一、铜盘管换热器相关计算
条件:6０0kｇ水6小时升温30℃ 单位时间内换热器得放热量为q
q=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,
湍流范围:Rｅ＝１0^4～1、２*１0^5
物性参数:
40℃饱与水参数。
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＊10＾2 w/(m、℃)
求解过程:
盘管内平均水温4０℃为定性温度时
换热铜管得外径,分别取ｄ1=０。014m d2=0．02m
努谢尔特准则为
=１、2＊0。02３＊２12４4.310。８4。310。4=14３.4 (ｄ1)
＝1、2*０、023＊30349、010。84、310、4=１90。7(d2)
管内对流换热系数为
=１４３。4＊0.６35／0、014=６5０３。3９(ｄ1)
=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)
=9、8*３、86＊1０^－4*１0＊、016３/(０.659＊10＾-6)２=356７81.６(d1)
=９、8＊３。86＊10^－4*1０*。0223/(0、6５9*10^－6)2=9２74９２。9(d2)
其中g=9、8Ｎ/kｇ
为水得膨胀系数为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)
=０.５25(３567８1、6＊４、31)0。25=18、４8755 (d1)
=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
=1８.487５5＊0。635／0、01４＝838、5４22 (d1)
=２３。47504*０、63５/０.0１４=６77、5749 (d２)
其中为0.635ｗ／(m、℃)
、传热系数U
=1/６503。３９＋1/838.5422＋1/393=0。0038９1
U＝257。01３8 (d1)
=1/60５５、６3＋1/6７7。5749+１/393＝0、０041８６
U=２38、9１91 (d2)
hｉ－螺旋换热器内表面传热系数J/㎡·s·℃
h o—螺旋换热器外表面传热系数J/㎡·s·℃
δ－螺旋换热器管壁厚ｍδ=1m
λ—管材得导热系数J/m·s·℃λ＝393W/m℃
kｏ－分别为管外垢层热阻得倒数(当无垢层热阻时ｋo为1) J/㎡·s·℃自来水k o＝0.00０2㎡℃/W
换热器铜管长度=3500/１0/２57。０１38/3.14／0、01４=２7。1 (ｄ1)
Ａ=１、53
=35００／10/238。9191/3、１４/0.0２2＝２1.2 (d2)
A=1。６５
二、集热面积得相关计算(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℃,
=9。5㎡
式中
—间接系统集热器总面积,㎡
—集热器总热损系数,W/(㎡·℃)
对平板集热器,宜取4～6W/(㎡·℃)
对真空管集热器,宜取1～２Ｗ／(㎡·℃)取1
—环热器传热系数,W/(㎡·℃)
—换热器换热面积,㎡
—直接系统集热器总面积,㎡
—日均用水量,ｋg
—水得定压比热容,kJ／(kｇ·℃)
—出水箱内水得设计温度,℃
—水得初始温度,℃
—太阳保证率,％;根据系统得使用期内得太阳辐照、系统经济以用户要求等因素综合考虑后确定,宜为30%～８0% 取1
—当地集热采光面上得年平均日太阳辐照量ｋJ/㎡
—集热器得年平均集热效率;根均经验值宜为０。25～0、5 取0、6
—出水箱与管路得热损失率;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1 m/s左右
2）保证换热器内得平均温度在４0℃左右
3）换热器得入口压力不低于0、2 5ＭPａ
?三、换热器计算
１.传热面积
(2．１。1)
A—传热面积㎡
Q—传热量Ｊ/s
Ｕ-传热系数J/㎡·s·℃
ΔT-平均温度差℃
2.平均温度差(考虑逆流情况)
(2.2。1)
其中
T c—冷流体温度℃
T h—热流体温度℃
下标1为入口温度,下标2为出口温度
当≤２时,可用算数平均值计算,即
(2。2.2)
３、传热系数U
(２.3.1)
h i-螺旋换热器内表面传热系数J／㎡·s·℃
h o—螺旋换热器外表面传热系数J/㎡·s·℃
δ－螺旋换热器管壁厚m
λ—管材得导热系数J／ｍ·s·℃
k i,kｏ-分别为管内外垢层热阻得倒数(当无垢层热阻时k i,k o均为１) Ｊ/㎡·s·℃
ηo—为肋面总效率(如果外表面为肋化,则ηo＝１)
—为换热管得外表面积与内表面积之比;
4.螺旋管内表面传热系数
(2．4．1)
其中
h i-管内表面传热系数J/㎡·h·℃
-努塞尔数
-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,Pr f=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:
(2.4.２)
加热流体时n=0。４,冷却流体时n＝0、3
Ｒe f－雷诺数u·l/ν
u-流体流速m/s
l－管径m
ν－流体运动黏度㎡/s
Pr f－普朗特数C p·μ／λ＝ν/a
螺旋管内流体在向前运动过程中连续得改变方向,因此会在横截面上引起二次环流而强化换热。流体在螺旋管内得对流换热得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c r。推荐:
对于气体
对于液体
以上内容仅适用于Ｐr＞0。6得气体或液体,d就是螺旋管得内经,R就是螺旋圈得半径管内层流时,
推荐采用齐德－泰特公式来计算长为l得管道平均Ｎu数
(2。４。3)
此式得定性温度为流体平均温度tｆ(但按壁温计算),特长长度为管径。实验验证范围:
Ｒｅf=1０4～1、２×１0５,Pｒf＝0.4８~1６７００,＝0.００４4～9、75,≥2
５.螺旋管外表面传热系数(自然对流换热情况)
格拉晓夫数(2．5.1)
螺旋管外表面传热系数(2.5.2)
其中
h－螺旋管外表面传热系数Ｊ/㎡·s·Ｋ
Nu—螺旋管外表面努塞尔数
λ－螺旋管外流体导热系数Ｗ／m·Ｋ
l—螺旋管外径m
努塞尔数(2。5．3)
其中
ρ-螺旋管外流体密度ｋg/m3
α-螺旋管外流体膨胀系数K－1
g－重力加速度kg/s
Δt-流体与管壁间得温度差Ｋ
Pｒ－流体得普朗特数Cｐ·ρ·ν/λ
Cp-流体得比热Ｊ/kg·Ｋ
ν-流体运动黏度㎡/s