Scambiatori di calore con tubi in rame ad alta-efficienza: design, materiali e prestazioni

Il divario di efficienza tra tubi normali e migliorati

Uno scambiatore a fascio tubiero convenzionale costruito con un tubo di rame semplice dipende dal movimento della massa del fluido per trasportare il calore da e verso la parete. Uno scambiatore con tubi di rame ad alta efficienza svolge lo stesso compito dall'interno verso l'esterno: il diametro interno del tubo non è liscio, il percorso del flusso non è diritto e il refrigerante viene immesso nel fascio attraverso un distributore invece di essere scaricato in un collettore. Il risultato è una superficie di trasferimento effettiva più ampia e uno strato limite più sottile sul lato del refrigerante, dove solitamente si trova la resistenza termica di controllo.

È da qui che provengono i miglioramenti prestazionali riportati, piuttosto che dal metallo stesso, che rimane il rame standard disossidato con fosforo o il rame elettrolitico resistente. I progetti migliorati di questo tipo sono comunemente descritti come in grado di fornire circa il 20% in più di trasferimento di calore rispetto a uno scambiatore a tubi semplici di involucro comparabile, con un ingombro ridotto, una carica di refrigerante inferiore e un costo del materiale ridotto come vantaggi pratici. Per i produttori di pompe di calore che abbandonano le ingombranti unità a fascio tubiero, questi tre fattori determinano la scelta.

Progettazione strutturale del pacchetto avanzato

La costruzione è costruita attorno a tubi interni ed esterni concentrici, quindi i fluidi caldi e freddi scambiano calore attraverso lo spazio anulare e attraverso la parete di rame allo stesso tempo.

Tubo in rame scanalato internamente:sul foro si formano sottili creste elicoidali. Rispetto al tubo semplice, la superficie per unità di lunghezza è maggiore e le creste interrompono ripetutamente il film refrigerante in modo che il liquido venga spinto contro la parete e il flusso rimanga turbolento anziché depositarsi in strati.

Tubo concentrico nella disposizione del tubo:l'acqua di raffreddamento passa attraverso il foro di rame mentre il refrigerante occupa l'anello tra il tubo di rame e il tubo esterno di acciaio, mettendo i due flussi in controcorrente attraverso un'unica parete condivisa.

Distributore e collettore:il fascio è collegato a un distributore di liquido e a un collettore a ciascuna estremità in modo che il refrigerante entri ed esca da ogni tubo in modo uniforme, il che è ciò che consente di utilizzare l'intera capacità di trasferimento di ciascun tubo.

Fascio a spirale impilato:il fascio viene piegato a spirale e i tubi d'acciaio lo attraversano. L'acqua che scorre attraverso il passaggio curvo è influenzata dalla forza centrifuga e dalla leggera torsione del percorso nastriforme, che promuove il flusso secondario e strofina lo strato limite invece di lasciarlo ispessire.

Condizionamento superficiale:In alcuni progetti vengono applicati trattamenti di foratura che migliorano la bagnatura della superficie di rame per mantenere il liquido a contatto con la parete e ritardare l'asciugatura locale con un'elevata qualità del vapore.

Materiali e standard

La scelta dei materiali segue la stessa logica di qualsiasi circuito refrigerante: rame per la superficie di trasferimento per la sua conduttività e formabilità, acciaio per il contenimento della pressione dove la geometria lo consente e un'atmosfera controllata durante la brasatura per mantenere pulito il foro.

Poiché il tubo viene deformato per formare le scanalature e quindi avvolto a spirale, il laminatoio deve fornire un tubo con uno stato ricotto uniforme. Un fascio costituito da tubi con durezza incoerente non si avvolgerà in modo uniforme e la variazione risultante nello spazio anulare riduce l'efficacia del progetto.

Prestazioni, perdite di carico e ritorno dell'olio

Il miglioramento non è mai gratuito. La scanalatura del foro aumenta il coefficiente di trasferimento di calore del lato refrigerante e aumenta anche la caduta di pressione sul lato del refrigerante, in genere di una percentuale inferiore rispetto al guadagno di trasferimento di calore, che è ciò che rende utile lo scambio in una pompa di calore o in un circuito di raffreddamento. I progettisti quindi lavorano con un coefficiente complessivo che includa entrambi gli effetti piuttosto che con il solo fattore di miglioramento.

Lato acqua:il foro liscio o zincato del tubo esterno consente velocità dell'acqua più elevate senza una grande penalizzazione della caduta di pressione e la resistenza alla formazione di calcare mantiene stabile il coefficiente lato acqua per lunghi periodi di funzionamento.

Lato refrigerante:la distribuzione uniforme dal collettore impedisce ad alcuni tubi di funzionare a secco mentre altri si allagano, che è la solita causa di prestazioni deludenti in un design della bobina altrimenti solido.

Ritorno dell'olio:lo spazio anulare viene mantenuto a una larghezza costante e il percorso a spirale mantiene la velocità del gas sufficientemente elevata da riportare il lubrificante al compressore quando l'unità funziona come evaporatore.

Pressione e shock:la struttura concentrica, con acciaio senza saldatura all'esterno, resiste a frequenti cicli di pressione, pulsazioni e vibrazioni e resiste alla deformazione quando il circuito viene caricato o svuotato.

Non intasabile:lo spazio tra il tubo interno ed esterno è uniforme, quindi sporco e incrostazioni non ostruiscono il passaggio e l'unità può essere pulita senza smontare il circuito.

Candidature e guida alla selezione

Il design è adatto a pompe di calore monoblocco, refrigeratori, unità condensanti di refrigerazione e qualsiasi utilizzo in cui sia richiesto uno scambiatore compatto, resistente alla pressione e a basso costo. La selezione inizia con la portata massica del refrigerante, le temperature di evaporazione e condensazione e la portata del lato acqua, quindi fissa il diametro del tubo, la geometria della scanalatura, la lunghezza del fascio e il numero di circuiti paralleli in modo che la caduta di pressione rimanga entro l'involucro del compressore.

In ogni specifica sono presenti due controlli. Innanzitutto, verificare la velocità del lato acqua e la qualità dell'acqua, poiché l'acqua aggressiva attaccherà un foro zincato nel tempo, indipendentemente da quanto sia buona la progettazione del lato refrigerante. In secondo luogo, verificare il raggio di avvolgimento rispetto al diametro del tubo, poiché una curva troppo stretta ovalizzerà il tubo di rame e modificherà lo spazio anulare. Quando entrambi sono soddisfatti, lo scambiatore offre l'involucro compatto e l'elevata efficienza richiesti dai produttori di pompe di calore e refrigeratori.

Domande frequenti

D: Cosa rende uno scambiatore di calore con tubi in rame ad alta efficienza?
Il vantaggio deriva dalla geometria piuttosto che dalla lega: il tubo scanalato internamente allarga la superficie di trasferimento e mantiene il refrigerante turbolento, mentre un distributore e un collettore diffondono il refrigerante in modo uniforme attraverso ogni tubo del fascio.

D: Quanto è migliore uno scambiatore a tubo potenziato rispetto ad uno scambiatore a tubo semplice?
Si ritiene comunemente che progetti migliorati di questo tipo trasferiscano circa il 20% in più di calore rispetto a un'unità a tubi semplici con involucro simile, con un ingombro ridotto e un costo del materiale inferiore, sebbene la cifra esatta dipenda dal refrigerante, dalla portata e dalle temperature di esercizio.

D: Quali materiali vengono utilizzati nel fascio tubiero?
Per la superficie di trasferimento viene utilizzato un tubo in rame senza saldatura scanalato internamente come C12200 o C11000, mentre il tubo in acciaio senza saldatura forma il tubo esterno, con un foro zincato disponibile dove il lato acqua necessita di ulteriore resistenza alla corrosione e alle incrostazioni.

D: Il foro scanalato aumenta la caduta di pressione?
SÌ. Le scanalature aumentano la caduta di pressione lato refrigerante e il trasferimento di calore, ma il guadagno di trasferimento è normalmente maggiore della penalità, motivo per cui il design è preferito nei circuiti di pompe di calore e refrigeratori dove la compattezza è importante.

D: Perché il ritorno dell'olio è importante in questo progetto?
Lo spazio anulare tra il tubo interno ed esterno è mantenuto ad una larghezza uniforme e il percorso a spirale mantiene la velocità del gas, quindi il lubrificante viene riportato al compressore invece di raccogliersi nell'evaporatore e affamare la macchina.

D: Come viene ispezionato il pacchetto prima della spedizione?
Vengono misurati il ​​diametro del tubo, lo spessore della parete e la forma della scanalatura, le bobine vengono sottoposte a test di pressione per verificarne la tenuta e il test con correnti parassite viene utilizzato per rilevare difetti delle pareti nel tubo di rame senza saldatura prima che il fascio venga assemblato.