ICA: Geräte mit Kältemittel R600a profitieren von MicroGroove-Technologie

Bangalore, Indien (10. April 2018) – Nach Angaben der International Copper Association, Inc. (ICA) spielen MicroGroove-Rohre eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung von Kältesystemen für Isobutan-Kältemittel (R600a). Die meisten Produkte dieser Kategorie nutzen bereits Kupferrohre mit einem Außendurchmesser zwischen 5/16  und 1/2 Zoll (7,9 und 6,35 mm). Kupferrohre mit einem geringeren Durchmesser als den handelsüblichen 3/8 Zoll (9,53 mm) werden zu den MicroGroove-Rohren gezählt.

 

 

Wegen seiner Entflammbarkeit gelten für Isobutan-Systeme weltweit gesetzliche Höchstfüllmengen. Bei Haushaltssystemen liegt diese Grenze in Europa bei 150 Gramm, in den USA bei 57 Gramm. Wo 150 Gramm erlaubt sind, besteht kein weiterer Bedarf nach einer Verringerung der Kältemittelfüllmenge.

 

Sub-Zero, ein führender Hersteller von hochwertigen Kühl- und Gefriergeräten für den Haushaltsbereich, untersuchte kürzlich die Verwendung von MicroGroove-Rohren mit noch geringeren Durchmessern. Das Unternehmen hatte ursprünglich das Ziel verfolgt, die Einsatzbedingungen zu erreichen, für die die 57-Gramm-Grenze für das entzündliche Isobutan gilt. Diese Zielvorgabe war eine Herausforderung, und vor dem Hintergrund der bis 2021 vom Markt genommenen F-Gase waren drastische Maßnahmen notwendig. Sub-Zero entschloss sich deshalb, die Vorteile von MicroGroove-Kupferrohren mit 5 mm Außerdurchmesser zu untersuchen.

 

 

Optimized Thermal Systems Inc. (OTS) ist ein Anbieter von kundenspezifischen Softwarelösungen und Dienstleistungen für die Planung und Optimierung von thermischen Systemen. Die Ingenieure von Sub-Zero baten OTS um Unterstützung bei der Nutzung von CoilDesigner®, einer firmeneigenen Konstruktions- und Simulationssoftware. Das vorrangige Ziel war die Entwicklung eines Kondensators, der die Leistung eines vorhandenen und als Referenz dienenden Wärmeübertragers mit geringerer Kältemittelmenge erreicht. Ein weiteres Entwicklungsziel war die Verkleinerung der Wärmeübertragerfläche und die Verringerung der Gesamtmasse des Rohr- und Lamellenmaterials.

 

Der Referenz-Kondensator ist mit einem Wärmeübertrager mit 1/4-Zoll-Rohren, Plattenlamellen und geringer Lamellendichte ausgestattet. Er verfügt über zwei Kältemittelkreisläufe, die jeweils unabhängig voneinander den Dampfverdichtungszyklus in den Kühl- und Gefrierabteilungen versorgen. Zuerst wurde mit CoilDesigner® ein Kondensatormodell entwickelt und mit den Versuchsdaten verglichen.

 

Vor der Auswertung von möglichen Ersatzeinheiten mit geringerem Durchmesser wurden die Auswirkungen der Kältemittelkreisläufe auf die Leistung des vorhandenen Wärmeübertragers untersucht.  Dabei wurden drei Betriebsarten betrachtet: Betrieb nur des Kühlkreises, Betrieb nur des Gefrierkreises, und der Betrieb beider Kreise.

 

Es stellte sich heraus, dass durch die Ausdehnung beider Kältemittelkreise von der halben auf die gesamte Wärmeübertragerfläche die Wärmeübertragungsleistung beim Betrieb mit nur einem Kreislauf verbessert werden konnte. Daraus folgt, dass Wärmelast und Unterkühlung des Kältemittels sowohl im Kühl- wie auch im Gefrierkreislauf steigen.

 

Ausgehend von diesem ersten Untersuchungsergebnis wurde die beste Kreislaufkonstruktion gewählt und als Referenz für die Optimierungsstudie verwendet.

 

Die Optimierungsstudie sollte Kondensatorkonstruktionen aufzeigen, mit denen das Innenvolumen und dadurch die Kältemittelmenge reduziert werden konnte. Dazu wurden Konstruktionen mit 5-mm-Rohren untersucht und mit der Referenzkonstruktion verglichen. Dieser Vergleich ergab eine wesentliche Verringerung der internen Rohrvolumina. Die beste Konstruktion aus 5-mm-Rohren führte zu einer Senkung des Innenvolumens um 41 % gegenüber der Referenzkonstruktion sowie einer 57-prozentigen Verkleinerung der Wärmeübertragerfläche.

 

Gegenüber dem Referenzsystem wurden bei den neuen Konstruktionen Lamellen mit wellenförmigem Fischgrätmuster und verringerter Lamellenstärke verwendet. Zu den anderen Variablen gehörten der horizontale und vertikale Rohrabstand, die Anzahl der Rohre pro Rohrstapel, Lamellendichte, Tiefe der wellenförmigen Lamellenmuster, Rohrkreislauf und Rohrlänge. Für die Studie waren folgende Konstruktionsmerkmale vorgegeben:

 

 

 

Verschiedene Faktoren, u.a. Lamellentyp, Stirnfläche der Wärmeübertrager sowie die Lamellendichte führten bei der Verwendung von Rohren mit geringerem Durchmesser zu einem stärkeren luftseitigen Druckabfall. Beim Referenzsystem wurden Plattenlamellen verwendet, während bei allen optimierten Konstruktionen wellenförmige Lamellen mit einem konstruktionsbedingt stärkeren Druckabfall zum Einsatz kamen. Die Stirnfläche wurde bei allen Wärmeübertragern verkleinert, um das Verhältnis der Rohrabstände beizubehalten. Allerdings steigt bei einem festen Luftvolumenstrom mit geringerer Stirnfläche die Strömungsgeschwindigkeit.

 

Trotzdem wurde bei dieser Anwendung die Verringerung des Innenvolumens als wichtiger betrachtet als der luftseitige Druckabfall. Die in diesem System verbauten Lüftermotoren können den erhöhten Widerstand überwinden und somit den luftseitigen Druckabfall ausgleichen.

 

OTS identifizierte mehrere neue Kondensatorkonstruktionen mit erheblichem Potential für eine Verringerung des internen Volumens bei unveränderter Leistungsfähigkeit und einer dementsprechend geringeren Kältemittelfüllmenge des Gesamtsystems. Der stärkere luftseitige Druckabfall bei diesen Konstruktionen kann durch die vorhandenen Lüftermotoren ausgeglichen werden. Die geringere Wärmeübertragerfläche ermöglicht kompaktere Gehäuse.

Diese Studie ist ein Ausgangspunkt für die Entwicklung von Hochleistungs-Kondensatoren für diese Anwendung. Bei einem Kondensator mit höherer Leistung kann die Lüfterdrehzahl verringert werden, wodurch die Kälteeinheit leiser wird. Außerdem verschmutzt der Kondensator weniger, was den Wartungsaufwand verringert.

 

„R600a wird für die nächsten Jahre bei Kältesystemen eine wesentliche Rolle spielen,“ so Nigel Cotton, MicroGroove Teamleiter für die International Copper Association. „MicroGroove-Rohre und -Wärmeübertrager sind optimal für Propan geeignet, aber ebenso gut auch für Isobutan. Die Studie von Sub-Zero hat eine Referenzmarke gesetzt für die Nutzung der MicroGroove-Technologie mit R600a.“

 

Die Website www.microgroove.net enthält weitere Details zur Konstruktion von Wärmeübertragern und zur Herstellungstechnologie. Außerdem enthält die Website Links zu vielen MicroGroove-Webinaren.  Darüber hinaus sind technische Informationen mit Links über Laborversuche, Optimierung von Rohrkreisläufen, Lamellendesign und Produktionsausrüstung enthalten.

 

 

Der ICA ist der internationale Dachverband der Kupferindustrie. Er hat es sich zum Ziel gesetzt, globale Märkte für Kupfer zu entwickeln und zu festigen, um einen positiven Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung der Gesellschaft zu leisten. Der Verband hat seinen Sitz in New York und unterhält Büros in Asien, Europa, Lateinamerika und Nordamerika. Die Programme und Initiativen der Copper Alliance® werden in nahezu 60 Ländern über regionale Büros durchgeführt. Weitere Informationen: copperalliance.org