Heat-Exchangers

章节6:换热器许多工程系统,包括发电厂、气候控制和发动机冷却系统通常包含管式换热器。然而,对于大多数工程问题,模拟换热器核心的单个翅片和管是不切实际的。原则上,热交换器核心引入了对初级流体流的压降,并将热量从或转移到第二流体(如冷却液),称为辅助流体。在ANSYS中,集总参数模型用于计算压力损失和辅助流体热抑制。ANSYS流畅提供两种热交换器模型:宏(未分组和分组)模型和双单元模型。宏模型允许您在两种传热模型之间进行选择,即简单有效性模型和传输单元数(NTU)模型。该模型可用于计算固定的辅助流体进给温度下的定热抑制或总热抑制的辅助流体入口温度。对于简单有效模型,辅助流体可以是单相或两相。双单元体模型采用NTUNTU方法进行传热计算。此模型允许在单独的网格(主要流体网格之外)的辅助流的解决方案,不同于宏观模型,其中辅助流建模为1D流。双单元体模型在换热器形状方面也提供了更大的灵活性,克服了宏观模型中存在的一些主要局限性。有关使用换热器型号的详细信息,请参阅用户指南中的热交换器建模。以下各节包含有关热交换器模型背后的理论的信息:宏观换热器模型双单元体模型6.1.宏观换热器模型以下各节包含有关宏热交换器模型背后的理论的信息:宏观换热器模型概述宏观换热器模型的局限性宏观换热器模型理论6.1.1.宏观换热器模型概述热交换器由一个主要流体(例如,空气)组成,与辅助流体的一个或多个通道(例如,冷却液)有不同的温度接触。图6.1:一个四通换热器的例子在典型的换热器芯中,辅助流体温度在辅助流体流动方向上分层。因此,在整个内核中,热抑制不是恒定的。在ANSYS中,表示热交换器核心的流体区被细分为宏观单元或沿辅助流体路径的宏,如图6.2所示:内核离散化为3x4x2宏。在此图中,内核被离散化为3x4x2宏。此配置由两个通道组成,每个通道具有四行和三列宏。对每个宏的辅助流体入口温度进行计算,随后用于计算每个宏的热抑制。这种方法可在换热器核心上提供逼真的热抑制分布。要使用换热器型号,必须定义一个或多个流体区以表示换热器核心。通常,流体区大小为核心本身的尺寸。作为设置过程的一部分,您将定义辅助流体路径、宏的数量以及内核的物理特性和操作条件(压降参数、换热器效率、辅助流体流速等)。您还可以将多个流体区域合并为单个换热器组。在这种情况下,每个流体区作为单独的换热器核心,热交换器组的辅助流体质量流速除以各体积的比值。为了辅助流体流动,换热器组也可以串联连接。此外,热交换器组可以有辅助流体压降(例如,对于压力相关的属性)和补充辅助流体流进入或离开它。有关热交换器组的详细信息,请参阅使用分组的宏换热器模型。换热器模型是为紧凑型换热器设计的,这意味着初级流体侧流是单向的。辅助流体被假定流经大量的平行管,可以选择在蛇形模式下重复,以创建大量的通行证。可以独立选择主辅液流向、通通方向和外主流体流动方向。重要提示:强烈建议在宏观换热器模型中不使用自由形式的春节网格。相反,应使用均匀分布的十六进制/楔形单元来提高精确度和更稳健的解决方案过程。图6.2:将内核离散化为3x4x2宏6.1.2.宏观换热器模型的限制宏换热器型号存在以下限制:核心必须是一个3D网格,其截面大约为长方形。主流体流向方向(参见方程式6–1)必须与由矩形核定义的三个正交轴之一对齐。通到通平面必须垂直于初级流体流向方向。通到通平面的两个维度可以被离散化为多个宏观单元(宏),但在垂直于此平面的方向上,宏不能被细分。在计算压力损失系数时,忽略了流动加速度效应。对于简单有效模型,初级流体必须具有小于辅助流体的容量率。辅助流体相变不能用NTUNTU模型建模。基于宏的方法要求相同数量的单元格驻留在大小和形状相等的每个宏中。辅助流体流量假定为1D。通行证宽度必须是均匀的。当网格没有结构化或分层时,不保证精度。当在核心的入口/出口处有上游温度扩散时,不保证精度。非保形网格不能连接到核心的入口/出口。必须创建额外的图层以避免它。6.1.3.宏观换热器模型理论在ANSYS中,热交换器芯被视为具有动量和传热的流体区。压力损失被建模为动量方程中的动量吸收器,传热在能量方程中被建模为热源。ANSYS流畅提供两种传热模型:默认的NTU大模型和简单有效性模型。简单有效性模型从您提供的速度与效果曲线中插入了有效性。对于NTU建模型,ANSYSFluent计算出的有效性,从由ANSYS计算的从您以表格格式提供的热传递数据的NTU值。ANSYSFluent将自动将此传热数据转换为初级流体质量流速与NTU大曲线(此曲线将分段线性)。该曲线将由ANSYSFluent计算基于其大小和初级流体流速的宏NTU。请参阅这些计算中使用的方程式的传热效果和热抑制。该机型提供以下功能:该模型可用于检测主要和辅助流体的热容量率,并采用较小的两种方法进行传热计算。该模型可用于模拟辅助流体中的初级流体传热,反之亦然。该模型可用于模拟主流体侧的反向流动。该模型可用于主流体的变密度。该模型可用于串行或并行ANSYS流畅解算器。瞬态剖面可用于辅助流体入口温度和总热抑制。瞬态剖面可用于辅助质量流量。简单有效性模型提供以下功能:该模型可用于模拟从辅助流体到初级流体的传热,反之亦然。辅助流体特性可以是压力和温度的函数,因此允许辅助流体的相变。该模型可由串行和并行求解器使用。该模型可用于制造换热器组(使用分组的宏观换热器模型)的热交换器网络。瞬态剖面可用于辅助流体入口温度和总热抑制。瞬态剖面可用于辅助质量流量。6.1.3.1.流向压降在两种传热模型中,采用ANSYS流利的多孔介质模型对压力损失进行建模。对于双单元模型(双单元模型),压力损失用于两个流,而对于宏模型,它仅用于主端。利用ANSYS流利的压力与流量数据曲线拟合,计算出多孔介质模型的损耗系数,为小区条件指定。但是,在某些情况下,曲线拟合的数据不可用。如果数据不可用,宏模型提供了获取系数的附加方法。系数也可以自动计算(和更新)使用已知的压力损失系数作为一些几何参数的函数,其理论定义如下:Δp=12𝑓𝑝𝑚𝑈𝐴𝑚𝑖𝑛2(6–1)式中Δp=流向压降f=流向压力损失系数𝜌𝑚=平均初级流体经纬线𝑈𝐴𝑚𝑖𝑛=最小流量区域的初级流体流速压力损失系数计算由：f=(𝐾𝑐+1−σ2)−(1−𝜎2−𝐾𝑐)𝑣𝑒𝑣𝑓+2(𝑣𝑒𝑣𝑓−1)+𝑓𝑐𝐴𝐴𝑐𝑣𝑚𝑣1(6–2)式中fσ=最小流向面面积比𝐾𝑐=入口损耗系数𝐾𝑒=出口损耗系数A=初级流体侧表面面积𝐴𝑐=最小横断面流面积𝑓𝑐=磁芯摩擦因数𝑣𝑒=出口处的特定音量𝑣𝑓=进口处的特定容积𝑣𝑚=平均特定体积≡12(𝑣𝑒+𝑣𝑓)𝐾𝑐和𝐾𝑒是从实验数据中获得的经验量。您将需要根据最接近您设置[224]（W.M.KaysandA.L.London.CompactHeatExchangers.McGraw-Hill,NewYork.1964.）的热交换器配置的图表指定这些参数[222]（W.M.Kays.Losscoefficientsforabruptchangesinflowcrosssectionwithlowreynoldsnumberflowinsingleandmultipletubesystems.TransactionsoftheASME.72.1067–1074.January1950.）。这些参数用于在两个非流向方向上设置较大的电阻,从而有效地迫使主流体流经内核是单向的。在方程(6–2)中,核心摩擦系数被定义为𝑓𝑐=𝛼𝑅𝑒𝑚𝑖𝑛𝑏(6–3)式中α=磁芯摩擦系数b=磁芯摩擦指数𝑅𝑒𝑚𝑖𝑛=最小流量区域的雷诺数并且是从实验数据中获得的经验量。您将需要根据与您设置[224]（W.M.KaysandA.L.London.CompactHeatExchangers.McGraw-Hill,NewYork.1964.）[222]（W.M.Kays.Losscoefficientsforabruptchangesinflowcrosssectionwithlowreynoldsnumberflowinsingleandmultipletubesystems.TransactionsoftheASME.72.1067–1074.January1950.）的热交换器模型最接近的图来指定核心摩擦系数和指数。方程(6–3)中的雷诺数定义为𝑅𝑒𝑚𝑖𝑛=𝜌𝑚𝑈𝐴𝑚𝑖𝑛𝐷ℎ𝜇𝑚(6–4)式中𝜌𝑚=平均初级流体密度𝜇𝑚=平均初级流体粘度𝐷ℎ=液压直径𝑈𝐴𝑚𝑖𝑛=最小流量区域的初级流体流速对于换热器芯,液压直径可定义为𝐷ℎ=4𝐿(𝐴𝑐𝐴)(6–5)是换热器的流动长度。如果管是正常的主要流体流动,则是在初级流体流动方向的长度。注意,可以计算从𝑈𝐴𝑚𝑖𝑛=𝑈𝜎(6–6)U是主要流体流速,σ是最小流向面面积比。6.1.3.2.传热效果热交换器的有效性,被定义为实际传热率的主要和辅助流体之间的比率最大可能的传热速率。最大可能的传热是由𝑞𝑚𝑎𝑥=𝐶𝑚𝑖𝑛|𝑇𝑖𝑛,𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑦−𝑇𝑖𝑛,𝑎𝑢𝑥𝑖𝑙𝑖𝑎𝑟𝑦|(6–7)𝑇𝑖𝑛,𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑦和𝑇𝑖𝑛,𝑎𝑢𝑥𝑖𝑙𝑖𝑎𝑟𝑦是主要和辅助流体的入口温度𝐶𝑚𝑖𝑛=𝑚𝑖𝑛[(𝑚𝑐𝑝)𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑦(𝑚𝑐𝑝)𝑎𝑢𝑥𝑖𝑙𝑖𝑎𝑟𝑦](6–8)因此,实际传热速率,被定义为q=ε𝑞𝑚𝑎𝑥(6–9)其值取决于换热器的几何形状和流动模式(平行流、逆流、交叉流等)。即使主流体的有效性是使用整个换热器核心的统一条件计算的,它也将应用到由计算单元表示的核心的一小部分。这可以使它不太准确的一些热交换器核心,其中有一个很大的变化,在主流。对于简单有效性模型,您可以为正在模拟的换热器提供有效性值,并指定此数量随速度变化的方式。对于NTUNTU模型,根据统一的测试条件提供换热器性能数据(热抑制/传输数据与主流量),ANSYS可从热容量比率计算整个换热器的有效性。和使用该关系的传输单元的数量ε=1−exp[−1𝐶𝑟𝑁𝑡𝑢0.22(1−𝑒−𝐶𝑟𝑁𝑡𝑢0.78)](6–10)𝐶𝑟是𝐶𝑚𝑖𝑛和𝐶𝑚𝑎𝑥比值。热交换器性能数据应指定为若干辅助流速,以便ANSYSFluent计算传输单元的数量与主要流体流速相比的一些辅助流体流速率。本NTU基于全热交换器和统一条件,使用其体积和最小热容量的比值对每个宏进行缩放。对于每个宏,主要流体入口温度是使用边界的传入初级流体温度的质量平均值来计算的。这会自动考虑到边界上的主流体的任何反向流动。请注意,以前的方程式是用于横流(未混合)条件;宏观模型只能模拟横流,而不是式并流和逆流情况。6.1.3.3.热抑制对宏中的每个像元计算热抑制,并将其作为源项添加到主流体流的能量方程中。请注意,从辅助流体到初级流体的热排斥可以是正的或负的。对于简单有效性模型,给定单元格的传热计算从𝑞𝑐𝑒𝑙𝑙=𝜀(𝑚𝑐𝑝)𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑦(𝑇𝑖𝑛,𝑎𝑢𝑥𝑖𝑙𝑖𝑎𝑟𝑦−𝑇𝑐𝑒𝑙𝑙)(6–11)式中：ε=换热器效率(𝑚𝑐𝑝)𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑦=初级流体容量率(流速比热)𝑇𝑖𝑛,𝑎𝑢𝑥𝑖𝑙𝑖𝑎𝑟𝑦=包含单元体的宏的辅助流体入口温度𝑇𝑐𝑒𝑙𝑙=单元体温度对于简单有效性模型,通过对宏中包含的所有单元的传热求和来计算宏的热抑制.𝑞𝑚𝑎𝑐𝑟𝑜=∑𝑞𝑐𝑒𝑙𝑙𝑎𝑙𝑙𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠𝑖𝑛𝑚𝑎𝑐𝑟𝑜(6-12)对于NTU-模型,宏的传热计算从𝑞𝑚𝑎𝑐𝑟𝑜=𝜀𝐶𝑚𝑖𝑛(𝑇𝑖𝑛