Cánh tản nhiệt & thiết kế bộ trao đổi nhiệt cánh tản nhiệt song song

Nguyên lý thiết kế cánh tản nhiệt cho ứng dụng bình ngưng

Các cánh tản nhiệt làm tăng diện tích bề mặt bên ngoài hiệu quả của ống hoặc tấm để tăng cường truyền nhiệt đối lưu. Trong các thiết bị ngưng tụ (khí thành lỏng hoặc hơi sang lỏng), các cánh tản nhiệt thường được sử dụng ở phía hơi/không khí để giảm chi phí và dấu chân của bộ trao đổi đồng thời đạt được khả năng thải nhiệt cần thiết. Các biến số thiết kế chính là loại vây (trơn, có mái che, lượn sóng, xỏ lỗ), bước vây (vây trên mét hoặc vây trên mỗi inch), chiều cao vây, độ dày vây và độ dẫn nhiệt của vật liệu.

Khái niệm cơ bản về hiệu suất nhiệt

Sử dụng hệ thức truyền nhiệt tổng thể Q = U · A · ΔT . Các cánh tản nhiệt hoạt động bằng cách tăng diện tích biểu kiến ​​A và bằng cách thay đổi hệ số đối lưu cục bộ h. Đối với bề mặt có gờ, diện tích hiệu dụng là A_finned = η_f · A_geometric, trong đó η_f là hiệu suất vây. Thiết kế thực tế đòi hỏi phải xem xét đồng thời U, η_f và mật độ đóng gói để tránh giảm áp suất quá mức.

Hạn chế về cơ học và luồng không khí

Khoảng cách vây chặt hơn sẽ làm tăng diện tích nhưng làm tăng độ giảm áp suất phía không khí và nguy cơ tắc nghẽn. Trong cuộn dây ngưng tụ có luồng khí song song (bình ngưng dòng song song), sự phân bố dòng chảy đồng đều trên mặt cuộn dây là rất quan trọng; dòng chảy không đều làm giảm sự truyền nhiệt cục bộ và có thể gây ra các mảng khô hoặc đóng băng cục bộ. Thiết kế phải cân bằng giữa diện tích, công suất quạt và mức độ bám bẩn.

Bình ngưng dòng song song có bộ trao đổi nhiệt dạng cánh - vận hành và bố trí

Bình ngưng dòng song song dẫn chất làm lạnh (hoặc chất lỏng làm việc) qua nhiều ống song song trong khi không khí hoặc hơi chảy ngang qua các mặt vây. So với thiết kế dòng chảy ngược, thiết bị ngưng tụ dòng song song được sản xuất đơn giản hơn và có thể đạt được độ nén nhưng yêu cầu phân phối đầu và ống cẩn thận để giữ vận tốc môi chất lạnh và dòng nhiệt đồng đều.

Bố trí và tiêu đề cuộn dây điển hình

Thiết kế đầu phun tốt (đường kính đầu phun thích hợp, vị trí đầu vào/đầu ra và các vách ngăn bên trong) ngăn ngừa sự phân phối sai. Đối với dòng chảy song song: đảm bảo mỗi hàng ống có lực cản thủy lực tương tự nhau; chỉ sử dụng các lỗ hoặc bộ hạn chế nếu cần thiết. Hãy xem xét các mạch ống nhiều đường hoặc ghép chéo khi các đầu nối song song một đường sẽ tạo ra sự chênh lệch vận tốc quá mức.

Cân nhắc phía không khí cho dòng chảy song song

Trong các thiết bị có không khí chảy qua các gói ống có vây, hãy duy trì vận tốc bề mặt trong phạm vi khuyến nghị (thường là 1,5–3,5 m/s đối với bình ngưng làm mát bằng không khí) để cân bằng sự truyền nhiệt và tiếng ồn. Đối với khí hậu ẩm ướt, khoảng cách vây tăng lên giúp giảm tắc nghẽn do các hạt và cặn sinh học nhưng làm giảm diện tích.

Lựa chọn hình dạng vây và đánh đổi hiệu suất

Chọn hình dạng cánh tản nhiệt để phù hợp với mục tiêu hiệu suất: tối đa hóa khả năng truyền nhiệt trên mỗi đơn vị giảm áp suất, giảm thiểu chi phí và khối lượng, đồng thời cho phép khả năng sản xuất với công cụ cần thiết. Hình dạng vây phổ biến cho bình ngưng:

• Cánh tản nhiệt trơn (thẳng) — đơn giản, chi phí thấp, phù hợp với vận tốc không khí thấp đến trung bình.
• Cánh tản nhiệt - nhiễu loạn cục bộ cao làm tăng h, được sử dụng ở nơi có thông lượng nhiệt cao và độ giảm áp suất có thể chấp nhận được.
• Vây bị rạch hoặc xuyên thủng - tạo thêm nhiễu loạn với áp suất vừa phải; thường được sử dụng trong bình ngưng ô tô.
• Vây lượn sóng - tăng cường trung gian và giảm áp suất; có thể dễ dàng làm sạch hơn cửa chớp.

Sự đánh đổi về mặt định lượng

Khi so sánh các thiết kế, hãy đánh giá: diện tích riêng (m2/m³), hiệu suất cánh η_f và độ giảm áp suất ΔP. Một thiết kế có diện tích bề mặt bên ngoài cao hơn 20–50% (thông qua các cánh tản nhiệt) nhưng ΔP cao hơn 2–3× vẫn có thể là điều không mong muốn nếu hạn chế về công suất quạt và tiếng ồn là nghiêm ngặt. Sử dụng bản đồ hiệu suất (h so với Re và độ giảm áp suất so với Re) từ dữ liệu của nhà cung cấp để chọn hình dạng vây.

Ví dụ thiết kế thực tế và tính toán mẫu

Yêu cầu ví dụ: loại bỏ Q = 10 kW nhiệt trong thiết bị ngưng tụ có tổng dự kiến U ≈ 150 W·m⁻²·K⁻¹ và chênh lệch nhiệt độ trung bình ΔT ≈ 10 K. Diện tích hiệu dụng bên ngoài yêu cầu A = Q / (U · ΔT). Sử dụng những con số đại diện này mang lại:

A_required = 10.000 W `(150 W·m⁻²·K⁻¹ × 10 K) = 6,67 m2 (diện tích vây hiệu quả). Nếu hình dạng vây được chọn mang lại hệ số tăng cường vây khoảng 4 (tức là diện tích vây hình học là 4× diện tích ống trần và hiệu suất vây trung bình được bao gồm trong hệ số đó), thì diện tích bề mặt/ống trần cần thiết là ≈ 1,67 m2.

Cách sử dụng những con số này

Từ mục tiêu diện tích trần, suy ra kích thước cuộn dây và chiều dài ống: diện tích trần trên một mét ống = π · D_o · 1m (đóng góp diện tích cổ vây nếu sử dụng vây sọc). Chia diện tích trần cần thiết cho diện tích trên mét ống để có tổng chiều dài ống, sau đó sắp xếp các ống thành hàng và cột để phù hợp với các hạn chế của mặt cuộn. Luôn thêm 10–25% diện tích để phạm lỗi và hiệu suất theo mùa.

Cân nhắc về sản xuất, vật liệu và ăn mòn

Chất liệu vây phổ biến là nhôm (nhẹ, dẫn điện cao, tiết kiệm) và đồng (dẫn điện cao hơn, giá thành cao hơn). Đối với các bình ngưng ngoài trời tiếp xúc với môi trường ăn mòn, hãy xem xét các cánh tản nhiệt được phủ (lớp phủ polymer, epoxy hoặc ưa nước) hoặc các cánh tản nhiệt bằng thép không gỉ cho môi trường có tính ăn mòn cao. Kỹ thuật sản xuất: tạo hình cuộn liên tục cho các vây trơn và lượn sóng, dập cho các cánh đảo gió, hàn đồng hoặc liên kết cơ học với các ống. Thiết kế để dễ dàng vệ sinh (ít cửa chớp kín hơn nơi dự kiến ​​sẽ có chứa các hạt).

Các phương pháp thực hành, thử nghiệm và bảo trì tốt nhất

Thực hiện theo các bước sau để đảm bảo hiệu suất bình ngưng đáng tin cậy tại hiện trường:

• Thử nghiệm nguyên mẫu: xây dựng một đoạn cuộn dây đại diện và đo h và ΔP trong đường hầm gió hoặc giàn thử nghiệm trước khi đưa vào sản xuất hoàn chỉnh.
• Giải quyết vấn đề tắc nghẽn: chỉ định hình dạng cánh tản nhiệt dễ dàng làm sạch và cung cấp quyền truy cập dịch vụ để làm sạch cuộn dây định kỳ.
• Bao gồm các cổng thiết bị: đầu dò nhiệt độ và vòi áp suất để xác nhận tính đồng nhất của phân phối chất làm lạnh và luồng không khí.
• Tối ưu hóa độ cao vây cho phù hợp với khí hậu địa phương: độ cao vây chặt hơn cho khí hậu khô, sạch; rộng hơn cho điều kiện bụi bặm, ẩm ướt.

Bảng so sánh: các loại vây phổ biến và thời điểm sử dụng chúng

Danh sách kiểm tra tóm tắt và có thể hành động

• Bắt đầu với lượng nhiệt thải ra cần thiết và tính diện tích hiệu quả cần thiết bằng cách sử dụng Q = U·A·ΔT.
• Chọn hình dạng cánh tản nhiệt để đạt được hệ số tăng cường mục tiêu trong khi vẫn giữ mức giảm áp suất ở mức chấp nhận được đối với ngân sách công suất quạt/quạt.
• Thiết kế các đầu nối và mạch để đảm bảo phân phối chất làm lạnh đồng đều trong bình ngưng dòng song song.
• Nguyên mẫu và kiểm tra phần cuộn dây đại diện về hiệu suất và khả năng bám bẩn trước khi sản xuất hoàn chỉnh.
• Bao gồm biên độ tắc nghẽn (10–25%) và khả năng sử dụng trong thông số kỹ thuật cuối cùng.