换热器设计为什么雷诺数要超过6000？认识雷诺数与湍流

一百多年前, 雷诺( Osborne Reynolds) 通过实验和理论分析认为, 流体充满导管作稳定流动时, 流体的流动状态有两种：层流（laminar flow）和湍流（turbulent flow）。层流的液体平行运动，不会搅和在一起；湍流时流体流动发生紊乱，形成很多小的漩涡。

层流和湍流

雷诺数，就是一个表征流体流动状况的无量纲数。当雷诺数小于2100时（也有说是2300的，不过都在这个数值附近）, 为层流; 当雷诺数大于4000时, 为湍流; 当雷诺数在2100和4000之间, 属于从层流转变为湍流的过渡状态。雷诺数越大，流体湍动程度就越强。

前两个是层流，后两个是湍流，雷诺数越来越大

那么，我们在换热器设计时为什么要求雷诺数高于6000，也就是较强的湍流状态呢？因为当流体在管道中流动时，在管道壁附近，始终都会有一层层流边界层，流体主体流动的湍动程度只是会改变这一层边界层的厚度，但这个边界层始终都会存在，如下图。当湍动程度越大时，层流边界层越薄。

在靠近壁面附近始终会有层流边界层

根据对流传热的知识，热阻主要集中在层流边界层，当边界层越薄，热阻就越小，传热系数就越大，所以换热器要求流体为湍流状态，目的就是为了强化传热。在对流传热情况下，湍流状态的传热系数甚至可能比层流状态的大几倍，因此湍流强化传热在工业上得到很广泛的应用。

既然已经知道雷诺数对于传热的重要性，那么就有一个大家经常会遇到的问题：在换热器设计过程中，怎么增大雷诺数？这就需要知道雷诺数的公式：Re=ρvd/μ，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度、粘度，而d在圆形管道中代表管道直径。

管壳式换热器中的流场（来源：Comsol中国）

从公式直接来看，只要增大流体流速，雷诺数就会增加，因此第一个办法就是增大流体流速，那么当流量一定时，如何来增大流体流速呢？如果流体走的是管程，那么办法就是减少总的流体流动横截面，也就是减少管束的根数，但是管束减少了，相应的换热面积也减少了，因此还需要增长换热器的长度来维持住换热面积。

而如果流体走的是壳程呢？如果换热器排管不变的话，壳程的流动横截面是不会变的，通过上面减少管束根数也可以减小壳程的横截面，所以上面这个过程可以同时减小管程和壳程的横截面。但是如果排管不变的话，就需要通过其他的办法，比如说，增加折流挡板的数目（减小折流挡板的距离），这样流体在壳程中流动就更曲折，湍动就会增强，当然带来的后果之一就是压降也会增加。

管壳式换热器结构图

除了以上方法，还有一些通过调整换热管外形和壁面粗糙度的方法，比如说波纹管/螺纹管强化传热，波纹管/螺纹管的使用使得流体流动方向不断改变，当计算得到的雷诺数为200时，流体流动就已经达到了湍流状态，一般波纹管换热器的换热效率比普通的换热器高3~5倍。

波纹管换热器

以上就是对雷诺数和湍流的介绍及其在对流传热当中的应用讲解，希望对大家进行换热器设计有所帮助。

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