İklimlendirme ve Soğutmada Mikro-Mini Kanal Serpantinlerin Kullanımı

Hazırlayan: Hüseyin Bulgurcu

1. GİRİŞ

Mikro kanal serpantinleri, otomotiv endüstrisinde uzun yıllardır başarıyla kullanılan ve iklimlendirme endüstrisinde uygulanmakta olan tamamen alüminyum bir serpantindir. Mikro kanal teknolojisi, hava soğutmalı (doğrudan genleşme) ekipman için tamamen yeni bir kondenser serpantin tasarımıdır. Mikro kanal serpantinlerinin tüm alüminyum konstrüksiyonları, koruyucu atmosfer kontrollü otomatik lehimleme fırında bir araya getirilmiş olan borulardan, başlıklardan ve şerit kanatlarından oluşur. Bu otomatik lehimleme işlemi, tipik olarak geleneksel boru ve kanatçık kondenser serpantinlerinde görülen lehimli bağlantıların sayısını önemli ölçüde azaltır. Tamamen yekpare alüminyum konstrüksiyonları ayrıca ünitenin ağırlığını azaltmaya yardımcı olur, geri dönüşebilirliğini artırır ve galvanik korozyonu en aza indirir.

1.1 Mikro Kanal Serpantinlerinin Temel Avantajları:

• Aynı soğutma kapasitesi için daha küçük serpantin, daha az soğutucu akışkan gerektirir.
• Yivli panjurlu kanatçıklar, ısıyı daha verimli iletir.
• Küçük boru / kanal boyutu, soğutucu akışkan hacmini azaltır.
• Ünite yapılandırmasına bağlı olarak %30 -%50 arasında potansiyel şarj azaltımı olur.
• Ton soğutma başına düşen soğutucu akışkan için LEED kredisi talep edilebilir.
• Lehimli kanat / boru / başlık, boru ve kanat kondenser serpantinlerine kıyasla daha sert bir yapı oluşturur.
• Nakliye ve montaj sırasında son derece dayanıklıdır.
• Konstrüksiyon sert borulardan oluştuğundan, düzeltilmesi gereken ince kanatçık malzemesi yoktur.
• R-410A ekipmanı için soğutucu akışkan sisteminde bir akışkanı vakumlamak, şarj etmek, geri kazanmak, geri dönüştürmek veya tahliye etmek için yeni gerekliliklere ihtiyaç yoktur.
• Kompakt, tamamen alüminyum mikro kanal serpantinleri, ünite ağırlığını azaltmaya yardımcı olur.
• Tamamen alüminyum yapı geri dönüştürülebilirliğini artırır ve galvanik korozyonu en aza indirir.
• Güçlü alüminyum lehimli yapı, daha iyi kanatçık koruması sağlar.
• Düz aerodinamik borular mikro kanal serpantinlerini toza daha dayanıklı ve temizlemesi daha kolay hale getirir.

2. MİKRO-MİNİ KANAL TEKNOLOJİSİ

Mini ve mikro kanal uygulamaları, kütle ve ısı geçişinin iyileştirilmesinde sağladığı üstünlükleri nedeniyle bilim dünyası için ilgi çekici bir araştırma konusu olmuştur. Geliştirilen tekniklerin mikro sistemlerin üretimini mümkün kılmasından sonra mini mikro kanallardaki akış ve ısı geçişi karakteristiği her geçen gün biraz daha anlaşılmaya başlamıştır. Günümüzde mini ve mikro kanallar ısı değiştiricileri, ısıtma-soğutma sistemleri, biyomedikal sistemler, mikro işlemcilerin soğutulması ve otomotiv sektöründe yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

Bugüne kadar kullanılan akış kesitlerinden daha küçük hidrolik çaplara sahip kanallar için mini ve mikro terimlerinin kullanılmaya başlaması, kanallar arasında çapa bağlı bir sınıflandırma yapılmasını gerekli kılmıştır. Mehendale ve diğ. (2000) tarafından sunulan sınıflandırma hidrolik çapı 1 – 100 µm aralığında kalan kanalları mikro kanal, 100 µm – 1 mm aralığında kalanları mezo kanal, 1 – 6 mm arasındakileri sıkıştırılmış geçiş ve 6 mm’den büyük olan kanalları geleneksel kanal olarak ayırmıştır [1].

Tablo 1. Mehendale ve diğ. (2000) tarafından yapılan kanal sınıflandırması [1]

Kandlikar ve Grande (2003) önceden yaptıkları sınıflandırmayı bir parça değiştirmiş ve en küçük kanal boyutlarını temel alan daha geniş bir sınıflandırma yapmışlardır [6]. Bu sınıflandırmaya göre hidrolik çapı 3 mm’den büyük olan kanallara geleneksel kanal, 3 mm – 200 µm aralığında kalanlara mini kanal, 200 µm – 10 µm aralığında kalanlara mikro kanal denmiştir. 10 µm – 0.1 µm aralığında kalanlar geçiş kanalları (10 µm – 1 µm arası geçiş mikro kanalları, 1 µm – 0.1 µm arası geçiş nano kanalları) ve 0.1 µm’den küçük olan kanallar ise moleküler nano kanal olarak adlandırılmıştır. Bu çalışmada Kandlikar ve Grande tarafından yapılan sınıflandırma dikkate alınmıştır [2].

Tablo 2. Kandlikar ve Grande (2003) tarafından yapılan kanal sınıflandırması[2]

Mikro kanallı ısı değiştiricileri, akışkan akışı için küçük geçişler içeren borulara sahiptir. Bu borular iki başlığa takılır. Kanatlar, alternatif kanatçık ve boru konfigürasyonunun yığınlarını oluşturan mikro kanal borularına bağlanır. Bu MKID'ler, ısı pompaları hariç, iklimlendirme uygulamalarında kondenser olarak başarıyla kurulmuştur. Verimli ve uygun maliyetli oldukları görülmüştür. Ayrıca, hava tarafı basınç düşüşünde ve soğutucu akışkan şarjında ​​azalmaya yardımcı olur. Yine de mikro kanallar, kondensatın havadan tahliye edilememesi nedeniyle evaporatör ve ısı pompası kondenserleri olarak kullanılamaz. Isı transfer katsayısı şu şekilde hesaplanır:

Burada;

Nu, Nusselt sayısı

k: sıvının termal iletkenliği

d: kanalın hidrolik çapı

İç katmanlı akışlarda Nu sabitleşir. Sabit duvar sıcaklığı için Nu 3.657 ve sabit ısı akışı durumu için Nu 4.364'tür. Akış çoğunlukla küçük çaplı boru boyunca akış için katmanlıdır.

Kondenser olarak kullanıldığında, başlıklar dikey olarak yerleştirilir ve mikro kanal boruları yatay olarak yönlendirilir. Buharlaştırıcılarda, eğer böyle bir konfigürasyon kullanılırsa, yoğunlaşma kanatçıkların ve boruların yerinde kalma eğilimindedir ve donar. Bu, hava geçişini engeller ve ısı transfer özelliklerini engeller ve evaporatörün verimini düşürür.

Mikro kanal ısı değiştiricilerinin kullanımına olan ilgi artmaktadır, çünkü soğutucu tarafındaki ısı transfer alanını arttırırken, ayrıca hava tarafındaki basınç düşüşünü azaltırken, soğutucu akışkan yükünü azaltmak için fırsatlar sunmaktadır. Mikro kanal ısı değiştiricileri, otomotiv endüstrisinde, boşlukların fraksiyonların %90'ı geçtiği ve buhar ve sıvının düzgün bir şekilde dağılması o kadar zor olmayan kondenserler olarak zaten kullanılmaktadır. Mikro kanal ısı değiştiricileri gurup veya ayrık sistemlerde kullanılacaksa, gerekli ısı transferini hem evaporatör hem de kondenser olarak sunabilmelidirler. Maalesef, mikro kanal buharlaştırıcılar için tekdüze dağılım elde etmek çok zordur. Kötü dağıtımın mikro kanal evaporatör tabanlı sistemlerin performansını ne kadar düşürdüğünü ölçmek ve kötü dağıtımı azaltmanın yollarını belirlemek gereklidir. Bu nedenle, bu rapor, orta başlıklarda yanlış dağıtım olasılığını ortadan kaldırmak ve ayrıca ters çevrilebilir konumda kullanımlarını kolaylaştırmak için tek geçişli mikro kanallı ısı değiştiricilerine odaklanmaktadır.

Şekil 1. Mikro kanal ısı değiştiricinin iç yapısı

3. MİKRO-MİNİ KANAL İMALATI

Mikro-mini kanal serpantininin tamamen lehimlenmiş yapısı, serpantin rijitliğini arttırırken, şantiye montaj zorluklarına ve nakliye nedeniyle oluşan hasarlara dayanmalarını sağlar. Mikro kanal serpantin başlıkları, boruları ve kanatçıkları toplanır ve daha sonra üzerine bir toz halinde lehim malzemesi püskürtülür. Serpantin daha sonra, bu ayrı parçaları tek bir katı mikro kanal serpantini olarak birleştiren büyük koruyucu atmosferli otomatik lehimleme fırınına gönderilir. Tek başına bu işlem, uygun olmayan lehimleme teknikleri nedeniyle oluşabilecek kaçak riskini azaltır.

Soğutucu akışkan, başlık düzeneğinin tamamında birden fazla yassı soğutucu akışkan doldurulmuş boru içine akar. Her borunun içerisinde, soğutucu akışkanın mikro kanal serpantinden akması için yollar görevi gören delikler bulunur. Her bir serpantin bölümünün alt ve üst boruları her zaman aktif olmayan soğutucu akışkan yollarıdır. Bu, üst veya alt boru ile conta malzemesi arasında kalan nemden kaynaklanabilecek korozyon nedeniyle soğutucu akışkan kaçaklarını önlemek ve ayrıca serpantin bölümünün montajı ve sökülmesi sırasında bir tampon görevi görmesi için yapılır. Her bir kanatçık yüzeyi, serpantinin içinden ek hava basıncı düşmesi olmadan daha verimli ve daha yüksek ısı transferi sağlayan serpantinden hava türbülansı oluşturmak için açılı ve panjurludur (Şekil 2).

Şekil 2. Mikro kanal serpantin yapısı [3]

Optimum performans ve soğutucu akışkanın genleşme cihazına sıvı halde gelmesini sağlamak için mikro kanal serpantinleri, soğutucu akışkanın da tipik bir boru ve kanatçık kondenser serpantininin yapacağı gibi aşırı soğutması gerekir. Tek bölümlü mikro kanal serpantinleri olan üniteler, başlık düzeneğinin içinde içten lehimlenmiş bir bölmeyi kullanır. Bu bölmenin amacı, serpantinin yoğuşma bölümünü aşırı soğutma bölümünden ayıran soğutucu akışını yönlendirmektir (Şekil 3). Diğer üniteler bu görevi iki ayrı serpantin kullanarak ve yoğuşturucu ve aşırı soğutma bölümlerini bir manifold başlık düzeneği kullanarak bağlayarak gerçekleştirir (Şekil 4).

Şekil 3. Yönlendirmeli mikro kanal serpantini [3]

Şekil 4. Manifoldlu Çift Mikro kanal serpantin [3]

Ünitenin geri kalanıyla birleştirmek için serpantinler, sert lehimli bakırdan alüminyuma ara bağlantıya sahiptir. Ek yeri birbirinden farklı iki metalden oluştuğundan, doğru bir şekilde kapatılmamışsa galvanik korozyon ek yerini ciddi oranda zayıflatabilir. Bu sebeple, bakır-alüminyum bağlantı, üretim tesisinde son derece kontrollü bir işlemle imal edilir ve sahada yapılmamalı veya tamir edilmemelidir. Bu ek yerinde görülen herhangi bir kaçak, yedek serpantinle garanti kapsamında değiştirilir. Yapıştırıcı ile kaplanmış özel koruyucu ısıyla büzüşen manşon, bu eklemin bütünlüğünü çevresel aşındırıcı maddelerden korumaya yardımcı olur (Şekil 5). Serpantin değişiminin gerekli olması durumunda, lütfen bakırdan alüminyum derz sıcaklığına lehimleme yapılırken, 240°C’yi aşmadığından emin olun.

DİKKAT: Serpantin Hasarı!

Yeni Mikro Kanal serpantini içine lehimleme yaparken, bakır - alüminyum ek yerindeki sıcaklık 240° C'yi geçmemelidir. Bu şartın yerine getirilmemesi serpantin hasarına neden olabilir.

Bakır bağlantıyı bakır bağlantılara sert lehim yaparken bu bağlantı yerinin korunması gerekir. Bu, lehimleme işlemi sırasında ısıyla büzüşen manşonun üzerine ıslak bir bez veya ısı macunu yerleştirilerek gerçekleştirilebilir.

Bazı üniteler fabrikadan koruyucu alüminyum sıçrama kalkanı ile gönderilir (Şekil 5). Bu bir ısı kalkanı değildir. Bu koruyucu, serpantini bakır lehim dolgusu metal sıçramasından korumak için kullanılır. Serpantin değişimi gerekli hale gelirse, verilen serpantin bakırının bakır bağlantılara lehimlenmesi sırasında tedarik edilen alüminyum sıçrama siperi başlığa uygulanmalıdır. Bu alüminyum serpantin ile etkileşime giren sert lehim sıçraması yivli kanatçıktan oluşturulan galvanik korozyon olasılığını önler.

Şekil 5. Sıçrama kalkanı [3]

Alüminyumun termal genleşme hızının ölçüsünden dolayı, mikro kanal serpantinleri üniteye sağlam bir şekilde monte edilmemelidir. Cihaz yapısı veya çerçevesi, serpantinin konumunu destekleyen bir aparat olarak işlev görür, ancak yine de termal değişiklikler nedeniyle serpantinin yüzmesini veya serbestçe genişlemesini sağlar.

Standart bir boruya sahip bir ünitedeki mikro kanal kondenser serpantinine ve kanatlı buharlaştırıcı serpantine soğutucu akışkan depolanmasına izin verilmez. Bir mikro kanal serpantininin bir boru ve kanat serpantinine kıyasla azaltılmış kapasitesi, mikro kanal kondenser serpantininde herhangi bir miktarda soğutucu yükün depolanmasını imkânsız kılar. Sistemdeki toplam akışkan yükünü tahliye etmeden ve sadece iki valf arasında kalan az miktarda soğutucu akışkanı vakum etmeden kompresörü değiştirmek için yoksa emme ve basma hattı servis valflerinin eklenmesi gerekir.

4. SERPANTİN KAPLAMALARI

Mikro kanal serpantinin aşındırıcı elementlere duyarlı olabileceği uygulamalarda "fabrikada" kaplı bir serpantin seçeneği mevcuttur. "Fabrikada" kaplama seçeneği, UV-A dirençli bir son kat ile daldırılmış ve fırınlanmış bir katodik epoksi kaplamadır. Serpantin kaplama doğrudan üreticide uygulanır ve Trane'in kaplama kapsamı, kalite, korozyon direnci, UVA direnci, ısı transferi, hava basıncı düşme performansı konusundaki gerekliliklerini yerine getirmek ve birimin yayınlanmış AHRI katalog derecelendirmelerini karşılamak için yeterlidir. Kaplama, ASTM B117 Tuz Püskürtme Testi ve ASTM G85 A2 Döngüsel Asitli Tuz Sis Testi gereksinimlerini karşılamalı veya aşmalıdır.

Trane, sahada uygulanan korozyona dayanıklı kaplamaların kullanılmasını önermemektedir. Sahada uygulanan korozyon kaplamaları, serpantini tamamen daldırılmış ve korozyona dayanıklı bir kaplama üzerinde pişmiş ve fırınlanmış olarak kaplayan "fabrikada" kaplama seçeneğiyle aynı kaplama yapışmasını sağlayamaz. Bir saha kaplaması uygulanırsa, Trane, ünitenin katalogda belirtilen performans değerlerini veya serpantinleri korozyona karşı direncini garanti edemez.

KAYNAKLAR

1. Sunil Mehendale, A. M. Jacobi, R. K. Shah,Fluid Flow and Heat Transfer at Micro and Meso-Scales with Application to Heat Exchanger Design, Applied Mechanics Reviews, 2000.

2. Kandlikar, S. G., and Grande, W. J., 2003. Evolution of Microchannel Flow Passages –Thermohydraulic Performance and Fabrication Technology, Heat Transfer Eng., 24(1), 3 – 17

3. https://www.trane.com/content/dam/Trane/Commercial/lar/es/product-systems/comercial/Rooftops/Accesorios-Rooftops/IOM/Microchannel%20IOM%20(Inglés).pdf