ครีบระบายความร้อนและการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบครีบไหลขนาน

หลักการออกแบบครีบระบายความร้อนสำหรับการใช้งานคอนเดนเซอร์

ครีบเพิ่มพื้นที่ผิวภายนอกที่มีประสิทธิภาพของท่อหรือแผ่นเพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน ในคอนเดนเซอร์ (จากก๊าซเป็นของเหลวหรือไอเป็นของเหลว) โดยปกติจะใช้ครีบในด้านไอ/อากาศเพื่อลดต้นทุนและรอยเท้าของเครื่องแลกเปลี่ยนในขณะที่บรรลุการปฏิเสธความร้อนตามที่ต้องการ ตัวแปรการออกแบบที่สำคัญ ได้แก่ ประเภทของครีบ (ธรรมดา บานเกล็ด เป็นคลื่น เจาะ) ระยะพิทช์ของครีบ (ครีบต่อเมตรหรือครีบต่อนิ้ว) ความสูงของครีบ ความหนาของครีบ และค่าการนำความร้อนของวัสดุ

พื้นฐานประสิทธิภาพการระบายความร้อน

ใช้ความสัมพันธ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม ถาม = U · A · ΔT - ครีบทำงานโดยการเพิ่มพื้นที่ปรากฏ A และโดยการเปลี่ยนค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนเฉพาะที่ h สำหรับพื้นผิวครีบ พื้นที่ที่มีประสิทธิภาพคือ A_finned = η_f · A_geometric โดยที่ η_f คือประสิทธิภาพของครีบ การออกแบบที่ใช้งานได้จริงจำเป็นต้องคำนึงถึง U, η_f และความหนาแน่นของการบรรจุไปพร้อมๆ กัน เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้แรงดันตกมากเกินไป

ข้อจำกัดทางกลและการไหลของอากาศ

ครีบตีนกบที่แน่นขึ้นจะเพิ่มพื้นที่แต่ทำให้ความดันอากาศด้านข้างลดลงและเสี่ยงต่อการเปรอะเปื้อน ในคอยล์คอนเดนเซอร์ที่มีการไหลของอากาศแบบขนาน (คอนเดนเซอร์ไหลแบบขนาน) การกระจายการไหลสม่ำเสมอทั่วหน้าคอยล์ถือเป็นสิ่งสำคัญ การไหลที่ไม่สม่ำเสมอช่วยลดการถ่ายเทความร้อนในพื้นที่และอาจทำให้เกิดแผ่นแห้งหรือแข็งตัวเฉพาะที่ การออกแบบต้องสร้างสมดุลระหว่างพื้นที่ กำลังพัดลม และค่าเผื่อการเปรอะเปื้อน

คอนเดนเซอร์ไหลขนานพร้อมตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบครีบ — การทำงานและโครงร่าง

คอนเดนเซอร์แบบไหลขนานจะส่งสารทำความเย็น (หรือสารทำงาน) ผ่านท่อคู่ขนานหลายท่อ ในขณะที่อากาศหรือไอไหลตามขวางผ่านพื้นผิวครีบ เมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบแบบไหลทวน คอนเดนเซอร์แบบไหลแบบขนานนั้นผลิตได้ง่ายกว่าและมีความกะทัดรัด แต่ต้องมีการกระจายส่วนหัวและท่ออย่างระมัดระวังเพื่อรักษาความเร็วของสารทำความเย็นและฟลักซ์ความร้อนให้สม่ำเสมอ

รูปแบบคอยล์และส่วนหัวทั่วไป

การออกแบบส่วนหัวที่ดี (เส้นผ่านศูนย์กลางส่วนหัวที่เหมาะสม การวางตำแหน่งหัวฉีดทางเข้า/ทางออก และแผ่นกั้นภายใน) ช่วยป้องกันการกระจายตัวไม่ถูกต้อง สำหรับการไหลแบบขนาน: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าแต่ละแถวของท่อมีความต้านทานไฮดรอลิกใกล้เคียงกัน ใช้รูหรือตัวจำกัดเฉพาะในกรณีที่จำเป็นเท่านั้น พิจารณาวงจรท่อแบบมัลติพาสหรือครอสคัปเปิลเมื่อส่วนหัวขนานแบบพาสเดียวจะให้ความเร็วที่แตกต่างกันมากเกินไป

ข้อควรพิจารณาด้านอากาศสำหรับการไหลแบบขนาน

ในอุปกรณ์ที่มีอากาศไหลผ่านชุดท่อแบบครีบ ให้รักษาความเร็วของผิวหน้าให้อยู่ภายในช่วงที่แนะนำ (มักจะ 1.5–3.5 ม./วินาที สำหรับคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศ) เพื่อให้สมดุลการถ่ายเทความร้อนและเสียงรบกวน สำหรับสภาพอากาศชื้น ระยะห่างระหว่างครีบที่เพิ่มขึ้นจะช่วยลดการอุดตันจากฝุ่นละอองและความเปรอะเปื้อนทางชีวภาพ แต่ช่วยลดพื้นที่

การเลือกรูปทรงของครีบและการแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพ

เลือกรูปทรงครีบเพื่อให้ตรงกับเป้าหมายด้านประสิทธิภาพ: เพิ่มการถ่ายเทความร้อนสูงสุดต่อหน่วยความดันที่ลดลง ลดต้นทุนและมวล และช่วยให้สามารถผลิตได้ด้วยเครื่องมือที่จำเป็น รูปทรงครีบทั่วไปสำหรับคอนเดนเซอร์:

• ครีบธรรมดา (ตรง) — เรียบง่าย ราคาประหยัด เหมาะสำหรับความเร็วลมต่ำถึงปานกลาง
• ครีบแบบบานเกล็ด — ความปั่นป่วนในพื้นที่สูงจะเพิ่ม h ใช้ในบริเวณที่มีฟลักซ์ความร้อนสูงและแรงดันตกคร่อมบางส่วนเป็นที่ยอมรับได้
• ครีบกรีดหรือเจาะ — เพิ่มความปั่นป่วนด้วยแรงกดปานกลาง มักใช้ในคอนเดนเซอร์ของรถยนต์
• ครีบหยัก — การเพิ่มประสิทธิภาพระดับกลางและการลดแรงดัน สามารถทำความสะอาดได้ง่ายกว่าบานเกล็ด

การแลกเปลี่ยนเชิงปริมาณ

เมื่อเปรียบเทียบการออกแบบ ให้ประเมิน: พื้นที่เฉพาะ (ม.²/ม.) ประสิทธิภาพของครีบ η_f และแรงดันตก ∆P การออกแบบที่มีพื้นที่ผิวภายนอกสูงกว่า 20–50% (ผ่านครีบ) แต่สูงกว่า 2–3 เท่า ΔP อาจยังคงเป็นที่ไม่พึงประสงค์หากข้อจำกัดด้านกำลังของพัดลมและเสียงรบกวนเข้มงวด ใช้แผนที่ประสิทธิภาพ (h เทียบกับ Re และความดันตกเทียบกับ Re) จากข้อมูลผู้ขายเพื่อเลือกรูปทรงครีบ

ตัวอย่างการออกแบบเชิงปฏิบัติและการคำนวณตัวอย่าง

ข้อกำหนดตัวอย่าง: ปฏิเสธความร้อน Q = 10 kW ในคอนเดนเซอร์โดยมีค่า U รวม 150 W·m⁻²·K⁻¹ และความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ย ΔT data 10 K พื้นที่ที่มีประสิทธิภาพภายนอกที่ต้องการ A = Q / (U · ΔT) การใช้ตัวเลขตัวแทนเหล่านี้จะทำให้ได้:

A_required = 10,000 W ۞ (150 W·m⁻²·K⁻¹ × 10 K) = 6.67 m² (พื้นที่ครีบที่มีประสิทธิภาพ) หากรูปทรงเรขาคณิตของครีบที่เลือกให้ปัจจัยการปรับปรุงครีบประมาณ 4 (กล่าวคือ พื้นที่ครีบทรงเรขาคณิตคือ 4× พื้นที่ท่อเปลือย และประสิทธิภาพครีบโดยเฉลี่ยจะรวมไว้ในปัจจัยนั้นด้วย) ท่อเปลือย/พื้นที่ผิวที่ต้องการ µs 1.67 ตร.ม.

วิธีใช้ตัวเลขเหล่านี้

จากเป้าหมายพื้นที่เปลือย หาขนาดคอยล์และความยาวของท่อ: พื้นที่เปลือยต่อเมตรของท่อ = π · D_o · 1 ม. (การมีส่วนร่วมของพื้นที่ส่วนคอครีบหากใช้ครีบแบบแถบ) แบ่งพื้นที่เปลือยที่ต้องการตามพื้นที่ต่อท่อ-เมตรเพื่อให้ได้ความยาวท่อทั้งหมด จากนั้นจัดเรียงท่อเป็นแถวและคอลัมน์เพื่อให้พอดีกับข้อจำกัดของหน้าคอยล์ เพิ่มพื้นที่พิเศษ 10–25% สำหรับการฟาวล์และประสิทธิภาพการทำงานตามฤดูกาลเสมอ

ข้อพิจารณาด้านการผลิต วัสดุ และการกัดกร่อน

วัสดุครีบทั่วไป ได้แก่ อะลูมิเนียม (เบา ค่าการนำไฟฟ้าสูง ประหยัด) และทองแดง (ค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่า ต้นทุนสูงกว่า) สำหรับคอนเดนเซอร์กลางแจ้งที่สัมผัสกับบรรยากาศที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ให้พิจารณาใช้ครีบเคลือบ (เคลือบโพลีเมอร์ อีพ็อกซี่ หรือชอบน้ำ) หรือครีบสแตนเลสสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง เทคนิคการผลิต: การขึ้นรูปม้วนอย่างต่อเนื่องสำหรับครีบธรรมดาและหยัก การปั๊มสำหรับบานเกล็ด และการประสานหรือการประสานเชิงกลกับท่อ ออกแบบมาให้ง่ายต่อการทำความสะอาด (บานเกล็ดที่แน่นน้อยลงในกรณีที่คาดว่าจะมีฝุ่นละออง)

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด การทดสอบ และการบำรุงรักษา

ทำตามขั้นตอนเหล่านี้เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของคอนเดนเซอร์ที่เชื่อถือได้ภาคสนาม:

• การทดสอบต้นแบบ: สร้างส่วนคอยล์ตัวแทนและวัด h และ ΔP ในอุโมงค์ลมหรือแท่นทดสอบก่อนที่จะดำเนินการผลิตเต็มรูปแบบ
• บัญชีสำหรับการเปรอะเปื้อน: ระบุรูปทรงครีบที่ทำความสะอาดได้ง่าย และให้บริการเข้าถึงสำหรับการทำความสะอาดคอยล์เป็นระยะ
• รวมพอร์ตเครื่องมือวัด: หัววัดอุณหภูมิและก๊อกแรงดันเพื่อตรวจสอบความสม่ำเสมอของการกระจายสารทำความเย็นและการไหลของอากาศ
• ปรับครีบให้เหมาะสมสำหรับสภาพอากาศในท้องถิ่น: ระดับเสียงที่แคบยิ่งขึ้นเพื่อสภาพอากาศที่สะอาดและแห้ง กว้างขึ้นสำหรับสภาวะที่มีฝุ่นและชื้น

ตารางเปรียบเทียบ: ประเภทครีบทั่วไปและเวลาที่ควรใช้

รายการตรวจสอบโดยสรุปและดำเนินการได้

• เริ่มต้นด้วยการปฏิเสธความร้อนที่ต้องการ และคำนวณพื้นที่ที่มีประสิทธิภาพที่ต้องการโดยใช้ Q = U·A·ΔT
• เลือกรูปทรงของครีบเพื่อให้ได้ปัจจัยการปรับปรุงเป้าหมาย ในขณะเดียวกันก็รักษาแรงดันตกที่ยอมรับได้สำหรับงบประมาณของพัดลม/กำลังของพัดลม
• ออกแบบส่วนหัวและวงจรเพื่อให้แน่ใจว่ามีการกระจายสารทำความเย็นที่สม่ำเสมอในคอนเดนเซอร์ที่ไหลแบบขนาน
• สร้างต้นแบบและทดสอบส่วนคอยล์ตัวแทนเพื่อดูประสิทธิภาพและความไวต่อการเปรอะเปื้อนก่อนการผลิตเต็มรูปแบบ
• รวมค่าเผื่อการเปรอะเปื้อน (10–25%) และความสามารถในการซ่อมบำรุงไว้ในข้อกำหนดขั้นสุดท้าย