(完整版)板翅散热器性能计算报告

1、空气水热交换器性能计算报告共13页第 页共13页第1页空气水热交换器性能计算报告前言：空气水热交换器利用风扇驱动环境空气来冷却系统内的乙二醇水混合液。根据GE公司提供的参数，本文计算了该板翅式热交换器（结构尺寸最大为879mmX460mmX58mm）的换热性能和流阻。设计校对审核审定批准1技术参数和技术要求1.1技术参数要求热交换器热边出口温度60C，冷边空气入口温度取45C。热边：乙二醇一水混合液，t=60CG=37.85L/min(10gpm)11冷边：环境空气，t/=45CG=0.85m3/s(1800ft3/min)221.2技术要求换热量Q11kW，热边流阻不大于8.72kPa,冷边

2、流阻不大于74.7Pa。2计算数学模型分析该热交换器的计算，实际上是在结构尺寸基本给定情况下的校核计算。根据已知的资料，该热交换器为热边两流程、冷边单流程纯叉流热交换器，去掉必要的结构尺寸，其芯体尺寸为750X396X58,如图1(a)所示。这可看作是两个完全相同,热容比C*相等的的单程叉流热交换器芯体的组合，可折算为一个如图1(b)所示芯体进行计算。L=1500mmL=58mmL=198mm隔板厚度6=0.4mm，热边封条宽度B=12n4mm，冷边封条宽度B=6mm。2ZU热边J1热边图1芯体示意图3设计计算设计计算由热交换器的热力性能计算和流体阻力计算两部分组成。3.1热力性能计算热边（乙

3、二醇一水混合液边）采用矩形锯齿形波纹板，波纹板的结构示意图见图2a，数据如下：b=3.5mmh=3mm切开长度l=5mm6=0.15mm11s111TrTTrrrrrn7TT1图2a矩形锯齿波纹板示意图冷边（空气边）采用百叶窗式波纹板，波纹板的结构示意图见图2b,数据如下:p=4.7mm2l=9.3mm6=0.10mm02百叶窗节距l=1.1mmp百叶窗高度1厂0.5伽百叶窗长度厂血百叶窗式波纹板几何参数图2b百叶窗式波纹板示意图空气水热交换器性能计算报告共13页第 页计算热边层数N、冷边层数N12由热交换器芯体结构可知，冷边层数N要比热边层数N多一层，即N=N+1,2121取隔板厚度为6=0

4、.4mm,ZU(h+2X5)N+2lN=L1ZU102n(3+2X0.4)N+9.3(N+l)=19811N=14N=1512则实际L/=(3+2X0.4)X14+9.3X15=192.7n311计算当量直径de乙二醇一水边de:1X=b-5=3.5-0.15=3.35mmY=h-5=3-0.15=2.85mm111111则d=2XY/(X+Y)e11111=2X3.35X2.85/(3.35+2.85)=3.080X10-3m空气边d:e22波高实长匸0(4.7=4.796mm则d=4(Pl-2l5)/(P+4l)e202=4X(4.7X4.65-2X4.796X0.10)/(4.7+4X4

5、.796)=3.499X10-3m312计算流体流通面积FfF=NXY(L-2XB)/b(应考虑热边封条宽度)1f111211=14X3.35X2.85X(58-2X4)/3.5=0.1910X10-2m2F=N(L-2XB)(2l4l5/P)(应考虑冷边封条宽度)2f2120L=15X(1500-2X6)(9.34X4.796X0.10/4.7)=0.1985m23.1.3计算迎风面积FyF=LXL/=58X192.7=0.0112m21y2nF=LXL/=1500X192.7=0.2891m22y1n3.1.4计算孔度11f0O=F/F=0.1910X10-2/0.0112=0.1711y

6、O=F/F=0.1983/0.2891=0.68722f2y3.1.5共用主传热面积FzuF=2NLLzu112=2X14X1500X58=2.436m23.1.6定性温度tf根据公式Q=GC(t/-1/),mp11Q要求的换热量，kcal/hG介质质量流量，kg/smC介质定压比热p计算后取t/=65C1其中：贝Ut=(t/+t/)/2=62.5Cf1113.1.7查物性参数乙二醇水边C=0.8066kcal/(kgC)P1入=0.3975kcal/(mhC)1P=1.0325kg/L1口=1.5255X10-4kgs/m21318水当量W,热容比c*,假设效率nkcal/(kgC)t/=5

7、7C2t=(t/t/)/2=51C空气边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则热交换器假设效率n二-二二=0.5254x65-60=0.59090W

8、t-10.222365-45min123.1.9质量流速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计算雷诺数Re、普郎特数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计算放热系数a和摩擦因子f乙二醇一水边为矩形锯齿形波纹板，根据资料2P173,对于ReW1000，其准则方程适用于式(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则a二j3C/Pr0.67111P11=0.0129X341.01X0.8066X3600/10.930.67=2581.17kcal/(m2hC)空气边为百叶窗式波纹板，根据资料3P166,Davenport公式：f=5.47Re-0.7210.37(2l)o.23l0.2()o.89(适用条件：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(适用条件：300VRe=830.82V4000=22Ph2l27=0.249X261.12-0.42X0.540.33X(2X4.796)0.26X()1.12x4.796=0.0250式中Re以百叶窗的节距1为特征长度，即以1为当量直径：2PPPRe=31/(口g)2P2P2=4.669kg/(m2.s)X1.1X10-3m/(2.005X10-6kg.s/m2X9.81m/s2)=261.12Re_丄由努谢尔特数公式Nu二罕及柯尔朋（Co

12、lburn）公式j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计算肋片效率乙二醇水边为矩形锯齿形波纹板，计算m时需考虑波纹板边缘暴露面积，由资料2P154式(6-15)(6-16)：I2am=11九6f1.61+l丿1丿2x2581.17计180 x0.15x10一3(=443.77m-1空气水热交换器性能计算报告共13页第 页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空气边为百叶窗式波纹板，由资料2P154式(6-15)(6-16)：m=|2a”_2x128.10_厂_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肋片有效传热面积FLF=2N(L-2B)LYn/b(应考虑冷边封条宽度)1L121111L1=2X14X(58-2X4)X1500X2.85X0.895/3.5=1.5305m2F=N(L-2B2)4lLX2/Pn(

14、应考虑冷边封条宽度)2L2122L=15X58X(1500-2X6)X4X4.796X2/4.7X0.907=9.5852m23.1.14总有效传热面积FeF=F+F1ezu1L=2.436+1.5305=3.9665m2F=F+F2ezu2L=2.436+9.5852=12.0212m23.1.15计算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计算效率n两边流体均不混合，按资料2P161式（6-35）计算n值:i空气水热交换器性能计算报告共13页第 页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散热性能分析本文计算的效率值(0.7106)大于假设效率(0.5909)。本文计算的换热器效率是趋于保守的，可从以下两点来分析：(1)计算数学模型时，是将热边作为单流程来处理的，而实际上产品热边是两流程，在两流程拐弯处流体有一定的混合，使换热性能有一定提高；(

16、2)选用n计算公式时，按两侧流体均不混合来进行计算的，而实际所选用的波纹板为锯齿形波纹板和百叶窗式波纹板，流体在其中流动时均有一定的混合，这对改善换热性能有一定好处。工作中本产品性能可以满足要求。3.1.18计算冷热边出口温度冷边：t/=t/+n(Wmin)(t/-t/)=45+0.7106X(0.2223)X(65-45)=59.21C22W120.22232高于假设的57C。热边：TT700OQt/=t/-n/)=65-0.7106X(03)X(65-45)=58.99C11W120.52541低于要求的出口温度60C。3.1.19热交换器设计换热量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的换热量。3.2计算流体压力损失AP流体流经紧凑式热交换器时，一般在芯体进口处发生流动收缩，而在出口处发生流动膨胀现象，这种突然的流动收缩和膨胀，都会引起附加的流体压力损失。此外，流体流经芯体时有摩擦损失。在多流程热交换器中，流体在连接端盖处拐弯，空气水热交换器性能计算报告共13页第 页也有附加的压力损失。故热交换器的总压力损失包括热交换器芯体进口压力损失、热交换器芯体出口压力回升、芯体内的沿程损失及连接端盖的附加损失，按资料(2)P169式(6-48)计算A

18、P：AP=(lO2+K/)+2(l)+fm(102K/)+gm2VdVVaVe321计算热边压力损失AP1依次求出上式中各项：质量流速3=341.01kg/(sm2)1进口温度时热边流体密度为1.0309kg/L，则比容v/=l/1030.9=0.00097m3/kg1出口温度时热边流体密度为1.0354kg/L，则比容v=l/1035.4=0.00097m3/kg1则v=(v/+v/)/2=0.00097m11孔度。=0.1711使用矩形锯齿形波纹板表面的目的是为了破坏边界层，因而不可能具有充分发展的层流那样完全稳定的流速分布，故应根据。=0.171、Re=*由资料1P17611页图32来查得压力损失系数K/=0.39,K/=0.6811摩擦因子f=0.05901热边流程有一个180拐弯，则附加阻力系数g=5a1流道长度(因采用两流程，故热边流道长度为2L)S=1500mm11当量直径de=3.080mm1将以上各项代入前式可得出:AP=6.53kPa1满足产品热边不大于8.72kPa的流阻要求。3.2.2计算冷边压力损失依次求出上式中各项：质量流速3=4.669kg/(sm2)2孔度。=0.6872空气进口压力为大气压，即P/=10332.3kg/m2，空气常数R=29.27m/C，则进口2温度时空气比容为v/=1/p/=RT2=29.27