W obliczu narastających globalnych niedoborów energii i presji związanej z redukcją emisji dwutlenku węgla, tradycyjne skraplacze płaszczowo-rurowe zmagają się ze spełnieniem pilnego zapotrzebowania na wysoce wydajne i kompaktowe urządzenia do wymiany ciepła we współczesnej inżynierii, ze względu na niską wydajność wymiany ciepła i duże rozmiary. Rozwiązanie tego problemu, poprawa wydajności urządzeń do wymiany ciepła stała się kluczową drogą do zmniejszenia zużycia energii.

W badaniu systematycznie zbadano wydajność wymiany ciepła podczas kondensacji w poziomych, dwustronnych rurach ulepszonych 1 (E1 2 i E2 3). W badaniach zastosowano przyjazny dla środowiska czynnik chłodniczy R134a w typowych warunkach pracy z temperaturą nasycenia 40°C, przeprowadzając systematyczne porównanie między gładką rurą a dwoma typami rur ulepszonych, charakteryzujących się zewnętrznymi ząbkowanymi żebrami i wewnętrznymi spiralnymi mikro-żebrami.

Wyniki nie tylko potwierdziły znaczące zalety dwustronnych struktur ulepszonych w poprawie wydajności wymiany ciepła, ale także dostarczyły krytycznych spostrzeżeń inżynieryjnych dla optymalizacji konstrukcji skraplaczy, bezpośrednio odpowiadając na pilną potrzebę branży w zakresie technologii o wysokiej wydajności i oszczędności energii.

Wyniki wykazały, że ulepszone powierzchnie znacznie zwiększyły efektywną powierzchnię wymiany ciepła i ułatwiły szybkie odprowadzanie kondensatu, umożliwiając osiągnięcie współczynników wymiany ciepła podczas kondensacji rur E1 i E2 na poziomie 11-14 razy większym niż w przypadku rury gładkiej. To znacznie zmniejszyło objętość skraplacza i zużycie materiału.

Dalsze badania wykazały, że zwiększenie prędkości wody chłodzącej przy stałym obciążeniu cieplnym może dodatkowo wzmocnić zalety rur ulepszonych, chociaż tempo poprawy spowalniało wraz ze wzrostem prędkości. Gdy zewnętrzny strumień ciepła przekroczył około 94 W*m⁻², rura E1, z większą wysokością żebra, wykazywała bardziej znaczącą degradację wydajności z powodu pogrubionej warstwy kondensatu, podczas gdy rura E2, z relatywnie mniejszą wysokością żebra, wykazała lepszą wytrzymałość w warunkach dużego obciążenia.

Zatem, w przypadku zastosowań ukierunkowanych na niskie do średnich gęstości strumienia ciepła i dążących do ekstremalnej kompaktowości, można nadać priorytet rurze ulepszonej E1 z większą powierzchnią wymiany ciepła. W scenariuszach z silnie wahającymi się obciążeniami cieplnymi lub wysokimi gęstościami strumienia ciepła, rura E2, z bardziej solidnymi parametrami geometrycznymi, oferuje wyższą długoterminową niezawodność operacyjną.

Badanie to dostarcza bezpośrednich wskazówek dotyczących optymalizacji strukturalnej i doboru materiałów dla skraplaczy nowej generacji o wysokiej wydajności i stanowi eksperymentalną podstawę dla sprzężonej konstrukcji przyjaznych dla środowiska czynników chłodniczych i złożonych ulepszonych powierzchni.

1. Pozioma dwustronna rura ulepszona: Miedziana rura ze specjalną obróbką na ścianach zewnętrznych i wewnętrznych, zaprojektowana w celu przyspieszenia i zwiększenia wydajności kondensacji. Nazywana jest „dwustronnie ulepszoną”, ponieważ posiada „zewnętrzne ząbkowania i wewnętrzne rowki” i jest określana jako „pozioma”, ponieważ rura jest umieszczona poziomo.
2. Rura E1: Ściana zewnętrzna ma 150 ząbkowanych żeber, każde o wysokości 0,8 mm i oddalone od siebie o 0,57 mm; ściana wewnętrzna jest wygrawerowana 75 spiralnymi mikro-żebrami, każde o wysokości 0,26 mm i pod kątem 40°.
3. Rura E2: Żebra ściany zewnętrznej są nieco krótsze (0,79 mm), gęściej rozmieszczone (0,55 mm) i mniej liczne (100); ściana wewnętrzna ma spiralne żebra, które są wyższe (0,42 mm) i pod większym kątem (45°), ale w sumie tylko 38.