Rebrá chladiča a dizajn výmenníka tepla s paralelným prúdením

Princípy konštrukcie rebier chladiča pre kondenzátorové aplikácie

Rebrá zväčšujú efektívnu vonkajšiu povrchovú plochu rúrok alebo dosiek na zvýšenie konvekčného prenosu tepla. V kondenzátoroch (plyn-kvapalina alebo para-kvapalina) sa rebrá bežne používajú na strane para/vzduch, aby sa znížili náklady a pôdorys výmenníka pri dosiahnutí požadovaného odvodu tepla. Kľúčovými konštrukčnými premennými sú typ plutiev (hladký, žalúziový, vlnitý, dierovaný), rozstup plutiev (rebrá na meter alebo rebrá na palec), výška rebier, hrúbka rebier a tepelná vodivosť materiálu.

Základy tepelného výkonu

Použite celkový vzťah prenosu tepla Q = U · A · AT . Plutvy fungujú tak, že zväčšujú zdanlivú plochu A a menia lokálny konvekčný koeficient h. Pre rebrovaný povrch je efektívna plocha A_finned = η_f · A_geometric, kde η_f je účinnosť rebier. Praktický dizajn vyžaduje súčasné zváženie U, η_f a hustoty výplne, aby sa zabránilo nadmernému poklesu tlaku.

Mechanické obmedzenia a obmedzenia prúdenia vzduchu

Užší sklon rebier zväčšuje plochu, ale zvyšuje pokles tlaku na strane vzduchu a riziko zanášania. V kondenzátorových cievkach s paralelným prúdením vzduchu (kondenzátor s paralelným prúdením) je kritická rovnomerná distribúcia prúdenia cez čelo cievky; nerovnomerný prietok znižuje lokálny prenos tepla a môže spôsobiť lokálne suché miesta alebo zamrznutie. Konštrukcia musí vyvážiť plochu, výkon ventilátora a toleranciu znečistenia.

Kondenzátory s paralelným prúdením s rebrovými výmenníkmi tepla – prevádzka a usporiadanie

Kondenzátory s paralelným prúdením vedú chladivo (alebo pracovnú kvapalinu) cez viacero paralelných rúrok, zatiaľ čo vzduch alebo para prúdi priečne cez rebrované plochy. V porovnaní s protiprúdovými konštrukciami sú kondenzátory s paralelným prúdením jednoduchšie na výrobu a môžu dosiahnuť kompaktnosť, ale vyžadujú starostlivé rozloženie zberača a trubice, aby sa udržali rovnomerné rýchlosti chladiva a tepelný tok.

Typické usporiadanie cievok a hlavičky

Dobrý dizajn zberača (správny priemer zberača, umiestnenie vstupnej/výstupnej trysky a vnútorné prepážky) zabraňuje nesprávnemu rozdeľovaniu. Pre paralelný prietok: zabezpečte, aby každý rad rúrok mal podobný hydraulický odpor; použite otvory alebo obmedzovače len v prípade potreby. Zvážte viacpriechodové alebo krížovo spojené elektrónkové obvody, keď by jednopriechodové paralelné zberače poskytovali nadmerné rozdiely v rýchlosti.

Úvahy na strane vzduchu pre paralelné prúdenie

V zariadeniach, kde vzduch prúdi cez zväzky rebrovaných rúrok, udržiavajte čelnú rýchlosť v odporúčaných rozsahoch (často 1,5 – 3,5 m/s pre vzduchom chladené kondenzátory), aby sa vyrovnal prenos tepla a hluk. Pre vlhké podnebie zväčšený rozstup rebier znižuje zanášanie časticami a biologickým znečistením, ale zmenšuje plochu.

Výber geometrie plutvy a kompromisy výkonu

Vyberte si geometriu rebier tak, aby zodpovedala výkonnostným cieľom: maximalizujte prenos tepla na jednotku poklesu tlaku, minimalizujte náklady a hmotnosť a umožnite vyrobiteľnosť s požadovanými nástrojmi. Bežné geometrie rebier pre kondenzátory:

• Obyčajné (rovné) plutvy – jednoduché, lacné, vhodné pre nízke až stredné rýchlosti vzduchu.
• Lamelové plutvy – vysoká lokálna turbulencia zvyšuje h, používa sa tam, kde je vysoký tepelný tok a je prijateľný určitý pokles tlaku.
• Rozrezané alebo prepichnuté plutvy – pridajte turbulenciu s miernym tlakom; často používané v automobilových kondenzátoroch.
• Vlnité plutvy – stredné vylepšenie a pokles tlaku; možno ľahšie čistiť ako žalúzie.

Kvantitatívne kompromisy

Pri porovnávaní návrhov vyhodnoťte: špecifickú plochu (m²/m³), účinnosť rebier η_f a pokles tlaku ΔP. Dizajn s o 20–50 % vyššou vonkajšou plochou (cez rebrá), ale 2–3× vyšším ΔP môže byť stále nežiaduci, ak sú výkon ventilátora a obmedzenia hluku prísne. Na výber geometrie plutvy použite mapy výkonu (h vs. Re a pokles tlaku vs. Re) z údajov dodávateľa.

Praktický príklad návrhu a vzorový výpočet

Príklad požiadavky: odobrať Q = 10 kW tepla v kondenzátore s očakávaným celkovým U ≈ 150 W·m⁻²·K⁻¹ a stredným teplotným rozdielom ΔT ≈ 10 K. Požadovaná vonkajšia efektívna plocha A = Q / (U · ΔT). Použitím týchto reprezentatívnych čísel sa získa:

A_potrebné = 10 000 W ÷ (150 W·m⁻²·K⁻¹ × 10 K) = 6,67 m² (účinná plocha rebier). Ak zvolená geometria rebier dáva faktor vylepšenia rebrovania približne 4 (t. j. plocha geometrických rebier je 4-násobok plochy holej rúrky a do tohto faktora je zahrnutá aj priemerná účinnosť rebier), vyžaduje sa plocha holá rúrka/povrch ≈ 1,67 m².

Ako používať tieto čísla

Z cieľovej plochy na holú plochu odvodzujte rozmery cievky a dĺžku trubice: holá plocha na meter trubice = π · D_o · 1 m (príspevky k ploche goliera plutvy pri použití pásových rebier). Vydeľte požadovanú holú plochu plochou na meter rúrky, aby ste získali celkovú dĺžku rúrky, a potom rúrky usporiadajte do riadkov a stĺpcov tak, aby vyhovovali obmedzeniam čela cievky. Vždy pridajte 10 – 25 % plochy navyše pre znečistenie a sezónnu výkonnostnú rezervu.

Úvahy o výrobe, materiáloch a korózii

Bežné materiály rebier sú hliník (ľahký, vysoká vodivosť, ekonomický) a meď (vyššia vodivosť, vyššie náklady). V prípade vonkajších kondenzátorov vystavených korozívnej atmosfére zvážte potiahnuté rebrá (polymérové, epoxidové alebo hydrofilné nátery) alebo rebrá z nehrdzavejúcej ocele pre vysoko korozívne prostredie. Výrobné techniky: kontinuálne valcovanie pre hladké a vlnité rebrá, razenie pre žalúzie a spájkovanie alebo mechanické lepenie na rúry. Dizajn pre ľahké čistenie (menej tesných žalúzií, kde sa očakáva zaťaženie časticami).

Osvedčené postupy, testovanie a údržba

Ak chcete zaistiť spoľahlivý výkon kondenzátora, postupujte podľa týchto krokov:

• Prototypový test: zostrojte reprezentatívny segment cievky a zmerajte h a ΔP vo veternom tuneli alebo skúšobnom zariadení pred spustením plnej výroby.
• Počítajte so znečistením: špecifikujte ľahko čistiteľné geometrie rebier a poskytnite servisný prístup na pravidelné čistenie cievky.
• Zahŕňa porty prístrojového vybavenia: teplotné sondy a tlakové kohútiky na overenie rovnomernosti distribúcie chladiva a prietoku vzduchu.
• Optimalizujte rozstup plutiev pre miestne podnebie: užšie rozstupy pre čisté a suché podnebie; širšie pre prašné a vlhké podmienky.

Porovnávacia tabuľka: bežné typy plutiev a kedy ich použiť

Súhrnný a použiteľný kontrolný zoznam

• Začnite s požadovaným odvodom tepla a vypočítajte požadovanú efektívnu plochu pomocou Q = U·A·ΔT.
• Vyberte geometriu rebier, aby ste dosiahli cieľový faktor vylepšenia pri zachovaní poklesu tlaku prijateľného pre rozpočet ventilátora/výkonu ventilátora.
• Navrhnite zberače a okruhy na zabezpečenie rovnomernej distribúcie chladiva v kondenzátoroch s paralelným prúdením.
• Pred úplnou výrobou prototypujte a otestujte reprezentatívnu časť cievky z hľadiska výkonu a náchylnosti na znečistenie.
• Do konečnej špecifikácie zahrňte rozpätie znečistenia (10–25 %) a prevádzkyschopnosť.