空调课程设计任务书.

课程设计任务书
姓名：张楠
学号：011030119
专业：建筑环境与设备工程
课设描述
一、课设题目：热交换器设计（去湿机用的蒸发器）
二、结构型式：风冷管片式
三、设计参数：
a)制冷量：空气容积流量为4500m3/h；去湿量为14kg/h；空气进
口温度为18℃,相对湿度为0.65，冷凝温度为35℃。

b)结构参数：自选
制冷剂：自选
四、完成内容：
a）交换器综述
b）蒸发器设计计算
c）提交计算程序及计算说明书
一、热交换器综述（网络及文献）
a）换热器的发展历史：二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。

以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。

30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。

接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。

30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。

在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。

60年代左右，由于
空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。

此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。

70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

b）综合性描述：
换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。

混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。

由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。

例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。

蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。

这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。

以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。

间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。

间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他
型式。

管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。

换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。

顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。

逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。

在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。

在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。

前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。

当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。

除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。

在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。

热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)，和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。

增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系
数。

但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。

为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。

一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。

二、设计计算及程序
//空气容积流量为4500m3/h，去湿量为14kg/h
//空气进口温度t1=18℃，相对湿度为0.65
//大气压力为1.013bar，制冷剂为R134a，冷凝温度tk=35 ℃。

#include<iostream.h>
#include<math.h>
#define pi 3.141592653
#define ei 2.71828
double ab=0;
void main()
{
//确定值
double
Mm=4500, //空气体积流量
R=1.2, //空气密度
Ma=Mm*R/3600,//空气质量流量
t1=18, //入口空气干球温度
x1=0.65, //入口空气相对湿度
Pqb1=602.4*pow(10,7.45*t1/(235+t1)), //入口空气水蒸气饱和分压力
P=1.013e5, //大气压力
d1=622*x1*Pqb1/(P-x1*Pqb1), //入口空气含湿量
dm=15e3/3600, //除湿量
d2=(d1*Ma-dm)/Ma, //出口空气含湿量
t3=35; //冷凝器出口制冷剂温度
//假设值
double
t2=7, //出口空气干球温度
Pqb2=602.4*pow(10,7.45*t2/(235+t2)), //出口空气水蒸气饱和分压力
//查湿空气h-d图
h1=39.6e3, //空气初态比焓
h2=21.8e3, //空气终态比焓
ts=4.5, //肋管外表面平均温度
hs=17.5e3, //肋管外表面平均比焓
//连续整体套片，铜管铝肋
d0=10e-3, //基管外径
yp=0.35e-3, //壁厚
di=d0-2*yp, //基管内径
yf=0.12e-3, //肋片厚
g=204, //肋片导热系数
e=2.5e-3, //肋片节距
s1=25e-3, //管中心距
s2=s1*sin(pi/3),
a1=1.065, //求当量肋高时所需系数
//空气侧
va=2.5, //迎面风速
N=4, //沿气流方向肋管排数
u=0.181e-4, //空气的动力黏度
g1=0.026, //空气的导热系数
cp=1005, //空气的定压比热容
c0=1.1, //肋管错排时计算换热系数时所乘系数,一般为1.1~1.15,
Rf=0.0003, //污垢热阻
c3=1.5, //湿工况时流阻修正系数，查表4-14
//制冷剂侧
t0=t2-8, //蒸发温度，取比空气出口温度低6~8度
AA=0.37, //物性系数，见表4-7
u1=2.02e-4, //制冷剂的动力黏度
k1=1.0, //弯头局部阻力系数，无油时，0.8~1.0
k2=0.126, //弯头摩擦阻力系数，无油时，0.094*R/di,R为曲率半径
nn=5, //弯头数
//不考虑制冷剂压降
h3=250.0e3, //冷凝器出口比焓
t4=t0, //蒸发器入口温度
h4=h3, //蒸发器入口比焓
x4=0.22, //蒸发器入口干度
v4=0.0143, //蒸发器入口比容
t5=t0, //蒸发器出口温度
h5=400.0e3, //蒸发器出口比焓
x5=1, //蒸发器出口干度
v5=0.0625, //蒸发器出口比容
x0=(x4+x5)/2, //平均干度
v0=(v4+v5)/2; //平均比容
//制冷负荷
double p=Ma*(h1-h2);
//每米肋管结构参数
double
Af=(s1*s2-pi/4*d0*d0)*2*1/e, //肋片表面积
Ap=1/e*pi*d0*(e-yf), //肋片间基管外表面积
A=Af+Ap, //总外表面积
Ai=pi*di, //内总表面积
t=A/Ai, //肋化系数
a=A/s1/1, //肋通系数
E=(s1-d0)*(e-yf)/s1/e; //净断面比
//所需制冷效率
double n0=(h1-h2)/(h1-hs);cout<<"制冷效率"<<n0<<'\n'; //空气侧
double
v=va/E, //最小流通断面速度
N1,i=1,aa,de;
for(;i>0.05;N=N1)
{
//肋片空气通道当量直径
de=2*(s1-d0)*(e-yf)/((s1-d0)+(e-yf));
//气流方向的肋片长度
double L=N*s2;
//计算雷诺数
double Re=R*v*de/u;
//计算系数与指数
double
c1=1.36-0.00024*Re,
c2=0.518-2.315e-2*L/de+4.25e-4*pow(L/de,2)-3e-6*pow(L/de,3), n=-0.28+0.08*Re/1000,
m=0.45+0.0066*L/de;
//换热系数
aa=c0*c1*c2*g1/de*pow(L/de,n)*pow(Re,m);
//由公式4-36a
N1=-log(1-n0)*cp*R*va/aa/a;
i=(N1-N)/N1;
if(i<0) i=-i;
}
N=ceil(N);
if(int(N)%2!=0) N=N+1;
cout<<"沿气流方向肋管排数"<<N<<'\n';
//迎风面积
double fa=Ma/R/va;
//总传热面积
double A1=fa*a*N;
//求肋管外表面当量换热系数
double
S=(h1-h2)/cp/(t1-t2), //析湿系数
m=sqrt(2*S*aa/yf/g), //肋片现状系数
l=(a1*s1/2-d0/2)*(1+0.805*log(a1*s1/d0)/log(10)), //当量肋高nf=tanh(m*l)/m/l, //肋片效率
aae=S*aa*((nf*Af+Ap)/A); //当量换热系数
//制冷剂侧
double
q=p/(A1/t), //肋管内表面热流密度
vm=110, //制冷剂质量流速,由q查表4-10
t00,j=1,n;
for(;j>0.1;t0=t00)
{
//制冷剂循环量
double Mr=p/(h5-h4);
//并列肋管路数
n=Mr/(pi/4*di*di*vm);
n=floor(n);
if(int(n)%2==0) n=n+2;
else n=n+1;
vm=Mr/n/(pi/4*di*di);
//管内制冷剂换热系数
ab=AA*pow(vm,0.4)*pow(q,0.4)/pow(di,0.6);
//计算传热系数
double K=1/(1/aae+Rf+t/ab);
//所需传热温差
double tm=p/K/A1;
t00=(t1-t2*pow(ei,(t1-t2)/tm))/(1-pow(ei,(t1-t2)/tm));
j=(t00-t0)/t00;
if(j<0) j=-j;
}
t0=int(t0);
cout<<"并列肋管路数"<<n<<'\n'<<"蒸发温度"<<t0<<'\n'
<<"管内制冷剂换热系数"<<vm<<'\n'<<"肋管内表面热流密度"<<q<<'\n';
cout<<"管内制冷剂换热系数"<<ab<<'\n';
//蒸发器主要结构参数
double
H=s1*n, //高度
B=fa/H, //长度
L=N*s2; //厚度
cout<<"高度"<<H<<'\n'<<"长度"<<B<<'\n'<<"厚度"<<L<<'\n';
//管内制冷剂压降
double
K1=4*q/di/vm/9.8, //沸腾准则数
Re1=vm*di/u1, //雷诺准则数
f=0.037*pow(K1/Re1,0.25), //摩擦阻力系数
p0=(f*B*(nn+1)/di+nn*(k1+k2)+2*(x5-x4)/x0)*v0*vm*vm/2;
//空气侧阻力
double
p1=0.07*L/de*pow(v,1.7), //干工况流阻
p2=1.2*p1, //错排，阻力增加20%
p3=c3*p2; //湿工况流阻
cout<<"制冷剂压降"<<p0<<endl
<<"空气侧流阻"<<p3<<endl;
}
三、计算结果
制冷效率:0.80543
沿气流方向肋管排数:6
析湿系数：1.61013
当量换热系数：63.4683W/（m2•K）
并列肋管路数:30
蒸发温度:0℃
管内制冷剂换热系数:87.346W/（m2•K）
肋管内表面热流密度:5711.61W/m2
管内制冷剂换热系数：1164.96W/（m2•K）高度:0.75m
长度:0.666667m
厚度:0.173205m
制冷剂压降3341.9Pa
空气侧流阻65.3493Pa。