模拟盘管换热器

2014年 8月 21日

盘管换热器非常简单,且容易制造。在这篇博客中,我们考察了一个轴向环绕的铜盘管,它通过输运热水来加热圆形管道内的空气。因为沿中心线两侧的几何几乎相同,所以模型使用二维轴对称面求解; 同时增加了额外的表达式来计算盘管匝间的温降,这大大简化了模拟。

盘管换热器模型

下图显示了我们将考察的盘管换热器。

盘管换热器模型。
铜盘管在有冷空气流经的管道内输运热水。

铜盘管呈螺旋缠绕,以便沿轴向插入圆形空气管道的内部。冷空气在管道内流动,热水由盘管泵入。使用共轭传热接口计算空气流场,以及空气与铜管的温度。由于几何基本为轴对称,我们可以假定模型与气流完全轴对称,以简化模拟。因此,我们可以使用二维轴对称共轭传热接口。气流速度很高,所以使用了一个湍流模型; 此例中,为 k-epsilon 模型。

我们可以假定管道内流动的水为经充分发展的流动。同时我们也可以假定水温的变化很小,密度不变,所以平均速度保持恒定。因此,我们不需要模拟水的流动,而是可以利用强制对流传热关系式模拟流体和管壁之间的传热。

‘对流热通量’边界条件使用强制内部对流 Nusselt 数关系式来计算水与铜盘管之间的传热, 在铜盘管的所有内部边界上都应用了此边界条件。输入项包括管道几何、流体类型、流体速度,以及流体温度。除了流体温度之外,所有这些量在盘管每匝中保持不变。

模拟盘管匝间的温降

热水被泵入铜盘管后,开始冷却。但由于是轴对称模型,每匝盘管独立于其他盘管匝,除非我们人为设定它们之间的相互关系。这就是说,我们必须在每匝盘管的内边界应用单独的‘对流热通量’边界条件。

这会带来一个问题: 我们如何计算每匝之间的温降,并将它加入我们的模型中?

考虑水流经一匝铜盘管时的情景。水的热损失等于向铜管传递的热量。假定材料属性恒定,且忽略粘性损耗,那么水在流经一匝管道之后的温降为:

\Delta T = \frac{Q}{\dot m C_p} = \frac{\int q'' dA}{\dot m C_p}

其中,\dot m 是质量流率、C_p 是水的等压热容、Q 是水的总热损失,它等于铜中的热通量沿盘管内部边界上的积分。这一积分可以通过定义在盘管内部边界上的积分组件耦合计算。

COMSOL Multiphysics 中的积分组件耦合。
边界上定义的积分组件耦合。注意: 该积分在旋转几何中计算。

使用这些耦合算子,我们可以针对温降定义一组用户定义变量:

DT1 = intop1(-nitf.nteflux/mdot0/Cp0)

这计算了沿盘管第一匝的温降。我们可以为管道的每一匝定义不同的温降变量,并依次在每匝中使用。

在软件中定义不同的温降变量。
第六匝的水温考虑到了前五匝的温降。

绘图显示了流场与温度之间的关系。
流场与温度绘图(左);沿盘管中心线的温度(右)。

由于这是一个二维轴对称模型,所以求解非常快。我们可以检查温度和流场,并沿盘管中心线绘制温降。我们可以观察到水在盘管每匝之间逐渐降温,空气则被加热。

这可以看作一个平行流换热器,因为热流体流动与冷流体流动的总方向相同。如果我们希望将该模型改为反向流动配置,则可以通过交换空气的入口与出口条件轻松实现,这样流体就会沿相反的方向流动。

您觉得这一技巧还可以模拟哪些换热器配置呢?

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评论 (5)

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毓 段
2016-05-10

请问能提供案例吗?
DT1 = intop1(-nitf.nteflux/mdot0/Cp0)
这一段不太理解

Yuansheng Zheng
2016-05-16

换热器:根据文中△T的公式可以看到温变=总热量/(质量变化率*热容),其中总热量需要由热通量积分获得,所以一般写法是DT1 = intop1(-nitf.nteflux)/(mdot0*Cp0),这里intop1是积分算子,积分区域是图中的25,26,46,47 几个边界。

毓 段
2016-05-19

谢谢解答,但是在comsol5.2版本中,没有nitf.nteflux这一项。我选用的comp1.ht.ntefluxInt,因此DT1 = intop1(-comp1.ht.ntefluxInt/(mdot0/Cp0)最后得出的单位是 m^2*K,并不是K,请问在comsol5.2中应该选用哪个作为变量来替换nitf.nteflux?
谢谢

yu xu
2019-05-21

请问可以提供案例模型吗

卫 刘
2019-06-27

这个几何模型怎么建立的,谢谢

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