Теплообменник для систем с газом и контролируемыми потоками
Simscape/Жидкости/Интерфейсы Гидравлической сети/Теплообменники
Блок Heat Exchanger (G) моделирует теплообмен между газом, который течет между портами A1 и B1, и внешней контролируемой жидкостью через физический сигнал. Порты C2 и HC2 физического сигнала подвергаются воздействию, когда теплообмен вычисляется согласно модели E-NTU. Порты CP2 и M2 физического сигнала подвергаются воздействию, когда теплообмен вычисляется согласно Простой модели.
Можно задать вариант E-NTU или Простого блока, щелкнув правой кнопкой мыши по блоку, выбрав Simscape > Block Choices и выбрав предпочитаемую модель теплообмена.
Вариант по умолчанию. Его модель теплопередачи вытекает из метода Effectiveness-NTU. Теплопередача в установившемся состоянии затем протекает с долей идеальной скорости, которую поток, если держать каждый при своей температуре на входе, и если очистить от каждого теплового сопротивления между, может в теории поддержать:
где Q действовать фактическую скорость теплопередачи, Q Max является идеальной скоростью теплопередачи, и ε является частью идеальной скорости, фактически наблюдаемой в реальном теплообменнике, обремененном потерями. Фракция является эффективностью теплообменника, и это функция от количества передаточных модулей, или NTU, меры легкости, с которой тепло движется между потоками, относительно легкости, с которой потоки поглощают это тепло:
где фракция является общей тепловой проводимостью между потоками, и C Min является наименьшей из скоростей теплоемкости из числа потоков, которая принадлежит потоку, наименее способному поглощать тепло. Скорость теплоемкости потока зависит от удельной теплоты жидкости (c p) и от ее массового расхода через теплообменник ():
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 структурами потока, соответствующими различным выражениям. Список выражений эффективности см. в блоке E-NTU Heat Transfer.
Используйте Flow arrangement параметров блоков, чтобы задать, как потоки встречаются в теплообменнике. Потоки могут проходить параллельно друг другу, против друг друга или поперек друг друга. Они могут также перемещаться в герметичном интерпретаторе, одна через трубы, заключенные в интерпретатор, другая вокруг тех же самых трубок. Рисунок показывает пример. Поток трубы может сделать один проход через поток интерпретатора (показан справа) или, для большей эффективности теплообменника, несколько проходов (слева).
Другие конструкции потока возможны посредством типовой параметризации, основанной на сведенных в таблицу данных эффективности и требующей мало подробностей о теплообменнике. Устройство потока, условие перемешивания и количество проходов интерпретатора или трубы, если они относятся к теплообменнику, приняты, чтобы проявиться в табличных данных.
Используйте параметр Cross flow type, чтобы смешать каждый из потоков, один из потоков или ни один из потоков. Смешивание в этом контексте является боковым движением 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. Рисунок показывает смешанный поток (i) и несмешанный поток (ii).
Различие между смешанными и несовпадающими потоками рассматривается только в поперечных потоках. Там продольное изменение температуры в одной жидкости приводит к поперечному изменению температуры во второй жидкости, которая может быть ровной. В противо- и параллельных компоновках потока продольное изменение температуры в одной жидкости приводит к продольному изменению температуры во второй жидкости, и смешивание, как это мало влияет здесь, игнорируется.
Наиболее эффективны кожухотрубные теплообменники с несколькими проходами (iv.b-e на рисунке для 2, 3 и 4 проходов). Из теплообменников с одним проходом меньше всего теплообменников с противотоками (ii наиболее эффективны и с параллельными потоками (i).
Теплообменники с поперечным потоком являются промежуточными по эффективности, с условием смешения, играющим коэффициент. Они наиболее эффективны, когда оба потока не смешаны (iii.a) и наименее эффективны, когда оба потока смешаны (iii.b). Смешивание только потока с наименьшей скоростью теплоемкости (iii.c) снижает эффективность больше, чем смешивание только потока с наибольшей скоростью теплоемкости (iii.d).
Общее тепловое сопротивление, R, является суммой локальных сопротивлений, облицовывающих путь теплопередачи. Локальные сопротивления возникают из-за конвекции на поверхностях стенки, проводимости через стенку и, если стороны стенки загрязнены, проводимости через слои загрязнения. Выражено в порядке от стороны газа (нижний индекс 1) к стороне управляемой жидкости (нижний индекс 2):
где U - коэффициент конвективной теплопередачи, F - коэффициент загрязнения, и A Th - площадь поверхности теплопередачи, каждый для потока, указанного в индексе. R W - тепловое сопротивление стенки.
Термическое сопротивление стенки и коэффициенты загрязнения являются простыми константами, полученными из параметров блоков. Коэффициенты теплопередачи являются сложными функциями свойств жидкости, геометрии потока и трения стенки и получают из стандартных эмпирических корреляций между числами Рейнольдса, Нуссельта и Прандтля. Корреляции зависят от расположения потока и условий смешения и подробно описаны для каждого в блоке теплопередачи E-NTU, на котором E-NTU Model основывается вариант.
The E-NTU Model вариант является составным компонентом, созданным из более простых блоков. Блок Heat Exchanger Interface (G) моделирует поток газа. Физические сигналы для скорости теплоемкости и коэффициента теплопередачи, наряду с тепловым портом для температуры, захватывают управляемый поток. Блок E-NTU Heat Transfer моделирует теплообмен между потоками через стенку. Рисунок показывает блочные соединения для E-NTU Model вариант блока.
Альтернативный вариант. Его модель теплопередачи зависит от концепции конкретного рассеяния, меры скорости теплопередачи, наблюдаемой, когда температуры газа и контролируемой жидкости на входе различаются на одну степень. Его продукт с различием температур на входе дает ожидаемую скорость теплопередачи:
где ξ является специфическим рассеиванием и T In - температура входного отверстия для газа (индекс 1) или управляемая жидкость (индекс 2). Конкретное рассеивание является табличной функцией массовых расходов жидкости жидкости в теплообменник через входные отверстия для газа и контролируемой жидкости:
Для размещения обратных течений табличные данные могут распространяться на положительные и отрицательные скорости потока жидкости, в этом случае входные отверстия могут также рассматриваться как выходные отверстия. Данные обычно получают из измерения скорости теплопередачи по температуре в реальном прототипе:
Модель теплопередачи, поскольку она полагается почти полностью на табличные данные, и поскольку эти данные обычно получают из эксперимента, требует мало подробностей о теплообменнике. Устройство потока, условие перемешивания и количество проходов интерпретатора или трубы, если это относится к смоделированному теплообменнику, приняты, чтобы полностью проявиться в табличных данных.
The Simple Model вариант является составным компонентом. Блок Simple Heat Exchanger Interface (G) моделирует поток газа. Физические сигналы для коэффициента теплопередачи и массового расхода жидкости с тепловым портом для температуры захватывают управляемый поток. Блок Specific Dissipation Heat Transfer моделирует теплообмен между потоками через стенку.
E-NTU Heat Transfer | Heat Exchanger Interface (G) | Simple Heat Exchanger Interface (G) | Specific Dissipation Heat Transfer
