كيف يوازن المبادل الحراري ذو الزعانف اللوحية التناقض بين كفاءة التبادل الحراري وانخفاض الضغط؟

في مبادل حراري ذو زعانف لوحة يعد التوازن بين كفاءة التبادل الحراري وانخفاض الضغط تحديًا رئيسيًا في التصميم. عادة هناك علاقة تعارضية بين كفاءة التبادل الحراري وانخفاض الضغط وهي:

إن تحسين كفاءة التبادل الحراري يعني عادة زيادة مساحة التبادل الحراري أو تعزيز الخصائص المضطربة للمائع، الأمر الذي سيؤدي إلى زيادة مقاومة احتكاك المائع، مما يؤدي إلى زيادة انخفاض الضغط.

يتطلب تقليل انخفاض الضغط عادةً تقليل مقاومة التدفق، مثل زيادة مسار تدفق السائل، أو تقليل مساحة الزعانف، أو تغيير تصميم قناة التدفق، مما قد يؤدي إلى انخفاض كفاءة التبادل الحراري.

كيفية موازنة التناقض بين كفاءة التبادل الحراري وانخفاض الضغط:

تحسين تصميم الزعانف
شكل الزعانف وترتيبها: يؤثر شكل الزعانف وسمكها وتباعدها وترتيبها بشكل مباشر على كفاءة التدفق والتبادل الحراري للسائل. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي استخدام الزعانف المتموجة أو الزعانف الحلزونية إلى زيادة اضطراب السائل، وتحسين كفاءة التبادل الحراري، وجعل مسار التدفق أكثر تعقيدًا، وبالتالي تحسين توزيع السوائل. ومع ذلك، فإن مثل هذا التصميم غالبًا ما يزيد من انخفاض الضغط، لذلك من الضروري العثور على تصميم زعنفة مناسب بناءً على المتطلبات المحددة للنظام.

اختيار تباعد الزعانف: يمكن أن تؤدي زيادة تباعد الزعانف إلى تقليل مقاومة السوائل وبالتالي تقليل انخفاض الضغط، ولكن التباعد الكبير جدًا سيقلل من مساحة التبادل الحراري ويؤثر على كفاءة التبادل الحراري. ولذلك، ينبغي تحسين تباعد الزعانف وفقا لطلب الحمل الحراري ومعدل تدفق السوائل.

تصميم قناة التدفق وتحسينها
تصميم مسار تدفق السوائل: في المبادل الحراري ذو الزعانف اللوحية، سيؤثر طول مسار السائل وتعقيده على فقدان ضغط السائل. عند التصميم، حاول أن تجعل مسار تدفق السوائل يزيد من مساحة التبادل الحراري دون زيادة مقاومة التدفق بشكل كبير. على سبيل المثال، يمكن استخدام تصميم قناة التدفق المتدرج لزيادة مساحة الاتصال بين السائل والزعنفة مع الحفاظ على انخفاض الضغط المنخفض.

مجموعة قنوات التدفق المتوازية والمتسلسلة: من خلال الجمع بشكل معقول بين قنوات التدفق المتوازية والمتسلسلة، يمكن تعظيم كفاءة التبادل الحراري مع الحفاظ على انخفاض الضغط المنخفض. يمكن لقنوات التدفق المتوازية أن تقلل من مقاومة السائل الذي يمر عبر كل قناة، بينما تساعد قنوات التدفق المتسلسلة على زيادة مساحة التبادل الحراري.

اختيار السوائل والتحسين
خصائص الموائع: إن اختيار مائع العمل المناسب، خاصة بالنظر إلى لزوجة المائع وكثافته وموصليته الحرارية، له تأثير مهم على التحكم في كفاءة التبادل الحراري وانخفاض الضغط. بشكل عام، تتمتع السوائل منخفضة اللزوجة بانخفاض ضغط أقل عند التدفق في مبادل حراري، ولكن قد تكون موصليتها الحرارية أقل، مما قد يؤدي إلى ضعف كفاءة التبادل الحراري. في المقابل، يمكن للسوائل عالية اللزوجة تحسين كفاءة التبادل الحراري، ولكنها عرضة لزيادة انخفاض الضغط. لذلك، من الضروري اختيار السائل المناسب وفقًا لسيناريو التطبيق المحدد.

استخدم نظام متعدد السوائل

نقل الحرارة متعدد السوائل: في بعض التطبيقات، يمكن تقليل انخفاض الضغط في كل قناة سائلة عن طريق إدخال نقل الحرارة متعدد السوائل. على سبيل المثال، يمكن استخدام تصميم التدفق المنفصل لجعل موائع مختلفة تتدفق في قنوات تدفق مختلفة لتحسين انخفاض الضغط وتأثير التبادل الحراري.

التحكم المعقول في معدل التدفق
تحسين معدل التدفق: كلما زاد معدل التدفق، كلما كان تأثير الاضطراب أقوى، وكلما زادت كفاءة التبادل الحراري، ولكن في نفس الوقت يزداد انخفاض الضغط أيضًا. لذلك، من المهم جدًا اختيار معدل التدفق بشكل معقول. عادةً، يتم ضبط معدل تدفق المبادل الحراري ذو الزعانف اللوحية بين 1.5 و4 م/ث. ومن خلال تحسين معدل التدفق من خلال المحاكاة العددية والتجربة، يمكن إيجاد توازن بين كفاءة التبادل الحراري وانخفاض الضغط.

استخدم أسطح التبادل الحراري الفعالة
التحكم في خشونة السطح: من خلال تصميم السطح وتعزيزه (مثل تخشين السطح أو الرش أو التغطية بطبقات خاصة)، يمكن زيادة قدرة نقل الحرارة لسطح المبادل الحراري، ويمكن تقليل المقاومة الحرارية، ويمكن تحسين كفاءة التبادل الحراري، بينما يمكن التحكم في فقدان الضغط للتدفق إلى حد معين.

تحسين حجم المبادل الحراري
أثناء التصميم، يمكن زيادة مساحة التبادل الحراري عن طريق زيادة حجم المبادل الحراري (زيادة عدد الزعانف وطول قناة التدفق)، ولكن الحجم الكبير جدًا قد يؤدي إلى انخفاض مفرط في الضغط. يتطلب تحسين الحجم إيجاد أفضل نقطة بين الطلب على التبادل الحراري وانخفاض الضغط المسموح به.

لتحقيق التوازن بين التناقض بين كفاءة التبادل الحراري وانخفاض الضغط، من الضروري النظر بشكل شامل في عوامل مثل تصميم الزعانف، وتحسين قناة التدفق، واختيار السوائل، والتحكم في معدل التدفق. من خلال المحاكاة العددية والتحقق التجريبي وتحسين النظام، يمكن التحكم في انخفاض الضغط ضمن نطاق مقبول مع تلبية متطلبات التبادل الحراري. عادةً ما يكون هذا التحسين عملية متكررة تتطلب تعديلًا وتحسينًا مستمرًا في التطبيقات العملية.