套管式蒸发器的设计

1. 套管式蒸发器的设计

1.1. 设计参数

根据上面确定的设计条件，以及热泵热水机的试验工况[17]，可知，套管式蒸发器设计的相关参数，如表4.1所示。

1.2. 设计热力计算 1.2.1. 热源水流量的计算

采用名义制热量及进出口５℃温差确定的水流量，由文献[17]可知，热泵热水机的试验工况。根据水的定性温度C t t o 21m 5.172

15

202t =+=+=

，由文献[16]查得，水的密度为ρ=998.583/kg m ，水的比热容为cp=4.185kJ/(kg ·K)。于是，热源水的流量。

体积流量

()

3119.240.00093/998.58 4.1852015o v p Q q m s c t ρ=

==∇⨯⨯- （4.1）

质量流量

0.00093999.580.926/m q kg s =⨯= （4.2）

1.2.2. 传热平均温差的计算

由上面的设计参数，可知，蒸发器中流体的温度变化如图4.1所示。

图4.1 蒸发器中流体的温度变化

由文献[20]可知，对数平均温度计算公式为

max min

max

min

ln lm t t t t t -∆=

V V V V （4.3）

式中 max t V —进出口温差大者，℃；

min t V —进出口温差小者，℃。

于是，蒸发器的对数平均温差为

1'1''1'1''()()

7.21ln o o o m o

o

t t t t t C t t t t ---∆=

=-- （4.4）

1.2.3. 选管

根据文献[6]，采用外螺纹管，选用低翅片[7]管序号3规格φ16×1.5，mm t 4.0=δ，

mm s f 2.1=，mm d t 1.15=，mm h 35.1=，mm d i 4.10=，mm d b 4.12=，每米管长管

外表面积m m 2

of 139.0a =，螺纹管增强系数384.1=ϕ，铜管导热系数

)·m (3982℃W =λ，因其增强系数相比较大，有利换热使蒸发器结构紧凑[8]。

图2.1 外螺纹管结构图

单位管长的各换热面积计算如下： 每米管长翅顶面积： d a =t t

f

d s πδ=

m m 20158.00012

.00004

.00151.0=⨯π （2.3）

每米管长翅侧面积： f a =

22()2t b f

d d s π-=

m m 222

0972.00012

.020124.0-0151.0=⨯）

（π （2.4）

每米管长翅间管面面积： b a =

d ()b f t f

s s s π-=

m m 2026.00012

.00004.0-0012.00124.0=⨯）

（π （2.5）

每米管长管外总面积：

of a =d a +f a +b a = m m 2

139.0 （2.6） 每米管长管内面面积：

i a = m m d i 20327.00104.0==ππ

（2.7） 1.2.4. 传热计算

1、水侧表面传热系数

热源水的流速为

0.00093

0.66/0.0022890.000874

v s w n q u m s A A =

==-- （4.9）

当量直径

()()

440.0022890.0008740.013473.140.054 3.140.0095214

w n e A A d m L -⨯-=

==⨯+⨯⨯ （4.10）

热源水进出口平均温度 C t t o 21m 5.172

15

202t =+=+=

，由文献[16]，水的运动粘度s m v /10081.126-⨯=。于是，可计算雷诺数

460.660.01347

Re 10374101.08110

s e u d v -⨯=

==≥⨯ （4.11） 故水在管内的流动状态为湍流。考虑将套管盘成曲率半径150R mm =的螺旋盘管，盘

管水侧换热修正系数为

13.471 1.77

1 1.77 1.159150

e R d R ε=+=+⨯= （4.12） 由文献[18]可知，()K m W ⋅⨯=/10275.592-λ，65.7Pr =水侧表面换热系数的公式

()0.80.40.80.420.023

Re Pr 0.593

0.023103747.65 1.1590.01347

4322/wi f f R

e

d W m K λ

αε==⨯

⨯⨯⨯=⋅ （4.13）

2、换热管管内换热系数的计算

假定蒸发器换热管管内按内表面计算的热流密度2

4000/i q W m >（此假定将在后面检验）。考虑将套管盘成曲率半径200R mm =的螺旋盘管，盘管水侧换热修正系数

'8.92

1 1.77

1 1.77 1.105

200

i R d R ε=+=+⨯= （4.14） 由文献[18]可知，换热系数公式计算

R i

m

i i d v q c εα2.02

.06.08.57= （4.15）

管内换热系数i α为

()

0.60.2

0.20.60.2

0.2

0.6257.816057.80.0241 1.159

0.0089211.449/i m

i R

i

i o i q v c d q q W m C αε=⨯=⨯⨯⨯=⋅、 （4.16） 式中 由文献[21]可知，系数0.0241c

=；

换热管内径m mm d i 00892

.092.8==。 单位面积流量s m d q v i m m /16000892

.014.310994.9442

3

2=⨯⨯⨯==-π