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879mm 460mm58mm）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 60，冷边空气入口温度取 45。 热边：乙二醇水混合液， t 1/ =60 G 1=37.85L/min （10gpm）/ 3 3 冷边：环境空气， t 2/=45 G 2=0.85m3/s （1800ft 3/min ）1.2 技术要求换热量 Q 11kW，热边流阻不大

2、于 8.72kPa, 冷边流阻不大于 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 75039658，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。L11500mm L258mm Ln198mm 隔板厚度 ZU0.4mm，热边封条宽度 B14mm，冷边封条宽度 B26mm。共 13 页 第 13 页图 1 芯体示意图3 设计计算 设计计算由热交换器的

3、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（乙二醇水混合液边）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：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 4.7mm 2l 09.3mm 2 0.10mm百叶窗节距 l p1.1mm 百叶窗高度 l h0.54mm 百叶窗长度 l j 7mm图 2b 百叶窗式波纹板示意图计算热边层数 N1、冷边层数 N2由热交换器芯体结构可知，冷边层数 N2要比热边层数 N1 多一层，即 N2N11， 取隔板厚度为 ZU 0.4mm，（h1 2 ZU）N12l 0N2Ln（320.4）N1

4、9.3 （N11）198N1 14 N 2 15则实际 Ln/（320.4）149.3 15192.73.1.1 计算当量直径 de乙二醇水边 de1：X1=b1- 1=3.5-0.15=3.35mm Y 1=h1- 1=3-0.15=2.85mm则 d e1=2X1Y1/ （ X1 Y1）=23.352.85/ （3.35+2.85 ）=3.080 10-3 m空气边 de2：1112波高实长 l2* 1 2l022P22则 d e2=4（Pl 0-2l 2）/ （P+4l ）=4（4.74.65-2 4.7960.10）/（4.7+44.796） =3.499 10-3 m3.1.2 计算

5、流体流通面积 FfF1f=N1X1Y1（L2-2B1）/b 1 （应考虑热边封条宽度） =143.35 2.85（58-24）/3.5 =0.191010-2m2F2f =N2（L 1-2 B2） （ 2l 04l L/P） （应考虑冷边封条宽度） =15（1500-26）（9.3 44.796 0.10/4.7 ）2=0.1985m23.1.3 计算迎风面积 FyF1y=L2Ln/=58192.7=0.0112m2/2F2y=L1Ln/ =1500192.7=0.2891m23.1.4 计算孔度 1=F1f/F1y=0.191010-2/0.0112=0.171 2=F2f /F 2y=0.

6、1983/0.2891=0.6873.1.5 共用主传热面积 FzuFzu=2N1L1L2 =214150058 =2.436m23.1.6 定性温度 t f根据公式 QGmCp( t 1 -t 1 )，其中：Q 要求的换热量， kcal/h Gm介质质量流量， kg/s Cp介质定压比热， kcal/(kg 计算后取 t 1/=65t则 t f1=(t 1/t 1/ )/2 62.5 3.1.7 查物性参数乙二醇水边CP1=0.8066kcal/ ( kg) 1=0.3975kcal/ (mh) 1=1.0325kg/L-4 2 1=1.525510-4kgs/m2Pr)/2=57t f2

7、=(t 2/t 2/ )/2=51 空气边C P2=0.240kcal/ ( kg ) 2=2.436 10-2kcal/ (mh)32=1.0897kg/m3-6 22=2.00510-6kgs/m22=0.69783.1.8 水当量 W，热容比 C*，假设效率 0W1=G1CP1=37.85L/min/60 1.0325kg/L 0.8066kcal/(kg )=0.5254kcal/(s )W2=G2CP2=0.85m3/s 1.0897kg/m 30.240kcal/(kg )=0.2223kcal/(s )C=Wmin/Wmax=0.2223/0.5254=0.4231 则热交换器假

8、设效率 0= W1 t1 t1 0.5254 65 60 =0.5909Wmin t1 t2 0.2223 65 453.1.9 质量流速 1=G1/F 1f=(37.85L/min 1.0325kg/L)/(60 0.1910 10-2m2)2=341.01kg/m2s2 =G2/F 2f=0.85m3/s 1.0897kg/m 3/(0.1985m 2)2=4.669kg/(m 2s)3.1.10 计算雷诺数 Re、普郎特数 PrRe1=1de1/( 1g)2 -3 -4 2 2 =341.01kg/(m 2.s) 3.080 10-3m/(1.5255 10-4kg.s/m29.81m/

9、s2)=701.84Re2=2de2/( 2g)=4.669kg/(m 2.s) 3.5010-3m/(2.005 10-6kg.s/m29.81m/s2)=830.82Pr1= 1gCP1/ 1=(1.5255 10-49.81 0.8066) 3600/0.3975=10.933.1.11 计算放热系数和摩擦因子 f 乙二醇水边为矩形锯齿形波纹板，根据资料 2P173 ，对于 Re1000，其准 则方程适用于式( 6-65 )、(6-66 )：l 1/de 1=1.623 a 1*=b1/h 1=1.167 de 1=3.080 Re 1 701.84f 1=7.661(l 1/de 1)

10、 -0.384 a1*-0.092 Re1-0.712=7.6611.623-0.3841.167 -0.092 701.84 -0.712=0.0590j 1=0.483(l 1/de 1) -0.162 a1*-0.184 Re1-0.536=0.4831.623-0.1621.167 -0.184 701.84 -0.536=0.0129则1=j11CP1/Pr 10.67=0.0129 341.010.8066 3600/10.93 0.672=2581.17kcal/(m 2h )空气边为百叶窗式波纹板，根据资料 3P166 ，Davenport 公式：f 2=5.47Re2P-0.

11、72 l h0.37( 2l ) 0.23l P0.2( lj )0.89 ( 适用条件：70Re2=830.821000)2l-0.72 0.37=5.47 261.12 -0.72 0.54 0.37 (2 4.796)0.231.1 0.2(7) 0.892 4.796=0.1026j 2=0.249Re2P-0.42 l h0.33 2l 0.26( j )1.1 ( 适用条件： 300Re2=830.8240002l=0.249261.12-0.420.540.33(24.796)0.26( 2 47.796)1.1=0.0250式中 Re2P以百叶窗的节距 l P为特征长度，即以

12、l P为当量直径：Re2P= 2l P/( 2g)2=4.669kg/(m 2.s)1.110-3m/(2.005 10-6kg.s/m 29.81m/s 2)=261.12由努谢尔特数公式1Nu= de 及柯尔朋( Colburn )公式 j= NuPr 得 Re2=2 ? j2 Re12de2 Pr2 32.436 10 23.499 10 30.0250 830.8210.6978 3=128.10kcal/(m2h )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 ）：m1=2 1 1 1f

13、1l12 2581.17 3 1 0.15 =443.77m-1180 0.15 10 3 2l 1=3/2-0.15=1.35mmm1l 1=473.771.35 10-3=0.5991L=th（m1l 1）/m 1l 1=th（0.659）/0.659=0.895 空气边为百叶窗式波纹板，由资料 2P154 式（ 6-15 ）（6-16 ）：2 2 2 128.10 -1 m2=2 3 =119.30m-1f 2 180 0.10 10 3l 2=4.796-0.10=4.696mm m2l 2=119.304.696 10-3=0.560 2L=th（m2l 2）/m 2l 2=th（0

14、.560）/0.560=0.9073.1.13 肋片有效传热面积 FLF1L=2N1（L2-2B1）L1Y11L/b 1 （应考虑冷边封条宽度）=214（58-24）15002.85 0.895/3.52=1.5305m2F2L=N2 （L1-2B2）4lL 22/P 2L （应考虑冷边封条宽度） =1558 （1500-26）44.7962/4.7 0.9072=9.5852m23.1.14 总有效传热面积 FeF1e=Fzu+F1L2=2.436+1.5305=3.9665m2F2e=Fzu+F2L=2.436+9.5852=12.0212m23.1.15 计算 KF值， NTU值KF=1

15、F1e1F1e2F2e2F2e2581.17 3.9665 128.10 12.0212 =1338.58kcal/ （h）2581.17 3.9665 128.10 12.0212NTU=KF/Wmin=1338.58kcal/（h ）/（0.2223kcal/s 3600） =1.6733.1.16 计算效率两边流体均不混合，按资料 2P161 式（ 6-35 ）计算 i值：i=1-expNTU0.22exp(-C*NTU0.78)-1/ C * =1-exp1.6730.22exp(-0.4231 1.673 0.78 )-1 /0.4231 =0.71063.1.17 散热性能分析本文

16、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；(2) 选用计算公式时，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：t2/= t 2/+( Wmin )(t 1/-t 2/)=45+0.7106 ( 0.2223 ) (

17、65-45)=59.21 W20.2223高于假设的 57。热边：t1/=t 1/-( Wmin )(t 1/-t 2/)=65-0.7106 ( 0.2223 ) (65-45)=58.99 W10.5254低于要求的出口温度 60。3.1.19 热交换器设计换热量 QsQs= Wmin(t 1 -t 2 )=0.7106(65-45) 0.2223kcal/(s ) 3600=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 P 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

18、，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，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 P：2 P= (1- 2+K/)+2(-1)+f4Sm-(1-2-K/ ) +am2de3.2.1 计算热边压力损失 P1 依次求出上式中各项： 质量流速 1=341.01kg/(s m2) 进口温度时热边流体密度为 1.0309kg/L ，则比容 1/=1/1030.9=0.00097m 3/kg 出

19、口温度时热边流体密度为 1.0354kg/L ，则比容 1/ =1/1035.4=0.00097m 3/kg 则 m=( 1/ + 1/ )/2=0.00097孔度 1=0.171 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 1=0.171 、Re1=由资料 1P176 页图 3-2 来查得压力损失系数 K1/=0.39，K1/ =0.68摩擦因子 f 1=0.0590 热边流程有一个 180拐弯，则附加阻力系数 a1=5 流道长度(因采用两流程，故热边流道长度为 2L1)S1=1500mm 当量直径 de1=3.080mm将以上各项代入前式可得出 :P1=6.53kPa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 2=4.669kg/(s m2)孔度 2=0.687 空气进口压力为大气压，即 P2/=10332.3kg/m2，空气常数 R=29.27m/，则进口温度时空气比容为 2/ =1/ 2/ =RT2 29.27 (45 273.15) =0.9013m3/kgP210332.3空气出口压力为大气压减去要求的压降，