Schimbătoare de căldură cu tub de cupru de înaltă-eficiență: design, materiale și performanță

Diferența de eficiență dintre tubul simplu și îmbunătățit

Un schimbător convențional de carcasă și tub, construit dintr-un tub simplu de cupru, depinde de mișcarea în vrac a fluidului pentru a transporta căldura către și dinspre perete. Un schimbător de tuburi de cupru de înaltă eficiență atacă aceeași sarcină din interior spre exterior: orificiul tubului nu este neted, calea de curgere nu este dreaptă și agentul frigorific este alimentat în pachet printr-un distribuitor în loc să fie aruncat într-un colector. Rezultatul este o suprafață eficientă de transfer mai mare și un strat limită mai subțire pe partea agentului frigorific, unde se află de obicei rezistența termică de control.

De aici provine câștigurile de performanță raportate, mai degrabă decât de la metalul în sine, care rămâne standard dezoxidat cu fosfor sau cupru rezistent electrolitic. Proiectele îmbunătățite de acest tip sunt descrise în mod obișnuit ca oferind cu aproximativ 20% mai mult transfer de căldură decât un schimbător cu tub simplu de anvelopă comparabilă, cu o amprentă mai mică, încărcătură mai mică de agent frigorific și costuri reduse de material ca beneficii practice. Pentru producătorii de pompe de căldură care se îndepărtează de unitățile voluminoase cu carcasă și tub, acești trei factori decid selecția.

Proiectarea structurală a pachetului îmbunătățit

Construcția este construită în jurul unor tuburi interioare și exterioare concentrice, astfel încât fluidele calde și reci schimbă căldură în spațiul inelar și prin peretele de cupru în același timp.

Tub de cupru canelat intern:pe alezaj se formează creste fine elicoidale. În comparație cu tubul simplu, suprafața pe unitate de lungime este mai mare, iar crestele întrerup în mod repetat pelicula de agent frigorific, astfel încât lichidul este măturat de perete și fluxul rămâne turbulent, mai degrabă decât să se așeze în straturi.

Tub concentric în structura tubului:apa de răcire trece prin orificiul de cupru, în timp ce agentul frigorific ocupă spațiul inelar dintre tubul de cupru și tubul exterior de oțel, ceea ce pune cele două fluxuri în contracurent pe un singur perete comun.

Distribuitor și colector:fasciculul este conectat la un distribuitor de lichid și un colector la fiecare capăt, astfel încât agentul frigorific să intre și să iasă uniform din fiecare tub, ceea ce permite utilizarea întregii capacități de transfer a fiecărui tub.

Pachet spiralat stivuit:mănunchiul este îndoit într-o spirală stivuită și tuburile de oțel trec prin el. Apa care curge prin pasajul curbat este acționată prin forța centrifugă și prin răsucirea ușoară a traseului ca o panglică, care promovează fluxul secundar și freacă stratul limită în loc să-l lase să se îngroașe.

Condiționarea suprafeței:tratamente ale alezajului care îmbunătățesc umezirea suprafeței de cupru sunt aplicate în unele modele pentru a menține lichidul în contact cu peretele și pentru a întârzia uscarea locală la o calitate ridicată a vaporilor.

Materiale și standarde

Alegerea materialului urmează aceeași logică ca orice circuit frigorific: cupru pentru suprafața de transfer datorită conductivității și formabilității sale, oțel pentru reținerea presiunii acolo unde geometria o permite și o atmosferă controlată în timpul lipirii pentru a menține alezajul curat.

Deoarece tubul este deformat pentru a forma canelurile și apoi înfășurat, moara trebuie să livreze tubul cu o temperatură consistentă. Un mănunchi realizat dintr-un tub cu duritate inconsecventă nu se va înfăşura uniform, iar variaţia rezultată a golului inelar reduce eficienţa designului.

Performanță, cădere de presiune și retur de ulei

Îmbunătățirea nu este niciodată gratuită. Canelarea găurii crește coeficientul de transfer de căldură pe partea agentului frigorific și, de asemenea, crește scăderea de presiune pe partea agentului frigorific, de obicei cu un procent mai mic decât câștigul de transfer de căldură, ceea ce face ca schimbul să merite într-o pompă de căldură sau un circuit de răcire. Prin urmare, designerii lucrează cu un coeficient global care include ambele efecte, mai degrabă decât cu factorul de îmbunătățire singur.

Partea apei:gaura netedă sau galvanizată a tubului exterior permite viteze mai mari ale apei fără o penalizare mare de cădere de presiune, iar rezistența la acumularea de calcar menține stabil coeficientul de apă pe perioade lungi de funcționare.

Partea agent frigorific:distribuția uniformă de la colector împiedică unele tuburi să se usuce, în timp ce altele se inundă, ceea ce este cauza obișnuită a performanței dezamăgitoare într-un design altfel de bobină sunet.

Retur ulei:spațiul inelar este menținut la o lățime constantă, iar calea spirală menține viteza gazului suficient de mare pentru a transporta lubrifiantul înapoi la compresor atunci când unitatea funcționează ca un evaporator.

Presiune și șoc:construcția concentrică, cu oțel fără sudură la exterior, rezistă la cicluri frecvente de presiune, pulsații și vibrații și rezistă la deformare atunci când circuitul este încărcat sau pompat.

Neînfundare:decalajul dintre tubul interior și cel exterior este uniform, astfel încât murdăria și scara nu fac punte de trecere, iar unitatea poate fi curățată fără a demonta circuitul.

Aplicații și ghid de selecție

Designul se potrivește pompelor de căldură ambalate, chillerelor, unităților frigorifice de condensare și oricărei sarcini în care se dorește un schimbător compact, rezistent la presiune și cu costuri reduse. Selecția începe cu debitul masic al agentului frigorific, temperaturile de evaporare și condensare și debitul pe partea apei, apoi fixează diametrul tubului, geometria canelurii, lungimea fasciculului și numărul de circuite paralele, astfel încât căderea de presiune să rămână în interiorul compresorului.

Două verificări aparțin fiecărei specificații. În primul rând, confirmați viteza apei și calitatea apei, deoarece apa agresivă va ataca un orificiu galvanizat în timp, indiferent cât de bun este designul părții agent frigorific. În al doilea rând, confirmați raza de bobinare față de diametrul tubului, deoarece o îndoire prea strânsă va ovaliza tubul de cupru și va schimba golul inelar. Când ambii sunt mulțumiți, schimbătorul oferă învelișul compact și eficiența ridicată pe care le solicită producătorii de pompe de căldură și răcitoare.

Întrebări frecvente

Î: Ce face ca un schimbător de căldură cu tub de cupru să fie eficient?
Câștigul provine din geometrie mai degrabă decât din aliaj: tubul canelat intern mărește suprafața de transfer și menține agentul frigorific turbulent, în timp ce un distribuitor și un distribuitor răspândesc agentul frigorific uniform prin fiecare tub din fascicul.

Î: Cât de mult este mai bun un tub îmbunătățit decât un schimbător cu tub simplu?
Desenele îmbunătățite de acest tip sunt raportate în mod obișnuit că transferă cu aproximativ 20% mai multă căldură decât o unitate cu tuburi simple de înveliș similar, cu o amprentă mai mică și un cost de material mai mic, deși cifra exactă depinde de agent frigorific, debitul și temperaturile de funcționare.

Î: Ce materiale sunt folosite în fascicul de tuburi?
Pentru suprafața de transfer este folosit un tub de cupru fără sudură, cu caneluri interioare, cum ar fi C12200 sau C11000, iar conducta de oțel fără sudură formează tubul exterior, cu un orificiu galvanizat disponibil acolo unde partea de apă necesită rezistență suplimentară la coroziune și murdărie.

Î: Alezajul canelat crește scăderea de presiune?
Da. Canelurile cresc scăderea de presiune pe partea agentului frigorific, precum și transferul de căldură, dar câștigul de transfer este, în mod normal, mai mare decât penalitatea, motiv pentru care designul este favorizat în circuitele pompelor de căldură și răcitoarelor unde compactitatea contează.

Î: De ce este importantă returnarea uleiului în acest design?
Spațiul inelar dintre tubul interior și exterior este menținut la o lățime uniformă, iar calea spirală menține viteza gazului, astfel încât lubrifiantul este transportat înapoi la compresor în loc să se colecteze în evaporator și să înfometeze mașina.

Î: Cum este inspectat pachetul înainte de expediere?
Diametrul tubului, grosimea peretelui și forma canelurii sunt măsurate, bobinele sunt testate la presiune pentru etanșeitate, iar testarea cu curenți turbionari este utilizat pentru a detecta defectele peretelui în tubul de cupru fără sudură înainte de asamblarea fasciculului.