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ri，ro，热管的 总传热系数为K1（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：

111rln(ro/ri)roln(ro/ri)???o??R相变?A K1h1h2??

℃) h1--热管加热段表面传热系数，W/(m2?℃) h2--热管冷却段表面传热系数，W/(m2?roln(ro/ri)?--热管加热段、冷却段的管壁导热热阻，m2?℃/W

R相变--管内工质的相变热阻，℃/W ?--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ri，ro,换热管的总传热系数为K2（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：

rln(ro/ri)111r??(o)?2 K2aoairi?

℃) ao--换热管管外表面换热系数，W/(m2?℃) ai--换热管管内表面换热系数，W/(m2?r2ln(ro/ri)?--换热管管壁导热热阻，m2?℃/W

?--管壁的导热系数，W/(m?℃)

三、①流体横向外掠单管的准则式：Nu?C, n--修正系数

h--流体横向外掠单管的表面换热系数，W/(m2?℃) l--特征长度，m

hl??CRenPr1/3

?--流体导热系数，W/(m?℃)

?u--特征流速，m/s

Re--Re?ul

?--流体的运动粘度，m2/s

Pr--Pr=,a?

a?c???--流体密度，kg/m3

c--流体比热容,J/(kg?℃)

式中：C及n值见表3-1；定性温度为（tw?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℃，

tw=21~1046℃。

表3-1

Re 0.4~4 4~40 40~4000 4000~40000 40000~400000 C 0.989 0.911 0.683 0.193 0.0266

n 0.330 0.385 0.466 0.618 0.805 ②管槽内湍流强制对流传热关联式：Nu?hl??0.023Re0.8Prn

h--管槽内湍流强制对流表面换热系数，W/(m2?℃) l--特征长度，m

?--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tf（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=104~1.2?105，

Pr=0.7~120，l/d?60 。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?大?dt的油类不超过10℃。

四、由传热公式??AK?t，已知相同长度的换热管的换热面积是热管的两倍，得出当K1=2K2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K1、K2的表达式可以得出，K1<2K2,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?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：?o?Ar??fAfAr?Af

Ar--两个肋片之间的根部表面积

Af--肋片的表面积

③整个肋面的换热量???0A0h?t??0?Ah?t

A--光管外表面积

A0--所有肋片与根部面积之和,A0?Ar?Af

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。

A?--肋化比，??0

A?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?0?倍，等同于其换热系数（换热面积为光管表面积）增加了?0?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K1（以蒸发段的外表面为换热面，面积为A）：

rln(ro/ri)roln(ro/ri)111???o??R相变?A K1?0?h1?0?h2??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?倍，则其总传热系数 ： K2（以换热管外表面为换热面，面积为2A）

rln(ro/ri)111ro ??()?oK2?0?ao?airi?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h1,h2,ai,ao相差不大，若不加肋片，K1,K2数值也相差不大，加上肋片之后K1近似增大?0?倍（?0?的值与肋片表面与流体的换热系数h，肋

h片导热系数?以及肋片形状有关，越小，?0?的值越大），K2近似可以增大2??倍，由于气体的表面换热系数较小，所以?是远小于?0?的，即K1是大于2K2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K1,K2的数值 对于h1，

h1?C?lRenPr1/3 ,Re?ul??1.5?0.025C=0.0266,n=0.805，?9.08?104，Pr =2.55 ?60.413?10计算得h1=9448.1W/(m2?℃)

对于h2，

h2?C?lRenPr1/3,Re?ul??1.5?0.025?1.59?105,C=0.0266,n=0.805，Pr=5.07 ?60.236?10计算得h2=2320.3W/(m2?℃) 通过查阅资料取R相变=0.0055K/W 计算得K1=909.1W/(m2?℃)

另外，计算得水侧表面换热热阻R1?1.0584?10?4m2?k/W， 工质R245fa侧R2?4.3098?10?4m2?k/W， 管壁导热热阻R3?1.009?10?4m2?k/W， 相变热阻R相变'?4.3175?10?4m2?k/W。 对于ao，假定管外流体横掠单管

a0?C?lRenPr1/3，Re?ul??1.5?0.0255C=0.0266，?1.59?10，Pr=5.07 n=0.805，?60.236?10计算得a0=2320.3W/(m2?℃)

对于ai ，

?ul1.5?0.0214ai?0.023Re0.8Prn，Re???7.63?10，Pr=2.55，n=0.3 ?6l?0.413?10计算得ai=7746.8W/(m2?℃) 计算得K2=1637.9W/(m2?℃)

另外计算得管内换热热阻R1'=1.2909?10?4m2?k/W

管外换热热阻R2'?4.3098?10?4m2?k/W

'管壁导热热阻R3?0.5046?10?4m2?k/W

比较K1,K2的数值，很明显K1?K2，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K1,K2的数值 由于水的换热系数很大，即

h?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

很大，所以?0?的值很小，故用于水侧的换热一般

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K1的值依然小于K2，相同温差下单位时间的换热量?1 更是小于?2。

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

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9zng.html