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4.2.2設(shè)計例
日期:2021-10-21 00:58:46點(diǎn)擊:239
4.2.2設(shè)計例
下面針對管內(nèi)是單相流體的情況,舉例說明空冷器的設(shè)計計算方法。
例
4. 2.1
設(shè)計一臺空氣冷卻器,用于由某設(shè)備排岀的熱水的冷卻。
已知,熱水流量:
=130
t/h = 36.
1
kg/s
;
熱水壓力為
0.5 MPa
;
熱水進(jìn)入空冷器溫 度:
;熱水流出空冷器溫度:
,取水的平均比熱容
c
p
=
4.
2
kJ/ (kg •℃
)。
解首先,進(jìn)行初步設(shè)計。
(1) 由管內(nèi)介質(zhì)的給定參數(shù)計算熱負(fù)荷。
(2) 選擇空氣的設(shè)計氣溫。
首先,根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料,日最高氣溫的年平均值為
15
℃
,考慮一定的安全系數(shù),本 設(shè)計選擇
=
16
℃
作為設(shè)計入口氣溫。
(3) 選擇空氣的出口溫度和空氣溫升。
空氣的出口溫度要低于管內(nèi)介質(zhì)的出口溫度
40
℃
設(shè)計選擇空氣出口溫度為
=
34℃
,比水的出口溫度低
6
℃空氣溫升為
。
(4) 空氣流量確定,由熱平衡式
(5) 迎風(fēng)面空氣質(zhì)量流速的選擇。
(6) 空冷器所需總迎風(fēng)面積。
(7) 翅片管束的尺寸及數(shù)目。
選擇:管束長度
L=12.0 m,
寬度
W=3.0 m,
則單個管束迎風(fēng)面積:
o
迎風(fēng)面上管束數(shù)目
:
,
選取
M
=6,
則總迎風(fēng)面積為F=
36
mx6 m
= 216
m
2
o
實(shí)取迎風(fēng)面質(zhì)量流速為
(8) 翅片管參數(shù)的選擇和計算。
基管尺寸:
;
基管材質(zhì):碳鋼
3078
;
翅片外徑:
50
mm
;
翅片高度
;
12.5
mm
;
翅 片厚度
t = 0.
5
mm
;
翅片節(jié)距
0 = 2.3 mm
;
翅片材質(zhì):
AL
;
加工方式:鋼/鋁軋制復(fù)合翅 片管。
翅化比的計算:
單翅片外表面積
翅片間裸管面積
1
個節(jié)距內(nèi)翅片管外表面積
1
個節(jié)距內(nèi)的光管外表面積
翅化比:
(9) 翅片管束的參數(shù)選擇和計算。
翅片管橫向管間距
=56
mm
;
考慮管束的邊框?qū)挾葹?strong>2x100 mm
;
橫向管排數(shù)
=
(3
000-200)/56 = 50
排,考慮到管束為叉排(錯排)排列,取
=48
排。
(10) 傳熱面積的確定。
翅片管有效長度
單支翅片管有效傳熱面積(以基管外表面為基準(zhǔn))
單排翅片管傳熱面積
單管束傳熱面積,取管束縱向?yàn)?strong>4排管
空冷器總傳熱面積
翅片管總根數(shù)
(11) 風(fēng)機(jī)的選擇和相關(guān)參數(shù)。
風(fēng)機(jī)風(fēng)葉直徑:
;
風(fēng)量和風(fēng)壓
:
;
功率/葉片數(shù)
:
37
kW/4
片;臺數(shù)
:
6
臺;單臺迎風(fēng)面積
:
;
總迎風(fēng)面積
:
;
總風(fēng)量
:
6x 54xl0
4
(
)
=
20℃
時的空氣密度為
1. 2 kg/m
3
,
空氣總質(zhì)量流量為
= 1 080
kg/s,
變頻調(diào)節(jié)至與
(
4)
中確定的
754 kg/s
接近。
(12) 風(fēng)機(jī)和管束的平面布置如圖
4. 2.
1
所示。
以上設(shè)計屬于初步設(shè)計,下面,需逐項進(jìn)行精確計算,以驗(yàn)證上述初步設(shè)計的可靠性, 并可根據(jù)情況做必要的修改。
(13) 空氣最窄流通截面上質(zhì)量流速的計算。
1
個翅片節(jié)距
(2.
3
mm)
內(nèi)的迎風(fēng)面積
1
個翅片節(jié)距內(nèi)的最窄流通面積
最窄截面與迎風(fēng)面積之比
圖4. 2. 1風(fēng)機(jī)和管束的平面布置
最窄流通截面上的空氣質(zhì)量流速
(14) 翅片管外換熱系數(shù)的計算。
由關(guān)聯(lián)式
(2. 2.7)
可知
式中,空氣在平均溫度
25℃
下的物性為:導(dǎo)熱系數(shù):
A=0.
025 51
W/(m •
℃
);黏度
=
1.849xl0-
5
kg/(m • s)
;
普朗特數(shù):
Pr = 0.
729 6
;
基管外徑
:
;
翅片間隙:Y=
0. 023-0.000 5=0.001
8
m
;
翅片高度
:
H=0.012
5
m
;
最窄流通截面上的空氣質(zhì)量流速:
=7.
645
kg/(m
2
• s)
o
將上述各參數(shù)代入式
(2. 2.
7)
,計算結(jié)果為
(15) 翅片效率的計算。
應(yīng)用環(huán)形翅片效率的簡化計算式
(2. 4.
7)
式中為換熱系數(shù)
;
為翅片材質(zhì)
AL
的導(dǎo)熱系數(shù)
,
=200 W/ (
)
;
為翅片厚度,
=
0.
000 5
m
;
L
為翅片高度
,L = H = 0.
012 5
m
;
=L +
/2 = 0. 012 75 m
;
為翅根半徑,
=0. 012 5 m
o
計算結(jié)果為
翅片效率:
(16) 以光管外表面為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)
h
o
的計算。
計算式:
其中,
為翅片外表面積
為翅片之間的裸管面積
為光管面積
代入上式
(17)
管內(nèi)換熱系數(shù)的計算。
翅片管總數(shù)
N=1
152
支
設(shè)
2
排管為
1
管程,則管程數(shù)為
2,
每一管程的翅片管數(shù)為
N/2 = l
152/2 = 576
支
管內(nèi)水總流量為
130
t/h = 36.
1
kg/s = 0.037
管內(nèi)水總流通截面積
管內(nèi)水質(zhì)量流速
管內(nèi)水平均流速
管內(nèi)雷諾數(shù)
式中,
為水的密度
,
= 970 kg/m
3
;
為水的黏度,
;
為水 的流速
,
o
代入式
(2. 6.2),
管內(nèi)水的換熱系數(shù)為
式中,
和
分別為水在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)和普朗特數(shù)。
(18)
傳熱系數(shù)
的計算。
以光管外表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)為
式中,
和
。分別是管內(nèi)水和管外空氣的污垢熱阻,見第
2.
9
節(jié);
為基管與翅片之間 的接觸熱阻,見第
2.
10
節(jié)。
總熱阻:
傳熱系數(shù):
(19)
空冷器傳熱溫差計算,見第
2.
11
節(jié).
修正系數(shù)
F
的計算
查圖
2. 11.3,
得
F=0.
9
(20)
傳熱面積的計算
按步驟(
10)
,初步設(shè)計中選用的總傳熱面積為
該面積大于精確設(shè)計的面積
。
因而初步設(shè)計的結(jié)果是安全的,設(shè)計余量約
40%
,可采用初步設(shè)計結(jié)果,無需重新計 算和修改。
(20)
空氣流動阻力計算。
由式
(2. 2.
9)
和式
(2. 2.
10)
式中/為阻力系數(shù);
N
為縱向管排數(shù)
,
;
為最窄流動截面上的質(zhì)量流速,
=
7.
645
kg/( m
2
.
s)
;
D
b
為基管外徑,
為翅片管的橫向管間距,
=
0.
056
m
;
s
2
為縱向管間距
,
為空氣在平均溫度下的密度
,
為空氣黏度
,
代入上式得
此阻力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)情況下的阻力
170
Pa,
說明風(fēng)機(jī)有較大的阻力儲備。 ⑵)討論。
該計算例中管內(nèi)換熱系數(shù)較低,
,這是由于管內(nèi)流速較低造成 的
,
=0.205
m/s
。為了增加管內(nèi)流速,應(yīng)盡量減少管內(nèi)流通面積,在一定的傳熱面積下, 增加管子長度是減少管子數(shù)目有效的技術(shù)措施,這也正是在本例中,選取翅片管長度為
12
m
的原因。
此外,傳熱面積的安全系數(shù)較大,這對于空冷器的設(shè)計是必要的,它可以適應(yīng)眾多參 數(shù)的變化,尤其在炎熱的夏季,當(dāng)實(shí)際氣溫高于設(shè)計氣溫時,仍可滿足熱流體出口溫度的 要求。
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4.2單相流體空冷器的設(shè)計計算
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