一、铜盘管换热器相关计算
条件:600kg 水 6小时升温30℃ 单位时间换热器的放热量为q q=GC ΔT=600*4.2*10^3*30/(6*3600)= 3500 w 盘管流速1m/s ,管径为0.007m ,0.01m ,
湍流围: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*10^2 w/(m. ℃)
求解过程:
盘管平均水温40℃为定性温度时
换热铜管的外径,分别取d1=0.014m d2=0.02m 努尔特准则为
0.4
f 8.0f f Pr 023Re .0*2.1Nu ==1.2*0.023*21244.310.84.310.4
=143.4 (d1) 0.4
f
8.0f
f Pr 023Re
.0*2.1Nu ==1.2*0.023*30349.010.8
4.310.4
=190.7 (d2)
管对流换热系数为
l Nu h f
f i λ?=
=143.4*0.635/0.014=6503.39 (d1) l
Nu h f
f i λ?=
=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/υβtd g Gr ?==9.8*3.86*10^-4*10*.0163/(0.659*10^-6)2=356781.6 (d1) 23/υβtd g Gr ?==9.8*3.86*10^-4*10*.0223/(0.659*10^-6)2=927492.9(d2)
其中g=9.8 N/kg
β为水的膨胀系数为386*10^-6 1/K
自然对流换热均为层流换热(层流围:Gr=10^4~5.76*10^8)
25
.023w w
Pr t g l 525.0Nu ???? ????=να=0.525(356781.6*4.31)
0.25
=18.48755 (d1)
25
.023w w
Pr t g l 525.0Nu ?
??
?
????=να=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
d
Nu m λ
α=
=18.48755*0.635/0.014=838.5422 (d1) d
Nu m λ
α=
=23.47504*0.635/0.014=677.5749 (d2)
其中λ为0.635w/(m. ℃) .传热系数U
λ
δ++=o i h 1h 1U 1=1/6503.39+1/838.5422+1/393=0.003891 U=257.0138 (d1)
λ
δ++=o i h 1h 1U 1=1/6055.63+1/677.5749+1/393=0.004186 U=238.9191 (d2)
h i -螺旋换热器表面传热系数 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 δ=1m
λ-管材的导热系数 J/m ·s ·℃ λ=393W/m ℃ k o -分别为管外垢层热阻的倒数(当无垢层热阻时k o 为1) J/㎡·s ·℃ 自来水 k o =0.0002㎡℃/W
换热器铜管长度 d
q l απ70==3500/10/257.0138/3.14/0.014=27.1 (d1)
A=1.53
d
q l απ70=
=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℃,
????
????+?=hx hx C L R c IN A U A U F 1A A =9.5㎡
式中
IN A —间接系统集热器总面积,㎡
L R U F —集热器总热损系数,W/(㎡·℃)
对平板集热器,L R U F 宜取4~6W/(㎡·℃) 对真空管集热器,L R U F 宜取1~2W/(㎡·℃)取1
hx U —环热器传热系数,W/(㎡·℃) hx A —换热器换热面积,㎡
c A —直接系统集热器总面积,㎡ )
1(J f
)t t (C Q A L cd T i end w w c ηη--=
w Q —日均用水量,kg
w C —水的定压比热容,kJ/(kg ·℃) end t —出水箱水的设计温度,℃
i t —水的初始温度,℃
f —太阳保证率,%;根据系统的使用期的太阳辐照、系统经济以用户要求等因素综合考虑
后确定,宜为30%~80% 取1
T J —当地集热采光面上的年平均日太阳辐照量kJ/㎡
cd η—集热器的年平均集热效率;根均经验值宜为0.25~0.5 取0.6
L η—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1 m/s 左右 2) 保证换热器的平均温度在40℃左右 3) 换热器的入口压力不低于0.2 5MPa
三、换热器计算
1.传热面积
T
U Q A ?=
(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)
c1
h2c2h1
c1h2c2h1T T T T ln )
T T ()T (T T -----=
?
(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
c1
h2c2
h1T T T T --≤2时,可用算数平均值计算,即
2
)
T T ()T (T c1h2c2h1-+-
(2.2.2)
3.传热系数U
)A A (k 11)k 1h 1()A A (h 1U 1i
o i o o o i o i ++++=λδη
(2.3.1)
h i -螺旋换热器表面传热系数 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-管材的导热系数 J/m ·s ·℃
k i ,k o -分别为管外垢层热阻的倒数(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)
i
o
A A -为换热管的外表面积与表面积之比;
4.螺旋管表面传热系数
l
Nu h f
f i λ?=
(2.4.1) 其中
h i —管表面传热系数 J/㎡·h ·℃
f Nu —努塞尔数
f λ—流体导热系数 W/m ·K
换热器设计流量为:4L/min ~14L/min ,
管为湍流时
实验关联式验证围:Re f =104~1.2×105
,Pr f =0.1~120,l/d ≥60; 管径d 为特征长度。 采用迪图斯-贝尔特公式:
n
f 8.0f
f Pr 023Re
.0Nu =
(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 Cp ·μ/λ=ν/a
螺旋管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c r 。推荐:
对于气体 R
d 1.77
1cr += 对于液体 3
R d 10.31cr ??
?
??+=
以上容仅适用于Pr>0.6的气体或液体,d 是螺旋管的经,R 是螺旋圈的半径
管层流时,
推荐采用齐德-泰特公式来计算长为l 的管道平均Nu 数
14
.0w f 3
/1f f d /l Re 86.1Nu ???
? ???
?
?
??=ηη
(2.4.3)
此式的定性温度为流体平均温度t f (但w η按壁温计算),特长长度为管径。实验验证围:
Re f =104~1.2×105
,Pr f =0.48~16700,w f ηη=0.0044~9.75,14
.0w f
3
/1f d /l Re ???
? ???
?
? ??ηη≥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
3T
gl G r ν
α?=
(2.5.1)
螺旋管外表面传热系数 l
Nu h λ
?=
(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 25
.023w w Pr t g l 525.0Nu ?
??
?
????=να
(2.5.3) 其中
ρ-螺旋管外流体密度 kg/m 3
α-螺旋管外流体膨胀系数 K -1
g -重力加速度 kg/s
Δt -流体和管壁间的温度差 K
Pr -流体的普朗特数 Cp ·ρ·ν/λ Cp -流体的比热 J/kg ·K ν-流体运动黏度 ㎡/s