Теплообмен моделей между сырой воздушной сетью и тепловой жидкой сетью
Simscape / Жидкости / Интерфейсы Гидросистемы / Теплообменники

Блок Heat Exchanger (TL-MA) моделирует теплообменник с одной сырой воздушной сетью, которая течет между портами A2 и B2 и одной тепловой жидкой сетью, которая течет между портами A1 и B1. Жидкие потоки могут быть выровнены параллельно, счетчик или настройки поперечного течения.
Тепловой жидко-сырой воздушный теплообменник не подходит для систем охлаждения охлаждения. Смотрите Конденсаторный Испаритель (2P-MA) или Конденсаторный Испаритель (TL-2P) для теплообменников, которые могут использоваться в приложениях охлаждения.
Можно смоделировать сырую воздушную сторону как поток в трубах, поток вокруг тепловой 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 скрытое тепло, которое выделено, когда вода уплотняет на поверхности теплопередачи. Этот жидкий слой не собирается на поверхности 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 тепловых 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 тепловую жидкую сторону как поток в трубах, поток вокруг сырой воздушной трубки, или эмпирической, типовой параметризацией.
Эффективность теплообменника основана на выбранной настройке теплообменника, свойствах жидкости, 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 тепловые 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 Теплообменник (TL-MA) блоки последовательно или параллельно.
Например, чтобы достигнуть настройки 2D передачи на сырой воздушной стороне и однопроходной настройки на тепловой жидкой стороне, можно соединить сырые воздушные 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 расположение потока жидкости соответствующей диалоговой вкладки или как в трубе или как наборе труб или перпендикуляре к пучку труб. Можно также задать эмпирическую, типовую настройку.
Когда Flow geometry установлен в Flow perpendicular to bank of circular tubes, используйте параметр Tube bank grid arrangement, чтобы задать выравнивание пучка труб другой жидкости как любой Inline или Staggered. Красная, указывающая вниз стрелка на рисунке ниже указывает на направление жидкого течения, внешнего к пучку труб. 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 жидкости соответствующей диалоговой вкладки, и труба относится к трубке другой жидкости. Параметр Length of each tube segment in a tube row обозначается на Ступенчатом рисунке.


Только одной жидкости можно было установить Flow geometry на Flow perpendicular to bank of circular tubes за один раз. Другая жидкость должна быть сконфигурирована к любому Flow inside one or more tubes или Generic. Если Flow geometry для обеих жидкостей установлен в Flow perpendicular to bank of circular tubes, вы получите ошибку.
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 по усредненным свойствам обеих жидкостей.
Теплопередача вычисляется как:
где:
Min C является меньшими из уровней теплоемкости этих двух жидкостей. Уровень теплоемкости является продуктом жидкой удельной теплоемкости, c p, и жидкого массового расхода жидкости. Min C всегда положителен.
T В, TL является входной температурой тепловой жидкости.
T В, MA является 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 R является общим тепловым сопротивлением между двумя потоками, из-за конвекции, проводимости и любого загрязнения на стенках трубы:
и где:
U является конвективным коэффициентом теплопередачи соответствующей жидкости. Этот коэффициент обсужден более подробно в Коэффициентах Теплопередачи.
F является Fouling factor на тепловой 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.
Эффективность теплообменника варьируется согласно своей настройке потока и смешиванию в каждой жидкости.
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 & Moist Air 2 unmixed или Thermal Liquid 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 тепловой 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 температурой вентиляционного отверстия.
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.
Уравнения ниже применяются и к тепловым жидким и сырым воздушным сторонам и используют соответствующие свойства жидкости.
Конвективный коэффициент теплопередачи варьируется согласно жидкому номеру Nusselt:
где:
Nu является средним номером Nusselt, который зависит от режима течения.
k является жидкой теплопроводностью.
D H является трубой гидравлический диаметр.
Для турбулентных течений номер Nusselt вычисляется с корреляцией Гниелинского:
где:
Re является жидким числом Рейнольдса.
Pr является жидким числом Прандтля.
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 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 является направлением потока внешней жидкости.
l T является Transverse tube pitch (perpendicular to flow direction), расстояние между центрами трубки в одной строке другой жидкости.
l D является диагональным интервалом трубы, вычисленным как
Для получения дополнительной информации о вычислении Хагенского номера см. [6].
Измерения l L и l T показывают в поперечном сечении пучка труб ниже. Эти расстояния являются тем же самым для обоих типов расположения банка сетки.
Поперечное сечение трубки с измерениями тангажа


Когда параметр Heat transfer coefficient model устанавливается на Colburn equation или когда Flow geometry установлен в Generic, номер Nusselt вычисляется эмпирическим уравнение Colburn:
где a, b и c заданы в параметре Coefficients [a, b, c] for a*Re^b*Pr^c.
Уравнения ниже применяются и к тепловым жидким и сырым воздушным сторонам и используют соответствующие свойства жидкости.
Падение давления из-за вязкого трения варьируется в зависимости от режима течения и настройки.
Для турбулентных течений, когда число Рейнольдса выше Turbulent flow lower Reynolds number limit, и когда Pressure loss model установлен в Correlations for flow inside tubes, падение давления на трение вычисляется в терминах коэффициента трения Дарси.
Для тепловой жидкой стороны перепада 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 тепловым 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 тепловой жидкой стороне.
L Добавляет, тепловая 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 общей 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, и когда Pressure loss model установлен в Correlations for flow inside tubes, 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 жидкой динамической вязкостью. Перепад давления между портом B1 и внутренним узлом I1:
Для переходных потоков, когда Pressure loss model установлен в Correlations for flow inside tubes, 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 или когда Flow geometry установлен в Generic, падение давления из-за вязкого трения вычисляется с эмпирическим коэффициентом падения давления, ξ. Те же уравнения применяются и к сырому воздуху и к тепловым жидким сторонам и используют соответствующие свойства жидкости.
Для тепловой жидкой стороны перепада давления между портом A1 и внутренним узлом I1:
Перепад давления между портом B1 и внутренним узлом I1:
Когда Flow geometry установлен в Flow perpendicular to bank of circular tubes, Хагенский номер используется, чтобы вычислить падение давления из-за вязкого трения. Те же уравнения применяются и к сырому воздуху и к тепловым жидким сторонам и используют соответствующие свойства жидкости.
Для сырой воздушной стороны перепада давления между портом A2 и внутренним узлом I2:
где:
μ является сырой воздушной жидкостью динамическая вязкость.
N R является Number of tube rows along flow direction. Когда сырой воздух течет внешний к пучку труб, это - количество тепловых жидких строк трубы вдоль направления сырого 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 тепловой жидкости задана как:
где:
MTL является общей массой тепловой 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 TL является тепловой 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 теплового жидкого объема.
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 Heat Exchanger (TL-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 тепловой 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 (2P-MA) | Condenser Evaporator (TL-2P) | E-NTU Heat Transfer | Heat Exchanger (G-TL) | Heat Exchanger (TL-TL)