Алюминиевые теплообменники – микроканальная технология

В.В. Шишов, главный инженер группы компаний "Фармина"
М.Ю. Клоков, менеджер продаж компании "AHI CARRIER",
С.И. Веселков, инженер компании "ВСМ"
(см. журнал "С.О.К" №2, 2007 г.)

Постоянно растущие тарифы на электроэнергию и требования по снижению вредного воздействия на окружающую среду сделали повышение энергоэффективности оборудования в индустрии кондиционирования воздуха устойчивой тенденцией последних лет. С развитием технологий обработки металлов работы велись в основном в области холодильного компрессоростроения - широкое применение получили спиральные компрессоры. Так же усложнялись и совершенствовались системы автоматического управления холодильных машин (ХМ), в том числе с применением энергосберегающих алгоритмов.

Однако существует еще один способ повышения эффективности - увеличение теплообменной поверхности конденсатора ХМ. В этом случае встает вопрос о массо-габаритных характеристиках конденсатора и его цене: быстрый рост стоимости цветных металлов, в частности меди, делает такой способ довольно дорогостоящим при попытке найти "лобовое" решение.

Альтернативным методом может явиться применение алюминиевого микроканального теплообменника (ТО) в качестве конденсатора ХМ. ТО такого типа получили широкое распространение в автомобильной промышленности и аэрокосмической отрасли, прежде всего за счет своих уникальных массо - габаритных характеристик: габариты отсека для размещения агрегата зачастую жестко лимитированы, кроме того, увеличение его массы ведет к перерасходу топлива. Конденсатор автомобильного кондиционера, как правило, располагается непосредственно за передней решеткой и подвержен, как механическому воздействию, так и влиянию агрессивных сред, а микроканальные ТО обладают механической и коррозионной стойкостью. Поэтому с конца 80-х гг прошлого века ТО данного типа широко применяются в автомобилестроении и на сегодняшний день до 75% автомобильных кондиционеров оснащаются микроканальными ТО.

a)

б)
Рис.1. Компрессорно – конденсаторные агрегаты с микроканальными теплообменниками: а – холодильный агрегат; б - внешний блок сплит – системы

ТО такого типа нашли применение при производстве компрессорно-конденсаторных агрегатов авторефрижераторов (рис. 1 а) и при производстве бытовых сплит – систем (рис 1 б), а так же и ХМ большой производительности. Например, компания Lennox выпустила опытный образец XM ("Concept Chiller") с производительностью - 240кВт, построенный на спиральных компрессорах (R410A), а CARRIER (рис.2) освоил выпуск ряда чиллеров ("Aquaforce") с номинальной холодопроизводительностью - до 1700 кВт (R134a).

Рис.2. Чиллер с V – образными микроканальными конденсаторами

Рассмотрим подробнее конструкцию микроканального ТО. ТО состоит из трех основных элементов: пластин с каналами, полученными методом экструдирования, ребер между ними и двух коллекторов (рис.3).

а)

б)

в)

г)
Рис.3. Микроканальный ТО: а - разрез коллектора; б – теплообменный элемент в сборе; в – конструкция ребер; г – сечение пластины с каналами

Между трубами с хладагентом (ХА) расположены ребра (рис. 3б), спрофилированные для увеличения теплопередачи (рис. 3в). Труба для ХА - плоская с множеством параллельных микроканалов (рис.3г). При этом необходимо заметить, что толщина пластины с каналами составляет всего 1.3 мм, а диаметр канала 0,79 мм. Таким образом, достигается максимально развитая теплобменная поверхность при небольшом габарите изделия.

Пайка ТО производится в печи с азотной средой (рис.4), что повышает надежность аппарата из-за сокращения числа операций (в традиционных медно-алюминиевых ТО - 200...300 соединений, спаянных вручную).

Рис.4. Автоматическая пайка в печи

ТО (двухходовой) разделен на две части: при первом ходе происходит снятие перегрева нагнетаемого газа и его конденсация (рис.5). Во второй части происходит переохлаждение полученной жидкости. За счет малого диаметра каналов ТО имеет превосходные характеристики теплообмена со стороны ХА, при этом гидравлическое сопротивление сравнимо с классическим ТО. Со стороны воздуха теплообмен оптимизирован, благодаря увеличенной поверхности оребрения по сравнению с трубчаторебристым ТО; и, наконец, за счет паяного соединения снижено температурное сопротивление теплопередаче между ребром и трубой (в классическом ТО применяется механическое соединение ребро - труба).

Рис.5. Принципиальная схема ТО

Применение микроканальной технологии улучшает эксплуатационные характеристики ТО и установки в целом по сравнению со стандартными ТО с медными трубами и алюминиевыми ребрами:
- габариты на 25 % меньше за счет более развитой теплообменной поверхности;
- по тем же причинам норма заправки фреоном снижается на 20 - 40 %;
- коррозионная стойкость в 3,5 раза выше из-за монометаллической конструкции и отсутствия гальванической коррозии;
- снижение массы ТО на 50 %;
- увеличение механической прочности.

Таким образом, облегчается эксплуатация данного вида ТО: устойчивость к механическим повреждениям позволяет осуществлять чистку теплообменной поверхности струей воды под давлением до 70бар (для сравнения - трубчато-ребристый ТО позволяет осуществлять чистку струей под давлением не более 3-х бар), что улучшает качество очистки. Норма заправки так же играет свою роль. Например, емкость фреонового контура ХМ CARRIER 30XA (производительность 1700 кВт) составляет менее 300 кг, тогда как в аналогах с классическими ТО заряд более 300 кг фреона, поэтому по нормам эксплуатации ХМ периодичность проверки герметичности холодильного контура - два раза в течение года (сокращается в два раза). Таким образом, проверки могут быть совмещены с сезонным запуском и консервацией ХМ.

Трудно представить работу микроканальных ТО в качестве испарителя.

Попытки сделать алюминиевые пластинчато – ребристые воздухоохладители уже осуществляются. Внешне они напоминают пластинчато – ребристые ТО типа воздух – воздух (рис. 6). Габариты таких ТО меньше, чем у классических, но масса их велика из-за наличия дополнительных элементов жесткости для полостей с ХА. Проблемы возникают с распределением кипящей жидкости внутри ТО. Но проблема должна быть решена, т.к. решили же ее в пластинчатых испарителях с помощью распределителей (дистрибьютеров). Так же имеется проблема и с "захлебыванием" ТО от конденсата воды на внешней поверхности. Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха около 50 Вт/м²К при скорости воздуха 4,5 м/с.

Рис.6. Пластинчато – ребристый ТО

Таким образом, наблюдается серьезное наступление высокоэффективных компактных ТО в кондиционировании и холодильной технике по следующим причинам:
- применение более дешевого материала;
- уменьшение габаритов и массы;
- замена устаревшей технологии пайки на современную, обеспечивающую плотный контакт в соединении труба – ламель и сокращающую влияние человеческого фактора.