热交换器传热仿真分析

发布日期： 2024-11-21 阅读量： 作者： 胥口分析技术中心

换热器（Heat Exchanger）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器应用广泛可，作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。

对换热器进行流体仿真，能帮助了解换热器内冷热流体的温度分布和热量交换效率，对指导换热器的设计具有重大意义

案例1：同轴换热器Fluent仿真

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。

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为了简化计算量，换热器做成直管，内管为单螺旋槽管。建立如下的螺旋同轴套管，内管水力直径19mm，外管水力直径3.9mm。内管走冷空气（入口30℃，流速4m/s，雷诺数5202），外管走高温空气（入口90℃，流速8m/s，雷诺数2135），内外空气逆向流动。螺旋管总长96mm，中径22mm。介质暂按常物性考虑，湍流模型选择k-w。

换热器速度分布：

内外管的速度流线如下，冷空气主要从管中心位置流动，可考虑适当减小内管直径，增加螺旋槽数量，这样可提高换热系数，同时也增大了压降，使流动阻力分布更加均匀一些。

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换热器温度分布 ：

内外管温度分布如下图，有相当一部分冷空气未被充分加热。

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案例2：管壳式换热管流量分配Fluent模拟计算

管壳式换热器管程的物流先由外部接管流至管箱，再流至换热管，如下图所示，我们计算一下各个换热管的流量分配情况；

建立如下的2D管壳式换热器，共8根换热管，直径20mm，管壁间距30mm。本次计算只考虑管程的介质流动情况，因此壳程域不建模，不进行换热计算；

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管程介质为水，入口速度3m/s。另外，为了便于读取各换热管的流量，在各个换热管建立横截断面（边界条件设置为interior），湍流模型选择SST k-w，速度收敛标准10-4，设置得苛刻，速度场分布更为合理，稳态计算有时候无法收敛，可先进行稳态计算，当残差曲线波动时，转为瞬态求解，这种处理方法可以获得很好得收敛性，但是计算时间加大。单单根据残差判断收敛性可能是不够得，我们关心得是各换热管的流量，因此可以建立监视器，监视之前建立的横截面的质量流量，

下图是某几根换热管的质量流量监测视图

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换热器速度和流线分布

换热器管程的速度和流线分布如图，可以看出换热管内的介质分配存在不均匀，隔板以上（介质流入换热器）区域，最上部的换热管流量较小，隔板以下（介质流出换热器）区域，最上部的换热管流量较小。

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换热器压力分布与速度矢量图

换热器管程压力分布如图，同时我们计算出入口的压力分别为9702.0929Pa和0Pa，因此换热器管程的压降等于9.7kPa。

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从速度矢量图中可以看出换热管1出现反向流动。

案例3：换热器多尺度建模耦合

由于换热器对热量交换效率的要求，换热器从流体进口到交换区再到出口的尺度变化较大；在这种情况下，如果对换热器进行全计算流体力学（CFD）仿真，需要较大网格量才能保证网格质量，这就使得CFD仿真变得复杂和昂贵。为了节约计算成本且保证计算准确度，本案例提出了不同尺度区域分开建模再耦合的方法进行CFD仿真；

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