Per selezionare lo scambiatore di calore o il refrigerante ad olio, è necessario in primo luogo determinare la prestazione termica richiesta dall'applicazione. Prendiamo un esempio:
Scelta del liquido di raffreddamento
Passaggio 1: parametri dell'applicazione
- Tipo di liquido: acqua
- Carico termico richiesto (Q): 3.300 W (11.263 BTU/Hr)
- Temperatura del liquido in ingresso (T liquido ing): 80°C (176°F)
- Temperatura dell'aria in ingresso (T aria ing): 21°C (70°F)
- Portata del liquido: 2 gpm (7,6 LPM)
Passaggio 2: selezionare il tipo di scambiatore di calore
Scegli uno scambiatore di calore in alluminio, rame o acciaio inossidabile in base alla compatibilità del fluido. Le tubazioni in alluminio sono adatte di solito agli oli leggeri o alle soluzioni di glicole etilenico. Il rame è generalmente utilizzato con l'acqua. L'acciaio inossidabile è impiegato con l'acqua deionizzata e con i fluidi corrosivi.
Passaggio 3: calcolare la differenza di temperatura iniziale
Sottrai dalla temperatura del liquido in ingresso allo scambiatore di calore quella dell'aria in ingresso.
ITD = T liquido ing - T aria ing = 80°C - 21°C = 59°C o (176°F - 70°F = 106°F)
Passaggio 4: Calcolare la capacità di resa richiesta (Q/ITD)
Dividere il carico termico (Q) per il valore ITD calcolato nel passo 3.
Passaggio 5: selezionare il modello di scambiatore di calore adatto
Consulta le curve caratteristiche della resa termica dello scambiatore di calore selezionato. Vedi le curve per gli scambiatori di calore in rame (serie 6000 e serpentine OEM), per quelli in acciaio (serie Aspen e serie 4000) e per quelli in alluminio (serie ES). Sono adatti tutti gli scambiatori di calore con più di 56 W/°C a 7,5 LPM (2 gpm) quando si utilizza una ventola standard. Come mostrano le seguenti curve, lo scambiatore di calore 6210 raggiunge la resa richiesta di 56 W/°C all'intersezione con la linea dei 60 Hz della ventola Marin.
Passaggio 6: stabilire la perdita di carico del liquido
Con i parametri assegnati, sappiamo che la pompa deve essere capace di erogare l'acqua a 2 gpm (7,5 LPM). Utilizzando il grafico della perdita di carico lato liquido del 6210, si vede che nel punto in cui la curva del 6210 interseca la linea verticale dei 2 gpm (7,5 LPM), la perdita di carico del liquido nel 6210 è di 8 psi (0,55 bar). La pompa selezionata deve essere in grado di risolvere tale perdita di carico e garantire una portata di 2 gpm (7,5 LPM).
Passaggio 7: stabilire la perdita di carico dell'aria
La linea verticale nel grafico delle curve di resa termica indica la portata del flusso d'aria (190 CFM per la ventola Marin) erogato dalle nostre ventole standard a 60 Hz. Il punto di intersezione tra la portata del flusso d'aria e la curva della perdita di carico lato aria del 6210 indica che la perdita di carico lato aria del 6210 è di 0,24 pollici d'acqua (55 Pa).
Caratteristiche del raffreddamento ad aria
Nelle applicazioni di raffreddamento di un armadio, l'aria è più calda del liquido. In questo caso, la differenza di temperatura iniziale ITD è uguale alla differenza tra l'aria calda in ingresso allo scambiatore di calore e il liquido freddo in ingresso allo scambiatore di calore. Si potrebbe avere l'esigenza di calcolare l'aumento di temperatura utilizzando il carico termico e la temperatura dell'aria fredda in ingresso all'armadio.
Esempio: raffreddamento di un armadio elettrico
Devi raffreddare un armadio in cui sono alloggiati componenti elettronici che generano 2400 W di calore. L'aria all'interno dell'armadio non deve superare i 55°C. Che tipo di scambiatore di calore si deve scegliere e a quale temperatura deve entrare l'aria fredda?
Passaggio 1: parametri dell'applicazione
Tipo di liquido: acqua
Carico termico richiesto (Q): 2.400 W (8.189 BTU/Hr)
Temperatura del liquido in ingresso (T liquido ing): 20°C (68°F)
Temperatura massima dell'aria all'interno del'armadio (T aria ing): 55°C (131°F). Questa è la temperatura dell'aria calda in ingresso allo scambiatore di calore
Portata del liquido: 2 gpm (7,6 LPM)
Passaggio 2: calcolare la differenza di temperatura iniziale
Dalla temperatura dell'aria in ingresso allo scambiatore, si deve sottrarre la temperatura del liquido in ingresso.
ITD = T aria ing - T liquido ing = 55°C - 20°C = 35°C (o 131°F - 68°F = 63°F)
Passaggio 3: Calcolare la capacità di resa richiesta (Q/ITD)
Dividere il carico termico (Q) per il valore ITD calcolato nel passo 2.
Passaggio 4: selezionare il modello di scambiatore di calore adatto
Consulta le curve caratteristiche della resa termica dello scambiatore di calore selezionato. Vedi le curve per gli scambiatori di calore in rame (serie 6000 e serpentine OEM), per quelli in acciaio (serie Aspen e serie 4000) e per quelli in alluminio (serie ES). Sono adatti tutti gli scambiatori di calore con più di 68,6 W/°C a 2 gpm (7,6 lpm) quando si usi una ventola standard. Poiché si è scelto di utilizzare l'acqua come refrigerante, è consigliabile scegliere uno scambiatore in rame. Come mostra il grafico seguente, lo scambiatore di calore 6310 supera la resa richiesta, fornendo un Q/ITD di circa 76 W/°C utilizzando la nostra ventola Ostro.
La perdita di carico del liquido e quella dell'aria sono calcolate nello stesso modo dell'esempio precedente.
Passaggio 5: calcolo della temperatura dell'aria fredda in ingresso all'armadio
Per calcolare la temperatura dell'aria fredda in ingresso al quadro, utilizza adesso il grafico di variazione di temperatura dell'aria. Con un carico termico di 2.400 W e una portata di 250 CFM (la portata della ventola standard Ostro consigliata per il 6310), si vede che la differenza di temperatura è di 17°C. Ciò significa che la temperatura dell'aria in ingresso all'armadio sarà di: 55°C - 17°C = 38°C
Si noti che, se si conoscono il carico termico e la portata, le curve caratteristiche forniscono un sistema semplice per determinare graficamente la variazione della temperatura del fluido senza effettuare calcoli. Le curve per l'acqua, per l'aria, per una soluzione glicole etilenico/acqua 50/50 e per l'olio permettono di calcolare la variazioni di temperatura per l'aria e per il liquido per qualsiasi tipo di scambiatore di calore.
Formula alternativa per il dimensionamento
È possibile utilizzare la formula generale per il calcolo del trasferimento di calore per determinare il carico termico e la variazione di temperatura del fluido conoscendone la portata e il calore specifico.
ṁ può essere calcolata sia per l'acqua che per l'aria utilizzando le formule seguenti:
I grafici di variazione della temperatura nella nostra guida di riferimento termico della libreria tecnica danno una rappresentazione grafica della formula sopra indicata per i mezzi più comuni di trasferimento del calore: aria, acqua, olio e soluzione al 50% glicole etilenico/acqua (EGW), fornendo un sistema semplice per la determinazione della differenza di temperatura ΔT se si conoscono carico termico e portata del fluido.
Heat Exchanger Section to view and compare our options and their performance capacities.
Considerazioni sulla ventola quando si aggiunge uno scambiatore di calore
Integrazione di uno scambiatore di calore nel sistema
Quando si progetta un ciclo di raffreddamento liquido, ci sono diverse considerazioni relative all'accoppiamento della ventola e dello scambiatore di calore e all'installazione dell'assieme nel sistema. Questa nota applicativa esamina come queste considerazioni, vale a dire l'uso di un plenum, direzione del flusso, e volumetrica e velocità di flusso di massa, influenzano la selezione e l'integrazione della ventola.
Plenum
Il plenum allontana il ventilatore dalle alette dello scambiatore di calore per garantire che l'aria sia distribuita su tutta la faccia dello scambiatore di calore.
Se la ventola è posizionata troppo vicino allo scambiatore di calore, riduce la dimensione effettiva dello scambiatore di calore a circa quella della ventola (Figura 1). Poiché l'aria sta passando attraverso un'area più piccola, il risultato è una maggiore caduta di pressione sul lato dell'aria e un flusso d'aria ridotto. La combinazione della più piccola area di scambiatore di calore efficace e riduzione del flusso d'aria si traduce in meno trasferimento di calore.
Quando viene posizionata la distanza corretta dallo scambiatore di calore (vedere la figura 2), la ventola sposta l'aria attraverso l'intera area della aletta dello scambiatore di calore. Poiché il flusso d'aria è distribuito su un'area più ampia, si traduce in una minore caduta di pressione, quindi maggiore flusso d'aria e migliori prestazioni.
Per ottenere le massime prestazioni dal vostro scambiatore di calore, è anche importante che le giunzioni tra il ventilatore, il plenum e lo scambiatore di calore siano ermetiche per evitare perdite d'aria e garantire che tutta l'aria fluisca attraverso lo scambiatore di calore.
La maggior parte degli scambiatori di calore standard di Boyd sono dotati di una piastra del ventilatore integrata e di un plenum alla distanza ottimale per un buon flusso d'aria. This improves performance when integrating the heat exchanger into your system.
Posizionamento ventilatore
Diverse condizioni, tra cui prestazioni, vita della ventola e rumore, influiscono sul posizionamento della ventola.
Prestazione
A condizione che non ci siano restrizioni esterne sul flusso d'aria, una ventola muove la stessa quantità di aria attraverso una determinata resistenza, indipendentemente dal fatto che stia spingendo o tirando. Ciò significa che se si sta semplicemente attaccando un ventilatore a uno scambiatore di calore in uno spazio aperto, c'è poca differenza di prestazioni se si spinge o tirare l'aria attraverso lo scambiatore di calore. Se la ventola sta spingendo l'aria attraverso lo scambiatore di calore, ci può essere un leggero aumento della temperatura nell'aria che entra nello scambiatore di calore e quindi diminuire le prestazioni a causa del calore generato dal ventilatore. Nella maggior parte dei casi questo è marginale.
Tuttavia, quando il percorso dell'aria è vincolato come in un'applicazione di raffreddamento cabinet, una direzione può essere meno restrittiva dell'altra, con conseguente differenza di prestazioni. Tali situazioni devono essere valutate caso per caso.
Vita dei fan
Come tutti i dispositivi elettrici, il motore della ventola durerà più a lungo quando esposto a temperature più fredde. Ci può essere fino a una riduzione del 55% della vita quando i ventilatori sono azionati in aria a 60 gradi centigradi, contro i 20 gradi centigradi. Se si sta raffreddando il liquido, è meglio spingere l'aria fredda attraverso lo scambiatore di calore in modo che l'aria fredda passa sopra il motore della ventola. Al contrario, se si sta raffreddando l'aria, la durata della ventola e le prestazioni saranno migliorate se la ventola disegna l'aria attraverso lo scambiatore di calore.
Rumore
Orientare la ventola sul lato dello scambiatore di calore più lontano dall'operatore, esaurendo l'aria dall'operatore, fornisce l'operazione più in via di sviluppo. Altri fattori che possono influenzare il livello di rumore della ventola includono il flusso d'aria complessivo, le dimensioni della lama e il design, e la velocità con cui la ventola opera. Le ventole più grandi e in movimento sono più silenziose dei piccoli ventilatori ad alta velocità.
Volumetrico Flusso e Flusso di Massa
La capacità di raffreddamento dipende dalla portata di massa. Una ventola fornisce un flusso di volume costante, non un flusso di massa costante. Il flusso di massa e il flusso di volume sono correlati dalla densità dell'aria. L'aria Denr offre una maggiore portata di massa e quindi offre migliori prestazioni di scambiatore di calore.
La densità dell'aria è determinata dalla pressione e dalla temperatura. A una temperatura di 59,7 psia e una pressione di 14,12 psia, la densità dell'aria è di 0,08 lb/ft3. Aumentando la temperatura o diminuendo la pressione si ottiene una densità inferiore. Quando si opera a temperature e altitudini elevate, è necessario un maggiore flusso volumetrico per compensare questa densità inferiore.
Ad esempio, il nostro 6210 scambiatore di calore dotato di un ventilatore Marin ha una portata d'aria di 225 cfm. A 59,7 psa e una pressione di 14,12 psa, questo equivale a una portata di massa di 17,1 lb/min. Tuttavia, ad un'altitudine di 20 piedi, la portata di massa è inferiore alla metà di questo valore. La figura 3 mostra come questa portata di massa varia in base all'altitudine e alla temperatura.
Figura 3: Portata volumetrica vs portata massica del nostro scambiatore di calore 6210 con ventilatore Marin a varie temperature e altitudini.
Conclusioni
Generalmente, quando si installa uno scambiatore di calore e ventilatore nel sistema, è necessario:
- Utilizzare un plenum per dare una buona distribuzione dell'aria e quindi prestazioni ottimali
- Considerare la configurazione del sistema, i requisiti di rumore e la durata della ventola per decidere se spingere o tirare l'aria attraverso lo scambiatore di calore.
- Se si opera ad alte temperature o altitudini, prendere in considerazione la densità dell'aria per assicurarsi che la ventola selezionata sia adeguata.
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