زعانف بالوعة الحرارة وتصميم مبادل حراري بزعانف متوازية التدفق

مبادئ تصميم زعانف المشتت الحراري لتطبيقات المكثف

تزيد الزعانف من مساحة السطح الخارجية الفعالة للأنابيب أو الألواح لتعزيز نقل الحرارة بالحمل الحراري. في المكثفات (غاز إلى سائل أو بخار إلى سائل)، تُستخدم عادةً الزعانف على جانب البخار/الهواء لتقليل تكلفة وبصمة المبادل مع تحقيق رفض الحرارة المطلوب. متغيرات التصميم الرئيسية هي نوع الزعنفة (عادية، ذات فتحات تهوية، متموجة، مثقوبة)، درجة الزعنفة (زعانف لكل متر أو زعانف لكل بوصة)، وارتفاع الزعنفة، وسمك الزعنفة، والتوصيل الحراري للمادة.

أساسيات الأداء الحراري

استخدم علاقة انتقال الحرارة الشاملة س = ش · أ · ΔT . تعمل الزعانف عن طريق زيادة المساحة الظاهرة A وعن طريق تغيير معامل الحمل الحراري المحلي h. بالنسبة للسطح ذي الزعانف، تكون المساحة الفعالة A_finned = η_f · A_geometric، حيث η_f هي كفاءة الزعانف. يتطلب التصميم العملي دراسة متزامنة لـ U وη_f وكثافة التعبئة لتجنب انخفاض الضغط المفرط.

القيود الميكانيكية وتدفق الهواء

تعمل خطوة الزعنفة الأكثر إحكامًا على زيادة المساحة ولكنها تزيد من انخفاض ضغط الهواء وخطر التلوث. في ملفات المكثف ذات تدفق الهواء المتوازي (مكثف التدفق المتوازي)، يعد توزيع التدفق الموحد عبر وجه الملف أمرًا بالغ الأهمية؛ يقلل التدفق غير المتساوي من انتقال الحرارة المحلي وقد يتسبب في ظهور بقع جافة أو تجميد موضعي. يجب أن يوازن التصميم بين المساحة وقوة المروحة ومساحة التلوث.

المكثفات ذات التدفق المتوازي مع المبادلات الحرارية ذات الزعانف – التشغيل والتخطيط

تقوم مكثفات التدفق المتوازي بتوجيه مادة التبريد (أو سائل العمل) عبر أنابيب متوازية متعددة بينما يتدفق الهواء أو البخار بشكل عرضي عبر الوجوه ذات الزعانف. بالمقارنة مع تصميمات التدفق المعاكس، فإن مكثفات التدفق المتوازي أسهل في التصنيع ويمكن أن تحقق الضغط ولكنها تتطلب توزيعًا دقيقًا للرأس والأنبوب للحفاظ على سرعات التبريد وتدفق الحرارة موحدًا.

تخطيط الملف والرؤوس النموذجية

التصميم الجيد للرأس (قطر الرأس المناسب، ووضع فوهة المدخل/المخرج، والحواجز الداخلية) يمنع سوء التوزيع. بالنسبة للتدفق المتوازي: تأكد من أن كل صف أنبوبي يتمتع بمقاومة هيدروليكية مماثلة؛ استخدم الفتحات أو القيود فقط إذا لزم الأمر. ضع في اعتبارك دوائر الأنابيب متعددة التمرير أو المتقاطعة عندما تؤدي الرؤوس المتوازية أحادية المرور إلى حدوث اختلافات مفرطة في السرعة.

اعتبارات الجانب الجوي للتدفق الموازي

في الأجهزة التي يتدفق فيها الهواء عبر حزم الأنابيب ذات الزعانف، حافظ على سرعة الوجه ضمن النطاقات الموصى بها (غالبًا 1.5-3.5 م/ث للمكثفات المبردة بالهواء) لموازنة نقل الحرارة والضوضاء. بالنسبة للمناخات الرطبة، فإن زيادة تباعد الزعانف يقلل من الانسداد الناتج عن الجسيمات والتلوث البيولوجي ولكنه يقلل من المساحة.

اختيار هندسة الزعانف ومقايضات الأداء

اختر هندسة الزعانف لتتوافق مع أهداف الأداء: تحقيق أقصى قدر من نقل الحرارة لكل وحدة انخفاض الضغط، وتقليل التكلفة والكتلة، والسماح بالتصنيع باستخدام الأدوات المطلوبة. هندسة الزعانف المشتركة للمكثفات:

• زعانف عادية (مستقيمة) - بسيطة ومنخفضة التكلفة وجيدة لسرعات الهواء المنخفضة إلى المتوسطة.
• زعانف ذات فتحات تهوية - يزيد الاضطراب المحلي العالي h، وتستخدم عندما يكون التدفق الحراري مرتفعًا ويكون انخفاض الضغط مقبولاً.
• زعانف مشقوقة أو مثقوبة - تضيف اضطرابًا مع عقوبة ضغط معتدلة؛ كثيرا ما تستخدم في مكثفات السيارات.
• زعانف متموجة - تعزيز متوسط ​​وانخفاض الضغط؛ يمكن أن يكون تنظيفها أسهل من فتحات التهوية.

المقايضات الكمية

عند مقارنة التصاميم، قم بتقييم: مساحة محددة (م²/م³)، وكفاءة الزعانف η_f، وانخفاض الضغط ΔP. قد يظل التصميم ذو مساحة سطح خارجية أعلى بنسبة 20-50% (عبر الزعانف) ولكن 2-3× أعلى ΔP غير مرغوب فيه إذا كانت قوة المروحة وقيود الضوضاء صارمة. استخدم خرائط الأداء (h مقابل Re، وانخفاض الضغط مقابل Re) من بيانات البائع لاختيار هندسة الزعانف.

مثال التصميم العملي وحساب العينة

متطلبات المثال: رفض Q = 10 كيلو واط من الحرارة في مكثف مع إجمالي U ≈ 150 W·m⁻²·K⁻¹ ومتوسط فرق درجة الحرارة ΔT ≈ 10 K. المساحة الفعالة الخارجية المطلوبة A = Q / (U · ΔT). باستخدام هذه الأرقام التمثيلية ينتج:

A_المطلوب = 10000 واط ÷ (150 واط·م⁻²·ك⁻¹ × 10 كلفن) = 6.67 متر مربع (منطقة الزعانف الفعالة). إذا كانت هندسة الزعانف المختارة تعطي عامل تعزيز للزعانف يبلغ حوالي 4 (أي أن مساحة الزعانف الهندسية هي 4 × مساحة الأنبوب المكشوف ويتم تضمين متوسط ​​كفاءة الزعانف في هذا العامل)، فإن مساحة الأنبوب/السطح المكشوف مطلوبة ≈ 1.67 متر مربع.

كيفية استخدام هذه الأرقام

من هدف المنطقة العارية، اشتق أبعاد الملف وطول الأنبوب: المساحة العارية لكل متر من الأنبوب = π · D_o · 1m (مساهمات منطقة طوق الزعانف في حالة استخدام الزعانف الشريطية). قم بتقسيم المساحة العارية المطلوبة حسب المساحة لكل متر أنبوب للحصول على إجمالي طول الأنبوب، ثم قم بترتيب الأنابيب في صفوف وأعمدة لتناسب قيود وجه الملف. أضف دائمًا 10-25% مساحة إضافية للتلوث وهامش الأداء الموسمي.

اعتبارات التصنيع والمواد والتآكل

المواد الشائعة للزعانف هي الألومنيوم (خفيف، موصلية عالية، اقتصادية) والنحاس (موصلية أعلى، تكلفة أعلى). بالنسبة للمكثفات الخارجية المعرضة للأجواء المسببة للتآكل، فكر في الزعانف المطلية (البوليمر أو الإيبوكسي أو الطلاءات المحبة للماء) أو زعانف الفولاذ المقاوم للصدأ للبيئات شديدة التآكل. تقنيات التصنيع: التشكيل المستمر للزعانف العادية والمموجة، وختم فتحات التهوية، والربط بالنحاس أو الربط الميكانيكي للأنابيب. تصميم لسهولة التنظيف (عدد أقل من فتحات التهوية الضيقة حيث من المتوقع تحميل الجسيمات).

أفضل الممارسات والاختبار والصيانة

اتبع هذه الخطوات لضمان أداء مكثف موثوق به في الميدان:

• اختبار النموذج الأولي: قم ببناء مقطع ملف تمثيلي وقياس h وΔP في نفق الرياح أو منصة الاختبار قبل الالتزام بالإنتاج الكامل.
• حساب التلوث: حدد أشكال هندسية للزعانف سهلة التنظيف وامنح إمكانية الوصول إلى الخدمة للتنظيف الدوري للملف.
• قم بتضمين منافذ الأجهزة: مجسات درجة الحرارة وصنابير الضغط للتحقق من انتظام توزيع غاز التبريد وتدفق الهواء.
• تحسين درجة ميل الزعانف للمناخ المحلي: درجات أكثر إحكامًا للمناخات النظيفة والجافة؛ أوسع للظروف المتربة والرطبة.

جدول المقارنة: أنواع الزعانف الشائعة ومتى يتم استخدامها

ملخص وقائمة مرجعية قابلة للتنفيذ

• ابدأ برفض الحرارة المطلوب واحسب المساحة الفعالة المطلوبة باستخدام Q = U·A·ΔT.
• حدد هندسة الزعانف للوصول إلى عامل التعزيز المستهدف مع الحفاظ على انخفاض الضغط المقبول لميزانية المروحة/طاقة المروحة.
• تصميم الرؤوس والدوائر لضمان التوزيع الموحد لغاز التبريد في مكثفات التدفق المتوازي.
• نموذج أولي واختبار قسم ملف تمثيلي للأداء وقابلية التلوث قبل الإنتاج الكامل.
• قم بتضمين هامش التلوث (10-25%) وإمكانية الخدمة في المواصفات النهائية.