Konstrukce chladiče a výměníku tepla s paralelním prouděním

Zásady návrhu žeber chladiče pro kondenzátorové aplikace

Žebra zvětšují efektivní vnější povrch trubek nebo desek, aby podpořily přenos tepla konvekcí. V kondenzátorech (plyn-kapalina nebo pára-kapalina) se žebra běžně používají na straně pára/vzduch, aby se snížily náklady a půdorys výměníku při dosažení požadovaného odvodu tepla. Klíčovými konstrukčními proměnnými jsou typ žebra (hladký, žaluziový, vlnitý, děrovaný), rozteč žeber (žebra na metr nebo žebra na palec), výška žebra, tloušťka žebra a tepelná vodivost materiálu.

Základy tepelného výkonu

Použijte celkový vztah přenosu tepla Q = U · A · ΔT . Ploutve fungují tak, že zvětšují zdánlivou plochu A a mění místní konvektivní koeficient h. Pro žebrovaný povrch je efektivní plocha A_finned = η_f · A_geometric, kde η_f je účinnost žeber. Praktický návrh vyžaduje současné zohlednění U, η_f a hustoty náplně, aby se zabránilo nadměrnému poklesu tlaku.

Mechanická omezení a omezení proudění vzduchu

Užší rozteč žeber zvětšuje plochu, ale zvyšuje pokles tlaku na straně vzduchu a riziko znečištění. U kondenzátorových výměníků s paralelním prouděním vzduchu (paralelní proudový kondenzátor) je rovnoměrná distribuce proudění přes čelo cívky rozhodující; nerovnoměrné proudění snižuje místní přenos tepla a může způsobit lokální suchá místa nebo zamrznutí. Konstrukce musí vyvažovat plochu, výkon ventilátoru a přídavek na znečištění.

Kondenzátory s paralelním prouděním s lamelovými výměníky tepla – provoz a uspořádání

Kondenzátory s paralelním prouděním vedou chladivo (nebo pracovní tekutinu) několika paralelními trubkami, zatímco vzduch nebo pára proudí napříč žebrovanými čely. Ve srovnání s protiproudými konstrukcemi jsou kondenzátory s paralelním prouděním jednodušší na výrobu a mohou dosáhnout kompaktnosti, ale vyžadují pečlivou distribuci sběračů a trubek, aby byly rychlosti chladiva a tepelný tok rovnoměrné.

Typické rozložení cívek a hlavičky

Dobrá konstrukce sběrače (správný průměr sběrače, umístění vstupní/výstupní trysky a vnitřní přepážky) zabraňuje nesprávné distribuci. Pro paralelní průtok: zajistěte, aby každá řada trubek měla podobný hydraulický odpor; používejte otvory nebo omezovače pouze v případě potřeby. Zvažte víceprůchodové nebo křížově spojené trubkové obvody, pokud by jednoprůchodové paralelní sběrače poskytovaly nadměrné rozdíly v rychlosti.

Úvahy na straně vzduchu pro paralelní proudění

V zařízeních, kde vzduch proudí přes svazky žebrovaných trubek, udržujte čelní rychlost v doporučených rozmezích (často 1,5–3,5 m/s u vzduchem chlazených kondenzátorů), abyste vyrovnali přenos tepla a hluk. Pro vlhké podnebí větší rozteč žeber snižuje zanášení částicemi a biologickým znečištěním, ale zmenšuje plochu.

Výběr geometrie ploutví a kompromisy výkonu

Zvolte geometrii žeber tak, aby odpovídala výkonnostním cílům: maximalizujte přenos tepla na jednotku poklesu tlaku, minimalizujte náklady a hmotnost a umožněte vyrobitelnost s požadovanými nástroji. Běžné geometrie žeber pro kondenzátory:

• Hladké (rovné) ploutve – jednoduché, levné, vhodné pro nízké až střední rychlosti vzduchu.
• Žaluzie – vysoká místní turbulence zvyšuje h, používá se tam, kde je vysoký tepelný tok a určitý pokles tlaku je přijatelný.
• Proříznuté nebo proražené ploutve – přidejte turbulenci s mírnou tlakovou penalizací; často se používá v automobilových kondenzátorech.
• Vlnité ploutve – střední zesílení a pokles tlaku; lze snadněji čistit než žaluzie.

Kvantitativní kompromisy

Při porovnávání návrhů vyhodnoťte: specifickou plochu (m²/m³), účinnost žeber η_f a tlakovou ztrátu ΔP. Konstrukce s o 20–50 % vyšší vnější povrchovou plochou (přes žebra), ale 2–3× vyšším ΔP může být stále nežádoucí, pokud jsou výkon ventilátoru a omezení hluku přísné. Použijte mapy výkonu (h vs. Re a pokles tlaku vs. Re) z dat dodavatele k výběru geometrie žeber.

Praktický příklad návrhu a vzorový výpočet

Příklad požadavku: odvést Q = 10 kW tepla v kondenzátoru s očekávaným celkovým U ≈ 150 W·m⁻²·K⁻¹ a středním teplotním rozdílem ΔT ≈ 10 K. Požadovaná vnější efektivní plocha A = Q / (U · ΔT). Pomocí těchto reprezentativních čísel získáte:

A_required = 10 000 W ÷ (150 W·m⁻²·K⁻¹ × 10 K) = 6,67 m² (účinná plocha žeber). Pokud zvolená geometrie žebra poskytuje faktor zlepšení žebrování přibližně 4 (tj. geometrická žebrovaná plocha je 4× plocha holé trubky a do tohoto faktoru je zahrnuta průměrná účinnost žebra), požadovaná plocha holé trubky/povrchu ≈ 1,67 m².

Jak tato čísla používat

Z cílové plochy odvoďte rozměry cívky a délku trubky: holá plocha na metr trubky = π · D_o · 1 m (příspěvky plochy límce ploutví při použití pásových žeber). Vydělte požadovanou holou plochu plochou na metr trubky, abyste získali celkovou délku trubky, a poté uspořádejte trubky do řad a sloupců tak, aby odpovídaly omezením čela cívky. Vždy přidejte 10–25 % plochy navíc pro znečištění a sezónní výkonnostní rezervu.

Výroba, materiály a úvahy o korozi

Běžnými materiály žeber jsou hliník (lehký, vysoká vodivost, ekonomický) a měď (vyšší vodivost, vyšší cena). U venkovních kondenzátorů vystavených korozivní atmosféře zvažte potažená žebra (polymerní, epoxidové nebo hydrofilní povlaky) nebo žebra z nerezové oceli pro vysoce korozivní prostředí. Výrobní techniky: kontinuální válcování pro hladká a vlnitá žebra, lisování pro žaluzie a pájení nebo mechanické lepení na trubky. Design pro snadné čištění (méně těsných žaluzií tam, kde se očekává zatížení částicemi).

Osvědčené postupy, testování a údržba

Chcete-li zajistit spolehlivý výkon kondenzátoru, postupujte podle těchto kroků:

• Test prototypu: vytvořte reprezentativní segment cívky a změřte h a ΔP ve větrném tunelu nebo na zkušebním zařízení před zahájením plné výroby.
• Zohledněte znečištění: specifikujte snadno čistitelné geometrie žeber a poskytněte servisní přístup pro pravidelné čištění spirály.
• Zahrňte porty pro přístrojové vybavení: teplotní sondy a tlakové kohouty pro ověření rovnoměrnosti distribuce chladiva a proudění vzduchu.
• Optimalizujte rozteč ploutví pro místní klima: užší rozteč pro čisté a suché klima; širší pro prašné a vlhké podmínky.

Srovnávací tabulka: běžné typy ploutví a kdy je použít

Shrnutí a akční kontrolní seznam

• Začněte s požadovaným odvodem tepla a vypočítejte požadovanou efektivní plochu pomocí Q = U·A·ΔT.
• Vyberte geometrii žeber, abyste dosáhli cílového faktoru vylepšení a zároveň udrželi tlakovou ztrátu přijatelnou pro rozpočet na výkon ventilátoru/ventilátoru.
• Navrhněte sběrače a okruhy tak, aby byla zajištěna rovnoměrná distribuce chladiva v kondenzátorech s paralelním prouděním.
• Před plnou výrobou prototypujte a otestujte reprezentativní sekci cívky na výkon a náchylnost k znečištění.
• Do konečné specifikace zahrňte rozpětí znečištění (10–25 %) a provozuschopnost.