套管换热器计算程序和CFD模拟对比
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套管换热器是最简单的一种换热设备，其流动方式只有顺流或逆流，特别适用于换热面积较小的情况。本案例将基于传热单元数法（ε-NTU）编写套管传热性能计算程序并用FLUENT进行模拟分析，比较两者计算结果。传热单元数法的优势是在已知一二次侧入口温度的情况下可以无需通过迭代计算而估算传热量和出口温度。
已知热侧和冷侧的物性参数如下，管侧走热流体，壳侧走冷流体。 已知套管换热器的内管（管侧）内外径分别为50mm和55mm，外管（壳侧）内外径分别为80mm和85mm。内外管的材料导热系数均为50W/m.K。
对于换热器的设计计算，努塞尔数的计算是核心，本案例采用的公式如下，另外为简化计算，本案例忽略壁面温度对流体粘度的修正。
根据上述方法，本案例编写了一个详细的EXCEL计算表 基于以上已知条件和计算方法，本案例计算的套管换热器参数如下表（包含顺流和逆流） 再根据以上计算出的传热功率通过以下能量守恒方程求解两侧出口温度。
建立如下三维换热器模型，并进行全六面体网格划分，节点数约为80万，最小正交质量0.77。
选择标准k-e湍流模型，近壁处理采用标准壁面函数。 设置冷、热侧材料属性和金属管道属性（对稳态问题，只有导热系数起作用） 两侧入口均采用质量入口边界，出口均采用压力出口边界。
我们将顺流和逆流条件下，FLUENT的计算结果（温度，功率）和上述ε-NTU法计算结果对比如下表，可以看出两者结果挺相符。进行换热器设计时，ε-NTU或者LMD法结合CFD分析是一个不错的手段，先评估设计结果，后续样机试验后再和设计结果对比，进行优化设计和定型。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-07-05
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