باله های سینک حرارتی و طراحی مبدل حرارتی باله با جریان موازی

اصول طراحی پره های هیت سینک برای کاربردهای کندانسور

باله ها سطح خارجی موثر لوله ها یا صفحات را افزایش می دهند تا انتقال حرارت همرفتی را افزایش دهند. در کندانسورها (گاز به مایع یا بخار به مایع)، پره‌ها معمولاً در سمت بخار/هوا استفاده می‌شوند تا هزینه و ردپای مبدل را کاهش دهند و در عین حال دفع حرارت مورد نیاز را کاهش دهند. متغیرهای کلیدی طراحی عبارتند از: نوع باله (ساده، لوور، موجدار، سوراخ شده)، گام باله (باله در هر متر یا باله در هر اینچ)، ارتفاع باله، ضخامت باله، و هدایت حرارتی مواد.

اصول عملکرد حرارتی

از رابطه انتقال حرارت کلی استفاده کنید Q = U · A · ΔT . باله ها با افزایش سطح ظاهری A و با تغییر ضریب همرفتی محلی h کار می کنند. برای یک سطح باله دار، ناحیه موثر A_finned = η_f · A_geometric است، که در آن η_f کارایی باله است. طراحی عملی نیاز به در نظر گرفتن همزمان U، η_f و چگالی بسته بندی دارد تا از افت فشار بیش از حد جلوگیری شود.

محدودیت های مکانیکی و جریان هوا

گام باله‌های تنگ‌تر، مساحت را افزایش می‌دهد، اما افت فشار سمت هوا و خطر رسوب را افزایش می‌دهد. در سیم پیچ های کندانسور با جریان هوای موازی (کندانسور جریان موازی)، توزیع جریان یکنواخت در سطح سیم پیچ بسیار مهم است. جریان ناهموار انتقال حرارت موضعی را کاهش می دهد و ممکن است باعث ایجاد لکه های خشک موضعی یا یخ زدگی شود. طراحی باید سطح، قدرت فن و میزان رسوب را متعادل کند.

کندانسورهای جریان موازی با مبدل های حرارتی پره - عملکرد و چیدمان

کندانسورهای جریان موازی مبرد (یا سیال در حال کار) را از طریق لوله های موازی متعدد عبور می دهند در حالی که هوا یا بخار به صورت عرضی در سطوح پره دار جریان می یابد. در مقایسه با طرح‌های جریان مخالف، ساخت کندانسورهای جریان موازی ساده‌تر هستند و می‌توانند به فشردگی دست یابند، اما برای یکنواخت نگه داشتن سرعت مبرد و شار گرما، به توزیع دقیق هدر و لوله نیاز دارند.

چیدمان سیم پیچ و هدرهای معمولی

طراحی خوب هدر (قطر هدر مناسب، قرارگیری نازل ورودی/خروجی و بافل های داخلی) از توزیع نادرست جلوگیری می کند. برای جریان موازی: اطمینان حاصل کنید که هر ردیف لوله مقاومت هیدرولیکی مشابهی دارد. فقط در صورت لزوم از روزنه ها یا محدود کننده ها استفاده کنید. مدارهای لوله چند گذری یا متقاطع را زمانی در نظر بگیرید که هدرهای موازی تک گذری اختلاف سرعت زیادی ایجاد می کنند.

ملاحظات سمت هوا برای جریان موازی

در دستگاه‌هایی که هوا در داخل بسته‌های لوله پره‌دار جریان دارد، سرعت صورت را در محدوده توصیه‌شده (اغلب 1.5 تا 3.5 متر بر ثانیه برای کندانسورهای هوا خنک) حفظ کنید تا انتقال حرارت و نویز متعادل شود. برای آب و هوای مرطوب، افزایش فاصله باله ها گرفتگی ناشی از ذرات و رسوب بیولوژیکی را کاهش می دهد اما مساحت را کاهش می دهد.

انتخاب هندسه باله و مبادلات عملکرد

هندسه پره را برای مطابقت با اهداف عملکرد انتخاب کنید: انتقال حرارت در واحد افت فشار را به حداکثر برسانید، هزینه و جرم را به حداقل برسانید، و امکان ساخت با ابزار مورد نیاز را فراهم کنید. هندسه پره های رایج برای کندانسور:

• باله های ساده (مستقیم) - ساده، کم هزینه، مناسب برای سرعت های کم تا متوسط هوا.
• باله های لووردار - تلاطم موضعی بالا ساعت را افزایش می دهد، در جاهایی که شار گرما زیاد است و مقداری افت فشار قابل قبول است استفاده می شود.
• باله های شکاف یا سوراخ شده - تلاطم را با فشار متوسط ​​اضافه کنید. اغلب در کندانسورهای خودرو استفاده می شود.
• باله های موج دار - افزایش متوسط ​​و افت فشار؛ می تواند راحت تر از لوور تمیز شود.

معاوضه های کمی

هنگام مقایسه طرح ها، ارزیابی کنید: مساحت خاص (m²/m³)، بازده پره η_f، و افت فشار ΔP. اگر محدودیت‌های قدرت فن و نویز سخت‌گیرانه باشد، طرحی با سطح خارجی 20 تا 50 درصد بیشتر (از طریق باله‌ها) اما ΔP 2 تا 3× بیشتر ممکن است نامطلوب باشد. از نقشه‌های عملکرد (h در مقابل Re، و افت فشار در مقابل Re) از داده‌های فروشنده برای انتخاب هندسه باله استفاده کنید.

مثال طراحی عملی و محاسبه نمونه

نیاز مثال: رد Q = 10 کیلو وات گرما در کندانسور با U ≈ 150 W·m-²·K-1 و میانگین اختلاف دما ΔT ≈ 10 K. منطقه موثر خارجی مورد نیاز A = Q / (U · ΔT). با استفاده از این اعداد نماینده به دست می آید:

A_required = 10000 W ÷ (150 W·m-²·K-1 × 10 K) = 6.67 m² (منطقه پره دار موثر). اگر یک هندسه باله انتخاب شده ضریب افزایش باله را در حدود 4 بدهد (یعنی سطح هندسی باله 4× مساحت لوله برهنه باشد و میانگین کارایی باله در آن فاکتور گنجانده شود)، مساحت لوله/سطح برهنه ≈ 1.67 متر مربع مورد نیاز است.

نحوه استفاده از این اعداد

از هدف ناحیه لخت، ابعاد سیم پیچ و طول لوله را استخراج کنید: مساحت برهنه در هر متر لوله = π · D_o · 1 متر (در صورت استفاده از باله های نواری، سطح یقه باله کمک می کند). مساحت خالی مورد نیاز را بر مساحت در هر لوله متر تقسیم کنید تا طول لوله را به دست آورید، سپس لوله ها را به ردیف ها و ستون ها بچینید تا با محدودیت های سیم پیچ مطابقت داشته باشد. همیشه 10 تا 25 درصد مساحت اضافی برای رسوب و حاشیه عملکرد فصلی اضافه کنید.

ملاحظات ساخت، مواد و خوردگی

مواد پره متداول آلومینیوم (سبک، رسانایی بالا، مقرون به صرفه) و مس (رسانایی بیشتر، هزینه بالاتر) هستند. برای کندانسورهای بیرونی که در معرض جوهای خورنده قرار دارند، باله های پوشش داده شده (پوشش های پلیمری، اپوکسی یا آبدوست) یا پره های فولادی ضد زنگ را برای محیط های بسیار خورنده در نظر بگیرید. تکنیک های ساخت: شکل دهی پیوسته رول برای باله های ساده و موج دار، مهر زنی برای لوورها، و لحیم کاری یا اتصال مکانیکی به لوله ها. طراحی برای سهولت در تمیز کردن (لوورهای محکم کمتر در جایی که بارگیری ذرات مورد انتظار است).

بهترین شیوه ها، آزمایش و نگهداری

برای اطمینان از عملکرد کندانسور قابل اطمینان در میدان، مراحل زیر را دنبال کنید:

• آزمایش نمونه اولیه: یک بخش سیم پیچ نماینده بسازید و قبل از تولید کامل، h و ΔP را در یک تونل باد یا دکل آزمایشی اندازه گیری کنید.
• حساب رسوب: هندسه باله‌هایی که به راحتی قابل تمیز کردن هستند را مشخص کنید و برای تمیز کردن دوره‌ای کویل به سرویس دسترسی داشته باشید.
• شامل پورت های ابزار دقیق: پروب های دما و شیرهای فشار برای تأیید یکنواختی توزیع مبرد و جریان هوا.
• بهینه سازی زمین باله برای آب و هوای محلی: زمین های تنگ تر برای آب و هوای تمیز و خشک. پهن تر برای شرایط گرد و غبار و مرطوب.

جدول مقایسه: انواع باله های رایج و زمان استفاده از آنها

چک لیست خلاصه و عملی

• با دفع حرارت مورد نیاز شروع کنید و مساحت موثر مورد نیاز را با استفاده از Q = U·A·ΔT محاسبه کنید.
• هندسه پره را انتخاب کنید تا به ضریب افزایش هدف ضربه بزنید و در عین حال افت فشار را برای بودجه فن/پنکه قابل قبول نگه دارید.
• هدرها و مدارها را برای اطمینان از توزیع یکنواخت مبرد در کندانسورهای جریان موازی طراحی کنید.
• نمونه اولیه و آزمایش یک بخش سیم پیچ نماینده برای عملکرد و حساسیت به رسوب قبل از تولید کامل.
• حاشیه رسوب (10-25%) و قابلیت سرویس را در مشخصات نهایی لحاظ کنید.