چگونه مبدل حرارتی Plate Fin تضاد بین راندمان تبادل حرارت و افت فشار را متعادل می کند؟

در مبدل حرارتی باله صفحه ای تعادل بین راندمان تبادل حرارت و افت فشار یک چالش کلیدی طراحی است. معمولاً یک رابطه متضاد بین راندمان تبادل حرارت و افت فشار وجود دارد، یعنی:

بهبود راندمان تبادل حرارت معمولاً به معنای افزایش ناحیه تبادل حرارتی یا افزایش ویژگی‌های آشفته سیال است که باعث افزایش مقاومت اصطکاک سیال و در نتیجه افزایش افت فشار می‌شود.

کاهش افت فشار معمولاً مستلزم کاهش مقاومت جریان است، مانند افزایش مسیر جریان سیال، کاهش مساحت پره‌ها یا تغییر طراحی کانال جریان، که ممکن است منجر به کاهش راندمان تبادل حرارت شود.

چگونه تناقض بین راندمان تبادل حرارت و افت فشار را متعادل کنیم:

بهینه سازی طراحی باله
شکل و آرایش پره ها: شکل، ضخامت، فاصله و آرایش پره ها به طور مستقیم بر جریان و راندمان تبادل حرارت سیال تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، استفاده از باله های موج دار یا باله های مارپیچی می تواند تلاطم سیال را افزایش دهد، راندمان تبادل حرارت را بهبود بخشد و مسیر جریان را پیچیده تر کند و در نتیجه توزیع سیال را بهبود بخشد. با این حال، چنین طراحی اغلب باعث افزایش افت فشار می شود، بنابراین لازم است یک طرح باله مناسب بر اساس نیازهای خاص سیستم پیدا شود.

انتخاب فاصله پره ها: افزایش فاصله پره ها می تواند مقاومت سیال را کاهش دهد و در نتیجه افت فشار را کاهش دهد، اما فاصله بیش از حد بزرگ باعث کاهش سطح تبادل گرما و راندمان تبادل حرارتی می شود. بنابراین، فاصله باله ها باید با توجه به تقاضای بار حرارتی و نرخ جریان سیال بهینه شود.

طراحی و بهینه سازی کانال جریان
طراحی مسیر جریان سیال: در یک مبدل حرارتی پره صفحه ای، طول و پیچیدگی مسیر سیال بر کاهش فشار سیال تأثیر می گذارد. هنگام طراحی، سعی کنید مسیر جریان سیال، منطقه تبادل حرارت را بدون افزایش مقاومت جریان بیش از حد افزایش دهد. به عنوان مثال، از طراحی کانال جریان پلکانی می توان برای افزایش سطح تماس بین سیال و پره و در عین حال افت فشار کم استفاده کرد.

ترکیب کانال جریان موازی و سری: با ترکیب منطقی کانال‌های جریان موازی و سری، می‌توان با حفظ افت فشار کم، راندمان تبادل حرارت را به حداکثر رساند. کانال های جریان موازی می توانند مقاومت سیال عبوری از هر کانال را کاهش دهند، در حالی که کانال های جریان سری به افزایش منطقه تبادل حرارت کمک می کنند.

انتخاب و بهینه سازی سیالات
خواص سیال: انتخاب سیال کاری مناسب، به ویژه با در نظر گرفتن ویسکوزیته، چگالی و هدایت حرارتی سیال، تأثیر مهمی در کنترل راندمان تبادل حرارت و افت فشار دارد. به طور کلی، سیالات با ویسکوزیته پایین هنگام جریان در مبدل حرارتی افت فشار کمتری دارند، اما رسانایی حرارتی آنها ممکن است کمتر باشد، که ممکن است منجر به راندمان تبادل حرارت ضعیف شود. در مقابل، سیالات با ویسکوزیته بالا می توانند راندمان تبادل حرارت را بهبود بخشند، اما مستعد افزایش افت فشار هستند. بنابراین لازم است سیال مناسب با توجه به سناریوی کاربردی خاص انتخاب شود.

از سیستم چند سیال استفاده کنید

انتقال حرارت چند سیال: در برخی کاربردها، افت فشار در هر کانال سیال را می توان با معرفی انتقال حرارت چند سیال کاهش داد. به عنوان مثال، یک طرح جریان تقسیم می‌تواند برای جریان دادن سیالات مختلف در کانال‌های جریان مختلف برای بهینه‌سازی افت فشار و اثر تبادل حرارت استفاده شود.

کنترل معقول دبی جریان
بهینه سازی نرخ جریان: هر چه سرعت جریان بیشتر باشد، اثر اغتشاش قوی تر، راندمان تبادل حرارت بیشتر می شود، اما در عین حال افت فشار نیز افزایش می یابد. بنابراین، بسیار مهم است که نرخ جریان را به طور معقول انتخاب کنید. معمولاً نرخ جریان مبدل حرارتی پره صفحه ای بین 1.5 تا 4 متر بر ثانیه تنظیم می شود. با بهینه سازی نرخ جریان از طریق شبیه سازی عددی و آزمایش، می توان تعادلی بین راندمان تبادل حرارت و افت فشار پیدا کرد.

از سطوح تبادل حرارت کارآمد استفاده کنید
کنترل ناهمواری سطح: با طراحی و تقویت سطح (مانند زبری سطح، پاشش یا پوشاندن با پوشش های ویژه)، ظرفیت انتقال حرارت سطح مبدل حرارتی را می توان افزایش داد، مقاومت حرارتی را کاهش داد و راندمان تبادل حرارت را بهبود بخشید، در حالی که افت فشار جریان را می توان تا حد معینی کنترل کرد.

بهینه سازی اندازه مبدل حرارتی
در طول طراحی، منطقه تبادل حرارتی را می توان با افزایش اندازه مبدل حرارتی (افزایش تعداد پره ها و طول کانال جریان) افزایش داد، اما اندازه بیش از حد بزرگ ممکن است منجر به افت فشار بیش از حد شود. بهینه سازی اندازه مستلزم یافتن بهترین نقطه بین تقاضای تبادل حرارت و افت فشار مجاز است.

برای متعادل کردن تضاد بین راندمان تبادل حرارت و افت فشار، لازم است به طور جامع عواملی مانند طراحی پره، بهینه‌سازی کانال جریان، انتخاب سیال و کنترل نرخ جریان را در نظر بگیریم. از طریق شبیه‌سازی عددی، تأیید تجربی و بهینه‌سازی سیستم، افت فشار را می‌توان در محدوده قابل قبولی کنترل کرد و در عین حال نیازهای تبادل حرارت را برآورده کرد. این بهینه سازی معمولاً یک فرآیند تکراری است که نیاز به تنظیم و بهبود مستمر در کاربردهای عملی دارد.