W urządzeniach stosowanych w przemyśle od kilkudziesięciu lat trudno jest wprowadzić zmiany konstrukcyjne, które znacząco poprawią zarówno właściwości eksploatacyjne, jak i efektywność ich użytkowania. Nie myślę oczywiście o elektronice, gdzie takie zmiany dokonują się każdego roku. W niniejszym artykule przedstawione zostały konstrukcje i technologie zastosowane przy produkcji wymienników ciepła mikrokanałowych oraz nowoczesnych płytowych.

Wymienniki mikrokanałowy MCHE
Pierwszy z omawianych wymienników to tak zwany mikrokanałowy w skrócie MCHE (z ang. microchannel heat exchenger). Jest to wymiennik powietrzny, wprowadzony na rynek w latach osiemdziesiątych poprzedniego stulecia. Zastosowany został w przemyśle samochodowym, a właściwie w klimatyzacji samochodowej. W tym okresie wzrosły oczekiwania dotyczące komfortu nawet w mniejszych samochodach osobowych. Wymusiły one wprowadzenie zmian obniżających wagę i wymiary samochodowych urządzeń klimatyzacyjnych. Jedną z głównych zmian było zastąpienie wymienników lamelowych (wykonanych z rurek miedzianych z aluminiowymi lamelami) wymiennikami mikrokanałowymi MCHE zbudowanymi wyłącznie z aluminium. Rozwiązanie to pozwoliło na upowszechnienie montowania klimatyzacji nawet do popularnych samochodów klasy niższej.
Kolejna dziedzina, gdzie wprowadzono zastosowanie wymienników MCHE była klimatyzacja niewielkich obiektów: domów mieszkalnych, restauracji, stacji benzynowych itp.
Od około 3 lat wymienniki MCHE wprowadzono także do chłodnictwa komercyjnego, głównie jako skraplacze.
Danfoss Sanhua (joint venture) jest również jednym z producentów, a Danfoss dostawcą wymienników MCHE. Wykonuje się je z elektrolitycznie oczyszczonego aluminium i zabezpiecza powłoką galwaniczną.
Uważny czytelnik zada jednak pytanie: jak to możliwe, że wymiennik ciepła wykonany wyłącznie z aluminium przewyższa wymiennik, którego konstrukcja w większości wykonana jest z miedzi? Wiadomo przecież, że miedź jest dużo lepszym przewodnikiem ciepła niż aluminium.
Odpowiedź na takie pytanie wymaga przedstawienia zastosowanych rozwiązań technologicznych, w których wykorzystuje się pewne własności aluminium. Rozwiązania te umożliwiają wymiennikowi wykonanemu całkowicie z aluminium posiadanie szeregu własności zdecydowanie lepszych od poprzednich konstrukcji opartych na miedzi.
Aby to łatwiej wytłumaczyć należy przeanalizować schematyczną budowę takiego wymiennika zamieszczoną na rysunku 1. (...)

Rys. 1. Budowa mikrokanałowego wymiennika:
1 – aluminiowa taśma z 10 mikrokanałami pozwalającymi na przepływ czynnika chłodniczego,
2 – odpowiednio wyprofilowane aluminiowe lamele,
3 – kolektor wykonany z aluminiowej rury,
4 – przegroda wewnętrzna kierująca przepływ czynnika przez odpowiednie taśmy z mikrokanałami,
5 – szczelna przegroda zaślepiająca kolektor,
6 – płaskownik usztywniający i ochraniający MCHE,
7 – przyłącze wykonane zgodnie z zaleceniem odbiorcy (przeważnie rurka miedziana umożliwiająca
bezproblemowe połączenia z tradycyjną instalacja chłodnicza wykonaną z miedzi)

Wymienniki płytowe MPHE
Powszechnie stosowane lutowane płytowe wymienniki ciepła (BPHE) charakteryzują się niewielkimi gabarytami, dobrą wytrzymałością mechaniczną i zapewniają wysoką sprawność. Niemniej jednak możliwe jest dalsze, znaczące poprawienie parametr ów wymienników płytowych. Dowodzą tego wymienniki MPHE (Micro Plate Heat Exchanger) zaprezentowane przez Danfoss w ubiegłym roku podczas targów Chillventa, a obecnie dostępne w dwóch typoszeregach: dedykowanych do pomp ciepła (seria H) i chillerów (seria C) (rys. 8):
Standardowe typoszeregi tych serii obejmują:
- serii H – skraplacze od 3 do 150 kW i parowniki od 2 do 120 kW;
- serii C – skraplacze i parowniki od 3 do 550 kW.

Rys. 6. Przyłącze wymiennika

Korzystne cechy MPHE wynikają z nowatorskiego kształtu powierzchni wymiany ciepła. W tym rozwiązaniu płyta ma małe punktowe przetłoczenia zamiast tradycyjnie projektowanych przetłoczeń w kształcie liter V. Zapewnia to znacznie korzystniejsze warunki wymiany ciepła umożliwiając tym samym znaczące zmniejszenie powierzchni wymiany ciepła, a więc i gabarytów wymiennika.
W przypadku producentów pomp ciepła przynosi to szereg korzyści takich jak:
- zmniejszenie ilości czynnika w układzie, nawet do 40%, co ma istotny walor ekologiczny ale, przede wszystkim pozwala na zmniejszenie kosztów produkcji. Jest to szczególnie pożądane w sytuacji ciągle rosnących cen czynników chłodniczych, jak również coraz wyższych opłat ekologicznych;
- mniejsza waga i gabaryty to potencjalnie niższe koszty samego wymiennika (i mniejsze ryzyko wzrostu kosztów wynikających z gwałtownych zmian cen surowców), jak również możliwości obniżenia kosztów transportu (mniejsze gabaryty i waga urządzeń);
- dzięki nowemu wzorowi przetłoczenia płyt uzyskano niższe opory przepływu. Wynikają one z niższych prędkości przepływu (rys. 9) przedstawia rozkład zmian prędkości czynnika dla tradycyjnego i nowego wzoru przetłoczenia). Oznacza to, możliwość dobrania pompy obiegowej o mniejszej mocy, a dzięki temu dalsze zmniejszenie energii pobieranej przez pompę ciepła. (...)

Rys. 8. Wymiennik płytowy MPHE

Podsumowanie
Wieloletnie doświadczenie zdobyte przez Danfoss w produkcji zarówno sprężarek, automatyki i sterowania stosowanych w układach chłodniczych pozwoliły na wprowadzenie nowatorskich rozwiązań w wymiennikach powietrznych ciepła MCHE i w wymiennikach płytowych MPHE.

AUTOR:inż. Krzysztof STAWECKI
– inżynier sprzedaży, Danfoss