Żebra radiatora i konstrukcja wymiennika ciepła z żebrami o przepływie równoległym

Zasady projektowania żeberek radiatora do zastosowań w skraplaczach

Żebra zwiększają efektywną powierzchnię zewnętrzną rur lub płyt, aby zwiększyć konwekcyjny transfer ciepła. W skraplaczach (gaz-ciecz lub para-ciecz) żeberka są zwykle stosowane po stronie para/powietrze, aby zmniejszyć koszty i powierzchnię wymiennika, jednocześnie zapewniając wymagane odprowadzanie ciepła. Kluczowymi zmiennymi projektowymi są rodzaj płetwy (gładkie, żaluzjowe, faliste, przebijane), rozstaw płetwy (lamele na metr lub żebra na cal), wysokość płetwy, grubość płetwy i przewodność cieplna materiału.

Podstawy wydajności cieplnej

Skorzystaj z ogólnej zależności przenikania ciepła Q = U · A · ΔT . Płetwy działają poprzez zwiększenie powierzchni widocznej A i zmianę lokalnego współczynnika konwekcji h. W przypadku powierzchni żebrowanej obszar efektywny wynosi A_finned = η_f · A_geometric, gdzie η_f to wydajność żebrowania. Praktyczny projekt wymaga jednoczesnego uwzględnienia U, η_f i gęstości upakowania, aby uniknąć nadmiernego spadku ciśnienia.

Ograniczenia mechaniczne i przepływu powietrza

Węższy podział żeber zwiększa powierzchnię, ale zwiększa spadek ciśnienia po stronie powietrza i ryzyko zanieczyszczenia. W wężownicach skraplacza z równoległym przepływem powietrza (skraplacz o przepływie równoległym) krytyczne znaczenie ma równomierny rozkład przepływu na powierzchni wężownicy; nierówny przepływ zmniejsza lokalny przepływ ciepła i może powodować miejscowe suche plamy lub zamarzanie. Projekt musi równoważyć powierzchnię, moc wentylatora i naddatek na zanieczyszczenia.

Skraplacze równoległe z lamelowymi wymiennikami ciepła – działanie i budowa

Skraplacze o przepływie równoległym kierują czynnik chłodniczy (lub płyn roboczy) przez wiele równoległych rur, podczas gdy powietrze lub para przepływa poprzecznie po powierzchniach żebrowanych. W porównaniu do konstrukcji przeciwprądowych, skraplacze z przepływem równoległym są prostsze w produkcji i mogą osiągnąć zwartą budowę, ale wymagają starannego rozmieszczenia kolektorów i rurek, aby utrzymać równomierną prędkość czynnika chłodniczego i strumień ciepła.

Typowy układ cewek i nagłówków

Dobra konstrukcja kolektora (odpowiednia średnica kolektora, rozmieszczenie dyszy wlotowej/wylotowej i wewnętrzne przegrody) zapobiega nieprawidłowemu rozprowadzaniu. W przypadku przepływu równoległego: upewnij się, że każdy rząd rur ma podobny opór hydrauliczny; stosować kryzy lub ograniczniki tylko w razie potrzeby. Rozważ obwody rurowe wieloprzebiegowe lub ze sprzężeniem krzyżowym, gdy jednoprzebiegowe złącza równoległe powodowałyby nadmierne różnice prędkości.

Rozważania po stronie powietrza dotyczące przepływu równoległego

W urządzeniach, w których powietrze przepływa przez pakiety rurek żebrowanych, należy utrzymywać prędkość czołową w zalecanych zakresach (często 1,5–3,5 m/s w przypadku skraplaczy chłodzonych powietrzem), aby zrównoważyć wymianę ciepła i hałas. W wilgotnym klimacie zwiększony odstęp między żebrami zmniejsza zatykanie spowodowane cząstkami stałymi i zanieczyszczeniami biologicznymi, ale zmniejsza powierzchnię.

Wybór geometrii płetwy i kompromisy w zakresie wydajności

Wybierz geometrię żebra, aby dopasować ją do celów wydajnościowych: zmaksymalizuj wymianę ciepła na jednostkę spadku ciśnienia, zminimalizuj koszty i masę oraz umożliwij produkcję przy użyciu wymaganego oprzyrządowania. Typowe geometrie żeberek dla skraplaczy:

• Zwykłe (proste) płetwy — proste, tanie, dobre do niskich i średnich prędkości powietrza.
• Żebra żaluzjowe — wysokie lokalne turbulencje zwiększają h, stosowane tam, gdzie strumień ciepła jest duży i dopuszczalny jest pewien spadek ciśnienia.
• Rozcięte lub przebite płetwy — dodaj turbulencje i umiarkowane ciśnienie; często stosowany w skraplaczach samochodowych.
• Faliste płetwy — pośrednie wzmocnienie i spadek ciśnienia; mogą być łatwiejsze do czyszczenia niż żaluzje.

Ilościowe kompromisy

Porównując projekty, należy ocenić: powierzchnię właściwą (m²/m³), wydajność lamel η_f i spadek ciśnienia ΔP. Konstrukcja z 20–50% większą powierzchnią zewnętrzną (przez żebra), ale 2–3 razy wyższą ΔP może nadal być niepożądana, jeśli ograniczenia dotyczące mocy wentylatora i hałasu są surowe. Użyj map wydajności (h vs. Re i spadek ciśnienia vs. Re) z danych dostawcy, aby wybrać geometrię żebra.

Praktyczny przykład projektu i przykładowe obliczenia

Przykładowe wymaganie: odrzucić Q = 10 kW ciepła w skraplaczu o oczekiwanym całkowitym U ≈ 150 W·m⁻²·K⁻¹ i średniej różnicy temperatur ΔT ≈ 10 K. Wymagana zewnętrzna powierzchnia efektywna A = Q / (U · ΔT). Użycie tych reprezentatywnych liczb daje:

A_wymagane = 10 000 W ÷ (150 W·m⁻²·K⁻¹ × 10 K) = 6,67 m² (efektywna powierzchnia żebrowania). Jeśli wybrana geometria żeber daje współczynnik wzmocnienia żeberek około 4 (tj. geometryczny obszar żeber jest 4 razy większy od powierzchni gołych rur i do tego współczynnika wliczana jest średnia wydajność żeber), wymagana powierzchnia gołej rury/powierzchni wynosi ≈ 1,67 m².

Jak korzystać z tych liczb

Z docelowej powierzchni nieosłoniętej wyprowadź wymiary cewki i długość rury: powierzchnia odsłonięta na metr rury = π · D_o · 1m (udział powierzchni kołnierza żebra w przypadku stosowania żeber paskowych). Podziel wymaganą powierzchnię gołą przez powierzchnię na metr rury, aby uzyskać całkowitą długość rury, a następnie ułóż rury w rzędy i kolumny, aby dopasować je do ograniczeń powierzchni cewki. Zawsze dodawaj 10–25% dodatkowej powierzchni na pokrycie zanieczyszczeń i sezonowy margines wydajności.

Produkcja, materiały i względy korozyjne

Typowymi materiałami żeberek są aluminium (lekkie, o wysokiej przewodności, ekonomiczne) i miedź (wyższa przewodność, wyższy koszt). W przypadku skraplaczy zewnętrznych narażonych na działanie atmosfery korozyjnej należy rozważyć lamele powlekane (powłoki polimerowe, epoksydowe lub hydrofilowe) lub lamele ze stali nierdzewnej w przypadku środowisk silnie korozyjnych. Techniki produkcyjne: ciągłe formowanie na rolkach gładkich i falistych żeberek, tłoczenie żaluzji oraz lutowanie twarde lub mechaniczne łączenie rur. Konstrukcja ułatwiająca czyszczenie (mniej ciasnych żaluzji w przypadku spodziewanego obciążenia cząstkami stałymi).

Najlepsze praktyki, testowanie i konserwacja

Aby zapewnić niezawodne działanie skraplacza w terenie, należy wykonać poniższe kroki:

• Test prototypu: zbuduj reprezentatywny segment cewki i zmierz h i ΔP w tunelu aerodynamicznym lub na stanowisku testowym przed przystąpieniem do pełnej produkcji.
• Uwzględnij zanieczyszczenia: określ łatwą do czyszczenia geometrię żeberek i zapewnij dostęp serwisowy w celu okresowego czyszczenia wężownicy.
• Uwzględnij porty oprzyrządowania: sondy temperatury i krany ciśnieniowe, aby sprawdzić równomierność dystrybucji czynnika chłodniczego i przepływu powietrza.
• Zoptymalizuj rozstaw płetwy pod kątem lokalnego klimatu: węższe rozstawy płetwy dla czystego, suchego klimatu; szerszy dla warunków zapylonych i wilgotnych.

Tabela porównawcza: popularne typy płetw i kiedy ich używać

Podsumowanie i lista kontrolna z możliwością wykonania

• Zacznij od wymaganego odprowadzania ciepła i oblicz wymaganą powierzchnię efektywną, korzystając z Q = U·A·ΔT.
• Wybierz geometrię żebra, aby osiągnąć docelowy współczynnik wzmocnienia, utrzymując spadek ciśnienia akceptowalny dla budżetu wentylatora/mocy wentylatora.
• Projektuj kolektory i obwody, aby zapewnić równomierną dystrybucję czynnika chłodniczego w skraplaczach z przepływem równoległym.
• Przed pełną produkcją wykonaj prototyp i przetestuj reprezentatywną sekcję cewki pod kątem wydajności i podatności na zabrudzenie.
• W ostatecznej specyfikacji uwzględnij margines zanieczyszczania (10–25%) i użyteczność.