방열판 핀 및 평행 흐름 핀 열교환기 설계

콘덴서 애플리케이션용 방열판 핀의 설계 원리

핀은 튜브나 플레이트의 유효 외부 표면적을 늘려 대류 열 전달을 촉진합니다. 응축기(가스-액체 또는 증기-액체)에서 핀은 일반적으로 증기/공기 측에 사용되어 필요한 열 제거를 달성하는 동시에 교환기의 비용과 설치 공간을 줄입니다. 주요 설계 변수는 핀 유형(일반, 루버, 물결 모양, 피어싱), 핀 피치(미터당 핀 또는 인치당 핀), 핀 높이, 핀 두께 및 재료 열전도율입니다.

열 성능 기본 사항

전체 열전달 관계식 사용 Q = U · A · ΔT . 핀은 겉보기 면적 A를 늘리고 국부 대류 계수 h를 변경하여 작동합니다. 핀이 있는 표면의 경우 유효 면적은 A_finned = eta_f · A_geometric이며, 여기서 eta_f는 핀 효율입니다. 실용적인 설계에서는 과도한 압력 강하를 방지하기 위해 U, θ_f 및 패킹 밀도를 동시에 고려해야 합니다.

기계적 및 공기 흐름 제약

핀 피치가 촘촘해지면 면적이 늘어나지만 공기 측 압력 강하와 오염 위험이 높아집니다. 평행한 공기 흐름을 갖는 응축기 코일(병렬 흐름 응축기)에서는 코일 면 전체에 걸쳐 균일한 흐름 분포가 중요합니다. 고르지 못한 흐름은 국부적인 열 전달을 감소시키고 국부적인 건조 패치 또는 동결을 유발할 수 있습니다. 설계는 면적, 팬 전력 및 오염 허용량의 균형을 맞춰야 합니다.

핀 열 교환기를 갖춘 병렬 흐름 응축기 - 작동 및 레이아웃

평행 흐름 응축기는 여러 평행 튜브를 통해 냉매(또는 작동 유체)를 전달하는 동시에 공기 또는 증기가 핀 면을 가로질러 흐릅니다. 역류 설계와 비교하여 평행류 응축기는 제조가 더 간단하고 소형화를 달성할 수 있지만 냉매 속도와 열 유속을 균일하게 유지하려면 헤더와 튜브 분배를 신중하게 해야 합니다.

일반적인 코일 레이아웃 및 헤더

좋은 헤더 디자인(적절한 헤더 직경, 입구/출구 노즐 배치, 내부 배플)은 잘못된 분배를 방지합니다. 평행 흐름의 경우: 각 튜브 열의 유압 저항이 유사한지 확인하십시오. 필요한 경우에만 오리피스나 제한기를 사용하십시오. 단일 패스 병렬 헤더가 과도한 속도 차이를 제공하는 경우 다중 패스 또는 교차 결합 튜브 회로를 고려하십시오.

병렬 흐름에 대한 공기 측 고려 사항

핀 튜브 팩을 통해 공기가 흐르는 장치에서는 면 속도를 권장 범위(공냉식 응축기의 경우 1.5~3.5m/s) 내로 유지하여 열 전달과 소음의 균형을 맞춥니다. 습한 기후의 경우 핀 간격을 늘리면 미립자 및 생물학적 오염으로 인한 막힘이 줄어들지만 면적은 줄어듭니다.

핀 형상 선택 및 성능 절충

성능 목표에 맞는 핀 형상을 선택하십시오. 단위 압력 강하당 열 전달을 최대화하고 비용과 질량을 최소화하며 필요한 도구를 사용하여 제조 가능성을 허용합니다. 콘덴서의 일반적인 핀 형상:

• 일반(직선) 핀 — 간단하고 가격이 저렴하며 낮거나 중간 정도의 공기 속도에 적합합니다.
• 루버 핀 - 높은 국지적 난류 증가 h, 열 유속이 높고 일부 압력 강하가 허용되는 경우에 사용됩니다.
• 슬릿 또는 피어싱 핀 - 적당한 압력 패널티로 난류를 추가합니다. 자동차 콘덴서에 자주 사용됩니다.
• 물결 모양 핀 - 중간 강화 및 압력 강하; 루버보다 청소가 더 쉬울 수 있습니다.

정량적 절충

설계를 비교할 때 특정 면적(m²/m³), 핀 효율 θ_f 및 압력 강하 ΔP를 평가하십시오. 외부 표면적(핀을 통해)이 20~50% 더 높지만 ΔP가 2~3배 더 높은 설계는 팬 전력 및 소음 제한이 엄격한 경우 여전히 바람직하지 않을 수 있습니다. 벤더 데이터의 성능 맵(h 대 Re, 압력 강하 대 Re)을 사용하여 핀 형상을 선택합니다.

실제 설계 사례 및 샘플 계산

요구 사항 예시: 예상되는 전체 U ⁻²·K⁻¹ 및 평균 온도 차이 ΔT ≒ 10K인 응축기에서 Q = 10kW의 열을 거부합니다. 필요한 외부 유효 면적 A = Q / (U · ΔT). 이러한 대표 숫자를 사용하면 다음이 생성됩니다.

A_required = 10,000 W ¼ (150 W·m⁻²·K⁻¹ × 10 K) = 6.67 m²(유효 핀 면적). 선택한 핀 형상이 약 4의 핀 강화 계수를 제공하는 경우(즉, 기하학적 핀 면적은 베어 튜브 면적의 4배이고 평균 핀 효율이 해당 계수에 포함됨), 베어 튜브/표면적에는 약 1.67m²가 필요합니다.

이 번호를 사용하는 방법

노출된 영역 대상에서 코일 치수와 튜브 길이를 도출합니다. 튜브 미터당 노출된 영역 = π · D_o · 1m(스트립 핀을 사용하는 경우 핀 칼라 영역 기여). 필요한 노출 면적을 튜브 미터당 면적으로 나누어 총 튜브 길이를 얻은 다음 코일 면 제약 조건에 맞게 튜브를 행과 열로 배열합니다. 파울링 및 계절별 성능 마진을 위해 항상 10~25%의 추가 영역을 추가하십시오.

제조, 재료 및 부식 고려사항

일반적인 핀 재료는 알루미늄(가벼움, 높은 전도성, 경제성)과 구리(더 높은 전도성, 더 높은 비용)입니다. 부식성 대기에 노출된 실외 콘덴서의 경우 부식성이 높은 환경에서는 코팅된 핀(폴리머, 에폭시 또는 친수성 코팅) 또는 스테인레스 스틸 핀을 고려하십시오. 제조 기술: 일반 핀과 물결 모양 핀의 연속 롤 성형, 루버의 스탬핑, 튜브에 대한 브레이징 또는 기계적 접착. 청소가 용이하도록 설계되었습니다(미립자 로딩이 예상되는 곳에서는 루버가 더 적습니다).

모범 사례, 테스트 및 유지 관리

현장에서 신뢰할 수 있는 콘덴서 성능을 보장하려면 다음 단계를 따르십시오.

• 프로토타입 테스트: 대표 코일 세그먼트를 구축하고 전체 생산에 착수하기 전에 풍동 또는 테스트 장비에서 h 및 ΔP를 측정합니다.
• 오염 고려: 쉽게 청소할 수 있는 핀 형상을 지정하고 주기적인 코일 청소를 위한 서비스 액세스를 제공합니다.
• 계측 포트 포함: 냉매 분포 및 공기 흐름의 균일성을 검증하기 위한 온도 프로브 및 압력 탭.
• 지역 기후에 맞게 핀 피치를 최적화합니다. 깨끗하고 건조한 기후를 위해 피치를 더 좁힙니다. 먼지가 많고 습한 환경에서는 더 넓습니다.

비교표: 일반적인 핀 유형 및 사용 시기

요약 및 실행 가능한 체크리스트

• 필요한 열 차단으로 시작하고 Q = U·A·ΔT를 사용하여 필요한 유효 면적을 계산합니다.
• 팬/팬 전력 예산에 맞게 압력 강하를 허용하면서 목표 향상 계수를 달성하려면 핀 형상을 선택하십시오.
• 병렬 흐름 응축기에서 균일한 냉매 분배를 보장하기 위해 헤더와 회로를 설계합니다.
• 전체 생산 전에 성능 및 오염 민감성에 대한 대표적인 코일 섹션의 프로토타입을 제작하고 테스트합니다.
• 최종 사양에 오염 여유(10~25%)와 서비스 가능성을 포함합니다.