Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 13: Chyba nízkotlakého presostatu, díl 1/2

Co je to nízkotlaký presostat?

Nízkotlaký presostat (někdy též nazývaný jako LP presostat (Low Pressure)) je vlastně tlakové relé na sání kompresoru (viz obr. 1), které při určitém, přesně definovaném tlaku chladiva (dle druhu chladiva a kompresoru) zareaguje a vypne kompresor stroje. Důvodem ohlášení chyby je ochrana kompresoru – protože čím nižší tlak na sání kompresoru, tím vyšší je následně i teplota horkého plynu na výtlaku kompresoru a tím pádem vzniknou nepříznivé teplotní podmínky pro kompresorový olej zvyšující možnost zadření kompresoru. Samozřejmě nesmíme zapomínat, že čím nižší je vypařovací teplota, která klesá s teplotou nízkopotenciálního zdroje tepla (vzduch, voda, zem), tím nižší má tepelné čerpadlo topný výkon a ve finále i topný faktor – to se negativně projevuje na elektrické spotřebě kompresoru.

Při běžném stavu, když je tlak na sání kompresoru nad nejnižší povolenou hodnotou, je nízkotlaký presostat sepnutý. Jakmile se dosáhne na sání kompresoru reakčního tlaku, tak se kontakt presostatu rozepne, regulace odpojí kompresor a TČ vyhlásí chybu „Aktivován nízkotlaký presostat“. Někdy do presostatu vede přímo „fáze“ (nízké napětí, mezi „fází“ a vodičem „N“ naměříte cca 230 V AC), která prochází přes sepnutý presostat a vrací se zpět do regulace. V takovém případě je vše v pořádku. Pokud „fáze“ přes presostat neprochází, regulace vyhlásí chybu.

Obr. 1 – Nízkotlaký presostat a jeho připojení na regulaci dvoužilovým kabelem

Jinou, z hlediska bezpečnosti techniků při servisu lepší možností, je k indikaci stavu kontaktu v presostatu využít malé napětí, např. stejnosměrných 5 V z regulace. Opět se očekává, že takto poslaný „signál“ do presostatu přes něj projde a musí se vrátit do regulace.

Je potřeba si uvědomit, že presostat neříká regulaci konkrétní hodnotu tlaku chladiva, jako by to dělalo tlakové čidlo, ale pouze oznamuje, že byl dosažen nejnižší povolený tlak v kompresorovém okruhu. Regulace TČ tedy kontakt presostatu vnímá jen jako „0“ (rozepnuto) či „1“ (sepnuto).

Kdy reaguje LP presostat?

Obrazně řečeno, v „99,9999 %“ případů je tato chyba vyvolána nedostatečným přívodem tepla do výparníku tepelného čerpadla, kdy jde o nedostatečný průtok nemrznoucí směsi skrz výparník (u TČ země/voda), popř. nedostatečný průtok vzduchu skrz výparník (u TČ vzduch/voda) a jen opravdu výjimečně jde o chybu regulace/elektroniky stroje nebo snad o chybu vzniklou „někde“ přímo v okruhu chladiva.

Občas slýchám, že LP presostat obecně reaguje tehdy, kdy vypařovací tlak klesne pod tlak atmosférický. Nevím, zda nějaký výrobce má LP presostat nastaven na reakci při vypařovacím tlaku nižším než atmosférickém, ale je dobré si uvědomit, že jednou z důležitých vlastností dnes běžně využívaných chladiv je fakt, že i za nejnižších možných provozních teplot je vypařovací tlak v sání kompresoru vyšší než tlak atmosférický. Tato „vlastnost“ je důležitá proto, že při jakékoliv netěsnosti v okruhu chladiva dochází k úniku chladiva do atmosféry a tím pádem se zabraňuje tomu, aby do okruhu chladiva vnikala vzdušná vlhkost. Samozřejmě o únik chladiva do atmosféry díky vyšším hodnotám GWP (např. 2088 u R410A) nikdo nestojí, ale vlhkost v okruhu chladiva také být nemůže. Proto je výhodné používat chladiva, která vždy, za jakékoliv teploty mají vypařovací tlak vyšší než atmosférický.

Např. u starších strojů IVT vzduch/voda s chladivem R407C se běžně používaly presostaty, které rozepnuly kontakt při poklesu přetlaku vůči atmosféře na 0,3 bar (vypařovací teplota asi −31 °C). U TČ země/voda s chladivem R407C lze najít LP presostat, který reaguje při dosažení přetlaku vůči atmosféře 1,5 bar (vypařovací teplota −16 °C), u chladiva R410A je reakční přetlak 3 bary (vypařovací teplota −20 °C), atd. Čili vidíte, že všechny tyto zmíněné presostaty reagují za tlaků vyšších než atmosférických.

Příklady chyb nízkotlakého presostatu

Příklady svými schématy navazují na článek Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 10: Diagnostika okruhu chladiva za provozu.

Přečtěte si také Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 10: Diagnostika okruhu chladiva za provozu Přečíst článek

Příklady neukazují teploty ve chvíli poruchy, ale provozní teplotní stavy, které by technika měly upozornit, že je něco špatně.

V 1. dílu článku prvně projdeme typické příčiny chyb LP presostatu u TČ země/voda s ON/OFF kompresorem, jelikož jejich kompresorový okruh je velmi jednoduchý. Dokončení bude v 2. dílu, ve kterém následně přijde i krátký doplněk k TČ vzduch/voda, kde je potřeba zohledňovat i režim odtávání.

1. Příklad – TČ země/voda, ON/OFF: Nedostatečný průtok nemrznoucí směsi přes výparník TČ – 1. možnost

Obr. 2 – Nízký průtok nemrznoucí směsi přes výparník

Stejně jako u chyby vysokotlakého HP presostatu se koukáme na rozdíl teplot otopné vody na kondenzátoru pro ověření, zda máme dobrý průtok otopné vody, tak u chyby nízkotlakého LP presostatu doporučuji se prvně podívat na rozdíl teplot nemrznoucí směsi T10 − T11. Vidíte (viz obr. 2), že tento rozdíl je 11 Kelvin, přitom na primárním okruhu tepelného čerpadla země/voda se běžně máme pohybovat mezi 2 až 5 Kelviny. To je první indicie, že průtok nemrznoucí směsi není v pořádku. Někoho možná napadne, že může švindlovat jedno z čidel – T10 či T11. Pro vyloučení této možnosti stačí za klidu kompresoru spustit oběhové čerpadlo G3 a teploty T10 a T11 by se měly poměrně rychle srovnat. Všimněte si, že dosud jsme se nepodívali na jedinou hodnotu z hlediska samotného chladiva. Pokud tak učiníme, vidíte, že vypařovací teplota To = −4 °C. Z rozdílu T10 − To = 13 Kelvin by mohlo technikovi přijít na mysl, že je např. příliš přivřený termostatický expanzní ventil. Toto lze vyvrátit velmi rychle kontrolou tzv. přehřátí chladiva

Přehřátí s chladivem R410A u stroje s termostatickým expanzním ventilem se běžně pohybuje od 4 do 7 Kelvin (max. 10 K), čili přehřátí je zcela v pořádku a expanzní ventil nastřikuje chladivo přesně tak jak má. Chladivo nám tedy také nechybí a vypařovací teplota To je tak nízko pod T10 jenom proto, že je příliš nízký průtok nemrznoucí směsi.

Nízký průtok nemrznoucí směsi studeným (primárním) okruhem v tomto případě může být způsoben:

1. Ucpaným filtrem: v průběhu let se tento filtr moc nezanáší, ale je potřeba ho zkontrolovat
2. Zavzdušněným studeným okruhem
3. Špatně otevřenou plnící sestavou studeného okruhu
4. Přivřeným jakýmkoliv kohoutem či přiškrcením potrubí díky pojezdu těžké techniky
5. Vadnou oběhovkou studeného okruhu, popř. jejím řízením

UPOZORNĚNÍ: Pokud se z nějakého důvodu zcela přeruší průtok nemrznoucí směsi skrz výparník TČ, třeba kvůli stojící oběhovce v okruhu, zavřenému kohoutu či ucpanému filtru a někdo chybu v krátkém čase opakované potvrdí/resetuje, hrozí roztržení výparníku díky dosažení bodu mrazu na straně nemrznoucí směsi. Pokud se zamrzlý výparník podaří zachránit před roztržením, tak jsou známy případy, kdy výparník rozmrzal i několik dní, jelikož je tepelně kvalitně izolován kaučukovou izolací.

2. Příklad – TČ země/voda, ON/OFF: Nedostatečný průtok nemrznoucí směsi přes výparník TČ – 2. možnost

Tento příklad má sice stejný nadpis, důvod chyby je téměř stejný, ale je potřeba ho vysvětlit.

Obr. 3 – Nízký průtok nemrznoucí směsi přes zanesený výparník

Vezměme to opět postupně, aby čtenář věděl, jak správně postupovat. Kvůli chybě LP presostatu tedy opět prvně zkontrolujme rozdíl teplot T10 − T11. Tento rozdíl je 2,2 K a nic nenasvědčuje tomu, že by byl nízký průtok nemrznoucí směsi a logicky se můžeme posunout dál. Po připojení chytrých sond, například měřidla TESTO, však vidíte, že vypařovací teplota To je na −20 °C a chladivo se přehřívá o 2 Kelviny na −18 °C. Běžně by to mělo být od 4 do 7 Kelvin (max. 10 K). Z nízkého přehřátí ∆Toh = 2 K vyplývá, že expanzní ventil nastřikuje chladiva zcela jednoznačně dostatek a rozhodně ho není v okruhu málo. Čili „nějak vázne“ přísun tepla z nemrznoucí směsi do chladiva a můžeme vyloučit, že je chyba přímo v kompresorovém okruhu na straně chladiva. Ale proč by teplo neproudilo do výparníku, když dle teplot T10 − T11 to vypadá, že s průtokem nemrznoucí směsi nemáme absolutně žádný problém?

Důvodem zde je evidentně zanesený výparník na straně nemrznoucí směsi, jejíž průtok studeným okruhem je velmi omezený, ačkoliv teplotní spád nemrznoucí směsi tomu vůbec nenasvědčuje. Bohužel se někdy, stejně jako v tomto případě, můžete setkat s případem, kdy výparník je zanesený tak, že i za nízkého průtoku nemrznoucí směsi je rozdíl T10 − T11 dobrý. Jak poznat nízký průtok nemrznoucí směsi?

Silně omrzá potrubí sání kompresoru (viz obr. 4) a máme nízké přehřátí chladiva.

Obr. 4 – Omrzlá krytka servisního ventilku a trubička k nízkotlakému LP presostatu (vlevo) na sání kompresoru. Kompresor po sundání izolace také omrzal (vpravo), což za vstupní teploty T10 = 8 °C rozhodně neměl.

Za vypnutého kompresoru spusťte oběhovku studeného okruhu na maximální otáčky a prudce škubněte (uzavřete a otevřete) kohoutem na studeném okruhu – pokud je průtok bezproblémový, musí po škubnutí kohoutem dojít k prudkému tlakovému rázu v potrubí. Pokud je zvukový projev vágní, zřejmě je průtok nemrznoucí směsi významně omezen.

Pokud by byl nízký průtok způsoben např. ucpaným filtrem, tak rozdíl T10 − T11 bude velký, protože výparník je čistý a tak se chladicí výkon TČ projeví velkým rozdílem teplot sníženého množství protékající nemrznoucí směsi tak jako tomu bylo v předchozím případu.

Pokud je instalován manometr na výstupním potrubí z TČ směrem k zemnímu výměníku (viz obr. 5), tak ho lze použít pro potvrzení malého průtoku nemrznoucí směsi na základě tlakové ztráty výparníku. Oběhovka primáru, která tlačí nemrznoucí směs do výparníku tohoto TČ, by měla dát při nulovém průtoku a 100% otáčkách oběhovky tlakový přínos cca 1,1 baru (11 metrů vodního sloupce, viz graf obr. 5). Klidový tlak primáru (přetlak) při vypnuté oběhovce je 0,6 bar. Pokud je výrazně zanesený výparník, tak za běžící oběhovky na 100 % tlak před výparníkem naroste, ale na manometru za výparníkem moc nenaroste. Na instalaci po startu oběhovky na 100 % tlak na manometru za výparníkem narostl o pouhých 0,2 bar na 0,8 bar (čili 0,9 bar „sežral“ ucpaný výparník), po úplném zavření kohoutu hned za manometrem tlak na manometru narostl o zmíněných 1, bar (na 1,7 bar), což lze brát za potvrzení, že oběhové čerpadlo studeného okruhu „dává“ z hlediska tlakového přínosu to, co má.

Obr. 5 – Rozbor tlaků na manometru studeného okruhu

Po vyčištění výparníku se vypařovací teplota To vrátila do běžných mezi, kdy se pohybuje cca 4 až 6 Kelvin pod teplotou T10. Je nutno zmínit, že ucpaný výparník moc často nebývá. V tomto případě šlo o TČ stáří asi 4 roky. Příčinou mohla být technologická nekázeň při instalaci primárního okruhu a jeho plnění nemrznoucí směsí, popř. různé chemické či biologické procesy, které stojí za bližší prozkoumání v budoucnu.

Přečtěte si také Nízkotuhnoucí kapaliny pro otopné soustavy Přečíst článek

V podstatě to samé na stroji s chladivem R407C jsme nedávno řešili při preventivním servisu po 18 letech bezporuchového provozu kvůli stížnosti zákazníka na nižší výkon TČ (pozorovaný asi poslední dvě sezony), viz obr. 6. TČ nemělo chybu nízkotlakého presostatu, byť do dosažení reakčního tlaku LP presostatu 1,5 baru (přetlak) nebylo k chybě daleko. Všímavého servisního technika zaujal podezřele velký rozdíl teplot T10 − To = 12 K, který naznačoval, že špatně funguje přenos tepla na výparníku – expanzní ventil totiž nastřikoval chladivo tak jak měl, jelikož přehřátí ∆Toh = 2,5 K bylo v pořádku. Doporučili jsme tedy vyčištění výparníku na straně nemrznoucí směsi. Po vyčištění stoupla vypařovací teplota To cca o 8 K (rozdíl cca 1 bar).

Laikovi může přijít vzrůst vypařovacího tlaku po čištění výparníku o 1 bar málo, ale dělá to 8 K na vypařovací teplotě (!) – čili zjednodušeně jako kdyby teplota na primáru vzrostla o 8 Kelvin. A to už má významný vliv na efektivitu stroje. Když bychom to vzali přes tlakový poměr, který kompresor musí překonávat, tak za stejných teplot primáru/sekundáru jsme se po čištění výparníku dostali z tlakového poměru pro kompresor výtlačný tlak/sací tlak (kondenzační/vypařovací tlak) téměř 8 na mnohem příznivější hodnotu cca 5.

Co znamená zvýšení vypařovací teploty chladiva o 8 Kelvin ve spotřebě elektrické energie? Za teplot primáru/sekundáru, viz obr. 6, provoz po vyčištění výměníku znamená zhruba 18% snížení spotřeby elektrické energie proti stavu před vyčištěním(!) – a to je významné vylepšení provozu, představuje zvýšení COP přibližně o 22 %. Čili postupným zanášením výparníku v průběhu času vzrostla spotřeba elektřiny stroje o cca 22 % proti původnímu bezvadnému stavu výměníku. Zákazníkovi se tak díky zcela profesionálnímu přístupu servisního technika sníží provozní náklady a ještě se prodlouží životnost stroje, jelikož bude pracovat za lepších provozních teplot/tlaků.

Obr. 6 – Stav před a po čištění výparníku při preventivní servisní kontrole TČ země/voda stáří 18 let