Eine neue Warmeua ¨bertrager-utechnologie fur luftgekuu hlteuVerflussigeru

Schlusselwou ¨rter: Fuo ¨llmengenreduzierungu �Gewichtsreduzierung � Leistungsdichte � Effi-zienz � KostenIn der stationaren Kaa ¨lte- und Klima-atechnik werden heute fast ausschließlichlamellierte Warmeua ¨bertrager mit Kup-uferrohren und Aluminiumlamellen ein-gesetzt.

In der mobilen Klimatechnik dagegenhaben sich in den letzten zwei Jahr-zehnten die Microchannel-Warmeua ¨ber-utrager durchgesetzt. Diese sind zwareffizienter, leichter und kostengunstigeruals die lamellierten Warmeua ¨bertrager,usind jedoch in den Abmessungen und inder Leistungsdichte begrenzt.

In diesem Beitrag wird eine neue War-ameubertragertechnologie vorgestellt, dieubeide Vorteile moglichst gut vereint.o

A new Heat Exchanger Techno-logy for aircooled Condensers

Keywords: Reduction of refrigerant volume �weight reduction � cost reduction � higherefficiency � enhanced performance density

Most heat exchangers used in stationaryrefrigeration and air-conditioning in-dustries are equipped with copper tubesand aluminium fins.

In mobile refrigeration, heat exchangerswith microchannel technology have be-come more popular in the last years.They are more efficient, lightweight andeconomic than their finned counterparts,but are restricted to certain dimensionsand a limited performance density.

In the following article, a new heat ex-changer technology combining bothtechnologies’ advantages is described.

1 EinfuhrungLuftgekuhlte Verfluu ¨ssiger haben wie alleuanderen luftbeaufschlagten Warmeua ¨ber-utrager das Handicap, dass die Warmeua ¨ber-ugangswerte auf der Luftseite sehr niedrigsind. Dagegen liegen die Warmeua ¨bergangs-uwerte bei dem zu verflussigendem Kau ¨lte-amittel mindestens um einen Faktor 10 bis100 hoher. Die benoo ¨tigte Wao rmeua ¨bertra-ugerflache wird jedoch immer vom schlech-atesten Warmeua ¨bergangswert bzw. vomuhochsten Wao ¨rmewiderstand begrenzt.aUm die Kosten fur einen luftbeaufschlagtenuWarmeua ¨bertrager trotz der niedrigen luft-useitigen Warmeua ¨bergangswerte im Zaumuzu halten, versucht man deshalb, die luft-beaufschlagte Flache moa ¨glichst groß undokostengunstig zu gestalten. Die kau ¨ltemittel-abeaufschlagte Flache dagegen muss hohenaAnspruchen hinsichtlich Druckfestigkeit,uDichtheit und Kaltemittelbestaa ¨ndigkeit er-afullen und wird deshalb in der Regel ausuKupfer-, Stahl-, Edelstahl oder Aluminium-rohren gefertigt.

2 Stand der Technik

2.1 Lamellierte WarmeubertragerLamellierte Warmeua ¨bertrager werden ausurunden Rohren – meistens aus Kupfer – ge-fertigt, auf die dunne Bleche – meistensuAluminium – aufgebracht werden. Die dun-unen Bleche – die so genannten Lamellen –stellen die kostengunstige Oberflau chenver-agroßerung auf der Luftseite dar (Abb.o 1).Der Vorteil dieser Technologie liegt vor al-lem in dem einfachen Herstellverfahren so-wie in den fast unbegrenzten Abmessun-gen, in denen diese Warmeua ¨bertrager her-ugestellt werden konnen. Daruo ¨ber hinausukann relativ einfach der Rohrwerkstoff z.B.von Kupfer auf Stahl oder Edelstahl veran-adert oder die Lamelle von Aluminium aufStahl, Edelstahl oder Kupfer geandert wer-aden. Das Herstellverfahren bleibt dabeiweitgehend unbeeinflusst.Die Nachteile der lamellierten Warmeua ¨ber-utrager sind relativ schlechte Warmedurch-agangswerte, ein hohes Gewicht, hoheMate-rialkosten sowie die Kombination aus ver-schiedenen Metallen, die zu einer geringen

Autor

Dr. Franz Summerer,Guntner AG & Co. KG,uFurstenfeldbrucku

&1 Aufbau eineslamelliertenWarmeua ¨ber-utragers

&1

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Korrosionsresistenz fuhrt. In juu ¨ngster Zeituwerden zum Teil auch Aluminiumrohre inKombination mit Aluminiumlamellen ver-wendet, wodurch die Korrosionsproblemeund auch das Gewichtsproblem entscharftawerden. Allerdings erhoht das nicht dieoWarmedurchgangswerte, so dass das Po-atenzial hier gering ist. Hinzu kommt, dassdie dafur benou ¨tigte Loo ¨ttechnologie nochonicht fur die allgemeine stationau re Kaa ¨lte-atechnik hinsichtlich Prozesssicherheit undKorrosionsverhalten der Lotungen unter-osucht ist.Die relativ niedrigen Warmedurchgangs-awerte kommen unter anderem von den gro-ßen Strecken, uber welche die Wau rme zwi-aschen den Rohren und den Lamellen trans-portiert werden muss. Dieser Warmewider-astand wird durch den so genannten Lamel-lenwirkungsgrad ausgedruckt. Er liegt beiulamellierten Warmeua ¨bertragern – je nachuLamellengeometrie – bei ca. 50% bis70%. Um diesen Wirkungsgrad zu erhohenound den Warmeua ¨bertrager effizienter zuugestalten, kann man die Anzahl der Rohreerhohen und gleichzeitig die Rohre imoDurchmesser verkleinern (Abb. 2). Da einkleinerer Rohrdurchmesser auch eine dun-unere Wandstarke der Rohre zulaa ¨sst, erhoa ¨htosich damit der Materialeinsatz nur gering-fugig. Allerdings steigt der Fertigungsauf-uwand deutlich, weil alle Arbeitsschritte,die die Rohre betreffen, wie etwa Auf-weiten, Loten etc, auch entsprechend stei-ogen. Hinzu kommt, dass ein solcher Warme-aubertrager einen hohen luftseitigen Druck-u

verlust hatte, leicht verschmutzen wua ¨rdeuund nur sehr schwer zu reinigen ware.a

2.2 Microchannel-WarmeubertragerMicrochannel-Warmeua ¨bertrager werden inueinem vollig anderen Verfahren hergestelltound entsprechen fast dem Idealbild eines la-mellierten Warmeua ¨bertragers: Viele kleineuRohre mit kleinen Abstanden. Anstatt klei-aner Rohre werden jedoch beim Microchan-nel-Warmeua ¨bertrager Aluminiumstrang-upressprofile verwendet, die sehr viele kleineKanale aufweisen mit einem Durchmesseravon etwa 1 mm (Abb. 3).Diese Profile kannman nicht aufweiten undsie werden auch nicht in gestanzte Lamel-lenpakete eingeschoben. Stattdessen wer-den zwischen zwei eng aneinander liegen-den Profilen (< 1 cm) Aluminiumblechstrei-fen gelegt, so dass durch abwechselndesAneinanderlegen von Blechstreifen undProfil ein Warmeua ¨bertragerpaket entsteht.uDieses Paket wird dann in einem Lotofenokomplett verlotet (Abb.o 4).Durch die engen Abstande und die kleinenaKanaldurchmesser entsteht ein Warme-aubertrager mit einem sehr hohen Lamellen-uwirkungsgrad und einem sehr geringen Kal-atemittel-Fullvolumen. Die weiteren Vorteileudieser Technik sind die Vermeidung vonMa-terialpaarungen (Korrosion), das geringeGewicht (kein Kupfer) sowie die kompakteBauform (typische Tiefe eines Warmeua ¨ber-utragers 20 mm).Nachteilig ist das kompliziertere Herstell-verfahren, das einen Lotofen und weitereo

teure Maschinen erfordert, die begrenztenAbmessungen, welche durch die Ferti-gungsmaschinen, insbesondere durch denLotofen vorgegeben sind, die einge-oschrankte Schaltungsmoa ¨glichkeit (Passzahl)osowie das aufwendige Anschlusssystem(Verteil- und Sammelrohr).Der Hauptnachteil dieser Technologie ist je-doch die geringe Leistungsdichte. Zwar istdie Leistung pro Quadratmeter Warme-aubertragerflau che sehr groß. Auch die Leis-atung pro Materialeinsatz ist deutlich hoheroals bei den lamelliertenWarmeua ¨bertragern.uAber aufgrund ihrer begrenzten Tiefe ist dieLeistung je Aufstellflache fua r die stationau reaKaltetechnik zu gering. Hinzu kommt, dassafur die hohen Leistungen die Durchmesseruder Anschluss- und Sammelrohre zu kleinsind, eine Vergroßerung jedoch aufgrundoder geringen Festigkeit von Aluminiumnur schwer zu realisieren ist. Auch die Stro-omungsquerschnitte der existierenden MPE-Profile wurden die maximale Leistung undudamit auch die Abmessung der Warme-aubertrager zu sehr einschrau ¨nken.a

3 Entwicklung der microox Technologie– die HerausforderungenDie Microchannel-Technologie ist zwar seitvielen Jahren im Automotive Bereich etab-liert, sie wurde jedoch bisher nie auf die Be-durfnisse der stationau ren Kaa ¨lte- und Klima-atechnik hin optimiert. Die Fertigungspro-zesse sind auf hohe Stuckzahlen von identi-uschen Abmessungen ausgerichtet, so dassbisher kein Hersteller Interesse daran hat,eine neue Technologie zu entwickeln, diedann in hoher Variantenvielfalt mit jeweilsgeringen Stuckzahlen benou ¨tigt wuo ¨rde, wasujedoch fur einen Hersteller von stationau ¨r be-atriebenen Verflussigern zweifelsohne deruFall ist.Die Aufgabe bestand also zum einen darin,eine eigene Produktion fur gelou ¨tete Alumi-onium-Warmeua ¨bertrager aufzubauen, zumuanderen aber auch darin, die bestehendeMicrochannel-Technologie weiter zu entwi-ckeln.Zunachst war klar, dass die maximalen Ab-amessungen der einzelnen Module deutlichgroßer sein mussten, als man das ausodem Automotive Bereich kennt, denn einVerrohren von unzahlig vielen Modulenazu einem großen Verflussiger kam wederuaus Kostengrunden noch aus Leckagegruu n-uden in Frage. Die Große der einzelnen Mo-odule sollte mindestens 1,2 m mal 2,4 msein. Große Module fuhren aber auch zuueiner großen Leistung und somit zu einemgroßen Kaltemittelmassenstrom. Es ge-anugte also nicht, die bestehende Technolo-ugie einfach langer und breiter zu fertigen,adenn die Stromungsquerschnitte in deno

&2 Verbesserungdes Lamellen-wirkungsgrades

&2

&3 &3 Multiport Extru-ded (MPE) Profilim Querschnitt

&4 &4 VerloteteroMicrochannel-Warmeua ¨ber-utrager – ohneSammel- undVerteilrohre

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Profilen und vor allem in den Verteil- undSammelrohren waren dafua r viel zu klein.uEin weiters Problem der bestehendenMicrochannel-Technologie ist deren relativniedrige Leistungsdichte – bezogen aufdie Aufstellflache. Dies liegt an den gerin-agen Blocktiefen von etwa 16 mm bis maxi-mal 25 mm. Um damit eine Leistungsdichtezu erreichen, die mit den bislang eingesetz-ten lamellierten Warmeua ¨bertragern zuuvergleichen ware, mua ¨sste man mehrereuModule in Luftrichtung hintereinanderschalten, was jedoch von Anfang an wegender großen Verschmutzungsgefahr, aberauch wegen der dann immer noch zu klei-nen Stromungsquerschnitte in den Verteil-ound Sammelrohren ausschied.Fur die neuen microox-Wau rmeua ¨bertrageruwurden deshalb Profil- bzw. Blocktiefenvon bis zu 45 mm gewahlt. Diese Weiter-a

entwicklung klingt zunachst banal, stellt je-adoch in mehrfacher Hinsicht eine großeHerausforderung dar.Zum einen war vollig unklar, ob die fuo r Mi-ucrochannel-Warmeua ¨bertrager bekanntenuKorrelationen zur Berechnung von Warme-aubergau ¨ngen und Druckverlusten ua ¨berhauptuin diesem Bereich noch Gultigkeit haben.uImmerhin wurden all diese Korrelationenaufgrund von Messergebnissen aufgestellt.Messergebnisse gab es bis dahin jedoch nurfur die vorhandenen, flacheren Wau rme-aubertrager, nicht jedoch fuu ¨r Profiltiefenuvon 30 oder gar 45 mm.Zum anderen gab es bisher nirgendwo Ver-teil- und Sammelrohre in der benotigtenoGroße, die dem geforderten Druck von min-odestens 32 bar standhalten oder uberhauptuin der erforderlichen Prazision hergestelltawerden konnten, um eine sichere Lotungo

zu garantieren. Fur alle bekannten Herstel-uler dieser so genannten „Header“ war diesvolliges Neuland.oNeben all diesen Herausforderungen, diedie Neuentwicklung mit sich brachte, stell-ten sich aber noch viele Fragen.Wie etwa istes mit der Verschmutzung? Fuhren die fili-ugranen Lamellenstrukturen nicht zwangs-laufig zu einer schnellen Verschmutzungaauf der Luftseite? Und sind die kleinen Kal-atemittelkanale nicht nach kurzer Zeit durchaZunder und Spane verstopft? Die Annahme,aman konne von den jahrelangen Erfahrun-ogen in der Automobilindustrie ableiten,dass es diesbezuglich keine Probleme gibt,uist in mehrfacher Hinsicht ein Trugschluss.Ein Auto ist auf eine Lebensdauer von ca.100000 km ausgelegt. Das mag sich viel an-horen, entspricht aber tatsao ¨chlich nur eineraLaufzeit von 1000 bis 2000 Stunden. In derstationaren Kaa ¨ltetechnik ist diese Laufzeitanach wenigen Monaten erreicht. Es muss-ten also umfangreiche Verschmutzungs-tests durchgefuhrt werden.uSorge bereitete auch die innere Verschmut-zung durch Zunder, Spane und Ablagerun-agen, die die engen Kanale zusetzen koa nn-oten. Es gab jedoch Tests und verschiedenenUberlegungen, die diese Bedenken aus demWeg raumen konnten.aEine weitere Frage, mit der man sich be-schaftigen musste, war die der Korrosion.aWeniger die mogliche Korrosion von außen,osondern mehr die von innen. In einem Kal-atekreislauf hat man es in der Regel mit einerMischinstallation zu tun, d.h. es werden ver-schiedene Werkstoffe uber das Kau ¨ltemittelamiteinander verbunden. So muss man da-von ausgehen, dass sich irgendwann derein oder andere Kupfer- oder Stahlspan ineinem Aluminiumprofil verirrt und dort lie-gen bleibt. In Verbindung mit einem feuch-ten, gealterten Kalteoa ¨l, koo ¨nnte man hierodurchaus mit galvanischer Korrosion zwi-schen den Metallen rechnen. In umfangrei-chen Korrosionstest bei der Firma Solvaykonnte jedoch gezeigt werden, dass esselbst mit stark gealterten Olen und zusatz-alichem Wasseranteil keinerlei Korrosionser-scheinungen gab, so dass man zumindestfur Verfluu ¨ssiger diesbezuu ¨glich keine Proble-ume zu erwarten hat.

4 Vergleich microox zu lamelliertenWarmeubertragern

4.1 GewichtVergleicht man das Gewicht eines microox-Warmeua ¨bertragers mit dem eines lamellier-uten Warmeua ¨bertragers gleicher Leistung, souzeigt sich ein deutlicher Vorteil fur microoxu(Abb. 5). Je nach Vergleichsblock ergibt sicheine Gewichtsreduzierung zwischen 35%

&5 Gewichtsvergleich verschiedener Warmeua ¨bertragerbauartenu

&5

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&6 rmeua ¨bertragerblou ¨ckeo

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und 50%. Diese Gewichtsreduzierung ba-siert zum einen auf den Ersatz des Werk-stoffs Kupfer durch Aluminium, zum ande-ren aber auch auf der hohen Effizienz desmicroox-Warmeua ¨bertragers.u

4.2 FullvolumenBeim Kaltemittelfua llvolumen ist bei Micro-uchannel-Warmeua ¨bertragern hau ¨ufig von Re-aduzierungen um bis zu 70% gegenuber la-umellierten Warmeua ¨bertragern die Rede.uHier muss man jedoch sehr genau daraufachten, welche Systeme man vergleicht.Die microox-Technologie zeichnet sich vorallem durch die Profiltiefe von bis zu45 mm aus und kann schon allein aus die-sem Grund nicht mit den geringen Kalte-amittelfullmengen von gau ¨ngigen Microchan-anel-Warmeua ¨bertragern mithalten. Daruu ¨beruhinaus werden bei großen Leistungenauch große Sammel- und Verteilrohre beno-otigt, die jedoch bei microox-Warmaustau-aschern immer gleich groß sind – unabhan-agig von den Abmessungen der Module.Bei lamellierten Warmeua ¨bertragern dage-ugenwerden diese Verteil- und Sammelrohrean die Leistungen und somit an die Abmes-sungen der Warmeua ¨bertrager angepasst.uEine pauschale Aussage zur Verringerungdes Kaltemittelvolumens ist somit gar nichtamoglich.oAbb. 6 zeigt einen Vergleich von 1 m � 1 mgroßen Blocken. Je nach Vergleichsblockoliegt hier die Reduzierung im Bereich von40% bis 55%. Bei großeren, insbesondereobei langeren Bloa ¨cken, ist das Einsparpotenz-oial hoher, bei sehr kurzen Bloo ¨cken dagegenokleiner. Bei einer Blockgroße von etwao0,4 m � 0,4 m kommt es sogar zu einemSchnittpunkt, d.h. lamellierte Warmeua ¨ber-utragerblocke haben darunter weniger Kao ¨lte-amittelinhalt als microox-Warmeua ¨bertragerumit 45 mm Profiltiefe. Bei diesen Abmes-sungen ist es jedoch sinnvoll, weniger tiefeProfile von 30 oder 20 mm zu verwenden.So kann man durch einen geringen Verzichtauf Leistungsdichte den Vorteil der Full-umengenreduzierung auch hier ausschopfen.o

4.3 KostenDie Kosten eines Warmeua ¨bertragers wer-uden im Wesentlichen durch die Material-kosten und durch die Fertigungskostenbestimmt. Die Materialkosten sind schonallein durch den geringeren Rohstoffeinsatzniedriger (s. 4.1), aber auch durch den Ko-stenunterschied zwischen Kupfer und Alu-minium. Bei den Fertigungskosten hatman zwei gegenlaufige Effekte. Zum einenawerden die Arbeitszeiten durch einen hoch-automatisierten Fertigungsprozess deutlichniedriger. Zum anderen sind fur diesen Fer-utigungsprozess hohe Investitionskosten er-

forderlich, die sich uber Stuu ¨ckzahlen unduStandzeiten der Maschinen amortisierenmussen. Bei langfristiger Betrachtungukann man davon ausgehen, dass in Summedie microox-Warmeua ¨bertrager eher kosten-ugunstiger sein werden als lamellierte Wau r-ameubertrager mit Kupfer Rohren unduauch kostengunstiger als lamellierte Wau r-ameubertrager mit Aluminiumrohren.u

4.4 KorrosionsresistenzDie haufigste Art der Korrosion ist die gal-avanische Korrosion, die durch einen Unter-schied in der elektrochemischen Span-nungsreihe zwischen zwei Metallen erfolgt,so bald ein Elektrolyt vorhanden ist. Beieinem herkommlichen lamelliertenWao rme-aubertrager trifft man meistens auf die Paa-urung Kupferrohr und Aluminiumlamelle.Sobald ein Elektrolyt ins Spiel kommt, ent-steht galvanische Korrosion. Das unedlereMetall, in diesem Fall das Aluminium, lostosich auf, und zwar genau an der Stelle,wo sich die beiden Metalle beruhren, nau m-alich am Lamellenfuß. Dummerweise ist diesjedoch zugleich die Stelle, wo die gesamteWarme ua ¨bertragen werden muss. Eine der-uartige Korrosion hat deshalb einen erhebli-chen Einfluss auf denWarmeua ¨bergang, lan-uge bevor diese Korrosion von außen sichtbarist. Ein reduzierter Warmeua ¨bergang, eineuerhohte Verfluo ¨ssigungstemperatur unduschließlich ein erhohter Energieverbrauchosind die Folge.Vermeidet man dagegen eine Kombinationverschiedener Werkstoffe, so ist die galva-nische Korrosion unterbunden. Dies wirdsehr deutlich, wenn man verschiedeneWerkstoffpaarungen einem Salzspruhtestuunterzieht. Abb. 7 zeigt zwei Pruflinge, dieueinem Salzspruhtest von uu ¨ber 400 Stundenuausgesetzt waren. Im linken Bild sieht maneine Aluminiumlamelle mit einem Kupfer-

rohr. Die Lamelle hat sich um das Rohr he-rum vollstandig aufgeloa st. Im rechten Bildodagegen wurde die gleiche Lamelle miteinem Aluminiumrohr verbunden und dem-selben Test ausgesetzt. Es ist praktisch kei-nerlei Korrosion erkennbar. Man kann somitmit Sicherheit sagen, dass auch bei mi-croox-Warmeua ¨bertragern keine galvani-usche Korrosion auftritt. Dennoch sollteman bei kritischen Aufstellsituationen wiez.B. direkte Seenahe, vorsichtig sein. Hierakann es durch Chlor zu Lochfraß kommen.Wie bereits weiter oben erwahnt, wurdeaauch die Korrosion von innen sehr ausfuhr-ulich untersucht.

4.5 VerschmutzungSehr haufig wird gegen den Einsatz von Mi-acrochannel-Warmeua ¨bertragern mit einerustarken Anfalligkeit fua r Verschmutzung ar-ugumentiert. Als Grund sieht man hier dieengen Louvers in den Lamellen, an denensich auch feine Staubpartikel anlagern. Tat-sachlich gibt es jedoch auch sehr viele la-amellierte Warmeua ¨bertrager, die au ¨hnlicheaStrukturen aufweisen. Ein direkter Ver-gleich von lamellierten Warmeua ¨bertragernumit microox-Warmeua ¨bertragern hinsicht-ulich des Verschmutzungsverhaltens istsehr schwierig. Bei beiden Systemen hangtader Verschmutzungsgrad oder anders aus-gedruckt die Standzeit zwischen zwei Reini-ugungsintervallen zum einen von der ge-nauen Geometrie der Lamellen ab, zum an-deren aber auch von der Art der Verschmut-zung.In zwei unabhangigen Tests, die an ver-aschiedenen Labors mit verschiedenen Me-thoden durchgefuhrt wurden, konnte keinueindeutiges Ergebnis erzielt werden. Sozeigte sich bei einem Test mit Arizona-Stra-ßenstaub, dass der lamellierte Warmeua ¨ber-utrager starker verschmutzte als der mi-a

&7 Korrosionstests

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croox-Warmeua ¨bertrager, weil der Schmutzunicht wie erwartet in den Louvers hangenablieb, sondern sich an den Frontseiten derRohre ablagerte. Bei einem zweiten Versuchmit Ashrae-Normstaub dagegen ver-schmutzte der microox-Warmeua ¨bertrageruschneller. In beiden Fallen jedoch ließ sichader microox-Warmeua ¨bertrager durch Reini-ugen wieder auf den ursprunglichen Zustanduzurucksetzen, wau ¨hrend der mit Arizona-aStraßenstaub verschmutzte, lamellierteWarmeua ¨bertrager auch nach dem Reinigenunicht mehr seinen ursprunglichen Wau rme-aubergangswert und Druckverlust hatte.uHier kommt ein großer Vorteil des mi-croox-Warmeua ¨bertragers zum Tragen: Erulasst sich problemlos mit einem Hochdruck-areiniger mit bis zu 80 bar reinigen, ohnedass dadurch Beschadigungen an der La-amelle entstehen.Die Frage nach der inneren Verschmutzunglasst sich allein durch folgende Ua ¨berlegungklaren: Jeder Filter in einer Kaa ¨lteanlage istadeutlich feiner als die Offnungen derMPE-Profile, aber Filter sind in der Regelnach dem Verflussiger angeordnet. Somitukann jeder Schmutz zwischen dem Filterund dem Verflussiger zu einer Verstopfunguder Kanale fua ¨hren. Hier empfiehlt sichudeshalb der Einsatz eines Inbetriebnahme-filters vor dem microox-Verflussiger, derudann nach kurzer Betriebszeit wieder ausdem Kreislauf entfernt werden kann.Dass diese Uberlegungen auch in derPraxis zutreffen, konnte durch verschiedene

Feldtests mit herkommlichen Micro-ochannel-Warmeua ¨bertragern nachgewiesenuwerden.

4.6 ThermodynamikFur Microchannel-Wau rmeua ¨bertrager gibt esubisher kein physikalisches Modell, das dieVorgange bei der Waa rmeua ¨bertragung be-uschreibt. Es gibt dagegen verschiedene em-pirische Formeln, die die Warmeua ¨bergau ngeaund die Druckverluste sowohl auf der in-nen- als auch auf der Außenseite beschrei-ben [2, 3, 4]. Diese Korrelationen sind durchMessungen an verschiedenen Warmeua ¨ber-utragern entstanden und ihr Gultigkeitsbe-ureich beschrankt sich somit auch auf dieavermessenen Geometrien. Es ist deshalbnicht verwunderlich, dass die Ergebnisse,die sich aus den verschiedenen Korrelatio-nen ergeben, teilweise stark voneinanderabweichen. Abb. 8 zeigt beispielsweise denluftseitigen Druckverlust fur ein und die-uselbe Warmeua ¨bertragergeometrie nachuunterschiedlichen Korrelationen.Man sieht, dass die Korrelation von Chang& Wang [3] den gemessenen Druckverlustfur diesen Pruu ¨fling sehr gut wieder gibt,uwahrend die Korrelationen von Jacobi [4]aund Kim&Bullard [2] zu niedrig bzw. zuhoch liegen. Man kann jedoch nicht generellsagen, dass die Korrelationen von Chang &Wang den luftseitigen Druckverlust am bes-ten wiedergeben, denn fur andere Pruu ¨flin-ugen mit anderen Lamellengeometrien siehtdas Ergebnis wieder anders aus. Ahnliche

Unterschiede zeigen sich auch bei der Be-rechnung des Warmeua ¨bergangs.uZu dieser relativ hohen Ungenauigkeit die-ser Korrelationen kommt noch die Tatsache,dass sie alle fur weniger tiefe Profile ermit-utelt wurden und der Geltungsbereich somitohnehin eingeschrankt ist. Fua r microox-uWarmeua ¨bertrager mit Profiltiefen von bisuzu 45 mmmussten deshalb zahlreiche Mes-sungen gemacht und eigene Berechnungs-methoden entwickelt werden.Ein weiterer Unterschied zwischen lamel-lierten Warmeua ¨bertragern und Microchan-unel-Warmeua ¨bertragern ist die Strou mungs-ofuhrung des Kau ¨ltemittels. Waa ¨hrend manabei lamellierten Warmeua ¨bertragern jeunach Blocktiefe und Passzahl in der Regeleinen Kreuz-Gegenstrom realisieren kann,findet man bei Microchannel-Warmeua ¨ber-utragern einen reinen Kreuzstrom vor. Mankann zwarwie bei lamelliertenWarmeua ¨ber-utragern auch die Passzahl variieren, die Um-lenkung jedoch findet nie in Luftrichtungsatt, sondern immer quer zur Luftrichtung.Bei dieser Umlenkung gibt es noch einenweiteren gravierenden Unterschied. DieUmlenkung erfolgt bei Microchannel-War-ameubertragern nicht mittels Bou ¨gen in denoeinzelnen Strangen, sondern in einem ge-ameinsamen Umlenkrohr. Das hat zur Folge,dass das Kaltemittel nach jeder Umlenkunganeu auf die einzelnen MPE-Profile verteiltwerden muss. Da jedoch bereits nachdem ersten Pass eine Mischung aus flussi-ugem und gasformigem Kao ¨ltemittel vorliegt,aist diese Umlenkung in der Theorie ahnlichakomplex wie bei einem Direktexpansions-verdampfer. Man wurde erwarten, dassubei einem vertikalen Umlenkrohr die Flus-usigkeit nach unten gehen wurde und dieuoberen Profile nur mit Gas beaufschlagtwerden. Dies hatte zur Folge, dass die unte-aren Profile nur als Unterkuhler fuu ¨r das fluu s-usige Kaltemittel fungieren.aIn der Praxis jedoch zeigt sich, dass die er-wartete Trennung der Phasen so nicht er-folgt, was manmit Hilfe der Thermokamerasichtbar machen kann. Abb. 9 zeigt bei-spielsweise einen Microchannel-Verflussi-uger mit 3 Passen. Rechts oben tritt dasauberhitzte Gas in den Wau rmeua ¨bertrageruein. Schon nach wenigen Zentimetern hates sich auf die Verflussigungstemperaturuabgekuhlt. Nach der ersten Umlenkunguim linken Header haben fast alle Profilebis zum rechten Ende wieder Verflussi-ugungstemperatur. Nur in einem sehr klei-nen Bereich am unteren Rand des 2. Passesstellt sich eine Unterkuhlung ein. Bei deruzweiten Umlenkung erfolgt erneut eineDurchmischung, so dass wieder in allenProfilen Verflussigung stattfindet, undusich erst ganz am Ende in den unteren

&8 Luftseitige Druckverluste nach Messung und Berechnung

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Profilen eine leichte Unterkuhlung ein-ustellt.Offensichtlich kommt es nach jeder Umlen-kung also nicht zu einer Entmischung vonGas und Flussigkeit, sondern eher zu eineruVermischung, d.h. in die meisten Profile ge-langt sowohl Gas als auch Flussigkeit. Dassudiese Verteilung nicht exakt gleichmaßigaist, hat auf die Gesamtleistung des Verflus-usigers kaum einen Einfluss.

5 AnwendungsbereicheFur alle gau ngigen HFKW-Kaa ¨ltemittel wieaR134a oder R404A sind Microchannel-War-ameubertrager als Verfluu ssiger Stand deruTechnik und haben sich in vielen mobilen,aber auch in stationaren Anwendungen be-awahrt. Aluminium ist aber auch fua r NHu 3

geeignet und es gibt bereits zahlreicheStudien, die den Einsatz von Aluminium-Microchannel-Warmeua ¨bertragern fuu r NHu 3-Verflussiger empfehlen (s. z.B. [1]). Dauman bei NH3-Anlagen jedoch in der Regelmit Verunreinigungen in den Rohrleitungenrechnen muss, kann erst nach Langzeit-studien ein bedenkenloser Einsatz von Mi-

crochannel-Warmeua ¨bertragern empfohlenuwerden. Grundsatzlich ist die Verwendungaeines Inbetriebnahmefilters zu empfehlen,so dass wenigstens die bei der Errichtungder Anlage vorhandenen Verschmutzungennicht die engen Kanale im Verflua ¨ssiger zu-usetzen.Eine echte Herausforderung dagegen ist derEinsatz fur transkritische COu 2-Gaskuhler,ubei denen ein Betriebsdruck von 120 bar ge-fordert ist. Hier mussen sowohl die MPE-uProfile als auch die Sammel- und Verteilroh-re eine vollig andere Geometrie aufweisen,od.h. die Wandstarken mua ¨ssen deutlich hou -oher und die inneren Querschnitte damitnoch kleiner werden. Aufgrund der hohenDichte von CO2 stellt dies jedoch thermody-namisch kein Problem dar.Genau entgegengesetzt ist die Situation beiRuckkuu ¨hlern. Hier muu ssten anstatt MPE-uProfilen mit vielen Einzelkanalen, Flachroh-are mit wenigen oder gar keinen Zwischen-stegen zum Einsatz kommen. So kann einhoher Volumenstrom ohne große Druckver-luste realisiert werden. Die Druckstabilitatadagegen muss wesentlich geringer seinals bei einem Verflussiger. Bei Ruu ¨ckkuu ¨hlernudarf jedoch die Korrosionsgefahr von innennicht vernachlassigt werden. Untersuchun-agen zeigten zwar, dass bei korrekter Inhibi-torkonzentration auch in Mischinstallatio-nen keine Korrosion auftritt, allerdingsmussen hier noch lau ¨ngerfristige Untersu-achungen durchgefuhrt werden.uTheoretisch ist auch der Einsatz fur Ver-udampfer moglich, im PKW-Klimabereichoist dies gangige Praxis. Allerdings gibt esahier noch eine ganze Reihe von Problemenzu losen. Unklar ist z.B. wie man bei großenoDirektexpansionsverdampfern das Kalte-amittel gleichmaßig auf die vielen MPE-Pro-afile verteilen soll, wie das kondensierendeWasser aus dem Lamellenpaket fließensoll, oder wie die filigranen Lamellenstruk-turen auf Vereisung reagieren. Fest steht je-doch, dass der Einsatz dieser hocheffizien-ten Technologie nur sinnvoll ist, wennman mit sehr kleinen Temperaturdifferen-zen arbeitet, was aus energetischer Sichtohnehin sinnvoll ist.

6 ZusammenfassungDie neue microox-Technologie uberwindetudie Grenzen der bestehenden Microchan-nel-Technologie und ebnet ihr den Weg indie stationare Kaa ¨ltetechnik. Obwohl es fua rudie nachsten Jahre noch viel Forschungsbe-adarf gibt, kann man davon ausgehen, dasssich die neue Technologie in den nachsten 3abis 5 Jahren im großen Stil durchsetzen unddie lamellierten Kupfer-Aluminium-War-ameubertrager in vielen Bereichen verdrau n-agen wird. Die Vorteile hinsichtlich Gewicht,Fullvolumen, Kosten, Kompaktheit und wei-uteren Faktoren sind so eindeutig, dass allebestrebt sein werden, die wenigen Nach-teile, wie etwa die schwierigere Reparatur,nicht in den Vordergrund zu stellen, son-dern einfache und intelligente Losungen da-ofur zu entwickeln. Die letzten Bedenken ge-ugen die neue Ara in der Warmeua ¨bertrager-utechnologie werden jedoch spatestensadann ausgeraumt sein, wenn die RessourceaKupfer zu Neige geht und nicht mehr be-zahlbar ist.

Literatur[1] Hrnjak, Litch: „Microchannel heat exchangers

for charge minimization in air-cooled ammo-nia condensers and chillers“; Int. J. of Ref.2008, 31.pdf

[2] Kim, M.H., Bullard, C.W., 2002: „Performanceevaluation of a window room air conditionerwith microchannel condensers,“ Journal ofEnergy Resources Technology, 124(1): pp.47–55

[3] Wang, C.-C., Lee, C.-J., Chang, C.-T., Lin, S.-P.,1999: „Heat Transfer and Friction Correlationfor Compact Louvered Fin-and-Tube Heat Ex-changers,“ International Journal of Heat andMass Transfer, 42(11), pp. 1945–1956

[4] Jacobi, A.M., Park, J.G.: „Air-side heat transferand friction correlations for flat-tube, louver-fin heat exchangers“, Department of Mechani-cal Science and Engineering, University of Illi-nois, 1206 West Green Street, Urbana, IL61801, United States

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&9 Thermographie eines MCHX-Verflussi-ugers

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