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ir，or，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(/)111ooiooirrrrrrRAKhh相变1h--热管加热段表面传热系数，2/()Wm℃2h--热管冷却段表面传热系数，2/()Wm℃ln(/)ooirrr--热管加热段、冷却段的管壁导热热阻，2m℃/WR相变--管内工质的相变热阻，℃/W--管壁的导热系数，)/(Wm℃二、有一换热管，长度为2L，内外径分别为ir，or,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()ooioiirrrrKaaroa--换热管管外表面换热系数，2/()Wm℃ia--换热管管内表面换热系数，2/()Wm℃2ln(/)oirrr--换热管管壁导热热阻，2m℃/W--管壁的导热系数，)/(Wm℃三、①流体横向外掠单管的准则式：1/3RePrnhlNuCC,n--修正系数h--流体横向外掠单管的表面换热系数，2/()Wm℃l--特征长度，m--流体导热系数，)/(Wm℃Re--Reulu--特征流速，m/s--流体的运动粘度，2/msPr--Pr=,aac--流体密度，kg/3mc--流体比热容,J/(kg℃)式中：C及n值见表3-1；定性温度为（wtt）/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℃，wt=21~1046℃。表3-1ReCn0.4~40.9890.3304~400.9110.38540~40000.6830.4664000~400000.1930.61840000~4000000.02660.805②管槽内湍流强制对流传热关联式：0.80.023RePrnhlNuh--管槽内湍流强制对流表面换热系数，2/()Wm℃l--特征长度，m--流体导热系数，)/(Wm℃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ft（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，/60ld。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1ddt大的油类不超过10℃。四、由传热公式AKt，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，1K22K,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：rfforfAAAArA--两个肋片之间的根部表面积fA--肋片的表面积③整个肋面的换热量000AhtAhtA--光管外表面积0A--所有肋片与根部面积之和,0rfAAA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。--肋化比，0AA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1K（以蒸发段的外表面为换热面，面积为A）：10102ln(/)ln(/)111ooiooirrrrrrRAKhh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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()oooioiirrrrKaar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,,,iohhaa相差不大，若不加肋片，12,KK数值也相差不大，加上肋片之后1K近似增大0倍（0的值与肋片表面与流体的换热系数h，肋片导热系数以及肋片形状有关，h越小，0的值越大），2K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,KK的数值对于1h，1/31RePrnhCl,461.50.025Re9.08100.41310ul，C=0.0266,n=0.805，Pr=2.55计算得1h=9448.12/()Wm℃对于2h，1/32RePrnhCl,561.50.025Re1.59100.23610ul,C=0.0266,n=0.805，Pr=5.07计算得2h=2320.32/()Wm℃通过查阅资料取R相变=0.0055K/W计算得1K=909.12/()Wm℃另外，计算得水侧表面换热热阻4211.058410/WRmk，工质R245fa侧4224.309810/WRmk，管壁导热热阻4231.00910/WRmk，相变热阻'44.317510R相变2/Wmk。对于oa，假定管外流体横掠单管1/30RePrnaCl，561.50.025Re1.59100.23610ul，C=0.0266，n=0.805，Pr=5.07计算得0a=2320.32/()Wm℃对于ia，0.80.023RePrnial，461.50.021Re7.63100.41310ul，Pr=2.55，n=0.3计算得ia=7746.82/()Wm℃计算得2K=1637.92/()Wm℃另外计算得管内换热热阻'1R=41.2909102/Wmk管外换热热阻'424.309810R2/Wmk管壁导热热阻'430.504610R2/Wmk比较12,KK的数值，很明显12KK，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,KK的数值由于水的换热系数很大，即h很大，所以0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