Блок Heat Exchanger Interface (TL) представляет собой границу в сети теплопроводной жидкости для теплообмена между жидкостями. Блок моделирует перепад давления и изменение температуры между входом и выходом теплопроводной жидкости и в сочетании с блоком E-NTU Heat Transfer моделирует тепловой поток через границу раздела двух жидкостей.
Сохранение массы
Форма уравнения сохранения массы зависит от настроек динамической сжимаемости. Если снят флажок Thermal Liquid 1 dynamic compressibility, то уравнение сохранения массы будет иметь следующий вид:
где — массовый расход. Подстрочные индексы обозначают порты A и B.
Если установлен флажок Thermal Liquid 1 dynamic compressibility, то уравнение сохранения массы будет иметь следующий вид:
где
— давление теплопроводной жидкости;
— температура теплопроводной жидкости;
— коэффициент изобарного теплового расширения теплопроводной жидкости;
— объем теплопроводной жидкости на границе теплообменника.
Сохранение импульса
Сохранение импульса на границе теплообменника зависит от настроек динамической сжимаемости жидкости. Если установлен флажок Thermal Liquid 1 dynamic compressibility, то сохранение импульса зависит от внутреннего давления на границе теплообменника в явном виде. Уравнение сохранения импульса для половины объема в порту A имеет вид:
Уравнение сохранения импульса для половины объема в порту B имеет вид:
где
и — давления в портах A и B;
— давление во внутреннем узле;
и — потери давления между портом A и внутренним узлом и между портом B и внутренним узлом.
Если флажок снят Thermal Liquid 1 dynamic compressibility, то сохранение импульса вычисляется непосредственно между портами A и B:
Расчет потерь давления
Расчет потерь давления зависит от значения параметра Pressure loss model. Если для параметра Pressure loss model установлено значение Pressure loss coefficient, то потеря давления в половине объема, примыкающем к порту A, составляет:
а потеря давления в половине объема, примыкающем к порту B, составляет:
где
и — динамическая вязкость жидкости в портах A и B;
— значение параметра Pressure loss coefficient;
— верхний предел числа Рейнольдса для ламинарного течения;
— нижний предел числа Рейнольдса для турбулентного течения;
— гидравлический диаметр для расчетов потерь давления;
и — плотность жидкости на портах A и B;
— общая минимальная площадь свободного потока.
Если для параметра Pressure loss model установлено значение Correlation for flow inside tubes, то потеря давления в половине объема, примыкающем к порту A, составляет:
а потеря давления в половине объема, примыкающем к порту B, составляет:
где
— длина пути потока от входа до выхода;
— длина трубы для расчета эквивалентных потерь;
и — коэффициенты трения Дарси в турбулентном режиме в портах A и B.
Коэффициент трения Дарси в половине объема, примыкающем к порту A, равен:
а коэффициент трения Дарси в половине объема, примыкающем к порту B, равен:
где — абсолютная шероховатость внутренней поверхности.
Если для параметра Pressure loss model установлено значение Tabulated data - Darcy friction factor vs. Reynolds number, то потеря давления в половине объема, примыкающем к порту A, составляет:
а потеря давления в половине объема, примыкающем к порту B, составляет:
где
— коэффициент формы для вязкого трения ламинарного потока;
и — коэффициенты трения Дарси в портах A и B. Блок получает коэффициенты трения из табличных данных, указанных относительно числа Рейнольдса.
Если для параметра Pressure loss model установлено значение Tabulated data - Euler number vs. Reynolds number, то потеря давления в половине объема, примыкающем к порту A, составляет:
а потеря давления в половине объема, примыкающем к порту B, составляет:
где
— число Эйлера при верхнем пределе числа Рейнольдса для ламинарных потоков;
и — числа Эйлера на портах A и B. Блок получает числа Эйлера из табличных данных, указанных относительно числа Рейнольдса.
Сохранение энергии
Сохранение энергии на границе теплообменника зависит от настроек динамической сжимаемости жидкости. Если установлен флажок Thermal Liquid 1 dynamic compressibility, то уравнение сохранения энергии имеет вид:
где
— внутренняя энергия объема жидкости на границе теплообменника;
и — потоки энергии на портах A и B, соответственно;
— тепловой поток через порт H, представляющий тепловую границу, в блок.
Производные внутренней энергии определяются как:
и
где — удельная внутренняя энергия теплопроводной жидкости, или внутренняя энергия, содержащаяся в единице массы этой жидкости.
Если не установлен флажок Thermal Liquid 1 dynamic compressibility, то плотность теплопроводной жидкости будет рассматриваться как константа. Тогда Объемный модуль упругости фактически бесконечен, а коэффициент теплового расширения равен нулю. Производные по давлению и температуре в сжимаемом случае не учитываются, и уравнение сохранения энергии представляется в следующем виде:
где — полная внутренняя энергия несжимаемой теплопроводной жидкости:
Соотношения для теплопередачи
Этот блок рассчитывает и выводит значение коэффициента теплопередачи между жидкостью и стенкой. Метод расчета зависит от значения параметра Heat transfer coefficient model.
Если для параметра Heat transfer coefficient model установлено значение Constant heat transfer coefficient, то коэффициент теплопередачи имеет постоянное значение, задаваемое параметром блока:
где
— коэффициент теплопередачи между жидкостью и стенкой;
— значение параметра Liquid-wall heat transfer coefficient.
Для всех остальных значений параметра Heat transfer coefficient model коэффициент теплопередачи определяется как среднее арифметическое коэффициентов теплопередачи портов:
где и — коэффициенты теплопередачи между жидкостью и стенкой в портах A и B.
Коэффициент теплопередачи в порту A равен:
а коэффициент теплопередачи в порту B равен:
где
и — числа Нуссельта на портах A и B;
и — теплопроводности на портах A и B;
— гидравлический диаметр для расчетов теплопередачи.
Гидравлический диаметр, используемый в расчетах теплопередачи, определяется как:
где
— длина пути потока, используемая в расчетах теплопередачи;
— общая площадь поверхности теплопередачи.
Расчет числа Нуссельта
Метод расчета числа Нуссельта зависит от значения параметра Heat transfer coefficient model.
Если для параметра Heat transfer coefficient model установлено значение Correlation for flow inside tubes, то число Нуссельта в порту A составит:
а число Нуссельта в порту B:
где
— значение параметра Nusselt number for laminar flow heat transfer;
и — числа Прандтля на портах A и B.
Если для параметра Heat transfer coefficient model установлено значение Tabulated data - Colburn factor vs. Reynolds number, то число Нуссельта в порту A составит:
а число Нуссельта в порту B:
где
и — фактор Колберна на портах A и B. Блок получает фактор Колберна из табличных данных, представленных как функция числа Рейнольдса;
и — числа Рейнольдса, основанные на гидравлических диаметрах для расчета теплопередачи в портах A и B. Эти значения определяются на порту A и B как:
и
Если для параметра Heat transfer coefficient model установлено значение Tabulated data - Nusselt number vs. Reynolds number and Prandtl number, то число Нуссельта в порту A составит:
а число Нуссельта в порту B:
Расчет гидравлического диаметра
Гидравлический диаметр, используемый в расчетах теплопередачи, отличается от гидравлического диаметра, используемого в расчетах потерь давления, если обогреваемый периметр и периметр, испытывающий трение, не совпадают. Для теплообменника труба в трубе с кольцевым поперечным сечением гидравлический диаметр для расчетов теплопередачи составляет:
а гидравлический диаметр для расчетов давления составляет:
где
— внешний диаметр кольцевой оболочки;
— внутренний диаметр кольца.
Разница между внешним и внутренним диаметром, изображенная оранжевым цветом, представляет собой теплопроводную жидкость. Синяя область внутри внутреннего диаметра — это жидкость, которая обменивается теплом с теплопроводной жидкостью.
Порты
Ненаправленные
# A
—
порт теплопроводной жидкости
теплопроводная жидкость
Details
Порт входа теплопроводной жидкости.
Имя для программного использования
thermal_liquid_port_a
# B
—
порт теплопроводной жидкости
теплопроводная жидкость
#Hydraulic diameter for pressure loss —
диаметр или эквивалентный диаметр канала
m | cm | ft | in | km | mi | mm | um | yd
Details
Гидравлический диаметр трубок или каналов, составляющих теплообменный интерфейс. Гидравлический диаметр - это отношение площади поперечного сечения потока к периметру канала.
Единицы измерения
m | cm | ft | in | km | mi | mm | um | yd
Значение по умолчанию
0.1 m
Имя для программного использования
hydraulic_diameter_for_pressure_loss
Вычисляемый
Да
#Thermal Liquid volume —
общий объем теплопроводной жидкости в канале
l | gal | igal | m^3 | cm^3 | ft^3 | in^3 | km^3 | mi^3 | mm^3 | um^3 | yd^3 | N*m/Pa | N*m/bar | lbf*ft/psi | ft*lbf/psi
Details
Общий объем теплопроводной жидкости, содержащейся в проточном канале.
#Laminar flow upper Reynolds number limit —
начало перехода между ламинарным и турбулентным режимами
Details
Значение числа Рейнольдса, соответствующее началу перехода от ламинарного режима к турбулентному. Выше этого значения начинают доминировать инерционные силы, в результате чего течение переходит из ламинарного в турбулентный режим. Значение по умолчанию соответствует круглой трубе с гладкой внутренней поверхностью.
Значение по умолчанию
2000.0
Имя для программного использования
Re_laminar
Вычисляемый
Да
#Turbulent flow lower Reynolds number limit —
конец перехода между ламинарным и турбулентным режимами
Details
Значение числа Рейнольдса, соответствующее концу перехода от ламинарного режима к турбулентному. Ниже этого значения начинают доминировать вязкие силы, в результате чего течение переходит из турбулентного в ламинарный режим. Значение по умолчанию соответствует круглой трубе с гладкой внутренней поверхностью.
Значение по умолчанию
4000.0
Имя для программного использования
Re_turbulent
Вычисляемый
Да
#Pressure loss model —
математическая модель для расчета потери давления из-за трения
Pressure loss coefficient | Correlation for flow inside tubes | Tabulated data - Darcy friction factor vs. Reynolds number | Tabulated data - Euler number vs. Reynolds number
Details
Математическая модель для потери давления из-за трения. Этот параметр определяет, какие выражения использовать для расчета и какие параметры блока указывать в качестве входных.
Pressure loss coefficient | Correlation for flow inside tubes | Tabulated data - Darcy friction factor vs. Reynolds number | Tabulated data - Euler number vs. Reynolds number
Значение по умолчанию
Pressure loss coefficient
Имя для программного использования
pressure_loss_type
Вычисляемый
Нет
#Pressure loss coefficient —
суммарный коэффициент потерь для всех сопротивлений потоку между портами
Details
Суммарный коэффициент потерь для всех сопротивлений потока в канале, включая трение стенок (основные потери) и местные сопротивления из-за изгибов, колен и других изменений геометрии (незначительные потери).
Коэффициент потерь — это эмпирическое безразмерное число, используемое для выражения потерь давления из-за трения. Он может быть рассчитан на основе экспериментальных данных или получен из технических характеристик продукта.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Pressure loss model значение Pressure loss coefficient.
Значение по умолчанию
0.1
Имя для программного использования
pressure_loss_coefficient
Вычисляемый
Да
#Length of flow path from inlet to outlet —
расстояние, пройденное от порта до порта
m | cm | ft | in | km | mi | mm | um | yd
Details
Общее расстояние, которое поток должен пройти между портами. В многоходовых кожухотрубных теплообменниках общее расстояние является суммой всех проходов кожуха. В трубных пучках, гофрированных пластинах и других каналах, где поток разделяется на параллельные ветви, это расстояние, пройденное за одну ветвь. Чем длиннее путь потока, тем больше основная потеря давления из-за трения о стенки.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Pressure loss model значение Correlation for flow inside tubes или Tabulated data - Darcy friction factor vs. Reynolds number.
Единицы измерения
m | cm | ft | in | km | mi | mm | um | yd
Значение по умолчанию
1.0 m
Имя для программного использования
flow_path_length
Вычисляемый
Да
#Aggregate equivalent length of local resistances —
суммарные местные потери давления, выраженные в длине
m | cm | ft | in | km | mi | mm | um | yd
Details
Суммарные местные потери давления, выраженные в длине. Длина прямого канала приводит к эквивалентным потерям, равным сумме существующих локальных сопротивлений отводов, тройников и соединений. Чем больше эквивалентная длина, тем выше потери давления из-за локальных сопротивлений.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Pressure loss model значение Correlation for flow inside tubes.
Единицы измерения
m | cm | ft | in | km | mi | mm | um | yd
Значение по умолчанию
0.1 m
Имя для программного использования
flow_path_length_add
Вычисляемый
Да
#Internal surface absolute roughness —
средняя высота шероховатостей на поверхности стенки, которые приводят к потерям на трение
m | cm | ft | in | km | mi | mm | um | yd
Details
Средняя высота шероховатостей на поверхности стенки, которые приводят к потерям на вязкое трение. Чем больше средняя высота, тем шероховатее стенка и тем больше потери давления из-за вязкого трения. Значение шероховатости поверхности используется для получения коэффициента трения Дарси из соотношения Хааланда.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Pressure loss model значение Correlation for flow inside tubes.
Единицы измерения
m | cm | ft | in | km | mi | mm | um | yd
Значение по умолчанию
15e-6 m
Имя для программного использования
roughness
Вычисляемый
Да
#Reynolds number vector for Darcy friction factor —
число Рейнольдса в каждой опорной точке таблицы поиска коэффициента трения Дарси
Details
Вектор чисел Рейнольдса, при которых необходимо определить коэффициент трения Дарси. Блок использует этот вектор для создания таблицы поиска коэффициента трения Дарси.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Pressure loss model значение Tabulated data - Darcy friction factor vs. Reynolds number.
#Darcy friction factor vector —
коэффициент трения Дарси в каждой опорной точке таблицы поиска числа Рейнольдса
Details
Вектор коэффициентов трения Дарси, соответствующих значениям, указанным в параметре Reynolds number vector for Darcy friction factor. Блок использует этот вектор для создания таблицы поиска коэффициента трения Дарси.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Pressure loss model значение Tabulated data - Darcy friction factor vs. Reynolds number.
#Laminar friction constant for Darcy friction factor —
поправка на потерю давления для поперечного сечения потока в условиях ламинарного течения
Details
Поправка на потерю давления для ламинарного потока. Этот параметр называется коэффициентом формы и может быть использован для получения коэффициента трения Дарси при расчетах потерь давления в ламинарном режиме. Значение по умолчанию соответствует цилиндрическим трубам.
Некоторые дополнительные коэффициенты формы для некруглых сечений могут быть определены из аналитических решений уравнений Навье-Стокса. Воздуховод с квадратным сечением имеет коэффициент формы 56, воздуховод с прямоугольным сечением с соотношением сторон 2:1 имеет коэффициент формы 62, а коаксиальная труба имеет коэффициент формы 96. Тонкий канал между параллельными пластинами также имеет коэффициент формы 96.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Pressure loss model значение Correlation for flow inside tubes.
Значение по умолчанию
64.0
Имя для программного использования
shape_factor
Вычисляемый
Да
#Reynolds number vector for Euler number —
число Рейнольдса в каждой опорной точке таблицы поиска чисел Эйлера
Details
Вектор чисел Рейнольдса, при которых необходимо определить число Эйлера. Блок использует этот вектор для создания таблицы поиска числа Эйлера.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Pressure loss model значение Tabulated data - Euler number vs. Reynolds number.
Значение по умолчанию
[50.0, 500.0, 1000.0, 2000.0]
Имя для программного использования
Re_vector_Eu
Вычисляемый
Да
#Euler number vector —
число Эйлера в каждой опорной точке таблицы поиска чисел Рейнольдса
Details
Вектор чисел Эйлера, соответствующих значениям, указанным в параметре Reynolds number vector for Euler number. Блок использует этот вектор для создания таблицы поиска чисел Эйлера.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Pressure loss model значение Tabulated data - Euler number vs. Reynolds number.
Значение по умолчанию
[4.4505, 0.6864, 0.4791, 0.3755]
Имя для программного использования
Eu_vector
Вычисляемый
Да
#Heat transfer coefficient model —
математическая модель для теплообмена между теплоносителем и стенкой
Constant heat transfer coefficient | Correlation for flow inside tubes | Tabulated data - Colburn factor vs. Reynolds number | Tabulated data - Nusselt number vs. Reynolds number and Prandtl number
Details
Математическая модель, используемая для расчета теплового потока между жидкостями в теплообменнике. Вы можете принять постоянный коэффициент теплопередачи, использовать эмпирическую зависимость для потока внутри труб или указать табличные данные для числа Колберна или числа Нуссельта.
Constant heat transfer coefficient | Correlation for flow inside tubes | Tabulated data - Colburn factor vs. Reynolds number | Tabulated data - Nusselt number vs. Reynolds number and Prandtl number
Значение по умолчанию
Constant heat transfer coefficient
Имя для программного использования
heat_transfer_type
Вычисляемый
Нет
#Liquid-wall heat transfer coefficient —
коэффициент теплопередачи при конвекции между теплоносителем и стенкой
W/(m^2*K) | Btu_IT/(hr*ft^2*deltadegR)
Details
Коэффициент теплопередачи для конвекции между теплоносителем и стенкой.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Heat transfer coefficient model значение Constant heat transfer coefficient.
Единицы измерения
W/(m^2*K) | Btu_IT/(hr*ft^2*deltadegR)
Значение по умолчанию
100.0 W/(m^2*K)
Имя для программного использования
alpha_const
Вычисляемый
Да
#Heat transfer surface area —
эффективная площадь поверхности, используемая в теплопередаче между теплоносителем и стенкой
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2
Details
Эффективная площадь поверхности, используемая при теплопередаче между теплоносителями в теплообменнике.
#Nusselt number for laminar flow heat transfer —
постоянное значение числа Нуссельта для ламинарного течения
Details
Постоянное значение числа Нуссельта для ламинарных течений. Этот параметр позволяет рассчитывать конвективные тепловые потоки в ламинарных потоках. Значение числа Нуссельта зависит от геометрии компонента. Значение по умолчанию соответствует цилиндрической трубе.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Heat transfer coefficient model значение Correlation for flow inside tubes.
Значение по умолчанию
3.66
Имя для программного использования
Nu_laminar
Вычисляемый
Да
#Reynolds number vector for Colburn factor —
число Рейнольдса в каждой опорной точке таблицы поиска факторов Колберна
Details
Вектор чисел Рейнольдса, при которых необходимо определить фактор Колберна. Блок использует этот вектор для создания таблицы поиска фактора Колберна. Количество значений в этом векторе должно быть равно размерности параметра Colburn factor vector для расчета опорных точек таблицы.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Heat transfer coefficient model значение Tabulated data - Colburn factor vs. Reynolds number.
Значение по умолчанию
[100.0, 150.0, 1000.0]
Имя для программного использования
Re_vector_colburn
Вычисляемый
Да
#Colburn factor vector —
фактор Колберна в каждой опорной точке таблицы поиска чисел Рейнольдса
Details
Вектор факторов Колберна, соответствующих значениям, указанным в параметре Reynolds number vector for Colburn factor. Блок использует этот вектор для создания таблицы поиска фактора Колберна.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Heat transfer coefficient model значение Tabulated data - Colburn factor vs. Reynolds number.
Значение по умолчанию
[0.019, 0.013, 0.002]
Имя для программного использования
colburn_factor_vector
Вычисляемый
Да
#Reynolds number vector for Nusselt number —
число Рейнольдса в каждой опорной точке таблицы поиска чисел Нуссельта
Details
Вектор чисел Рейнольдса, при которых необходимо определить число Нуссельта. Блок использует этот вектор для создания таблицы поиска числа Нуссельта.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Heat transfer coefficient model значение Tabulated data - Nusselt number vs. Reynolds number and Prandtl number.
Значение по умолчанию
[100.0, 150.0, 1000.0]
Имя для программного использования
Re_vector_Nu
Вычисляемый
Да
#Prandtl number vector for Nusselt number —
число Прандтля в каждой опорной точке таблицы поиска чисел Нуссельта
Details
Вектор чисел Прандтля, при которых необходимо определить число Нуссельта. Блок использует этот вектор для создания таблицы поиска числа Нуссельта.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Heat transfer coefficient model значение Tabulated data - Nusselt number vs. Reynolds number and Prandtl number.
Значение по умолчанию
[1.0, 10.0]
Имя для программного использования
Pr_vector_Nu
Вычисляемый
Да
#Nusselt number table, Nu(Re,Pr) —
число Нуссельта в каждой опорной точке таблицы поиска чисел Рейнольдса-Прандтля
Details
Матрица чисел Нуссельта, соответствующих значениям, указанным в параметрах Reynolds number vector for Nusselt number и Prandtl number vector for Nusselt number. Блок использует эту матрицу для создания таблицы поиска числа Нуссельта.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Heat transfer coefficient model значение Tabulated data - Nusselt number vs. Reynolds number and Prandtl number.
Значение по умолчанию
[3.72 4.21; 3.75 4.44; 4.21 7.15]
Имя для программного использования
Nu_matrix
Вычисляемый
Да
#Length of flow path for heat transfer —
характерная длина, пройденная при теплопередаче между теплоносителем и стенкой
m | cm | ft | in | km | mi | mm | um | yd
Details
Характерная длина для теплопередачи между теплоносителем и стенкой.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Heat transfer coefficient model значение Tabulated data - Colburn factor vs. Reynolds number или Tabulated data - Nusselt number vs. Reynolds number and Prandtl number.
Единицы измерения
m | cm | ft | in | km | mi | mm | um | yd
Значение по умолчанию
1.0 m
Имя для программного использования
length_for_heat_transfer
Вычисляемый
Да
Effects and Initial Conditions
#Thermal Liquid 1 dynamic compressibility —
сжимаемость жидкости в теплообменнике
Details
Опция для моделирования изменения давления внутри теплообменника. Если этот флажок снят, то производные давления не учитываются в уравнениях сохранения энергии и массы. Давление внутри теплообменника определяется как среднее значение двух давлений в портах.
Значение по умолчанию
true (включено)
Имя для программного использования
dynamic_compressibility
Вычисляемый
Нет
#Thermal Liquid initial temperature —
начальная температура теплопроводной жидкости
K | degC | degF | degR | deltaK | deltadegC | deltadegF | deltadegR
Details
Температура теплопроводной жидкости в начале симуляции.