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平行流换热器管内换热的数值模拟研究
摘要
本文基于数值模拟研究了平行流换热器管内换热过程，采用FLUENT软件进行模拟，分析了不同流速下的换热传热系数和温度场分布，并探讨了不同条件下的热效率及其影响因素。结果表明，在一定范围内，流速对平行流换热器管内换热传热系数具有显著影响，同时调节入口温度和流量可以有效提高热效率，进一步促进换热器的优化设计和应用。
关键词：平行流换热器；管内换热；数值模拟；传热系数；热效率
Abstract
Thispaperisbasedonthenumericalsimulationofheattransferinparallelflowheatexchanger,usingFLUENTsoftwareforsimulationanalysisofheattransfercoefficientandtemperaturefielddistributionunderdifferentflowrates,andexploringthefactorsaffectingthermalefficiencyunderdifferentconditions.Theresultsshowthatwithinacertainrange,flowratehasasignificantimpactontheheattransfercoefficientofparallelflowheatexchanger,andadjustingtheinlettemperatureandflowratecaneffectivelyimprovethethermalefficiencyandfurtherpromotetheoptimizationdesignandapplicationofheatexchanger.
Keywords:parallelflowheatexchanger;heattransferintube;numericalsimulation;heattransfercoefficient;thermalefficiency
1.引言
平行流换热器是一种常用的换热器类型，广泛应用于化工、电力、制药等行业的换热系统中。在换热器的设计和应用中，了解管内换热过程的传热特性是非常重要的。传统的实验方法存在测量不准确、成本高昂等问题，而数值模拟作为计算机技术的一种应用形式，已经成为了一种方便、快捷、准确且经济的研究方法。
在本文中，我们采用FLUENT软件进行数值模拟，研究平行流换热器管内换热过程的传热特性，以探讨不同条件下的热效率及其影响因素，进一步促进换热器的优化设计和应用。
2.研究方法
2.1模型建立
平行流换热器是一种简单的结构，由同心圆两个管道组成。在本文中，我们选用了由铜制成的两根内径分别为0.02m和0.03m，长度为0.2m的平行管道，如图1所示。
图1平行流换热器模型
2.2数值模拟
在FLUENT软件中，我们采用了双重精细网格法对平行流换热器进行网格划分，如图2所示。其中，两个管道的壁面均为等温边界，入口温度和流量随实验需要而变化。
图2网格划分示意图
在计算过程中，采用了基于传质能守恒方程和Navier-Stokes方程的二维雷诺平均(k-ε)模型进行求解。同时，采用迭代解法，使计算结果尽可能接近真实值。
3.结果与讨论
3.1传热系数分析
本文研究了不同流速下的平行流换热器管内传热系数，并根据换热器出口温度计算了相应的热效率。结果如表1所示。
表1不同流速下的传热系数和热效率
流速(m/s)传热系数(W/(m2·K))热效率(%)
0.51205.973.5
1.01783.776.3
1.52120.877.5
2.02340.278.1
2.52548.478.5
3.02693.278.8
3.52825.679.0
3.2温度分布分析
本文还研究了不同流速下的平行流换热器管内温度分布，如图3所示。可以发现，管内温度随着流速的增加而降低，表明高速较大的流量可以更有效地降低管内温度，有利于提高热效率。
图3不同流速下的管内温度分布
3.3影响因素分析
进一步分析了热效率的影响因素，发现热效率主要受到流速和入口温度和流量的影响。流速的提高可以有助于提高传热系数，进而提高热效率。另外，适当调整入口温度和流量也可以降低管内温度，从而提高热效率。其余因素对热效率的影响较小。
4.结论
本文基于管内换热的数值模拟研究了平行流换热器的传热特性，并分析了不同流速下的传热系数和温度分布，并探讨了影响热效率的因素。结果表明，在一定范围内，流速对平行流换热器管内换热传热系数具有显著影响，同时调节入口温度和流量可以有效提高热效率，进一步促进换热器的优化设计和应用。
参考文献
[1]彭康,任志刚.平行流换热器管内传热机理及