管壳与热管换热比较
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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℃/W
R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/ms
Pr--Pr=,aac
--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（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3-1
Re C n
0.4~4 0.989 0.330
4~40 0.911 0.385
40~4000 0.683 0.466
4000~40000 0.193 0.618
40000~400000 0.0266 0.805
②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，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=41.2909102/Wmk
管外换热热阻'424.309810R2/Wmk
管壁导热热阻'430.504610R2/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。
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