板翅散热器性能计算报告

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
×460mm×5 8mm）的换热性能和流阻。



















设 计
校 对
审 核
审 定

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批 准

空气—水热交换器性能计算报告
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
=37.85Lmin（10gpm）
冷边：环境空气，t
2

=45℃ G
2
=0.85m
3
s（1800ft
3
min）
1.2 技术要求
换热量Q≥11kW，热边流阻不大于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750×396×58，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。
L
1
＝1500mm L
2
＝58mm L
n
＝198mm 隔板厚度δ
ZU
＝0.4mm，热边封条宽度B
1
＝
4mm，冷边封条宽度B
2
＝6 mm。

图1 芯体示意图

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3 设计计算
设计计算由热交换器的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：
b
1
＝3.5mm h
1
＝3mm 切开长度l
s
＝5mm δ
1
＝0.15mm
图2a 矩形锯齿波纹板示意图
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
0
＝9.3mm δ
2
＝0.10mm
百叶窗节距l
p
＝1.1mm 百叶窗高度l
h
＝0.54mm 百叶窗长度l
j
＝7mm
图2b 百叶窗式波纹板示意图

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计算热边层数N
1
、冷边层数N
2
由热交换器芯体结构可知，冷边 层数N
2
要比热边层数N
1
多一层，即N
2
＝N
1
＋1，
取隔板厚度为δ
ZU
＝0.4mm，
（h
1＋2×δ
ZU
）N
1
＋2l
0
N
2
＝ L
n

（3＋2×0.4）N
1
＋9.3（N
1
＋1）＝198
N
1
＝14 N
2
＝15
则实际L
n

＝（3＋2×0.4）×14＋9.3×15＝192.7
3.1.1 计算当量直径d
e

乙二醇－水边de
1
：
X
1
=b
1
-δ
1
=3.5-0.15=3.35 mm Y
1
=h
1
-δ
1
=3-0.15=2.85mm
则 d
e1
=2X
1
Y
1
（X
1
＋Y
1
）
=2×3.35×2.85（3.35+2.85）
=3.080×10
-3
m
空气边d
e2
：
1
1
波高实长l＝
2
2
P
?
1
?
4 .7
?
?
2l
0
?
2
?
?
9.3
2
?
???
?
?
＝4.796mm
222
????
22
则 d
e2
=4（Pl
0
-2lδ
2
）（P+4l）
=4×（4.7×4.65-2×4.796×0.10）（4.7+4×4.796）
=3.499×10
-3
m
3.1.2 计算流体流通面积F
f

F
1f
=N
1
X
1
Y
1
（L
2
-2×B
1
）b
1
（应考虑热边封条宽度）
=14×3.35×2.85×（58-2×4）3.5
=0.1910×10
-2
m
2
F
2f
=N2
(L
1
-2×B
2
)（2l
0
－4lδL
P） （应考虑冷边封条宽度）
=15×（1500-2×6）（9.3－4×4.796×0.104.7）
=0.1985m
2
3.1.3 计算迎风面积F
y

F
1y
=L
2
×L
n

=58×192.7=0.0 112m
2

F
2y
=L
1
×L
n

=1500×192.7=0.2891m
2


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3.1.4 计算孔度σ




σ
1
=F
1f
F
1y
=0.1910×10
-2
0.0112= 0.171
σ
2
=F
2f
F
2y
=0.1983 0.2891=0.687
3.1.5 共用主传热面积F
zu

F
zu
=2N
1
L
1
L
2

=2×14×1500×58
=2.436m
2

3.1.6 定性温度t
f
根据公式Q＝G
m
·C
p
·（t
1

-t
1

），其中：
Q－要求的换热量，kcalh
G
m
－介质质量流量，kgs
C
p
－介质定压比热，kcal(kg·℃)
计算后取t
1

=65℃ t
2

=57℃
则 t
f1
=(t
1

＋t
1

)2＝62.5℃
3.1.7 查物性参数
乙二醇－水边 空气边
t
f2
=(t
2

＋t
2

)2=51℃
C
P1
=0.8066kcal（kg·℃） C
P2
=0.240kcal（kg·℃）
λ
1
=0.3975kcal（m·h·℃） λ
2
=2.436×10
-2
kcal（m·h·℃）
ρ
1
=1.0325kgL ρ
2
=1.0897kgm
3

μ
1
=1.5255×10
-4
kg·sm
2
μ
2
=2.005×10
-6
kg·sm
2

Pr
2
=0.6978
3.1.8 水当量W，热容比C
*
，假设效率η
0

W
1
=G
1
C
P1

=37.85Lmin60×1.0325kgL×0.8066kcal(kg·℃)
=0.5254kcal(s·℃)
W
2
=G
2
C
P2

=0.85m
3
s×1.0897kgm
3
×0.240kcal(kg·℃)
=0.2223kcal(s·℃)


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C
*
=W
min
W
max

=0.22230.5254
=0.4231
Wt?t0.525465?60< br>则热交换器假设效率η
0
=
1
?
1
'
1'
?
=0.5909
?
W
min
t
1
?t
2
0.222365?45
3.1.9 质量流速ω
ω
1
=G
1
F
1f

=(37.85Lmin×1 .0325kgL)(60×0.1910×10
-2
m
2
)
=341.01kgm
2
·s
'
ω
2
=G
2
F
2f

=0.8 5m
3
s×1.0897kgm
3
(0.1985m
2
)
=4.669kg(m
2
·s)
3.1.10 计算雷诺数Re、普郎特数Pr
Re
1
=ω
1
de
1
(μ
1
g)
=341.01kg(m
2
.s)×3.080×10
-3
m( 1.5255×10
-4

2
×9.81ms
2
)
=701.84
Re
2
=ω
2
de
2
(μ
2
g)
=4.669kg(m
2
.s)×3.50×10
-3
m(2.00 5×10
-6

2
×9.81ms
2
)
=830.82
Pr
1
=μ
1
gC
P1
λ
1

=(1.5255×10
-4
×9.81×0.8066)×36000.3975
=10.93
3.1.11 计算放热系数α和摩擦因子f
乙二醇－水边为矩形锯 齿形波纹板，根据资料[2]P173，对于Re≤1000，其准
则方程适用于式（6-65）、（6 -66）：
l
1
de
1
=1.623 a
1
*
=b
1
h
1
=1.167 de
1
=3.080 Re
1
＝701.84
f
1
=7.661(l
1
de
1
)
-0.384
a1
*-0.092
Re
1
-0.712

=7 .661×1.623
-0.384
×1.167
-0.092
×701.8 4
-0.712

=0.0590

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j
1
=0.483(l
1
de
1
)
-0.162< br>a
1
*-0.184
Re
1
-0.536
=0.4 83×1.623
-0.162
×1.167
-0.184
×701.84< br>-0.536

=0.0129
则 α
1
=j
1
ω
1
C
P1
Pr
1
0.67




=0.0129×341.01×0.8066×360010.93
0.67
=2581.17kcal(m
2
·h·℃)
空气边为百叶窗式波纹板，根据资料[3]P166，Davenport公式：
f
2
=5.47Re
2P
-0.72
l
h
0.37
(
2l
)
0.23
l
P
0.2
(
l
j
2l
)
0.89
(适用条件：70＜Re
2
=830.82＜1000）
=5.47×261.12
-0.72
×0.54
0.37
×(2×4.796)
0.23×1.1
0.2
×(
=0.1026
j
2
=0.24 9Re
2P
-0.42
l
h
0.33
?
2l
?
0.26
(
l
j
2l
7
)
0.89< br>
2?4.796
)
1.1
(适用条件：300＜Re
2
=830.82＜4000＝
=0.24 9×261.12
-0.42
×0.54
0.33
×(2×4.796)0.26
×(
=0.0250
7
)
1.1

2?4.796
式中Re
2P
以百叶窗的节距l
P
为特征长度，即以 l
P
为当量直径：
Re
2P
=ω
2
l
P
(μ
2
g)
=4.669kg(m
2
.s)×1.1×10
-3
m(2.005 ×10
-6

2
×9.81ms
2
)
=261.12
由努谢尔特数公式Nu=
NuPr
?
d
e
及柯尔朋（Colburn）公式j=
Re
?
?
1
3
得
λ
2
j
2
Re
2
2.436?10
?2
0.0250?830.82
???
α
2
=
1
?3
?
d
e2
Pr
?
1
3.499?10
3
2
0.6978
3
=128.10kcal(m
2
·h ·℃)
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[2]P154式（6-15）（6-16）：


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m
1
=
2
?
1
??
1
?
2?2581.17
?
0.15
?
-1
??
1??1?
=443.77m
??
?
f
?< br>1
?
l
1
?
180?0.15?10
?3
?
2
?
??

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l
1
=32-0.15=1.35mm
m
1
l
1
=473.77×1.35×10
-3
=0.599
η
1L
=th(m
1
l
1
)m
1
l
1
=th(0.659)0.659=0.895
空气边为百叶窗式波纹板，由资料[2]P154式（6-15）（6-16）：
m
2
=
2
?
2
?
2?128.10
-1
=119.30m
?3
180?0.10?10
?
f
?
2
l
2
=4.796-0.10=4.696mm
m
2
l< br>2
=119.30×4.696×10
-3
=0.560
η
2L
=th(m
2
l
2
)m
2
l
2
=th(0.560)0.560=0.907
3.1.13 肋片有效传热面积F
L

F
1L
=2N
1
（L2
-2B
1
）L
1
Y
1
η
1L
b
1
（应考虑冷边封条宽度）
=2×14×（58-2×4）×1500×2.85×0.8953.5
=1.5305m
2

F
2L
=N
2
[（ L
1
-2B2）4lL
2
×2P]η
2L
（应考虑冷边封条宽度）
=15×[58×（1500-2×6）×4×4.796×24.7]×0.907
=9.5852m
2

3.1.14 总有效传热面积F
e

F
1e
=F
zu
+F
1L

=2.436+1.5305=3.9665m
2

F
2e
=F
zu
+F
2L

=2.436+9.5852=12.0212m
2

3.1.15 计算KF值，NTU值




KF=
?
1F
1e
?
2
F
2e
2581.17?3.9665?1 28.10?12.0212
?
=1338.58kcal（h·℃）
?
1
F
1e
?
?
2
F
2e
2581.17?3 .9665?128.10?12.0212
NTU=KFW
min

=1338.58kcal(h·℃)(0.2223kcals·℃×3600)
=1.673
3.1.16 计算效率η


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两边流体均不混合，按资料[2]P161式（6-35）计算η
i
值：

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η
i
=1-exp｛N TU
0.22
［exp（-C
*
NTU
0.78
）-1］ C
*
｝
=1-exp｛1.673
0.22
［exp（-0.42 31×1.673
0.78
）-1］0.4231｝
=0.7106
3.1.17 散热性能分析
本文计算的效率值（0.7106）大于假设效率（0.590 9）。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η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：
t
2

= t
2

+η(
W
min
0.2223
)(t
1

-t
2
)=45+0.7106×()×(65-45)=59.21℃
W
2
0.2223
高于假设的57℃。
热边：
t
1

=t
1

-η(
W
min
0.2223
)(t
1

-t
2

)=65-0.7106×()× (65-45)=58.99℃
W
1
0.5254
低于要求的出口温度60℃。
3.1.19 热交换器设计换热量Q
s
Q
s
=ηW
min
(t
1

-t
2

)
=0.7106×(65-45)℃×0.2223kcal(s·℃)×3600
=11373.58kcalh=13.23kW 大于要求的11kW的换热量。
3.2 计算流体压力损失ΔP
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，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，

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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ΔP：

?

4S
?
m
?
m
2
?
ΔP=[(1-σ+K)+2(
'
-1)+f-(1-σ-K)+ξ]
a
d
e
?
'
2
??
'
?
'
2
?
2
?
'
3.2.1计算热边压力损失ΔP
1

依次求出上式中各项：
质量流速ω
1
=341.01kg(s·m
2
)
进口温度 时热边流体密度为1.0309kgL，则比容ν
1

=11030.9=0.0009 7m
3
kg
出口温度时热边流体密度为1.0354kgL，则比容ν
1< br>
=11035.4=0.00097m
3
kg
则ν
m
=（ν
1

+ν
1

）2=0.00097

孔度σ
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σ
1
=0.17 1、Re
1
=∞由资料［1］P176
页图3-2来查得压力损失系数K
1< br>
=0.39，K
1

=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ξ
a1
=5
流道长度（因采 用两流程，故热边流道长度为2L
1
）S
1
=1500mm
当量直径de
1
=3.080mm
将以上各项代入前式可得出:
ΔP
1
=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ω
2
=4.669kg(s·m
2
)
孔度σ
2
=0.687
空气进口压力为大气压，即P
2
< br>=10332.3kgm
2
，空气常数R=29.27m℃，则进口
RT29. 27?(45?273.15)
3
温度时空气比容为ν
2
=1ρ
2< br>=
2
=0.9013mkg
?
'
10332.3
P
2

'

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空 气出口压力为大气压减去要求的压降，即P
2

=10332.3-8=10324.3 kgm
2
，出口
RT29.27?(62.40?273.15)
3
温度时空气密度为ν
2
=1ρ
2
=
2
=0.9423mkg
?
''
10332.3?8
P
2

''
??
v
2
?v
2
平均比容ν
2m
==0.9218m< br>3
kg
2
同理根据σ
2
=0.687、Re
2=∞由资料［1］P176页图3-3来查得压力损失系数
K
2

=0.1 1，K
2

=0.22
摩擦因子f
2
=0.1026
流程L
2
=58mm
当量直径de
2
=3.499mm
将以上各项代入前式可得出:
ΔP
2
=72.31Pa
满足产品冷边不大于74.7Pa的流阻要求。
3.3设计计算的结论
表1

效率
换热量（kW）
热边流阻（kPa）
冷边流阻（Pa）
波纹板
层数
热边
冷边
设计计算值
0.7106
13.23
6.53
72.31
28
29
879×460×58
16
58.997
59.21
产品要求值
0.5909
11
8.72
74.7
－
－
879×460×58
－
≤60
－
备注
波纹板参数为：
热边
b
1
=3.5mm
h
1
=3mm
l
1
=5mm
冷边
P=4.7mm
2l
0
=9.3mm
δ
L
=0.10mm
δ
1
=0.15mm
百叶窗高度
l
h
=0.54
百叶窗节距
l
P
=1.1
百叶窗长度
l
2
=7
产品尺寸（mm）
产品质量（kg）
出口温度
（℃）

热边
冷边


从表1可以看出，本结构的板翅式空气-水热交换器能够满足11kW的换热量和
热边流体阻力不大于8.72kPa、冷边流体阻力不大于74.7Pa的要求。

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