Теплообменник для систем с двумя газовыми потоками
Simscape/Жидкости/Интерфейсы Гидравлической сети/Теплообменники
Блок Heat Exchanger (G-G) моделирует газогазовый теплообменник. Стенка может хранить тепло в своих границах, добавляя к теплопередаче небольшую переходную задержку, которая масштабируется пропорционально ее тепловой массе. Жидкости одинарные фазы - каждый по газу. Ни одна из жидкостей не может переключить фазу, и поэтому, поскольку скрытое тепло никогда не выделяется, обмен строго является одним из чувствительных тепла.
Модель теплопередачи зависит от выбора варианта блока. Блок имеет два варианта: E-NTU Model и Simple Model. Щелкните правой кнопкой мыши блок, чтобы открыть контекстно-зависимое меню и выбрать Simscape > Block Choices, чтобы изменить вариант.
E-NTU ModelВариант 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 1 к стороне газа 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.
Стенки больше, чем термостойкость для тепла, чтобы пройти сквозь. Это также тепловая масса, и, как и потоки, которые она делит, она может хранить тепло в своих границах. Хранение замедляет переход между устойчивыми состояниями, так что тепловое возмущение с одной стороны не быстро проявляется на стороне поперек. Задержка сохраняется в течение короткого времени, которое требуется тепловым скоростям потока жидкости с двух сторон, чтобы сбалансировать друг друга. Этот временной интервал масштабируется с тепловой массой стенки:
где - c p, W - удельная теплоемкость и M W - инерционная масса стенки. Их продукт дает энергию, необходимую для повышения температуры стенки на одну степень. Используйте Wall thermal mass параметров блоков, чтобы задать этот продукт. Параметр активен, когда задан Wall thermal dynamics On.
Тепловая масса часто незначительна в системах низкого давления. Низкое давление дает тонкую стенку с переходным процессом так быстро, что на временной шкале теплопередачи она фактически мгновенна. То же самое не относится и к системам высокого давления, распространенным в производстве аммиака процессом Хабера, где давление может разбить 200 атмосфер. Чтобы выдержать высокое давление, стенка часто толще, и, так как ее тепловая масса более жёсткая, поэтому ее переходный процесс медленнее.
Установите параметр Wall thermal dynamics равным Off чтобы игнорировать задержку переходного процесса, срежьте дифференциальные переменные, которые ее производят, и, уменьшая вычисления, ускорите скорость моделирования. Оставьте On чтобы захватить временную задержку, где она имеет измеримый эффект. Экспериментируйте с настройкой, если необходимо, чтобы определить, учитывать ли тепловую массу. Если результаты симуляции отличаются в значительной степени, и если скорость симуляции не является фактором, сохраните настройку On.
Стенка, если она смоделирована тепловой массой, рассматривается в половинах. Одна половина находится на стороне газа 1, а другая половина - на стороне газа 2. Тепловая масса разделяется равномерно между парой:
Энергия сохранена в стенке. В простом случае половины стенки в установившемся состоянии тепло, полученное от жидкости, равняется теплу, потерянному второй половине. Тепловой поток со скоростью, предсказанной методом E-NTU для стенки без тепловой массы. Скорость положительная для тепловых потоков, направленных со стороны 1 теплообменника в сторону 2:
В переходном состоянии стенка находится в процессе хранения или потери тепла, а тепло, полученное на одну половину, больше не равняется проигранному второй половине. Различие в скорости потока жидкости тепла изменяется со временем пропорционально скорости, с которой стена сохраняет или теряет тепло. Для стороны 1 теплообменника:
где - скорость изменения температуры в половине стенки. Его продукт с тепловой массой половины стенки дает скорость, с которой там накапливается тепло. Эта скорость положительна, когда температура повышается и отрицательна, когда она падает. Чем ближе скорость к нулю, тем ближе стенка к устойчивому состоянию. Для стороны 2 теплообменника:
The E-NTU Model вариант является составным компонентом, созданным из более простых блоков. Блок Heat Exchanger Interface (G) моделирует поток газа на стороне 1 теплообменника. Другой моделирует поток газа на стороне 2. Блок E-NTU Heat Transfer моделирует теплообмен между потоками через стенку. Рисунок показывает блочные соединения для E-NTU Model вариант блока.
Simple ModelАльтернативный вариант. Его модель теплопередачи зависит от концепции специфического рассеяния, меры скорости теплопередачи, наблюдаемой, когда температуры входного отверстия газа 1 и газа 2 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 1 (индекс 1) или газ 2 (индекс 2). Специфическое рассеивание представляет собой табличную функцию массовых расходов жидкости жидкости в теплообменник через входные отверстия газа 1 и газа 2:
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.
См. Specific Dissipation Heat Transfer блок для получения дополнительной информации о расчетах теплопередачи.
The Simple Model вариант является составным компонентом. Блок Simple Heat Exchanger Interface (G) моделирует поток газа на стороне 1 теплообменника. Другой моделирует поток газа на стороне 2. Блок Specific Dissipation Heat Transfer захватывает теплообмен через стенку между потоками.
E-NTU Heat Transfer | Heat Exchanger Interface (G) | Simple Heat Exchanger Interface (G) | Specific Dissipation Heat Transfer