(完整版)板翅散熱器性能計算報告

1、空氣水熱交換器性能計算報告共13頁第 頁共13頁第1頁空氣水熱交換器性能計算報告前言：空氣水熱交換器利用風(fēng)扇驅(qū)動環(huán)境空氣來冷卻系統(tǒng)內(nèi)的乙二醇水混合液。根據(jù)GE公司提供的參數(shù)，本文計算了該板翅式熱交換器（結(jié)構(gòu)尺寸最大為879mmX460mmX58mm）的換熱性能和流阻。設(shè)計校對審核審定批準(zhǔn)1技術(shù)參數(shù)和技術(shù)要求1.1技術(shù)參數(shù)要求熱交換器熱邊出口溫度60C，冷邊空氣入口溫度取45C。熱邊：乙二醇一水混合液，t=60CG=37.85L/min(10gpm)11冷邊：環(huán)境空氣，t/=45CG=0.85m3/s(1800ft3/min)221.2技術(shù)要求換熱量Q11kW，熱邊流阻不大于8.72kPa,冷邊

2、流阻不大于74.7Pa。2計算數(shù)學(xué)模型分析該熱交換器的計算，實際上是在結(jié)構(gòu)尺寸基本給定情況下的校核計算。根據(jù)已知的資料，該熱交換器為熱邊兩流程、冷邊單流程純叉流熱交換器，去掉必要的結(jié)構(gòu)尺寸，其芯體尺寸為750X396X58,如圖1(a)所示。這可看作是兩個完全相同,熱容比C*相等的的單程叉流熱交換器芯體的組合，可折算為一個如圖1(b)所示芯體進行計算。L=1500mmL=58mmL=198mm隔板厚度6=0.4mm，熱邊封條寬度B=12n4mm，冷邊封條寬度B=6mm。2ZU熱邊J1熱邊圖1芯體示意圖3設(shè)計計算設(shè)計計算由熱交換器的熱力性能計算和流體阻力計算兩部分組成。3.1熱力性能計算熱邊（乙

3、二醇一水混合液邊）采用矩形鋸齒形波紋板，波紋板的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2a，數(shù)據(jù)如下：b=3.5mmh=3mm切開長度l=5mm6=0.15mm11s111TrTTrrrrrn7TT1圖2a矩形鋸齒波紋板示意圖冷邊（空氣邊）采用百葉窗式波紋板，波紋板的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2b,數(shù)據(jù)如下:p=4.7mm2l=9.3mm6=0.10mm02百葉窗節(jié)距l(xiāng)=1.1mmp百葉窗高度1廠0.5伽百葉窗長度廠血百葉窗式波紋板幾何參數(shù)圖2b百葉窗式波紋板示意圖空氣水熱交換器性能計算報告共13頁第 頁計算熱邊層數(shù)N、冷邊層數(shù)N12由熱交換器芯體結(jié)構(gòu)可知，冷邊層數(shù)N要比熱邊層數(shù)N多一層，即N=N+1,2121取隔板厚度為6=0

4、.4mm,ZU(h+2X5)N+2lN=L1ZU102n(3+2X0.4)N+9.3(N+l)=19811N=14N=1512則實際L/=(3+2X0.4)X14+9.3X15=192.7n311計算當(dāng)量直徑de乙二醇一水邊de:1X=b-5=3.5-0.15=3.35mmY=h-5=3-0.15=2.85mm111111則d=2XY/(X+Y)e11111=2X3.35X2.85/(3.35+2.85)=3.080X10-3m空氣邊d:e22波高實長匸0(4.7=4.796mm則d=4(Pl-2l5)/(P+4l)e202=4X(4.7X4.65-2X4.796X0.10)/(4.7+4X4

5、.796)=3.499X10-3m312計算流體流通面積FfF=NXY(L-2XB)/b(應(yīng)考慮熱邊封條寬度)1f111211=14X3.35X2.85X(58-2X4)/3.5=0.1910X10-2m2F=N(L-2XB)(2l4l5/P)(應(yīng)考慮冷邊封條寬度)2f2120L=15X(1500-2X6)(9.34X4.796X0.10/4.7)=0.1985m23.1.3計算迎風(fēng)面積FyF=LXL/=58X192.7=0.0112m21y2nF=LXL/=1500X192.7=0.2891m22y1n3.1.4計算孔度11f0O=F/F=0.1910X10-2/0.0112=0.1711y

6、O=F/F=0.1983/0.2891=0.68722f2y3.1.5共用主傳熱面積FzuF=2NLLzu112=2X14X1500X58=2.436m23.1.6定性溫度tf根據(jù)公式Q=GC(t/-1/),mp11Q要求的換熱量，kcal/hG介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/smC介質(zhì)定壓比熱p計算后取t/=65C1其中：貝Ut=(t/+t/)/2=62.5Cf1113.1.7查物性參數(shù)乙二醇水邊C=0.8066kcal/(kgC)P1入=0.3975kcal/(mhC)1P=1.0325kg/L1口=1.5255X10-4kgs/m21318水當(dāng)量W,熱容比c*,假設(shè)效率nkcal/(kgC)t/=5

7、7C2t=(t/t/)/2=51C空氣邊C=0.240kcal/(kgC)P2入=2.436X10-2kcal/(mhC)2P=1.0897kg/m32口=2.005X10-6kgs/m2Pr=0.69782W=GC11P1=37.85L/min/60X1.0325kg/LX0.8066kcal/(kgC)=0.5254kcal/(sC)W=GC22P2=0.85m3/sX1.0897kg/m3X0.240kcal/(kgC)=0.2223kcal/(sC)C*=W/Wminmax=0.2223/0.5254=0.4231則熱交換器假設(shè)效率n二-二二=0.5254x65-60=0.59090W

8、t-10.222365-45min123.1.9質(zhì)量流速33二G/F111f=(37.85L/minX1.0325kg/L)/(60X0.1910X10-2m2)=341.01kg/m2s3=G/F222f=0.85m3/sX1.0897kg/m3/(0.1985m2)=4.669kg/(m2s)3.1.10計算雷諾數(shù)Re、普郎特數(shù)PrRe=de/(ug)1111=341.01kg/(m2.s)X3.080X10-3m/(1.5255X10-4kg.s/m2X9.81m/s2)=701.84Re=3de/(ug)2222=4.669kg/(m2.s)X3.50X10-3m/(2.005X10-

9、6kg.s/m2X9.81m/s2)=830.82Pr=ugC/入11P11=(1.5255X10-4X9.81X0.8066)X3600/0.3975=10.933.1.11計算放熱系數(shù)a和摩擦因子f乙二醇一水邊為矩形鋸齒形波紋板，根據(jù)資料2P173,對于ReW1000，其準(zhǔn)則方程適用于式(6-65)、(6-66)：l/de=1.623a*=b/h=1.167de=3.080Re=701.841111111f=7.661(l/de)-0.384a*-0.092Re-0.71211111=7.661X1.623-0.384X1.167-0.092X701.84-0.712=0.0590j=0.

10、483(l/de)-0.162a*-0.184Re-0.53611111=0.483X1.623-0.162X1.167-0.184X701.84-0.536=0.0129則a二j3C/Pr0.67111P11=0.0129X341.01X0.8066X3600/10.930.67=2581.17kcal/(m2hC)空氣邊為百葉窗式波紋板，根據(jù)資料3P166,Davenport公式：f=5.47Re-0.7210.37(2l)o.23l0.2()o.89(適用條件：70VRe=830.82V1000)TOC o 1-5 h z22PhP2l27=5.47X261.12-0.72X0.540.

11、37X(2X4.796)0.23X1.10.2X()0.892x4.796=0.1026j=0.249Re-0.4210.33(2l)。.26()1.1(適用條件：300VRe=830.82V4000=22Ph2l27=0.249X261.12-0.42X0.540.33X(2X4.796)0.26X()1.12x4.796=0.0250式中Re以百葉窗的節(jié)距1為特征長度，即以1為當(dāng)量直徑：2PPPRe=31/(口g)2P2P2=4.669kg/(m2.s)X1.1X10-3m/(2.005X10-6kg.s/m2X9.81m/s2)=261.12Re_丄由努謝爾特數(shù)公式Nu二罕及柯爾朋（Co

12、lburn）公式j(luò)二N少得九a=2e2久jRe2.436x10-20.0250 x830.82222=x0.6978-3dPr_13.499x10_323=128.10kca1/(m2hC)3.1.12計算肋片效率乙二醇水邊為矩形鋸齒形波紋板，計算m時需考慮波紋板邊緣暴露面積，由資料2P154式(6-15)(6-16)：I2am=11九6f1.61+l丿1丿2x2581.17計180 x0.15x10一3(=443.77m-1空氣水熱交換器性能計算報告共13頁第 頁l=3/2-0.15=1.35mm1ml=473.77X1.35X10-3=0.59911n二th(ml)/ml=th(0.659

13、)/0.659=0.8951L1111空氣邊為百葉窗式波紋板，由資料2P154式(6-15)(6-16)：m=|2a”_2x128.10_廠_180 x0.10 x10-3f2=119.30m-1l=4.796-0.10=4.696mm2ml=119.30X4.696X10-3=0.56022n=th(ml)/ml=th(0.560)/0.560=0.9072L22223.1.13肋片有效傳熱面積FLF=2N(L-2B)LYn/b(應(yīng)考慮冷邊封條寬度)1L121111L1=2X14X(58-2X4)X1500X2.85X0.895/3.5=1.5305m2F=N(L-2B2)4lLX2/Pn(

14、應(yīng)考慮冷邊封條寬度)2L2122L=15X58X(1500-2X6)X4X4.796X2/4.7X0.907=9.5852m23.1.14總有效傳熱面積FeF=F+F1ezu1L=2.436+1.5305=3.9665m2F=F+F2ezu2L=2.436+9.5852=12.0212m23.1.15計算KF值，NTU值aFaFKF=1-e_22eaF+aF11e22e2581.17x3.9665x128.10 x12.02122581.17x3.9665+128.10 x12.0212=1338.58kcal/(hC)NTU=KF/Wmin=1338.58kcal/(hC)/(0.2223k

15、cal/sCX3600)=1.6733116計算效率n兩邊流體均不混合，按資料2P161式（6-35）計算n值:i空氣水熱交換器性能計算報告共13頁第 頁n=l-expNTU0.22exp(-C*NTUo.78)T/C*i=1-exp1.6730.22exp(-O.4231Xl.673o.78)-1/0.4231=0.71063.1.17散熱性能分析本文計算的效率值(0.7106)大于假設(shè)效率(0.5909)。本文計算的換熱器效率是趨于保守的，可從以下兩點來分析：(1)計算數(shù)學(xué)模型時，是將熱邊作為單流程來處理的，而實際上產(chǎn)品熱邊是兩流程，在兩流程拐彎處流體有一定的混合，使換熱性能有一定提高；(

16、2)選用n計算公式時，按兩側(cè)流體均不混合來進行計算的，而實際所選用的波紋板為鋸齒形波紋板和百葉窗式波紋板，流體在其中流動時均有一定的混合，這對改善換熱性能有一定好處。工作中本產(chǎn)品性能可以滿足要求。3.1.18計算冷熱邊出口溫度冷邊：t/=t/+n(Wmin)(t/-t/)=45+0.7106X(0.2223)X(65-45)=59.21C22W120.22232高于假設(shè)的57C。熱邊：TT700OQt/=t/-n/)=65-0.7106X(03)X(65-45)=58.99C11W120.52541低于要求的出口溫度60C。3.1.19熱交換器設(shè)計換熱量QsQ=nW(t/-t/)smin12=

17、0.7106X(65-45)CX0.2223kcal/(sC)X3600=11373.58kcal/h=13.23kW大于要求的11kW的換熱量。3.2計算流體壓力損失AP流體流經(jīng)緊湊式熱交換器時，一般在芯體進口處發(fā)生流動收縮，而在出口處發(fā)生流動膨脹現(xiàn)象，這種突然的流動收縮和膨脹，都會引起附加的流體壓力損失。此外，流體流經(jīng)芯體時有摩擦損失。在多流程熱交換器中，流體在連接端蓋處拐彎，空氣水熱交換器性能計算報告共13頁第 頁也有附加的壓力損失。故熱交換器的總壓力損失包括熱交換器芯體進口壓力損失、熱交換器芯體出口壓力回升、芯體內(nèi)的沿程損失及連接端蓋的附加損失，按資料(2)P169式(6-48)計算A

18、P：AP=(lO2+K/)+2(l)+fm(102K/)+gm2VdVVaVe321計算熱邊壓力損失AP1依次求出上式中各項：質(zhì)量流速3=341.01kg/(sm2)1進口溫度時熱邊流體密度為1.0309kg/L，則比容v/=l/1030.9=0.00097m3/kg1出口溫度時熱邊流體密度為1.0354kg/L，則比容v=l/1035.4=0.00097m3/kg1則v=(v/+v/)/2=0.00097m11孔度。=0.1711使用矩形鋸齒形波紋板表面的目的是為了破壞邊界層，因而不可能具有充分發(fā)展的層流那樣完全穩(wěn)定的流速分布，故應(yīng)根據(jù)。=0.171、Re=*由資料1P17611頁圖32來查得壓力損失系數(shù)K/=0.39,K/=0.6811摩擦因子f=0.05901熱邊流程有一個180拐彎，則附加阻力系數(shù)g=5a1流道長度(因采用兩流程，故熱邊流道長度為2L)S=1500mm11當(dāng)量直徑de=3.080mm1將以上各項代入前式可得出:AP=6.53kPa1滿足產(chǎn)品熱邊不大于8.72kPa的流阻要求。3.2.2計算冷邊壓力損失依次求出上式中各項：質(zhì)量流速3=4.669kg/(sm2)2孔度。=0.6872空氣進口壓力為大氣壓，即P/=10332.3kg/m2，空氣常數(shù)R=29.27m/C，則進口2溫度時空氣比容為v/=1/p/=RT2=29.27