Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel – vliv nasátí zkapalněného chladiva
Příčinou závažných poruch tepelného čerpadla může být zkapalněné chladivo neřízeně nasávané do kompresoru nebo nadměrná teplota chladiva na výstupu z kompresoru. Příčiny je nutné hledat v konstrukci tepelného čerpadla a v neodborném zásahu při servisu.
Úvod
Pracovní okruh tepelného čerpadla obsahuje kompresor, který může být poškozen buď vlivem nepřiměřeně vysoké výtlačné teploty, což vede ke snížení mazací schopnosti oleje a až k následnému zadření kompresoru, nebo nasátím kapalného chladiva, což se projevuje až kapalinovým rázem v pracovním prostoru kompresoru a rozpouštěním oleje v kapalném chladivu, čímž opět dochází ke snížení mazacích schopností oleje, nebo v extrémních případech smýváním oleje kapalným chladivem z mazaných míst kompresoru. Poslední dva jmenované případy pak mohou vést rovněž až k zadření kompresoru. Servisní technik tepelných čerpadel musí tuto problematiku dokonale ovládat.
V článku Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel – díl 2. zveřejněném na TZB-info byl uveden příklad poruchy tepelného čerpadla vzduch-voda vzniklé chybnou činností expanzního ventilu, který řídí přepouštění zkapalněného chladiva z vysokotlaké části pracovního okruhu za kompresorem do nízkotlaké části okruhu před kompresorem. Citace z článku:
„Byli jsme přizváni k diagnostice stroje cizího výrobce, protože majitel si stěžoval na jeho podezřelý provoz. Při analýze chyb bylo zjištěno, že na výtlaku kompresoru mají páry stlačeného chladiva příliš nízkou teplotu vzhledem ke kondenzační teplotě. Na vstupu do kompresoru se tak evidentně vyskytovalo i kapalné chladivo, přestože čidlo horkého plynu (par chladiva) i tlakové čidlo (pro určení kondenzační teploty) bylo v pořádku!“
Jak bylo v článku ukázáno, tak příčinou chyby byl postup servisního technika při nastavení regulace.
Podívejme se podrobněji, proč je případná přítomnost kapalného chladiva v sacím hrdle kompresoru tak nebezpečná a zda to platí vždy.
Obecně lze říci, že výskyt kapalného chladiva v sacím hrdle kompresoru není žádoucí až na malé a přesně omezené výjimky, které jsou uvedeny v závěru.
K životnosti kompresoru
Kapalinový ráz
Pokud se kapalné chladivo dostane až do pracovního prostoru kompresoru, může způsobit vzhledem ke své nestlačitelnosti havárii – prasklý sací ventil u pístového kompresoru, prasklá jedna z lopatek scroll kompresoru atd. Tomuto jevu se říká kapalinový ráz.
Síla kapalného rázu závisí na poměru mezi objemem chladiva v kapalné formě ku objemu par chladiva. Čím se poměr zvětšuje, čím více je kapalného chladiva, tím intenzívnější je ráz. Protože stlačitelný je jen objem par. V pracovním prostoru kompresoru, při činnosti kompresoru, se při jeho zmenšování stlačují jen páry chladiva do kritické hodnoty. Po jejím dosažení extrémně stoupne odpor chladiva proti dalšímu stlačení. Protože kompresor, i vzhledem ke své setrvačnosti, nepřeruší ihned svou činnost, extrémně zvýšený tlak se vyřeší zpravidla mechanickým narušením nejméně odolného prvku, který brání dále již prakticky nestlačitelnému chladivu k úniku ze zmenšujícího se pracovního prostoru.
Výrobci kompresorů tento nebezpečný stav samozřejmě znají, své výrobky z hlediska poměru nákladů na jejich složitost konstrukce a cenu optimalizují a s kompresory dodávají technické podklady, jak tento nežádoucí stav omezit.
Obr. Následky velkého kapalinového rázu mohou být pro kompresor tragické. Zde modelová ukázka havárie kompresoru typu scroll.
Zvýšené tření až zadření kompresoru
V každém kompresoru používaném v tepelných čerpadlech, tedy jak v pístovém, tak v rotačním (nejčastěji scroll nebo křídlový), se nachází plochy, které se během činnosti mezi sebou třou. Proto je nutné třecí síly minimalizovat, a tak omezovat mechanické opotřebení třecích ploch, tak také síly potřebné k pohybu částí kompresoru, a tedy i spotřebu energie na pohon. K mazání se využívají speciální oleje.
Nepříjemnou vlastností kapalného chladiva je to, že mazací olej rozpouští, čímž snižuje jeho viskozitu, tedy ulpění na mazaných pracovních površích kompresoru. Kapalné chladivo působí i jako odmašťovač. Pokles mazací schopnosti oleje je nežádoucí. V extrému se mazací schopnosti oleje eliminují v mazaných místech kompresoru, což jsou ložiska, píst ve válci, lopatky scroll kompresoru, „vlečený“ rotor šroubového kompresoru.
K výkonovým parametrům
Pokud se chladivo odpařuje až v pracovním prostoru kompresoru, teplo na změnu skupenství může získat jen od v prostoru přítomného chladiva, pokud se toto nachází ve stavu přehřáté páry, tedy má vyšší teplotu, než je za daných tlakových poměrů teplota kondenzace nebo z přeměny mechanické energie vložené do pohonu kompresoru.
Na základě termodynamických zákonů lze obecně konstatovat, že za předpokladu stejného sacího a výtlačného tlaku v sacím a výtlačném hrdle kompresoru dochází:
- 1.1 Při snížení teploty chladiva v sacím hrdle kompresoru ke zvětšení obíhajícího množství chladiva a tím i ke zvětšení některých výkonových parametrů kompresoru.
- 1.2 Při zvýšeni teploty chladiva v sacím hrdle kompresoru ke zmenšeni obíhajícího množství chladiva a tím i ke zmenšeni některých výkonových parametrů kompresoru.
- 2.1 Při snížení teploty chladiva v sacím hrdle kompresoru ke zmenšeni dopravního součinitele kompresoru.
- 2.2 Při zvýšení teploty chladiva v sacím hrdle kompresoru ke zvětšení dopravního součinitele kompresoru.
Co se tyká celkové izoentropické účinnosti kompresoru, u ní záleží na konstrukci kompresoru a pracovních podmínkách.
K výjimkám zmíněným v úvodu
Při kombinaci vysokého tlakového poměru a vyšší teploty v sacím hrdle kompresoru dochází k vysoké výtlačné teplotě. Vysoký tlakový poměr souvisí se snahou výrobců tepelných čerpadel zvýšit výstupní teplotu otopné vody a tím je více přiblížit reálným potřebám při vytápění a přípravě teplé vody a současně umožnit jejich činnost i při velmi nízkých teplotách venkovního vzduchu. Důsledkem vysoké výtlačné teploty je snížení mazacích schopností oleje ať už kritickým snížením jeho viskozity nebo až spálením oleje. Snížení výtlačné teploty se často řeší nástřikem kapalného chladiva:
- U rotačních kompresorů (scroll kompresor, šroubový kompresor, kompresor s valivým pístem atd.) přímo do pracovního prostoru kompresoru přes zvláštní tzv. vedlejší – nástřikové nebo ekonomizérové hrdlo, a to podle konstrukce chladivového okruhu a z toho vyplývající konstrukce kompresoru.
- U pístových kompresorů do hlavního sacího hrdla.
V obou případech je účelem odpaření vstřikovaného kapalného chladiva, při kterém dojde odebráním tepla okolnímu chladivu, a tedy k potřebnému snížení výtlačné teploty kompresoru. V obou případech je nezbytné dodržet podmínky, že:
- Všechno nastříknuté chladivo se musí odpařit před dokončením komprese v pracovním prostoru kompresoru, aby nedošlo ke kapalinovému rázu.
- Nesmí dojit ke kritickému snížení výše zmíněných mazacích schopnosti oleje kapalným chladivem.
Správné dávkováni nástřiku chladiva se zjišťuje experimentálně a využívá se k tomu některého typu ventilu a optimálně navržené a umístěné trysky. Nástřik kapalného chladiva ovlivňuje všechny výkonové parametry kompresoru.
Závěr
Tepelné čerpadlo, zvláště pak jeho konstrukční varianty s řízenými otáčkami a výkonem, je z pohledu řízení pracovního režimu poměrně složitý stroj. To si, bohužel, řada servisních techniků prošlých jen základním nutným vzděláním pro práci s chladivy neuvědomuje. Přispívá k tomu i politika některých výrobců tepelných čerpadel, zvláště pak kompaktních typů nevyžadujících pospojování potrubí s chladivem (splitová provedení), když tvrdí, že pro uvedení do provozu postačují běžné topenářské znalosti. Do doby, kdy bude v systému řízení chodu tepelných čerpadel uplatněna „umělá inteligence“, která ohlídá zcela vše, co může ohrozit životnost a energetickou efektivitu tepelného čerpadla včetně ověřování přesnosti a spolehlivosti údajů z instalovaných čidel teplot a tlaků a která sama bude optimálně přestavovat provozní parametry, se bez vysokých znalostí servisního personálu neobejdeme.
Serious heat pump failures can be caused by liquefied refrigerant sucked into the compressor or excessive refrigerant temperature at the compressor outlet. The reasons must be sought in the construction of the heat pump and the insufficient expertise of the service personnel.
