Aripioare radiatorului și design schimbător de căldură cu aripioare cu flux paralel

Principii de proiectare ale aripioarelor radiatorului pentru aplicații de condensator

Aripioarele măresc suprafața exterioară efectivă a tuburilor sau plăcilor pentru a stimula transferul de căldură convectiv. În condensatoare (gaz-la-lichid sau vapor-la-lichid), aripioarele sunt utilizate în mod normal pe partea de vapori/aer pentru a reduce costul și amprenta la sol a schimbătorului, obținând în același timp respingerea necesară a căldurii. Variabilele cheie de proiectare sunt tipul aripioarelor (plate, lambriute, ondulate, perforate), pasul aripioarelor (ariotoare pe metru sau aripioare pe inch), înălțimea aripioarelor, grosimea aripioarelor și conductibilitatea termică a materialului.

Bazele performanței termice

Utilizați relația globală de transfer de căldură Q = U · A · ΔT . Aripioarele funcționează prin creșterea ariei aparente A și prin modificarea coeficientului convectiv local h. Pentru o suprafață cu aripioare aria efectivă este A_finned = η_f · A_geometric, unde η_f este eficiența aripioarelor. Proiectarea practică necesită luarea în considerare simultană a U, η_f și a densității de ambalare pentru a evita căderea excesivă a presiunii.

Constrângeri mecanice și de flux de aer

Pasul mai strâns a aripioarelor mărește suprafața, dar crește scăderea presiunii din partea aerului și riscul de murdărire. În bobinele condensatorului cu flux de aer paralel (condensator cu flux paralel), distribuția uniformă a fluxului pe suprafața bateriei este critică; debitul neuniform reduce transferul local de căldură și poate cauza pete uscate localizate sau îngheț. Designul trebuie să echilibreze zona, puterea ventilatorului și alocația de murdărie.

Condensatoare cu curgere paralelă cu schimbătoare de căldură cu aripioare — funcționare și configurație

Condensatoarele cu flux paralel direcţionează agentul frigorific (sau fluidul de lucru) prin mai multe tuburi paralele, în timp ce aerul sau vaporii curg transversal pe feţele cu aripioare. În comparație cu modelele în contracurent, condensatoarele cu curgere paralelă sunt mai ușor de fabricat și pot atinge compactitate, dar necesită o distribuție atentă a colectorului și a tuburilor pentru a menține vitezele agentului frigorific și fluxul de căldură uniforme.

Dispoziție tipică a bobinei și antet

Designul bun al colectorului (diametrul corect al colectorului, plasarea duzei de intrare/ieșire și deflectoarele interne) previne distribuția defectuoasă. Pentru curgere paralelă: asigurați-vă că fiecare rând de tuburi are rezistență hidraulică similară; utilizați orificii sau restrictoare numai dacă este necesar. Luați în considerare circuitele cu tuburi cu mai multe treceri sau cuplate încrucișate atunci când anteturile paralele cu o singură trecere ar da diferențe excesive de viteză.

Considerații din partea aerului pentru fluxul paralel

În dispozitivele în care aerul curge prin pachetele de tuburi cu aripioare, mențineți viteza frontală în intervalele recomandate (adesea 1,5–3,5 m/s pentru condensatoarele răcite cu aer) pentru a echilibra transferul de căldură și zgomotul. Pentru climatele umede, distanța crescută a aripioarelor reduce înfundarea de la particule și murdăria biologică, dar reduce suprafața.

Selectarea geometriei aripioarelor și compromisuri de performanță

Alegeți geometria aripioarelor pentru a se potrivi obiectivelor de performanță: maximizați transferul de căldură pe unitate de cădere de presiune, minimizați costurile și masa și permiteți fabricabilitatea cu sculele necesare. Geometrii comune ale aripioarelor pentru condensatoare:

• Aripioare simple (drepte) — simple, cu costuri reduse, bune pentru viteze ale aerului scăzute până la moderate.
• Aripioare cu jaluzele — turbulența locală ridicată crește h, utilizată acolo unde fluxul de căldură este mare și o anumită scădere de presiune este acceptabilă.
• Aripioare despicate sau perforate — adăugați turbulență cu penalizare moderată de presiune; adesea folosit la condensatoarele auto.
• Aripioare ondulate - îmbunătățire intermediară și cădere de presiune; poate fi mai ușor de curățat decât jaluzelele.

Compensații cantitative

Când comparați proiecte, evaluați: suprafața specifică (m²/m³), eficiența aripioarelor η_f și căderea de presiune ΔP. Un design cu o suprafață externă cu 20–50% mai mare (prin aripioare) dar ΔP de 2–3 ori mai mare poate fi încă nedorit dacă puterea ventilatorului și constrângerile de zgomot sunt stricte. Utilizați hărți de performanță (h vs. Re și căderea presiunii vs. Re) din datele furnizorului pentru a alege geometria aripioarelor.

Exemplu practic de proiectare și exemplu de calcul

Exemplu de cerință: reject Q = 10 kW de căldură într-un condensator cu o valoare totală estimată U ≈ 150 W·m⁻²·K⁻¹ și diferența medie de temperatură ΔT ≈ 10 K. Aria efectivă externă necesară A = Q / (U · ΔT). Folosind aceste numere reprezentative rezultă:

A_necesar = 10.000 W ÷ (150 W·m⁻²·K⁻¹ × 10 K) = 6,67 m² (suprafață efectivă cu aripioare). Dacă o geometrie aleasă a aripioarelor oferă un factor de îmbunătățire a aripioarelor de aproximativ 4 (adică, aria geometrică cu aripioare este de 4 × aria tubului goală și eficiența medie a aripioarelor este inclusă în acest factor), tubul gol/aria suprafeței necesită ≈ 1,67 m².

Cum se folosesc aceste numere

Din ținta zonei goale, deduceți dimensiunile bobinei și lungimea tubului: suprafața goală pe metru de tub = π · D_o · 1m (contribuțiile ariei gulerului aripioarelor dacă utilizați aripioare de bandă). Împărțiți suprafața goală necesară pe suprafață pe metru tub pentru a obține lungimea totală a tubului, apoi aranjați tuburile în rânduri și coloane pentru a se potrivi constrângerilor față de bobine. Adăugați întotdeauna 10–25% suprafață suplimentară pentru murdărire și marjă de performanță sezonieră.

Considerații de fabricație, materiale și coroziune

Materialele comune ale aripioarelor sunt aluminiul (ușoare, conductivitate ridicată, economice) și cuprul (conductivitate mai mare, cost mai mare). Pentru condensatoarele exterioare expuse la atmosfere corozive, luați în considerare aripioare acoperite (polimer, epoxidice sau acoperiri hidrofile) sau aripioare din oțel inoxidabil pentru medii foarte corozive. Tehnici de fabricație: profilare continuă pentru aripioare simple și ondulate, ștanțare pentru jaluzele și lipire sau lipire mecanică de tuburi. Design pentru o curățare ușoară (mai puține jaluzele strânse acolo unde este de așteptat încărcarea cu particule).

Cele mai bune practici, testare și întreținere

Urmați acești pași pentru a asigura performanța condensatorului fiabilă pe teren:

• Test de prototip: construiți un segment de bobină reprezentativ și măsurați h și ΔP într-un tunel de vânt sau într-o platformă de testare înainte de a vă angaja la producția completă.
• Luați în considerare murdărirea: specificați geometriile aripioarelor ușor de curățat și acordați acces la service pentru curățarea periodică a bobinei.
• Includeți porturi de instrumente: sonde de temperatură și robinete de presiune pentru a valida uniformitatea distribuției agentului frigorific și a fluxului de aer.
• Optimizați pasul aripioarelor pentru clima locală: pasuri mai strânse pentru climă curată și uscată; mai lat pentru condiții cu praf și umezeală.

Tabel de comparație: tipuri comune de aripioare și când să le folosiți

Rezumat și listă de verificare acționabilă

• Începeți cu respingerea de căldură necesară și calculați aria efectivă necesară folosind Q = U·A·ΔT.
• Selectați geometria aripioarelor pentru a atinge un factor de îmbunătățire țintă, menținând în același timp căderea presiunii acceptabilă pentru bugetul ventilatorului/puterei ventilatorului.
• Proiectați capetele și circuitele pentru a asigura distribuția uniformă a agentului frigorific în condensatoarele cu flux paralel.
• Prototipați și testați o secțiune reprezentativă a bobinei pentru performanță și susceptibilitate la murdărie înainte de producția completă.
• Includeți marja de murdărire (10–25%) și funcționalitatea în specificația finală.