Exponenta Banner
exponenta event banner

Теплопередача E-NTU

Детальная модель теплопередачи между двумя средами общего назначения

  • Библиотека:

  • Simscape / Жидкости / Жидкие Сетевые интерфейсы / Теплообменники / Фундаментальные Компоненты

  • E-NTU Heat Transfer block

Описание

Блок теплопередачи E-NTU моделирует теплообмен между двумя текучими средами общего назначения на основе стандартного метода Effectivity-NTU. Тепловые свойства жидкости определяются явным образом посредством Simscape™ физических сигналов. Объединить с блоком интерфейса теплообменника (TL) для моделирования перепада давления и изменения температуры между входом и выходом теплообменника.

Диалоговое окно блока предоставляет выбор общих конфигураций теплообменника. Они включают концентрическую трубу с параллельными и встречными потоками, оболочку и трубу с одним или более проходами оболочки и поперечный поток со смешанными и несмешанными потоками. Общая конфигурация позволяет моделировать другие теплообменники на основе табличных данных эффективности.

Конфигурации теплообменников

Скорость теплопередачи

Модель E-NTU определяет скорость теплопередачи между текучими средами 1 и 2 в терминах параметра действенности,

Q1=−Q2=ϵQMax,0<ε<1,

где:

  • Q1 и Q2 - скорости теплопередачи в текучую среду 1 и текучую среду 2.

  • QMax - это максимально возможная скорость теплопередачи между текучей средой 1 и текучей средой 2 при заданном наборе рабочих условий.

  • λ - параметр эффективности.

Максимально возможная скорость теплопередачи между двумя текучими средами составляет

QMax = CMin (T1, In − T2, In),

где:

  • CMin - минимальное значение скорости теплопроизводительности:

    CMin = мин (m˙1cp,1,m˙2cp,2)

  • T1,In и T2,In - температуры на входе текучей среды 1 и текучей среды 2.

  • m˙1 и m˙2 - массовые расходы текучей среды 1 и текучей среды 2 в объем теплообменника через впускное отверстие.

  • cp, 1 и cp, 2 - удельные тепловые коэффициенты при постоянном давлении текучей среды 1 и текучей среды 2. Параметр Минимальный коэффициент теплопередачи жидкость-стенка в диалоговом окне блока задает нижнюю границу допустимых значений коэффициентов теплопередачи.

Эффективность теплообменника

Расчеты эффективности теплообменника зависят от типа расположения потока, выбранного в диалоговом окне блока. Для всех, кроме Generic — effectiveness tableблок вычисляет эффективность теплообмена посредством аналитических выражений, записанных в терминах количества единиц переноса (NTU) и отношения тепловых емкостей. Количество единиц переноса определяется как

NTU=UOverallAHeatCMin=1CMinROverall,

где:

  • NTU - количество блоков передачи.

  • UOverall - общий коэффициент теплопередачи между текучей средой 1 и текучей средой 2.

  • ROverall - общее тепловое сопротивление между текучей средой 1 и текучей средой 2.

  • AHeat - общая площадь первичной и вторичной, или оребренной, теплопередающих поверхностей.

Коэффициент тепловой емкости определяется как

Crel = CMinCMax

где:

  • Crel - коэффициент тепловой емкости.

Общий коэффициент теплопередачи и тепловое сопротивление, используемые при расчете NTU, являются функциями теплопередающих механизмов в работе. Эти механизмы включают конвективную теплопередачу между текучими средами и поверхностью раздела теплообменника и проводимость через стенку раздела [2]:

ROverall = 1UOverallAHeat = 1h1AH eat, 1 + RFoul, 1 + RWall + RFoul, 2 + 1h2AHeat, 2,

где:

  • h1 и h2 - коэффициенты теплопередачи между текучей средой 1 и граничной стенкой и между текучей средой 2 и граничной стенкой.

  • AHeat,1 и AHeat,2 - площади теплопередающей поверхности на сторонах флюида-1 и флюида-2.

  • RFoul,1 и RFoul,2 являются сопротивлениями загрязнению на сторонах флюида-1 и флюида-2.

  • RWall - тепловое сопротивление стенки интерфейса.

Теплопередача от текучей среды 1 к текучей среде 2

В таблицах приведены некоторые аналитические выражения, используемые для расчета эффективности теплообмена [1]. Параметр N относится к числу проходов оболочки, а параметр α1 - к эффективности для одного прохода оболочки.

Концентрические трубы
Встречный поток

start= {1 − exp [− NTU (1 − Crel)] 1 − Crelexp [−  NTU (1 − Crel)], если Crel < 1NTU1 + NTU, если Crel = 1

Параллельный поток

start= 1 − exp [− NTU (1 + Crel)] 1 + Crel

Оболочка и трубка

Один проход оболочки и два, четыре или шесть проходов трубы

α1 = 21 + Крель + 1 + Crel21 + exp (− NTU1 + Crel2) 1 − exp (− NTU1 + Crel2)

N проходов оболочки и проходов 2N, 4N или 6N труб

λ = [(1 − ε1Crel )/( 1 − α1)] N − 1 [(1 − ε1Crel )/( 1 − α1)] N − Crel

Перекрестный поток (один проход)
Обе жидкости не смешаны

start= 1 − exp (exp (− CrelNTU0.78) − 1CrelNTU − 0,22)

Обе жидкости смешаны

start= 111 − exp (− NTU) + Crel1 − exp (− CrelNTU) − 1NTU

CMax смешанный, CMin несмешанный

start= 1Crel (1 − exp (− Crel (1 − exp (− NTU))))

CMax не смешан, CMin смешан

start= 1 − exp (− 1Crel (1 − exp (− CrelNTU)))

Допущения и ограничения

Потоки однофазные. Теплопередача является строго теплопередачей. Передача ограничена внутренней частью теплообменника, при этом окружающая среда не получает тепла от потоков и не обеспечивает их теплом - теплообменник является адиабатическим компонентом.

Порты

  • H1 - Термосберегающее отверстие, связанное с температурой на входе текучей среды 1

  • H2 - Термосберегающий порт, связанный с температурой на входе текучей среды 2

  • C1 - Порт ввода физического сигнала для скорости теплопроизводительности текучей среды 1

  • C2 - Порт ввода физического сигнала для скорости теплопроизводительности текучей среды 2

  • HC1 - Порт ввода физического сигнала для коэффициента теплопередачи между текучей средой 1 и поверхностью раздела

  • HC2 - Порт ввода физического сигнала для коэффициента теплопередачи между текучей средой 2 и поверхностью раздела

Параметры

Общая вкладка

Расположение потока

Геометрия теплообменника. Общие геометрии, которые можно выбрать, включают Parallel or counter flow, Shell and tube, и Cross flow. Выбрать Generic — effectiveness table моделирование других геометрий теплообменника на основе табличных данных эффективности.

В Parallel or counter flow , относительные направления потока текучих сред 1 и 2 определяют, основан ли теплообменник на параллельных или встречных потоках. Направления потока зависят от остальной части модели Simscape Fluids™.

Количество проходов оболочки

Число раз, когда поток пересекает оболочку перед выходом.

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра «Компоновка потока» установлено значение Shell and tube. Значение по умолчанию: 1, что соответствует одному проходу оболочки.

Тип поперечного потока

Конфигурация смешивания жидкости. Текучие среды можно смешивать или размешивать. Блок использует конфигурацию смешивания, чтобы определить, какие эмпирические корреляции теплопередачи использовать. Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра «Компоновка потока» установлено значение Cross flow. Значение по умолчанию: Both fluids mixed.

Число векторов блоков теплопередачи, NTU

M-элементный вектор значений NTU, при котором задаются табличные данные эффективности. Количество единиц передачи (NTU) является безразмерным параметром, определяемым как

NTU = AsUCmin,

где:

  • AS - площадь поверхности теплопередачи.

  • U - общий коэффициент теплопередачи.

  • Cmin является наименьшим из коэффициентов тепловой емкости для горячих и холодных жидкостей.

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра «Расположение потока» установлено значение Generic — effectiveness table. Вектор по умолчанию: [0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0].

Вектор соотношения тепловых мощностей, CR

N-элементный вектор коэффициентов теплоемкости, при котором задаются табличные данные эффективности. Коэффициент тепловой емкости - это доля

Cr = CminCmax,

где Cmin и Cmax - минимальная и максимальная теплоемкость. Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра «Компоновка потока» установлено значение Generic — effectiveness table. Вектор по умолчанию: [0.0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0].

Таблица эффективности, E (NTU, CR
)

Матрица M-by-N со значениями эффективности теплообменника. Строки матрицы соответствуют различным значениям, указанным в векторе Количество единиц теплопередачи, параметр NTU. Столбцы матрицы соответствуют значениям, указанным в векторе отношения тепловых мощностей, параметр CR.

Этот параметр отображается только в том случае, если для параметра «Компоновка потока» установлено значение Generic — effectiveness table. Таблица по умолчанию представляет собой матрицу 6 на 5 в диапазоне значений от 0.30 кому 0.99.

Термическое сопротивление стенки

Тепловое сопротивление стенки раздела, разделяющей две жидкости теплообменника. Блок использует этот параметр для вычисления скорости теплопередачи между текучими средами. Значение по умолчанию: 1.6e-4 k/W.

Вкладка «Управляемая жидкость 1» | Вкладка «Управляемая жидкость 2»

Площадь поверхности теплопередачи

Общая площадь поверхности для теплопередачи между холодными и горячими жидкостями. Значение по умолчанию: 0.01 м ^ 2.

Коэффициент засорения

Эмпирический параметр, используемый для количественной оценки повышенной термостойкости из-за отложений грязи на поверхности теплопередачи. Значение по умолчанию: 1e-4 м ^ 2 * K/W.

Минимальный коэффициент теплопередачи жидкость-стенка

Наименьшее допустимое значение коэффициента теплопередачи. Коэффициенты теплопередачи, заданные через физические сигнальные порты HC1 и HC2, насыщаются при этом значении. Значение по умолчанию: 5 Ш/( м ^ 2 * К).

Блок использует коэффициент теплопередачи для вычисления скорости теплопередачи между текучими средами 1 и 2, как описано в разделе «Скорость теплопередачи».

Ссылки

[1] Холман, Дж. П. Теплопередача. 9-е ред. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу Хилл, 2002.

[2] Шах, Р. К. и Д. П. Секулич. Основы проектирования теплообменников. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2003.

Расширенные возможности

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью Simulink ® Coder™

.

См. также

|

Представлен в R2016a

Документация по жидкостям Simscape

Поддержка