肋壁傳熱

工程上經常採用肋片(又稱翅片)來強化傳熱和調節壁面的溫度。例如，暖氣散熱片、空調散熱器壁上的肋片都起強化傳熱的作用；低溫省煤器管外肋片起調節壁面溫度的作用。肋片是指在原來與流體接觸的表面上加一些特殊形狀的金屬，有針狀(針錐狀、針柱狀)、片狀(矩形片、梯形片和三角形片)、圓環形的大套片等。肋片可以由管子直接整體軋制，也可將金屬薄片纏繞、嵌套在管子上，然後經焊接、浸鍍或脹接等方式製成。在加工製造過程中，在肋片與換熱面表面接觸處應儘量不留空隙以減少接觸熱阻。

基本介紹

• 中文名：肋壁傳熱
• 外文名：Rib wall heat transfer
• 過程：採用肋片強化傳熱和調節壁面溫度
• 肋片形狀：針狀、片狀、圓環形等
• 實例：暖氣散熱片、空調散熱器壁傳熱

肋片的結構

研究肋壁傳熱，首先應了解肋片的一些基本尺寸和術語。如圖1示的矩形截面直肋中，肋高h指肋片垂直於本體方向的尺寸；肋寬b指肋片與本體接觸方向的尺寸；肋厚δ指肋片垂直於肋高和肋寬方向的尺寸；截面積A指肋片垂直於肋高截面的面積。肋基指肋片與本體接觸處，此處面積稱為肋基面積A₀；肋端是指肋片高度的末端處，此處面積稱為肋端面積A_h。凡肋基處的參數都以下標“0”表示，肋端處參數都以下標“h”表示。

設周圍流體溫度t_f小於肋基溫度t₀，肋片上溫度分布為t₀>t>t_f。熱量經肋基處傳出後，一部分向前傳導，一部分經四周表面與流體對流傳熱。如圖1所示，沿著熱流方向肋片溫度逐漸下降，向前導熱熱量及向四周流體傳熱量都同時減小，至肋端面處，最後剩餘的熱量經端面以對流換熱的方式傳給流體。總之，從肋基導出的所有熱量經肋片傳遞作用全部傳給四周的流體，肋片能起強化傳熱和調節壁溫作用是因為肋片一般均用導熱性能較好(λ較大)的材料製成，從肋基處能導出更多的熱量，並能迅速傳至肋片每個地方。另一方面，加肋後與流體接觸的表面積比無肋時與流體接觸的表面積增加很多，傳熱更充分，對流換熱熱阻大大減小。

圖1

肋片效率

肋片效率是指肋片實際換熱量Q與假設肋片整個表面都處於肋基溫度時的換熱量Q₀之比，用符號η_f表示，即：η_f=Q/Q₀=實際傳熱量/整個肋表面處於肋基溫度時的傳熱量。式中Q₀是整個肋表面都處於肋基溫度下的傳熱量，這只是假設當肋片材料λ→0時下的傳熱量。根據牛頓冷卻公式Q=αA_f(t₀-t_f)，A_f是指肋片與流體接觸的表面積(注意與前面肋片橫截面積A的區別)。對於已知形狀、尺寸的肋片，A_f很容易算出，Q₀也容易算出，肋片效率η_f通常根據肋片形狀和有關參數直接查對應的效率曲線得知。

肋片效率η_f是(mh')的函式，但是肋片效率的高低並不能反映肋片增強傳熱量的多少。肋片效率很高時，增加的傳熱量反而較小；肋片效率較低時，增加的傳熱量反而不是很小。

通過肋壁的傳熱

在傳熱過程中，如果一種流體和固體表面問的傳熱係數(如α₂)相對另一種流體的表面傳熱係數(α₁)較小，而且該表面傳熱係數(α₂)所對應的熱阻在傳熱過程總熱阻中是最大的，則此時降低這一最大熱阻可明顯提高傳熱過程的傳熱強度。降低表面對流換熱熱阻的方法有許多，在表面上加裝肋片，使表面成為肋壁，增大流體與壁面的換熱面積是減小表面換熱熱阻的有效手段。

圖2

如圖2所示，平壁一側為光壁，另一側由肋片組成肋壁。設無肋一側的表面積為A_i，肋壁側總表面積為A₀，它包括肋面突出部分的面積A₂及肋與肋間的平壁部分的面積A₁兩個部分，即A₀=A₁+A₂。肋間壁面與流體的換熱量為α₀A₁(t_w0-t₀)，而肋面本身與流體的換熱量則為α₀η_fA₂(t_w0-t₀)。此處η_f為肋片效率。在穩態條件下，通過傳熱過程各環節的熱流量Q是一樣的。

注意事項

加肋片有強化傳熱和調節壁溫的作用，根據使用目的的不同，其使用注意事項也有所區別。

1、用於強化傳熱時肋片的安裝注意事項

1)必須判斷所加肋片是否一定有利於強化傳熱。因為使用肋片減小對流換熱熱阻的同時增加了導熱熱阻，至於總熱阻是增還是減，需作進一步的判斷。例如，在傳熱條件較好的鋼製換熱器表面套上塑膠、陶瓷之類的材料製成的肋片，肯定不能增加傳熱。

2)肋片應裝在表面傳熱係數較小的流體側，這樣增強傳熱的效果將最明顯。

3)肋片安裝方向應使流體沿著其表面流過，不能使流體運動方向與它垂直正交。垂直時，流動阻力大而且使肋片另一側的表面傳熱作用下降。

4)肋片形狀應當儘量採用變截面肋片。在等肋基厚度、等肋高的情況下，三角形肋片增強傳熱效果最好，梯形肋次之，最差的是等截面矩形肋。因為熱量在向前傳遞的過程中，溫度越來越低，所傳遞的熱量也越來越小。這樣既節省材料、減小質量又能保證單位傳熱面積達到最大熱流密度。在忽略肋端傳熱量的肋片等高情況下，三角形肋表面最大，梯形次之，矩形肋最小。表面積越大，增加的傳熱量就越多。三角形肋被廣泛套用就是這個道理。當肋片形狀確定以後，採用短而厚型的肋片，還是採用細而長型的肋片，最佳尺寸組合等問題清見有關參考文獻。

2、用於調節壁面溫度時肋片的安裝注意事項

1)根據調節的目的來選擇肋片裝在哪一側。調高壁溫．只能在接觸高溫流體側壁面上加肋片；反之，調低壁溫應在低溫流體側加肋片，與該側流體表面傳熱係數的大小無關。

2)肋片安裝方向不能與流體流動方向正交。