Теплообменник для систем с газовыми и регулируемыми потоками
Интерфейсы сети Simscape/Fluids/Fluid/Теплообменники

Блок теплообменника (G) моделирует теплообмен между газом, который протекает между портами A1 и B1, и внешней контролируемой жидкостью по физическому сигналу. Физические сигнальные порты C2 и HC2 экспонируются при расчете теплообмена в соответствии с моделью E-NTU. Физические сигнальные порты CP2 и M2 открываются при расчете теплообмена в соответствии с простой моделью.
Можно задать вариант E-NTU или Simple block, щелкнув блок правой кнопкой мыши, выбрав Simscape > Block Choices и выбрав предпочтительную модель теплообмена.

Вариант по умолчанию. Его модель теплопередачи основана на методе Effectivity-NTU. Затем теплопередача в установившемся состоянии протекает с долей идеальной скорости, которую потоки, если каждый из них поддерживается при температуре на входе, и если они очищены от каждого теплового сопротивления между ними, теоретически могут поддерживать:
где QAct - фактическая скорость теплопередачи, QMax - идеальная скорость теплопередачи, в то время как λ - доля идеальной скорости, фактически наблюдаемой в реальном теплообменнике, обремененном потерями. Фракция представляет собой эффективность теплообменника, и она является функцией количества блоков переноса, или NTU, мерой легкости, с которой тепло движется между потоками, относительно легкости, с которой потоки поглощают это тепло:
1RCMin,
где фракция представляет собой общую теплопроводность между потоками и CMin является наименьшей из скоростей теплоемкости из потоков, которая принадлежит потоку, наименее способному поглощать тепло. Скорость теплопроизводительности потока зависит от удельной теплоты текучей среды (cp) и от ее массового расхода через теплообменник m˙):
Эффективность зависит также от относительного расположения потоков, количества проходов между ними и условия смешивания для каждого. Эта зависимость отражается в используемом выражении эффективности, с различными компоновками потока, соответствующими различным выражениям. Список выражений эффективности см. в разделе Блок теплопередачи E-NTU.
Используйте параметр Блок размещения потока, чтобы задать, как потоки встречаются в теплообменнике. Потоки могут проходить параллельно друг другу, противоположно друг другу или поперек друг друга. Они также могут проходить в оболочке под давлением, одна через трубки, заключенные в оболочке, другая вокруг тех же трубок. На рисунке показан пример. Трубчатый поток может проходить через оболочечный поток (показан справа) или, для большей эффективности теплообменника, через несколько проходов (слева).

Другие схемы потока возможны посредством общей параметризации, основанной на табличных данных эффективности и требующей небольшой детализации относительно теплообменника. Предполагается, что расположение потока, условия смешивания и количество проходов корпуса или трубы, если они относятся к теплообменнику, проявляются в табличных данных.
Используйте параметр Тип перекрестного потока (Cross flow type), чтобы смешать каждый из потоков, один из потоков или ни один из потоков. Смешение в этом контексте представляет собой боковое движение жидкости в каналах, которые не имеют внутренних барьеров, обычно направляющих, перегородок, ребер или стенок. Такое движение служит для выравнивания изменений температуры в поперечной плоскости. Смешанные потоки имеют переменную температуру только в продольной плоскости. Несмешанные потоки имеют переменную температуру как в поперечной, так и в продольной плоскостях. На чертеже показаны смешанный поток (i) и несмешанный поток (ii).

Различие между смешанными и несмешанными потоками рассматривается только в рамках перекрестных потоков. При этом продольное изменение температуры в одной текучей среде приводит к поперечному изменению температуры во второй текучей среде, что может привести к равномерному перемешиванию. В компоновках с противоположным и параллельным потоком продольное изменение температуры в одной текучей среде приводит к продольному изменению температуры во второй текучей среде, и смешивание, как оно мало влияет здесь, игнорируется.
Наиболее эффективны кожухотрубные теплообменники с множеством проходов (iv.b-e на рисунке для 2, 3 и 4 проходов). Из теплообменников с одним проходом наиболее эффективны теплообменники с встречными потоками (ii) и наименее эффективны теплообменники с параллельными потоками (i).
Поперечно-поточные теплообменники являются промежуточными по эффективности, причем условие смешивания играет роль фактора. Они наиболее эффективны, когда оба потока не смешиваются (iii.a) и наименее эффективны, когда оба потока смешиваются (iii.b). Смешивание только потока с наименьшей теплоемкостью (ii.c) снижает эффективность больше, чем смешивание только потока с наибольшей теплоемкостью (ii.d).

Общее тепловое сопротивление R представляет собой сумму локальных сопротивлений, покрывающих тракт теплопередачи. Локальные сопротивления возникают из-за конвекции на поверхностях стенки, проводимости через стенку и, если стороны стенки загрязнены, проводимости через слои загрязнения. Выражается в порядке от газовой стороны (нижний индекс 1) к регулируемой стороне текучей среды (нижний индекс 2):
2 + 1U2ATh, 2,
где U - коэффициент конвективной теплопередачи, F - коэффициент загрязнения, а ATh - площадь поверхности теплопередачи, каждая для потока, указанного в нижнем индексе. RW - тепловое сопротивление стенки.

Термическое сопротивление стенки и коэффициенты загрязнения являются простыми константами, получаемыми из параметров блока. Коэффициенты теплопередачи представляют собой сложные функции свойств текучей среды, геометрии потока и трения стенок и являются результатом стандартных эмпирических корреляций между числами Рейнольдса, Нуссельта и Прандтля. Корреляции зависят от расположения потока и условий смешивания и подробно описаны для каждого в блоке теплопередачи E-NTU, на котором E-NTU Model вариант основан.
E-NTU Model вариант - составной компонент, построенный из более простых блоков. Блок интерфейса теплообменника (G) моделирует поток газа. Физические сигналы скорости теплопроизводительности и коэффициента теплопередачи вместе с тепловым портом для температуры захватывают контролируемый поток. Блок теплопередачи E-NTU моделирует теплообмен по стенке между потоками. На рисунке показаны блочные соединения для E-NTU Model вариант блока.

Альтернативный вариант. Его модель теплопередачи зависит от концепции специфического рассеяния, меры скорости теплопередачи, наблюдаемой, когда температуры газа и регулируемой текучей среды на входе отличаются на один градус. Его продукт с разницей температур на входе дает ожидаемую скорость теплопередачи:
TIn, 2),
где start- специфическая диссипация, Tin - температура на входе для газа (нижний индекс 1) или контролируемая жидкость (нижний индекс 2). Специфическое рассеяние представляет собой табличную функцию массовых скоростей потока в теплообменник через впускные отверстия для газа и регулируемой текучей среды:
m˙In,1,m˙In,2),
Чтобы приспособить обратные потоки, табличные данные могут распространяться на положительные и отрицательные скорости потока, и в этом случае входы также могут рассматриваться как выходы. Данные обычно получаются из измерения скорости теплопередачи по отношению к температуре в реальном прототипе:
TIn, 2.
Модель теплопередачи, поскольку она почти полностью опирается на табулированные данные, и поскольку эти данные обычно получаются из эксперимента, требует небольшой детализации относительно теплообменника. Предполагается, что расположение потока, условия смешивания и количество проходов корпуса или трубы, если они относятся к моделируемому теплообменнику, полностью проявляются в табличных данных.
Simple Model вариант является составным компонентом. Блок интерфейса простого теплообменника (G) моделирует поток газа. Физические сигналы для коэффициента теплопередачи и массового расхода вместе с тепловым портом для температуры захватывают контролируемый поток. Специальный блок теплопередачи рассеяния моделирует теплообмен по стенке между потоками.

Теплопередача E-NTU | Интерфейс теплообменника (G) | Простой интерфейс теплообменника (G) | Теплопередача при определенном рассеянии