换热器制冷和散热技术的优化设计

为室内滑雪场降温,为著名的古堡提供空调或冷却和冷冻生活用品——这些场景中都需要使用换热器。为了确保换热器设备能够满足客户的各种需求,thermofin 公司通过多物理仿真优化了换热器的制冷和散热技术。


Rachel Keatley
2021 年 3 月

据估计,2018 年仅美国就有 1.03 亿吨食物被浪费,这个数字超过了 60 万只普通蓝鲸的重量(参考文献1)。大部分食物垃圾最终会在垃圾填埋场被分解并产生甲烷。据美国食品和药物管理局(FDA)报道,食物垃圾在垃圾填埋场占比最大。(参考文献2)。因为食物在其生命周期的任何阶段都可能被浪费,对于消费者和食品行业而言,考虑如何缓解这个问题非常重要。确保商品在被购买前得到妥善的储存是工业上帮助减少食物浪费的一种方法。

thermofin GmbH(德默菲换热器有限责任公司)是一家世界领先的换热器制造商,它通过设计技术帮助实现这一解决方案。thermofin 的换热器被应用于世界各地的商业和工业建筑的空调和制冷系统中,在超市、冷藏设施、冰场、发电厂等地方都可以找到他们的设备。为了确保他们的设计能够满足一些特殊的用途和客户需求,thermofin 公司的热力学开发工程师 Julius Heik 对其换热器进行了仿真和优化。

那么,Heik 最喜欢仿真的理由是什么? 在进行实际测量和制造之前,他可以提前了解产品的相关性能。

换热器的优化设计

自 2002 年成立以来,thermofin 公司在世界各洲建立了多个生产基地,员工数量从 6 名已经增加到了 500 多名,他们生产的热交换器性能可靠,是制冷和空调行业的热门选择。

换热器的概念听起来似乎很简单,但实际上其设计相当具有挑战性。冷却产品的原理是利用循环制冷剂除去多余的热量,从而从容易腐烂的产品中提取热能。通过将制冷剂从液相转变为气相,换热器从周围环境中吸取热量。接着,这些热量必须被传递到另一个换热器中,从而将能量释放到外部环境。

在跨临界二氧化碳(CO2)制冷循环中,使用“气体冷却器”冷却换热器内的制冷剂。通常,人们会被“气体冷却器”这个名字迷惑,似乎它是通过气体冷却周围的环境。Heik 表示,设计普通的换热器,特别是气体冷却器,存在相当多的困难。在追求更好、更节能的制冷循环时,精心设计过的换热器起重要作用。

与大多数冷却系统类似,为了对环境产生的直接影响最小,在设计气体冷却器时使用了天然制冷剂 CO2。例如,在超市制冷系统中,现在几乎只使用 CO2,因为它被归类为无害气体(安全组 A1)。然而,由于 CO2 具有一定的特性,在跨临界范围内,它必须在空气温度超过 20-25 °C 时散热。这就是为什么这些系统有很大的温差,并由许多不同的电路和各种各样的材料组成。通过仿真,Heik 能够高效地同时分析这些设备的气流和材料特性。

A gas cooler design in white and black. Gas cooler
图1 thermofin® 换热器被用于各种设备中,如速冻柜、混合冷凝器和气体冷却器。

在开发换热器时,设计内翅片管是另一个巨大的挑战。这些翅片管用于将热流体转化为冷流体,或反之。布置、直径、材料(如果使用氨气则需要不锈钢)和翅片管的翅片间距都取决于所使用的换热器类型。“关于这些翅片管是如何工作的,并没有很多的测量数据。”Heik 说道。借助仿真,他可以模拟多个翅片管的几何结构,研究它们的内外传热能力,从而更好地理解翅片管如何影响换热器的设计。他们对基于仿真得到的最佳性能的翅片管几何结构在内部试验站进行原型建造和测试。Heik 说:“我们查看计算结果和试验结果是否一致或近似,并选择了性能最好的翅片管用于我们的工业生产线。”

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
图2 左图: thermofin® 换热器的几何结构。大箭头表示气流方向,小箭头表示制冷剂流动方向。此外,红色和蓝色表示温度的变化。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® 换热器包含具有不同材料性能和间距要求的板条或翅片。为了更好地理解这些板条是如何工作的,thermofin 公司使用仿真分析气流方向。

冷藏室模拟

除了模拟换热器,thermofin 公司还通过多物理场仿真模拟了客户的冷藏室。在一个特定的项目中,一位客户要求他们帮助设计一个肉类储藏室,其中将包括几台保存肉类的机器。肉类进入这个储藏室时的温度是室温,需要冷却后才能被带进另一个冷藏室。Heik 解释:“我们需要确保房间里的空气流速不能太高,这样肉就不会从机器上被吹下来。另一方面,空气在房间里的每个区域具有均匀风量分布也非常重要。”

Gray model geometry of a cold storage warehouse. Cold storage warehouse geometry
图3 另一个项目中的冷藏室模型。在这个模型中,根据冷湖效应,冷空气被引向地板,由于密度差异发生扩散,然后在房间的另一端上升,在屋顶被回收。该模型考虑了具有叉车通道的高密度储物架。
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
图4 模拟冷藏室的温度分布(左)和气流速度分布(中,右)。

对类似的冷藏室进行模拟,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,为了获得储藏室内均匀的空气分布量,thermofin 公司认为他们的客户需要使用 5 台换热器。

在模拟了一个具有 5 台设备的储藏室后,Heik 发现,回流的空气会部分绕过中间的天花板。为了解决这个问题,他在室内模拟了一些空气导流管。这些导流管有助于确保平稳的回流,最终减少室内的漩涡数量。根据 thermofin 公司的建议,客户最终使用了 5 台 thermofin® 设备,并建造了带有空气导流管的储藏室。顾客对最终的设计效果非常满意,而且,肉也不会从机器上掉下来。

未来计划

随着 thermofin 公司不断在全球扩张,他们的创新仿真工作计划也在增加。Heik 说:“在未来的研究计划中,我们希望设计一种新翅片形状的换热器,这些改变需要增换热器管的直径。”为了成功实现这个计划,thermofin 首先需要找到最优的方法分隔这些管。他们必须先模拟新翅片的几何结构,然后再建造原型。这些改进可以提高他们换热器设计的传热能力。

参考文献

  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.