空水冷却器设计4.doc

2MW空水冷双馈风力发电机的空水冷却器设计说明书

教育部铁道车辆热工重点实验室（兰州交通大学）

2014年2月7日

一、设计要求
本设计适于环境温度40°C，海拔2200 m环境。换热量为39kW，冷却液为55%乙二醇与45%纯水的混合溶液，流量为9m3/h，冷却液进水温度48°C，出水温度52.4°C，冷却液压降0.05MPa；空气流量1.56m3/s，冷却器进风温度74.5°C，出风温度53°C，空气允许压降135Pa。
设计选用的换热管外径8.8mm，内径7.5mm的冷却器结构设计。
主要部件材料为
序号
部件
材料
1
冷却水管
BFe10-1-1（镍白铜）
2
散热片
T2（紫铜带）
3
密封材料
三元乙丙橡胶

二、冷却器主要结构参数
表1结构参数表
序号
名称
符号
单位
公式
数据
1
冷却器长度
L
mm
查图
1400
2
冷却器宽度
W
mm
查图
375
3
冷却器高度
H
mm
查图
664.5
4
冷却器冷却部分长度
L′
mm
查图
1230
5
进水水箱长度
L1
mm
查图
268
6
进水水箱宽度
W1
mm
查图
263
7
散热片总长度
l
mm
查图
545.4
8
散热片总宽度
w
mm
查图
264
9
散热片厚度
δ1
mm
查图
0.15
10
两散热片间距
tp
mm
查图
2.15
11
散热片总数
N
—
已知
550
12
冷却管长度
lg
mm
查图
1194
13
冷却管外径
Dout
mm
查图
8.8
14
冷却管内径
Din
mm
查图
7.5
15
冷却管壁厚
δ
mm
δ=(Dout-Din)/2
0.5
16
冷却管总数
nz
—
查图
192
17
每排冷却管总数
ng
—
查图
12
18
垂直流向的管排
中心距
s1
mm
查图
22
19
迎流方向的管排
中心距
s2
mm
查图
30.3
20
冷却管进水法兰内径
Φ1
mm
查图
38
21
冷却管出水弯管内径
Φ2
mm
查图
38

三、满足设计要求所需要的散热器传热系数
表2海拔2200 m环境所需要散热器传热系数计算表
序号
名称
符号
单位
公式
数据
1
换热量
Q
kW
已知
39
2
空气体积
流量
qva
m3/s
已知
1.56
3
进风温度
ta1
°C
已知
74.5
4
出风温度
ta2
°C
已知
53
5
空气温差
Δta
°C

21.5
6
空气允许
压降
Δpa
Pa
已知
135
2
冷却液体积流量
qw
m3/h
已知
9
3
进口冷却液温度
tw1
°C
已知
48
4
进口冷却液密度
ρw1
kg/m3
查表
1070.94
5
冷却液比热
cpw
kJ/(kg·K)
查表
3.2973
6
冷却液温差
Δtw
°C

4.42
7
出口冷却液温度
tw2
°C
已知
52.4
8
冷却液平均温度
twm
°C

50.2
9
冷却液密度
ρw
kg/m3
查表
1063.95
10
冷却液的动力粘度
ηw
kg/(m·s)
查表
1961.2×10-6
11
冷却液的普朗特数
Pr
—
查表
16.9
12
冷却液导热
系数
λw
W/(m·K)
查表
0.3821
13
冷却液流速
vw
m/s

1.11
14
管内雷诺数
Re
—

4514.7
15
管内Darcy阻力系数
f1
—

0.038
16
管内努塞
尔数
Nu
—

50.98
17
管内换热
系数
hi
W/(m2·K)

2597.0
18
冷却液压降
Δpw
MPa
已知
0.05
19
冷却液密度
ρw1
kg/m3
查表
1063.95
20
冷却液比热
cpw
kJ/(kg·K)
查表
3.306
21
冷却液温差
Δtw
°C

4.44
22
散热面积
F
m2

151.37
23
温度参数1
P
—

0.811
24
温度参数2
R
—

0.205
25
修正系数
φ
—
查图
0.845
26
对数平均
温差
Δtm
°C

11.51
27
修正后的传热系数
K′
W/(m2.K)

26.5

四、设计散热器的传热系数
表3 海拔2200 m环境所设计散热器传热系数计算表
序号
名称
符号
单位
公式
数据
1
换热量
Q
kW
已知
39
2
空气体积流量
qva
m3/s
已知
1.56
3
进风温度
ta1
°C
已知
74.5
4
出风温度
ta2
°C
已知
53
5
空气温差
Δta
°C

21.5
6
空气允许压降
Δpa
Pa
已知
135
7
进口空气密度
ρa1
kg/m3
计算
0.7776
8
空气质量流量
qma
kg/s
已知
1.58
9
空气比热
cpa
kJ/(kg·K)
查表
1.00065
10
空气温差
Δta
°C

24.44
11
空气平均温度
tam
°C

63.75
12
空气密度
ρa
kg/m3
查表
0.8024
13
空气的动力粘度
ηa
kg/(m·s)
查表
19.9×10-6
14
空气导热系数
λa
W/(m·K)
查表
2.9×10-2
15
散热面积
F
m2

151.37
16
管子面积
Fg
m2

5.4
17
冷却液流道
面积
Fw
m2

0.004239
18
空气最小流通面积
Famin
m2

0.17424
19
空气最大流速
vamax
m/s

8.95
20
空气入口面积
Fa1
m2

0.651
21
空气入口速度
va1
m/s

2.396
22
当量直径
De
mm

3.47
23
管外雷诺数
Reo
—

1585.1
24
管外换热系数
ho
W/(m2·K)
实验值
44
25
管内换热系数
hi
W/(m2·K)

2597.0
26
镍白铜的导热系数
λ1
W/(m·K)
查表
22
27
紫铜的导热
系数
λ
W/(m·K)
查表
398
28
几何尺寸1
（图1）
a
mm

11
29
几何尺寸2
（图1）
b
mm

9.36
30
肋根面积
A1
m2

6.19
31
肋片突出面积
A2
m2

148.23
32
肋效率组合
参数
m
—

39.0
33
无量纲肋高度
h
—

0.0096
34
肋效率
ηf
—

0.96
36
肋面总效率
ηo
—

0.96
37
传热系数
K
W/(m2.K)

29.0
38
空气阻力
Dpa
Pa
实验值
106

五、冷却器的冷却液压降计算
经计算得冷却水管进口局部损失系数为0.9681，出口局部损失系数为0.492,进出铜管总局部损失系数ζ=1.4601。
表4 散热器冷却液压降计算表
序号
名称
符号
单位
公式
数据
1
管内冷却液流动速度
vw
m/s

1.11
2
冷却液密度
ρw
kg/m3
查表
1063.95
3
管内雷诺数
Re
—

4514.7
4
管内阻力系数
f
—

0.038
5
沿程损失
Δp1
Pa

15849.4
6
进出铜管损失
Δp2
Pa

861.87
7
进冷却液法兰进口面积
s1
m2

0.001134
8
进冷却液法兰出口面积
s2
m2

0.070616
9
进冷却液法兰入口速度
v1
m/s

2.2046
10
进冷却液法兰局部损失系数
ζ1
—

0.9681
11
出冷却液法兰局部损失系数
ζ2
—

0.492
12
出冷却液弯头入口速度
v2
m/s

2.2
13
进冷却液压力损失
Δp3
Pa

2503.1
14
出冷却液压力损失
Δp4
Pa

1272.1
15
总压力损失
Δp
kPa

20.486