換熱器制冷和散熱技術的優化設計

為室內滑雪場降溫,為著名的古堡提供空調或冷卻和冷凍生活用品——這些場景中都需要使用換熱器。為了確保換熱器設備能夠滿足客戶的各種需求,thermofin 公司通過多物理仿真優化了換熱器的制冷和散熱技術。


Rachel Keatley
2021 年 3 月

據估計,2018 年僅美國就有 1.03 億噸食物被浪費,這個數字超過了 60 萬只普通藍鯨的重量(參考文獻1)。大部分食物垃圾最終會在垃圾填埋場被分解并產生甲烷。據美國食品和藥物管理局(FDA)報道,食物垃圾在垃圾填埋場占比最大。(參考文獻2)。因為食物在其生命周期的任何階段都可能被浪費,對于消費者和食品行業而言,考慮如何緩解這個問題非常重要。確保商品在被購買前得到妥善的儲存是工業上幫助減少食物浪費的一種方法。

thermofin GmbH(德默菲換熱器有限責任公司)是一家世界領先的換熱器制造商,它通過設計技術幫助實現這一解決方案。thermofin 的換熱器被應用于世界各地的商業和工業建筑的空調和制冷系統中,在超市、冷藏設施、冰場、發電廠等地方都可以找到他們的設備。為了確保他們的設計能夠滿足一些特殊的用途和客戶需求,thermofin 公司的熱力學開發工程師 Julius Heik 對其換熱器進行了仿真和優化。

那么,Heik 最喜歡仿真的理由是什么? 在進行實際測量和制造之前,他可以提前了解產品的相關性能。

換熱器的優化設計

自 2002 年成立以來,thermofin 公司在世界各洲建立了多個生產基地,員工數量從 6 名已經增加到了 500 多名,他們生產的熱交換器性能可靠,是制冷和空調行業的熱門選擇。

換熱器的概念聽起來似乎很簡單,但實際上其設計相當具有挑戰性。冷卻產品的原理是利用循環制冷劑除去多余的熱量,從而從容易腐爛的產品中提取熱能。通過將制冷劑從液相轉變為氣相,換熱器從周圍環境中吸取熱量。接著,這些熱量必須被傳遞到另一個換熱器中,從而將能量釋放到外部環境。

在跨臨界二氧化碳(CO2)制冷循環中,使用“氣體冷卻器”冷卻換熱器內的制冷劑。通常,人們會被“氣體冷卻器”這個名字迷惑,似乎它是通過氣體冷卻周圍的環境。Heik 表示,設計普通的換熱器,特別是氣體冷卻器,存在相當多的困難。在追求更好、更節能的制冷循環時,精心設計過的換熱器起重要作用。

與大多數冷卻系統類似,為了對環境產生的直接影響最小,在設計氣體冷卻器時使用了天然制冷劑 CO2。例如,在超市制冷系統中,現在幾乎只使用 CO2,因為它被歸類為無害氣體(安全組 A1)。然而,由于 CO2 具有一定的特性,在跨臨界范圍內,它必須在空氣溫度超過 20-25 °C 時散熱。這就是為什么這些系統有很大的溫差,并由許多不同的電路和各種各樣的材料組成。通過仿真,Heik 能夠高效地同時分析這些設備的氣流和材料特性。

A gas cooler design in white and black. Gas cooler
圖1 thermofin® 換熱器被用于各種設備中,如速凍柜、混合冷凝器和氣體冷卻器。

在開發換熱器時,設計內翅片管是另一個巨大的挑戰。這些翅片管用于將熱流體轉化為冷流體,或反之。布置、直徑、材料(如果使用氨氣則需要不銹鋼)和翅片管的翅片間距都取決于所使用的換熱器類型?!瓣P于這些翅片管是如何工作的,并沒有很多的測量數據?!盚eik 說道。借助仿真,他可以模擬多個翅片管的幾何結構,研究它們的內外傳熱能力,從而更好地理解翅片管如何影響換熱器的設計。他們對基于仿真得到的最佳性能的翅片管幾何結構在內部試驗站進行原型建造和測試。Heik 說:“我們查看計算結果和試驗結果是否一致或近似,并選擇了性能最好的翅片管用于我們的工業生產線?!?/p>

A heat exchanger geometry that looks like a cube made up of many thin layers, slats, with piping going through it; a large red arrow shows air flowing into the cube and a turquoise arrow indicating outflow, and small arrows show refrigerant flow through the piping. Heat exchanger geometry
Four views of the fluid flow in a heat exchanger, shown in a rainbow color table. Fluid flow analysis
圖2 左圖: thermofin® 換熱器的幾何結構。大箭頭表示氣流方向,小箭頭表示制冷劑流動方向。此外,紅色和藍色表示溫度的變化。例如,氣流在入口處是熱的(紅色),在出口處是冷的(藍色)。右圖: thermofin® 換熱器包含具有不同材料性能和間距要求的板條或翅片。為了更好地理解這些板條是如何工作的,thermofin 公司使用仿真分析氣流方向。

冷藏室模擬

除了模擬換熱器,thermofin 公司還通過多物理場仿真模擬了客戶的冷藏室。在一個特定的項目中,一位客戶要求他們幫助設計一個肉類儲藏室,其中將包括幾臺保存肉類的機器。肉類進入這個儲藏室時的溫度是室溫,需要冷卻后才能被帶進另一個冷藏室。Heik 解釋:“我們需要確保房間里的空氣流速不能太高,這樣肉就不會從機器上被吹下來。另一方面,空氣在房間里的每個區域具有均勻風量分布也非常重要?!?/p>

Gray model geometry of a cold storage warehouse. Cold storage warehouse geometry
圖3 另一個項目中的冷藏室模型。在這個模型中,根據冷湖效應,冷空氣被引向地板,由于密度差異發生擴散,然后在房間的另一端上升,在屋頂被回收。該模型考慮了具有叉車通道的高密度儲物架。
A 2D model showing the temperature distribution in a cold storage room from -27 to -17 degrees Celsius with the warmest air in the ceiling. Temperature distribution
A 2D model showing the velocity magnitude of the airflow in a cold storage room, visualized from 1 to 7 m/s in a rainbow color table. Velocity magnitude, full view
A 2D model showing the velocity magnitude of airflow in a cold storage room, rescaled to focus on the areas near the stored products. Velocity magnitude, rescaled
圖4 模擬冷藏室的溫度分布(左)和氣流速度分布(中,右)。

對類似的冷藏室進行模擬,需要考慮幾個標準,包括溫度分布、氣流分布、相對濕度、相鄰熱負荷和自然對流。起初,為了獲得儲藏室內均勻的空氣分布量,thermofin 公司認為他們的客戶需要使用 5 臺換熱器。

在模擬了一個具有 5 臺設備的儲藏室后,Heik 發現,回流的空氣會部分繞過中間的天花板。為了解決這個問題,他在室內模擬了一些空氣導流管。這些導流管有助于確保平穩的回流,最終減少室內的漩渦數量。根據 thermofin 公司的建議,客戶最終使用了 5 臺 thermofin® 設備,并建造了帶有空氣導流管的儲藏室。顧客對最終的設計效果非常滿意,而且,肉也不會從機器上掉下來。

未來計劃

隨著 thermofin 公司不斷在全球擴張,他們的創新仿真工作計劃也在增加。Heik 說:“在未來的研究計劃中,我們希望設計一種新翅片形狀的換熱器,這些改變需要增換熱器管的直徑?!睘榱顺晒崿F這個計劃,thermofin 首先需要找到最優的方法分隔這些管。他們必須先模擬新翅片的幾何結構,然后再建造原型。這些改進可以提高他們換熱器設計的傳熱能力。

參考文獻

  1. "2018 Wasted Food Report", United States Environmental Protection Agency, 2020, https://www.epa.gov/facts-and-figures-about-materials-waste-and-recycling/advancing-sustainable-materials-management.
  2. "Food Loss and Waste", United States Food and Drug Administration, 2020, https://www.fda.gov/food/consumers/food/loss/and/waste.