我原来觉得每个模块都有帮助文档，没必要再写关于具体模块的详细解释。后来去逛书店发现，明明有史书，还是会有人看普通人写的历史故事。

　　*近遇到不同的人问关于 Simscape 库换热器模块参数的问题，于是就干脆把几百年前的这部分笔记再整理一下，也方便和感兴趣的人讨论。以下以冷凝器/蒸发器模块为例，详细解释 Simscape 里的换热器模型参数。

　　在Simscape->Fluids->Fluid Network Interfaces 里有一个 Heat Exchangers 库，这里是两种相同或者不同冷却介质之间的热交换模型库。

　　模块名称括号里的字母表示进行热交换的两种介质类型：2P：two phaseMA: Moist AirTL: Thermal LiquidG: Gas

　　这里用冷凝器/蒸发器模块来解释一下 Simscape 里的换热器模型，大概了解下模块界面上的参数是什么意思，都拿去做什么用了。

　　在之前介绍的水冷回路里，基本上我们日常熟悉的温度、压力等概念就足以理解换热器模型了。

　　但如果涉及到两相流，有相变发生，压力和温度不足以描述流体当前的状态。

　　因此，还需要回忆一下其它基础知识。

　　p-h 图，又称压焓图，是经常会接触的概念。

　　压力很好理解，只是这个焓值，如果不是从事这方面工作的，学校学的那些也忘记得差不多了。

　　网上以及课本上有很多关于焓的解释和公式，都觉得挺抽象的。当时学的时候，觉得下面这个解释还挺形象易懂的，就放在这里。但是忘了这些图是从哪个网站上摘录的了，如果找到地址强烈(入门的话)建议去原贴看看。图片来自网络

　　图中横坐标是 焓，单位 kJ/kg。从单位能看出来，焓是个“能量”的概念。

　　水（以及我们的制冷剂）被加热，焓值会增加，形态也会发生相应的变化，经历下图从左到右这三个状态。水处于液态，被加热，焓值增加，液体升温；当温度到达沸点，水持续转变为气态，持续加热，气液混合物焓值进一步增加，气液混合物等温；水蒸气进一步被加热，焓值增加，水蒸气升温；

　　所以这里主要是混合态区域，当达到“相变温度后”，提供给它的能量不“用于”温度增加，而是用于物态变化。

　　不同压力下，水的沸点（等温线）不一样，不过趋势都类似。

　　左下图横坐标是温度，纵坐标是压力，不同的颜色对应物质不同的固-液-气的存在区域。就像刚刚的水加热过程，处于临界区域的物质，如果能量变化则会发生相变。

　　如果把横坐标替换成焓，如右下图。在焓值横坐标轴上，临界边界线变成了一个区域。图片来自网络

　　那制冷循环通常涉及到的区域，就是这个拱起的灰色区域，液-气液-气区域，如下图：混合物中的蒸汽含量，从*左边的 0% 到*右边的 100%。以蓝色线为界。蓝色线也成为饱和曲线，区域内制冷剂为气液混合物状态，左外侧只以液态方式存在，右外侧只蒸汽形式存在。图片来自网络

　　压焓图有P-h 或者 Log(P)-h 的坐标轴方式，Simscape 采用 Log(P)-h 的坐标轴，还附带画了等温线。可以看到，在气-液混合区域，等温线都是水平的，也就是说在同一个压力下，焓值增加时，温度不变。图片来自网络

　　首先，冷凝器和蒸发器本质上没什么区别，都是散热器，且管内的制冷剂会因为散热/吸热而发生相变。

　　散热器就是依靠管内制冷剂和周围环境的温差来传热。它高于环境温度就散热，低于环境温度就吸热。从1到2，这里是压缩机Compressor 的功劳，气体被“压缩”。压缩机做功，(看坐标轴)气体焓值增加，压力也增加。如果结合上面这个 Simscape 的 p-h 图里的等温线来看，在压力升高的同时温度也升高。温度要升高到比环境温度还高，这样才能向环境散热。从2到3，这里是冷凝器Condensor 的功劳，因为工质此刻的温度高于环境温度，所以它能借助冷凝器的结构，散热到周围，而自己的温度降低，往左直接穿越到液态区也就是“冷凝”了。散热功率多少呢？2 和 3 点对应的横坐标相减 (kJ/kg)，再乘以我们的流量(kg/s)，就是kJ/s也就是W了。初始图片来自网络从3到4，这里是膨胀阀 Expand Valve 的功劳，“不管它用什么手段”，从图上这条“竖线”很容易记住，它让工质压力降低的同时温度进一步降低，而且要低于它的工作环境温度，才能进行下一步工作。从4到1，这里是蒸发器Evaporator 的功劳，此刻流体的温度低于环境温度，借助蒸发器的结构，吸收周围热量，结果像水一样自己“蒸发”了。和冷凝器一样，4和1点的比焓差值 (kJ/kg)乘以流量(kg/s)，得到换热功率，W（J/s）。

　　从上图看到，本来是过热蒸汽进入冷凝器，不断的散热，它的形态也发生变化，从纯气体变为气液混合，再到纯液体。物质变化过程中与饱和曲线的交点(图上黑色箭头指示)，就是刚刚说的临界状态。从临界状态往水平方向(等压)再“过去一点点”，就是过冷或者过热，“过”了多少用温度来衡量。比如过冷度 5degC，就是工质温度比同压力下的气液临界温度还低了5度。

　　蒸发器也是类似，只不过从膨胀阀出来的 4 就已经是气液混合物了，在吸热过程中逐渐饱和蒸汽比例逐渐增加，直到全部变成蒸汽，继续“过热”。

　　冷凝器 Condenser 和蒸发器 Evaporator 模块，模拟管路内的制冷剂和外部湿空气的散热。A1/B1 两相流端口；A2/B2 湿空气端口；两种工质逆流或者顺流跟图标没关系，是模块里设置的；

　　如果还记得的话，我们之前在介绍水-水换热器的时候，提到它可以拆解成左下角的零件组合。中间是换热计算单元，左右分别是管路单元。

　　虽然说冷凝器和蒸发器也可以拆解成这样，但是会有点麻烦，因为参照上一节介绍的P-H图，制冷剂在流入和流出的过程中会发生相变，过冷态、混合态、过热态。不同状态下，对应的换热率都是不一样的。

　　因此，按刚刚所描述制冷剂在换热器里的三种状态，Simscape 模型把换热管路划分为三个区域分别计算换热量：L(过冷液体区)，M(气液混合区)，V(过热气体区)。各个区域用长度占比来表示，会随着换热器的吸放热以及流量发生变化，通过模块Z端口输出[L, M, V]。

　　LMV三个区域分别计算 Q 然后累加:

　　各个区域的换热量 Q 主要通过之前所提到的 Effectiveness-NTU (E-NTU)模型来计算，各个区域的换热计算和之前的热流体NTU计算模型是一样的。热管理系统建模基础 03 换热器模型 - 知乎 (zhihu.com)

　　前面我们知道，选择不同的换热器对流结构，会对应不同的 e = f(NTU,CR) 计算公式。相比于简单的热流体模型，这里已经没有e = LookUpTable(NTU,CR)这种参数化方式了。

　　Parallel flow 和 Counter flow 都是工质流动方向平行，分同向和反向。

　　Cross flow 则表示工质流动方向正交，则再选择两种流体是否mixed，Cross flow arrangement 共2*2组合选项。目前汽车空调里几乎都是 Both fluids unmixed 。

　　Unmixed flows，比如**幅图的Moist Air，不管是沿着自己的流向还是沿着 Two-Phase 的流向，温度都有区别。

　　比如选择 Cross + Both unmixed 后，使用下图公式计算：其中CR，两种工质的热容之比。注意这里是热容/s，不是比热容，是分别乘以了质量流量之后的比值。不过模块内部仿真时会自己根据流体属性和流量来计算，不需要我们操心。NTU 的计算都是统一的热阻 R 的抽象示意图和其它物理域也是一样的，如下多层热阻串联： 2P侧 + Wall + 空气侧

　　分别根据两相流侧和空气侧的参数来计算两侧的热阻 R 。这里的 Rw 就是交换器壁面热阻，也是参数界面输入，下图**个黄框。

　　之前的换热器没有再拆分翅片换热面积，直接输入一个总的换热面积，而在蒸发器-冷凝器模型里，从结构上又做了拆分。总的有效换热面积 A_Th 的计算，如下图公式：

　　A_Th_2p，A_Th_MA 是两侧各自算各自的总散热面积，包括散热管路表面积 Aw（管路横截面周长*长度*管数目），以及手动输入的翅片面积 Af(Total fin surface area)。A_Th_2p，制冷剂是在管路里流动。所以 Simscape 模块根据所设置的管路参数计算它时， Aw 是内表面积，图**个蓝框就是在算这个，Tube cross section 不管你怎么选参数化，它*后还是要换算出这个换热面积 Aw 来；计算 fin 的部分，参数界面 2p 和 MA 有各自的 Af 和 Fin efficiency，图第二个蓝框；

　　Flow geometry 的选择影响的是具体使用的计算公式。 汽车空调的散热器一般都是自由风(空气不会在管路里)正对着换热器吹，也就是下图的竖直红色箭头方向 -> Flow perpendicular to bank of circular tubes。空气侧如果选择 Flow perpendicular to bank of circular tubes，Aw 是外表面积,也就是上图粗黄色箭头的圆管外表面积乘以管子数目，外径周长 * 管长w_cond * N_tube_row * N_row； 所以空气侧的管子参数设置的是外径fin 的部分也根据空气侧的 Af 和 Fin efficiency 来计算；

　　另外，Number of tube rows along flow direction，N_R 在空气流动方向上的管数，自然也会影响空气侧流阻。

　　而 Number of tube segments in each tube row，每一板的管子数目，则影响迎风面积的计算。

　　两侧分别**各自的 F_2p 以及 F_MA， 也就是界面上的参数 Fouling factor，上图里第二个黄框，两侧有各自的 Fouling factor 参数。

　　如果还记得的话，之前有提到这个 Fouling Factor 就是考虑到年长月久因为额外的水垢而导致的热阻部分：

　　之前的热流体模型里提供了不同的努塞尔数参数化方式：

　　而在蒸发器-冷凝器模型中，各 LMV 区域使用不同的公式来计算努塞尔数 Nu:左侧：V区(气相)或者L区(液相)使用 empirical Colburn equation(类似于上图第二种)右侧：V区(气相)或者L区(液相) Gnielinski correlation(上图**种)，实际Nu根据实际雷诺数进行差值；

　　如果注意到，这里其实没有换热器本体的热容属性，所以是假设所有从两相流出来的热量，都计入了湿空气。水-水换热器是可以设置一个换热器热容属性的。

　　热阻 R公式里的热传递系数 U和努塞尔系数相关，管路的布置 Inline 或者 Staggered，以及间距会影响 Nu 的计算（如果使用对于右侧的理论公式）。

　　如果空气侧也是在管路中的话，那么计算换热和流阻和刚刚两相流侧差不多，空气没有相变不用分 LMV 区了。

　　虽然我们设置了管路的排布多少昂行列，但计算制冷剂流阻的时候，是视为一根管子来对待。下面公式中出现的面积 A_CS 是总过流面积，也就是单管横截面积乘以管数。Pressure loss coefficient

　　流阻的计算平平无奇，可以给定或者标定流阻系数 Pressure loss coefficient。Correlation for flow inside tubes 就是指用理论公式 - Darcy friction

　　Local resistance specification： 表示除了直管L引起的流阻外，其他地方产生的局部损失，可以用来做流阻的标定参数。

　　层流的这个 Laminar friction constant for Darcy friction factor 系数和管路横截面有关：如果选择了标准管路比如方管或者圆管等等，模块会自己计算。如果选择的是 Generic 形状，则需要自己输入这个参数。类似之前提到的 shape factor

　　以上大概就知道两相流侧设置的参数，大概都拿去做什么用了。

部分内容来源于网络，仅用于学习分享，如发现有侵权，请及时联系删除，谢谢。