Теплообменник между двухфазными жидкими и сырыми воздушными сетями, с основанным на модели на данных о производительности
Simscape / Жидкости / Интерфейсы Гидросистемы / Теплообменники
Блок System-Level Condenser Evaporator (2P-MA) моделирует теплообменник между двухфазной гидросистемой и сырой воздушной сетью.
Блок может действовать как конденсатор или как испаритель в системе охлаждения, в зависимости от направления теплопередачи. Модель блока основана на данных о производительности от таблицы данных теплообменника, а не на подробной геометрии обменника, и поэтому позволяет вам легко настроить размер и эффективность теплообменника во время итераций проектирования или теплообменников модели с редкими конфигурациями. Можно также использовать этот блок для теплообменников модели с определенным уровнем эффективности в ранней стадии проектирования, когда подробные данные о геометрии еще не доступны.
Вы параметрируете блок номинальными условиями работы. Теплообменник измерен, чтобы совпадать с заданной эффективностью в номинальных условиях работы в устойчивом состоянии.
Двухфазная Жидкая 1 сторона аппроксимирует жидкую зону, зону смеси и зону пара на основе изменения в энтальпии вдоль пути к потоку. Сырой Воздух 2 конденсации водяного пара моделей стороны на основе конвективного перемещения массы водяного пара с поверхностью теплопередачи. Сжатая вода удалена из сырого воздушного потока.
Этот блок похож на блок Condenser Evaporator (2P-MA), но использует различную модель параметризации. Таблица обеспечивает сравнение двух блоков, чтобы помочь вам выбрать правильный блок для своего приложения.
Condenser Evaporator (2P-MA) | System-Level Condenser Evaporator (2P-MA) |
---|---|
Параметры блоков основаны на геометрии теплообменника | Параметры блоков основаны на эффективности и условиях работы |
Геометрия теплообменника может быть ограничена доступными опциями параметра геометрии | Модель независима от геометрии обменника удельной теплоемкости |
Можно настроить блок для различных требований к производительности путем настройки параметров геометрии, таких как финансовые размеры и длины трубы | Можно настроить блок для различных требований к производительности путем прямого определения желаемого тепла и массовых расходов жидкости |
Позволяет вам выбрать между параллелью, счетчиком или перекрестными настройками потока | Не обеспечивает выбор опций расположения потока |
Прогнозирующим образом точные результаты по широкому спектру условий работы согласно применимости уравнений E-NTU и содействующих корреляций теплопередачи | Очень точные результаты вокруг заданных условий работы; точность может уменьшиться далеко от заданных условий работы |
Вычисления теплопередачи составляют изменение температуры вдоль пути к потоку при помощи модели E-NTU | Вычисления теплопередачи аппроксимируют изменение температуры вдоль пути к потоку путем деления его на три сегмента |
Счета на различные свойства жидкости и коэффициенты теплопередачи для подохлажденной жидкости, смеси жидкого пара и перегретого пара | Счета на различные свойства жидкости и коэффициенты теплопередачи для подохлажденной жидкости, смеси жидкого пара и перегретого пара |
Отслеживает переменные зональные части длины для подохлажденной жидкости, смеси жидкого пара и перегретых областей пара на основе геометрии | Аппроксимирует эффект подохлажденной жидкости, смеси жидкого пара и перегретых факторов взвешивания использования областей пара на основе различия в энтальпии между входом и выходом |
Счета на конденсацию водяного пара и скрытую теплоту на сыром воздушном потоке | Счета на конденсацию водяного пара и скрытую теплоту на сыром воздушном потоке |
Не моделирует стенное количество тепла; можно аппроксимировать эффект путем соединения блока трубопровода с количеством тепла в нисходящем направлении | Включает опцию, чтобы смоделировать стенное количество тепла |
Двухфазный поток жидкости и сырой воздушный поток каждый разделены на три сегмента равного размера. Теплопередача между жидкостями вычисляется в каждом сегменте. Для простоты уравнение для одного сегмента показывают здесь.
Если стенное количество тепла выключено, то баланс тепла в теплообменнике
где:
Q seg, 2P является уровнем теплового потока от стены (то есть, поверхность теплопередачи) к двухфазной жидкости в сегменте.
Q seg, MA является уровнем теплового потока от стены до сырого воздуха в сегменте.
Если стенное количество тепла включено, то баланс тепла в теплообменнике
где:
Стена M является массой стены.
c pwall является удельной теплоемкостью стены.
N = 3 является количеством сегментов.
T seg, стена является средней температурой стенки в сегменте.
t время.
Уровень теплового потока от стены до двухфазной жидкости в сегменте
где:
UA seg, 2P является средневзвешенной проводимостью теплопередачи для двухфазной жидкости в сегменте.
T seg, 2P является средневзвешенной температурой жидкости для двухфазной жидкости в сегменте.
Уровень теплового потока от стены до сырого воздуха в сегменте
где:
UA seg, MA является проводимостью теплопередачи для сырого воздуха в сегменте.
сырая воздушная удельная теплоемкость смеси на единицу массы сухого воздуха и газа трассировки в сегменте.
сырая воздушная энтальпия смеси на единицу массы сухого воздуха и газа трассировки при средней температуре сегмента стенки.
сырая воздушная энтальпия смеси на единицу массы сухого воздуха и газа трассировки в сегменте.
уровень конденсации водяного пара на стенной поверхности.
h l, стена является определенной энтальпией жидкой воды при средней температуре сегмента стенки.
Используя энтальпию смеси в этом уравнении счета и различия в температуре и различия во влажности из-за конденсации [3].
Примечание
Для сырых воздушных количеств панель выше символов указывает, что они - количества для смеси, разделенной на массу сухого воздуха, и прослеживают газ только, в противоположность делению на массу целой смеси. Целая смесь включает сухой воздух, водяной пар и газ трассировки.
Если сегмент подохлаждается жидкость, то проводимость теплопередачи
где:
a L, 2P, b 2P, и c 2P является коэффициентами корреляции номера Nusselt. Эти коэффициенты появляются как параметры блоков в разделе Correlation Coefficients.
Re seg, L, 2P является средним жидким числом Рейнольдса для сегмента.
Pr seg, L, 2P является средним жидким числом Прандтля для сегмента.
k seg, L, 2P является средней жидкой теплопроводностью для сегмента.
G 2P является масштабным коэффициентом геометрии для двухфазной жидкой стороны теплообменника. Блок вычисляет масштабный коэффициент геометрии так, чтобы общая теплопередача по всем сегментам совпадала с заданной эффективностью в номинальных условиях работы.
Среднее жидкое число Рейнольдса
где:
массовый расход жидкости через сегмент.
μ seg, L, 2P является средней жидкой динамической вязкостью для сегмента.
D касательно, 2P является произвольным ссылочным диаметром.
S касательно, 2P является произвольной ссылочной площадью потока.
Примечание
D касательно, 2P и S касательно, 2P термины включен в это уравнение в модульных целях вычисления только, чтобы сделать Re seg, L, 2P безразмерным. Значения D касательно, 2P и S касательно, 2P произвольны, потому что G 2P вычисление заменяет эти значения.
Точно так же, если сегмент перегрет пар, то проводимость теплопередачи
где:
a V, 2P, b 2P, и c 2P является коэффициентами корреляции номера Nusselt. Эти коэффициенты появляются как параметры блоков в разделе Correlation Coefficients.
Re seg, V, 2P является средним числом Рейнольдса пара для сегмента.
Pr seg, V, 2P является средним числом Прандтля пара для сегмента.
k seg, V, 2P является средней теплопроводностью пара для сегмента.
Среднее число Рейнольдса пара
где μ seg, V, 2P является средним паром динамическая вязкость для сегмента.
Если сегмент является смесью жидкого пара, то проводимость теплопередачи
где:
a M, 2P, b 2P, и c 2P является коэффициентами корреляции номера Nusselt. Эти коэффициенты появляются как параметры блоков в разделе Correlation Coefficients.
Re seg, SL, 2P являются влажным жидким числом Рейнольдса для сегмента.
Pr seg, SL, 2P являются влажным жидким числом Прандтля для сегмента.
k seg, SL, 2P являются влажной жидкой теплопроводностью для сегмента.
CZ является термином Каваллини и Зеччина.
Влажное жидкое число Рейнольдса
где μ seg, SL, 2P являются влажной жидкой динамической вязкостью для сегмента.
Термин Каваллини и Зеччина
где:
ν seg, SL, 2P являются влажным жидким определенным объемом для сегмента.
ν seg, SV, 2P являются влажным паром определенный объем для сегмента.
x seg, в, 2P является качеством пара во входе сегмента.
x seg, 2P является качеством пара при выходе сегмента.
Выражение основано на работе Каваллини и Зеччина [5], который выводит содействующую корреляцию теплопередачи в локальном качестве пара x. Уравнения для смеси жидкого пара получены путем усреднения Каваллини и корреляции Зеччина по сегменту от x seg, в, 2P к x seg, 2P.
Двухфазный поток жидкости через сегмент не может быть полностью представлен или как подохлажденный жидкий, перегретый пар или как смесь жидкого пара. Вместо этого каждый сегмент может состоять из комбинации их. Блок аппроксимирует это условие путем вычисления взвешивания факторов на основе изменения в определенной энтальпии через сегмент и влажную жидкость, и испаритесь определенные энтальпии:
где:
h seg, в, 2P является определенной энтальпией во входе сегмента.
h seg, 2P является определенной энтальпией при выходе сегмента.
h seg, SL, 2P являются влажной жидкой определенной энтальпией для сегмента.
h seg, SV, 2P являются влажным паром определенная энтальпия для сегмента.
Средневзвешенная двухфазная жидкая проводимость теплопередачи для сегмента поэтому
Средневзвешенная температура жидкости для сегмента
где:
T seg, L, 2P является средней жидкой температурой для сегмента.
T seg, V, 2P является средней температурой пара для сегмента.
T seg, M, 2P является средней температурой смеси для сегмента, который является влажной жидкой температурой.
Проводимость теплопередачи
где:
MA a, MA b и MA c являются коэффициентами корреляции номера Nusselt. Эти коэффициенты появляются как параметры блоков в разделе Correlation Coefficients.
Re seg, MA является средним числом Рейнольдса для сегмента.
Pr seg, MA является средним числом Прандтля для сегмента.
k seg, MA является средней теплопроводностью для сегмента.
MA G является масштабным коэффициентом геометрии для сырой воздушной стороны теплообменника. Блок вычисляет масштабный коэффициент геометрии так, чтобы общая теплопередача по всем сегментам совпадала с заданной эффективностью в номинальных условиях работы.
Среднее число Рейнольдса
где:
массовый расход жидкости через сегмент.
μ seg, MA является средней динамической вязкостью для сегмента.
D касательно, MA является произвольным ссылочным диаметром.
S касательно, MA является произвольной ссылочной площадью потока.
Примечание
D касательно, MA и S касательно, термины MA включены в это уравнение в модульных целях вычисления только, чтобы сделать Re seg, MA безразмерный. Значения D касательно, MA и S касательно, MA произволен, потому что вычисление MA G заменяет эти значения.
Уравнение, описывающее уровень теплового потока от стены до сырого воздуха в сегменте (последнее уравнение в разделе Heat Transfer), использует среднюю сырую воздушную энтальпию смеси, , и стенной сегмент сырая воздушная энтальпия смеси, .
Средняя сырая воздушная энтальпия смеси основана на температуре и влажности сырого воздушного потока через сегмент:
где:
h seg, ag, MA является средней определенной энтальпией сухого воздуха и газа трассировки для сегмента.
h seg, w, MA является средней определенной энтальпией водяного пара для сегмента.
W seg, MA является отношением влажности сегмента.
Стенной сегмент сырая воздушная энтальпия смеси основан на температуре и влажности в стенном сегменте:
где:
h seg, ag, стена является определенной энтальпией сухого воздуха и газа трассировки при температуре сегмента стенки.
h seg, w, стена является определенной энтальпией водяного пара при температуре сегмента стенки.
W seg, стена является отношением влажности в стенном сегменте:
где W seg, s, стена является влажным отношением влажности при температуре сегмента стенки. Другими словами, отношение влажности в стене совпадает с отношением влажности сырого воздушного потока, но не больше, чем максимум, который может поддерживаться при температуре сегмента стенки.
Когда W seg, s, стена <W seg, MA, конденсация водяного пара происходит на стенной поверхности. Уровень конденсации водяного пара
Сжатая вода принята, чтобы быть истощенной от стенной поверхности и таким образом удалена из сырого воздушного потока в нисходящем направлении.
Падение давления на двухфазной жидкой стороне
где:
p A, 2P и p B, 2P является давлениями в портах A1 и B1, соответственно.
p 2P является внутренним двухфазным жидким давлением, при котором вычисляется теплопередача.
и массовые расходы жидкости в порты A1 и B1, соответственно.
ρ в среднем, 2P является средней двухфазной плотностью жидкости по всем сегментам.
ламинарный порог для падения давления, аппроксимированного как 1e-4 номинального массового расхода жидкости. Блок вычисляет коэффициент падения давления, K 2P, так, чтобы p A, 2P – p B, 2P совпадал с номинальным падением давления в номинальном массовом расходе жидкости.
Падение давления на сырой воздушной стороне
где:
p A, MA и p B, MA является давлениями в портах A2 и B2, соответственно.
MA p является внутренним сырым давлением воздуха, в котором вычисляется теплопередача.
и массовые расходы жидкости в порты A2 и B2, соответственно.
ρ в среднем, MA является средней сырой плотностью воздуха по всем сегментам.
ламинарный порог для падения давления, аппроксимированного как 1e-4 номинального массового расхода жидкости. Блок вычисляет коэффициент падения давления, MA K, так, чтобы p A, MA – p B, MA совпадал с номинальным падением давления в номинальном массовом расходе жидкости.
Массовое уравнение сохранения для полного двухфазного потока жидкости
где:
частная производная плотности относительно давления для сегмента.
частная производная плотности относительно определенной внутренней энергии для сегмента.
u seg, 2P является определенной внутренней энергией для сегмента.
V 2P является общим двухфазным объемом жидкости.
Суммирование по всем сегментам.
Примечание
Несмотря на то, что двухфазный поток жидкости разделен на N =3 сегмента для вычислений теплопередачи, все сегменты приняты, чтобы быть при том же внутреннем давлении, p 2P. Именно поэтому p 2P находится вне суммирования.
Уравнение энергосбережения для каждого сегмента
где:
M 2P является общей двухфазной жидкой массой.
и массовые расходы жидкости в и из сегмента.
Φ seg, в, 2 пункта и Φ seg, 2 пункта являются энергетическими скоростями потока жидкости в и из сегмента.
Массовые расходы жидкости между сегментами приняты, чтобы быть линейно распределенными между значениями и .
Массовое сохранение для полного сырого воздушного потока смеси
где:
частная производная плотности относительно давления для сегмента.
частная производная плотности относительно температуры для сегмента.
частная производная плотности относительно удельной влажности для сегмента.
частная производная плотности относительно части массы газа трассировки для сегмента.
x w, seg, MA является удельной влажностью, то есть, частью массы водяного пара, для сегмента.
x g, seg, MA является частью массы газа трассировки для сегмента.
MA V является общим сырым воздушным объемом.
Суммирование по всем сегментам.
Примечание
Несмотря на то, что двухфазный поток жидкости разделен на N =3 сегмента для вычислений теплопередачи, все сегменты приняты, чтобы быть при том же внутреннем давлении, MA p. Именно поэтому MA p находится вне суммирования.
Уравнение энергосбережения для каждого сегмента
где:
частная производная определенной внутренней энергии относительно температуры для сегмента.
частная производная определенной внутренней энергии относительно удельной влажности для сегмента.
частная производная определенной внутренней энергии относительно части массы газа трассировки для сегмента.
u seg, 2P является определенной внутренней энергией для сегмента.
MA M является общей сырой массой воздуха.
и массовые расходы жидкости в и из сегмента.
Φ seg, в, MA и Φ seg, MA является энергетическими скоростями потока жидкости в и из сегмента.
Массовые расходы жидкости между сегментами приняты, чтобы быть линейно распределенными между значениями и .
Уравнение сохранения массы водяного пара для каждого сегмента
где и массовые расходы жидкости водяного пара в и из сегмента.
Газ трассировки массовое уравнение сохранения для каждого сегмента
где и массовые расходы жидкости газа трассировки в и из сегмента.
[1] Руководство Ashrae: основные принципы. Атланта: Ashrae, 2013.
[2] Çengel, Юнус А. Хит и Перемещение массы: Практический Подход. 3-й редактор Ряд McGraw-Hill в Машиностроении. Бостон: McGraw-Hill, 2007.
[3] Митчелл, Джон В. и Джеймс Э. Браун. Принципы нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха в созданиях. Хобокен, NJ: Вайли, 2013.
[4] Шах, R. K. и П. Секулик Dušan. Основные принципы проекта теплообменника. Хобокен, NJ: John Wiley & Sons, 2003.
[5] Каваллини, Альберто и Роберто Секчин. “БЕЗРАЗМЕРНАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ ДЛЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ НА ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ КОНДЕНСАЦИИ КОНВЕКЦИИ”. В Продолжении Международной Конференции по Теплопередаче 5, 309–13. Токио, Япония: Begellhouse, 1974. https://doi.org/10.1615/IHTC5.1220.
Condenser Evaporator (2P-MA) | System-Level Heat Exchanger (2P-2P)