Микроканальные конденсаторы: 30 лет спустя


Микроканальная технология была впервые представлена как самостоятельное жизнеспособное решение в конце 1980-х. В то время в автомобильной промышленности происходил переход на новое поколение холодильных систем. Отрасль традиционно использовала R-12 — хладагент на основе CFC. Его постепенно начинал вытеснять R-134a как более экологичный. Переход к R-134a потребовал новых, более совершенных технологий, которые и открыли “микроканальную эру”. Переход на R-134a не мог быть осуществлен в рамках существующей технологии производства теплообменников — на основе медных труб и алюминиевого оребрения (Tube and Fins, далее по тексту, TF). Теплофизические характеристики R- 134a оказались хуже, чем у R-12 и в сочетании с традиционными TF теплообменниками приводили к недостаточной производительности системы.
Обычно для увеличения производительности в такой ситуации  увеличивают размер теплообменника. Однако в отрасли с традиционно жесткими ограничениями на габаритные размеры, вес и стоимость компонентов от такого решения отказались в пользу открывшихся новых возможностей. Итак, автомобилестроителям был нужен теплообменник с теплотехническими характеристиками такими-же или лучшими, чем у переразмеренного медно-алюминиевого, но с меньшими размерами, весом и улучшенной защитой от утечек.
Микроканальные теплообменники, произведенные методом пайки в регулируемой газовой среде стали решением поставленной задачи. С тех пор микроканальная технология окончательно взяла верх в автомобилестроении и применяется в 4-х из 5-ти выпускающихся сегодня транспортных средств. Уже в те годы было очевидно, что скоро и другие отрасли промышленности смогут воспользоваться уже доказанными эффективностью и надежностью этой замечательной технологии.

  • Для пайки алюминия требуется на 18% меньше тепла, чем для пайки меди;
  • Площадь традиционного конденсатора нужно увеличить на 60%, чтобы он мог сравниться с микроканальным в сезонной эффективности;
  • Алюминий может быть переработан неограниченное число раз;

Микроканальные батареи поднимают HVACR*- индустрию на новый уровень

Конструкция батареи


Традиционно применяемые в климатической и холодильной технике (HVAC) теплообменные батареи состоят из алюминиевых ребер и медных трубок. Соединение ребер и трубок достигается за счет механического расширения последних. Традиционные TF батареи прошли долгий эволюционный путь, улучшениям подверглись как конструкция в целом, так и ее элементы — алюминиевые ребра и медная труба. Тем не менее, основа конструкции, впервые представленная в 1900-х, так и осталась неизменной.
Конструктивно микроканальные батареи состоят из трех основных компонентов:
• Алюминиевых трубок с несколькими параллельными каналами внутри;
• Профилированных аллюминиевых ребер;
• Коллекторов с элементами для подсоединения к холодильному контуру.
Теплообменник состоит из чередующихся элементов: ряд алюминиевых ребер поверх плоской алюминиевой трубки, затем снова ряд ребер и т.д. Все параллельные ряды начинаются и заканчиваются коллекторами. Внутри коллектора находится перегородка, разделяющая теплообменник на два специализированных контура: секцию снятия перегрева, где хладагент переходит из парообразного в жидкое состояние и секцию переохлаждения, в которой жидкий хладагент охлаждается ниже температуры насыщения.

Пайка в контролируемой среде


Для производства цельноалюминиевых микроканальных теплообменников используются печи для пайки в Регулиремой Среде (атмосфере) (Controlled Atmosphere Brazing, CAB). Процесс происходит в многосекционной печи с прецизионно контролируемой атмосферой. Несмотря на кажущуюся простоту, и технология и используемые в производстве микроканальных теплообменников материалы вполне соответствуют уровню 21-го столетия.
• Многоканальные экструдированные трубки (Multi Port Extrusion) выпускаются в огромном разнообразии форм (все, что может быть начерчено в 2-D, может быть экструдировано). Стенки каналов для хладагента или иной жидкости могут быть как гладкими, так и с дополнительными микроребрами.
• Алюминиевая лента, из которой изготавливается оребрение, на самом деле, продукт высоких технологий и состоит 2 — 5 слоев различных материалов, каждый из которых будет использован либо в процессе производства, либо при эксплуатации изделия. Катанная алюминиевая лента, как правило, плакируется несколькими слоями Al-Si, один из которых служит для защиты от коррозии, второй служит источником припоя при пайке, третий обеспечивает стабильность процесса пайки и замедляет старение соединений и т.д.
• Не смотря на то, что в “алюминий-алюминиевом” теплообменнике нет гальванической пары, материалы трубок и ребер подобраны таким образом, что ребра обеспечивают катодную защиту трубок. Тщательно подобранный потенциал пластин невысок и практически не влияет на уровень самокоррозии.
• Рожденный такой комбинацией материалов и технологий совершенный теплообменник обладает принципиально иным соотношением поверхность/внутренний объем и, отвечая современным требованиям HVACR индустрии, во многом превосходит их.

В САВ печах атмосфера насыщена азотом, чтобы минимизировать окисление поверхности батареи и обеспечить чистые и плотные сварные соединения. По своему качеству сварные соединения, получаемые в САВ-печах в практически бескислородной атмосфере значительно превосходят соединения в традиционных теплообменниках, где пайка происходит во многих случаях вручную на открытом воздухе.

Улучшенные теплотехнические характеристики

Оценка современных холодильных теплообменников сводится к измерению их способности эффективно передавать тепло от хладагента, движущегося внутри трубок к воздуху, движущемуся через ряды ребер. Микроканальные батареи обеспечивают улучшения во всех трех базовых составляющих уравнения теплопередачи: на стороне воздуха (между окружающим воздухом и ребрами), теплопроводности (между ребрами и трубой) и на стороне хладагента (между трубой и хладагентом).
• Воздух по своей природе является теплоизолятором, ограничивая тем самым количество тепла, передавемого в уравнении на стороне воздуха. Для повышения эффективности системы применяются всевозможные усовершенствования в геометрии ребер. В принципе все ограничения на стороне воздуха можно отнести и к микроканальным и к традиционным теплообменникам. Тем не менее, применение плоских трубкок в микроканальных теплообменниках приводит к существенному снижению аэродинамического сопротивления. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить мощность, потребляемую вентиляторами и, соответственно, увеличить общую энергетическую эффективность.
• Часть уравнения, отвечающая за теплопроводность, во многом зависит от качества механического контакта (связи) между ребром и трубкой. В традиционных TF батареях соединение достигается за счет механического расширения трубы. В результате ребра “садятся” на трубу с некоторым натягом “воротничком” отштамованного в них отверстия. Если ребро сидит на трубке слишком свободно (либо по причине недостаточно расширенной трубы, либо из-за трещин в воротничке ребра, образовавшихся в результате слишком сильного расширения трубы), создавшиеся между ними воздушные полости существенно ухудшают теплопередачу. После монтажа теплообменника поверхности всех полостей покрываются оксидной пленкой, обладающей высоким тепловым сопротивлением, что ухудшает ситуацию еще больше. Ребра микроканальных батарей крепятся к трубкам с помощью пайки в бескислородной атмосфере, исключая возможность образования воздушных полостей и значительно улучшая теплопередачу.

• Теплоотдача на стороне хладагента происходит на границе между хладагентом и внутренней поверхностью трубки, известной также как “смоченный периметр”. Внутрення геометрия медной трубки эволюционировала от гладкой поверхности к оребренной с целью увеличить внутреннюю поверхность трубки и улучшить теплопередачу. Микроканальные батареи предлагают решение более высокого порядка: каждая трубка сегментирована на несколько параллельно идущих каналов в противоположность одному большому каналу с незначительными улучшениями в традиционной технологии.

Сравнение аэродинамического сопротивления TF и MC теплообменников

Контакт ребра и трубки традиционного теплообменника

Контакт ребра и трубки микроканального теплообменника

Теплоотдача в трубках TF и МC теплообменников

Куда приводят мечты?

Размер и вес уменьшены

В результате улучшения теплотехнических характеристик удалось добиться значительного сокращения веса и размеров. По сравнению с традиционными батареями при равных условиях площадь фронтальной проекции теплообменника может быть уменьшена на 40% а вес — на 30%
Улучшенные долговечность и сервисопригодность
Конструкция микроканальной батареи, включающая соединенные пайкой трубки и ребра обладает существенно большей прочностью и долговечностью в сравнении с TF батареями. В типичной TF батарее очень тонкие (тоньше 0.0039 дюйма) алюминиевые ребра расположены перпендикулярно поверхности медных трубок, делая их потенциально уязвимыми для повреждения во время эксплуатации, очистки, монтажа и т.д. В случае, если МС батарея повреждена (вероятность этого события существенно ниже, чем для TF), ее легко отремонтировать с помощью ручной горелки с пропаном. Для ремонта TF теплообменника желательна кислородно-ацетиленовая горелка. (В целом ремонт МС батареи предъявляет меньше требований к квалификации сотрудника). Внешние присоединительные разъемы МС теплообменников являются стандартными соединениями под пайку “медь-медь”. В качестве альтернативы предлагаются механические разъемы с двойным уплотнителем, широко применяемые в автомобильных кондиционерах.
Уменьшенная заправка хладагента
Уменьшение габаритов привело к сокращению объема хладагента в батарее до 50% от традиционной TF батареи такой же мощности. Это уменьшение объема заправки снижает риск “залива” компрессора жидким хладагентом. В условиях роста цен на R-410a (ограничения, введенные в 2010г.) уменьшение заправки является преимуществом и для дилеров и для конечных пользоватиелей, сокращая и цену монтажа и расходы на сервис.
Улучшенная коррозионная стойкость
Традиционные медно-алюминиевые батареи предрасположены к гальванической коррозии по самой природе их конструкции. Для возникновения гальванической коррозии необходимо одновременное наличие трех базовых элементов. Эти элементы: анод (материал, который растворяется), катод и электролит. В зависимости от свойств катода и анода, а также от окружающих условий интенсивность гальванической коррозии может варьироваться в широких пределах. В традиционных TF батареях два различных материала (обычно алюминиевые ребра, выступающие в качестве анода и медные трубки, являющиеся катодом) в присутствии элекиролита (морская вода и т.д.) корродируют, приводя к разрушению алюминиевых ребер. В микроканальных батареях трубки и ребра состоят из материалов с похожими свойствами, взаимодействие катода и анода практически отсутствует. Проведенные тесты показали, что коррозионная стойкость МС батарей в 7 раз выше, чем у медно-алюминиевых. Разница в сроке службы особенно заметна при эксплуатации батарей на транспорте, морском побережье и в условиях современного мегаполиса.

AluGuard®
Система дополнительной защиты коллекторов AluGuard® состоит из сварного алюминиевого кожуха и 4-х упругих элементов, на которых вывешен коллектор. В результате достигается уровень защиты, не имеющий аналогов на рынке.