肋片的形狀和尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳為瑤，崔肖潔

浙江海洋學(xué)院船舶與建筑工程學(xué)院，浙江舟山 316000

0 引言

現(xiàn)今各類形狀的肋片及肋片管已經(jīng)廣泛使用在各類傳熱設(shè)備里，比如中央空調(diào)，工業(yè)空調(diào)等。肋片的作用主要有兩點(diǎn)：一是可以強(qiáng)化傳熱，減少設(shè)備占用空間；二是間接快速創(chuàng)造人或設(shè)備所需的環(huán)境。為了對(duì)肋片有更深入的研究，本文將著重對(duì)肋片的工作原理以及最佳形狀進(jìn)行探討，并提出一些可行的肋片設(shè)計(jì)。

1 肋片對(duì)流傳熱原理

1.1 對(duì)流原理

由肋片對(duì)流換熱速率方程 φ= hAΔ t可見(jiàn)，要增強(qiáng)對(duì)流傳熱量，可以通過(guò)增加溫差、增強(qiáng)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及增加換熱面積三種方法實(shí)現(xiàn)。對(duì)肋片來(lái)說(shuō)，用于傳熱時(shí)肋管內(nèi)外溫差已經(jīng)定死；對(duì)于對(duì)流傳熱系數(shù)，受到肋管，流體，以及周圍環(huán)境等多因素的影響，具有不定性；因此我們考慮的主要還是通過(guò)改變肋片的表面積從而強(qiáng)化傳熱。

1.2 有肋管道與無(wú)肋管道傳熱比較

對(duì)于無(wú)肋管道，傳熱系數(shù)[1]為：

對(duì)有肋管道，即在A處加一等截面矩形肋片，于是有肋面積大于無(wú)肋，即增加肋片后對(duì)流熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原熱阻。此時(shí)傳熱系數(shù)：

式中：ηλ為肋壁效率，近似等于肋片效率，ηλ最佳=0.6～0.65；

β 為肋化系數(shù) ，β = F2/A 。

2 通過(guò)等截面直肋的導(dǎo)熱量

2.1 肋片的形狀和尺寸

工程上常用的肋片如圖1所示。為了說(shuō)明肋片形狀和尺寸對(duì)強(qiáng)化傳熱的影響，必須弄清楚肋片傳熱過(guò)程。

圖1 工程常用肋片形式

現(xiàn)以等截面肋片傳熱為例，左邊端點(diǎn)溫度為t0大于右端流體溫度t∞，這里有一項(xiàng)假設(shè)，因?yàn)槔咂鼙?，我們假設(shè)整塊肋片里的溫度是相等的，即假設(shè)肋片截面溫度處處為t，此時(shí)肋片存在關(guān)系t0＞t＞t∞，熱量Q從最左端導(dǎo)入，一邊向右傳遞，一邊由肋片向上向下發(fā)散熱量。如圖2a所示，進(jìn)入肋片的總熱量為各個(gè)面向外的熱量的和Q=Q1+Q2+Q3[2]，同時(shí)越向右端傳遞，向外散出的熱量就越少，即滿足關(guān)系式：Q1＞Q2＞Q3

為了節(jié)省材料，提高材料利用率，保證肋片每個(gè)截面內(nèi)都發(fā)揮最大的導(dǎo)熱效果（單位截面上熱傳導(dǎo)率始終保持最大值）。那就需要隨著可傳遞熱量的減少，截面面積也相應(yīng)減小。所以截面形狀逐漸變化的“變截面”肋片比等截面形狀肋片更為合理。這樣便充分發(fā)揮了截面導(dǎo)熱能力節(jié)省了材料，減輕了重量，同時(shí)還去掉了不必要的導(dǎo)熱熱阻。

變截面肋片比等截面好，在多種類形的變截面中，到底哪一種形狀最好呢?從傳熱分析知，在同樣條件下（根厚、肋高、肋寬都相等情況下)，哪一個(gè)與流體接觸的表面積最大，換熱量就最多。選用肋片，就選用表面積最大的那種類形。在忽略肋端換熱量情況下，只要比較它們的側(cè)表面積。它等于反映形狀特征的線長(zhǎng)H與寬度l的乘積。因此只要比較反映形狀特征的線長(zhǎng)即可。

圖2 各種形狀肋片表面積與傳熱能力比較

從圖2b可以看出，弧段1=弧段3＞弧段2，相應(yīng)他們的面積與弧段有相同大小關(guān)系，所以換熱量也滿足關(guān)系Q1=Q3＞Q2，但比起弧段1，弧段3體積小的多，也就材料省的多，所以弧段3類型的肋片強(qiáng)化傳熱效果最好。但考慮到工藝上制造的困難，一般企業(yè)會(huì)采用弧段2的肋片。

2.2 肋片或肋管強(qiáng)化傳熱的設(shè)計(jì)

對(duì)于肋片和肋管形狀和尺寸的設(shè)計(jì)，在上文已經(jīng)提到過(guò)關(guān)于肋片的最佳設(shè)計(jì)，即始端δ大，終端δ小，中間以弧段3過(guò)渡，如圖3a。

圖3 肋片與肋管的最佳設(shè)計(jì)

此種設(shè)計(jì)理論上可以最大程度上提高材料利用率，強(qiáng)化傳熱。

對(duì)于肋管，其原理上與肋片基本相同。但是這樣的設(shè)計(jì)有一項(xiàng)缺點(diǎn)，就是增加了肋片占用的空間[3]。

在工程中，相對(duì)兩片肋片的長(zhǎng)度和2H往往大于肋管的直徑d，占用設(shè)備里的空間，減少了肋管束的數(shù)量，降低傳熱效率。因此采用肋片彎曲的肋管，如圖3b所示，此種布置可以減小肋片所占用的空間，同時(shí)不影響肋片與流體的接觸面積，這樣一來(lái)就可以布置更多了管束，強(qiáng)化傳熱。

3 結(jié)論

本文對(duì)肋片和肋管的強(qiáng)化傳熱進(jìn)行研究，通過(guò)改變肋片的形狀和尺寸以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的作用。本文首先通過(guò)比對(duì)有肋管道與無(wú)肋管道的比較，總結(jié)出有肋管道具有強(qiáng)化傳熱的作用，接著對(duì)肋片對(duì)流傳熱原理進(jìn)行追根究底的探索，計(jì)算出肋片的散熱公式，進(jìn)而分析出肋片強(qiáng)化傳熱的條件；接著分析肋片上各點(diǎn)散熱能力的變化，提出肋片具有最佳尺寸，通過(guò)改變肋片尺寸和形狀，從而節(jié)省了空間與材料，但傳熱能力始終不變。最后給出了最理想的肋片形狀，作為實(shí)際工程應(yīng)用上的參考。

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006，8.

[2]范治新.工程傳熱原理[M].化學(xué)工業(yè)出版社.

[3]王補(bǔ)宣.工程傳熱傳質(zhì)學(xué)（上冊(cè)）[M].科學(xué)出版社.