Porovnání charakteristik výměníků tepla

Úvod

Kompaktní výměníky tepla typu vzduch-oběhové médium procházejí překotnou evolucí. Vedle vlivu ekonomického se začíná v poslední době projevovat i tlak ze strany legislativy, jež tlačí na snižování objemů klasických kompresorových oběhů z pohledu množství použitých chladiv na bázi freonů. Vývoj spočívá nejen v optimalizaci stávajících technologií, ale i ve vývoji nových technologií, jež mohou být perspektivní pro svou materiálovou nebo výrobní jednoduchost. V neposlední řadě se výrazně pozitivně projevuje i vliv konkurence, která začíná například ze strany dovozců výměníků tepla z mimoevropských zemí ovlivňovat vývojářské práce na nových méně nákladných výrobních technologiích.

Vyjmenované vlivy mají za následek, že výměníky tepla ve HVAC (Heating, Ventilating and Air-Conditioning) sektoru zažívají v současnosti malou technologickou revoluci. Článek se proto zabývá porovnáním dvou technologií. První je známá řadu desítek let a využívá klasické expanze trubky kruhového průřezu na lamelu. V současnosti se všichni výrobci čím dál více pokoušejí o přechod k menším průměrům kruhových trubek nebo alespoň nahrazují nejčastěji používané měděné trubky hliníkovými. Druhá alternativa však není příliš úspěšná pro svou technickou náročnost na ruční pájení hliníku, je však pro srovnání uvedena. Druhou srovnávanou technologií je taktéž známý typ výměníku používaný již dvě desítky let v automobilovém průmyslu. Jedná se o výměník, jenž používá extrudovaných plochých trubek s více kanálky a strojově vyráběnou vlnitou lamelou. Má velký potenciál pro expanzi do všech aplikací, kde se využívá klasického uzavřeného chladicího cyklu pro svou jednoduchost a možnost plně automatizované výroby.

Zmíněná výrazná rozkolísanost cen primárních komodit a konkurence vede mnohé výrobce k investicím do nových technologií, které jsou výrazně méně závislé na drahých materiálech, jako je měď či bronz. Řešením je využití alternativních materiálů, jako je levnější hliník na místo klasických měděných trubek, nebo zavedení levnější technologie, která nahradí stávající kompaktní lamelové výměníky tepla. Výhoda zmiňovaného hliníku je ve výrazně nižší ceně materiálu. Vývoj cen mědi a hliníku v posledních 5 letech je pro názornost uveden na obr. 1.

Technický popis výměníku tepla typu trubka-lamela

Tab. 1 Geometrie kondenzátorů

	Cu-Al	Al-Al
Materiál trubky	Cu	Al
Vnější průměr trubky [mm]	10,05	10,05
Síla stěny trubky [mm]	0,28	0,6
Vnitřní povrch trubky	hladký	hladký
Rozteč trubek [mm]	25	25
Rozteč řad trubek [mm]	21,65	21,65
Počet trubek	21 / 56	21 / 56
Počet řad trubek	2 / 4	2 / 4
Délka výměníku [mm]	500 / 1400	500 / 1400
Rozložení trubek	střídavé	střídavé
Počet okruhů	2 / 18	2 / 18
Materiál lamely	Al	Al
Typ lamely	vlnitá	vlnitá
Síla lamely [mm]	0,10	0,10
Rozteč lamel [mm]	2,00	2,00
Vnější povrch [m2]	8,77 / 124,8	8,77 / 124,8
Vnitřní objem [l]	1,843 / 24,37	2,12 / 23,66
Váha výměníku [kg]	2,66 / 37,9	0,93 / 13,23

Výměníky tepla s expandovanou měděnou či hliníkovou trubkou na hliníkovou lamelu je nejobvyklejším typem kompaktního výměníku tepla využívaného v klimatizační technice. Technologie je dodnes využívána pro svoji poměrnou jednoduchost již od 20. let minulého století. Poslední dobou je znatelný posun k menším průměrům trubek nebo k využití hliníku na místo poměrně drahé mědi. Bohužel aplikace obou zmiňovaných vývojových úprav nepřinesla výraznější pokles ceny. V prvním případě se prodražují výrobní náklady kvůli vyššímu počtu úkonů na stejně výkonný výměník a menší odolností výměníků proti mechanickému poškození a v druhém případě je neustále problematická kvalita pájených spojů hliník-hliník. Neoddiskutovatelnou výhodou výměníku trubka-lamela je jejich tvarová přizpůsobivost, při splnění výkonových požadavků. Je možné tvarově výměník přizpůsobit do požadovaného tvaru ať už přizpůsobením počtu trubek, řad trubek či jejich délky, ale i ohnout výměník do potřebného U, L, O-tvaru. Z pohledu životnosti výměníků tepla mají výměníky vyhovující výdrž, ta ale výrazně souvisí s náročností prostředí, v němž pracuje. Problematika spočívá ve styku ploch měď-hliník, při kterém může docházet ve vhodném prostředí k poměrně rychlé korozi a tím pádem i k znehodnocování charakteristik výměníku.

V článku vystupují dva výměníky tohoto typu. První je za využití měděné trubky a hliníkové vlnité lamely a druhý používá na místo mědi hliník. Oba jsou potom počítány softwarem ve dvou výkonových variantách 5 kW a 60 kW. Tabulka 1 popisuje obě verze z pohledu rozměrů a použitých materiálů.

Technický popis výměníku tepla s extrudovanou plochou trubkou a vlnitou lamelou

Minichannel výměníky tepla se používají v automobilovém průmyslu na místě chladiče, topení, či na místě výparníku nebo kondenzátoru. Společným znakem těchto výměníků není jen konstrukce, ale i velké výrobní počty, což je na rozdíl od HVAC sektoru velkou výhodou. Zmíněné malé počty vyrobených sérií byly problematické pro nevhodnost velkoobjemové automatické výroby. V poslední době se ale vývoj výrobních linek pro HVAC sektor posunul výrazně kupředu a umožňuje již malosériovou výrobu bez větších problémů s minimem kusů se špatným pájeným spojem.

Výměník tepla s minichannel technologií sestává ze dvou sběračů, libovolného počtu plochých trubek a stejného počtu lamel (viz obr. 2). Trubky mohou být buď extrudované, nebo svařované s různým počtem kanálků. Obvykle se v HVAC sektoru používají trubky s kanálky s hydraulickým průměrem v rozmezí 0,5 ÷ 3 mm. Výrobní linky lamel zvládají velkou škálu tvarů lamel od přímých, přes vlnité, až po prosekávané určené pro kondenzátory s nejvyšším možným součinitelem přestupu tepla. Variabilita použitelných typů lamel, stejně jako v případě lamelových výměníků s kruhovou trubkou, umožňuje vysokou přizpůsobivost potřebám, pro něž jsou výměníky určeny.

Tab. 2 Geometrie výměníků

	25 mm	38 mm
Materiál trubky	Al	Al
Hloubka trubky [mm]	25	38
Výška trubky [mm]	1,7	2,3
Síla stěny trubky [mm]	0,35	0,4
Počet kanálků trubky	13	17
Počet trubek	45 / 120	100
Délka trubek [mm]	500 (1400)	1400
Počet průchodů	2	2
Počty trubek na průchod	35/10 (90/40)	70/30
Materiál lamely	Al	Al
Typ lamel	prosekávaná	prosekávaná
Síla lamely [mm]	0,15	0,2
Výška lamely [mm]	10	11,7
Rozteč lamely [mm]	2	2,1
Vnější povrch výměníku [m2]	1,54 (10,98)	15,58
Vnitřní objem výměníku [l]	2,04 (8,01)	21,53
Váha výměníku [kg]	1,16 (8,68)	13,51

Stavba výměníku umožňuje zapojení trubek do více průchodů pomocí přepážek ve sběračích. Adaptabilita rozložení počtů trubek na průchod je hlavní příčinou poměrně nízké tlakové ztráty na straně chladiva. Konstrukce rovněž umožňuje adaptaci tvaru výměníku prostorovým potřebám.

V následujícím textu článku se uvažují dvě varianty probíraného typu výměníku. Kondenzátor s nižším porovnávaným výkonem 5 kW využívá extrudované trubky s rozměry 25 mm × 1,7 mm. Tatáž geometrie trubky je potom ještě použita v porovnání 60 kW kondenzačních jednotek. Navíc je pro větší výměník použito i výpočtů větší geometrie s rozměry ploché extruze 38 mm × 2,3 mm. Tabulka 2 popisuje uvažované geometrie pro výkony 5 kW a 60 kW. Pro porovnatelnost počítaných charakteristik s klasickou geometrií je použito stejných vnějších rozměrů kondenzátorů a tím pádem i stejných počítaných průtoků suchého vzduchu.

Výpočet výkonů výměníků tepla

Kompaktní výměníky tepla byly simulovány jako kondenzační jednotky. Porovnávanými veličinami byly tepelný výkon a tlakové ztráty na straně chladiva a vzduchu. Simulace byla provedena na softwaru firmy Lu-Ve Contardo, s.r.o. s jejímž svolením byly výsledky i zveřejněny. Odchylky výpočtů programem jsou v případě výkonů v relaci do 2 % a v případě tlakových ztrát se pohybují na hranici 4 %. Přesnosti je dosaženo na základě korelací a podobnosti z měření na reálných výměnících, jejichž charakteristiky jsou v softwaru zahrnuty.

Pro porovnatelnost výsledků jsou vstupní parametry vzduchu i chladiva stejné. V následující tabulce jsou uvedeny všechny parametry, jež do výpočtu vstupují.

Strana vzduchu

Tekutina	Suchý vzduch
Vstupní teplota	25	°C
Rychlost vzduchu	1 / 1,5 / 2 / 2,5 / 3	m/s

Strana chladiva

Chladivo	R404A
Teplota přehřáté páry na vstupu	65	°C
Teplota kondenzace	40	°C

Ve výpočtu se počítá s minimálním přechlazením kondenzátu, čímž se maximálně využije kapacita výměníku. Výsledné hodnoty výkonů jsou dány zejména objemem vzduchu, který skrze výměník projde a ten je pro ilustraci průběhů charakteristik přímo závislý na rychlosti proudění vzduchu skrze výměník. Volba rychlostí a vstupních parametrů, včetně rozměrů byly voleny na základě praktické využitelnosti dat v reálných podmínkách. Přičemž požadovaný výkon 5 kW nebo 60 kW je dosažen při rychlosti proudění vzduchu skrze výměník 2,5 m/s. Rychlost odpovídá praktické mezi pro klimatizační zařízení. Nad tyto rychlosti dochází k příliš vysoké hladině hlukové zátěže v okolí výměníku.

Charakteristiky kondenzačních výměníků tepla

Kondenzátor s tepelným výkonem 5 kW byl porovnáván, jak již bylo řečeno, ve třech verzích. První dvě jsou obvyklé výměníky tepla s expandovanou trubkou na lamelu, přičemž se rozdíl nachází jen v materiálu a síle stěny trubky. V případě měděné trubky je značení Cu-Al a v případě s hliníkovou trubkou je značení Al-Al. Poslední porovnávanou variantou je výměník tepla s extrudovanou hliníkovou trubkou o hloubce 25 mm (Multiport 25 mm).

V tabulkách jsou uvedeny vypočtené hodnoty pro rychlosti proudění vzduchu výměníkem 1 m/s; 1,5 m/s; 2 m/s; 2,5 m/s; 3 m/s.

5 kW	Výkon [W]
	1 m/s	1,5 m/s	2 m/s	2,5 m/s	3 m/s
Cu-Al	3161	4039	4750	5351	5869
Al-Al	3169	4046	4754	5350	5864
Multiport 25 mm	3824	5226	6461	7580	8610

5 kW	Tlakové ztráty strany vzduchu [Pa]
	1 m/s	1,5 m/s	2 m/s	2,5 m/s	3 m/s
Cu-Al	7,189	13,738	21,752	31,068	41,575
Al-Al	7,190	13,738	21,752	31,068	41,575
Multiport 25 mm	6,637	13,113	21,236	30,890	41,953

5 kW	Tlakové ztráty na straně chladiva [kPa]
	1 m/s	1,5 m/s	2 m/s	2,5 m/s	3 m/s
Cu-Al	6,255	9,697	12,967	16,049	18,941
Al-Al	8,575	13,258	17,684	21,842	25,727
Multiport 25 mm	0,512	0,785	1,256	1,429	1,616

Z charakteristik lze vyčíst výraznou výkonovou rezervu, jež poskytuje technologie s plochými trubkami při prakticky totožných tlakových ztrátách na straně vzduchu. Nutno podotknout, že v případě extrudovaných trubek je použito prosekávaných lamel na rozdíl od vlnité lamely v případě výměníků trubka-lamela.

Charakteristiky popisující závislost výkonu, tlakových ztrát na straně chladiva a vzduchu na rychlosti proudění pro výměníky tepla s výkonem 60 kW jsou uvedeny v tabulkách pod textem. Stejně jako v předešlém případě zkratky Cu-Al a Al-Al značí klasickou technologii expandované trubky na lamelu. Multiport 25 a Multiport 38 značí dvě různé geometrie extrudovaných trubek s hloubkou 25 mm a 38 mm.

60 kW	Výkon [W]
	1 m/s	1,5 m/s	2 m/s	2,5 m/s	3 m/s
Cu-Al	31329	42409	51751	59818	66907
Al-Al	31369	42398	51637	59563	66478
Multiport 25 mm	28416	38788	47798	55816	63037
Multiport 38 mm	31334	44148	55592	66159	75979

60 kW	Tlakové ztráty strany vzduchu [Pa]
	1 m/s	1,5 m/s	2 m/s	2,5 m/s	3 m/s
Cu-Al	14,496	27,701	43,849	62,611	83,758
Al-Al	14,497	27,701	43,847	62,604	83,741
Multiport 25 mm	6,648	13,125	21,265	30,918	41,977
Multiport 38 mm	10,707	21,209	34,272	49,836	67,668

60 kW	Tlakové ztráty na straně chladiva [kPa]
	1 m/s	1,5 m/s	2 m/s	2,5 m/s	3 m/s
Cu-Al	12,964	22,332	31,937	41,436	50,680
Al-Al	17,458	29,917	42,563	54,947	66,877
Multiport 25 mm	12,808	23,644	35,677	48,628	62,292
Multiport 38 mm	7,526	14,504	22,745	31,947	41,932

V případě nahrazení 4řadého výměníku tepla klasické konstrukce 25 mm hlubokou extrudovanou trubkou s prosekávanou lamelou je z tabulek znát, že jde o nedostatečné řešení a vyžaduje buď adaptaci velikosti takového výměníku, nebo využití extruze s jinou geometrií. Zajímavým výstupem je také charakteristika popisující tlakové ztráty na straně vzduchu. Zřetelně vycházejí lépe výměníky tepla s plochými trubkami. Důsledkem nižších tlakových ztrát na straně lamel bude buď zvýšený průtok vzduchu kondenzátorem a tím i zvýšený výkon nebo charakteristika přímo umožní použití slabšího ventilátoru s menší spotřebou energie, při zachování potřebných výkonových charakteristik.

Závěr

Charakteristiky vzduchem chlazených výměníků tepla ovlivňují hlavně koeficienty prostupu tepla na straně lamel, co se týká výkonu. Geometrie výměníku výrazně ovlivňuje tlakové ztráty obou médií. Tvar a dispozice kondenzátoru tak nepřímo ovlivňují i právě výkon výměníku, neboť v případě nižších tlakových ztrát na straně vzduchu protlačí ventilátor jeho větší objemy a opačně.

Ze spočtených charakteristik vyplývá výrazná výkonová rezerva vhodných výměníků tepla s plochou trubkou. Porovnání jasně vypovídá o vhodnosti modernější technologie pro HVAC sektor. Geometrie 25 mm hluboké extruze je vhodná pro případ menších výměníků tepla s počtem řad kruhových trubek menším než 3. Pro vyšší počty je vhodné počítat i s většími rozměry například s hloubkou 38 mm.

Při porovnání výkonové charakteristiky celohliníkové a klasické Cu-Al jednotky dojdeme k závěru, že volba materiálu prakticky nemá vliv na výstupní parametry. Rozdíl je pouze v tlakových ztrátách na straně chladiva, což je však zapříčiněno potřebou silnější stěny hliníkové trubky. Rozdíl je potom zejména v ceně konstrukčního materiálu a v náročnosti výroby.

Výstupem článku tak je ucelená představa o nejdůležitějších charakteristikách klasické technologie trubka-lamela a modernější celohliníkové jednotky ve dvou provedeních. Ve výsledku vyšly lépe parametry hliníkových jednotek s plochou trubkou, otázkou ovšem zůstávají cenové relace, za které lze výměníky pořídit a v neposlední řadě rozšíření technologie mezi výrobce výměníků tepla z HVAC sektoru v případě rentability jejich výroby.

Použitá literatura a webové stránky

• [1] Incropera, F. P.- Dewitt, D. P., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley and Sons, 6^th Edition, 997 s., 2006, ISBN-10: 0470055545, ISBN-13: 978-0470055540
• [2] www.infomine.com

Použitý software

• LuVe software
• REFPROP software