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q q=GCΔT=600*4.2*10^3*30/(6*3600)= 3500 w 盘管内流速1m/s，管内径为0.007m，0.01m， 盘管内水换热情况： 管径0.014m 管径0.20m 定性温度40℃ Re 21244.31 Re 30349.01 定性温度50℃ Re 25179.86 Re 35971.22 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*10^2 w/(m. ℃)

求解过程：

盘管内平均水温40℃为定性温度时

换热铜管的外径，分别取d1=0.014m d2=0.02m 努谢尔特准则为

Nuf1.2*0.023ReNuf1.2*0.023Re0.8f0.8fPrfPrf0.4＝1.2*0.023*21244.310.84.310.4=143.4 （d1） ＝1.2*0.023*30349.010.84.310.4=190.7 （d2）

-可编辑修改-

0.4。

管内对流换热系数为

hiNuff=143.4*0.635/0.014=6503.39 （d1） lNuff=190.7*0.635/0.02=6055.63 （d2） lhi管外对流换热系数

格拉晓夫数准则为（Δt=10）

Grgtd3/2=9.8*3.86*10^-4*10*.0163/(0.659*10^-6)2=356781.6 （d1） Grgtd3/2=9.8*3.86*10^-4*10*.0223/(0.659*10^-6)2=927492.9（d2）

其中g=9.8 N/kg

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（层流范围：Gr=10^4~5.76*10^8）

Nuwlw3gt0.525Pr2lw3gt0.525Pr20.25=0.525(356781.6*4.31)0.25=18.48755 （d1）

0.25Nuw

=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

Num=18.48755*0.635/0.014=838.5422 （d1） dNum=23.47504*0.635/0.014=677.5749 （d2） d-可编辑修改-

。

其中为0.635w/(m. ℃) .传热系数U

111=1/6503.39+1/838.5422+1/393=0.003891 UhihoU=257.0138 （d1）

111=1/6055.63+1/677.5749+1/393=0.004186 Uhiho U=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 m δ=1m

λ－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 lq70d=3500/10/257.0138/3.14/0.014=27.1 （d1）

A=1.53

lq70d=3500/10/238.9191/3.14/0.022=21.2 （d2）

A=1.65

-可编辑修改-

。

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℃，

FRULACAINAc1UA=9.5㎡

hxhx

式中

AIN—间接系统集热器总面积，㎡

FRUL—集热器总热损系数，W/（㎡·℃）

对平板集热器，FRUL宜取4～６W/（㎡·℃） 对真空管集热器，FRUL宜取１～２W/（㎡·℃）取1

Uhx—环热器传热系数，W/（㎡·℃） Ahx—换热器换热面积，㎡

Ac—直接系统集热器总面积，㎡ AcQw—日均用水量，kg

Cw—水的定压比热容，kJ/（kg·℃） tend—出水箱内水的设计温度，℃

QwCw(tendti)f

JTcd(1L)ti—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1

JT—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0.6

-可编辑修改-

。

L—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） 保证换热器内的平均温度在40℃左右 3） 换热器的入口压力不低于0.2 5MPa

-可编辑修改-

。

三、换热器计算

1.传热面积

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 ℃

QUT

2.平均温度差（考虑逆流情况）

T(Th1Tc2)(Th2Tc1)TTc2lnh1Th2Tc1

（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

Th1Tc2≤2时，可用算数平均值计算，即

Th2Tc1(Th1Tc2)(Th2Tc1)2（2.2.2）

-可编辑修改-

。

3.传热系数U

11A1111A(o)()(o)

UhiAihokookiAi（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 m λ－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）ηo－为肋面总效率（如果外表面为肋化，则ηo＝1）

AoA－为换热管的外表面积与内表面积之比； i4.螺旋管内表面传热系数

hNuffil（2.4.1） 其中

hi—管内表面传热系数 J/㎡·h·℃

Nuf—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

-可编辑修改-

J/㎡·s·℃

。

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：

Nuf0.023Re（2.4.2）

加热流体时n＝0.4，冷却流体时n＝0.3 Ref－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 Prf－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 cr11.770.8fPrf

nd R3d对于液体 cr110.3

R以上内容仅适用于Pr>0.6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

ReNuf1.86fl/d1/3fw0.14

-可编辑修改-

。

（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Ref＝104～1.2×105,Prf＝0.48～16700，f＝0.0044～9.75，1/3f0.14≥2

w5.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－流体和管壁间的温度差 K Pr－流体的普朗特数 Cp·ρ·ν/λ

-可编辑修改-

l/dw3

GrglT2

hNul Nu0.25w0.525l3wgtPr 2

。

Cp－流体的比热 J/kg·K ν－流体运动黏度 ㎡/s

-可编辑修改-

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