Теплообмен моделей между сырой воздушной сетью и сетью, которая может подвергнуться фазовому переходу
Simscape / Жидкости / Интерфейсы Гидросистемы / Теплообменники
Блок Condenser Evaporator (2P-MA) моделирует теплообменник с одной сырой воздушной сетью, которая течет между портами A2 и B2 и одной двухфазной гидросистемой, которая течет между портами A1 и B1. Теплообменник может действовать как конденсатор или как испаритель. Жидкие потоки могут быть выровнены параллельно, счетчик или настройки поперечного течения.
Теплообменник в качестве примера для приложений охлаждения
Можно смоделировать сырую воздушную сторону как поток в трубах, поток вокруг двухфазной жидкой трубки, или эмпирической, типовой параметризацией. Сырая воздушная сторона включает воздух, газ трассировки и водяной пар, который может уплотнить в цикле теплообмена. Модель блока составляет энергетическую передачу от воздуха до жидкого водного слоя конденсации. Этот жидкий слой не собирается на поверхности теплопередачи и принят, чтобы быть полностью удаленным из нисходящего сырого воздушного потока. Уровень конденсации влажности возвращен как физический сигнал в порте W.
Блок использует NTU эффективности (E-NTU) метод к теплопередаче модели через разделяемую стенку. Загрязнение на стенках обменника, которое увеличивает тепловое сопротивление и уменьшает теплообмен между этими двумя жидкостями, также моделируется. Можно также опционально смоделировать пластины и на сыром воздухе и на двухфазных жидких сторонах. Падение давления из-за вязкого трения с обеих сторон обменника может быть смоделировано аналитически или типовой параметризацией, которую можно использовать, чтобы настроиться на собственные данные.
Можно смоделировать двухфазную жидкую сторону как поток в трубе или наборе труб. Двухфазные жидкие трубы используют следующую за контуром модель, чтобы отследить подохлажденную жидкость (L), жидкая паром смесь (M), и перегретый пар (V) в трех зонах. Относительная сумма места, которое зона занимает в системе, называется зональной частью длины в системе.
Зональные части длины в двухфазной жидкой передаче по каналу
Сумма зональных частей длины в двухфазной жидкой трубке равняется 1
. Порт Z возвращает зональные части длины как вектор из физических сигналов для каждой из этих трех фаз: [L, M, V].
Эффективность теплообменника основана на выбранной настройке теплообменника, свойствах жидкости в каждой фазе, геометрии трубы и настройке потока на каждой стороне обменника, и использовании и размере пластин.
Параметр Flow arrangement присваивает относительные пути к потоку между этими двумя сторонами:
Parallel flow
указывает, что жидкости перемещаются в то же направление.
Counter flow
указывает, что жидкости перемещаются параллельно, но противоположные направления.
Cross flow
указывает, что жидкости перемещают перпендикуляр друг к другу.
Когда Flow arrangement установлен в Cross flow
, используйте параметр Cross flow arrangement, чтобы указать, разделены ли двухфазные жидкие или сырые воздушные потоки на разнообразные пути экранами или стенками. Без этих разделений поток может смешаться свободно и рассматривается смешанным. Обе жидкости, одна жидкость или никакая жидкость могут быть смешаны в расположении поперечного течения. Смешивание гомогенизирует температуру жидкости вдоль направления потока второй жидкости и варьируется перпендикуляр к второму потоку жидкости.
Несмешанные потоки варьируются по температуре и вперед и перпендикуляр к пути к потоку второй жидкости.
Демонстрационные настройки поперечного течения
Обратите внимание на то, что направление потока в процессе моделирования не влияет на выбранную установку расположения потока. Порты на блоке не отражают физические положения портов в физической системе теплообмена.
Все расположения потока являются однопроходными, что означает, что жидкости не делают несколько поворотов в обменнике для дополнительных точек теплопередачи. Чтобы смоделировать многопроходный теплообменник, можно расположить несколько Конденсаторный Испаритель (2P-MA) блоки последовательно или параллельно.
Например, чтобы достигнуть настройки 2D передачи на двухфазной жидкой стороне и однопроходной настройки на сырой воздушной стороне, можно соединить двухфазные жидкие стороны последовательно и сырые воздушные стороны к тому же входу параллельно (такие как два Исходных блока Массового расхода жидкости с половиной общего массового расхода жидкости), как показано ниже.
Наборы параметров Flow geometry сырое расположение воздушного потока или как в трубе или как наборе труб или перпендикуляре к пучку труб. Можно также задать эмпирическую, типовую настройку. Двухфазная жидкость всегда течет в трубе или наборе труб.
Когда Flow geometry установлен в Flow perpendicular to bank of circular tubes
, используйте параметр Tube bank grid arrangement, чтобы задать двухфазное жидкое выравнивание пучка труб как любой Inline
или Staggered
. Красная, указывающая вниз стрелка указывает на направление сырого воздушного потока. Также обозначенный на Встроенном рисунке Number of tube rows along flow direction и параметры Number of tube segments in each tube row. Здесь, направление потока относится к сырому воздушному потоку, и труба относится к двухфазной жидкой трубке. Параметр Length of each tube segment in a tube row обозначается на Ступенчатом рисунке.
Настройка теплообменника без пластин, когда параметр Total fin surface area устанавливается на 0 m^2
. Пластины вводят дополнительную площадь поверхности для дополнительной теплопередачи. Каждая жидкая сторона имеет отдельную финансовую область.
Уровень теплопередачи вычисляется для каждой жидкой фазы. В соответствии с тремя жидкими зонами, которые происходят на двухфазной жидкой стороне теплообменника, уровень теплопередачи вычисляется в трех разделах.
Теплопередача в зоне вычисляется как:
где:
Min C является меньшими из уровней теплоемкости этих двух жидкостей в той зоне. Уровень теплоемкости является продуктом жидкой удельной теплоемкости, c p, и жидкого массового расхода жидкости. Min C всегда положителен.
T В, 2P является зональной входной температурой двухфазной жидкости.
T В, MA является зональной входной температурой сырого воздуха.
ε является эффективностью теплообменника.
Эффективность является функцией уровня теплоемкости и количеством модулей передачи, NTU, и также варьируется на основе расположения потока теплообменника, которое обсуждено более подробно в Эффективности Расположением Потока. NTU вычисляется как:
где:
z является отдельной зональной частью длины.
R является общим тепловым сопротивлением между двумя потоками, из-за конвекции, проводимости и любого загрязнения на стенках трубы:
где:
U является конвективным коэффициентом теплопередачи соответствующей жидкости. Этот коэффициент обсужден более подробно в Двухфазных Жидких Корреляциях и Сырых Воздушных Корреляциях.
F является Fouling factor на двухфазной жидкой или сырой воздушной стороне, соответственно.
R W является Thermal resistance through heat transfer surface.
A Th является площадью поверхности теплопередачи соответствующей стороны обменника. A Th является суммой стенной площади поверхности, A W и Total fin surface area, A F:
где η F является Fin efficiency.
Общий уровень теплопередачи между жидкостями является суммой тепла, переданного в этих трех зонах подохлажденной жидкостью (QL), смесь жидкого пара (QM) и перегретый пар (QV):
Эффективность теплообменника варьируется согласно своей настройке потока и смешиванию в каждой жидкости. Ниже формулировки для эффективности, вычисленной в жидкости и зонах пара для каждой настройки. Эффективность для всех настроек в зоне смеси.
Когда Flow arrangement установлен в Parallel flow
:
Когда Flow arrangement установлен в Counter flow
:
Когда Flow arrangement установлен в Cross flow
и Cross flow arrangement установлен в Both fluids unmixed
:
Когда Flow arrangement установлен в Cross flow
и Cross flow arrangement установлен в Both fluids mixed
:
Когда одна жидкость смешана и другое несмешанное, уравнение для эффективности зависит от относительных уровней теплоемкости жидкостей. Когда Flow arrangement установлен в Cross flow
и Cross flow arrangement установлен в любой Two-Phase Fluid 1 mixed & Moist Air 2 unmixed
или Two-Phase Fluid 1 unmixed & Moist Air 2 mixed
:
Когда жидкость с Cmax смешана, и жидкость с Cmin не смешана:
Когда жидкость с Cmin смешана, и жидкость с Cmax не смешана:
C R обозначает отношение между уровнями теплоемкости этих двух жидкостей:
На сырой воздушной стороне слой конденсации может сформироваться на поверхности теплопередачи. Этот жидкий слой может влиять на количество тепла, переданное между сырым воздухом и двухфазной жидкостью. Уравнения для теплопередачи E-NTU выше даны для передачи сухого тепла. Чтобы откорректировать для влияния конденсации, уравнения E-NTU дополнительно вычисляются влажными описанными ниже параметрами. Какой бы ни из двух расчетных результатов уровней теплового потока в большем объеме сырой воздушной стороны охлаждение используется в вычислениях тепла для каждой зоны [1]. Чтобы использовать этот метод, номер Льюиса принят, чтобы быть близко к 1 [1], который верен для сырого воздуха.
Количества E-NTU, используемые для вычислений уровня теплопередачи
Сухое вычисление | Влажное вычисление | |
---|---|---|
Сырая воздушная входная температура зоны | Tin,MA | Tin,wb,MA |
Уровень теплоемкости | ||
Коэффициент теплопередачи | UMA |
где:
Tin,MA является сырой воздушной входной температурой зоны.
Tin,wb,MA является сырой воздушной температурой влажной лампы, сопоставленной с Tin,MA.
сухая скорость потока жидкости массы воздуха.
сырая воздушная теплоемкость на единицу массы сухого воздуха.
эквивалентная теплоемкость. Эквивалентная теплоемкость является изменением в сыром воздухе определенная энтальпия (на модуль сухого воздуха), , относительно температуры при влажных сырых воздушных условиях:
Массовый расход жидкости сжатого водяного пара, оставляя сырой поток массы воздуха зависит от относительной влажности между сырым вентиляционным отверстием и стенкой канала и теплообменником NTUs:
где:
Стенка W, MA является отношением влажности в поверхности теплопередачи.
W в, MA является отношением влажности в сыром входе воздушного потока.
MA NTU является количеством модулей передачи на сырой воздушной стороне, вычисленной как:
Энергетический поток, сопоставленный с конденсацией водяного пара, основан на различии между паром определенная энтальпия, вода h, стенка, и определенной энтальпией испарения, h fg, для воды:
Конденсат принят, чтобы не накопиться на поверхности теплопередачи и не влияет на геометрические параметры, такие как диаметр трубы. Сжатая вода принята, чтобы быть полностью удаленной из нисходящего сырого воздушного потока.
Конвективный коэффициент теплопередачи варьируется согласно жидкому номеру Nusselt:
где:
Nu является зональным средним номером Nusselt, который зависит от режима течения.
k является жидкой теплопроводностью фазы.
D H является трубой гидравлический диаметр.
Для турбулентных течений в подохлажденных жидких или перегретых зонах пара номер Nusselt вычисляется с корреляцией Гниелинского:
где:
Re является жидким числом Рейнольдса.
Pr является жидким числом Прандтля.
Для турбулентных течений в зоне смеси жидкого пара номер Nusselt вычисляется с корреляцией Каваллини-Цеккина:
где:
SL Re является числом Рейнольдса влажной жидкости.
SL Pr является числом Прандтля влажной жидкости.
SL ρ является плотностью влажной жидкости.
ρ SV является плотностью влажного пара.
a = 0.05, b = 0.8, и c = 0.33.
Для ламинарных течений номер Nusselt определяется параметром Laminar flow Nusselt number.
Для переходных потоков номер Nusselt является смешением между ламинарными и турбулентными цифрами Nusselt.
Когда параметр Heat transfer coefficient model устанавливается на Colburn equation
, номер Nusselt для подохлажденных жидких и перегретых зон пара вычисляется эмпирическим уравнение Colburn:
где a, b и c заданы в параметрах Coefficients [a, b, c] for a*Re^b*Pr^c in vapor zone и Coefficients [a, b, c] for a*Re^b*Pr^c in liquid zone.
Номер Nusselt для зон смеси жидкого пара вычисляется уравнением Каваллини-Цеккина переменными, заданными в параметре Coefficients [a, b, c] for a*Re^b*Pr^c in mixture zone.
Падение давления из-за вязкого трения варьируется в зависимости от режима течения и настройки. Вычисление использует полную плотность, которая является общей двухфазной жидкой массой, разделенной на общий двухфазный объем жидкости.
Для турбулентных течений, когда число Рейнольдса выше Turbulent flow lower Reynolds number limit, падение давления на трение вычисляется в терминах коэффициента трения Дарси. Перепад давления между портом A1 и внутренним узлом I1:
где:
A1 является общей скоростью потока жидкости через порт A1.
f D, A является коэффициентом трения Дарси, согласно корреляции Haaland:
где ε R является двухфазным жидким трубопроводом Internal surface absolute roughness. Обратите внимание на то, что коэффициент трения зависит от числа Рейнольдса и вычисляется в обоих портах для каждой жидкости.
L является Total length of each tube на двухфазной жидкой стороне.
L Добавляет, двухфазная жидкая сторона Aggregate equivalent length of local resistances, который является эквивалентной длиной трубы, которая вводит ту же сумму потери как сумма потерь из-за других локальных сопротивлений в трубе.
CS A является площадью поперечного сечения трубы.
Перепад давления между портом B1 и внутренним узлом I1:
где B1 является общей скоростью потока жидкости через порт B1.
Коэффициент трения Дарси в порте B1:
Для ламинарных течений, когда число Рейнольдса ниже Laminar flow upper Reynolds number limit, падение давления на трение вычисляется в терминах Laminar friction constant for Darcy friction factor, λ. λ является пользовательским параметром, когда Tube cross-section установлен в Generic
, в противном случае значение вычисляется внутренне. Перепад давления между портом A1 и внутренним узлом I1:
где μ является двухфазной жидкой динамической вязкостью. Перепад давления между портом B1 и внутренним узлом I1:
Для переходных потоков перепад давления из-за вязкого трения является сглаживавшим смешением между значениями для ламинарного и турбулентного падения давления.
Когда Pressure loss model установлен в Pressure loss coefficient
, падение давления из-за вязкого трения вычисляется с эмпирическим коэффициентом падения давления, ξ.
Перепад давления между портом A1 и внутренним узлом I1:
Перепад давления между портом B1 и внутренним узлом I1:
Когда сырой воздух Flow geometry установлен в Flow inside one or more tubes
, номер Nusselt вычисляется согласно корреляции Гниелинского таким же образом как двухфазный переохлажденный жидкий или перегретый пар. Смотрите Коэффициент Теплопередачи для получения дополнительной информации.
Когда сырой воздух Flow geometry установлен в Flow perpendicular to bank of circular tubes
, номер Nusselt вычисляется на основе Хагенского номера, Hg, и зависит от установки Tube bank grid arrangement:
где:
D является Tube outer diameter.
l L является Longitudinal tube pitch (along flow direction), расстояние между центрами трубы вдоль направления потока. Направление потока относится к сырому воздушному потоку.
l T является Transverse tube pitch (perpendicular to flow direction), показанный на рисунке ниже. Поперечный тангаж является расстоянием между центрами двухфазной жидкой трубки в одной строке.
l D является диагональным интервалом трубы, вычисленным как
Для получения дополнительной информации о вычислении Хагенского номера см. [6].
Продольные и поперечные расстояния тангажа являются тем же самым для обоих типов расположения банка сетки.
Поперечное сечение двухфазной жидкой трубки с измерениями тангажа
Когда Heat transfer coefficient model установлен в Colburn equation
или когда Flow geometry установлен в Generic
, номер Nusselt вычисляется эмпирическим уравнение Colburn:
где a, b и c являются значениями, заданными в the Coefficients [a, b, c] for a*Re^b*Pr^c параметре.
Когда сырой воздух Flow geometry установлен в Flow inside one or more tubes
, падение давления вычисляется таким же образом что касается двухфазных потоков, с соответствующим коэффициентом трения Дарси, плотностью, массовыми расходами жидкости и длинами трубопровода сырой воздушной стороны. Смотрите Падение давления для получения дополнительной информации.
Когда сырой воздух Flow geometry установлен в Flow perpendicular to bank of circular tubes
, Хагенский номер используется, чтобы вычислить падение давления из-за вязкого трения. Перепад давления между портом A2 и внутренним узлом I2:
где:
MA μ является жидкой динамической вязкостью.
N R является Number of tube rows along flow direction. Это - количество двухфазных жидких строк трубы вдоль сырого направления воздушного потока.
Перепад давления между портом B2 и внутренним узлом I2:
Когда Pressure loss model установлен в Euler number per tube row
или когда Flow geometry установлен в Generic
, падение давления из-за вязкого трения вычисляется с коэффициентом падения давления, в терминах Числа Эйлера, Eu:
где ξ является эмпирическим коэффициентом падения давления.
Перепад давления между портом A2 и внутренним узлом I2:
Перепад давления между портом B2 и внутренним узлом I2:
Общая массовая скорость накопления в двухфазной жидкости задана как:
где:
M2P является общей массой двухфазной жидкости.
A1 является массовым расходом жидкости жидкости в порте A1.
B1 является массовым расходом жидкости жидкости в порте B1.
Поток положителен при течении в блок через порт.
Уравнение энергосбережения связывает изменение в определенной внутренней энергии к теплопередаче жидкостью:
где:
u 2P является двухфазной жидкой определенной внутренней энергией.
φ A1 является энергетической скоростью потока жидкости в порте A1.
φ B1 является энергетической скоростью потока жидкости в порте B1.
Q является уровнем теплопередачи, который положителен при отъезде двухфазного объема жидкости.
Существует три уравнения для массового сохранения на сырой воздушной стороне: один для сырой воздушной смеси, один для сжатого водяного пара, и один для газа трассировки.
Примечание
Если Trace gas model установлен в None
в блоке the Moist Air Properties (MA) газ трассировки не моделируется в блоках в сырой воздушной сети. В блоке Condenser Evaporator (2P-MA) это означает, что уравнение сохранения для газа трассировки установлено в 0.
Сырая воздушная скорость накопления массы смеси составляет изменения целого сырого потока массы воздуха через порты обменника и массовый расход жидкости конденсации:
Массовое уравнение сохранения для водяного пара составляет транзит водяного пара через сырую воздушную сторону и формирование конденсации:
где:
x w является массовой частью пара. скорость изменения этой части.
массовый расход жидкости водяного пара в порте A2.
массовый расход жидкости водяного пара в порте B2.
уровень конденсации.
Баланс массы газа трассировки:
где:
x g является массовой частью газа трассировки. скорость изменения этой части.
массовый расход жидкости газа трассировки в порте A2.
массовый расход жидкости газа трассировки в порте B2.
Энергосбережение на сырой воздушной стороне составляет изменение в определенном внутреннем налоге на энергоресурсы к теплопередаче и сжатию водяного пара из сырой массы воздуха:
где:
ϕ A2 является энергетической скоростью потока жидкости в порте A2.
ϕ B2 является энергетической скоростью потока жидкости в порте B2.
Cond ϕ является энергетической скоростью потока жидкости из-за конденсации.
Тепло, переданное или от сырого воздуха, Q, равно теплу, переданному от или до двухфазной жидкости.
[1] 2013 руководств ASHRAE - основные принципы. Американское общество нагревания, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 2013.
[2] Браун, J. E. С. А. Клейн и Дж. В. Митчелл. "Модели эффективности для Градирен и Охлаждающихся Обмоток". Транзакции ASHRAE 95, № 2, (июнь 1989): 164–174.
[3] Çengel, Юнус А. Хит и Перемещение массы: Практический Подход. 3-й редактор, McGraw-Hill, 2007.
[4] Звените, X., Eppe J.P., Lebrun, J., Wasacz, M. "Охлаждая Обмоточную Модель, которая будет Использоваться в Переходных и/или Влажных Режимах. Теоретический Анализ и Экспериментальная Валидация". Продолжения Конференции Третьего Интернационала по Системной симуляции в Созданиях (1990): 405-411.
[5] Митчелл, Джон В. и Джеймс Э. Браун. Принципы нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха в созданиях. Вайли, 2013.
[6] Шах, R. K. и П. Секулик Dušan. Основные принципы проекта теплообменника. John Wiley & Sons, 2003.
[7] Белый, Гидроаэромеханика Франка М. 6-й редактор, McGraw-Hill, 2009.
Condenser Evaporator (TL-2P) | E-NTU Heat Transfer | Heat Exchanger (G-TL) | Heat Exchanger (TL-MA) | Heat Exchanger (TL-TL) | Thermostatic Expansion Valve (2P)