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Neue Generation von Mikrokanal Wärmetauschern – Teil I: Hintergrund

20/10/2016

 

Es gibt zahlreiche Wärmetauscher-Designs auf Basis der Mikrokanal Technologie mit gefalteten Lamellen und Flachrohren, die mit den Sammelleitungen verbunden sind. Diese Designs wurden vornehmlich für Kfz-Kühler bzw. -Verflüssiger und zuletzt für Kfz-Klimaverdampfer benutzt.

Versuche, die Mikrokanal Technologie für HVAC-Anwendungen zu benutzen, hatten nur beschränkten Erfolg, weil die Produktmerkmale, Konstruktionsziele und betrieblichen Probleme der HVAC-Anwendungen bedeutend anders und vielschichtiger als bei Kfz-Anwendungen sind.

Bisherige herkömmliche Mikrokanal Wärmetauscher wie die für Kfz-Anwendungen konfigurierten, bei denen flache Mikrokanal Rohre und gelötete Sammelleitungen zum Einsatz kommen, weisen Mängel auf. Dies ist bei den meisten HVAC-Anwendungen der Fall, insbesondere bei Verwendung als Verdampfer.

Bei typischen ein- und mehrstufigen Mikrokanal Wärmetauscher-Designs kommt es während des Betriebs zu hohen Kältemittel-Druckverlusten. Diese Druckverluste müssen Druckverluste in Sammelleitungen ausgleichen. Bei Kfz-Designs ist dies kein Problem, weil ein Sammelleitungsdruckverlust dort niedrig sein, ignoriert werden oder einfach im Betriebskonzept berücksichtigt werden kann; bei den meisten HVAC-Anwendungen ist dieser Druckverlust jedoch nicht hinnehmbar und kann andere Systembetriebsprobleme verursachen.


Die herkömmliche Bauweise der Sammelleitung besteht in der Verwendung der kleinstmöglichen vorhandenen, der Mikrokanal Rohrbreite entsprechenden Rundmaterialgröße: schließlich gilt es, die Materialkosten und den Fertigungsaufwand beim Löten der Mikrokanal Rohre an die Sammelleitung zu senken.

 

Eine derartige Bauweise ist für die meisten HVAC-Anwendungen generell ungeeignet. Bei umfangreicher Nutzung in HVAC-Anwendungen sind diese oder ähnlich große Sammelleitungsdurchmesser also mit bedeutenden betrieblichen Einschränkungen hinsichtlich des Leistungsbereichs der Mikrokanal Wärmetauscher verbunden. Außerdem kommt es dadurch zu gravierenden Leistungsproblemen und Verlusten aufgrund von Druckverlusten in den Sammelleitungen sowie zu Kältemitteleinschluss im Sammelleitungsbereich. Bei Mikrokanal Verflüssigern entspricht diese Rohr/Sammelleitung-Größenkombination einem etwa 5- bis 20%igen betrieblichen Leistungsverlust bei verschiedenen Kältemittelflussbedingungen. Bei Mikrokanal Verdampfern resultiert diese Größenkombination in einem betrieblichen Leistungsverlust, der 30% ohne weiteres überschreiten kann.

 

Der Druckverlust bei Kältemitteln und Flüssigkeiten in den herkömmlichen Sammelleitungen ist eines von mehreren Phänomenen, die eine inkorrekte Verteilung von Kältemitteldampf, der in die Mikrokanal Rohre eintritt, herbeiführen können. Eine inkorrekte Verteilung kann in Mikrokanal Wärmetauschern vorkommen, die als Verflüssiger oder Verdampfer funktionieren. In Mikrokanal Verflüssigern hat eine Zunahme des Sammelleitungsdrucks zur Folge, dass Mikrokanal Rohre, die vom Einlass der Sammelleitung weiter weg positioniert sind, mit weniger Kältemittel versorgt werden. Je nach Anzahl der Mikrokanal Rohre, der Kältemittelflussrate und aus anderen Gründen kann der Effekt bei mehrstufigen Anordnungen noch gravierender sein. Zusätzliche, durch mehrstufige Anordnungen herbeigeführte Druckzunahmen können zum Ausgleich der inkorrekten Verteilung in Mikrokanal Verflüssigern beitragen, führen jedoch zu einem bedeutenden zusätzlichen Kältemitteldruckverlust und zum Verlust der Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers. In Mikrokanal Verdampfern können mehrstufige Anordnungen eine inkorrekte Verteilung herbeiführen, die bei jedem Flüssigkeitsflussdurchgang durch die Rohre zunehmend vorkommt. Bei einstufigen Mikrokanal Verdampfern kann die inkorrekte Verteilung eines Kältemittels sowohl in Eintritts- als auch Austrittssammelleitungen herbeigeführt werden.

 

Eine Möglichkeit zum Vermeiden einer inkorrekten Verteilung in Mikrokanal Verflüssigern und Verdampfern bestand darin, für äußerst niedrige Sammler-Druckverluste als Verhältnis von Rohrdruckverlusten zu sorgen. In Mikrokanal Verdampfern kann das Verhältnis von Austrittsdruckverlust aufgrund der Austrittssammelleitung zum Druckverlust aufgrund der Mikrokanal Rohre eine wichtige Überlegung sein. Das heißt, die Rohre nahe der Verbindung können einem reduzierten Druckverlust ausgesetzt sein, im Vergleich zum Druckverlust der Rohre, die von der Verbindung weiter weg positioniert sind. Wenn die Sammelleitung einen niedrigeren Druckverlust über ihre Länge im Vergleich zum Druckverlust in den Mikrokanal Rohren aufweist, weisen die Rohre, die der Austrittsverbindung am nächsten sind, mehr Kältemittelfluss als die Rohre auf, die von der Verbindung weiter weg positioniert sind. Da die Massen-Flüssigkeitsflussrate exponentiell mit dem herbeigeführten Druckverlust verwandt ist, kann der Druckverlust über die Länge der Sammelleitung ein Ungleichgewicht der in jedem Mikrokanal Rohr verdampften Flüssigkeitsmenge verursachen.

 

Aufgrund von internen Sammelleitungs-Ablenkplatten weisen herkömmliche Mikrokanal Wärmetauscher eine unberechenbare Leistung auf. Rohrdruckverluste, zusammen mit Sammelleitungsdruckverlusten bei mehrstufigen Ausführungen, bedürfen einer äußerst komplexen Analyse zur Vorhersage sowohl der Volllast- als auch Teillastleistung des Wärmetauschers. Der Kältemittelfüllstand kann die verfügbare Verflüssiger-Wärmeübertragungsfläche und somit die Kältesystemleistung und Energieeffizienz bedeutend beeinflussen.

 

Wegen des relativ niedrigen Verhältnisses von Sammelleitungsquerschnittsfläche zur Querschnittsfläche von Mikrokanal Rohr und Sammelleitung zu Systemgesamtleistung befindet sich in einem herkömmlichen Mikrokanal Verflüssiger normalerweise eine unzureichende Kältemittelfüllung. Ohne die Verwendung eines Kältemittelempfängers liegt somit eine kritische Füllung des Kältesystems vor. Das heißt, eine sehr geringe Zugabe von Kältemittel zum System kann bewirken, dass sich im Mikrokanal Verflüssiger das Kältemittel in den Rohren anstaut, somit die Wärmeübertragungsfläche reduziert und dadurch der Verflüssigungsdruck erhöht wird. Im Gegensatz dazu kann eine ungenügende Kältemittelfüllung in einem kritisch gefüllten System bewirken, dass der Mikrokanal Verdampfer ungenügend Kältemittel hat: dies führt zu reduzierten Verdampfertemperaturen und wiederum zu Verlust der Kälteleistung und niedrigerer Energieeffizienz. In einigen Fällen können die niedrigen Verdampfertemperaturen zu einer Sicherheitsabschaltung des Systems oder einem Verdampferausfall führen.

 

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