Scelta di uno scambiatore di calore


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Scelta del liquido di raffreddamento

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:

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 (Tliquido ing): 80°C (176°F)
Temperatura dell'aria in ingresso (Taria 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 = Tliquido ing - Taria 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 (Tliquido ing): 20°C (68°F)
Temperatura massima dell'aria all'interno del'armadio (Taria 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 = Taria ing - Tliquido 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.

Passaggio 6: calcolo della temperatura dell'acqua in uscita

Per determinare la temperatura dell'acqua in uscita, vediamo nel grafico della "portata dell'acqua" che la variazione di temperatura è di circa 5°C. Pertanto, la temperatura dell'acqua in uscita sarà di 20°C + 5°C = 25°C.



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.


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