸发段和冷凝段的长度均为L ，内外径分别为i r ，o r ，热管的 总传热系数为1K （以蒸发段的外表面为换热面，面积为A ），热管的材质为碳 钢，工作工质为水。

则根据传热热阻公式有：
112ln(/)ln(/)
111o o i o o i r r r r r r R A K h h λλ
=++++ 相变
1h --热管加热段表面传热系数，2/()W m ℃ 2h --热管冷却段表面传热系数，2/()W m
℃ ln(/)
o o i r r r λ
--热管加热段、冷却段的管壁导热热阻，2
m
℃/W
R 相变--管内工质的相变热阻，℃/W λ--管壁的导热系数，)/(W m ℃
二、有一换热管，长度为2L ，内外径分别为i r ，o r ,换热管的总传热系数为2K （以换热管外表面为换热面，面积为2A ），换热管的材质为碳钢。

则根据传热热阻公
式有：
22ln(/)111()o o i o i i r
r r r K a a r λ
=++
o a --换热管管外表面换热系数，2/()W m ℃ i a --换热管管内表面换热系数，2/()W m
℃ 2ln(/)
o i r r r λ
--换热管管壁导热热阻，2
m
℃/W
λ--管壁的导热系数，)/(W m ℃
三、①流体横向外掠单管的准则式：1/3Re Pr n hl
Nu C λ
==
C, n --修正系数
h --流体横向外掠单管的表面换热系数，2/()W m ℃ l --特征长度，m
λ--流体导热系数，)/(W m ℃
Re --Re ul
ν
=
u --特征流速，m /s
ν--流体的运动粘度，2/m s
Pr --Pr =,a a c
νλ
ρ=
ρ--流体密度，kg/3m
c --流体比热容,J/(kg ℃)
式中：C 及n 值见表3-1；定性温度为（w t t ∞+）/2；特征长度为管外径，特征速度为通道来流速度u ∞。

该式对空气的实验温度验证范围为t ∞=15.5~980℃，
w t =21~1046℃。

表3-1
②管槽内湍流强制对流传热关联式：0.80.023Re Pr n hl
Nu λ
=
=
h --管槽内湍流强制对流表面换热系数，2/()W m ℃ l --特征长度，m
λ--流体导热系数，)/(W m ℃
Re ，Pr 与前面提到的表达式一致
加热流体时，n =0.4；冷却流体时，n =0.3。

此式适用于流体与壁面温度具有中
等温差的场合。

定性温度为流体平均温度f t （即管道进、出口两个截面的平均温度的算术平均值。

特征长度为管内径。

实验验证范围为Re =4510~1.210⨯，
Pr =0.7~120，/60l d ≥ 。

所谓中等温差，其具体数值视就算精确程度而定，有
一定的幅度。

一般说，对于气体不超过50℃；；对于水20~30℃；对于
1d dt
η
η大的油类不超过10℃。

四、由传热公式AK t Φ=∆，已知相同长度的换热管的换热面积是热管的两倍，得出当1K =22K 时，在相同的温差t ∆下，他们传热功率相等。

当热管和管壳换热管在相同的工况下换热时，初略比较1K 、2K 的表达式可以得出，1K <22K ,所以可以得出：在不加肋片的情况下，单根相同长度的管壳换热管的传热效率优于热管。

五、加上肋片之后换热情况 ①单个肋片效率：f η=
实际散热量
假设整个肋表面处于肋基温度下的散热量
②肋面总效率：r f f o r f
A A A A ηη+=
+
r A --两个肋片之间的根部表面积
f A --肋片的表面积
③整个肋面的换热量000A h t Ah t ηηβΦ=∆=∆
A --光管外表面积
0A --所有肋片与根部面积之和,0r f A A A =+
h --流体与整个表面的传热系数，对光管和肋片管有一定的差别，这里暂不加以区分。

β--肋化比，0A
A
β=
t ∆--肋基部与流体的温差
由以上式子可以得出，给光管加上肋片后，其总传热量增加了0ηβ倍，等同于其换热系数（换热面积为光管表面积）增加了0ηβ倍。

所以，对于第一章的热管，当在加热段和冷却段分别加上肋片后，其总传热系数1K （以蒸发段的外表面为换热面，面积为A ）：
10102ln(/)ln(/)111
o o i o o i r r r r r r R A K h h ηβηβλλ
=++++ 相变 对于第二章的管壳式换热管，由于结构的限制，只能在管外加上肋片，管内可以
采用螺纹管强化换热，假设采用螺纹管后换热系数能增加α倍，则其总传热系数 2K （以换热管外表面为换热面，面积为2A ）
： 20ln(/)111()o
o
o i o i i r r r r K a a r ηβαλ
=++ 当在用于两流速相差不大的气体的换热时，换热热阻主要存在于表面对流换
热上，这时可以忽略管壁的导热热阻及热管内工质的相变热阻（与表面换热热阻相比属于小量），且12,,,i o h h a a 相差不大，若不加肋片，12,K K 数值也相差不大，加上肋片之后1K 近似增大0ηβ倍（0ηβ的值与肋片表面与流体的换热系数h ，肋
片导热系数λ以及肋片形状有关，h
λ
越小，0ηβ的值越大），2K 近似可以增大2α
倍，由于气体的表面换热系数较小，所以α是远小于0ηβ的，即1K 是大于22K 的。

所以在两气体之间的换热一般采用热管式（加肋片）换热器。

对于气体和液体，以及液体和液体之间的换热，由于液体的表面换热系数较大，肋化效率不高，所以在加肋片方面热管与管壳式换热管相比没有绝对的优势。

下一章将结合具体工况来计算比较。

五、以热水与有机工质R245fa 之间的换热为例，具体分析单根热管与管壳式换热管的传热性能。

假定热水的定性温度为70℃,压强为0.2MPa,流速为1.5m/s,在管壳式换热管中走管内。

R245fa 的定性温度为50℃(不考虑相变)，压强为
0.5MPa,流速为1.5m/s 。

热管冷热端长度均为1m,换热管长2m ，具有相同的内外径21mm 、25mm 。

①计算不加肋片时的12,K K 的数值 对于1h ，
1/31Re Pr n h C
l
λ
= ,46
1.50.025
Re 9.08100.41310
ul
ν
-⨯=
=
=⨯⨯，C =0.0266,n =0.805，Pr =2.55 计算得1h =9448.12/()W m ℃
对于2h ，
1/32Re Pr n h C
l
λ
=,56
1.50.025
Re 1.59100.23610
ul
ν
-⨯=
=
=⨯⨯,C =0.0266,n =0.805，Pr=5.07 计算得2h =2320.32/()W m ℃ 通过查阅资料取R 相变=0.0055K/W 计算得1K =909.12/()W m ℃
另外，计算得水侧表面换热热阻421 1.058410/W R m k -=⨯ ， 工质R245fa 侧422 4.309810/W R m k -=⨯ ， 管壁导热热阻423 1.00910/W R m k -=⨯ ， 相变热阻'44.317510R -=⨯相变2/W m k 。

对于o a ，假定管外流体横掠单管
1/30Re Pr n a C
l
λ
=，5
6
1.50.025Re 1.59100.23610
ul
ν
-⨯=
=
=⨯⨯，C =0.0266，n =0.805，Pr=5.07 计算得0a =2320.32/()W m ℃
对于i a ，
0.80.023Re Pr n i a l λ=，46
1.50.021Re 7.63100.41310ul ν-⨯===⨯⨯，Pr=
2.55，n =0.3 计算得i a =7746.82/()W m ℃ 计算得2K =1637.92/()W m ℃
另外计算得管内换热热阻'1R =41.290910-⨯2/W m k
管外换热热阻'42 4.309810R -=⨯2/W m k
管壁导热热阻'
430.504610R -=⨯2/W m k
比较12,K K 的数值，很明显12K K <，分析比较各个环节的传热热阻，可以发现，热管换热的较大热阻出现在R245fa 侧和热管的管内相变上。

换热管的较大热阻出现在管外R245fa 侧。

②计算加肋片及螺纹管后的12,K K 的数值 由于水的换热系数很大，即
h
λ
很大，所以0ηβ的值很小，故用于水侧的换热一般
不加肋片，当只在一侧加上肋片时，热管就没有结构上的优势（热管方便在两侧
表面上加肋片），而且热管比管壳换热管多了相变热阻'R 相变，'R 相变的大小与R245fa 侧的热阻相当，在不改变热管内工质的情况下没有办法减小'R 相变。

所以当在R245侧加上肋片后1K 的值依然小于2K ，相同温差下单位时间的换热量1Φ 更是小于2Φ。

六、对于气液的换热，一般也只在气侧加上肋片，对于管壳式换热器，烟气一般走壳程（即在管外），方便肋化，所以无需采用热管式换热器。

七、热管换热器在结构上有其独特的优势：结构简单，体积紧凑，热，冷流体两侧的传热面可以自由布置，当传热面局部破坏时，能够保证两流体彼此不掺混，布置灵活，运行可靠。

所以在有些气液换热时也采用热管换热器，如省煤器。

由于热源场地结构的限制，有时候液液换热场合也可以采用热管式换热器。

参考文献：
[1]王磊，热管换热器的设计计算，淮南工业学院职业技术学院 2001年第3期 39-43
[2]高丽丽 唐志伟 蒋章焰 低温废水余热回收热管换热器的设计 北京工业大学 环境与能源工程学院 中国热物理学会学术会议论文[
[3]涂福炳 武荟芬 张岭 周孑民 贾煜，径向热管换热器壳程数值模拟及结构参数优化，中南大学学报 第43卷第5期 2012年5月
[4]孙世梅 张红 热管换热器传热性能及温度场数值模拟，化工学报第55卷第3期，2004年3月
[5]曹小林 曹双俊 马卫武 王芳芳 曾伟 新型重力热管换热器传热特性的数值模拟，中南大学学报 第44卷第4期，2013年4月
[6] 曹小林 曹双俊 曾伟 王芳芳 李江 池东 新型重力热管换热器传热性能的
实验研究，中南大学学报，第43卷第6期，2012年6月
[7]刘爽刘祥热管换热器传热效率分析工程建设与设计P200-202。