MicroGroove gegen Aluminium bei der Entwicklung von OEM-Produkten

Brüssel, Belgien  (10. April 2018) – Nach Angaben der International Copper Association, Inc. (ICA), hat sich die MicroGroove-Technologie in vielerlei Hinsicht langfristig als der MicroChannel-Technologie überlegen bewiesen.

 

Seit vielen Jahrzehnten schon wurde versucht, Aluminium als mögliches Ersatzmaterial für Kupfer in Wärmeübertragern für Klimaanlagen in Stellung zu bringen. In den 1970er Jahren litten Rundrohr-Plattenwärmeübertrager (RTPF) mit Aluminiumrohren und -lamellen unter schnell fortschreitender Korrosion. Die Komponenten alterten schnell, und Anlagenausfälle waren an der Tagesordnung.  Vollständig aus Aluminium hergestellte Rundrohr-Plattenwärmeübertrager hatten unter Alltagsbedingungen nur eine überschaubare Lebensdauer, weshalb Erstausrüster bald den Weg zurück zum Kupfer fanden.

 

Es dauerte dann mehrere Jahrzehnte, bis die Befürworter des Aluminiums einen neuen Anlauf nahmen, um Aluminium in Form von extrudierten Mehrkanal- oder "MicroChannel"-Rohren ins Spiel zu bringen. Erstausrüster begannen, mit Mehrkanal-Wärmeübertragern aus Aluminium zu experimentieren und diese als Alternative zu Kupfer zu vermarkten. Die suggerierten Vorteile der kleineren Kanäle, also höhere Wärmeübertragungskoeffizienten bei geringerem Kältemittelvolumen, wurden aufwändig beworben.

 

 

Für die Vergleiche der Systeme wurden eigenartigerweise durchgehend Aluminium-Mehrkanalrohre mit konventionellen Kupferrohren mit großem Durchmesser herangezogen. Die Vergleichswerte der Leistungsfähigkeit von Kupfer und Aluminium wurden dadurch verzerrt. Trotzdem hatte die Entwicklung hin zu MicroGroove-Kupferrohren mit geringerem Durchmesser inzwischen Fahrt aufgenommen. Und die Vergleiche hielten einer kritischen Prüfung nicht stand.

 

Die Nachteile der Mehrkanal-Aluminiumrohre wurden von deren Befürwortern ständig heruntergespielt. Zu diesen Nachteilen gehörten die mangelhafte Verteilung des Kältemittels, große Sammlervolumina sowie Schwierigkeiten beim Entfrosten und schlechter Kältemittelabfluss. Die Reinigung der schlangenlinienartig geformten und zwischen den bandförmigen Mehrkanalrohren dicht gedrängten Lamellen ist schwierig, was die Geräte anfällig für Verunreinigungen und Verstopfungen machte. Außerdem fördern Verunreinigungen die Korrosionsentwicklung.

 

Seit einigen Jahren dominiert die MicroGroove-Technologie den globalen Markt für fenstermontierte Klimageräte für Wohngebäude. Die Optimierung der Wärmeübertrager mit MicroGroove-Rohren wird inzwischen seit mehr als einem Jahrzehnt vorangetrieben, insbesondere in China. Heute wird jedes Jahr eine zweistellige Millionenzahl an Wohngebäude-Klimageräten mit MicroGroove-Rohren mit geringem Durchmesser für die Fenstermontage gebaut. Ebenso durchgesetzt haben sich die MicroGroove-RTPF-Wärmeübertrager bei Zentralklimaanlagen.

 

 

 

Der ICA unterstützte kürzlich einen Erstausrüster bei einer Konzeptstudie über die Auswirkungen eines Ersatzes von MicroChannel-Rohren durch MicroGroove-Rohre in OEM-Wärmepumpensystemen, einschließlich einer 2-Tonnen-Anlage für Wohngebäude und einer 10-Tonnen-Anlage für Gewerbegebäude.

 

Das Ziel war dabei, bei montagefertigen Ersatzsystemen die Kühlleistung zu optimieren und dabei den luftseitigen Druckverlust zu minimieren. Hierbei waren geometrische Grenzen für Höhe, Breite und Tiefe der Wärmeübertrager zu beachten. Zu den weiteren Konstruktionsparametern gehören u.a. Lamellendichte sowie Kältemitteldruck und -menge.

 

Die ersten Prüfungen erfolgten mit handelsüblichen wellen- und schlitzförmigen Lamellenformen für 5-mm-Rohre. Bei Ersatzkondensatoren für Gewerbegebäude erhöhte sich der luftseitige Druckverlust um 15 bis 38 Prozent bei wellenförmigen Lamellen und um 29 bis 42 Prozent bei schlitzförmigen Lamellen. Die Heizleistung verringerte sich dabei um weniger als 4 Prozent im Vergleich zu dem als Ausgangsbasis verwendeten gewerblichen Mehrkanal-Aluminiumrohr-Kondensator.

 

Der Luftdruckverlust bei den Ersatzkondensatoren für Wohngebäude erhöhte sich um 23 Prozent bei wellenförmigen Lamellen und um 16 Prozent bei geschlitzten Lamellen. Die Heizleistung sank dabei um vernachlässigbare 0,2 Prozent gegenüber dem als Ausgangsbasis verwendeten Mehrkanal-Aluminiumrohr-Kondensator für Wohngebäude.

 

Bei gewerblichen Wärmeübertragern wurde die Materialmasse bei wellenförmigen Lamellen um ca. 26 Prozent und bei geschlitzten Lamellen um bis zu 35 Prozent verringert. Bei der als Ausgangsbasis für Wohngebäude verwendeten Konstruktion wird wesentlich weniger Material verbraucht als für die als Ausgangsbasis verwendete Version für gewerbliche Anwendungen, da diese nur halb so tief sind und nur die halbe Frontfläche aufweisen. Außerdem ist die Lamellendichte sehr viel geringer. Andererseits wurden bei als Ersatzgerät vorgesehenen Rundrohr-Plattenwärmeübertragern (RTPF) sowohl für Wohngebäude wie auch für Gewerbegebäude Konstruktionen mit zweireihigen Wärmeübertragern mit festem horizontalem Abstand verwendet. Die Materialeinsparung war deshalb bei den für Wohngebäude vorgesehenen Einheiten nicht so deutlich wie bei den Einheiten für Gewerbegebäude.

 

Die Systemleistung wurde mit Dampfdruck-Kühlsystemen und Simulationssoftware bewertet. Die Kondensatoren dienten zur Bewertung der Änderungen der Gesamt-Leistungskoeffizienten (COP), die sich aus dem Ersatz der MicroChannel-Wärmeübertragen durch solche mit MicroGroove-Technologie ergaben. Bei der Konstruktion mit geschlitzten Lamellen sank der COP um ein Prozent, bei den wellenförmigen Lamellen um 4 Prozent.

 

 

Zur Verringerung des luftseitigen Druckabfalls wurde eine Optimierungsstudie von Rohrlamellen-Kondensatoren mit 5-mm-Kupferrohren durchgeführt, um neue Lamellenformen zu untersuchen. Der Konstruktionsraum bestand aus variablen Bereichen, die innerhalb der Grenzen der aktuellen Herstellbarkeit lagen. Die Optimierungsversuche ergaben Lamellen-Konstruktionen mit 5-mm-Kupferrohr, die  mit dem als Ausgangsbasis verwendeten Mehrkanal-Aluminiumrohr-Kondensator vergleichbare Werte erreichen konnten.

 

Die zusätzlichen Freiheitsgrade konnten zur Entwicklung von Konstruktionen genutzt werden, deren luftseitiger Druckabfall und Leistung dem der als Ausgangsbasis verwendeten Einheiten ähnlich war. Als beste Konstruktion in dieser Optimierungsstudie erwies sich eine um ca. 28 % verringerte Materialmasse bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung von luftseitigem Druckabfall und Leistung wie beim als Ausgangsbasis verwendeten System.

 

Die Konstruktionen mit 5-mm-Rohren für gewerbliche Anwendungen zeigten eine Leistungssteigerung von bis zu 3 Prozent und eine Verringerung des luftseitigen Druckabfalls von bis zu 19 Prozent. Alle übrigen Leistungsdaten lagen dabei innerhalb der Grenzwerte des Erstausrüsters. Die Konstruktionen mit 5-mm-Rohren für Wohngebäude zeigten eine vernachlässigbare Leistungssteigerung (0,2 Prozent) und eine Verringerung des luftseitigen Druckabfalls von bis zu 20 Prozent. Die Grenzwerte des Herstellers wurden dabei eingehalten.

 

Die Kupferindustrie treibt die Entwicklung der MicroGroove-Technologie weiter mit Erfolg voran. Kupfer eignet sich wegen seiner Stärke, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit gut für Rohre mit geringerem Durchmesser. Die Leistungsfähigkeit von Kupferrohren steigt mit abnehmendem Rohrdurchmesser. Mit Kupfer lassen sich erhöhte Wärmeübertragungsraten bei verringertem Kältemittelvolumen erreichen.

 

Außerdem steht Ausrüstung für die Bearbeitung von Rohren großflächig zur Verfügung.

Trotz der von den Befürwortern der Mehrkanal-Aluminium-Technologie vorhergesagten schnellen Marktdurchdringung hat sich die MicroGroove-Technologie in Schlüsselanwendungen als höchst wettbewerbsfähig bewiesen. Ironischerweise gehören in Großserie gefertigte preiswerte Klimaanlagen für Wohngebäude zu den erfolgreichsten Anwendungen.

 

In letzter Zeit wurde eine Wiederbelebung der runden Aluminiumrohre versucht, die aber bei kleinen Durchmessern schwierig zu verarbeiten sind. Zudem sind diese Rohre korrosionsanfällig, weshalb Rohre und Wärmeübertragung mit speziellen Beschichtungen versehen werden müssen, was zusätzliche Kosten verursacht.

 

Erstausrüster erwarten Vergleiche zwischen Wärmeübertragern aus MicroChannel-Aluminiumrohr und solchen aus MicroGroove-Kupferrohr. Dabei geht es nicht länger um die Entscheidung zwischen MicroChannel und konventionellem Kupfer. Jede weitere Anwendung festigt den Stellenwert der MicroGroove-Kupferrohr-Technologie.

 

„Wir können davon ausgehen, dass Kupfer das vorherrschende Material für Klimaanlagen und Kältesysteme bleibt“, sagt Nigel Cotton, MicroGroove-Teamleiter der International Copper Association. „Ob in Computersimulationen oder im echten Produkt, MicroGroove-Rohre und -Wärmeübertrager entwickeln sich zum Standard bei Kältetechnik, Klimatechnik und Wärmepumpen.“

 

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