盘管换热器相关计算

一、铜盘管换热器相关计算条件：600kg水6小时升温30℃单位时间内换热器的放热量为qq=GCΔT=600*4.2*10^3*30/(6*3600)=3500w盘管内流速1m/s，管内径为0.007m，0.01m，盘管内水换热情况：定性温度40℃定性温度50℃管径0.014mRe21244.31Re25179.86管径0.20mRe30349.01Re35971.22湍流范围：Re=10^4~1.2*10^5物性参数：40℃饱和水参数。黏度—653.3*10^-6运动黏度—0.659*10^-6普朗特数—4.31导热系数—63.5*10^2w/(m.℃)求解过程：盘管内平均水温40℃为定性温度时换热铜管的外径，分别取d1=0.014md2=0.02m努谢尔特准则为0.4f8.0ffPr023Re.0*2.1Nu＝1.2*0.023*21244.310.84.310.4=143.4（d1）0.4f8.0ffPr023Re.0*2.1Nu＝1.2*0.023*30349.010.84.310.4=190.7（d2）管内对流换热系数为lNuhffi=143.4*0.635/0.014=6503.39（d1）lNuhffi=190.7*0.635/0.02=6055.63（d2）管外对流换热系数格拉晓夫数准则为（Δt=10）23/tdgGr=9.8*3.86*10^-4*10*.0163/(0.659*10^-6)2=356781.6（d1）23/tdgGr=9.8*3.86*10^-4*10*.0223/(0.659*10^-6)2=927492.9（d2）其中g=9.8N/kg为水的膨胀系数为386*10^-61/K自然对流换热均为层流换热（层流范围：Gr=10^4~5.76*10^8）25.023wwPrtgl525.0Nu=0.525(356781.6*4.31)0.25=18.48755（d1）25.023wwPrtgl525.0Nu=0.525(927492.9*4.31)0.25=23.47504（d2）其中Pr普朗特数为4.31对流换热系数为dNum=18.48755*0.635/0.014=838.5422（d1）dNum=23.47504*0.635/0.014=677.5749（d2）其中为0.635w/(m.℃).传热系数Uoih1h1U1=1/6503.39+1/838.5422+1/393=0.003891U=257.0138（d1）oih1h1U1=1/6055.63+1/677.5749+1/393=0.004186U=238.9191（d2）hi－螺旋换热器内表面传热系数J/㎡·s·℃ho－螺旋换热器外表面传热系数J/㎡·s·℃δ－螺旋换热器管壁厚mδ=1mλ－管材的导热系数J/m·s·℃λ=393W/m℃ko－分别为管外垢层热阻的倒数（当无垢层热阻时ko为1）J/㎡·s·℃自来水ko=0.0002㎡℃/W换热器铜管长度dql70=3500/10/257.0138/3.14/0.014=27.1（d1）A=1.53dql70=3500/10/238.9191/3.14/0.022=21.2（d2）A=1.65二、集热面积的相关计算（间接系统）条件：加热600kg水，初始水温10℃，集热平面太阳辐照量17MJ/㎡以上，温升30℃，hxhxCLRcINAUAUF1AA=9.5㎡式中INA—间接系统集热器总面积，㎡LRUF—集热器总热损系数，W/（㎡·℃）对平板集热器，LRUF宜取4～６W/（㎡·℃）对真空管集热器，LRUF宜取１～２W/（㎡·℃）取1hxU—环热器传热系数，W/（㎡·℃）hxA—换热器换热面积，㎡cA—直接系统集热器总面积，㎡)1(Jf)tt(CQALcdTiendwwcwQ—日均用水量，kgwC—水的定压比热容，kJ/（kg·℃）endt—出水箱内水的设计温度，℃it—水的初始温度，℃f—太阳保证率，%；根据系统的使用期内的太阳辐照、系统经济以用户要求等因素综合考虑后确定，宜为30%～80%取1TJ—当地集热采光面上的年平均日太阳辐照量kJ/㎡cd—集热器的年平均集热效率；根均经验值宜为0.25～0.5取0.6L—出水箱和管路的热损失率；根据经验取值宜为0.20～0.30取0.2结论：1）换热器入口流速在1m/s左右2）保证换热器内的平均温度在40℃左右3）换热器的入口压力不低于0.25MPa三、换热器计算1.传热面积TUQA(2.1.1)A—传热面积㎡Q—传热量J/sU—传热系数J/㎡·s·℃ΔT－平均温度差℃2.平均温度差（考虑逆流情况）c1h2c2h1c1h2c2h1TTTTln)TT()T(TT（2.2.1）其中Tc—冷流体温度℃Th—热流体温度℃下标1为入口温度，下标2为出口温度当c1h2c2h1TTTT≤2时，可用算数平均值计算，即2)TT()T(Tc1h2c2h1（2.2.2）3.传热系数U)AA(k11)k1h1()AA(h1U1ioioooioi（2.3.1）hi－螺旋换热器内表面传热系数J/㎡·s·℃ho－螺旋换热器外表面传热系数J/㎡·s·℃δ－螺旋换热器管壁厚mλ－管材的导热系数J/m·s·℃ki,ko－分别为管内外垢层热阻的倒数（当无垢层热阻时ki,ko均为1）J/㎡·s·℃ηo－为肋面总效率（如果外表面为肋化，则ηo＝1）ioAA－为换热管的外表面积与内表面积之比；4.螺旋管内表面传热系数lNuhffi（2.4.1）其中hi—管内表面传热系数J/㎡·h·℃fNu—努塞尔数f—流体导热系数W/m·K换热器设计流量为：4L/min～14L/min，管内为湍流时实验关联式验证范围：Ref＝104～1.2×105,Prf＝0.1～120，l/d≥60;管内径d为特征长度。采用迪图斯-贝尔特公式：nf8.0ffPr023Re.0Nu（2.4.2）加热流体时n＝0.4，冷却流体时n＝0.3Ref－雷诺数u·l/νu－流体流速m/sl－管径mν－流体运动黏度㎡/sPrf－普朗特数Cp·μ/λ＝ν/a螺旋管内流体在向前运动过程中连续的改变方向，因此会在横截面上引起二次环流而强化换热。流体在螺旋管内的对流换热的计算工程上一般算出平均Nu数后再乘以一个螺旋管修正系数cr。推荐：对于气体Rd1.771cr对于液体3Rd10.31cr以上内容仅适用于Pr0.6的气体或液体，d是螺旋管的内经，R是螺旋圈的半径管内层流时，推荐采用齐德－泰特公式来计算长为l的管道平均Nu数14.0wf3/1ffd/lRe86.1Nu（2.4.3）此式的定性温度为流体平均温度tf（但w按壁温计算），特长长度为管径。实验验证范围：Ref＝104～1.2×105,Prf＝0.48～16700，wf＝0.0044～9.75，14.0wf3/1fd/lRe≥25.螺旋管外表面传热系数（自然对流换热情况）格拉晓夫数23TglGr（2.5.1）螺旋管外表面传热系数lNuh（2.5.2）其中h－螺旋管外表面传热系数J/㎡·s·KNu－螺旋管外表面努塞尔数λ－螺旋管外流体导热系数W/m·Kl－螺旋管外径m努塞尔数25.023wwPrtgl525.0Nu（2.5.3）其中ρ－螺旋管外流体密度kg/m3α－螺旋管外流体膨胀系数K-1g－重力加速度kg/sΔt－流体和管壁间的温度差KPr－流体的普朗特数Cp·ρ·ν/λCp－流体的比热J/kg·Kν－流体运动黏度㎡/s