套管式蒸发器的设计

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tm

t1 t220 15

17.5oC，由文献[16]查得，水的密度为22

=998.58kg/m3 ，水的比热容为cp=4.185kJ/(kg·K)。于是，热源水的流量。

体积流量

qv

质量流量

Qo19.24 0.00093m3/s （4.1）

cp t1998.58 4.185 20 15qm 0.00093 999.58 0.926kg/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。

套管式蒸发器的设计

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

tlm

Vtmax Vtmin

lnmax

Vtmin

（4.3）

式中 Vtmax—进出口温差大者，℃；

Vtmin—进出口温差小者，℃。

于是，蒸发器的对数平均温差为

tm

(t1' to) (t1'' to)

7.21oC （4.4）

t tln1'o

t1'' to

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， t 0.4mm，

sf 1.2mm，dt 15.1mm，h 1.35mm，di 10.4mm，db 12.4mm，每米管长管

2

外表面积aof 0.139mm，螺纹管增强系数 1.384，铜管导热系数

398W(m2·℃)，因其增强系数相比较大，有利换热使蒸发器结构紧凑[8]。

套管式蒸发器的设计

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： a dt t

.0151 0.0004

d=s=

0.0012

0.0158m2f

0 每米管长翅侧面积： (d222

at db) （0.0151-0.01242）

f=

2s=

m2 f

2 0.0012

0.0972每米管长翅间管面面积： a db(sf st)b=

=

0.0124 （0.0012-0.0004）

s f

0.0012

0.026m2每米管长管外总面积：

a2

of=ad+af+ab= 0.139mm 每米管长管内面面积：

ai= di 0.0104 0.0327m2m

1.2.4. 传热计算

1、水侧表面传热系数

热源水的流速为

uqvs

A 0.00093

0.66m/s w An0.002289 0.000874

当量直径

d Aw An 4 0.002289 e

4L 0.000874

3.14 0.054 3.14 0.00952 14

0.01347m（2.3）（2.4）（2.5）（2.6）（2.7）（4.9）4.10）

（

套管式蒸发器的设计

热源水进出口平均温度 tm

t1 t220 15

17.5oC，由文献[16]，水的运动粘度22

v 1.081 10 6m2/s。于是，可计算雷诺数

usde0.66 0.01347

10374 104 （4.11） 6v1.081 10

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

Re

管水侧换热修正系数为

R 1 1.77

de13.47 1 1.77 1.159 （4.12） R150

由文献[18]可知， 59.275 10-2W/ m K ，Pr 7.65水侧表面换热系数的公式

wi 0.023

de

0.4Re0.8fPrf R

0.593

103740.8 7.650.4 1.159 （4.13）

0.01347

4322W/ m2 K 0.023

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

2

R' 1 1.77

di8.92

1 1.77 1.105

（4.14） R200

由文献[18]可知，换热系数公式计算

0.2

qi0.6vm

i 57.8c0.2 R （4.15）

di

管内换热系数 i为

0.2

qi0.6vm

i 57.8c0.2 R

di

（4.16） qi0.6 1600.2

57.8 0.0241 1.159

0.008920.2

11.449qi0.6W、/ m2 oC

式中 由文献[21]可知，系数c

0.0241；

m。 换热管内径di 8.92mm 0.00892

4qm4 9.994 10 3

单位面积流量vm 160m/s 22

di3.14 0.00892

套管式蒸发器的设计

3、传热系数K0及按内表面计算的热流密度qi ① 传热系数K0

由文献[18]可知，管内侧的污垢系数 i系数 o

0.00009（m2 ℃）/W ，管外侧的污垢

0.000086（m2 C）/W。由文献[18]可知，传热系数K0的计算公式

KO

1

dd1

( i)o (o) ( o) idi dm o11

1 do do 1

i o i di dm o 1 10.659q0.6

i

1

（4.18）

9.520.00039.52 1

0.00009 0.000086 8.923809.226320 1

（4.17）

蒸发器的传热系数为

K0

式中

20

W/(m C) 0.6

0.100103qi 0.0003013

—为管壁厚度0.3mm；

2

—为管材的导热系数380W/m k；

dm—为管子平均直径dm

do di9.52 8.92

9.22mm 0.00922m。 22

② 按内表面计算的热流密度qi

qi

do9.5212

Ko tm 7.21(W/m) （4.19） 0.6di8.920.100103qi 0.0003013

2

2

2

用迭代法解得，q 11286W/m 4000W/m，说明前面假定qi 4000W/m是正确的。

③ 传热系数K0的数值

Ko

所需的传热面积

qidi11286 8.92

1467W/(m2 oC) （4.20）

tmdo7.21 9.52

套管式蒸发器的设计

Ao

管长

Qo20000

1.891m2 （4.21）

tmKo7.21 1467

L

A01.891 4.518m （4.22） Al3.14 0.00952 14

4、阻力计算

由文献[18]可知，阻力计算相关公式 水的沿程阻力系数

0.3164Re0.25 0.3164

10374

0.25

0.03135 水的流动阻力为

p

u2 Ls

2 d 1.5 n 1

e

998.58 0.6622 0.03135 6.369 0.01087 1.5 3.5 1

5463Pa

其中，Ls 6.369m在后面的“4.3.1 蒸发器整体结构设计”可知。 考虑到外部管路损失，热源水泵总压头约为

p' p 0.1 0.005463MPa 0.1MPa 0.105463MPa 1.3. 蒸发器结构设计及计算 1.3.1. 蒸发器整体结构设计

图4.3 套管式蒸发器整体结构图

4.23） 4.24）

4.25）

（ （ （

套管式蒸发器的设计

蒸发器整体结构如图4.3所示的相似。蒸发器外管采用 60mm 3.0mm的无缝钢管。将套管成型为曲率半径R 200mm和200mm直管投影面像运动场螺旋盘管，则可计算得每一圈盘管的长度。 每一圈盘管的长度为

Lm 2 R 2 0.2 2 3.14 0.2 2 0.2 1.656m （4.26）

所需套管的圈数：

n

L4.518 2.73 （4.27） Lm1.656

套管式蒸发器的进出口端面一般情况朝向同一方向，则圈数为3.5、4.5、5.5

另外，由文献[18]可知，蒸发器传热面积需要比较传热计算传热面积大10%-20%，才满足要求，所以满足要求。

本次设计采用进出口端面一般情况朝向同一方向，则设计为3.5圈，并且进出口均向外延伸出0.3m的接管，则可计算出套管的实际换热管长和蒸发器的高度。 换热管实际长度为

Ls 3.5 Lm 0.30 2 3.5 1.656 0.30 2 6.369m （4.28）

Ls6.396 1.415 141.5%得，实际冷凝传热面积比传热计算传热面积大41.5%，L4.518

可作为冷凝传热面积富裕量。每个蒸发器的高度为h 0.06 4 0.24m，则蒸发器的总高

由约为0.24mm。

1.3.2. 蒸发器零部件设计

1、热水进出口接管

蒸发器的连接管包括进气管、出液接管以及水的进出口接管。各连接管内径（按下式计算

Ls 3.5 Lm 0.30 2 3.5 1.656 0.30 2 6.396m （4.29）

有文献[21]管内径di（单位为m）按下式计算

di

式中

（4.30） qv—过热蒸气、冷凝液体或冷却水的体积流量，m/s；

u—流速，m/s。

由文献[21]可知，在进出口水接管中，水的流速约为u=1m/s。热水的流量由上面可知，

qv 0.00093m3/s，因为采用一个套管式蒸发器，于是热水进出口接管内径为

套管式蒸发器的设计

dis

0.0344m 34.4mm （4.30） 于是由热轧无缝钢管(YB231-70)的规格，选用 42mm 3.0mm，钢管的内径为

dis 36mm。

2、热泵工质进液接管

即分液前接管管径，其截面积大小应是换热管面积的总和，则 进液管内径：

3.14 8.922

di6 12 28.1mm （4.31）

4

于是，根据无缝铜水管、铜气管的外形尺寸及允许偏差，采用 32mm 2.0mm，即铜管的内径为di6 28mm。

3、热泵工质出气接管

由文献[18]可知，氟利昂蒸汽在出气接管内的流速为8～15m/s,并且出气接管管径与压缩机的排气管管径相同。初取蒸汽在接管内流速为u1=12m/s，热泵工质出口的比热容为V1=0.04147m3/kg，热泵工质的质量流量qmo 0.13kg/s。于是，热泵工质蒸气的体积流量为

qv1 qmov1 0.13 0.04147 5.39 10 3m3/s （4.32）

则每根分出气接管的内径di1：

di1 23.92mm （4.33）

于是，根据无缝铜水管、铜气管的外形尺寸及允许偏差，采用 28mm 1.5mm，即铜管的内径为di1 25mm。则实际工质蒸气气流速度为10.99m/s如下式计算得，则符合要求。

4qv14 5.39 10 3

u1s 10.99m/s （4.34） 22

di13.14 0.025

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/n5kj.html