Heizkörper in Reihe oder parallel?

Nehmen wir also an, ich habe eine Wärmeerzeugungsmaschine, sei es ein Verbrennungsmotor oder ein mit einer Flüssigkeit gekühlter Kühlschrank. Ich habe keinen einzigen Heizkörper, der groß genug für die erzeugte Wärmemenge ist, aber ich habe ein paar kleinere, damit ich sie wohl miteinander verbinden kann. Sollte ich die Kühler in Reihe schalten (einer mit dem nächsten verbunden usw.) oder parallel schalten (wobei das Kühlmitteleinlassrohr in alle Kühler aufgeteilt ist) und warum? Was wäre die effizienteste Einrichtung?

Der Wirkungsgrad eines Heizkörpers (Wärmetauschers) hängt von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden betreffenden Flüssigkeiten ab. Wenn alles andere gleich ist, überträgt ein Wärmetauscher mit einem größeren Temperaturunterschied mehr Wärme.

Jeder Kühler hat einen Temperaturgradienten. (Hier spreche ich darüber, wie stark sich die Temperatur jedes Fluids ändert, wenn es durch den Wärmetauscher fließt.) Wenn Sie sie parallel einhaken, erhält jedes 1 / N des Durchflusses, aber alle haben das gleiche Temperaturgradient von Eingang zu Ausgang.

Wenn Sie sie in Reihe schalten, wird der gesamte Durchfluss durch alle fließen, aber jeder hat nur ungefähr 1 / N der gesamten Temperaturdifferenz - wobei der heißeste auch den höchsten Unterschied aufweist, weil er sich überträgt mehr Wärme auf die andere Flüssigkeit.

Beachten Sie, dass Sie diese "Serien- oder Parallel" -Entscheidung unabhängig für jede der beiden Flüssigkeiten treffen können. Es gibt insgesamt vier verschiedene Möglichkeiten, sie zu konfigurieren.

Insgesamt glaube ich nicht, dass es wirklich einen praktischen Unterschied in Bezug auf die Thermodynamik macht. Persönlich wäre ich geneigt, sie parallel + parallel zu haken (dh parallele Pfade für beide Flüssigkeiten) - teils, weil ich diese Art von Symmetrie mag, teils, weil sekundäre Überlegungen wie Wartung. Wenn Sie eine Parallelschaltung mit einzelnen Absperrventilen haben, können Sie einen Kühler reparieren oder austauschen, ohne das System vollständig herunterzufahren. Sie können entweder mit reduzierter Kapazität arbeiten oder das Kühlersystem so gestalten, dass es in erster Linie N + 1-Redundanz aufweist.

Annahmen:

• "Kühler" bezeichnet einen Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher mit Druckluft.
• Kühler in beiden Einstellungen ziehen aus ihrer eigenen Frischluftquelle (nicht aus dem Auspuff eines anderen Kühlers).
• Ignorieren des Kühlerdesigns, der natürlichen Konvektion und der Turbulenzwirkungen der internen Flüssigkeit.
• Der Durchfluss durch parallele Heizkörper ist vollkommen gleich.

Die Effizienz wäre in beiden Fällen gleich. Ich habe einige flüssige Temperaturzahlen erfunden, um die Visualisierung zu erleichtern. Der Fluss folgt den Pfeilen. Die Lufttemperatur wäre zum Beispiel 20 ° C.

Serie
40C -> Kühler1 -> 34C -> Kühler2 -> 30C

• Kühler1 gibt mehr Wärme ab als Kühler2.

Parallel (neue Namen für Heizkörper zum Vergleich)
40C -> KühlerA -> 30C
40C -> KühlerB -> 30C

• Sowohl A als auch B geben die gleiche Wärme ab. Beide geben weniger Wärme ab als Radiator1, aber mehr als Radiator 2. Das Netz beider Systeme ist das gleiche.
• RadiatorA ergibt den gleichen Temperaturabfall wie Radiator1 & 2 zusammen, da er die Hälfte des Durchflusses und die Hälfte der Kühlfläche aufweist.
• Der Temperaturgradienteneffizienzunterschied, der durch den weniger effizienten Kühler2 und den effizienteren Kühler1 deutlich wird, ist in beiden A & B-Heizkörpern vorhanden. Wenn wir das Zentrum von A oder B abtasten könnten, würden wir die gleiche Temperatur wie zwischen 1 und 2 erhalten.

Weitere Überlegungen zum Design

Serienvorteile

1. Der Hauptvorteil von Serienheizkörpern besteht darin, dass Sie sicherstellen können, dass der Durchfluss durch jeden Kühler gleich ist. Dies ist für eine optimale Effizienz notwendig. In einem parallelen System können Sie alle Schlauchlängen identisch machen und für jeden Pfad die gleichen Anschlüsse (geringfügige Verluste) haben, dies ist jedoch keine Garantie.
2. Der zweite Vorteil der Serie besteht darin, dass eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit die Turbulenzen im Kühler erhöht. Es kann zu einer messbaren Erhöhung der gesamten Wärmeübertragung kommen, wenn die Flüssigkeit nicht so gut wärmeleitend ist wie Öl.
3. Lot-Heizkörper in Serie benötigen weniger Armaturen. Dies bedeutet weniger Installationsarbeit und weniger potenzielle Leckstellen.

Parallele Vorteile

1. Eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit in der Serienkonfiguration erhöht auch den Druckabfall, den Pumpenergiebedarf und die Wärme, die dem Fluid durch diesen Pumpenergieeintrag zugeführt wird (alles muss irgendwohin).
2. Parallel hat die Fähigkeit, einen Kühler für den Betrieb während des Betriebs zu isolieren, wie Dave Tweed erwähnte. Dies ist jedoch ein kleiner Vorteil, da mit ein paar weiteren Installationszusätzen Serien auch während des Betriebs isoliert und gewartet werden können.
3. Bei parallelem Betrieb ist es einfacher, den Wirkungsgrad des Kühlers zu vergleichen. Wenn ein Kühler durch interne oder externe Verunreinigungen verschmutzt ist, ist leicht zu erkennen, dass er weniger Differential aufweist als der andere, ohne dass Berechnungen erforderlich sind.

Die obigen Antworten sehen etwas zu komplex aus. Das Problem ist ziemlich einfach: Wie viel Gesamtwärme können Sie von Ihrer Quelle auf die Heizkörper übertragen? Da keine detaillierten Informationen verfügbar sind, kann ich allgemein sagen:

• Das beste Setup ist das Setup, das die strahlendste Oberfläche in Kontakt mit der wärmeerzeugenden Oberfläche bietet (in Ihrem Fall ist es der beste Fall, wenn das Kühlmitteleinlassrohr alle Kühler berühren kann).
• Wenn Sie nur einen der Heizkörper in tatsächlichem Kontakt mit der wärmeerzeugenden Oberfläche haben können, gilt für den ersten und den zweiten Heizkörper dieselbe Regel: Stellen Sie den zweiten so ein, dass er die maximale gemeinsame Oberfläche mit dem ersten hat. Das passiert höchstwahrscheinlich, wenn sie parallel sind.

Wenn wir zwei gleich große Heizkörper betrachten, die sie parallel verbinden, ist dies effektiver. ∆Q / ∆t = -K × A × ∆T / x, wobei ∆Q / ∆t die Wärmeflussrate ist; -K ist der Wärmeleitfähigkeitsfaktor; A ist die Oberfläche; ∆T ist die Temperaturänderung und x ist die Dicke des Materials (∆T / x wird als Temperaturgradient bezeichnet und ist immer negativ, da die Fließwärme immer von mehr Wärmeenergie zu weniger geht). Wikipedia.

Auf diese Weise behalten wir eine höhere Steigung der Wärmeaustauschrate bei, da das ursprüngliche Delta T über die beiden Heizkörper beibehalten wird.

Ich denke, eine Serienkombination von Heizkörpern wäre gut, da das Wasser in einer Runde zweimal abgekühlt ist.