（人机与环境工程专业论文）液冷源运行特性研究.pdf

液冷源运行特性研究 iv 摘 要 液冷源是一种为电子设备提供冷却液的地面设备，具有可靠性高，操作简 单，维护方便等优点。液冷源的工作原理是将冷却液按规定进行温度、压力、 流量调节后，送往工作中的电子设备，实现电子设备冷却。 本文提出了一种新型液冷源系统并对其进行了设计，然后采用试验和数值 仿真的方法对新设计的液冷源的运行特性进行了研究。本文的主要内容如下： ? 对液冷源使用现状进行了描述， 提出了一种新型液冷源系统并对其工作原理 进行了阐述； ? 对系统进行了设计，主要对系统中所采用的管带式冷凝器和水侧空/液换热 器进行了设计和校核计算，同时对系统中所用到的压缩机、热力膨胀阀、板 式蒸发器、水泵等配套设备进行了选型计算； ? 分别对制冷系统和冷却液循环系统进行了数学建模。 主要对制冷系统中四大 部件和冷却液循环系统中的水泵、换热器进行了数学建模； ? 利用组装的液冷源系统进行实验研究， 得到不同的工况下系统的制冷量、 阻 力损失等系统性能参数； ? 对仿真和实验研究中得到的大量实验数据进行汇总比较， 发现仿真和实验结 果吻合较好，验证了液冷源系统仿真的准确性。 关键词：关键词：液冷源，管带式冷凝器，板式蒸发器，系统仿真，实验研究 南京航空航天大学硕士学位论文 v abstract as a ground equipment providing the coolant for the electronic system, the liquid cooling system is well known for the advantages such as high reliability, simple operation, and convenient maintenance and so on. the coolant is cooled by the cooling system, regulated by systems of temperature and flow, and sent to the working electronic system by the pressurized circulatory system to cool the electronic equipment. the present thesis presents one new type of liquid cooling system as well as its design, and studies the liquid cooling system by systematic experiments and numerical simulation. it specifies the process of the design, simulation and experiment of liquid cooling system. main contents of the thesis are as follows: ? description of the present usage of liquid cooling system, presentation of a new type of liquid cooling system and description of its work principles; ? design of the liquid cooling system, which mainly deals with the design and collating calculating of serpentine condenser and heat exchangers adopted in this system. meanwhile, the model chosen calculating of compressor、thermal expansion valve、plate evaporator、water pump and the like equipment used in the system are also carried out. ? respective simulation of the liquid cooling system and the circulatory system of cooling fluid, which mainly concerns the simulation model of the four major components in the refrigerating system and the water pumps and heat exchangers in the cooling circulatory system. ? experimental research of the assembled system of liquid cooling system, which yields the system perform parameters of refrigerating capacity and resistance loss in different working conditions. ? collection and comparison of the experimental data got from simulation and experimental research, which proves simulation and the experiment result are well tallying, hereby, testifies the emulational veracity of the cooling system. key words: liquid cooling system, serpentine condenser, plate evaporator, simulation of system, experimental research 南京航空航天大学硕士学位论文 iii 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。 尽我所知， 除文中已经注明引用的内容 外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允 许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 ix 注释表 a面积， 2 m a冷凝温度的影响系数 b翅片间距，m b压缩机散热的影响系数 c相对余隙容积， 3 m w c单位管长的热容，kmkj/ p c定压比热容，kkgkj/ c流量系数 d气缸直径，m e d通道当量直径 h d翅片水力直径，m 0 d热力阀的公称直径，m e翅片节距，m f沿程摩擦阻力 g流量 g重力加速度， 2 /sm h翅片高度，m h焓值，kgkj/ i气缸数 j换热因子 l翅片宽度，m m质量，kg m流量，skg/ n压缩机的转速，rpm n绝热指数 p压力，pa p压力差，pa r p普朗特数 q换热量，kw q换热率，kw/m e r雷诺数 s活塞行程，m t温度， v相对余隙容积在， 3 m 比容，kgm/ 3 e w韦伯数 w速度，sm/ tt x马丁内利参数 z微元长度，m t计算时间步长，s 希腊字母： 导热系数 压力比 过热度， 0 d热力阀的公称直径，m 密度， 3 /mkg f 迎面风速，sm/ i压缩机的指示效率 m压缩机的摩擦效率 mo电机效率 换热系数， kmw 2 / 运动黏度 动力黏度 下标： gly乙二醇水溶液 con冷凝器 eva蒸发器 2 ,out出口状态 1 ,in进口状态 h过热区 液冷源运行特性研究 x d两相区 c过冷区 r制冷剂 l制冷剂饱和液体 g饱和气体 w壁面 a空气 上标： _平均值 制冷剂饱和液体 制冷剂饱和气体 南京航空航天大学硕士学位论文 xi 图表目录 图 1.1 原来的液冷源基本原理图. 3 图 1.2 本文液冷源基本原理图 . 3 图 2.1 管带式换热器外型及结构图. 7 图 2.2 制冷循环压焓图 . 7 图 2.3 扁管、翅片、百叶窗截面图. 8 图 2.4 管带式冷凝器计算机设计计算流程图. 12 图 2.5 板式蒸发器外形尺寸 . 16 图 2.6 液冷源外形图 1 . 19 图 2.7 液冷源外形图 2 . 20 图 2.8 液冷源外形图 3 . 20 图 2.9 液冷源载冷剂循环管路布置图. 21 图 3.1 压缩机计算程序框图 . 26 图 3.2 五口口琴管截面图 . 27 图 3.3 管带式冷凝器物理模型示意图. 27 图 3.4 冷凝器计算程序框图 . 35 图 3.5 水侧换热器模型示意图 . 36 图 3.6 板式蒸发器物理模型示意图. 38 图 3.7 蒸发器通道模型图 . 39 图 3.8 蒸发器计算程序框图 . 44 图 4.1 制冷系统与乙二醇水溶液循环系统耦合关系. 49 图 4.2 制冷系统参数耦合和图（不考虑环境等干扰因素）. 50 图 4.3 液冷源动态模拟框图 . 51 图 4.4 液冷源实验原理图 . 52 图 4.5 数据采集系统图 . 52 图 4.6 传感器连接 . 52 图 4.7 计算机数据显示 . 53 图 4.8 传感器位置 . 53 图 4.9 热电偶布置 . 53 液冷源运行特性研究 xii 图 4.10 液冷源实验控制界面 . 54 图 4.11 乙二醇水溶液合流示意图. 56 图 4.12 供液温度下降各部分响应图. 57 图 4.13 供液温度上升各部分响应图. 58 图 4.14 负载变化各部分响应图. 60 图 4.15 各工况实验值与模拟值比较. 61 图 4.16 供液温度随时间变化关系 1. 62 图 4.17 供液温度随时间变化关系 2. 62 图 4.18 供液温度随时间变化关系 3. 63 表 3.1 公式 3-77 中的系数. 46 表 3.2 乙二醇水溶液性质拟合系数表. 47 附表一：乙二醇（体积浓度 60%）水溶液物性参数表 . 71 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 液冷源概述 众所周知，电子设备的散热状况决定了电子系统的整体性能，不正确的或 者是不恰当的冷却方式会严重缩短系统部件的寿命，并影响系统的运行。当电 子设备的散热热流密度不大时，采用简单的对流冷却或者是强迫风冷能够满足 设备的散热要求，但是当发热功率达到2瓦每平方厘米时，采用风冷就难以达 到系统的散热要求。相比而言，液冷在处理高热流密度散热问题时要比风冷效 果明显，同时因为液冷可以使冷源与被冷却对象间隔比较远的距离，这样可以 有效地消除由强迫风冷带来的噪声和振动1 2等缺点而被广泛采用。 液冷源是一种提供设备冷却所需液体的装置，从结构上来说一般是由冷却 系统和冷却液循环系统组成。其中冷却系统是液冷源的核心，它的主要作用是 用来冷却与设备热源热交换后的冷却液，它直接决定液冷源的冷却能力和使用 的场合；冷却系统可以采用各种冷源，经常使用的有环境大气（即风冷） 、蒸发 循环制冷系统等。冷却液的选择取决于系统运行的压力、温度以及冷却液的热 容量、粘度、比重等因素，常用的冷却液有水、各种浓度的乙二醇水溶液等。 在国外，液冷源的发展已经有几十年的历史，整体的结构设计和控制技术 已经相当成熟，广泛应用于电子、医疗、国防等多个行业。比较有代表性的品 牌有lytron、electro impulse等。 相对来说国内液冷源的生产起步较晚， 普遍体积较大，能耗较高，针对液冷源的研究几乎是空白。 1.2 研究背景和意义 伴随着计算机、通讯、航空、航天、国防等领域的需求，电子技术得到了 迅猛的发展，同时也带来了许多问题。电子器件的封装密度不断的提高，外形 尺寸越来越小，使用环境越来越恶劣，都使得电子设备过热问题越来越突出1。 电子设备过热是电子产品失效的主要原因之一，严重地限制了电子产品性能和 可靠性的提高，也降低了产品的使用寿命。长期以来各国都非常重视电子设备 的冷却问题。目前在电子设备热设计中广泛使用的冷却方式有以下几种： （1） 自然冷却； （2）强迫风冷； （3）强迫液冷； （4）液体蒸发。同时，热电制冷， 液冷源运行特性研究 2 热管散热发展也较快，应用范围也越来越大。近几年，微通道技术和cpl技术 也开始受到关注。目前，在美国的火星探测器和hubble望远镜上即部分的采 用了cpl技术进行有效热控，取得了不错的效果。 液冷，作为一种常用的冷却方式，因其冷却效率较高，技术相对简单，得 到了广泛的应用，在电子设备冷却中占有较大的比重。液冷源是一种典型的提 供液冷的设备，因此对液冷源的需求也越来越多，同时也对液冷源提出了更高 的要求：节能、控制稳定、结构紧凑、外形美观等。要达到这些要求就必须对 液冷源进行改进和优化。 目前国内对液冷源的研究较少，基本停留在简单应用的水平上，无论是系 统的设计还是运行的控制都非常简单，忽略了节能、节材、稳定、高效等方面。 本文在进行了市场和用户需求调查的基础上，提出了一种适用范围宽且相对节 能的新型液冷源设计方案，并研制出了样机。 1.3 主要研究内容 1.3.1 系统设计 根据设备冷却要求和使用环境的不同，现在市场上存在的液冷源大致分为 两类，一类采用环境大气作为冷源，进入设备的冷却液温度一般比环境温度高； 另一类一般情况下进入设备的冷却液温度比环境温度低，需要制冷系统作为冷 源。这两类液冷源在特定的场所得到了使用，随着航空电子设备的发展，对液 冷源提出了新的要求。 航空电子设备使用环境和场所变化较大，这就要求与之配套的液冷源能够 适应这些变化，落实到具体设计要求是：在环境温度为-40+40、含湿量 在 022g/kg 范围内，电子设备的各工况点（即发热量从零到满载） ，液冷源供 往电子设备冷却液的温度、流量、压力能够连续调节并维持稳定，同时液冷源 能够正常持续工作。 目前市场上的液冷源难以满足上述设计要求：采用环境大气作为冷源的液 冷源不能满足高温环境；采用蒸发循环制冷系统为冷源的液冷源在低温环境中 无法正常工作。另外，目前采用蒸发循环制冷系统为冷源的液冷源在实现温度 控制时，基本是通过调整冷却液进入蒸发器的温度来实现的，具体的措施就是 在冷却液进入蒸发器的地方加装电加热器（如图1.1所示） ，通过控制加热器的 加热量来调整冷却液进入蒸发器的温度，以保证系统工作的稳定性。这种控制 措施可以实现控制供液温度和防止压缩机频繁开关的目的，但耗能大，尤其是 南京航空航天大学硕士学位论文 3 小负载时更是如此。 为了满足航空电子设备液冷的需要，本文提出一种新型的液冷源设计方案。 它综合了目前市场上两类液冷源的优点，与原来的采用蒸发循环系统作为冷源 的方案最大的不同就是用空/液换热器（图1.2中的10）取代了电加热器（图1.1 中的9） ，它加装在冷凝器后面，可以吸收从冷凝器出口热空气所带的热量，通 过对进入换热器冷却液流量的调节，可以调节蒸发器入口冷却液的温度，同时 也就实现了液冷源的温度调节，这种方案相对原来的方案其节能效果是显而易 见的。同时，它还有两个比较明显的优势：当环境温度低于供液温度时，可以 完全利用加装的空/液换热器进行风冷，而不用启动制冷压缩机，这样系统就转 变为上文所提到的第一类液冷源。其次，负载较小，环境温度高于供液温度时， 换热器从冷凝器回收来的热量可以保证蒸发器有一定的负载，使得压缩机不会 因为负载过小频繁的开停机。 7 6 1 2 3 8 9 1 压缩机 2 冷凝器 3 节流阀 4 蒸发器 5 储液箱 6 水泵 7 流量三通阀8 电加热器 9 风机 4 5 出 液 口 进 液 口 图 1.1 原来的液冷源基本原理图 7 6 1 2 3 8 10 9 。1 压缩机 2 冷凝器 3 节流阀 4 蒸发器 5 储液箱 。 6 水泵 7 流量三通阀 8 温度三通阀 9 水侧换热器 10 风机 。 4 5 出 液 口 进 液 口 图 1.2 本文液冷源基本原理图 液冷源运行特性研究 4 1.3.2 系统仿真 本文的另一主要内容就是对所建立的液冷源系统进行仿真，其中的关键内 容是对制冷系统的仿真。制冷系统仿真，就是通过计算机模拟制冷系统的实际 工作过程，用模拟实现系统各参数相耦合以及系统各部件相匹配，研究系统工 作特性，从而改进或优化制冷系统部件或设备，从而实现对制冷系统的性能校 核，通过改变部件结构实现系统的优化设计，并且为控制系统选用相应的控制 策略提供相应的接口软件和数据。 通过制冷空调装置的计算机仿真与优化技术的应用，可以在计算机上面实 现产品的优化设计，而不再依赖于大量的样机试验，可以最低程度上减少样机 试验的盲目性，使试验更加具有针对性和方向性。 制冷系统仿真由于其具有节省试验费用、缩短产品开发期、降低成本以及 节材节能等优点，已引起人们相当地重视。挪威、德国、加拿大、美国和日本 等国在上世纪七十年代以前就开始投入大量的研究工作，其研究成果早已投入 实际应用，比如开发出的purez软件。中国在这方面研究工作起步较晚，但经 过二十年的迅速发展，理论研究已日趋成熟，并初步开始走向应用领域。我国 制冷系统仿真研究经历了两个阶段。自从陈芝久教授在国内提出“制冷系统热动 力学”的观点以来，有不少研究者投身于制冷系统仿真的研究，并且取得大量研 究成果，这是第一阶段；第二阶段是丁国良等提出智能仿真观点来解决传统的 数值仿真中的收敛速度和精度问题，但除了对空调器的仿真有一定的研究外， 其它很少见到。上海交通大学、清华、西安交通等单位先后推出了窗式空调、 分体空调以及变频空调的仿真与优化设计软件，对变频空调系统进行研究，并 通过仿真的方法研究对采用电子膨胀阀与毛细管作为节流装置的系统进行了研 究与优化设计，取得了很好的效果38。 本文在本部分的主要内容就是对液冷源系统建立数学模型，并在此基础上 进行仿真，主要工作是对分别对制冷系统中的压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、 蒸发器和冷却液循环系统中的水泵和管路进行建模并编制相应的仿真程序。 1.3.3 实验研究 作为一种新的设计方案，液冷源性能的好坏必须要经过一定的实验进行检 测，本文这部分内容主要是利用研制出的样机进行多个工况下的实验，实验的 目的有三个，首先是为系统的匹配与设计的节能提供依据。其次是检验新的控 制策略下液冷源的性能参数。第三是与仿真结果进行相互验证。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 第二章 液冷源设计 在对液冷源运行特性分析前，需要提出满足液冷源设计技术指标的设计方 案，并对方案具体实施中液冷源所需的各附件进行选型和设计计算，最后给出 液冷源的总体布局。 2.1 液冷源设计技术指标 系统工作高度： 海拔1000m 系统工作环境温度： - 40+40 环境含湿量： 022g/kg 制冷量： 5kw 供液流量： 03m3/h 供液压力（出口） ： 00.7mpa 供液温度： 040 外形尺寸： 深宽高0.81.51.75 m3 2.2 液冷源设计方案 根据液冷源设计技术指标，液冷源应具备以下功能：1）在规定的工作环境 中能提供至少5kw的冷量；2）最大供液流量应大于3m3/h，且系统出口压力大 于0.7mpa；3）在规定的工作环境及满足制冷量要求时，系统出口温度和流量能 连续调节。为了满足液冷源的功能要求，设计时进行了以下的考虑：1）系统中 水泵的功耗和系统管路的散热，应在冷源中得到体现；2）在水泵选型中除了流 量满足要求外，选择水泵扬程是要加上系统管路、阀门及散热器的流阻；3）合 理的管路设计和各附件的参数匹配是保证供液流量和温度能够连续调节的关 键，特别是水侧空/液换热器的性能设计尤为重要。 图1.2为液冷源的设计方案原理图， 液冷源的冷量由蒸发循环系统或水侧空 /液换热器提供。供液流量的控制由流量传感器、控制系统和流量三通阀7来协 作完成。由控制器比较流量传感器的测量流量和设定流量，采用pid控制率计 算后输出信号调节三通阀7，从而实现流量控制。系统的温度控制是由出口温度 传感器、环境温度传感器、水箱温度传感器、控制系统和流量三通阀8来执行 液冷源运行特性研究 6 完成。首先将环境温度与设定温度进行比较，当环境温度低于设定温度5时， 系统的冷量完全由水侧换热器承担，蒸发循环系统不工作，此时的温度调节由 控制系统驱动三通阀8，通过调节进入水侧换热器的水量大小来实现；若不满足 环境温度低于设定温度5时，控制系统将会开启蒸发循环系统进行制冷，系统 的冷量由蒸发循环系统的蒸发器承担；温度调节也是通过调节进入水侧换热器 的水量大小来实现，此时水侧加热器是吸收冷凝器的热量。 本文的温控系统可以保证在设计指标规定的环境温度范围内实现供液温度 的连续调节。 采用水侧换热器在环境温度低于设定温度5时无需启动蒸发循环 系统，以达到节能的目的，同时在负载较小时还使得蒸发循环系统的压缩机具 有良好的工作稳定性。 2.3 液冷源系统附件设计及选型 2.3.1 压缩机选型 本文根据设计要求： 最高环境温度40、 供液最低温度0、 制冷量为5kw， 确定系统冷凝温度为55，蒸发温度为-5。按照经销商提供的压缩机全性能 曲线结合确定的冷凝和蒸发温度，选用法国泰康活塞式压缩机tfh5538，在确 定的工况下该压缩机能提供8kw的冷量，考虑到水泵的功耗及系统散热，该压 缩机的选型是恰当的。另外，当液冷源使用环境改变时，可以选用相应的压缩 机，比如在经常移动的工作条件下可以采用汽车空调使用的涡旋式、三角转子 式压缩机等。 2.3.2 冷凝器设计 考虑到冷凝器和水侧换热器需安装在一起，从结构安装方便的角度本文选 用了管带式换热器作为冷凝器和水侧换热器，同时管带式换热器是一种高效紧 凑式换热器，具有迎风面积小，流动阻力小，传热效率高等优点，其换热效率 比管片式高10左右，比普通的翅片管换热器要高20左右20。对于本文的冷 凝器和水侧换热器没有合适的产品，需要自行设计。设计的管带式换热器的结 构外形如图2.1所示，下面对冷凝器进行设计计算。 南京航空航天大学硕士学位论文 7 扁管 翅片 百叶窗 (a) (b) 图 2.1 管带式换热器外型及结构图 （1）冷凝器设计工况： 制冷剂r22： 蒸发温度定为5 0 =t； 冷凝温度定为55= k t； 过热度5； 过冷度5； 空气： 进口温度cta=40 1 ； 出口温度cta=48 0 ； 出口温度差为ct=8； 制冷量： 0 8000qw= （2）冷凝器热负荷的确定 由文献17查得制冷剂r22在ctct k =55,5 0 时冷凝负荷系数为 4 . 1 0 =c，所以可得： 00 1.4 800011200 k qc qw= （2-1） （3）制冷剂流量及空气流量的确定 制冷剂过热至 2 t=c85的焓值 2 h和过冷至 5 t=c50时的焓值 5 h可以由相关 数据查得，如图2.2所示。因此制冷剂流量可以由下式得到： )( 52 hhgrqk= （2-2） 空气平均温度c tt t aa m 001 44 2 = + =。由空气物性参数表可查得空气定压比热容 pa c和空气密度 a ，冷凝器所需空气流量为： )( 10aapaa k a ttc q q = （2-3） 1 2 34 5 0 2 h lgp 图 2.2 制冷循环压焓图 液冷源运行特性研究 8 （4）冷凝器各相区热负荷 由制冷剂质量流量和制冷循环压焓图2.2容易得到各相区热负荷如下： () () () = = = 54 43 32 hhgq hhgq hhgq r r r 液相 两相 气相 （2-4） （5）冷凝器结构选型 扁管： 孔数 l n5； 壁厚0.6mm； 管厚 tp d5mm； 管宽 1 b=25mm； 矩形通道得尺寸为=aa4.5，bb=3.8mm； 翅片： 采用铝翅片，百叶窗结构，三角形通道； 厚度 t 0.1mm； 翅片节距e4mm； 百叶窗节距为1.756mm； 百叶窗长度为l13mm； 倾角为=32度； 扁管及翅片截面如图2.2所示： h e 1 b tp d aa （a） (b) t h l p l (c) 图 2.3 扁管、翅片、百叶窗截面图 南京航空航天大学硕士学位论文 9 由以上数据可得冷凝器结构参数如下： 翅片面积： e hbff 1 4 1 = （2-5） 管外壁面积：) 0 . 1 0 . 1 (2 10t e bf= （2-6） 管内壁面积：)(2bbaanf li += （2-7） 管外总换热面积： 0 fff fz += （2-8） （6）翅片效率的计算 () f f z f f =11 0 （2-9） 翅片效率： () * * tan lm lm f = （2-10） 上式中： 5 . 0 1 0* 1 2 += b m t tf （2-11） t h l= 2 * （2-12） f 翅片导热率，w/(m k) （7）空气侧换热系数 0 的计算 迎风比： 0 . 1 2 0 . 1 1 min t e a a = （2-13） 最大风速： 1 max = f ww （2-14） 两叶片间的水力直径： 22 4 1 2 2 1 4 ehe eh dh + = （2-15） 特征尺寸取百叶窗间距：mmlp75. 1= 液冷源运行特性研究 10 百叶窗高度为： = h ltglp 2 1 （2-16） 雷诺数： a p lp lw max re= （2-17） 空气侧换热因子558： 26. 0 1 . 1 33. 042. 0 re249. 0h h l lj h hlp = （2-18） 努塞尔数： 3 1 prre = lp jnu （2-19） 空气侧换热系数： p a l nu = 0 （2-20） （8）管内侧冷凝换热系数6 i ()() = = = erre condwcondrlcondll erre dpr ttdegha dpr /023. 0 /0.728 /05. 0 4 . 08 . 0 25. 0 23 75. 0 4 . 08 . 0 液相 两相 气相 （2-21） 平均传热温差 m t： () () () () + + = = + + = 05 15 10 0 1 10 02 12 10 2/ 2/ ln ln 2/ 2/ ln ak ak aa ak ak aa ak ak aa ttt ttt tt t tt tt tt t ttt ttt tt t 液相 两相 气相 （2-22） （9）计算总传热系数及传热面积 取污垢系数wkmrr/0001 . 0 , 0 2 01 = 则总传热系数： 南京航空航天大学硕士学位论文 11 + + = + + = + + = 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 11 1 11 1 11 1 r f f f f r k r f f f f r k r f f f f r k i z th z i i z th z i i z th z i 液相 液相 两相 两相 气相 气相 （2-23） 需传热面积： 液相液相 液相 两相两相 两相 气相气相 气相 tk q tk q tk q ft + + = （2-24） 冷凝管总管长： zz t f f l = （2-25） （10）空气侧阻力计算 阻力系数20： 32. 0 126. 3 0698. 0 1 re001. 1 = lp h d e h b f （2-26） 空气压降： 2 81. 9 2 max1 w d b fp h = （2-27） （11）冷凝器计算机设计 冷凝器的设计需要多次迭代才能得到比较理想的结果，因此利用计算机进 行辅助设计是一种比较理想的方法，本文在设计过程中也采用了计算机进行辅 助设计，如图2.3所示是管带式冷凝器计算机设计的程序框图。 液冷源运行特性研究 12 开 始 输入设计参数及制冷剂参数 输入冷凝管及翅片参数 计算管内外换热面积及迎风比 ，计算风量 假设迎面风速并求出最大迎面风速 计算管内外换热系 计算总传热系数和平均传热温差 计算传热面积并确定冷凝器外形尺寸 计算实际迎面风速 迎面风速与实 际迎面风速相等 结束 输出结果 是 调整风速 图 2.4 管带式冷凝器计算机设计计算流程图 2.3.3 水侧换热器的校核计算 水侧换热器是设计方案中的一个重要部件，是机组能否达到设计要求的关 键。考虑到系统安装使用的方便，采用的水侧换热器形式和结构与冷凝器一致。 水侧换热器的设计要求是：环境温度低于设定温度5时，水侧散热器的散热量 为8kw； 环境温度不低于设定温度5时， 水侧散热器能从冷凝器的散热中吸收 大于8kw的热量。 根据以上要求和管带式换热器的设计原则，水侧换热器的结构和尺寸设计 成与冷凝器一致，且安装上与冷凝器并联，翅片一体化，其流程定为四流程， 由于结构和尺寸一定，下面只对该换热器的换热能力进行校核20。 （1）空气流量为 南京航空航天大学硕士学位论文 13 a a a f q w = （2-28） （2）乙二醇水溶液流速 w glym gly a q w , = （2-29） 式中， glym q , 乙二醇水溶液体积流量，sm / 3 ； w a换热器通道截面积， 2 m。 （3） 管外空气侧传热系数 tranout 管外侧换热系数的求解可以参见冷凝器设计计算部分。 （4） 管内乙二醇水溶液换热系数 tranin 管内乙二醇水溶液的换热系数是受管内结构形式、流态、乙二醇水溶液的 物性参数等多个因素影响的，在这里可以借助一些经验公式进行求解，下面首 先要求得流体的雷诺数 gly re： gly gly gly dew =re （2-30） 式中， gly 乙二醇水溶液运动黏度。 我们通过流体的雷诺数对流体的状态进行判断，然后根据不同的雷诺数选 择相应的换热关联式57： bb aa nu97. 2= gly re2300 （2-31） ()() ()1pr2/7 .1207. 1 2/pr1000re 3/2 + = fi fi n glygly u 230010000 （2-33） 在公式2-31中，bb aa 表示管道横截面的长宽之比，在格尼林斯基（gnielinski） 公式2-3257和petukhov式2-3357中，fi为管内摩擦系数， 它可以由filonenko式57 得到： () 2 28. 3reln58. 1 = gly fi （2-34） 所以有， tranin = de nu gly （2-35） （5） 计算传热系数k 液冷源运行特性研究 14 tranout ithi tranin r f f f f r k 1 ) 1 ( 1 0 0 1 + = （2-36） 式中相关的参数可以参考冷凝器设计部分。 （6） 计算实际所需换热面积 根据公式： () 12 tgtgcqq pa = （2-37） min max minmax ln 98. 0 t t tt tp = （2-38） () p tkqa=/ （2-39） 式