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Technologie-Rallye: MCHE- vs. RTPF-Verdampfer

27/11/2017

Seit einiger Zeit schenkt die HVAC-Industrie den Mikrokanal Wärmetauschern (MCHE), als Alternative zu Lamellenverdampfern, zunehmende Beachtung. Die Hauptvorteile der Mikrokanal Wärmetauscher sind verbesserte Wärmeübertragung und kompaktes Design sowie verringerte Kältemittelfüllung, niedrigerer luftseitiger Druckverlust und weniger Materialbedarf bei der Herstellung. Angesichts der aktuellen strengen Energieeffizienzvorschriften werden Mikrokanal Wärmetauscher von vielen führenden Herstellern hoch eingestuft.

 

Trotzdem gibt es noch viele Befürworter des „alten“ Wärmetauscher-Designs sowie einige Gegner der Mikrokanal Technologie. Mikrokanal Wärmetauscher bauen ihre Stellung bei Verflüssigeranwendungen aus, werden in Verdampfer- und Wärmepumpen-Designs bzw. Kaltwassersystemen – hauptsächlich aufgrund von ungleicher Kältemittelverteilung in den Mikrokanal Rohren und Problemen bei der Kondensatausscheidung – aber weiterhin selten verwendet. Diesen Herausforderungen wurde durch die Entwicklung der MCHE-Designs begegnet.

 

Ein weiteres Problem war der Mangel an großen, für die Serienfertigung im Schichtbetrieb geeigneten CAB-Öfen. Mikrokanal Technologie wurde zuerst in der Automobilindustrie eingesetzt, und in diesem Fall bestand kein Bedarf am Löten der großen Wärmetauscher. In vielen Fällen beschränken sich die vorgesehenen Mikrokanal Wärmetauscher auf 1200mm Höhe, und dies ist bei hochleistungsfähigen Klimaanlagen/Luftversorgungseinheiten für Computerräume (CRAC/CRAH) unzureichend.

 

Prüfungsgesichtspunkte

 

Für den Vergleich der "alten" RTPF- und der neuentwickelten MCHE-Technologie betrachteten wir uns experimentell zwei Präzisionskühlsysteme mit identischen Leistungen und Komponenten (abgesehen von Verdampfern).

 

Die beiden betrachteten Systeme sind Kaltwassersysteme mit Lufteinlass oben und Unterboden-Austrag, die mit EC-Ventilatoren, 2-Wege-Regelventil am Wasserauslass und Verbindung zum Kaltwasserkreislauf ausgerüstet waren. Wir betrachteten die Verdampfer mit ähnlichen Lamellenbereichen, d. h. der traditionellen bzw. Mikrokanal-Ausführung. Einfach ausgedrückt ersetzten wir den standardmäßigen Verdampfer in einer Präzisionsklimaanlage mit einem Mikrokanal Wärmetauscher.

 

Die Prüfungsbedingungen lauteten wie folgt:

 

  • 24.0°C/30%rH Verdampfer-Einlassluft (Trockenkugel) bzw. relative Feuchtigkeit

  • 7.0°C/12.0°C Wassereinlass/-auslasstemperatur

 

Testergebnisse

 

Die nachstehende Tabelle fasst die Wärmetauscherdaten und Leistungsergebnisse sowohl für RTPF- als auch MCHE-Systeme zusammen.

 

 

Die modernisierten, mit MCHE-basiertem Verdampfer ausgerüsteten Klimaanlagen zeigte 6% bessere Leistung, wogegen die luft- und wasserseitigen Druckverluste 45% bzw. 66% niedriger als beim Kupferwärmetauscher waren. Dank einem bedeutend geringeren Druckverlust wurde auch der Ventilator-Energieverbrauch verringert.

 

Hervorzuheben ist, dass das praktische Klimaanlagengehäuse die Installation von zwei dünnen MCHE-Verdampfern anstelle eines mehrreihigen Lamellen-Designs ermöglicht; dadurch wird ein Kühlsystem mit erhöhter Leistung und Effizienz bereitgestellt. Zur optimalen Nutzung der modernen MCHE-Technologie werden die Kühlgeräte überarbeitet. Die Verbesserung der Leistung, Erhöhung der Effizienz oder Verkleinerung des Kühlgerätes und dessen Produktionskosten stehen dabei im Mittelpunkt.

 

Beim nächsten Test fügten wir einen zweiten Verdampfer zur MCHE-basierten Klimaanlage hinzu: dadurch entsteht ein V-förmiger Wärmetauscher und wird die Wärmetauschfläche des anfänglichen Systems verdoppelt. Dies war aufgrund der dünnen 48-mm-Ausführung des Mikrokanal Wärmetauschers möglich. Die EC-Ventilatoren wurden durch Ventilatoren mit kraftvollen Antrieben ersetzt, um die erforderliche Luftströmung zu erzielen (die Ventilatorantriebe mussten nicht ersetzt werden, da der luftseitige Druckverlust verringert wurde).

 

Beim von uns verwendeten Wärmetauscher-Installationswinkel fließt das Kondensat zwischen den Mikrokanal Rohren durch Kapillar-Schwerkrafteinwirkung nach unten. Bei hohen latenten Belastungen erwarteten wir den Kondensatablass bei Luftgeschwindigkeiten von mehr als 2,5m/s; daher wurde insgesamte Luftströmung eingeschränkt, um dieses Problem zu vermeiden.

 

Es folgen die Ergebnisse der zweiten Prüfung:

 

 

Dementsprechend wurde die ursprüngliche Klimaanlage in das System mit fast doppelter Leistung verwandelt und auch die Energieeffizienz erhöht.

Foto: Ursprüngliche Klimaanlage und V-förmiges Design der ersatzweisen MCHE-Wärmetauscher

 

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