制冷和冷却技术的换热器优化设计

为室内滑雪坡道降温,为著名的古堡提供空调,或为消费品降温和冷冻——这些都需要热交换器技术。thermofin GmbH确保他们的热交换器设备使用多物理模拟优化,以满足各种客户需求。


由瑞秋Keatley
2021年3月

据估计,仅在2018年,美国就浪费了9340万吨(1.03亿吨)的食物——这一数字超过了60万头平均大小的蓝鲸的重量(参考文献1)。大部分食物垃圾最终被填埋,在那里分解并产生甲烷。美国食品和药物管理局(FDA)甚至报告说,食物垃圾在垃圾填埋场中所占的比例最大(参考文献2)。食品在其生命周期的任何阶段都可能被浪费,这就是为什么消费者和食品行业都必须意识到有助于缓解这一问题的解决方案。在工业层面上帮助减少食物浪费的一个方法是确保消费品在最终进入消费者家中之前得到妥善储存。

thermofin GmbH是一家领先的热交换器制造商,其设计技术有助于实现这一解决方案。他们的热交换器用于世界各地商业和工业建筑的空调和制冷系统。他们的设备可以在超市、冷藏设施、冰场、发电厂等场所找到。thermofin GmbH的热力学开发工程师朱利叶斯·海克(Julius Heik)进行模拟,以确保其热交换器针对特定用例和客户需求进行优化。

Heik最喜欢的模拟部分是什么?在进行实际测量之前,您就能够获得知识。

设计优化的热交换器

自2002年成立以来,thermofin GmbH已从6名员工扩大到500多人,生产基地遍布多个大洲。其可靠的热交换器使其成为制冷和空调行业的热门选择。

热交换器听起来是一个简单的概念,但实际上它们的设计相当具有挑战性。冷却产品的基本任务是去除多余的热量,以便从易腐商品中提取热能。这就是制冷循环中的制冷剂发挥作用的地方。通过将制冷剂从液体状态变为蒸汽状态,热交换器将从周围环境中散热。然后这些热量被传递到第二个热交换器,第二个热交换器将这些能量释放到外部环境。

在超临界有限公司2所谓的制冷循环气体冷却器冷却热交换器内的制冷剂。人们常常被“气体冷却器”这个名字搞糊涂,好像它用气体来冷却周围的环境。Heik说,设计一般的热交换器,特别是气体冷却器,有相当多的困难。在努力实现更好、更节能的制冷循环时,精心设计的热交换器设计是主要贡献。

和许多冷却系统一样,气体冷却器的设计对环境的直接影响最小,所以它们使用天然制冷剂CO2.例如,在超市部门,CO2现在几乎完全使用,因为它被归类为非危险气体(安全组A1)。然而,由于其特性,它必须在空气温度高于20–25°C时以所谓的方式散热超临界范围.这就是为什么这些系统有很大的温差,由许多不同的电路组成,并由各种各样的材料组成。通过模拟,Heik能够有效地同时分析这些设备的气流和材料特性。

白色和黑色的气体冷却器设计。
图1。thermofin®热交换器用于各种设备,如鼓风冷冻柜、混合冷凝器和气体冷却器(如图所示)。

在开发热交换器时,设计内翅片管是另一个独特的挑战。这些管用于热交换器将热流体转换为冷流体或反之。这些翅片管的布置、直径、材料(如果使用氨则需要不锈钢)和翅片间距都取决于所使用的热交换器的类型。海克说:“关于这些管子是如何工作的,并没有很多可测量的数据。”通过模拟,他可以更好地了解翅片管如何影响换热器的设计,通过建模多个管的几何形状,并研究其内部和外部的传热能力。提供最佳性能的翅片管几何形状是在内部试验站建造和测试的。海克说:“我们会看看计算和结果是否相同或相似,然后我们会为我们的工业生产线选用最好的管材。”

一个热交换器的几何形状,看起来像一个由许多薄层、板条组成的立方体,管道穿过它;红色大箭头表示空气进入立方体,蓝绿色箭头表示流出,小箭头表示制冷剂通过管道。
四视图的流体流动在热交换器,显示在彩虹色表。
图2。左:thermofin®热交换器的几何结构。大箭头表示气流,小箭头表示制冷剂流量。此外,红色和蓝色表示温度变化。例如,气流在入口处是热的(红色),在出口处是冷的(蓝色)。右图:thermofin®热交换器包含不同材料特性和间距要求的板条或翅片。为了更好地了解这些缝翼是如何工作的,thermofin GmbH使用模拟来分析流动方向。

冷藏室模拟

除了模拟热交换器技术,thermofin GmbH还模拟客户的冷库仓库。在一个特定的项目中,一位客户要求帮助设计一个肉储藏室,其中包括几个装肉的机器人。在这个储藏室里,肉类是在室温下进入的,在进入另一个冷库之前需要冷却。海克说:“重要的是,房间里的空气流速不能太高,这样肉就不会从机器人上掉下来。另一方面,房间里的每个区域都要得到相同或相似数量的空气,这也非常重要。”

冷藏仓库的灰色模型几何。
图3。另一个项目中的冷藏仓库的几何结构,其中空气通过冷湖原理分布,冷空气被引入地板,由于密度差异在那里扩散,在房间的另一端上升,并在屋顶高度被吸回。该模型考虑了具有叉车通道的存储架的高堆积密度。
该二维模型显示了冷库室内温度分布在-27 ~ -17摄氏度,最温暖的空气在天花板上。
一个二维模型显示了冷库中气流的速度大小,在彩虹色表中从1到7米/秒可见。
一个二维模型显示冷库中气流的速度大小,重新调整以集中在存储产品附近的区域。乐动体育app无法登录
图4。模拟冷库室内温度分布(左)和气流速度分布(中、右)。

在进行类似这样的冷库模拟时,需要考虑几个标准,包括温度分布、气流分布、相对湿度、相邻热负荷和自然对流。起初,thermofin GmbH认为他们的客户需要使用五个热交换器,以获得均匀数量的空气分布在储藏室。

在模拟了一个有五个设备的房间后,Heik发现了一个问题。“回流的空气将部分绕过中间天花板,”Heik说。为了解决这个问题,Heik模拟了房间中的一些空气引导静脉,这将有助于确保顺利回流,最终减少房间中的涡流量。按照thermofin GmbH的建议,客户最终使用了五台thermofin®装置,并用导风静脉建造了他们的储藏室。据Heik说,客户对结果很满意,谢天谢地,他们没有遇到任何掉肉的情况。

换热器技术的未来

随着thermofin GmbH在全球的不断扩张,他们的创新模拟工作计划也在不断增长。“在我们未来的研究计划中,我们想设计出一种新的翅片形状的热交换器,”Heik说。这样的改变要求热交换器的管的直径扩大。为了成功实施这一改变,热翅公司首先需要找到最佳的方式来分隔这些管。Heik说:“对于新的鳍的几何形状,我们必须在购买工具自己生产之前模拟它。”这样的改进可以帮助提高换热器设计的传热能力。

参考文献

  1. “2018年浪费食品报告”,美国环境保护署, 2020,https://www.epa.gov/facts-and-figures-about-materials-waste-and-recycling/advancing-sustainable-materials-management
  2. 《粮食损失与浪费》,美国食品和药物管理局, 2020,https://www.fda.gov/food/consumers/food-loss-and-waste