Scambiatore di calore senza fine

Lo scambiatore di calore a pinna e tubo è lo scambiatore di calore più utilizzato nell'industria della refrigerazione e dell'aria condizionata.e tubo di rame e pinne di alluminio sono i principali componenti di scambiatore di calore tubo a pinneSi ritiene generalmente che la principale resistenza termica degli scambiatori di calore a tubi a pinne si trovi sul lato aereo.Quindi come progettare pinne più efficienti è sempre stata la priorità della ricerca sugli scambiatori di calore a tubo a pinneL'industria ha sviluppato superfici rinforzate come fogli ondulati, ponti, aperture per finestre e varie pinne con generatori di vortici.

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Una delle direzioni di sviluppo dei tubi di rame è quella di ridurre il diametro, e sono stati applicati tubi da 5 mm.il ruolo dominante delle pinne nel trasferimento di calore è indebolito, anche senza pinne, con conseguente Micro Bare Tube Heat Exchanger, o Finless Heat Exchanger.

Uno studio dell'Università del Maryland [1] dimostra che quando il diametro del tubo è inferiore a 1 mm, lo scambiatore di calore senza pinne può raggiungere la stessa compattezza dello scambiatore di calore con fine,e più piccolo è il diametro del tuboCome illustrato nella figura 1, l'assise è il diametro del tubo,e l'ordinato è l'area di scambio termico per unità di volume (comunemente usata per misurare la compattezza dello scambiatore di calore)Per i diametri convenzionali dei tubi, gli scambiatori di calore a pinne sono più di 20 volte più compatti degli scambiatori di calore senza pinne.lo scambiatore di calore a pinne è solo circa il doppio di quello senza pinneSe il diametro del tubo viene ulteriormente ridotto, la compattezza dello scambiatore di calore senza pinne sarà vicina a quella dello scambiatore di calore con pinne.l'area di scambio termico dello scambiatore di calore senza pinne non è molto diversa dall'area di scambio termico del tipo a pinne nello stesso volume, e il ruolo della pinna come "superficie estesa" non esiste più.

Fig.1. Variazione della compattezza dello scambiatore di calore con il diametro del tubo (Fonte: Ref. [1])

La figura 2 illustra un confronto tra i coefficienti di trasferimento termico a pinne e non a pinne, dove l'abcissa è il costo di trasferimento termico - il consumo di energia distribuito sulla superficie di scambio termico unitario.Si può vedere che c'è un'intersezione tra le due curveSul lato destro di questa intersezione, il coefficiente di trasferimento di calore del tipo senza ali è superiore a quello del tipo a pinne quando il costo di trasferimento di calore è lo stesso.

Figura 2 Confronto dei coefficienti di trasferimento di calore tra i tipi con e senza pinne (Fonte: Ref. [1])

Come potete immaginare, un altro vantaggio di questo tipo di scambiatore di calore in tubo microfluorescente è che ha una carica di refrigerante significativamente inferiore.I ricercatori dell'Università dello Zhejiang [2] hanno utilizzato uno scambiatore di calore a tubo a bassa luminosità simile per il condizionatore d'aria split per uso domestico R290., riducendo con successo la carica a circa 250 g, soddisfacendo così la norma UE.come mostrato nella figura 3Il tubo dello scambiatore di calore è un tubo in acciaio inossidabile con un diametro esterno di 0,58 mm. Il prodotto effettivo è illustrato nella figura 4.

Fig.3Diagramma schematico di uno scambiatore di calore a tubo a scarsa illuminazione (fonte: Ref. [2])

Fig.4. Condensatore (a sinistra) ed evaporatore (a destra) utilizzando uno scambiatore di calore a tubo a bassa luminosità (Fonte: Ref. [2])

I ricercatori dell'Università del Maryland hanno anche sviluppato uno scambiatore di calore a tubo nudo bifurcato basato sulla teoria della geometria frattale [3], il cui diagramma schematico è mostrato nella figura 5.I risultati della simulazione numerica mostrano che quando il diametro esterno del tubo è pari a 0,0,8 mm, the air side heat transfer coefficient of the bifurcated light tube heat exchanger is 15% higher and the pressure drop is reduced by 4-12% compared with the straight tube microfluorescent tube heat exchangerInoltre, hanno utilizzato la stampa 3D per realizzare un oggetto fisico (vedi figura 6) per il test.

Fig.5Diagramma schematico di uno scambiatore di calore a tubo fluorescente bifurcato (Fonte: Ref. [3])

Fig.6. campione di stampa 3D di scambiatore di calore a tubo fluorescente bifurcato (Fonte: Ref. [3])

Va sottolineato che, nonostante i vantaggi di cui sopra, gli scambiatori di calore a tubi microfluorescenti presentano anche evidenti svantaggi.(1) il numero di tubi nello scambiatore di calore del tubo a scarsa illuminazione è molto grande, e quando viene utilizzato come evaporatore, il refrigerante bifasico è facilmente distribuito in modo irregolare; (2) Come trattare i tubi microfluorescenti con metodi tradizionali; (3) Quando la lunghezza del tubo è lunga,come assicurarsi che il tubo microfluorescente non si pieghi e si deformiIn generale, gli scambiatori di calore a tubo microfluorescente sono ancora in fase iniziale di ricerca, e i vantaggi e gli svantaggi dipendono dalle ulteriori scoperte dei professionisti.

Riferimenti

[1] Bacellar, D., V. Aute, Z. Huang e R. Radermacher (2017)."Ottimizzazione del progetto e convalida degli scambiatori di calore ad alte prestazioni mediante ottimizzazione assistita da approssimazione e produzione additiva." Scienza e tecnologia per l'ambiente costruito 23(6): 896-911.

[2] Zhou, W. e Z. Gan (2019). "Un potenziale approccio per ridurre la carica di R290 nei condizionatori d'aria e pompe di calore". International Journal of Refrigeration 101: 47-55.

[3] Huang, Z., J. Ling, Y. Hwang, V. Aute e R. Radermacher (2017). "Disegno e studio parametrico numerico di uno scambiatore di calore compatto raffreddato ad aria." Scienza e tecnologia per l' ambiente costruito 23(6)970-982.