Sirip heat sink & desain penukar panas sirip aliran paralel

Prinsip desain sirip heat sink untuk aplikasi kondensor

Sirip meningkatkan luas permukaan luar efektif tabung atau pelat untuk meningkatkan perpindahan panas konvektif. Dalam kondensor (gas-ke-cair atau uap-ke-cair), sirip biasanya digunakan pada sisi uap/udara untuk mengurangi biaya dan jejak penukaran sekaligus mencapai penolakan panas yang diperlukan. Variabel desain utama adalah jenis sirip (polos, louvered, bergelombang, menusuk), tinggi sirip (sirip per meter atau sirip per inci), tinggi sirip, ketebalan sirip, dan konduktivitas termal material.

Dasar-dasar kinerja termal

Gunakan hubungan perpindahan panas secara keseluruhan Q = U · A · ΔT . Sirip bekerja dengan meningkatkan luas semu A dan dengan mengubah koefisien konvektif lokal h. Untuk permukaan bersirip luas efektifnya adalah A_finned = η_f · A_geometric, dimana η_f adalah efisiensi sirip. Desain praktis memerlukan pertimbangan U, η_f, dan kepadatan pengepakan secara bersamaan untuk menghindari penurunan tekanan yang berlebihan.

Kendala mekanis & aliran udara

Jarak sirip yang lebih rapat akan meningkatkan area, namun meningkatkan penurunan tekanan di sisi udara dan risiko pengotoran. Dalam kumparan kondensor dengan aliran udara paralel (kondensor aliran paralel), distribusi aliran yang seragam di seluruh permukaan kumparan sangat penting; aliran yang tidak merata mengurangi perpindahan panas lokal dan dapat menyebabkan daerah kering atau beku. Desain harus menyeimbangkan area, kekuatan kipas, dan batas pengotoran.

Kondensor aliran paralel dengan penukar panas sirip — pengoperasian dan tata letak

Kondensor aliran paralel mengarahkan zat pendingin (atau fluida kerja) melalui beberapa tabung paralel sementara udara atau uap mengalir melintang melintasi permukaan bersirip. Dibandingkan dengan desain aliran balik, kondensor aliran paralel lebih sederhana untuk diproduksi dan dapat mencapai kekompakan tetapi memerlukan distribusi header dan tabung yang hati-hati untuk menjaga kecepatan refrigeran dan fluks panas tetap seragam.

Tata letak dan header koil yang khas

Desain header yang baik (diameter header yang tepat, penempatan nosel saluran masuk/keluar, dan penyekat internal) mencegah maldistribusi. Untuk aliran paralel: pastikan setiap baris tabung memiliki ketahanan hidrolik yang sama; gunakan lubang atau pembatas hanya jika diperlukan. Pertimbangkan sirkuit tabung multi-pass atau cross-kopling ketika header paralel single-pass akan memberikan perbedaan kecepatan yang berlebihan.

Pertimbangan sisi udara untuk aliran paralel

Pada perangkat yang udaranya mengalir melintasi paket tabung bersirip, pertahankan kecepatan muka dalam kisaran yang disarankan (seringkali 1,5–3,5 m/s untuk kondensor berpendingin udara) untuk menyeimbangkan perpindahan panas dan kebisingan. Untuk iklim lembab, peningkatan jarak sirip akan mengurangi penyumbatan akibat partikulat dan kotoran biologis, namun juga mengurangi area.

Pemilihan geometri sirip dan trade-off kinerja

Pilih geometri sirip agar sesuai dengan sasaran kinerja: memaksimalkan perpindahan panas per unit penurunan tekanan, meminimalkan biaya dan massa, dan memungkinkan kemampuan manufaktur dengan perkakas yang diperlukan. Geometri sirip umum untuk kondensor:

• Sirip polos (lurus) — sederhana, berbiaya rendah, cocok untuk kecepatan udara rendah hingga sedang.
• Sirip louvered — turbulensi lokal yang tinggi meningkatkan h, digunakan di mana fluks panas tinggi dan penurunan tekanan dapat diterima.
• Sirip yang terbelah atau tertusuk — menambah turbulensi dengan penalti tekanan sedang; sering digunakan pada kondensor otomotif.
• Sirip bergelombang — peningkatan menengah dan penurunan tekanan; bisa lebih mudah dibersihkan daripada kisi-kisi.

Pengorbanan kuantitatif

Saat membandingkan desain, evaluasi: luas spesifik (m²/m³), efisiensi sirip η_f, dan penurunan tekanan ΔP. Desain dengan luas permukaan luar 20–50% lebih tinggi (melalui sirip) tetapi ΔP 2–3× lebih tinggi mungkin masih tidak diinginkan jika batasan daya kipas dan kebisingan sangat ketat. Gunakan peta kinerja (h vs. Re, dan penurunan tekanan vs. Re) dari data vendor untuk memilih geometri sirip.

Contoh desain praktis dan perhitungan sampel

Contoh persyaratan: menolak Q = 10 kW panas dalam kondensor dengan perkiraan keseluruhan U ≈ 150 W·m⁻²·K⁻¹ dan perbedaan suhu rata-rata ΔT ≈ 10 K. Diperlukan luas efektif eksternal A = Q / (U · ΔT). Menggunakan angka-angka representatif ini menghasilkan:

A_required = 10,000 W ÷ (150 W·m⁻²·K⁻¹ × 10 K) = 6,67 m² (luas bersirip efektif). Jika geometri sirip yang dipilih memberikan faktor peningkatan sirip sekitar 4 (yaitu, luas geometri sirip adalah 4× luas tabung telanjang dan rata-rata efisiensi sirip disertakan dalam faktor tersebut), tabung telanjang/luas permukaan yang diperlukan adalah ≈ 1,67 m².

Cara menggunakan angka-angka ini

Dari target luas telanjang, dapatkan dimensi kumparan dan panjang tabung: luas telanjang per meter tabung = π · D_o · 1m (kontribusi luas kerah sirip jika menggunakan sirip strip). Bagilah luas kosong yang diperlukan dengan luas per meter tabung untuk mendapatkan total panjang tabung, kemudian susun tabung menjadi baris dan kolom agar sesuai dengan batasan permukaan kumparan. Selalu tambahkan 10–25% area ekstra untuk fouling dan margin performa musiman.

Pertimbangan manufaktur, bahan, dan korosi

Bahan sirip yang umum adalah aluminium (ringan, konduktivitas tinggi, ekonomis) dan tembaga (konduktivitas lebih tinggi, biaya lebih tinggi). Untuk kondensor luar ruangan yang terpapar atmosfer korosif, pertimbangkan sirip berlapis (pelapis polimer, epoksi, atau hidrofilik) atau sirip baja tahan karat untuk lingkungan yang sangat korosif. Teknik manufaktur: roll forming secara kontinyu untuk sirip polos dan bergelombang, stamping untuk kisi-kisi, dan mematri atau mengikat secara mekanis pada tabung. Desain untuk kemudahan pembersihan (lebih sedikit kisi-kisi yang rapat di mana diperkirakan akan terdapat partikel).

Praktik terbaik, pengujian, dan pemeliharaan

Ikuti langkah-langkah berikut untuk memastikan kinerja kondensor yang andal di lapangan:

• Uji prototipe: buat segmen kumparan yang representatif dan ukur h dan ΔP di terowongan angin atau alat uji sebelum melakukan produksi penuh.
• Perhitungkan pengotoran: tentukan geometri sirip yang mudah dibersihkan dan berikan akses servis untuk pembersihan koil secara berkala.
• Sertakan port instrumentasi: probe suhu dan keran tekanan untuk memvalidasi keseragaman distribusi zat pendingin dan aliran udara.
• Optimalkan fin pitch untuk iklim lokal: pitch yang lebih rapat untuk iklim yang bersih dan kering; lebih luas untuk kondisi berdebu dan lembab.

Tabel perbandingan: jenis sirip yang umum dan kapan menggunakannya

Ringkasan dan daftar periksa yang dapat ditindaklanjuti

• Mulailah dengan penolakan panas yang diperlukan dan hitung luas efektif yang diperlukan menggunakan Q = U·A·ΔT.
• Pilih geometri sirip untuk mencapai faktor peningkatan target sekaligus menjaga penurunan tekanan dapat diterima untuk anggaran daya kipas/kipas.
• Rancang header dan sirkuit untuk memastikan distribusi zat pendingin yang seragam dalam kondensor aliran paralel.
• Buat prototipe dan uji bagian koil yang representatif untuk mengetahui kinerja dan kerentanan terhadap pengotoran sebelum produksi penuh.
• Sertakan margin pengotoran (10–25%) dan kemudahan servis dalam spesifikasi akhir.