螺旋盘管式热交换器简单案例

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1 模型描述

如下的螺旋盘管式热交换器，壳侧为内径85mm的管道，管侧为外径6.35mm的管道。壳侧介质为高温空气，入口速度10m/s，温度749.85℃，管侧为水，入口速度0.5m/s，温度26.85℃。壳侧长度0.8m，螺旋盘管圈数20，总高度400mm，通过仿真方法评估一下该换热器的性能。

2 网格划分

建模时均不考虑壁厚，以薄壁模型处理壁厚的影响，实际上由于固体壁面的热阻相对于整个热阻占很小比重，因此固体壁面的影响基本可以忽略。采用fluent meshing模块划分多面体网格，节点数约307万，最小正交质量0.69。

3 求解设置

采用SST k-ω湍流模型。

空气的物性采用如下设定，由于温度很高，必须考虑温度对物性的影响。对于工程应用，建议采用手册或标准里面的物性-温度数据。

两侧入口均设置为速度入口，出口均设置为压力出口，不考虑所有壁面的散热。

压力速度耦合用coupled算法，新版fluent默认采用该算法，大多数情况下可以提高收敛性，加快计算速度。

4 计算结果

首先，我们看一下传热功率报表，冷水吸收的热功率为1992.7W，热水释放的热功率为2089.4W，能量不平衡率为4.65%（默认能量收敛准则10^-6，采用更高的收敛标准可以降低能量不平衡率。

两侧进出口平均温度如下，据此根据以下公式可以计算对数平均温差LMTD为659.5℃。

以管侧面积作为传热面积，则综合传热系数U为60.59W/m²℃。

再计算一下换热器的效能ε。计算最大换热功率Qmax时，热侧空气的定压比热cph以热侧入口温度和冷测入口温度的平均温度433.62℃作为定性温度，该温度下空气的比热值为1128.55J/kg℃（这里笔者编写了一个空气物性excel小计算表，文末有偿提供），热空气质量流量为0.01951kg/s，故Qmax为15918.04W，于是效能ε为0.125。