Vplyv vlhkosti vzduchu na energetickú efektívnosť chladiaceho okruhu

Vplyv vlhkosti vzduchu

na energetickú efektívnosť chladiaceho okruhu

Najčastejšie sa touto otázkou zaoberáme, pri hodnotení energetickej efektívnosti chladiaceho okruhu s výparnými teplotami okolo nuly a pod nulou a to pri nadnulových vonkajších teplotách vlhkého vzduchu.

Tejto situácii je vystavený napríklad vzduchový výparník tepelného čerpadla. Do určitej výparnej teploty vlhkosť kondenzuje a pri poklese do mínusových teplôt začne vlhkosť namŕzať.

Kondenzovanie vlhkosti

V súvislosti s energetickou efektívnosťou chladiaceho okruhu je potrebné si uvedomiť vplyv zvýšenej vlhkosti chladeného vzduchu. Pri chladení vlhkého vzduchu sa odvádza nielen teplo citeľné (chladením vzduchu), ale aj teplo skryté (kondenzáciou, respektíve vymŕzaním vlhkosti) – za predpokladu, že zmena stavu vzduchu v Mollierovom diagrame h-x vlhkého vzduchu vykazuje odpovedajúci sklon.

Kondenzácia vlhkosti zvýhodňuje prestup a prechod tepla na výparníku a autoregulácia chladiaceho okruhu následne zvýhodňuje energetické parametre tepelného čerpadla.

Zvýhodnenie bude tým väčšie, čím väčší bude pomer skrytého a citeľného tepla.

Vymŕzanie vlhkosti

Ak bude ale kondenzácia prebiehať za podmienok, kedy skondenzovaná vlhkosť na výparníku pri podnulovej výparnej teplote vymŕza, väčší pomer skrytého a citeľného tepla povedie k rýchlejšej tvorbe námrazy, ktorá naopak zhorší prestup tepla na výparníku a autoregulácia následne zhorší energetické parametre tepelného čerpadla.

Z tohto stručného popisu problému je zrejmé, že vlhkosť vzduchu ovplyvňuje energetické parametre tepelného čerpadla.

Tvorba ľadu pod horizontálne umiestnenými výparníkmi. Výška nôh umožňuje dostatočné miesto na tvorbu ľadu z roztopenej námrazy, ktorá vlastnou hmotnosťou pri vnútornom ohriatí výmenníka spadne a tiež prívod vzduchu do výparníka.

Vertikálne výmenníky znižujú potrebnú plochu, je však potrebné dostatočne, dôsledne riešiť odvod roztopenej námrazy.

Odmrazovanie výparníkov

Teplota na povrchu výparníka (pracujúceho so vzduchom pri podnulových teplotách) je pri behu kompresora takmer vždy nižšia ako teplota rosného bodu ochladzovaného vzduchu. Vodná para, ktorá skondenzuje na výparníku pri teplotách pod bodom mrazu, tvorí námrazu, ktorá zhoršuje prestup tepla zo vzduchu do výparníka. Pri plnom zaplavení plochy výparníka, ak sa znižuje koeficient prestupu tepla, znižuje sa aj výparná teplota podľa vzťahu:

Znižovaním výparnej teploty sa znižuje nielen energetická efektívnosť chladiaceho okruhu, ale aj technologické podmienky napríklad skladovania potravín. Preto musí byť námraza z povrchu výparníka periodicky odstraňovaná odmrazovaním. K tomu je potrebné priviesť určité množstvo tepla. Spôsob (intenzita a čas) akým odmrazovacie teplo privedieme, významne ovplyvňuje hospodárnosť prevádzky chladiaceho okruhu.

Je rozdiel odmrazovať výparník v chladiacom, mraziarenskom sklade s veľkým množstvom naakumulovaného chladu a výparník na tepelnom čerpadle vzduch-voda, kedy počas odmrazovania môže prísť k zníženiu tepelnej pohody. Najkratšia perióda odmrazovania býva v zmrazovacích tunelov môže byť 4 hodiny a viac.

Funkcia odmrazovania

Schéma súvislostí pri procese odmrazovania výparníka

krok –Ohriatie hmoty výparníku (vrátane námrazy) na teplotu topenia námrazy (0 °C).
krok –Topenie námrazy pri stálej teplote výparníka (teplote topenia námrazy 0 °C).
krok –Ohriatie výparníka na „bezpečnostnú“ vyššiu teplotu (nad 0 °C)

Všetky tri kroky pritom sprevádza (premenná) tepelná strata !!!

Teplá potrebné k odmrazovaniu

Q1 – teplo pre topenie námrazy
Q2 - teplo pre ohriatie hmôt výparníka a námrazy na teplotu jej topenia
Q3 – teplo na ohrev na bezpečnostnú teplotu
Q4 – teplo stratové, ktoré prejde do chladeného priestoru

Qcelkom = Q1+ Q2+ Q3+ Q4

Podiel týchto jednotlivých tepiel sa mení v závislosti od vonkajšej teploty, len teplo na odmrazenie sa nemení. Pri podnulových vonkajších teplotách zložky 2,3,4 zvyšujú svoj podiel a pri nadnulových okolo nuly naopak znižujú, respektíve môže tam byť aj malý tepelný zisk z okolia. Pri každom odmrazovaní je však potrebné priviesť určité množstvo tepla Qcelkom- Q1, ktoré je po odmrazení potrebné odviesť chladiacim okruhom bez ohľadu na množstvo námrazy. Vzhľadom tiež na čas by pri odmrazovaní:

Frekvencia mala byť čo najmenšia (dlhšie intervaly), aby sme čo najmenej tepla priviedli do chladeného priestoru.
Okamžité privedené teplo na odmrazenie by malo byť čo najvyššie, aby sme čo najviac skrátili čas odmrazovania.

Výsledkom by mala byť čo najvyššia účinnosť odmrazovania:

Frekvencia odmrazovania

Je kompromisom medzi účinnosťou odmrazovania a klesajúcou výparnou teplotou, vplývajúcou na hospodárnosť prevádzky. Z tohto hľadiska by sa naopak žiadalo frekvenciu odmrazovania zvýšiť. Optimálna frekvencia je kompromisom medzi oboma požiadavkami.

Odmrazovanie použitím obtoku horúcimi parami chladiva

V tomto prípade je použitý horúci plyn chladiva vystupujúci z kompresora, ktorý je privedený do výparníka pomocou magnetického ventilu. Pre zabezpečenie tlakového rozdielu medzi kondenzačným a výparným tlakom je potrebné použiť obmedzovač toku chladiva zabudovaný hneď za (pri) magnetickým ventilom. To je zvyčajne urobené vo forme obtokovej rúrky s malým priemerom.Systém odmrazovania horúcimi parami chladiva je najvýhodnejšie použiť pre krátke periódy odmrazovania, teda pri formovaní malého množstva ľadu, alebo v kombinácii s iným systémom odmrazovania.

Odmrazovanie pomocou reverzibilného obehu

Výhody: veľmi výkonné a efektívne odmrazovanie
Nevýhody: dodatočné časti zvyšujú cenu zariadenia

Napriek snahe vyvinúť systém, ktorý by včas a správne reagoval na hrúbku tvoriacej sa námrazy na základe napríklad hrúbky námrazy, zmeny tlakov, teplôt, zmien prietoku a relatívnej vlhkosti vzduchu cez výparník a podobne, doposiaľ najčastejším kritériom je časový interval medzi odmrazovaniami na základe skutočného času prevádzky chladiaceho okruhu s možnosťou zohľadnenia vonkajšej teploty, a teploty lamely ktorou sa zohľadňuje znižujúce sa priemerné množstvo vytváranej námrazy pri jej poklese pod 0 °C.

Viac informácií nájdete v časopise Správy 4/2020