Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 3.: Diagnostika okruhů chladiva a expanzní ventil

Diagnostika okruhů chladiva

Ačkoliv je tepelné čerpadlo tepelným čerpadlem právě díky okruhu chladiva, někdy také nazývanému kompresorový okruh, tak právě tomuto okruhu je v praxi rozuměno úplně nejméně. V České republice je plno opravdu velmi kvalitních servisních techniků, kteří většinou bez sebemenšího zaváhání řeší případné závady v hydraulice primárního či sekundárního okruhu TČ (čili oběhová čerpadla, ventily atd.) a kteří nemají problém ani s elektrickou částí stroje. Pokud však dojde na okruh chladiva, vnímáme možná až přílišný respekt techniků.

Není se čemu divit. Neboť důkladné pochopení jevů, které se v kompresorovém okruhu odehrávají, vyžaduje vzdělání minimálně na úrovni vysoké technické školy v oboru termodynamiky a k tomu hodně zkušeností z praxe. Důvodů horších znalostí v případě okruhu chladiva je vlastně několik. Například na první pohled odstrašující množství okruh charakterizujících teplot (viz obr. 1–3 níže). Starší stroje na rozdíl od novějších frekvenčně řízených nebyly vybaveny dostatečným počtem čidel, které popisují chování okruhu chladiva. Odpovědnost tak zase přešla na chlaďaře, který si potřebná tlaková a příložná čidla doplnil. Nebo uspěchané chlaďařské kurzy, či neschopnost látku vysvětlit a v neposlední řadě i malý počet zkušených, dobrých chlaďařů, od kterých se mohou noví zájemci o problematiku učit.

A tak vzniká i rozdíl mezi skutečnými chlaďaři a „chlaďaři s osvědčením“. Někteří lidé sice často mají ono osvědčení, ale spíše jen z důvodu, že si ho mohou zařadit do své sbírky certifikátů, avšak jsou bez zjevné erudice. S jistotou se můžeme postavit pouze za relativně malý počet chlaďařů, o kterých víme, že na instalaci odvedou opravdu dobrou, kvalitní práci a problém vyřeší. Je však dlužno dodat, že jednou za čas se může objevit problém, který zamotá hlavu i těm nejzkušenějším a nejlepším chlaďařům, kteří se však nemají vůbec za co stydět.

Nezaregulování termostatického expanzního ventilu (TEV) na správné přehřátí

Typickou chybou začátečníků a někdy bohužel i dlouhodobě tvrdohlavých tzv. „ledničkářů“ (lidí servisujících hlavně ledničky) bývá nezaregulování termostatického expanzního ventilu (TEV) na správné přehřátí (rozdíl mezi teplotou nasávaných par kompresorem a vypařovací teplotou chladiva) po jeho výměně v domnění, že „Ventil je přece seřízen z výroby a není ho potřeba seřizovat na místě!“

To, že jeden a ten samý typově totožný ventil může být teoreticky instalován do více různých strojů, a tedy při úplně jiném průtoku a i přehřátí, si onen člověk vůbec neuvědomuje a vážně tak může ohrozit životnost kompresoru. Schéma okruhu s TEV na Obr. 2. To je však jen jeden z případů.

Nešvary řemeslníků

Mezi nešvary také patří nepoužívání dusíku jako ochranné atmosféry při pájení měděných trubek a tvarovek. Přitom maximální čistota vnitřních povrchů okruhu s chladivem a možnost okruh dostatečně vakuovat před jeho naplněním chladivem jsou základní podmínky spolehlivého provozu. Bohužel se vyskytuje i opětné používání starých znehodnocených náplní chladiva, takže ve stroji následně může být směs „něčeho jiného“.

Typické příklady správně pracujících okruhů chladiva

Typické příklady správně pracujících okruhů chladiva TČ země/voda a vzduch/voda jsou uvedeny níže včetně VŠECH pro okruh charakterizujících teplot/tlaků.

Obr. 1 Správně pracující okruh chladiva – TČ země/voda ON/OFF IVT EQ s TEV

Okruh chladiva pro TČ země/voda ON/OFF s termostatickým ventilem (s vnějším vyrovnáním tlaku) na obr. 1 je klasické skladby. U TČ vzduch/voda jsme pro obr. 2 vybrali schéma s typickým čtyřcestným ventilem (umožňuje reverzaci chodu mezi vytápěním nebo chlazením neboli záměnu funkce výměníků) a s dvěma elektronickými expanzními ventily VR0 a VR1. Zatímco EEV VR0 se používá zejména pro nástřik chladiva do deskového výměníku při režimu chlazení/odtávání, ventil VR1 má stejnou funkci v režimu vytápění, kdy nastřikuje chladivo do lamelového výměníku – výparníku.

Obr. 2 Správně pracující okruh chladiva – TČ vzduch/voda IVT Air X s EEV a frekvenčním měničem

Typický příklad špatné diagnostiky okruhu chladiva „chlaďařem“

Na obr. 3 je uveden příklad teplot charakterizujících špatně pracující okruhu chladiva, který se v praxi může objevit. TČ v tomto případě hlásilo chybu „Příliš mnoho chladiva“ a na diagnostiku a opravu byl tedy pozván chlaďař, na kterého byly dobré reference, takže měl plnou důvěru servisního oddělení i zákazníka. Chlaďař si na místě připojil na okruh chladiva tlakové hadice s manometry (to je OK, až sem postupuje správně), podíval se na hodnoty vypařovacího a kondenzačního TLAKU a bez vazby na okolní teploty prohlásil okruh chladiva za bezvadný se slovy:

„Tyhle TLAKY v okruhu bývají, za mě je okruh OK, vyměňte regulaci, protože hlásí nesmysly!“

Obr. 3 Příklad špatně pracujícího okruhu (příliš mnoho chladiva, či problém s VR0)

Co udělal „chlaďař“ špatně? Podívat se POUZE na tlaky na sání a výtlaku kompresoru a prohlásit TČ za bezvadné, je stejný nesmysl, jako když byste jeli automobilem rychlostí 130 km/h a prohlásili byste rychlost za správnou, protože je automobilem přece běžně dosažitelná. Ale vůbec byste se přitom nezajímali o to, jestli jedete přes obec, přes les, po poli nebo po dálnici. Jinými slovy, zda se na daném úseku vaše rychlost vejde nejen do maximální povolené, ale přitom i bezpečné rychlosti!

„Chlaďař“ sice tedy změřil v okruhu chladiva běžný kondenzační tlak nacházející se bezpečně pod vysokotlakovou ochranou kompresoru (presostat MR1), ale vůbec se nepodíval, jakou onen tlak charakterizuje kondenzační TEPLOTU JR1 a zda alespoň přibližně koresponduje s výstupní teplotou topné vody z kondenzátoru TC3! Kondenzační teplota by kvůli dosažení co nejvyššího COP totiž měla být co nejblíže výstupní teplotě topné vody z kondenzátoru. A právě na tento rozdíl se měl „chlaďař“ podívat, protože mimo jiné vyjadřuje, jak moc je okruh naplněn chladivem.

Rozdíl kondenzační teploty JR1 a výstupní teploty topné vody TC3 také vyjadřuje, jak dobře/efektivně se předává teplo na kondenzátoru z chladiva do topné vody. Čím menší rozdíl (běžně bývá −1 až +2 K, ale záleží na stroji), tím je výměník lepší pro přenesení daného výkonu stroje, jelikož díky tomu klesá kondenzační teplota/tlak a v důsledku toho roste topný faktor COP tepelného čerpadla.

Protože „chlaďař“ neznal toto základní pravidlo pro co nejefektivnější provoz TČ, nemohl tedy vyhodnotit jako poruchový stav, kdy TČ mělo na výstupu topnou vodu o teplotě TC3 = 40 °C, ale kondenzační teplota JR1 byla ve stejnou chvíli až 55 °C. Rozdíl teplot byl tedy 15 K! A to znamená, že přestup tepla přes kondenzátor do topné vody neprobíhal optimáně. Kapalné chladivo totiž více zaplavilo přestupní teplosměnnou plochu kondenzátoru nutnou pro efektivní předávání tepla do otopné vody. Tím ji zmenšilo, a protože se nestíhal odvést dostatečně rychle topný výkon kompresoru, došlo ke zvýšení teplotního rozdílu mezi chladivem a topnou vodou. TČ tak mělo nižší topný výkon/faktor a nešetřilo peníze ani přírodu, jak by jinak mohlo. Důvody proč se TČ takto projevovalo, jsou uvedeny v Obr. 3.

Kdyby „chlaďař“ byl skutečně chlaďař se znalostmi potřebnými pro tepelná čerpadla, pomohla by mu v diagnostice také hodnota tzv. podchlazení. To je rozdíl kondenzační teploty JR1 a teploty již zkapalněného chladiva TR3 na výstupu z kondenzátoru. Podchlazení při správném návrhu a funkci stroje nebývá větší, než je rozdíl teplot topné vody TC3 − TC0 (teplota TR3 nemůže být pod TC0). Posuďte sami, TC3 − TC0 = 5 K, zatímco rozdíl JR1 − TR3 = 19 K, a to je jasný důkaz, že v kondenzátoru je příliš mnoho chladiva, protože kondenzační teplota JR1 je moc vysoko.

A abychom byli maximálně kritičtí, tak při pohledu na hodnotu tzv. přehřátí TR5 − JR0 = 16 K vidíme, že do výparníku jde málo chladiva (max. povolený rozdíl do 10 K). Chladiva tam však jde málo proto, že je zadržováno v kondenzátoru, a tak ho nemůže být dost ve výparníku! Z toho plyne další zásadní poučka:

To, co se děje v jedné části okruhu, ovlivňuje dění i v jeho druhé části.

Pro dokreslení, co dále mohlo „chlaďaře“ navést ke správnému řešení: Jelikož TČ mělo na rozdíl od „chlaďaře“ rozum a vědělo, že se takto nemůže dlouhodobě udržet v chodu, tak na základě měřených teplot, regulace stroje omezovala jeho výkon na cca 50 % aktuálně možného (aby se chránil kompresor) a nedostatek výkonu kompresoru regulace kompenzovala aktivací elektrokotle. TČ tedy pracovalo neefektivně, draze a ne moc ekologicky.

Připojení tlakových hadic a odečtení hodnot tlaků nestačí!

V praxi bohužel vidíme, že pro spoustu „chlaďařů“ je pro diagnostiku okruhu chladiva vrcholem připojení tlakových hadic a odečtení hodnot tlaků. Aniž by se blíže zajímali o to, o jakou teplotu jde, zda vypařovací nebo kondenzační teplotu, přitom jejich měřící aparatura ony teploty hned zobrazuje, stačí je vnímat.

Bez převodu tlaků na vypařovací/kondenzační teplotu samotné hodnoty tlaků říkají při diagnostice jen to, zda je kompresor schopen udělat nějaký tlakový rozdíl, čili zda „jde do tlaku“ – nic víc.

Z toho důvodu se také na displeji stroje uvedeném v našem příkladu nezobrazuje konkrétní hodnota vypařovacího/kondenzačního tlaku JR0/JR1, ale rovnou konkrétní teplota, která tlaku chladiva přísluší. Protože jde o tepelný stroj, jehož správnou funkci lze ve většině případů popsat pouze konkrétními rozdíly teplot, které spolu úzce souvisí. Proto níže uvádíme jednoduchá pravidla, kterými je třeba se vždy při diagnostice jakéhokoliv okruhu chladiva řídit.

Základní pravidla diagnostiky okruhu chladiva zní a všechny platí současně bez výjimky:

• Okruh chladiva se posuzuje jedině na základě příslušných rozdílů teplot, které spolu úzce souvisí!
• Posuzují se jak rozdíly teplot samotného chladiva, tak rozdíly teplot mezi chladivem a médiem na druhé straně výměníku (voda, nemrznoucí směs, vzduch) a to jak na výparníku, tak na kondenzátoru stroje.
• Teploty chladiva mezi sebou porovnáváme jedině za konstantního tlaku.
• Sama jedna jediná hodnota o okruhu chladiva vůbec nic nevypovídá. Musíme znát minimálně jednu další hodnotu, s kterou je ta původní porovnatelná.
• Nelze okruh zodpovědně posoudit bez znalosti vypařovací a kondenzační teploty.
• Nelze okruh posuzovat bez znalosti hodnot přehřátí a podchlazení chladiva.
• Pro co nejvyšší COP musí být kondenzační teplota co nejblíže výstupní teplotě topné vody – kondenzační teplota může být dokonce i lehce nižší než výstupní teplota topné vody (využití tepla z horkých par nad kondenzační teplotou).
• Pro co nejvyšší COP musí být vypařovací teplota co nejblíže vstupní teplotě nemrznoucí směsi/vzduchu do výparníku, ale zároveň vždy s přihlédnutím na dodržení bezpečného přehřátí chladiva na sání kompresoru za každých provozních podmínek.
• Je nutné dát měření čas – pokud se nějaký rozdíl teplot dostane mimo běžné meze, může to být jen chvilkově např. po přepnutí 3cestného ventilu a nic to neznamená.
• Jak se budou pohybovat typické rozdíly teplot, závisí na konkrétním stroji, resp. jeho návrhu (výrobci se mohou lišit). Detailnější rozbor přesahuje možnosti příspěvku.

Dálkový monitoring TČ

V případě frekvenčně řízených strojů, ale i složitějších ON/OFF je pro kvalitní diagnostiku okruhu nezbytný dálkový monitoring se záznamem dat bez ohledu na to, kde se TČ nachází. Data ve formě grafů (např. obr. 4) umožní sledovat vybrané hodnoty v čase a identifikovat příčinu problémů. Často Vám totiž technik přečte nějaké teploty z displeje TČ v konkrétní čas (obr. 5), kdy se vše jeví v pořádku, ale za pár vteřin může být vše jinak. Často se totiž díky „zákonu schválnosti“ problém objeví tehdy, kdy nejste na místě – takový servis je nejhorší.

Obr. 4 Trend teplot v okruhu chladiva IVT GEO G, prostředí MERVIS SCADA

Obr. 5 Teploty odpovídající odečtu v grafu z obr. č. 4

S využitím statistických funkcí lze následně pomocí prediktivního monitoringu GT EcoSave, který využívá analytické vrstvy SkySpark, také odhalit problémy v TČ či systému ještě před tím, než se projeví konkrétním alarmem stroje. To šetří nejen čas a peníze servisní firmě, ale i provozní náklady zákazníkovi. Jde např. o statistické vyhodnocení počtu startů kompresoru (existuje několik různých pohledů, nejen počet startů na hodinu provozu); o monitoring zanesených filtrů (dle teplot a otáček oběhovek); zda nedochází ke ztrátám chladiva ale i třeba to, jak v čase chladnou zásobníky teplé vody a zda nejsou nahřívány jiným, provozně dražším, zdrojem; jak v čase chladne primární okruh (porovnání s minulými roky), atd. Obecně tak s pomocí statistických funkcí, které využívají odečtené hodnoty teplot a časů, monitorujeme kromě TČ „zdraví“ celého systému.

Obr. 6 Analytická vrstva SkySpark – zobrazuje konkrétní poruchové stavy – „sparky“

Pokud se ještě vrátíme k obr. 4 a 5, je vidět velký rozdíl teplot TC3 − TC0 = 12,9 K při 100 % otáček oběhovky PC0, což značí ucpaný filtr, a tedy nízký průtok topné vody. Běžně chceme uvedený rozdíl teplot držet v absolutním extrému do 10 K.