Tubo de cobre con ranura interna

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Los tubos de cobre con ranuras internas, también conocidos como "tubos de microaletas", son una tecnología de bobinas de diámetro pequeño para los sistemas de aire acondicionado y refrigeración modernos. Las bobinas ranuradas facilitan una transferencia de calor más eficiente que las bobinas lisas. ^{[1] [2]} Las bobinas de diámetro pequeño tienen mejores tasas de transferencia de calor que las bobinas de condensador y evaporador de tamaño convencional con tubos de cobre redondos y aletas de aluminio o cobre que han sido el estándar en la industria de HVAC durante muchos años. Las bobinas de diámetro pequeño pueden soportar las presiones más altas requeridas por la nueva generación de refrigerantes más respetuosos con el medio ambiente. Tienen menores costos de material porque requieren menos refrigerante, aletas y materiales de bobina. Permiten el diseño de acondicionadores de aire y refrigeradores de alta eficiencia más pequeños y livianos porque las bobinas del evaporador y del condensador son más pequeñas y livianas.

Con la tecnología MicroGroove, la transferencia de calor se mejora al ranurar la superficie interna del tubo. Esto aumenta la relación superficie-volumen, mezcla el refrigerante y homogeneiza las temperaturas del refrigerante en todo el tubo. ^{[3] [4] [5] [6]}

Los tubos con tecnología MicroGroove pueden fabricarse con cobre o aluminio . Las aletas de cobre son una alternativa atractiva al aluminio debido a la mejor resistencia a la corrosión del cobre y sus beneficios antimicrobianos. ^{[7] [8] [9] [10] [11]}

Para utilizar tubos más pequeños en lugar de tubos de tamaño convencional en los acondicionadores de aire, los intercambiadores de calor deben rediseñarse, incluidos los circuitos de aletas y tubos. ^[12] La optimización del diseño requiere el uso de dinámica de fluidos computacional para analizar el flujo de aire alrededor de los tubos y las aletas, así como simulaciones por computadora del flujo de refrigerante y las temperaturas dentro de los tubos. Esto es importante porque el coeficiente de transferencia de calor general de un serpentín es una función de la convección del refrigerante dentro del tubo hacia la pared del tubo, la conducción a través de la pared del tubo y la disipación a través de las aletas. ^{[13] [14] [15]}

Las consideraciones de ingeniería para el uso de MicroGroove incluyen:

1. Determinación de la mejor relación entre el paso del tubo transversal y el paso del tubo longitudinal mediante el análisis de la eficiencia de las aletas. ^[16]
2. Optimización del paso transversal y longitudinal de tubos mediante análisis de rendimiento y coste de material. ^[16]
3. Optimización del patrón de aletas mediante la comparación del rendimiento de aletas con diferentes patrones a través de simulaciones basadas en dinámica de fluidos computacional. ^[16]
4. Prueba del rendimiento de intercambiadores de calor con tubos de diámetro menor. ^[16]
5. Desarrollo de ecuaciones empíricas para predecir el rendimiento de intercambiadores de calor con tubos de menor diámetro. ^[16]

Los experimentos publicados sobre el rendimiento y la eficiencia energética de las bobinas MicroGroove tienen en cuenta los efectos del espaciado de las aletas y el diseño de las aletas, el diámetro del tubo y los circuitos de los tubos. ^[17] Los circuitos de los tubos son sustancialmente diferentes a los de las bobinas convencionales. Las bobinas deben optimizarse con respecto a la cantidad de caminos entre los colectores de entrada y salida. Por lo general, los tubos de diámetro más pequeño requieren más caminos de longitudes más cortas. Hay investigaciones publicadas sobre circuitos de tubos ^[18] y diseño de aletas para intercambiadores de calor hechos con tubos de 4 mm ^{[19] .}

Una investigación sobre el rediseño de un intercambiador de calor con tubos de 5 mm de diámetro demostró una capacidad de intercambio de calor un 5 % mayor que la de un intercambiador de calor del mismo tamaño con tubos de 7 mm de diámetro. Además, la carga de refrigerante de los tubos de 5 mm de diámetro era menor que la de los tubos de 7 mm de diámetro. ^[20] En China, Chigo, Gree y Kelon están produciendo acondicionadores de aire con serpentines que tienen tubos de 5 mm de diámetro. ^[21]

Se han desarrollado diversos diseños de aletas para su uso con tubos de cobre de diámetro pequeño. Se ha evaluado y comparado el rendimiento de los diseños de aletas ranuradas y con rejillas en función de diversas dimensiones de las aletas. Se han utilizado simulaciones para optimizar el rendimiento del diseño de aletas. ^[22]

La eliminación gradual de los refrigerantes CFC y HCFC (por ejemplo, HCFC-22 , también conocido como R22 ) debido a las preocupaciones por el calentamiento global ha ayudado a estimular innovaciones en tecnologías de refrigeración. ^{[23] [24]} Los refrigerantes naturales como el dióxido de carbono ( R744 ) y el propano ( R290 ), así como el R-410A, se han convertido en reemplazos atractivos para aplicaciones de aire acondicionado y refrigeración .

Por lo general, se requieren presiones más altas para condensar estos nuevos refrigerantes respetuosos con el medio ambiente en comparación con los que se están eliminando gradualmente. Los tubos de cobre de diámetro pequeño son más deseables en aplicaciones con presiones más altas. Para tubos del mismo espesor, los tubos de diámetro más pequeño pueden soportar presiones más altas que los tubos de diámetro más grande. ^{[3] [4] [5] [6] [25]} Por lo tanto, a medida que disminuyen los diámetros de los tubos, aumentan las presiones de ruptura. Esto se debe a que la presión de trabajo es directamente proporcional al espesor de la pared e inversamente proporcional al diámetro. Al diseñar serpentines con longitudes de tubo más cortas, se requiere menos trabajo para hacer circular el refrigerante. Por lo tanto, se pueden compensar los factores de caída de presión del refrigerante debido a los tubos de diámetro pequeño.

Los refrigerantes de dióxido de carbono (R744) se utilizan en máquinas expendedoras modernas , vitrinas refrigeradas de supermercados , pistas de patinaje sobre hielo y otras aplicaciones emergentes. ^{[26] [27]} Los tubos de cobre de diámetro más pequeño de Microgroove tienen la resistencia para soportar las presiones de ruptura y enfriador de gas muy altas de R744 al tiempo que permiten volúmenes generales de refrigerante más bajos. ^[28]

El propano ( R290 ) es un refrigerante ecológico con propiedades termodinámicas excepcionales. ^{[29] [26]} Los requisitos de presión para el R290 son mucho menores que para el dióxido de carbono, pero el R290 es extremadamente inflamable. Las investigaciones han demostrado que MicroGroove es adecuado para los acondicionadores de aire de habitación cargados con R290 porque el requisito de carga de refrigerante se reduce drásticamente con tubos de cobre de diámetro más pequeño. El riesgo de explosiones de tubos también se reduce drásticamente. ^{[30] [31]} La investigación realizada con propano en MicroGroove tiene implicaciones para las bobinas de intercambiadores de calor utilizadas en refrigeradores , bombas de calor y sistemas de aire acondicionado comerciales . ^[32]

En un estudio de diseño de intercambiadores de calor HVAC de 5 kW funcionalmente equivalentes , los materiales de los tubos en los serpentines pesaron 3,09 kg para los tubos de 9,52 mm de diámetro, 2,12 kg para los tubos de 7 mm de diámetro y 1,67 kg para los tubos de 5 mm de diámetro. El peso de los tubos se redujo en un 31 % cuando los diámetros de los tubos de cobre se redujeron de 3/8 de pulgada a 7 mm. El peso de los tubos se redujo en un 46 % cuando los diámetros de los tubos de cobre se redujeron de 3/8 de pulgada a 5 mm. Los pesos de los materiales de las aletas en los serpentines fueron de 3,55 kg para los serpentines de 9,52 mm, 2,61 kg para los serpentines de 7 mm y 1,55 kg para los serpentines de 5 mm. ^{[3] [4] [5] [6] [33]}

El cobre es un material antimicrobiano . La acumulación de microorganismos se puede reducir con serpentines de cobre. Esto ayuda a mantener altos niveles de eficiencia energética durante períodos más prolongados y evita la disminución de la eficiencia energética con el tiempo.

El uso de bobinas de cobre para inhibir el crecimiento de hongos y bacterias es un desarrollo reciente en productos innovadores de aire acondicionado y refrigeración. Las empresas OEM , como Chigo en China e Hydronic en Francia, están fabricando ahora sistemas de aire acondicionado antimicrobianos totalmente de cobre para mejorar la calidad del aire interior. ^[24]

También se pueden lograr rutas de refrigerante de diámetro más pequeño con tubos de aluminio extruido. Estos se han diseñado con varios microcanales en un tubo plano en forma de cinta. La tecnología de microcanales de aluminio ofrece ventajas significativas sobre la bobina de aletas de placa de tubo redondo de cobre y aluminio convencional, incluido un mejor rendimiento de transferencia de calor y una carga de refrigerante reducida. ^[34] Sin embargo, MicroGroove de cobre ofrece mayores eficiencias de transferencia de calor que los tubos de microcanales de aluminio y permite volúmenes de refrigerante más pequeños porque los extremos de los tubos de MicroGroove están conectados por pequeñas juntas en U en lugar de grandes cabezales. ^[35]

Los tubos de cobre se producen a menudo mediante un proceso de fundición y laminación. Los lingotes de cobre se funden en tubos madre y estos tubos se estiran hasta obtener una forma final, se recocen y se mejoran con una textura de superficie interna para mejorar el rendimiento de transferencia de calor. La producción de tubos de cobre de diámetro pequeño requiere solo la adición de una o dos pasadas de estirado adicionales para lograr diámetros de tubo de 5 mm. ^{[36] [37]}

Las bobinas de aire acondicionado existentes hechas de tubos de cobre redondos y aletas de aluminio (bobinas CTAF) generalmente se ensamblan mecánicamente mediante expansión de tubos. ^{[37] [25]}

El equipo utilizado en la fabricación de productos Microgroove expande los tubos circunferencialmente (es decir, la circunferencia del tubo aumenta sin cambiar la longitud). Esta expansión "sin contracción" permite un mejor control de las longitudes de los tubos en preparación para las operaciones de ensamblaje posteriores. Los tubos se insertan, o se entrelazan, en los orificios de una pila de aletas espaciadas con precisión. Se insertan expansores en los tubos y los diámetros de los tubos se aumentan ligeramente hasta que se logra el contacto mecánico entre los tubos y las aletas. La alta ductilidad del cobre permite que este proceso se realice de manera precisa y exacta. Las bobinas de intercambiadores de calor fabricadas de esta manera tienen excelentes propiedades de durabilidad y transferencia de calor. ^{[38] [39]}

El proyecto de tubos de diámetro pequeño en China involucra a fabricantes que juntos representan más del 80 por ciento de la producción de HVAC de aproximadamente 75 millones de unidades. Varios OEM en América del Norte están comercializando productos de aire acondicionado residencial con tubos de cobre. ^[25] Los OEM de aire acondicionado, incluidos Guangdong Chigo Air Conditioning, ^[40] el Instituto de Investigación de Refrigeración de Guangdong Midea Refrigeration Appliances Group, ^[41] y Shanghai Golden Dragon Refrigeration Technology Co., Ltd. ^[42] han descrito los beneficios de los tubos de cobre de diámetro pequeño en comparación con el estándar para varios diseños y diámetros. También están disponibles serpentines ACR de los fabricantes de equipos originales (OEM) Gree, Haier, Midea, Chigo y HiSense Kelon. ^[43]

• Cobre en intercambiadores de calor

• Comparación basada en simulación de bobinas de CA optimizadas utilizando tubos de microcanales de cobre y aluminio de diámetro pequeño, por John Hipchen, Robert Weed, Ming Zhang, Dennis Nasuta (2012). Decimocuarta Conferencia Internacional sobre Refrigeración y Aire Acondicionado; julio de 2012; (Purdue)