Теплообмен моделей между тепловой жидкой сетью и сетью, которая может подвергнуться фазовому переходу
Simscape / Жидкости / Интерфейсы Гидросистемы / Теплообменники
Блок Condenser Evaporator (TL-MA) моделирует теплообменник с одной тепловой жидкой сетью, которая течет между портами A1 и B1 и одной двухфазной гидросистемой, которая течет между портами A2 и B2. 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 тепловую жидкую сторону как поток в трубах, поток вокруг двухфазной жидкой трубки, или эмпирической, типовой параметризацией.
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 тепловых жидких 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 тепловые жидкие 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 (TL-2P) блоки последовательно или параллельно.
Например, чтобы достигнуть настройки 2D передачи на двухфазной жидкой стороне и однопроходной настройки на тепловой жидкой стороне, можно соединить двухфазные жидкие стороны последовательно и тепловые жидкие 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 тепловое жидкое расположение 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 теплового жидкого потока. Встроенный рисунок также показывает Number of tube rows along flow direction и параметры Number of tube segments in each tube row. Здесь, направление потока относится к тепловому жидкому 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, TL является зональной входной температурой тепловой жидкости.
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 Тепловых Жидких Корреляциях.
F является Fouling factor на двухфазной жидкой или тепловой жидкой 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 Thermal Liquid 1 mixed & Two-Phase Fluid 2 unmixed
или Thermal Liquid 1 unmixed & Two-Phase Fluid 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:
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 коэффициентами, 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 A2 и внутренним узлом I2:
где:
A2 является общей скоростью потока жидкости через порт A2.
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, двухфазный жидкий 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 общей площадью поперечного сечения трубы.
Перепад давления между портом B2 и внутренним узлом I2:
где B2 является общей скоростью потока жидкости через порт B2.
Коэффициент трения Дарси в порте B2:
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 A2 и внутренним узлом I2:
где μ является двухфазной жидкой динамической вязкостью. Перепад давления между портом B2 и внутренним узлом I2:
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 A2 и внутренним узлом I2:
Перепад давления между портом B2 и внутренним узлом I2:
Когда тепловой жидкий Flow geometry установлен в Flow inside one or more tubes
, номер Nusselt вычисляется согласно корреляции Гниелинского таким же образом как двухфазный подохлажденный жидкий или перегретый пар. Смотрите Коэффициент Теплопередачи для получения дополнительной информации.
Когда тепловой жидкий 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 тепловому жидкому 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. [3].
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 тепловой жидкий 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 тепловой жидкой стороны. Смотрите Падение давления для получения дополнительной информации.
Когда тепловой жидкий 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 A1 и внутренним узлом I1:
где:
μ TL является жидкой динамической вязкостью.
N R является Number of tube rows along flow direction. Это - количество двухфазных жидких строк трубы вдоль теплового жидкого направления потока.
Перепад давления между портом B1 и внутренним узлом I1:
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 A1 и внутренним узлом I1:
Перепад давления между портом B1 и внутренним узлом I1:
Общая массовая скорость накопления в двухфазной жидкости задана как:
где:
M2P является общей массой двухфазной жидкости.
A2 является массовым расходом жидкости жидкости в порте A2.
B2 является массовым расходом жидкости жидкости в порте B2.
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 A2 является энергетической скоростью потока жидкости в порте A2.
φ B2 является энергетической скоростью потока жидкости в порте B2.
Q является уровнем теплопередачи, который положителен при отъезде двухфазного объема жидкости.
Общая массовая скорость накопления в тепловой жидкости задана как:
Уравнение энергосбережения:
где:
ϕ A1 является энергетической скоростью потока жидкости в порте A1.
ϕ B1 является энергетической скоростью потока жидкости в порте B1.
Тепло, переданное или от тепловой жидкости, 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] Çengel, Юнус А. Хит и Перемещение массы: Практический Подход. 3-й редактор, McGraw-Hill, 2007.
[3] Шах, R. K. и П. Секулик Dušan. Основные принципы проекта теплообменника. John Wiley & Sons, 2003.
[4] Белый, Гидроаэромеханика Франка М. 6-й редактор, McGraw-Hill, 2009.
Condenser Evaporator (2P-MA) | E-NTU Heat Transfer | Heat Exchanger (G-TL) | Heat Exchanger (TL-MA) | Heat Exchanger (TL-TL) | Thermostatic Expansion Valve (2P)