Die Vorteile dieser Rohre können wie folgt zusammengefasst werden:
- Höhere Leistung der lamellierten Wärmeübertrager bei gleicher Masse und geringerem Kältemittelvolumen.
- Vergleichbare Leistung bei weniger Rohrmaterial, weniger Lamellenmaterial, weniger Kältemittel und damit einem insgesamt kompakteren und leichteren System.
Um die Technologie von MicroGroove-Rohren und ihr Potenzial zu verstehen, macht es Sinn, die Gesamtheit der lamellierten Wärmeübertrager sowie die thermodynamischen Eigenschaften kleiner und innen gerillter Kupferrohre zu betrachten.
Leistungssteigerung
Ziel ist es, die Leistung der Rohre und die Effektivität des Wärmeübertragers bei reduziertem Materialeinsatz zu erhöhen. Die Menge an Rohrmaterial im Wärmeübertrager hängt vom Rohrumfang, der Rohrlänge und der Rohrwanddicke ab.
Ein Vorteil ist die Reduzierung des Rohr- und damit des Kältemittelvolumens. Das Rohrinnenvolumen ist proportional zum Quadrat des Rohrdurchmessers, während die innere Rohroberfläche direkt proportional zum Rohrdurchmesser ist. Trotz üblicherweise größerer Gesamtrohrlänge können der Materialeinsatz und das innere Volumen des Wärmeübertragers reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass die Rohrwanddicke bei Rohren mit geringerem Durchmesser reduziert werden kann, ohne dass sich dies negativ auf die Festigkeitseigenschaften auswirkt. Eine Reduzierung der Rohrwanddicke führt zu zusätzlichen möglichen Einsparungen beim Gewicht. So ergibt zum Beispiel die Verringerung der mittleren Rohrwanddicke von 0,32 auf 0,24 mm eine Reduzierung des Rohrgewichts um ein Viertel.
Außerdem nimmt der Wärmeübergang auf der Rohrinnenseite mit kleinen Rohrdurchmessern deutlich zu, da die Grenzschicht des Kältemittels durch die Rillen gestört bzw. unterbrochen wird. Dieser Ef-fekt wurde in Laborexperimenten nachgewiesen und wird in Form des inneren Wärmeübergangskoeffizienten ausgedrückt. Ein höherer Wärmeübergangskoeffizient ermöglicht die Erzielung derselben Leistung mit geringerer Oberfläche, d. h. mit weniger Rohrmaterial, weniger Lamellen und weniger Kältemittel, was wiederum zu einem kleineren und leichteren Wärmeübertrager führt.
Für die Konstruktion von Wärmeübertragern sind meist drei Komponenten des thermischen Widerstands zu beachten:
1.Im Innern des Rohres: Hier erfolgt der Wärmeübergang vom Kältemittel zur Rohrwandinnenseite sowohl durch Konvektion als auch durch Wärmeleitung.
2.Im Rohrmaterial selbst erfolgt der Wärmetransport durch Wärmeleitung.
3.Außerhalb des Rohrs: Der Wärmeübergang erfolgt hier durch die Wärmeleitung an die Lamellen und weiter als Konvektion an die Außenluft. Eine Wärmeübertragung durch Strahlung kann vernachlässigt werden.
Der Wärmeübergangskoeffizient vom Kältemittel zur Rohrwand steigt mit sinkendem Rohrdurchmesser zunehmend an. Dadurch hat der geringere Rohrdurchmesser einen positiven Einfluss auf den inneren Wärmeübergangskoeffizienten.
Tests
Der Internationale Verband der Kupferindustrie (ICA) ließ Labormessungen von Wärmeübergangskoeffizienten und Druckabfällen kleiner Kupferrohre durchführen. Diese Forschungsarbeiten wurden am Institut für Kälte- und Kryotechnik an der Universität Shanghai Jiao Tong (SJTU), China, durchgeführt.
Die Druckabfälle mit den neuen Rohren sind im Vergleich zum Rohrdurchmesser 9,52 mm geringfügig größer. Die COP-Werte sind in einem konkreten Wärmeübertragerbeispiel ca. ein Prozent höher ausgefallen, d. h. dass die größeren Druckabfälle durch die thermodynamischen Vorteile kompensiert wurden. Dabei wurde ein um 15 Prozent größerer innerer Wärmeübergangskoeffizient gemessen, der Kupfereinsatz reduzierte sich um 42 Prozent und der Aluminiumeinsatz um 50 Prozent.
Die Tests wurden mit gebräuchlichen Kältemitteln mit verschiedenen Rohrdurchmessern mit bzw. ohne Innenrillen durchgeführt. Die Labortests bestätigen, dass in Rohren mit kleinen Durchmessern und optimierten Innenoberflächen die inneren Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu Glattrohren und größeren Rohren deutlich höher ausfallen2. U A -
1 Der folgende Beitrag der Kellen Interactive Webdesign Agency wurde von Dr. Ulrich Adolph redaktionell bearbeitet.
2 In der Gesamtbilanz des lamellierten Wärmeübertragers geht aber vor allem die äußere Wärmeübergangszahl zur Luft als dominierende Größe ein, so dass die Verbesserung der Wärmedurchgangszahl gegenüber der inneren Wärmeübergangszahl geringer bleibt. (U A)
