换热器的传热速率和强度的计算

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换热器的强度和传热速率的计算

　　1 用波纹管制造热网换热器的依据

　　1.1 流体在管子内外的流动状态对两侧流体之间传热的影响

　　1.1.1 流体在管子内的流动型态

　　通常当流体在管内流动时可分为层流、湍流和过渡流三种流动状态。每种流动状态都会在靠近管壁处形成边界层(边界层又分为层流、湍流、过渡流三种流动状态)。这是因为流体具有粘滞性、润湿性的结果，即使是湍流边界层，在靠近管壁面仍存在一极薄的滞流内层，此层内流体的流动仍为层流。

　　1.1.2 流体在换热器管间的流动状况

　　通常采用的列管式换热器都带有折流挡板，流体在管间流动时，流向和流速均不断变化，因而在Re(雷诺准数)>100时即可能(推荐：太阳能)达到湍流，所以一般按湍流考虑。

　　1.1.3 无相变的流体在管子内外的传热情况

　　在管两侧紧贴壁面的滞流内层中，沿壁面的法线方向上没有对流传热，该方向上热量的传递仅为流体的热传导。由于流体的导热系数较低，使滞流内层中的导热热阻就很大。假设管壁两侧的流体为湍流流动，在管壁两侧的湍流主体中，因流体质点剧烈混合并充满旋涡，所以湍流主体中的温度差(温度梯度)极小，各处温度基本相同。在湍流主体和滞流内层之间的缓冲层中，热传导和对流传热均起作用，在该层内温度发生缓慢的变化。如图1所示。若管壁两侧的流体为层流流动，则在层流主体中，沿壁面的法线方向上的热量传递只是流体的热传导，详情可参考滞流内层中的传热情况。从以上分析可知，对流传热的热阻主要集中在滞流内层中，因此减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的重要途径。

　　1.1.4 波纹管内外两侧流体(外侧的流体有相变)之间的传热分析。

　　在波纹管内侧，当流体由缩径处进入扩径处时会发生边界层分离现象，此时在扩径处产生流体空白区，一部分流体会倒流回来填充空白区，这样在扩径腔内产生流向相反的两种流体，即而形成旋涡，如图2所示。由于旋涡的存在，加剧了流体质点之间的碰撞，极大地破坏了边界层和滞流内层，使其厚度减薄，减少了滞流内层的热阻，同时减轻了污垢在管内壁的沉积，这样就大大地提高了内侧的对流传热系数。

　　在波纹管外侧，由于波纹管表面的凸起和凹陷改变了冷凝液膜的薄厚分布，如图3所示。在扩径处外部液膜厚度极薄，此处对流传热系数远远大于光滑管外部凝结时的对流传热系数，在缩径处外部液膜厚度较厚，该处对流传热系数较光滑管外部凝结时的对流传热系数略小一些，不过总的平均对流传热系数比光滑管大得多。