Intercambiador de calor sin aletas

Intercambiador de calor sin aletas

El intercambiador de calor de aleta y tubo es el intercambiador de calor más utilizado en la industria de refrigeración y aire acondicionado,El tubo de cobre y las aletas de aluminio son los componentes principales del intercambiador de calor de tubo con aletasEn general, se cree que la principal resistencia térmica de los intercambiadores de calor de tubos con aletas se encuentra en el lado del aire.Así que cómo diseñar aletas más eficientes siempre ha sido la principal prioridad de la investigación de intercambiadores de calor de tubos de aletasLa industria ha desarrollado superficies reforzadas tales como láminas onduladas, puentes, aberturas de ventanas y varias aletas con generadores de vórtice.

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Una de las direcciones de desarrollo de los tubos de cobre es reducir el diámetro, y se han aplicado tubos de 5 mm.el papel dominante de las aletas en la transferencia de calor se debilita, incluso sin aletas, lo que resulta en un intercambiador de calor de tubo desnudo micro, o intercambiador de calor sin aletas.

Un estudio de la Universidad de Maryland [1] muestra que cuando el diámetro del tubo es inferior a 1 mm, el intercambiador de calor sin aletas puede lograr la misma compacidad que el intercambiador de calor con aletas,y cuanto menor sea el diámetro del tuboComo se muestra en la figura 1, la abscissa es el diámetro del tubo,y el ordinado es el área de intercambio de calor por unidad de volumen (usualmente utilizada para medir la compacidad del intercambiador de calor)Para los diámetros convencionales de los tubos, los intercambiadores de calor con aletas son más de 20 veces más compactos que los intercambiadores de calor sin aletas.el intercambiador de calor con aletas es sólo aproximadamente el doble de compacto que el intercambiador de calor sin aletasSi el diámetro del tubo se reduce aún más, la compacidad del intercambiador de calor sin aletas será cercana a la del intercambiador de calor con aletas.el área de intercambio de calor del intercambiador de calor sin aletas no difiere mucho del área de intercambio de calor del tipo con aletas en el mismo volumen, y el papel de la aleta como "superficie extendida" ya no existe.

El Fig.1. Variación de la compacidad del intercambiador de calor con el diámetro de la tubería (Fuente: Ref. [1])

La figura 2 muestra una comparación de los coeficientes de transferencia de calor con y sin aletas, donde la abscissa es el coste de transferencia de calor - el consumo de energía distribuido por el área de intercambio térmico unitario.Se puede ver que hay una intersección entre las dos curvasEn el lado derecho de esta intersección, el coeficiente de transferencia de calor del tipo sin alas es mayor que el del tipo con aletas cuando el coste de transferencia de calor es el mismo.

Fig.2 Comparación de los coeficientes de transferencia de calor entre los tipos con y sin aletas (Fuente: Ref. [1])

Como se puede imaginar, otra ventaja de este tipo de intercambiador de calor de tubo microfluorescente es que tiene una carga de refrigerante significativamente menor.Investigadores de la Universidad de Zhejiang [2] utilizaron un intercambiador de calor por tubo de poca luz similar para el acondicionador de aire dividido doméstico R290.El intercambiador de calor de tubo microfluorescente que diseñaron es estructuralmente similar a un intercambiador de calor de flujo paralelo.como se muestra en la figura 3El tubo del intercambiador de calor es un tubo de acero inoxidable con un diámetro exterior de 0,58 mm.

El Fig.3Diagrama esquemático del intercambiador de calor de tubo con poca luz (fuente: Ref. [2])

El Fig.4. Condensador (izquierda) y evaporador (derecha) utilizando intercambiador de calor de tubo con poca luz (Fuente: Ref. [2])

Investigadores de la Universidad de Maryland también han desarrollado un intercambiador de calor de tubo desnudo bifurcado basado en la teoría de la geometría fractal [3], cuyo diagrama esquemático se muestra en la Figura 5.Los resultados de la simulación numérica muestran que cuando el diámetro exterior de la tubería es 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 exchangerTambién utilizaron la impresión 3D para hacer un objeto físico (ver Figura 6) para la prueba.

El Fig.5Diagrama esquemático del intercambiador de calor de tubo fluorescente bifurcado (Fuente: Ref. [3])

El Fig.6. Muestra de impresión 3D de intercambiador de calor de tubo fluorescente bifurcado (Fuente: Ref. [3])

Hay que señalar que, a pesar de las ventajas antes mencionadas, los intercambiadores de calor de tubos microfluorescentes también presentan desventajas obvias, por ejemplo:(1) el número de tubos en el intercambiador de calor del tubo de poca luz es muy grande, y cuando se utiliza como evaporador, el refrigerante bifásico se distribuye fácilmente de manera desigual; (2) Cómo procesar los tubos microfluorescentes utilizando métodos tradicionales; (3) Cuando la longitud del tubo es larga,cómo asegurarse de que el tubo microfluorescente no se dobla y deformaEn general, el intercambiador de calor de tubo microfluorescente se encuentra todavía en la fase inicial de la investigación, y las ventajas y desventajas dependen del descubrimiento posterior de los profesionales.

Las referencias

[1] Bacellar, D., V. Aute, Z. Huang y R. Radermacher (2017)."Optimización del diseño y validación de intercambiadores de calor de alto rendimiento mediante optimización asistida por aproximación y fabricación aditiva." Ciencia y tecnología para el entorno construido 23(6): 896-911.

[2] Zhou, W. y Z. Gan (2019). "Un enfoque potencial para reducir la carga de R290 en acondicionadores de aire y bombas de calor". International Journal of Refrigeration 101: 47-55.

[3] Huang, Z., J. Ling, Y. Hwang, V. Aute y R. Radermacher (2017). "Diseño y estudio paramétrico numérico de un intercambiador de calor compacto enfriado por aire." Ciencia y tecnología para el entorno construido 23(6)970-982.