本文对U形管式换热器流阻对压力场的影响进行分析。研究方法是:先对换热器的流阻知识进行介绍,再对U形管式换热器的压力场进行模拟,使用换热器的流阻理论对所模拟的压力场进行分析。研究结论:U形管式换热器管程越长、流体入口流速越大、管径越小,进出口压降越大。通过模拟分析,为U形管式换热器的优化设计提供一些参考信息。 The influence of the flow resistance on pressure field of U-tube heat exchanger is analyzed in this paper. The research methods are as follows. Firstly, the knowledge of flow resistance of heat exchanger is introduced, then the pressure field of U-tube heat exchanger is simulated, and the simulated pressure field is analyzed by using the flow resistance theory of heat exchanger. The research conclusions are as followings. When the pipe length of U-tube is longer, the flow velocity of fluid at the inlet the U-tube is greater, the pipe diameter of U-tube is smaller, the pressure of fluid drop at the inlet and outlet of U-tube heat exchanger is greater. Through the simulation analysis, some reference information is provided for the optimal design of U tube heat exchanger.
本文对U形管式换热器流阻对压力场的影响进行分析。研究方法是:先对换热器的流阻知识进行介绍,再对U形管式换热器的压力场进行模拟,使用换热器的流阻理论对所模拟的压力场进行分析。研究结论:U形管式换热器管程越长、流体入口流速越大、管径越小,进出口压降越大。通过模拟分析,为U形管式换热器的优化设计提供一些参考信息。
U形管式换热器,流阻,压力场,数值模拟,研究
Xuejiao Liang, Wenjuan Han*, Yimin Peng, Dandan Yang
School of Physics and Electrical Engineering, Liupanshui Normal University, Liupanshui Guizhou
Received: Feb. 22nd, 2021; accepted: Mar. 22nd, 2021; published: Mar. 29th, 2021
The influence of the flow resistance on pressure field of U-tube heat exchanger is analyzed in this paper. The research methods are as follows. Firstly, the knowledge of flow resistance of heat exchanger is introduced, then the pressure field of U-tube heat exchanger is simulated, and the simulated pressure field is analyzed by using the flow resistance theory of heat exchanger. The research conclusions are as followings. When the pipe length of U-tube is longer, the flow velocity of fluid at the inlet the U-tube is greater, the pipe diameter of U-tube is smaller, the pressure of fluid drop at the inlet and outlet of U-tube heat exchanger is greater. Through the simulation analysis, some reference information is provided for the optimal design of U tube heat exchanger.
Keywords:U-Tube Heat Exchanger, Flow Resistance, Pressure Field, Numerical Simulation, Analysis
Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.
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换热器是将某种流体热量以一定的传热方式传递给其它流体的设备 [
换热器中流体流动阻力产生的主要原因是流体有黏性,在流动过程产生内摩擦力,流体的流动中受到摩擦力的阻碍即阻力,所以黏性是流体产生流动阻力的内部因素。通常管道流动中流体的沿程阻力(也
称沿程能量损失)满足关系式 ℏ f = λ l d u 2 2 g ,式中 ℏ f 为沿程阻力, μ 为流体的流速, λ 为沿程损失系数,d为管道的直径,l为管道长度。
本文主要模拟稳态下U形管式换热器的压力场(压力场是各个时刻物体中各点压强所组成的集合)情况,所采用的流体(雷诺数小于2000的层流情况)是水,水可看作是不可压缩的流体。通过模拟计算,得到不同参数时U形管式换热器压力场的模拟云图进行分析。本文研究U形管式换热器压力场的方法是:在忽略流固耦合的前提下,运用UG建立不同尺寸的U形管式换热器流体几何模型,使用ANSYS软件进行模拟 [
对U形管式换热器的流体入口温度、壁面温度、管径、速度相同(取入口温度为363 K,壁面温度为293 K,管径为6 mm,速度为0.1 m/s),而管程不同时(管程分别取为1780 mm、2096 mm)时所模拟的压力场云见图1、图2。
图1. 管程为1780 mm时的压力场云图
图2. 管程为2096 mm时的压力场云图
流体管程、壁面温度、管径、入口温度相同(取流体管程为2096 mm,壁面温度为293 K,管径为6 mm,入口温度为363 K),而流体速度不同时(速度分别取为0.1 m/s、0.2 m/s)时所模拟的流场云图见图3、图4。
图3. 流速为0.1 m/s时的压力场云图
图4. 流速为0.2 m/s时的压力场云图
流体管程、壁面温度、流体速度、流体入口温度相同(取换热器管程为2096 mm,壁面温度为293 K,流体速度为0.1 m/s,流体入口温度为363 K),而换热器管径不同时(管径分别取为6 mm,8 mm)时所模拟的压力场云见图5、图6。
图5. 管径为6 mm时的压力场云图
图6. 管径为8 mm时的压力场云图
将图1、图2中管程为1780 mm、2096 mm时模拟的压力场整理对应的变化曲线见图7、图8。
图7. 管程为1780 mm时的压力变化趋势
图8. 管程为2096 mm时的压力变化趋势
如图7、图8所示,从图中趋势线斜率可以看出,随着管程l的增大,斜率在减小,因为斜率为负,所以管程l越大,压强下降趋势越快,表明管道流体进、出口压降 Δ P (即进出口压力差 Δ P = P 进 口 − P 出 口 ,
以下同)越大。根据公式 ℏ f = λ l d u 2 2 g ,随着管程l的增长,换热器管程越长,流体在管中停留的时间越长,而其余参数不变时,沿程阻力 ℏ f 越大,从而管道流体进、出口压降 Δ P 越大。
图9. 流体速度0.1 m/s时压力变化趋势
图10. 流体速度0.2 m/s时压力变化趋势
如图9、图10所示,从图中趋势线斜率可以看出,随着流速u的增大,斜率在增大,因为斜率为负,
所以流速u越大,管道进出口压强下降趋势越快。根据公式 ℏ f = λ l d u 2 2 g ,进口流体流速u越大,其余参数不变时,沿程阻力 ℏ f 越大,压强减小的快,从而管道流体进、出口压降 Δ P 增大。
将图5、图6中管径分别为6 mm、8 mm时模拟的压力场整理对应的变化曲线见图11、图12。
图11. 管径为6 mm时压力变化趋势
图12. 管径为8 mm时压力变化趋势
如图11、图12所示,从图中趋势线斜率可以看出,随着管径d的增大,斜率在增大,因为斜率为负,
所以管径d越大,压强下降趋势越慢。根据公式 ℏ f = λ l d u 2 2 g ,管径d越小,其余参数不变时,沿程阻力 ℏ f 越大,压强减小的慢,从而管道流体进、出口压降 Δ P 减小。
由图1、图2、图3、图4、图5、图6在弯管段,外侧压降大于内侧,呈现周期性变化,这是由于管道外侧流体与壁面形成的阻力大于液体内部,所以相应压力减小的快,从而管道外侧流体进出口压降增大。并且U形管式换热器由于流道距离长,而且中间弯头多,造成较大的沿程阻力和局部阻力,从而导致流阻增大,管道流体进、出口的压降 Δ P 较大。
本文通过对U形管式换热器的压力场进行模拟,可看出管程、进口流体速度、管径不同时导致的流阻对压力场均有影响,即对管道流体进、出口压降 Δ P 均有影响,从而对流体的能量损失有影响,模拟结论与理论吻合。所以在对U形管式换热器进行优化设计时需考虑管程、进口流体速度、管径等参数的匹配,本文对U形管式换热器流阻对压力场的影响进行分析为U形管式换热器进行优化设计提供一些参考信息。
六盘水师范学院大学生项目(LPSSYDXS19077);2019年教育部高等学校大学物理课程教学研究立项项目(DJZW201934xn);贵州省教育厅基金项目(黔教合KY字[
梁雪娇,韩文娟,彭义敏,杨丹丹. 关于U形管式换热器流阻对压力场影响的分析The Analysis on the Influence of Flow Resistance on Pressure Field of U-Tube Heat Exchanger[J]. 应用物理, 2021, 11(03): 178-185. https://doi.org/10.12677/APP.2021.113021