VÝVOJ CELOHLINÍKOVÉHO MIKROKANÁLOVÉHO VÝMENNÍKA TEPLA PRE TEPELNÉ ČERPADLÁ prvá časť

VÝVOJ CELOHLINÍKOVÉHO MIKROKANÁLOVÉHO VÝMENNÍKA TEPLA PRE TEPELNÉ ČERPADLÁ

Prípadová štúdia technologickej inovácie

Ing. Vladimír Orovnický, prezident SZ CHKT, riaditeľ Daikin CE Bratislava

Abstrakt

Rastúce globálne požiadavky na energetickú efektívnosť tepelných čerpadiel a sprísňujúce sa environmentálne normy viedli k potrebe zásadného prepracovania dizajnu výmenníkov tepla. Tento článok popisuje vývoj prvého celohliníkového mikrokanálového výmenníka tepla, ktorý umožňuje vysokú účinnosť pri súčasnom znížení hmotnosti a mnozstva chladiva v systéme. Opisuje výzvy konvenčných technológií, prechod k mikrokanálovej architektúre, prekonané technické bariéry a výsledné výhody.

1. Úvod

V dôsledku revízie japonského Zákona o energetických úsporách, pripravovanej na rok 2015, sa už v roku 2010 začal formovať projekt s cieľom podstatne zlepšiť účinnosť komerčných klimatizačných jednotiek. Systém vonkajšej jednotky obsahuje tri kľúčové komponenty: kompresor, ventilátor a výmenník tepla. Zvýšenie účinnosti výmenníka tepla — zariadenia, ktoré zabezpečuje prenos tepla medzi chladivom a okolitým vzduchom — tradične vyžaduje zväčšenie jeho fyzických rozmerov, čo však priamo naráža na požiadavky na miniaturizáciu a nižšiu hmotnosť.

Vzhľadom na rastúce environmentálne nároky a legislatívne tlaky sa čoraz viac kladie dôraz na zníženie množstva použitého chladiva s vysokým potenciálom globálneho otepľovania (GWP), ako je napríklad R410A. Súčasne sa v sektore rezidenčných tepelných čerpadiel zavádzajú alternatívne chladivá s nižším GWP, ako napríklad R32 alebo prírodné chladivo R290 (propan). 

Tieto látky síce významne znižujú environmentálnu záťaž, avšak prinášajú nové bezpečnostné výzvy v dôsledku ich horľavosti. Preto sa ako kľúčová stratégia ukazuje optimalizácia konštrukcie zariadenia s cieľom minimalizovať celkový objem chladiva, čím sa nielen znižuje potenciálna environmentálna záťaž, ale zároveň sa zvyšuje aj celková bezpečnosť systému. 

Táto kombinácia protichodných požiadaviek viedla k potrebe vývoja úplne novej technológie — mikrokanálového výmenníka tepla.

2. Limity konvenčných výmenníkov tepla

Zvýšenie tepelnej účinnosti tradičného výmenníka závisí od zvýšenia koeficientu prestupu tepla. To sa dosahuje tromi hlavnými spôsobmi:

•          zlepšením prestupu tepla medzi hliníkovými lamelami a okolitým vzduchom,

•          znížením tepelného odporu medzi lamelami a rúrkami,

•          optimalizáciou prúdenia chladiva v rúrkach.

Konvenčné vlnité lamely boli doplnené o štrbiny a žalúzie, čím sa znížil odpor vzduchu. Vnútorne drážkované rúrky a zvýšený prietok chladiva zabezpečili turbulentné prúdenie. Napriek tomu sa zlepšenie účinnosti počas posledného desaťročia spomalilo a technologické limity výroby (napr. minimálny priemer rúrok 4 mm) boli prakticky už dávno dosiahnuté.

3. Mikrokanálová architektúra: Nová paradigma

Mikrokanálové výmenníky, bežne používané ako kondenzátory v automobilovom priemysle, boli prebraté a modifikované pre obojsmerné použitie — vykurovanie aj chladenie — v komerčných klimatizáciách a tepelných čerpadlách.  Výmenník pozostáva z plochých, viacotvorových hliníkových rúrok (kanálov) s priemerom približne 1 mm. Medzi tieto rúrky sú vložené vlnité hliníkové lamely, čím vzniká vysoko vrstvená štruktúra.

Plochý tvar rúrok minimalizuje odpor prúdenia vzduchu a umožňuje vysoko integrované usporiadanie rúrok. Všetky komponenty — lamely, rúrky aj rozdelovače — sú spojené tvrdým spájkovaním hliníkom. Zmenou materiálu z medi na hliník sa znížila hmotnosť a objem chladiva.

4. Kľúčové výzvy: Vykurovanie, distribúcia a odvod kondenzátu

Použitie výmenníka aj na vykurovanie prinieslo nové výzvy:

4.1 Odvod kondenzátu

Pri režime vykurovania dochádza ku kondenzácii vlhkosti vo vonkajšej jednotke. Tradičné konštrukcie s oddelenými hornými a dolnými lamelami znemožňovali plynulý odtok vody. Tento problém bol vyriešený vytvorením zvislých odvodových kanálov, ktoré prepájajú hornú a dolnú časť výmenníka.

4.2 Nerovnomerná distribúcia chladiva

Plochý tvar rúrok spôsobuje separáciu fáz — kvapalné chladivo sa hromadí na spodnej strane, plynná fáza stúpa nahor. Pre dosiahnutie rovnomerného rozdelenia bola navrhnutá nová hlavica so štruktúrou rozdeľovača, umožňujúca cirkuláciu chladiva.

Viac informácií nájdete v časopise Správy 5/2025