Zdenka a Peter tentokrát o zberači a akumulátore chladiaceho okruhu

O zberači a akumulátore chladiva na nízkotlakej a zberači na vysokotlakej strane

Zdenka popisuje funkciu chladiaceho okruhu s neobvyklým riešením zberača chladiva na nízkotlakej strane strane, kde je taktiež umiestnený akumulátor chladiva. 

Zdenka vysvetľuje Petrovi, že neobvyklým umiestnením zberača s regulovanou hladinou kvapalného chladiva (modrá šípka) s dvomi snímačmi hladiny chladiva sa umožnilo využitie doskového výmenníka na chladenie nemrznúcej zmesi cirkulujúcim kvapalným chladivom a to bez prehriatia. Na nízkotlakej strane je tiež umiestnený akumulátor chladiva (žltá šípka), ktorý chráni kompresor pred mokrými parami, ktoré vyparovaním zároveň ochladzujú kvapalné chladivo za výstupom z kondenzátora pred vstupom  do expanzného ventilu.

Viac chladiva vedie k vyšším tlakom

Táto porucha vyššieho tlaku sa prejavuje najmä zvýšeným podchladením

Chladiaci okruh je uzavretý systém s konštantnou celkovou hmotnosťou, náplňou chladiva. Ako v každom uzavretom termodynamickom systéme, aj hmotnosť tekutiny v ňom naplnenej má priamy vplyv na jeho stav, popísaný stavovými premennými, ako je tlak a teplota. Rovnako ako pri bicyklovej pneumatike sa tlak zvyšuje, keď sa pridáva viac chladiva.

Zvláštnosť chladiaceho okruhu

Zvláštnosťou chladiaceho obehu je, že tekutina nie je prítomná len ako plyn, ako v pneumatike bicykla. V chladiacom okruhu existujú kvapalné aj parné fázy chladiva v rôznych bodoch obehu. Tým je to trochu komplikovanejšie, môžu dokonca nastať prípady, že ak sa pridá chladnejšie chladivo, tlak v danom priestore spočiatku klesne. Ale ako všeobecné pravidlo pre daný okruh platí, že väčšia hmotnosť chladiva vyvolá vyššie tlaky. Je potrebné pripomenúť, že výsledné úrovne tlaku závisia nielen od náplne chladiva, ale aj od všetkých ostatných termodynamických vlastností chladiva.

Dve úrovne tlaku (vyparovanie a kondenzácia)

Majú významný vplyv na energetickú efektívnosť chladiaceho obehu. To vedie k tomu, že pre dané okrajové podmienky (najmä sekundárne vstupné teploty do výmenníkov) existuje optimálna náplň chladiva, pri ktorej je energetická účinnosť na maxime. Treba však vedieť, že táto optimálna náplň chladiva sa mení s rýchlosťou kompresora pri zmene okrajových podmienok. 

To znamená, že chladiaci obeh, ktorý je optimálne naplnený pri vonkajšej teplote 20 °C, už nemusí byť optimálne naplnený pri vonkajšej teplote 30 °C. V takomto prípade môže byť energetická efektívnosť zbytočne nízka.

Samoregulačné vyrovnávacie nádoby

Aby sa optimalizovala účinnosť chladiacich cyklov pri meniacich sa okrajových podmienkach, inštalujú sa vyrovnávacie nádoby, zberače chladiva, na uskladnenie nepotrebného chladiva a jeho uvoľnenie v prípade potreby.

Základným funkčným princípom zberača chladiva

Je oddelenie parnej a kvapalnej fázy. Vyrovnávacia nádoba, zberač chladiva sa inštaluje na vysokotlakovej strane za kondenzátorom. Ak sa inštaluje na strane nízkeho tlaku za výparníkom, nazýva sa akumulátor s funkciou odlučovača kvapaliny. 

Zberače chladiva, sú komponenty, ktoré uchovávajú chladivo. Zberače sa inštalujú od malých samostatných chladiacich okruhov až po veľmi veľké komerčné a priemyselné chladiace systémy. 

Tí, ktorí sú zvyknutí na bytovú klimatizáciu, si môžu pomýliť zberače chladiva s akumulátormi. Je to pochopiteľné, keďže obe nádoby obsahujú tekuté chladivo. Akumulátor je však umiestnený na nízkotlakej strane na sacom potrubí pred kompresorom. Zabraňuje vniknutiu kvapaliny do kompresora. Na vysokotlakej strane na kvapalinovom potrubí za kondenzátorom je umiestnený zberač chladiva. Je to preto, že uchováva kvapalné chladivo, ktoré nemusí byť v obehu pre nízku aktuálnu tepelnú záťaž.

Obidva varianty obehu s akumulátorom a so zberačom chladiva sú na obrázkoch

Porovnanie chladiacich okruhov so zberačom a akumulátorom

‍V závislosti od stavu vstupujúceho chladiva sa hladina kvapalného chladiva vo zberači zvyšuje alebo znižuje. A keďže hustota kvapaliny je oveľa väčšia v porovnaní s hustotou pary, hmotnosť chladiva v nádobe sa mení s úrovňou hladiny naplnenia.

Vyrovnávacie nádoby, zberač a akumulátor môžu byť samoregulačné v uzavretom chladiacom cykle za predpokladu, že je nainštalovaná iba jedna vyrovnávacia nádoba na vysokotlakej alebo nízkotlakej strane.

Podchladenie pri cirkulácii chladiva

Pretože zberač chladiva má prítomnú kvapalinu aj paru, dá sa usudzovať, že chladivo nemôže byť v zberači „podchladené“. V skutočnosti však je. Kým chladivo, ktoré interaguje medzi kvapalinou a parou v hornej časti zberača, je nasýtené, chladivo pod hladinou kvapaliny môže byť a zvyčajne je podchladené, v závislosti od veľkosti podchladenia prúdiaceho chladiva z kondenzátora.

Stacionárny stav

Samoregulačné správanie, vyplýva zo vzťahu tlaku a teploty v stacionárnom stave celého systému. V dôsledku separačného správania sa chladiva vo vyrovnávacích nádobách je na jej výstupe vždy nasýtená, podchladená kvapalina alebo nasýtená, prehriata para. Ak predpokladáme stacionárny stav, celková energia a hmotnosť chladiva vo vyrovnávacej nádobe sú konštantné. 

Z toho vyplýva, že v stacionárnom stave na vstupe do zberača a výstupe z kondenzátora bude nasýtená kvapalina v stacionárnom stave s 0 K podchladením.

Na vstupe do akumulátora a výstupe z výparníka bude nasýtená para v stacionárnom stave s 0 K prehriatím.

Návrh veľkosti zberača chladiva

Zberač uchováva chladivo, keď systém pracuje pri nižšom výkone ako je jeho max. tepelné zaťaženie. Vo všeobecnosti sú systémy so zberačmi navrhnuté tak, aby zberač udržal náplň celého systému a stále nebol plný na viac ako 80 %. To umožňuje prečerpať celú náplň chladiva  okruhu do zberača bez nebezpečenstva veľmi vysokých tlakov pri zvýšenej teplote.

Viacpolohový servisný ventil na výstupe zo zberača chladiva umožňuje prístup do okruhu chladiva a môže byť úplne otvorený v smere hodinových ručičiek na odber chladiva.

Zberač a akumulátor chladiva na nízko a vysokotlakej strane

Zberač a akumulátor sú navrhnuté tak, aby poskytovali nasýtenú, podchladenú kvapalinu na výstupe zo zberača a nasýtenú, prehriatu paru na výstupe z akumulátora. Inštaláciou zberača, akumulátora v chladiacom cykle v stacionárnom stave sa môžu zmeniť parametre prehriatie a podchladenie na nulu. V reálnom obehu s podchladením na kondenzátore sa zabezpečuje vstup podchladenej kvapaliny do expanzného ventilu a prehriatie na výparníka zabezpečuje vstup prehriatej pary do kompresora. 

Zberač  chladiva aj na nízko tlakej strane

Je to nezvyčajné riešenie. Používa expanzný ventil na dopĺňanie hladiny kvapalného chladiva v zberači chladiva na sacej strane. Chladivo zo zberača samovoľne cirkuluje cez doskový výmenník tepla, v ktorom sa môže chladiť nemrznúca zmes napríklad na výrobu ľadovej plochy. Výhodou takéhoto výmenníka, je že pracuje bez prehriatia a tak čiastočne eliminuje nevýhodu zníženia výparnej teploty z dôvodu nepriameho chladenia.

Realizácia nepriameho chladenia zo zberačom chladiva na sacej strane v dielni SZ CHKT. Červená šípka ukazuje na zberač chladiva v kvapalinovom potrubí na vysokotlakej strane.  Modrá šípka ukazuje na zberač a žltá akumulátor chladiva na nízkotlakej strane.Umožňuje používať expanzný ventil na reguláciu hladiny kvapalného chladiva v zberači chladiva na sacej strane. Chladivo v zberači samovoľne cirkuluje cez výmenník tepla, v ktorom sa môže chladiť nemrznúca zmes na výrobu ľadovej plochy. 

Hladina v zberačoch chladiva na nízko a vysokotlakej strane

Hladina kvapalného chladiva v zberači na vysokotlakej strane je samo regulovaná tak, aby sa optimalizovala účinnosť chladiaceho cyklu pri meniacich sa okrajových podmienkach, buď uskladnením nepotrebného chladiva alebo jeho uvoľnením v prípade potreby.

            Hladina kvapalného chladiva v zberači na nízkotlakej strane sa reguluje pomocou dvoch snímačov min. a max. náplne kvapalného chladiva. Ak hladina kvapalného chladiva klesne na min. úroveň EEV začne dávkovať kvapalné chladivo do zberača. EEV bude vypnutý, ak hladina kvapalného chladiva dosiahne max. hladinu, povolenú pre zberač.   

Viac informácií nájdete v časopise Správy 2/2024