Comment l'échangeur de chaleur à plaques et ailettes équilibre-t-il la contradiction entre l'efficacité de l'échange thermique et la chute de pression ?

Dans Échangeur de chaleur à plaques et ailettes , l’équilibre entre l’efficacité de l’échange thermique et la chute de pression constitue un défi de conception clé. Habituellement, il existe une relation antagoniste entre l’efficacité de l’échange thermique et la chute de pression, à savoir :

Améliorer l'efficacité de l'échange thermique signifie généralement augmenter la surface d'échange thermique ou améliorer les caractéristiques turbulentes du fluide, ce qui augmentera la résistance au frottement du fluide, entraînant une augmentation de la chute de pression.

La réduction de la chute de pression nécessite généralement de réduire la résistance à l'écoulement, par exemple en augmentant le trajet d'écoulement du fluide, en réduisant la surface des ailettes ou en modifiant la conception du canal d'écoulement, ce qui peut entraîner une diminution de l'efficacité de l'échange thermique.

Comment équilibrer la contradiction entre l’efficacité de l’échange thermique et la chute de pression :

Optimiser la conception des ailerons
Forme et disposition des ailettes : La forme, l'épaisseur, l'espacement et la disposition des ailettes affectent directement l'efficacité de l'écoulement et de l'échange thermique du fluide. Par exemple, l'utilisation d'ailettes ondulées ou d'ailettes en spirale peut augmenter la turbulence du fluide, améliorer l'efficacité de l'échange thermique et rendre le chemin d'écoulement plus complexe, améliorant ainsi la distribution du fluide. Cependant, une telle conception augmente souvent la perte de charge, il est donc nécessaire de trouver une conception d'ailettes adaptée en fonction des exigences spécifiques du système.

Sélection de l'espacement des ailettes : L'augmentation de l'espacement des ailettes peut réduire la résistance du fluide et ainsi réduire la chute de pression, mais un espacement trop grand réduira la zone d'échange thermique et affectera l'efficacité de l'échange thermique. Par conséquent, l’espacement des ailettes doit être optimisé en fonction de la demande de charge thermique et du débit de fluide.

Conception et optimisation des canaux de flux
Conception du trajet d'écoulement du fluide : dans un échangeur de chaleur à plaques et ailettes, la longueur et la complexité du trajet du fluide affecteront la perte de pression du fluide. Lors de la conception, essayez de faire en sorte que le trajet d'écoulement du fluide augmente la surface d'échange thermique sans augmenter trop la résistance à l'écoulement. Par exemple, une conception de canal à écoulement échelonné peut être utilisée pour augmenter la zone de contact entre le fluide et l'ailette tout en maintenant une faible chute de pression.

Combinaison de canaux d'écoulement parallèles et en série : en combinant raisonnablement des canaux d'écoulement parallèles et en série, l'efficacité de l'échange thermique peut être maximisée tout en maintenant une faible chute de pression. Les canaux à flux parallèle peuvent réduire la résistance du fluide traversant chaque canal, tandis que les canaux à flux en série contribuent à augmenter la surface d'échange thermique.

Sélection et optimisation des fluides
Propriétés du fluide : la sélection d'un fluide de travail approprié, en particulier compte tenu de sa viscosité, de sa densité et de sa conductivité thermique, a un impact important sur le contrôle de l'efficacité de l'échange thermique et de la chute de pression. D'une manière générale, les fluides à faible viscosité ont une perte de charge plus faible lorsqu'ils circulent dans un échangeur de chaleur, mais leur conductivité thermique peut être inférieure, ce qui peut entraîner une mauvaise efficacité de l'échange de chaleur. En revanche, les fluides à haute viscosité peuvent améliorer l’efficacité de l’échange thermique, mais sont susceptibles d’augmenter la chute de pression. Par conséquent, il est nécessaire de sélectionner le fluide approprié en fonction du scénario d’application spécifique.

Utiliser un système multifluide

Transfert de chaleur multi-fluide : Dans certaines applications, la chute de pression dans chaque canal de fluide peut être réduite en introduisant un transfert de chaleur multi-fluide. Par exemple, une conception à flux divisé peut être utilisée pour faire circuler différents fluides dans différents canaux d'écoulement afin d'optimiser la chute de pression et l'effet d'échange thermique.

Contrôle raisonnable du débit
Optimisation du débit : Plus le débit est élevé, plus l'effet de turbulence est fort, plus l'efficacité de l'échange thermique est élevée, mais en même temps la perte de charge augmente également. Il est donc très important de choisir le débit de manière raisonnable. Habituellement, le débit d'un échangeur thermique à plaques et ailettes est réglé entre 1,5 et 4 m/s. En optimisant le débit grâce à la simulation numérique et à l'expérimentation, un équilibre peut être trouvé entre l'efficacité de l'échange thermique et la chute de pression.

Utiliser des surfaces d’échange thermique efficaces
Contrôle de la rugosité de la surface : en concevant et en améliorant la surface (comme rendre la surface rugueuse, pulvériser ou recouvrir de revêtements spéciaux), la capacité de transfert de chaleur de la surface de l'échangeur de chaleur peut être augmentée, la résistance thermique peut être réduite et l'efficacité de l'échange de chaleur peut être améliorée, tandis que la perte de pression du flux peut être contrôlée dans une certaine mesure.

Optimisation de la taille de l'échangeur thermique
Lors de la conception, la surface d'échange thermique peut être augmentée en augmentant la taille de l'échangeur thermique (en augmentant le nombre d'ailettes et la longueur du canal d'écoulement), mais une taille trop grande peut entraîner une chute de pression excessive. L'optimisation de la taille nécessite de trouver le meilleur point entre la demande d'échange thermique et la perte de charge admissible.

Pour équilibrer la contradiction entre l'efficacité de l'échange thermique et la chute de pression, il est nécessaire de prendre en compte de manière exhaustive des facteurs tels que la conception des ailettes, l'optimisation du canal d'écoulement, la sélection du fluide et le contrôle du débit. Grâce à la simulation numérique, à la vérification expérimentale et à l'optimisation du système, la chute de pression peut être contrôlée dans une plage acceptable tout en répondant aux exigences d'échange thermique. Cette optimisation est généralement un processus itératif qui nécessite un ajustement et une amélioration continus des applications pratiques.