REVERZIBILITA CHLADIACICH OKRUHOV V TEPELNÝCH ČERPADLÁCH, časť 1.

REVERZIBILITA CHLADIACICH OKRUHOV V TEPELNÝCH ČERPADLÁCH

Skrytá hrozba alebo len technický detail?

Doc. Ing. Peter Tomlein, PhD. , SZ CHKT, Šamorín 

Abstrakt 

Reverzibilita – schopnosť deja prebiehať opačným smerom, vratnosť do predchádzajúceho stavu. Tepelné čerpadlo (TČ) využíva reverzibilitu na zámenu funkcie výmenníkov pri potrebe buď vykurovania alebo chladenia. Reverzibilita chladiaceho okruhu tiež umožňuje tepelnému čerpadlu energeticky efektívne odmrazovanie výparníka. Potom, čo dôjde k vytvoreniu námrazy na výparníku, sprevádzanej nežiaducim znížením výkonu výparníka a zvýšením energetickej náročnosti TČ, sa iniciuje odmrazovanie. TČ prejde do pracovného režimu „odmrazovanie“. 

Pri odmrazovaní je potrebné priviesť do výparníka také množstvo tepla, ktoré odmrazovanie zaistí. To sa docieli tým, že sa zamenia funkcie oboch výmenníkov v okruhu – funkcie okruhu sa reverzujú. Kondenzátor začne pracovať ako výparník a výparník začne pracovať ako kondenzátor. Pri odmrazovaní je prúdenie vzduchu cez vonkajší výmenník nežiaduce a preto sa ventilátor odstavuje. 

Preradenie funkcií výmenníkov tepla (VT) zaisťuje štvorcestný ventil. Po presmerovaní chladiva musí byť v okruhu zaistené riadenie prívodu chladiva do „výparníka“ (predtým kondenzátora). To zaisťuje druhý expanzný ventil. Požadované prúdenie kvapalného chladiva z aktuálneho kondenzátora k expanznému ventilu pred aktuálnym výparníkom (predtým kondenzátorom) môže byť usmerňované spätnými ventilmi. 

1.      ÚVOD

Riešenie intenzívnych spôsobov odmrazovania reverzáciou obehu TČ „vzduch-voda“, má dva základné problémy.

1. Odmrazovanie je nestacionárny dej, pri ktorom sa veľmi rýchlo menia parametre chladiaceho obehu, ktorý prechádza do nerovnovážnych stavov. Chladiaci okruh TČ prechádza skokovo z rovnovážneho stavu režimu „vykurovania“ do (počiatočného) nerovnovážneho stavu režimu „odmrazovania“. Z výparníka sa prestane odvádzať teplo a namiesto toho sa teplo do výparníka začne privádzať. Odmrazovanie skracuje dobu vykurovania tepelným čerpadlom. Doba odmrazenia sa pohybuje rádovo v minútach.
2. Rovnovážny stav po presmerovaní chladiva sa ustaľuje pri okrajových podmienkach, ktoré môžu ležať aj mimo pracovnej oblasti určenej charakteristikami kompresorov, ktoré udávajú výrobcovia kompresorov, čo limituje ovládanie kompresora a preto sa kompresor pred reverzáciou spomalí alebo zastaví (on/off kompresory si vyžadujú zastavenie) a opäť spustí, zrýchli po presmerovaní prietoku chladiva.

Špirálové skrol kompresory používané v súčasnosti pre tepelné čerpadlá sú väčšinou riešené tak, aby sa rozbiehali odľahčene. Tým sa pri štarte zníži prúdový odber elektromotora so všetkými priaznivými dôsledkami z toho plynúcimi. Odľahčenie je postavené na mechanickom princípe a spočíva v prepojení výtlačného a sacieho priestoru kompresora pri rozbehu.

2.      Autoregulácia chladiaceho okruhu pri odmrazovaní

Autoregulácia pri zmenách teplôt, prietokov sekundárnych médií cez výmenníky tepla (VT) vyvolá zmeny parametrov chladiaceho okruhu. Tieto zmeny sa prejavia tiež na rozdieloch teplôt médií na výmenníku tepla a tým aj na ich výkonoch. 

tk = tvstup + ∆t                   to = tvstup - ∆t                   ∆tvzduchu = tvstup-tvýstup

(∆t= rozdiel teplôt vzduchu vstupujúceho do výparníka tvstup a výparnej teplotyto  alebo rozdiel týchto teplôt na kondenzátore a ∆tvzduchu = rozdiel teplôt vstupujúceho a vystupujúceho vzduchu  VT). 

Autoregulácia spôsobuje, že pri zmene napr. teploty vonkajšieho vzduchu sa nemení rozdiel teplôt len na danom výmenníku, ale aj teplotný rozdiel na druhom výmenníku.

Tab. 1 Ak sa zmenia teploty kondenzačná, výparná a zmenia sa i výkony kompresora, výmenníkov a expanzného ventilu.

Určenie uvedených teplotných rozdielov pri odmrazovaní nie je jednoduché a to preto, že presmerovaním chladiva sa veľmi rýchlo menia parametre obehu a obeh prechádza do nerovnovážnych stavov. Do výparníka s námrazou sa teplo začne privádzať parami z výtlaku kompresora. Privedené teplo musí stačiť na ohrev hmoty výparníka na nadnulovú teplotu, roztopenie námrazy a krytie tepelných strát.

2.1    Presmerovanie chladiva (štvorcestným ventilom)

Výtlak z kompresora je po presmerovaní chladiva skokovo zavedený z prostredia kondenzátora charakterizovaného teplotou vykurovacieho média (tzn. cca 25°C až 55 °C) do prostredia výparníka charakterizovaného predchádzajúcou vyparovacou teplotou a v priebehu rozmrazovania teplotou vzrastajúcou na teplotu topenia námrazy (tj cca z –20°C až nad 0 °C). Kondenzačný tlak, daný teplotou „studeného“ výparníka, preto skokovo poklesne.  Výparník sa postupne spriechodní, keď s prívodom horúcich pár začne rásť tlak i teplota.

2.2     Presmerovaný kondenzačný tlak klesne a vyparovací tlak naopak vzrastie

Chladiaci okruh TČ prechádza skokovo z rovnovážneho stavu režimu „vykurovania“ do (počiatočného) nerovnovážneho stavu režimu „odmrazovania“. Skoková zmena vedie k tomu, že oba tlaky sa prakticky vyrovnajú a zmenia tak, že tlaková diferencia na expanznom ventile do výparníka (pretým kondenzátora) sa výrazne zníži a dočasne môže byť aj záporná. Za tohto stavu expanzný ventil neprepúšťa žiadne chladivo, jeho výkon je nulový. Preto sa na vytvorenie potrebného rozdielu tlakov na expanznom ventile využíva tlak v zberači chladiva daný teplotou kvapalného chladiva voči vyparovaciemu tlaku. Chladiaci okruh si nájde nové podmienky rovnovážneho stavu vďaka tzv. autoregulácii.

2.3  Dostatok vykurovacej vody pri odmrazovaní

Rieši sa viacerými spôsobmi v prípade, že vo vykurovacom okruhu necirkuluje dostatok vykurovacej vody približne 15-30 l/kW výkonu v závislosti od systému vykurovania. Problém s dostatkom vykurovacej vody môže nastať najmä pri podlahovom vykurovaní v nízkoenergetických domoch. To sa rieši pridaním akumulačnej nádoby na vykurovaciu vodu

Kvalita vykurovacej vody

Je dôležitá pre dlhoročný spoľahlivý chod vykurovacej sústavy. Preto vykurovací okruh musí byť naplnený správnou kvalitou vody. Dôležitá je najmä filtrácia, kyslíková bariéra pre zamedzeniu vzniku rias ako aj správna tvrdosť vody a jej demineralizácia, ktorá chráni potrubia pred usadeninami a koróziou, čo môže predĺžiť životnosť a zlepšiť výkon TČ.

Ak je vykurovacia voda znečistená, či už mechanicky, chemicky alebo biologicky môže spôsobiť problémy veľkosti prietoku cez kondenzátor, ale aj poruchy elektricky ovládaných ventilov prietoku vody. Ak sa tak stane pri odmrazovaní opakovane, môže byť problém nielen s dostatočným odmrazením, ale tiež z ohrozením výmenníka zamrznutím vody.

2.4    Reakcia ovládania tepelného čerpadla

Ak elektronika vyhodnotí nedostatočný prietok vykurovacej vody cez výparník (predtým kondenzátor), je potrebné zistiť dôvody nedostatočného prietoku väčšinou z dôvodu zablokovaného ventilu alebo zanesením potrubia. Pevné nečistoty sa odhalia na magnetickom filtre. Biologické znečistenie sa odhalí ťažšie.

2.5   Dôsledky  nedostatočného prietoku vykurovacej vody pri odmrazovaní

            Môžu znamenať veľkú opravu, ak sa porucha nedostatočného prietoku opakuje so zamrznutím  vykurovacej vody vo výparníku (kondenzátore). Steny doskového kondenzátora môžu prasknúť a bude potrebné výmenník vymeniť.

2.3 Presmerovanie chladiva pri odmrazovaní bez zberača chladiva

Odmrazovanie reverzáciou chladiaceho okruhu má tú nevýhodu, že nízkopotenciálne teplo potrebné v režime „odmrazovania“ sa odoberá z vykurovaného objektu alebo z vopred predhriateho zásobníka, akumulátora vody. Tým sa znižuje súhrnný energetický efekt TČ. Napriek tejto nevýhode je pre relatívnu jednoduchosť odmrazovanie reverzáciou používané najčastejšie. 

Ak by reverzný ventil náhle presmeroval prúdenie chladiva, sacie a výtlačné tlaky budú obrátené na hrdlách kompresora mimo prevádzkovej obálky. Hlučnosť kompresora bude po reverzácii zvýšená, a trvanie bude závisieť od rozdielu tlakov a veľkosti náplne chladiva. Vyrovnávanie tlakov cez zastavený kompresor môže spôsobiť otáčanie kompresora dozadu, kým sa tlaky vyrovnávajú. Tento stav môže spôsobiť neočakávaný zvuk.

Uprednostňovaný spôsob tlmenia hlučnosti odmrazovania je najskôr znížením rýchlosti kompresora alebo vypnutím kompresora na 30 až 90 sekúnd k ustáleniu tlakov. Potom reverzný ventil presmeruje chladivo a vypne ventilátor vonkajšieho výmenníka. Po presmerovaní prúdenia chladiva štvorcestným ventilom dochádza ku skokovej zmene tlakov a po zapnutí kompresora môže prísť k výraznému poklesu sacieho tlaku pre nedostatok chladiva vo výparníku. Vyparovacia teplota môže klesať pod hodnotu 0 °C a to po relatívne dlhú dobu (v desiatkach sekúnd). Pri malom prietoku hrozí zamrznutie vykurovacej vody. Preto počiatočná rýchlosť kompresora je pri odmrazovaní nižšia a postupne sa zvyšuje.

Po zvýšení rýchlosti kompresora sa zvyšujú kondenzačná i výparná teplota, zatiaľ čo kondenzačný tlak je „držaný“ na hodnote zodpovedajúcej teplote „studeného“ výparníka. Tlaková diferencia na ventile a výkon expanzného ventilu sa postupne zvyšuje, autoregulácia prevádza chladiaci okruh TČ postupne do nových stavov „odmrazovania“, podstatne ale odlišných od rovnovážneho stavu režimu „vykurovania“. Rovnovážne stavy režimu „odmrazovania“ sa líšia najmä tým, že teploty teplonosných médií sú „nelogické“. Teplota ochladzovaného média (vykurovacieho média v kondenzátore) je vyššia ako teplota ohrievaného média (námrazy na výparníku)! To spôsobuje, že expanzný ventil pracuje spočiatku v priebehu odmrazovania len s malou tlakovou diferenciou. Takúto malú tlakovú diferenciu, výkonovo zvládne napríklad termostatický expanzný ventil veľkého výkonu alebo expanzný ventil dočasne pod tlakom v zberači chladiva.

Odmrazovanie sa spúšťa podľa nameraných hodnôt chladiaceho okruhu a porovnaním s predtým stanovenými referenčnými hodnotami. Najskôr sa otáčky kompresora znížia až do pohotovostného režimu a okruh chladiva sa obráti. Po cca. 60-90 sekúnd sa kompresor opäť zrýchli v režime odmrazovania a vykoná proces odmrazovania, kým sa nedosiahne nastavený hraničný tlak alebo hraničná teplota. Chladiaci okruh sa potom opäť prepne do režimu vykurovania, pričom kompresor beží spočiatku pri zníženej rýchlosti. Pri vyššej rýchlosti kompresora sa výparná teplota po odmrazení zvýši na  pôvodnú. 

Ďalej je popísané riešenie umožňujúce oddeliť kvapalinovú časť spätnými ventilmi, v ktorej sú umiestnený zberač chladiva a tiež EVI systém.

Obr. 1  Vľavo hore TČ vzduch/voda po presmerovaní toku kvapalného chladiva bez zberača chladiva pracuje s nízkym tlakovým rozdielom na aktívnom expanznom ventile pri odmrazení. Aby sa dosiahlo dostatočné zaplavovanie výparníka po reverzácii (modrá čiara na obrázku napravo), kvapalným chladivom a rast teploty pri odmrazovaní (červená čiara napravo), je výhodný zberač chladiva, ktorý má potrebnú zásobu kvapalného chladiva na rozbeh, kým rozdiel tlakov na expanznom ventile po reverzácii je spočiatku nízky. 

Viac informácií nájdete v časopise Správy 2/2024