Diseño de aletas de disipador de calor e intercambiador de calor de aletas de flujo paralelo

Principios de diseño de aletas de disipador de calor para aplicaciones de condensador.

Las aletas aumentan la superficie externa efectiva de los tubos o placas para impulsar la transferencia de calor por convección. En los condensadores (gas a líquido o vapor a líquido), normalmente se utilizan aletas en el lado de vapor/aire para reducir el costo y la huella del intercambiador y, al mismo tiempo, lograr el rechazo de calor requerido. Las variables clave de diseño son el tipo de aleta (lisa, con rejillas, ondulada, perforada), el paso de las aletas (aletas por metro o aletas por pulgada), la altura de las aletas, el espesor de las aletas y la conductividad térmica del material.

Conceptos básicos del rendimiento térmico

Utilice la relación general de transferencia de calor. Q = U · A · ΔT . Las aletas funcionan aumentando el área aparente A y alterando el coeficiente convectivo local h. Para una superficie con aletas, el área efectiva es A_finned = η_f · A_geometric, donde η_f es la eficiencia de las aletas. El diseño práctico requiere la consideración simultánea de U, η_f y la densidad del empaque para evitar una caída excesiva de presión.

Restricciones mecánicas y de flujo de aire

Un paso de aleta más estrecho aumenta el área pero aumenta la caída de presión en el lado del aire y el riesgo de incrustaciones. En los serpentines del condensador con flujo de aire paralelo (condensador de flujo paralelo), la distribución uniforme del flujo a lo largo de la cara del serpentín es fundamental; El flujo desigual reduce la transferencia de calor local y puede provocar zonas secas localizadas o congelación. El diseño debe equilibrar el área, la potencia del ventilador y el margen de contaminación.

Condensadores de flujo paralelo con intercambiadores de calor de aletas: funcionamiento y diseño

Los condensadores de flujo paralelo dirigen el refrigerante (o fluido de trabajo) a través de múltiples tubos paralelos mientras el aire o el vapor fluyen transversalmente a través de las caras con aletas. En comparación con los diseños de contraflujo, los condensadores de flujo paralelo son más sencillos de fabricar y pueden lograr un tamaño compacto, pero requieren una distribución cuidadosa del cabezal y los tubos para mantener uniformes las velocidades del refrigerante y el flujo de calor.

Diseño típico de bobina y cabezales

Un buen diseño del cabezal (diámetro adecuado del cabezal, ubicación de las boquillas de entrada/salida y deflectores internos) evita una mala distribución. Para flujo paralelo: asegúrese de que cada fila de tubos tenga una resistencia hidráulica similar; utilice orificios o restrictores sólo si es necesario. Considere circuitos de tubos de múltiples pasos o de acoplamiento cruzado cuando los cabezales paralelos de un solo paso darían diferencias de velocidad excesivas.

Consideraciones del lado del aire para flujo paralelo

En dispositivos donde el aire fluye a través de paquetes de tubos con aletas, mantenga la velocidad frontal dentro de los rangos recomendados (a menudo de 1,5 a 3,5 m/s para condensadores enfriados por aire) para equilibrar la transferencia de calor y el ruido. Para climas húmedos, el aumento del espacio entre las aletas reduce la obstrucción por partículas e incrustaciones biológicas, pero reduce el área.

Selección de geometría de aletas y compensaciones de rendimiento

Elija la geometría de las aletas para alcanzar los objetivos de rendimiento: maximizar la transferencia de calor por unidad de caída de presión, minimizar el costo y la masa, y permitir la capacidad de fabricación con las herramientas necesarias. Geometrías de aletas comunes para condensadores:

• Aletas lisas (rectas): simples, de bajo costo, buenas para velocidades de aire bajas a moderadas.
• Aletas con persianas: la alta turbulencia local aumenta h, se utilizan donde el flujo de calor es alto y es aceptable cierta caída de presión.
• Aletas cortadas o perforadas: agregan turbulencia con una penalización de presión moderada; A menudo se utiliza en condensadores de automóviles.
• Aletas onduladas: realce intermedio y caída de presión; Puede ser más fácil de limpiar que las rejillas.

Compensaciones cuantitativas

Al comparar diseños, evalúe: área específica (m²/m³), eficiencia de las aletas η_f y caída de presión ΔP. Un diseño con una superficie externa entre un 20% y un 50% mayor (a través de aletas) pero con un ΔP entre 2 y 3 veces mayor puede seguir siendo indeseable si las restricciones de ruido y potencia del ventilador son estrictas. Utilice mapas de rendimiento (h frente a Re y caída de presión frente a Re) de los datos del proveedor para elegir la geometría de las aletas.

Ejemplo práctico de diseño y cálculo de muestra.

Requisito de ejemplo: rechazar Q = 10 kW de calor en un condensador con una U total esperada ≈ 150 W·m⁻²·K⁻¹ y una diferencia de temperatura media ΔT ≈ 10 K. Área efectiva externa requerida A = Q / (U · ΔT). Usando estos números representativos se obtiene:

A_requerido = 10.000 W ÷ (150 W·m⁻²·K⁻¹ × 10 K) = 6,67 m² (área efectiva con aletas). Si una geometría de aleta elegida proporciona un factor de mejora de aletas de aproximadamente 4 (es decir, el área geométrica de las aletas es 4 veces el área del tubo desnudo y la eficiencia promedio de la aleta se incluye en ese factor), el área de superficie/tubo desnudo requiere ≈ 1,67 m².

Cómo utilizar estos números

A partir del objetivo del área desnuda, obtenga las dimensiones del serpentín y la longitud del tubo: área desnuda por metro de tubo = π · D_o · 1 m (contribuciones del área del collar de la aleta si se utilizan aletas tipo tira). Divida el área desnuda requerida por el área por metro de tubo para obtener la longitud total del tubo, luego organice los tubos en filas y columnas para que se ajusten a las limitaciones de la cara de la bobina. Agregue siempre entre un 10 % y un 25 % de área adicional para evitar incrustaciones y un margen de rendimiento estacional.

Consideraciones de fabricación, materiales y corrosión.

Los materiales comunes de las aletas son el aluminio (ligero, de alta conductividad, económico) y el cobre (mayor conductividad, mayor costo). Para condensadores exteriores expuestos a atmósferas corrosivas, considere aletas recubiertas (polímeras, epoxi o hidrofílicas) o aletas de acero inoxidable para ambientes altamente corrosivos. Técnicas de fabricación: perfilado continuo para aletas lisas y onduladas, estampado para rejillas y soldadura fuerte o unión mecánica a tubos. Diseño para facilitar la limpieza (menos rejillas apretadas donde se espera carga de partículas).

Mejores prácticas, pruebas y mantenimiento

Siga estos pasos para garantizar un rendimiento confiable del condensador en campo:

• Prueba de prototipo: construya un segmento de bobina representativo y mida h y ΔP en un túnel de viento o banco de pruebas antes de comprometerse con la producción total.
• Tenga en cuenta las incrustaciones: especifique geometrías de aletas que se puedan limpiar fácilmente y brinde acceso de servicio para la limpieza periódica del serpentín.
• Incluya puertos de instrumentación: sondas de temperatura y grifos de presión para validar la uniformidad de la distribución del refrigerante y el flujo de aire.
• Optimice el paso de las aletas para el clima local: pasos más cerrados para climas limpios y secos; más ancho para condiciones de polvo y humedad.

Tabla comparativa: tipos de aletas comunes y cuándo usarlas

Resumen y lista de verificación procesable

• Comience con el rechazo de calor requerido y calcule el área efectiva requerida usando Q = U·A·ΔT.
• Seleccione la geometría de la aleta para alcanzar un factor de mejora objetivo y al mismo tiempo mantener una caída de presión aceptable para el ventilador/presupuesto de energía del ventilador.
• Diseñe cabezales y circuitos para garantizar una distribución uniforme del refrigerante en condensadores de flujo paralelo.
• Prototipo y pruebe una sección de bobina representativa para determinar el rendimiento y la susceptibilidad a las incrustaciones antes de la producción completa.
• Incluya el margen de contaminación (10–25 %) y la capacidad de servicio en la especificación final.