基于SolidWorks flow Simulation的换热器流体模拟分析与换热效率计算＊

彭贤峰，陈 晓



基于SolidWorks flow Simulation的换热器流体模拟分析与换热效率计算＊

彭贤峰，陈 晓

（台州科技职业学院，浙江 台州 318020）

通过SolidWorks流体分析工具Flow Simulation插件对换热器进行动态分析，分析结果表明，应用SolidWorks软件仿真可以降低研究成本、缩短产品的开发周期、提高工作效率。应用Flow Simulation进行仿真的方法可以为换热器安全性和经济效益的后续研究提供一些参考。

SolidWorks；Flow Simulation；换热器；流体分析

传统的换热器设计方法往往由于经验估算精度差，样机的设计修改、制作与测试的次数较多，造成开发周期过长、开发费用巨大，并且很难使开发的产品达到最节能、节材的设计效果。而采用计算机仿真的方法，以换热器内部传热传质机理为理论依据，在计算机上建立换热器模型，可以减少对实际样机测试的依赖程度，这将大大提高对换热器性能预测的快速性和准确性，所以，其已经成为现代产品设计的主要发展方向[1-2]。

1 换热器模型的建模简化

1.1 建模方案

本论文中主要研究的是套管式换热器的SolidWorks flow Simulation，工况条件如图1所示。

图1 换热器工况条件和材料

1.2 创建项目

在这个项目中，除了分析整个模型壁面与流体之间的热交换，还要分析固体内部的导热过程[3-4]。因为，此次模型中使用了2种流体，即水和空气。固体材料是不锈钢，壁面传热系数为5 W/m2·K，换热器内部压力为2 atm，接受默认的结果精度等级、最小尺寸间隙和最小壁面厚度。该模型是对称的，施加对称约束边界条件[5]。

1.3 定义流体计算区域

流体分析向导设置中选择水作为默认流体，入口冷水质量流速为0.02 kg/s，温度20.05 ℃，而流体子区域用空气作为流体，初始温度为326.85 ℃，流速为10 m/s。

2 求解数据及后处理

2.1 显示流动迹线

换热器中流体轨迹界面如图2所示。

图2 换热器中流体轨迹界面

迹线是指单个质点在连续时间过程内的流动轨迹线，是拉格朗日法描述流动的一种方法。在该流动迹线云图中，由于冷却水的温度范围小于默认的全局范围（20.05～326.85 ℃），所以，迹线都是蓝色，为了得到更多水中温度的分布信息，可以将温度最高值设置为26.85 ℃，以此得到进出口水温范围之间的温度，水的最小温度值接近19.85 ℃。

2.2 表面参数计算

使用表面参数来获得空气和水在出口处的值。因为需要用这些值来计算热交换系数和确定合适的温度范围，从而更好地显示流动迹线。在计算出参数之后，可以看到出口处平均水温大约为26.85 ℃，平均空气温度大约为310.85 ℃，具体如表1所示。

表1 换热器中水和气体的各项参数

3 套管式换热器换热系数的计算公式

定义流体最小的额定容量=*，在这个例子中，水的流量是0.02 kg/s，空气的质量流量是0.046 kg/s。水的温度在26.85 ℃时的比热大约是空气在310.85 ℃时的5倍。因此，这个空气的额定容量是小于水的额定容量。

由前面分析可知入口处的空气温度（326.85 ℃）和入口处的水温（20.05 ℃），可以计算得出热交换系数。

4 结论

综上所述，运用Flow Simulation流体仿真模拟不但可以得到换热器里的流体轨迹，还能清楚显示换热器内部的温度变化。对设计人员来说，掌握精确的温度、速度、流量等数据，可保证设备材料的正确选取及相应的的耐热处理。结论如下：①传统套管式换热器的设计存在费时费力的弊端，本论文中利用三维机械设计软件SolidWorks对其建模，并将模型进行简化，对分析的结果以云图和图表的方式进行解释；②应用Flow Simulation进行数值仿真，对换热器的换热系数进行计算，比较逼真地模拟真实换热器中的温度、体积、流速、流量、材料、边界层条件，能够比较直观地看到影响换热系数的各个因素，所以，能在相关的实际生产中进行调整，尽可能地得到较大的换热系数，从而提高换热效率，提高生产效率，降低成本。

最后需要指出的是，本文计算出来的换热系数只能给其他工程设计研究提供数据和依据，如果想进一步解决工程中的实际问题，还需要与其他研究领域配合完成。

［1］高绪栋.管壳式换热器的数值模拟及优化设计［D］.济南：山东大学，2009.

［2］陈卓如.工程流体力学［M］.第2版.北京：高等教育出版社，2008.

［3］刘焘.套管换热器与翅片管换热器的动态分布参数仿真［D］.上海：上海交通大学，2008.

［4］蔡慧林，戴建强，席晨飞.基于SolidWorks的应力分析和运动仿真的研究［J］.机械设计与制造，2008（01）：49-78.

［5］杨敏.基于SolidWorks的圆管弯头对水流的影响分析［J］.制造业自动化，2009（05）：210-245.

TK172

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.141

2095－6835（2018）22－0141－02

台州科技职业学院2018年度校级研究课题（课题编号：TKY2018089）

彭贤峰（1983—），男，山东聊城人，研究生，讲师，研究方向为CAD/CAE。

〔编辑：张思楠〕