Breve analisi della cattiva distribuzione del flusso nei canali interni degli scambiatori di calore in lamiera di alluminio: cause ed effetti

Riassunto

Questo articolo esamina il diffuso problema della cattiva distribuzione del flusso negli scambiatori di calore a pinna di piastra, una condizione che causa un grave degrado dell'efficacia degli scambiatori di calore e un aumento della caduta di pressione.La maldistribuzione è particolarmente critica nelle applicazioni di maldistribuzione del flusso bi-fase e degli scambiatori di calore a piattaforma su larga scala. Si analizzano le cause meccaniche della cattiva distribuzione del flusso, comprese le irregolarità di distribuzione della pressione della testata di ingresso e le variazioni di flusso canale-canale,e presentano una strutturata "cassetta degli strumenti" che utilizza tecniche di simulazione numerica CFD degli scambiatori di calore a piattaforma, ottimizzazione della progettazione dell'intestazione e ottimizzazione della geometria avanzata delle pinne.e l'aumento del trasferimento di calore delle pinne a laminazione sono discussi come contromisure provate.

Gli studi dimostrano costantemente che la distribuzione irregolare dei fluidi provoca un campo di temperatura e velocità non uniforme che, insieme alla conduzione longitudinale del calore,porta a un grave degrado delle prestazioni di trasferimento di calore nelle unità di scambiatori di calore a pinna in piastra di alluminioLa distribuzione perfettamente uniforme del fluido in ogni canale interno è la sfida centrale per massimizzare l'efficienza termica.la cattiva distribuzione del fluido del canale interno deriva da tre restrizioni criticheLa comprensione di come questi componenti influenzano il flusso del fluido è la chiave per mitigare il problema.in particolare quando si verifica un effetto di maldistribuzione del flusso laminare o una maldistribuzione del flusso bi-fase.

1. Fattori primari che causano una cattiva distribuzione dei flussi interni

Ampi studi sperimentali, compresa l'analisi sperimentale della distribuzione del flusso PIV, hanno confermato che la maldistribuzione del flusso interno negli scambiatori di calore a pinna di piastra è grave e diffusa.Le cause sottostanti possono essere raggruppate in tre categorie:

(1)Cause meccaniche di cattiva distribuzione del flusso- questi sono legati alla progettazione, alla fabbricazione, alle tolleranze e all'assemblaggio dei componenti strutturali dello scambiatore di calore.

Fattori di intestazione di entrata e di uscita: una distribuzione irrazionale della pressione della testata d'ingresso o una cattiva distribuzione del flusso della testata di uscita creano un campo di pressione non uniforme su tutta la sezione trasversale,che porta direttamente a variazioni di flusso canale-canale.

Fattori interni del canale: difetti di fabbricazione, deformazione e deformazione delle pinne producono differenze di resistenza termica e resistenza al flusso tra i canali.la variazione di flusso canale-canale si sviluppa ancoraLa maldistribuzione indotta dall'intestazione ha un effetto di vasta portata e può ridurre drasticamente l'efficacia dello scambiatore di calore, aumentando sensibilmente la caduta di pressione.L'effetto di maldistribuzione del flusso laminare è particolarmente dannoso per il flusso laminare completamente sviluppato, causando un notevole degrado delle prestazioni di trasferimento di calore, sebbene accompagnato da una leggera riduzione della perdita di pressione.

(2)Cause legate ai fluidiLe variazioni delle proprietà del fluido, come le variazioni di viscosità nella regione laminare e gli spostamenti di densità dovuti a gradienti di temperatura, contribuiscono a una distribuzione irregolare del fluido.

(3)Altre cause operative- l'inquinamento e il blocco dei canali dello scambiatore di calore, nonché la corrosione, possono verificarsi durante il servizio a lungo termine e alterare localmente la resistenza al flusso, aggravando la maldistribuzione esistente.

Tra questi, the mechanical factors associated with the inlet/outlet headers—specifically the improper design of headers and distributor fins—are generally accepted as the dominant source of flow maldistribution in plate‑fin heat exchangersLe irregolarità dei canali interni, l'inquinamento e il blocco e gli effetti sulle proprietà del fluido sono considerati fattori secondari.

2Un "cassetto strumenti" di contromisure per migliorare la distribuzione dei flussi

Per risolvere i problemi di distribuzione del flusso degli scambiatori di calore in lamiera di alluminio è necessaria una serie integrata di soluzioni ingegneristiche:

(1)Ottimizzazione del design dell'intestazione- Introdurre strutture di equalizzazione del flusso, piastra di deflezione o ottimizzazione dell'intestazione della piastra perforata per rompere i getti in entrata e le zone di ricircolazione.Le misurazioni della distribuzione del flusso effettuate con l'esperimento PIV hanno convalidato il miglioramento significativo dell'uniformità ottenuto con questi dispositivi..

(2)Simulazione del CFD della pinna del distributore e progettazione ottimale– Employ CFD numerical simulation plate‑fin heat exchanger modelling to design vortex suppression inlet distributor geometries and well‑shaped distributor fins that guide the fluid evenly into the coreL'ottimizzazione mira ad una riduzione dell'impatto sul primo canale del nucleo della pinna di piastra e ad una distribuzione equilibrata della pressione della testata di ingresso.

(3)Miglioramento della progettazione dei canali e delle pinne¢ Ottimizzare la larghezza del canale per adattarlo alle condizioni di funzionamento;e applicare algoritmi di layout del canale di ottimizzazione multi-obiettivo per ottenere un equilibrio ideale tra trasferimento di calore e calo di pressioneInoltre, la regolazione fine del rapporto di spaziatura tra le altezza delle pinne e di altri parametri di ottimizzazione della geometria delle pinne aiuta a regolare la resistenza termica in ambito e il coefficiente di trasferimento termico locale.

(4)Introduzione di nuovi percorsi di flusso e superfici migliorate- adottare tecnologie di miglioramento del trasferimento di calore con pinne a laminazione o di disturbo del sottoscopio laminare con pinne perforate per interrompere il sottoscopio laminare e intensificare la miscelazione del flusso.Come alternativa alla configurazione convenzionale a canale diretto, la progettazione degli scambiatori di calore anulare a flusso radiale e la progettazione dei flussi trasversali e longitudinali possono attenuare sostanzialmente la maldistribuzione intrinseca nei sistemi su larga scala o bifasico.

Conclusioni

Il superamento della cattiva distribuzione del fluido del canale interno negli scambiatori di calore a pinna di piastra di alluminio richiede in ultima analisi un "colpo combinato": ottimizzazione della progettazione dell'intestazione, simulazione CFD della pinna del distributore di precisione,e ottimizzazione completa della geometria delle pinne combinata con configurazioni di canale innovativeQuando l'applicazione comporta unità di scambiatori di calore a piattaforma a grande scala o una cattiva distribuzione del flusso bi-fase, queste tecniche integrate diventano indispensabili.I modelli di scambiatori di calore a pinna a piastra di simulazione numerica CFD tridimensionale rimangono lo strumento più efficace per valutare e convalidare i guadagni di prestazione, garantendo una sostanziale riduzione delle variazioni di flusso canale-canale e il recupero dell'efficacia perduta dello scambiatore di calore.