FLUENT同轴换热器仿真

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1 前言                                                              

    同轴换热器是套管换热器的一种，与普通套管换热器相比最大的区别是其内管为螺旋槽管，内外管之间存在接触（如下图）。同轴换热器普遍应用于蒸发式冷凝器、空调冷凝器、汽车冷凝器、汽车空调蒸发器、家用空气源热泵热水器、地源热泵机组、制冰机冷凝器、多效蒸发器、海水养殖专用恒温机、空气能热泵、冷水循环机、工业小型冷水机、水环热泵等设备当中。今天，我们做一个同轴换热器的模拟，为了简化模型，便于网格划分，本次模拟将螺旋槽管处理成光管。

图1 同轴换热器

2 问题描述                                                          

    建立如下的螺旋同轴套管，内管直径2mm，外管直径4mm。内管走冷空气（入口30℃，流速2m/s，水力直径2mm），外管走高温空气（入口100℃，流速2m/s，水力直径4mm），内外空气逆向流动。螺旋管总长127.24mm，中径20mm。空气暂按常物性考虑，内外管的雷诺数均小于2000，流动状态为层流。

图2 同轴换热器模型及全六面体网格

3 计算结果                                                          

3.1 换热功率

    内外管进出口热功率值如下，对于内管（冷流体），获得的热功率为0.56187863-0.03806146=0.52381717W；对于外管（热流体），付出的热功率为1.7364486-1.2125253=0.5239233W，可见，计算结果满足能量守恒。

图3 传热功率

3.2 对数平均温差

    内外管进出口温度如下，对于内管（冷流体），进出口平均温度分别为30℃和97.83℃，温升为67.83℃；对于外管（热流体），进出口平均温度分别为100℃和77.37℃，温降为22.63℃。对于逆流，ΔT1=100-97.83=2.17℃，ΔT2=77.37-30=47.37℃，ΔT1/ΔT2＜1.7，因此，对数平均温差ΔTm=（2.17+47.37）/2=24.77℃

3.3 传热系数

    从几何模型读取内管的换热面积Ai=0.00079776881m2，传热系数根据以下公式计算，结果为26.51W/m2·℃。

3.4 摩擦阻力系数

    内外管进出口压力（表压）如下，可以看出内管和外管的压降分别为56.43Pa和58.93Pa，而管长为127.24mm，内外管水力直径分别为2mm和4mm，流速均为2m/s，空气密度按1.225kg/m3计，因此根据以下公式可计算出内外管的摩擦阻力系数分别为0.724和0.378。

图4 内外管进出口压力

3.5 温度分布

    内外管温度分布如下图。

图5 温度分布

3.6 速度分布

    内外管的速度流线如下。

图6 速度流线分布