FLUENT同轴换热器仿真指南

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。之前我们做一个同轴换热器的模拟（详细内容点击文末“阅读原文”），今天我们继续做一个同轴换热器仿真，内管做成螺旋槽管。

图1 同轴换热器

2 问题描述                                                          

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。

图2 同轴换热器模型及网格

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9.9930212-4.0385841=5.9544371W；对于外管（热流体），付出的热功率为39.879808-33.931245=5.948563W，相对误差0.1%，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37.36℃，温升为7.36℃；对于外管（热流体），进出口平均温度分别为90℃和79.99℃，温降为10.01℃。对于逆流，ΔT1=90-37.36=52.64℃，ΔT2=79.99-30=49.99℃，ΔT1/ΔT2＜1.7，因此，对数平均温差ΔTm=（52.64+49.99）/2=51.315℃。

3.3 传热系数

从几何模型读取内管的换热面积Ai=0.006916727m2，传热系数根据以下公式计算，结果为16.76W/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2.46Pa和232.00Pa，而管长为96mm，内外管水力直径分别为19mm和3.9mm，流速分别为4m/s和8m/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0.05和0.24，流阻分布相当不均匀，结构设计不合理。

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，有相当一部分冷空气未被充分加热。

图5 温度分布

3.6 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。

图6 速度流线分布

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