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
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