摘要 在热传递中，有肋管道比起无肋管道的传热性能高得多，而肋片的布置形式同样决定了肋管在单位时间里的传热能力。本文将通过对流传热原理，对有肋管道与无肋管道进行传热能力的比较，证明有肋管道比起无肋管道具有强化传热的作用；同时在有肋管道上计算出单肋片的传热量，并提出一些强化肋片传热的设计。
关键词 肋片；对流传热；肋管；传热量
中图分类号TK124 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）64-0150-02
Fin-root Shape and Size Optimization Design
CHEN Wei-yao，CUI Xiao-jie
School of Naval Architecture and Civil Engineering，Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316000,Zhejiang Province
ATbstract In heat transfer, the rib pipeline has a high heat transfer than the pipeline without rips, and the form which the rips decorate also decides the heat transfer ability of rip tube. This article will get through the convection heat transfer theory, and compare the rip pipeline with the pipeline without rips in heat transfer ability,to prove the rip pipeline can improve heat transfer than the pipeline without rips. At the same time, I will try to calculate the quantity of heat which get trough the fin-root. At last I will put forward some designs which strengthen fin-root tube heat transfer.
Keywords rip；convection heat transfer；the rip pipeline；the quantity of heat
0 引言
现今各类形状的肋片及肋片管已经广泛使用在各类传热设备里，比如中央空调，工业空调等。肋片的作用主要有两点：一是可以强化传热，减少设备占用空间；二是间接快速创造人或设备所需的环境。为了对肋片有更深入的研究，本文将着重对肋片的工作原理以及最佳形状进行探讨，并提出一些可行的肋片设计。
1 肋片对流传热原理
1.1 对流原理
由肋片对流换热速率方程可见，要增强对流传热量，可以通过增加温差、增强表面传热系数以及增加换热面积三种方法实现。对肋片来说，用于传热时肋管内外温差已经定死；对于对流传热系数，受到肋管，流体，以及周围环境等多因素的影响，具有不定性；因此我们考虑的主要还是通过改变肋片的表面积从而强化传热。
1.2 有肋管道与无肋管道传热比较
对于无肋管道，传热系数[1]为：
对有肋管道，即在A处加一等截面矩形肋片，于是有肋面积大于无肋，即增加肋片后对流热阻远远小于原热阻。此时传热系数：
β为肋化系数，。
在实际上，肋片一般都很薄。所以β一般大于2。所以；所以K有肋>K无肋，加肋后的管道传热大于无肋管道。
2 通过等截面直肋的导热量
2.1 肋片的形状和尺寸
工程上常用的肋片如图1所示。为了说明肋片形状和尺寸对强化传热的影响，必须弄清楚肋片传热过程。
现以等截面肋片传热为例，左边端点温度为t0大于右端流体温度，这里有一项假设，因为肋片很薄，我们假设整块肋片里的温度是相等的，即假设肋片截面温度处处为t，此时肋片存在关系t0>t>，热量Q从最左端导入，一边向右传递，一边由肋片向上向下发散热量。如图2a所示，进入肋片的总热量为各个面向外的热量的和Q=Q1+Q2+Q3[2]，同时越向右端传递，向外散出的热量就越少，即满足关系式：Q1>Q2>Q3
为了节省材料，提高材料利用率，保证肋片每个截面内都发挥最大的导热效果（单位截面上热传导率始终保持最大值）。那就需要随着可传递热量的减少，截面面积也相应减小。所以截面形状逐渐变化的“变截面”肋片比等截面形状肋片更为合理。这样便充分发挥了截面导热能力节省了材料，减轻了重量，同时还去掉了不必要的导热热阻。
变截面肋片比等截面好，在多种类形的变截面中，到底哪一种形状最好呢?从传热分析知，在同样条件下（根厚、肋高、肋宽都相等情况下)，哪一个与流体接触的表面积最大，换热量就最多。选用肋片，就选用表面积最大的那种类形。在忽略肋端换热量情况下，只要比较它们的侧表面积。它等于反映形状特征的线长H与宽度l的乘积。因此只要比较反映形状特征的线长即可。
从图2b可以看出，弧段1=弧段3>弧段2，相应他们的面积与弧段有相同大小关系，所以换热量也满足关系Q1=Q3>Q2，但比起弧段1，弧段3体积小的多，也就材料省的多，所以弧段3类型的肋片强化传热效果最好。但考虑到工艺上制造的困难，一般企业会采用弧段2的肋片。
2.2 肋片或肋管强化传热的设计
对于肋片和肋管形状和尺寸的设计，在上文已经提到过关于肋片的最佳设计，即始端大，终端小，中间以弧段3过渡，如图3a。
此种设计理论上可以最大程度上提高材料利用率，强化传热。
对于肋管，其原理上与肋片基本相同。但是这样的设计有一项缺点，就是增加了肋片占用的空间[3]。
在工程中，相对两片肋片的长度和2H往往大于肋管的直径d，占用设备里的空间，减少了肋管束的数量，降低传热效率。因此采用肋片弯曲的肋管，如图3b所示，此种布置可以减小肋片所占用的空间，同时不影响肋片与流体的接触面积，这样一来就可以布置更多了管束，强化传热。
3 结论
本文对肋片和肋管的强化传热进行研究，通过改变肋片的形状和尺寸以达到强化传热的作用。本文首先通过比对有肋管道与无肋管道的比较，总结出有肋管道具有强化传热的作用，接着对肋片对流传热原理进行追根究底的探索，计算出肋片的散热公式，进而分析出肋片强化传热的条件；接着分析肋片上各点散热能力的变化，提出肋片具有最佳尺寸，通过改变肋片尺寸和形状，从而节省了空间与材料，但传热能力始终不变。最后给出了最理想的肋片形状，作为实际工程应用上的参考。
参考文献
[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006，8.
[2]范治新.工程传热原理[M].化学工业出版社.
[3]王补宣.工程传热传质学（上册）[M].科学出版社.