组件 126：瞬态换热器

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组件 126：瞬态换热器

规格

管道连接
1	流体主进口
2	流体主出口
3	流体次进口
4	流体次出口

通用用户输入值结果特征曲线应用物理公式显示示例

通用

组件 126 主要基于组件 119 （间接存储）。它的扩展在于，第二种流体（次要侧）被引入计算。它与储能器有热接触，因此也与流体 1 （主要侧）有热接触。流动类型和实际结构的几何形状对传热的影响是通过传热系数考虑的。它们被指定为壁和流体外壁之间的传递表面。因此，基本模式遵循双管换热器的概念，涉及到以下方式：

基于管道的建模有一个优点，即大量的技术应用可以与管道中的传热理论产生关联。管道几何形状的另一个优点是循环对称的温度分布和传热，因此温度场的计算被减少为一个径向组件（计算网格的 y 轴）和一个沿流动方向的组件（计算网格的 x 轴）。

流体之间的隔离墙以及外部边界墙的瞬态热传导数值化，用 Crank-Nicolson 算法计算，类似于组件 119。与稳态换热器相比，总体平衡方程得到了扩展，如下列公式所示：

请参阅"物理学应用"中的第2.2章。
对于 t->无穷大，交换的热量将达到稳定状态下的数值，这意味着用于计算热传递的 3 个特性方程再次有效：

Q12 (主要): M12 cp12 (T2-T1), 或者 M12 h12
Q34 (次要): M34 cp34 (T3-T4), 或者 M34 h34
Qtrans: kA dTlog

这个方程组将在所有的计算过程中求解，以便得到稳态解作为长期的渐近线。这意味着始终与其它稳态结果保持一致。

这个瞬态模块和组件 119一样，也由时间序列对话控制。

用户输入值

FMODE	计算模式"设计"/"非设计"的标志如父工况（子工况为可选项）表达式 =0: 全局 =1: 局部非设计（即总是非设计模式，即使选择了全局设计模式） =2: 特殊的局部非设计（与早期 Ebsilon 版本兼容的特殊情况，不应在较新的模型中使用，因为实际非设计计算的结果不一致） =-1: 局部设计（即总是设计模式，即使非设计计算已经被设置为全局的情况下）
FINIT	标志：初始化状态如父工况（子工况为可选项）表达式 =0: 全局由模型选项中的变量"瞬态模式"控制 "其他"->"模型选项"->"模拟"->"瞬态"->组合框 "瞬态模式" =1: 第一次运行 -> 在计算稳态值时进行初始化 =2: 继续运行 -- 前一个时间步长的值被输入到现在的值中
FINST	标志：瞬态计算模式如父工况（子工况为可选项）表达式 =0: 根据时间序列表的瞬态解决 =1: 总是稳态解决方案
FFU	激活组件的标志如父工况（子工况为可选项）表达式 =0: 换热器停用（无热量传递，但有压力损失） =1: 换热器开启（激活）
AWF13	分隔（桥）墙的传热面积
FDP12RN	主要流压降的标志如父工况（子工况为可选项）表达式 =1: 绝对值（DP12N = DP12RN） =2: 相对值（DP12N = P1N * DP12RN） = -1: P2 从外部给定
DP12RN	压降 12（标称）[绝对值或相对于 P1]
FDP34RN	次要流压降的标志如父工况（子工况为可选项）表达式 =1: 由（DP34N = DP34RN）计算绝对值 =2: 由（DP34N = P3N * DP34RN）计算相对值 = -1: P4 从外部给定
DP34RN	压降 34（标称）[绝对值或相对于 P3]
FALPH12	标志：确定主流体到分离壁的传热系数 alpha 如父工况（子工况为可选项）表达式 =0: 总是常数 AL12N =1: 由 AL12 = AL12N * （M1 / M1N ** EX12）计算得出 =2: 使用自由定义的内核表达式 EAPLH12 计算
AL12N	主流体到分离壁的传热系数 alpha （标称值，仅在 FALPH12 = 0\|1 时可见）作为初步猜值，建议使用这些值： AL12N_水 = 6000 W/(m²K) AL12N_蒸汽 = 500 W/(m²K)
EX12	计算 AL12 的传热系数指数 AL12 = AL12N(M1/M1N*EX12)
EALPH12	用于计算 AL12 的函数，等于 evalexpr 的返回值（类型：real）
FALPH34	标志：确定次流体到分离壁的传热系数 alpha 如父工况（子工况为可选项）表达式 =0: 总是常数 AL34N =1: 由 AL34 = AL34N （M3 / M3N * EX34）计算得出 =2: 使用自由定义的内核表达式 EAPLH34 计算
AL34N	次流体到分离壁的传热系数 alpha （标称值，仅在 FALPH34 = 0\|1 时可见）作为初步猜值，建议使用这些值： AL34N_气 = 50 W/(m²K)
EX34	计算 AL34 的传热系数指数 AL34 = AL34N(M3/M3N*EX34)
EALPH34	用于计算 AL34 的函数，等于 evalexpr 的返回值（类型：real）
FALPHO	标志：外部确定 alpha 如父工况（子工况为可选项）表达式 =0: 来自常量值 ALPHO =1: 来自函数 EALPHO
ALPHO	外部传热系数（对环境）
EALPHO	用于计算 ALPHO 的函数，等于 evalexpr 的返回值（类型：real）
THISO	隔热材料的厚度
LAMISO	隔热材料的导热性
FALGINST	标志：切换瞬态计算模式的开关 =1: 曲克-尼克尔森（Crank-Nicolson）算法 =4: 简化的物理模型
FFLOW	标志：流动方向如父工况（子工况为可选项）表达式 =0: 对流 =1: 并流（不对设计模式）
TAUADBW	桥壁时间常数的修正系数（仅简化物理模型）
TAUADOW	外壁时间常数的修正系数（仅简化物理模型）
LAMADJ	1 / LAMBDA 的相乘系数 -- 壁导热阻（仅简化物理模型）设置 LAMADJ = 0 相当于忽略了壁导热阻：要么壁厚度无限小，要么 Lambda 值无限高。设置 LAMADJ = 1 相当于用 LAMBDA 的原始值和壁厚来计算壁的导热性。 LAMADJ < 1 会导致壁的导热系数下降 LAMADJ > 1 会导致壁的导热系数上升
FVOL	标志：部分负荷压降，考虑质量和/或体积如父工况（子工况为可选项）表达式 =0: 没有体积的影响 DP/DPN = (M/MN)*2 =1: 有体积的影响 DP/DPN = V/VN(M/MN)**2 =2: 常数(不受负荷影响) DP = DPN
FADAPT	适配多项式 ADAPT / 适配函数 EADAPT 如父工况（子工况为可选项）表达式 = 0: 不使用，不评估 = 1: kA 的修正系数 [KA = KAN K/KN * 多项式] = 2: 计算 kA [KA = KAN 多项式] = 1000: 不使用，但 ADAPT 被评估为 RADAPT（减少计算时间） = -1: kA 的修正系数[KA = KAN K/KN * 函数] = -2: 计算 kA [KA = KAN 函数] = -1000: 不使用，但 EADAPT 被评估为 RADAPT（减少计算时间）
EADAPT	适配函数的输入
TOLXECO	省煤器中蒸发量的容许值。如果省煤器出口处的蒸汽含量 X > TOLXECO，就会发出警告信息。如果 > 2 * TOLXECO，则发出错误信息。
PINPMIN	夹点的最小值（如果夹点会降到低于这个值，KA 会自动减少）
LSTO12	主要流 FLUID12 的长度
LSTO34	次要流 FLUID34 的长度
AWOUT	外壁的换热面积
MWF13	流体之间分离壁的质量（桥壁）
MWOUT	外壁的质量
FVFLUID	标志：用于计算液体体积的开关如父工况（子工况为可选项）表达式 =0: 由规格 VFLUID12, VFLUID34 给定 =1: 根据换热器的几何形状给定 -> 圆形截面的管道几何形状
VFLUID12	主要流 FLUID12 的体积
VFLUID34	次要流 FLUID34 的体积
FDATABW	标志：属性数据源和插值如父工况（子工况为可选项）表达式 =1: 从规格值 RHOBW、LAMBW 和 CPBW 得出常数 =2: 从规格值 RHOBW/DRHOBW、LAMBW/DLAMBW 和 CPBW/DCPBW 得出线性取决于分隔壁温度 TBW 的值，计算为： RHO(TBW) = RHOBW + (TBW - TREFBW)DRHOBW LAM(TBW) = LAMBW + (TBW - TREFBW)DLAMBW CP(TBW) = CPBW + (TBW - TREFBW)DCPBW =3: 来自特征线 CRHOBW, CLAMBW, CCPBW*
RHOBW	TREFBW 隔离壁的密度
DRHOBW	每度的密度变化
LAMBW	分隔壁在 TREFBW 的导热性能
DLAMBW	每度导热系数的变化
CPBW	分隔壁在 TREFBW 的比热容
DCPBW	每度比热容的变化
TREFBW	分隔壁的 RHOBW、LAMBW、CPBW 的参考温度（与 FDATABW = 2 相关）
FDATAOW	标志：属性数据源和插值如父工况（子工况为可选项）表达式 =1: 从规格值 RHOOW、LAMOW 和 CPOW 得出常数 =2: 从规格值 RHOOW/DRHOOW, LAMOW/DLAMOW 和 CPOW/DCPOW 得出线性取决于外壁温度 TOW 的值，计算为： RHO(TOW) = RHOOW + (TOW - TREFOW)DRHOOW LAM(TOW) = LAMOW + (TOW - TREFOW)DLAMOW CP(TOW) = CPOW + (TOW - TREFOW)DCPOW =3: 来自特征线 CRHOOW, CLAMOW, CCPOW*
RHOOW	TREFOW 的外壁密度
DRHOOW	每度的密度变化
LAMOW	外壁在 TREFBW 的导热性能
DLAMOW	每度导热系数的变化
CPOW	外壁在 TREFBW 的比热容
DCPOW	每度比热容的变化
TREFOW	外壁 RHOOW、LAMOW、CPOW 的参考温度（与 FDATAOW = 2 相关）
FSPECM	标志：处理 FLUID12 和 FLUID34 的系统质量如父工况（子工况为可选项）表达式 =1: 系统质量可忽略不计 =2: 考虑系统质量，出口等于进口质量流量 =3: 考虑系统质量，出口与进口质量流量不同
FTTI	标志：处理时间间隔内的温度如父工况（子工况为可选项）表达式 1: 时间步骤间隔的平均温度 2: 每个时间步骤的线性插值
FTSTEPS	标志：指定（子）时间步长如父工况（子工况为可选项）表达式 =1: 通过规格值 TISPEP =2: 稳定理论时间增量的 0.2 =3: 稳定理论时间增量的 0.5 =4: 稳定理论时间增量的 1.0 =5: 稳定理论时间增量的 2.0 =6: 稳定理论时间增量的 5.0
ISUBMAX	初始化的最大时间子步长数
IERRMAX	初始化步骤的最大允许误差
TISTEP	时间步长，在瞬态计算时始终有效
NFLOW	流动方向上点的数量（最多100）
NRADBW	桥壁上 Y 方向径向点的数量（在流体之间，最多30）
NRADOW	外壁 Y 方向径向点的数量（最多30）
FFREQ	标志：非稳态计算的频率如父工况（子工况为可选项）表达式 =1: 在每个迭代步骤中 =2: 在每2个迭代步骤中 =4: 在每4个迭代步骤中 =8: 在每8个迭代步骤中
TMIN	壁温的最小值
TMAX	壁温的最大值
FSTAMB	标志：环境温度的定义如父工况（子工况为可选项）表达式 =0: 定义规格值（TAMB） =1: 从上级模型（太阳）定义
TAMB	环境温度
ISUN	太阳参数的指数
TIMETOT0	计算开始时的总时间

QN	换热器性能（标称） = Q34N
M1N	主要质量流量（标称）
M3N	次要质量流量（标称）
V1N	主要进口的比容（标称）
V3N	次要进口比容（标称）
P1N	主要进口压力（标称）
P3N	次要进口压力（标称）
TM34N	平均烟气温度（标称） TM34N=(T3N+T4N)/2

标记为蓝色的数值是非设计计算参考量。在所使用的公式中，实际的非设计值参考这些量。

一般来说，所有的输入需要可见。通常会提供默认值。

更多关于输入域的颜色和描述的信息，请参见编辑组件\规格值。

关于设计值与非设计值以及标称值的更多信息，请参见通用\接受标称值。

结果值

Q21	传递到主流的热量 FLUD12 （在稳态情况下 = QT 和 Q34，在瞬态计算中，热量从分离壁流向流体）
QT	通过壁传递的热量（请注意：在进行瞬态计算时，这个结果不再有意义了）
Q34	从次流 LUD34 传递的热量（在稳态情况下 = QT 和 Q12，在瞬态计算中，热量流向壁）
KA	来自稳态计算的总传热系数乘以面积
DTM	来自稳态计算的对数平均温差
DTLO	下端温差
DTUP	上端温差
REFF	计算的实效（有效性）（=实际传热/无限大时的理论最大值）
X2	主要出口的蒸汽含量（X）
AL12	计算的到分离壁的传热系数 FLUID12
AL34	计算的到外壁和分离壁的传热系数 FLUID34
DP12	主要压力损失
DPREF12	主要标称压力损失
DP34	次要压力损失
DPREF34	次要标称压力损失
VM1	进口条件下 FLUID12 的比容（标称）
VM3	进口条件下 FLUID34 的比容（标称）
RADAPT	结果 ADAPT / EADAPT
M1M1N	相关的主要质量流量
M3M3N	相关的次要质量流量
KAKAN	相关的 kA 值
KAN0	来自 KA 值的 KAN
TAVBREND	时间步长结束时分离壁的平均热量温度
TAVWOEND	时间步长结束时外壁的平均热量温度
T2AV	FLUID12 的平均出口温度
T4AV	FLUID34 的平均出口温度
TX2BEG	时间步长开始时的温度 T2
TX2END	时间步长结束时的温度 T2
TX4BEG	时间步长开始时的温度 T4
TX4END	时间步长结束时的温度 T4
QSTO	在时间步长中所有的壁里储存的热量
QAV12	从分离壁到 FLUID12 的平均热流
QAV34	从 FLUID34 到所有其它壁体的平均热流
QAVLOSS	从外壁到环境的平均热流
QENDO	时间步长结束时从壁到环境的热流
RALPHO	到环境的传热系数
THBRW	分隔壁的等效厚度
THOW	外壁的等效厚度
REDIA12	主要等效直径 FLUID12
REDIA34	次要等效直径 FLUID34
MFL12	主要风道中 FLUIDS12 的质量
MFL34	次要风道中 FLUIDS34 的质量
RELQQ	松弛理论 / 数值热流
TIMEINT	实际时间步骤的总时间
TIMETOT	仿真的总时间
TIMESUB	子步骤的整合时间
INSFRAC	瞬态计算步骤的份数
ISUB	子时间步骤的数量
TISUBREC	建议的时间步
PREC	精确度指标

特征曲线

为了建立依赖于温度的材料特征，引入了三条特征线。所有的图表在其 X 轴上显示温度：

CRHOBW/CRHOOW: 储存材料的密度（*BW = 分离壁，*OW = 外壁）与 T 的关系
CLAMBW/CLAMOW: 储存材料的导热性与 T 的关系
CCPBW/CCPOW: 储存材料的比热容与 T 的关系

所有其它的"特征线"形成一个循环缓冲区。用户不需要额外关注。

CMFL1/CMFL2: 微分存储单元 dV 中流体 12 的质量 / 流体 34 的质量（不是在所有情况下使用）
CUFL1/CUFL2: 微分存储单元 dV 中流体的内能（不是在任何情况下使用）
CDAT1/CDAT2: 流体单元和壁面之间的部分/热流
CHFL1/CHFL2: 微分存储单元 dV 中的流体焓值
CTFL1/CTFL2: 微分存储单元 dV 中的流体温度
CSTAT: 管道上流体的热力学状态
CQHIST: 热流的历史
CTIHIST: 时间步的历史

与这种"特征线"相对应的，还有结果曲线。

RAMFL1/RAMFL2: 微分存储单元 dV 中流体 12 的质量 / 流体 34 的质量（不是在所有情况下使用）
RAUFL1/RAUFL2: 微分存储单元 dV 中流体的内能（不是在任何情况下使用）
RADAT1/RADAT2: 流体单元和壁面之间的部分/热流
RAHFL1/RAHFL2: 微分存储单元 dV 中的流体焓值
RATFL1/RATFL2: 微分存储单元 dV 中的流体温度
RASTAT: 管道上流体的热力学状态
RAQHIST: 热流的历史
RATIHIST: 时间步的历史

规格矩阵 MXTSTO 和结果矩阵 RXTSTO
规格矩阵 MXTSTO 和这不是一个实际规格值的容器。该矩阵与结果矩阵 RXTSTO 的连接方式与上面描述相同。储存壁和液体中的温度分布将以如下方式提交给矩阵。规格矩阵 MXTSTO 保存时间步 t-1 的数值，而结果矩阵 RXTSTO 获得时间步 t 的模拟结果，两个矩阵的指数和边界都是相同的格式。第一个指数指的是列，第二个指数指的是行。如下图所示，有三个方框来设置环境温度，第四个方框保持 FLUID12 的温度，指数为（1,2）至（1,JX-1）。在存储部分之间的第二个单层代表次要 FLUID34。所有剩下的内部单元包含了以 TX(JX,JY) 为标记的壁温。

用户可以在 Y 方向（流动方向）选择最多 100 个离散点，这对壁体的所有其它部分和流体也是一样的。相比之下，X 方向的离散化（径向）可以独立设置，而且对两个存储壁也可以是不同的设置。流体总是只得到一个 X 单元。每个壁体的最大 X 点数量是30个。

物理应用

1 几何学

为了处理复杂的换热器结构，存储或管道质量 MWF13（两种流体之间的分离/桥壁），MWOUT （设备的外壁），分离壁 AWF13 和外壁 AWOUT 的交换面积，以及存储在变量 LSTO12 和 LSTO34 中的两种流体的流动长度都可以由用户设定。

在这两种情况下，可以通过材料的密度来确定相应的外径：

DI13 = AWF13/(LSTO12*p) 和 DIWOUT =AWOUT/(LSTO34*p)

在这两种情况下，可以通过材料的密度来确定相应的外径：

(1)

壁厚利用关联 s = 0.5 * (DA - DI)。根据开关 FVFLUID 的设置，风道的体积可以自由选择而不受其它几何参数的影响。另一方面，可以强制使用管道的几何形状来进行计算。

2.1 计算通过储存壁的传热

对于一定的温度传导率

(2.1)

并给定邻接点的距离 dX 和 dY，通过求解储存中所有微分单元的微分方程来计算壁内温度 Θ 的分布。

(2.2)

简化为两个维度，得到：

(2.3)

从初始状态开始的温度变化总是由于通过壁和隔热表面的热流而发生的（也见第3章）。

提示：为了进行某些计算，可能有必要通过将面积和质量几乎设为零来忽略外壁，同时只给定一个单元的 y 分辨率。也可以用 THISO 和 LAMISO 合适的值来关闭保温层。

在组件 126 中有 2 种算法用于计算壁温。就像在组件 119 中一样，对于 FALGINST = 1，方程（2.3）用 Crank-Nicolson-Algorithm 算法进行数值求解，对于 FALGINST = 4，则使用分析和数值相结合的方法。

2.2 介质温度的计算

壁和流体之间的热流取决于位置和时间，通过对流 2.4 和传导 2.5 联合考虑进行数学描述:

(2.4)

和

(2.5)

其中表示面对流体壁面的温度，是介质的温度，and 表示热流的方向与流体的流动方向正交。外壁的热流将被等效计算。

壁上的热流引起了介质温度的变化，这也影响了流体的整个一维网格。为了保持模型的简单和节省计算时间，正交于流动方向的梯度和流动动力学也将被忽略掉。温度曲线随时间变化的计算将根据每个体积单元的质量和能量平衡来完成。

(2.6)

和

(2.7)

流体单元的内能由给定，引入到公式 2.7，结果是：

(2.8)

方程的左边显示了储存在流体中的能量，而右边则给出了从壁面通过边界流动的能量。将这些项和热损失相加，就得到了换热器壁的内能变化。

(2.9)

一个流体单元的质量由以下定义：

(2.10)

介质的所有属性计算都以 EBSILON 介质库为基础。

2.3 根据 FSPECM12 和 FSPECM34 的计算模式

FSPECMXX = 1：在连续流动 Min = Mout 条件下，与壁面质量相比，流体质量可忽略不计，公式 2.8 的左边被设置为零，这样简化为下面的计算：

(2.11)

FSPECMXX = 2：在连续流动的情况下，Min = Mout 或零质量流量 Mfluid = 0，风道管中的质量没有变化。但是，如果第二个条件涉及到质量比，再加上必须考虑到流体的能量含量，就有必要将公式 2.8 改为如下：

(2.12)

例子：冷却风道中停滞的热液。

FSPECMXX = 3：管道内的流体质量是可变的，这可作为压力和温度函数的密度变化的结果。在假设风道体积不变的情况下，进口和出口的质量流量可能出现不同。

例如：在次要侧压力下降或温度升高后来自于容器的蒸发。

2.4 热流的计算

热流的计算是使用公式 2.8 结合开关 FSPEM 的设置完成的。在可忽略流体质量的情况下，两种流体的能量平衡如下：

储存质量仅由壁单元组成，其温度变化引发热流（Q0(t)）。这些流体通过以下公式进行热力学相关：

(2.13)

以同样的方式对环境的热损失（蓝色箭头）进行计算，并传递给 QAVLOSS 和 QENDO 的结果值。瞬态储存行为是通过解决所有温度变化的体积积分来实现的：

(2.14)

平衡所有的热流（根据公式2.13）提供储存的热能，并对时间步进行进一步积分。该结果被传递给变量 QSTO：

(2.15)

这个值 QSTO 除以时间步长的间隔 t，显示了分离壁和 FLUID12 之间的平均热流 QAV12，也表示了分离壁、外壁和 FLUID34 之间的热流，设置为结果变量 QAV34。

提示：取决于温度梯度的大小和时间步长的选择，是不可能得到一个封闭的能量平衡的。如果出现较大的失衡，减少时间间隔或通过调整 FTSTEPS 来对时间步长进行细化是合理的。

如果对流体质量进行模拟（FSPECMXX = 2,3），平衡会变得不同，如下图所示：

公式 2.8 的左边不再是零，因此在这个公式中考虑了流体质量。壁体和流体也是作为瞬态能量储存来考虑。

3. 使用 EBSILON 时间序列对话进行模拟

开关 FINST 通常控制组件的瞬态行为。

FINST=0: 时间序列给定的时间相关的计算步长，控制了整个计算过程。所有的瞬态项，包括方程中的热储存都将求解。

FINST=1: 组件的计算是稳态的，例如要模拟一种换热器。任何有关传热规格的变化都将导致该组件的一个新的稳态解决方案。方程中的所有瞬态部分都不被考虑。

使用开关 FINIT 来初始化模拟

FINIT=1: 根据规格，换热器将在稳定状态下初始化。事实上这意味着进行了第一次瞬态计算，以引导系统处于长期渐近线状态。这将被存储到所有包含温度分布的矩阵中来作为以下模拟的初始猜测。

请注意：

指定系数 AL12N 和 AL34N 可以固定公式 3.1 中的总传热系数 k。当形成 k 的所有项都已知时，计算就非常简单了，但反过来，就不可能从 k 的特定值中得到各部分的总和!

(3.1)

对于这个组件，还必须指定换热面积（AWF13）以使运行瞬态计算。因此，kA 的值是固定的，所以模拟的稳态和瞬态部分得到相同的输入，这对确保一致性是必要的。这里计算特定的 kA 值的设计工况不合理，因此没有给出这个选项。

FINIT=2: 根据时间序列对话的规格进行计算。上一步的结果为下一步提供输入。

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