За ефективната работа на топлообменниците с ребра и тръби, разбирането на факторите, които влияят на падането на налягането, е от решаващо значение. Една от най-важните променливи е плътността на ребрата, която има дълбоко влияние върху производителността и ефективността на топлообменника. Като качествен доставчик на ребрено-тръбни топлообменници съм свидетел от първа ръка как плътността на ребрата влияе върху общия спад на налягането на топлообменника и имам удоволствието да споделя своите прозрения с вас.
Какво е плътност на перките?
Плътността на ребрата се отнася до броя на ребрата на единица дължина на оребрена тръба, обикновено измерена в перки на инч (FPI) или перки на сантиметър (FPC). По-висока плътност на ребрата означава, че повече перки са подредени в рамките на дадена дължина, като по този начин се увеличава повърхността, налична за пренос на топлина. Това обаче също така увеличава съпротивлението на потока, когато въздухът или течността преминават през топлообменника, което води до по-висок спад на налягането.
Как плътността на перките влияе върху падането на налягането?
Връзката между плътността на ребрата и спада на налягането е сложна и зависи от множество фактори, включително вида на течността (въздух или течност), скоростта на потока и геометрията на ребрата. Като цяло, с увеличаване на плътността на ребрата, общият спад на налягането на топлообменника също се повишава. Това е така, защото допълнителните перки създават повече триене и турбуленция, възпрепятствайки потока на течността.
Това заключение се подкрепя от класически експериментални изследвания. Turaga (1989) провежда систематична експериментална оценка на многоредови пластинчати реберно-тръбни топлообменници с директно разширение, като тества общо 10 проби с плътност на ребрата, варираща от 3,1 до 5,5 ребра/cm, брой редове на тръбите от 3 до 8 и числа на Рейнолдс от страната на въздуха 300 < Re < 1500, както при сухо, така и при мокро (осушаващи) повърхностни условия. Проучването установи, че при дадено число на Рейнолдс, както средният коефициент на топлопреминаване от страната на въздуха, така и факторът на падане на налягането се променят с увеличаване на плътността на ребрата, което потвърждава, че плътността на ребрата е ключов геометричен параметър, влияещ на съпротивлението на потока.
Нека разгледаме това явление в различни сценарии:
Въздух, протичащ през топлообменник с ребра и тръби
В топлообменниците с въздушно охлаждане въздухът се изтласква през ребрата от вентилатор. Когато въздухът преминава през ребрата, топлината се прехвърля от горещата течност вътре в тръбите към въздуха. Когато плътността на ребрата е ниска, въздухът може да тече през топлообменника по-свободно, което води до по-нисък спад на налягането. Въпреки това, тъй като повърхността, налична за пренос на топлина, е относително малка, ефективността на пренос на топлина може да бъде ограничена.
От друга страна, високата плътност на ребрата увеличава площта на топлообменната повърхност, повишавайки капацитета за разсейване на топлината на топлообменника. Но това става с цената на повишено въздушно съпротивление. Тесните проходи между перките създават по-криволичещ път за въздуха, забавяйки скоростта му и увеличавайки спада на налягането. Ако спадът на налягането стане твърде голям, вентилаторът може да не е в състояние да поддържа необходимия въздушен поток, което води до намалена ефективност на охлаждане.
Струва си да се отбележи, че ефектите от плътността на перките върху преноса на топлина и падането на налягането не винаги са синхронизирани. Wang и др. (1996) тества 15 проби от топлообменник с пластинчати перки и тръби в открит аеродинамичен тунел с индуциран поток, с числа на Рейнолдс (базирани на диаметъра на яката на тръбата), вариращи от 300 до 7500, и геометрични параметри, включително брой на редовете тръби, разстояние между ребрата и дебелина на ребрата. Проучването стига до важно заключение: разстоянието между ребрата не влияе на коефициента на топлопреминаване, ефектът от броя на редовете на тръбите върху коефициента на триене също може да бъде пренебрегнат, а дебелината на ребрата също не влияе на топлопреминаването или характеристиките на триене. Това означава, че идеята за просто увеличаване на плътността на ребрата, за да се подобри ефективността на топлопреноса, има своите ограничения, докато спадът на налягането наистина ще се увеличи с увеличаване на плътността на ребрата. Това откритие ни напомня, че стойността на плътността на ребрата трябва да бъде внимателно претеглена при проектирането на топлообменника.
Течност, протичаща през топлообменник с ребра и тръби
За топлообменниците с течно охлаждане принципът е подобен, но с някои разлики. Течността, циркулираща вътре в тръбите, отвежда топлината от източника на топлина и я освобождава в околната среда през ребрата. По-високата плътност на перките означава, че течността има повече перки за контакт, което може да подобри ефективността на пренос на топлина. Това обаче също така увеличава съпротивлението на триене на потока течност, което води до повишаване на общия спад на налягането на топлообменника.
Ако спадът на налягането е твърде голям, може да е необходима по-мощна помпа за поддържане на желания дебит. Това не само увеличава консумацията на енергия, но също така може да причини допълнително износване на помпата и други компоненти на системата.
Влошаване на падането на налягането при условия на замърсяване
При действителна работа топлообменниците с перки и тръби често се сблъскват с проблеми със замърсяване и високата плътност на перките може значително да засили отрицателното въздействие на замърсяването върху спада на налягането. Танг и др. (2017) построиха експериментален стенд за визуализирано замърсяване за топлообменници, като тестваха три вида ребра: гладки, вълнообразни и жалузи, с разстояния на ребра, вариращи от 1,3 до 1,8 mm. Следвайки стандарта GB13270-91, беше използван смесен прах от 72% бяла глина + 28% сажди (плътност на праха 2,2 × 10³ kg/m³, среден диаметър 10 μm). При условия на концентрация на впръскване на прах от 10,8 g/m³, скорост на въздуха от 1,5 m/s и обща продължителност на впръскване на прах от 255 минути, беше използван сензор за диференциално налягане (OMEGA PX655-01DI) с диапазон от 0–50 Pa и точност от ±0,3 Pa, което дава обща грешка на спада на налягането от страна на въздуха от ±5,0%.
Експериментите дадоха следните ключови количествени данни:
| Сравнение | Увеличаване на отлагането на прах | Увеличаване на спада на налягането след замърсяване |
|---|---|---|
| Вълнообразни перки срещу обикновени перки | +25,6% | +44,4% |
| Перки с жалузи срещу обикновени перки | +52,8% | +165,6% |
| Разстояние между ламелите 1,5 мм срещу 1,8 мм | +26,2% | +24,1% |
| Разстояние между ламелите 1,3 мм срещу 1,8 мм | +43,2% | +49,4% |
Този набор от данни ясно разкрива пренебрегван проблем: докато високата плътност на перките може да доведе до печалби при пренос на топлина в началния етап, влошаването на падането на налягането след замърсяване е много по-голямо от това на решенията с ниска плътност на перките. За промишлени приложения с дългосрочна експлоатация и дълги цикли на поддръжка, този фактор трябва да бъде напълно взет предвид при избора. В допълнение, с увеличаване на отлагането на прах, спадът на налягането от страната на въздуха показва тенденция първо да се увеличава и след това да се стабилизира.
Граници на приложимост на корелациите на спада на налягането
В инженерния дизайн корелациите на спада на налягането са важни инструменти за изчисления за избор. Въпреки това Otović et al. (2018) посочиха, че съществуващите корелации в литературата са приложими само в рамките на собствените тестови диапазони на оригиналните автори и тяхната екстраполационна надеждност е ограничена. Това изследване аналогизира падането на налягането на въздуха през топлообменник с това в пореста среда, използвайки фактора на триене на Weisbach (Darcy) ξ:
Δp_HE = ξ (L/d_h) (ρ w_ε²/2)
Където дължината на топлообменника L = N_l · s_l (брой редове тръби × надлъжно разстояние на тръбите). Пери и Грийн (1997) също изрично посочват: „Падането на налягането е особено чувствително към геометричните параметри и съществуващите корелации могат да бъдат екстраполирани към геометрии, различни от основната геометрия на корелацията, с изключително внимание и консерватизъм.“ Това означава, че плътността на перките, като ключов геометричен параметър, значително влияе върху приложимостта на корелациите на спада на налягането и инженерният избор трябва да даде приоритет на експериментални данни, чиито геометрични параметри са близки до тези на целта.
Въздействие върху производителността на топлообменника
Общият спад на налягането на топлообменника е ключов параметър, който може значително да повлияе на цялостната му работа. Високият спад на налягането може да доведе до следните проблеми:
- Намален дебит:Както бе споменато по-рано, високият спад на налягането пречи на преминаването на въздух или течност през топлообменника, което води до намален дебит на потока и следователно по-малко топлина, която може да бъде прехвърлена.
- Повишена консумация на енергия:Необходима е повече енергия за задвижване на вентилатора или помпата, за да се преодолее високият спад на налягането. Това увеличава експлоатационните разходи на топлообменника и цялата система.
- Шум и вибрации: Прекомерният спад на налягането може да причини шум и вибрации в системата. Това не само е неудобно, но може също да доведе до повреда на компонентите с течение на времето.
Намиране на оптималната плътност на перките
Като доставчик на топлообменници с ребра и тръби, нашата цел е да предоставим топлообменници, които постигат най-добрия баланс между ефективността на топлопреноса и спада на налягането. Това изисква внимателно разглеждане на конкретното приложение и условията на работа.
За приложения, изискващи високи скорости на топлообмен, където може да се понесе определен спад на налягането, като промишлени охладителни системи, по-високата плътност на ребрата може да е по-подходяща. Въпреки това, в приложения, където енергийната ефективност и ниският шум са критични, като например жилищни или търговски ОВК системи, по-ниската плътност на перките може да е по-подходяща. В същото време, както е показано в проучването на Wang et al. (1996), ефектът от разстоянието между ребрата върху коефициента на топлопреминаване може да не е значителен. Следователно, при определени работни условия, подходящото намаляване на плътността на ребрата в замяна на по-нисък спад на налягането и по-ниска чувствителност към замърсяване може да бъде по-добър инженерен избор.
Ние предлагаме топлообменници с перки и тръби с различни плътности на перките, за да отговорим на разнообразните нужди на нашите клиенти. Нашите топлообменници за гореща вода са проектирани за ефективен пренос на топлина в системи за отопление с гореща вода, докато нашите парни топлообменници са подходящи за приложения, включващи пара или пара. Предлагаме и парни топлообменници за ефективен топлообмен между пара и други флуиди; Сушилни с горещ въздух за сушене; и топлообменници с термично масло за отоплителни системи с термално масло.
Заключение
Разбирането на връзката между плътността на ребрата и спада на налягането е от съществено значение за избора на правилния топлообменник с перки и тръби за вашето приложение. Класическата литература показва, че увеличаването на плътността на ребрата не винаги води до синхронно подобрение на коефициента на топлопреминаване, но повишаването на спада на налягането е сигурно, особено при условия на замърсяване. Като доверен доставчик, ние имаме експертизата и богатия опит, за да ви помогнем да вземете информирани решения. Независимо дали имате нужда от топлообменник за малки жилищни приложения или такъв за големи индустриални проекти, ние можем да предоставим решение, което отговаря на вашите специфични нужди.
Ако се интересувате да научите повече за нашите топлообменници с перки и тръби или ако имате въпроси относно плътността на перките и спада на налягането, моля, свържете се с нас за подробна консултация. Нашият екип от експерти е готов да ви помогне да намерите най-подходящото решение за топлообменник за вашите нужди.
Референции
Турага, М. (1989). Експериментална оценка на ефективността на многоредови, пластинчати оребрени тръби, въздушно охлаждане с директно разширяване и обезвлажняващи намотки. Докторска дисертация, Университет Конкордия.
Wang, CC, Chang, YJ, Hsieh, YC, & Lin, YT (1996). Чувствителни характеристики на топлина и триене на пластинчати топлообменници с перки и тръби с плоски ребра. Международен журнал за охлаждане, 19 (4), 223–230.
Отович, М. и др. (2018). Падане на налягането от страна на въздуха в топлообменници с пластинчати оребрени тръби. Международен журнал за охлаждане.
Tang, J., Zhan, F., Hu, H., Ding, G., & Zhuang, D. (2017). Експериментално изследване на ефекта на структурата на ребрата върху замърсяването и спада на налягането на топлообменниците с перки и тръби. Journal of Refrigeration, 38 (1), 1–7. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4339.2017.01.001
Qiu, Y. (2019). Анализ на характеристиките на топлопреминаване на жалузийни ребрено-тръбни топлообменници. Хладилна и климатична техника, 19 (2), 34–38.