ZBERAČ CHLADIVA A PODCHLADENIE

 

ZBERAČ CHLADIVA A PODCHLADENIE

Doc. Ing. Peter Tomlein, Ph.D., SZ CHKT Šamorín

 

Optimálne množstvo chladiva v chladiacom okruhu sa mení v závislosti od tepelnej záťaže, regulovaného výkonu kompresora a prevádzkových podmienok pri reverzácii chladiaceho cyklu alebo pri štarte pri veľmi nízkych vonkajších teplotách. Mnoho chladiacich okruhov je z týchto dôvodov vybavených zberačom chladiva za kondenzátorom na vysokotlakej strane. V praxi to znamená, vplyv na podchladenie dosiahnuteľné v kondenzátore a za zberačom.

Zberač je veľmi známy komponent chladiaceho okruhu, ktorý sa však z ekonomického hľadiska použije väčšinou len prípade, že si to funkcia chladiaceho okruhu vyžaduje napríklad podľa normy STN EN 378-1 príloha F zberače chladiva na amoniak musia byť také, aby zadržali celkovú náplň chladiva. Z ekonomického hľadiska a základnej funkcie chladiaceho okruhu, jeho tesnosti a ceny je najvýhodnejší chladiaci okruh bez zberača chladiva. Zberač chladiva v chladiacom okruhu nemusí byť potrebný. Zberač chladiva sa montuje vtedy, ak je to z hľadiska funkcie okruhu potrebné.

Jeho definícii sa venuje norma STN EN 378-1:

3.4.11    zberač kvapaliny (angl. liquid receiver): nádoba trvanlivo pripojená k zariadeniu vstupným a výstupným potrubím a je určená na zhromažďovanie kvapalného chladiva. 

 

V našich učebných textoch uvádzame:

Vysokotlaký zberač je tlaková nádoba pevne pripojená do okruhu vstupným a výstupným potrubím určená na zhromažďovanie kvapalného chladiva, umožňujúca prijať chladivo z okruhu pri premenlivom chladiacom výkone,  funkcii pump down a pri opravách, výmenách komponentov v okruhu.

 

Kde hľadať informácie o zberači

Viac informácii o zberači chladiva nájdeme v ASHRAE príručke o chladení. Dá sa povedať, že o zberači chladiva sa toho veľa nepíše, napriek tomu, že plní viaceré úlohy v chladiacom okruhu a keď tam z hľadiska funkcie nemusí byť, tak je lepšie ho do okruhu nedávať. Vysokotlaký zberač chladiva sa umiestňuje do kvapalinového potrubia a v určitých prípadoch sa nízkotlaký zberač montuje za expanzný ventil a do sacieho k zabezpečeniu prehriatia prípadných mokrých pár, kde sa nazýva, akumulátor, ... 

 

Rozlišujeme tak:

  1. Vysokotlaký zberač chladiva - valcová nádoba umiestnená pod kondenzátorom, ktorá je čiastočne naplnená kvapalným chladivom.
  2. Nízkotlaký zberač chladiva - valcová nádoba umiestnená hneď za expanzným ventilom na určitých typoch zaplavených systémov (napríklad veľkých priemyselných zariadení ako sú chladiace sklady). Čiastočne je zaplavený kvapalným chladivom.
  3. Akumulátor je zariadenie v sacom potrubí zabraňujúce prieniku kvapalného chladiva do kompresora. Základná funkcia je riešená U‑rúrkou umiestnenou vo väčšej nádobe.  Ak kvapalné chladivo z výparníka vstúpi do akumulátora expanduje do veľkého priestoru. Vyparí sa a do kompresora budú ďalej odsávané len pary chladiva.  Na U rúrke sú navŕtané dve dierky.  Horná pod vekom na odsávanie pár chladiva a spodná na oblúku prisáva olej a prípadné malé množstvo kvapalného chladiva sústredené na dne akumulátora a bezpečne dopraví  do kompresora. Cez akumulátor môže byť vedené aj kvapalného chladivo, ktoré sa v ňom pri vyparení mokrých pár podchladí.  Akumulátor nie je typický zberač chladiva. Vzhľadom na to, že mnohí si ho zberačom mýlia, vhodnejší názov je odlučovač kvapalného chladiva.

 

Chladivo v chladiacom okruhu

            Rozloženie množstva chladiva v chladiacom okruhu závisí od viacerých podmienok. Približne v kondenzátore nájdeme 50 %, v kompresore 25 %, výparníku 15%, v kvapalnom potrubí 5 %, vo výtlačnom 3 % a zbytok v sacom potrubí. Takéto približné rozdelenie chladiva v okruhu umožňuje odhadnúť náplň chladiva, ktorá sa pohybuje v rozmedzí 20-40% objemu kondenzátora. Hrubá aproximácia je tiež 1 kg chladiva 1 kW príkonu. 

 

Vysokotlaký zberač chladiva

            Je to tlaková nádoba na uskladnenie prebytku chladiva cirkulujúceho v chladiacom okruhu. Plní pritom nasledovné funkcie:

  1. Poskytuje priestor pre chladivo pri funkcii pump down pri ukončení behu kompresora. Po takto prečerpanom a uzavretom chladive sa môžu na častiach okruhu bez chladiva vykonávať servisné práce. Ak sa celá náplň chladiva nezmestí do zberača (dimenzuje sa na cca 80 % náplne), potom na uskladnenie chladiva môže slúžiť aj kondenzátor.
  2. Pri tzv. plávajúcej kondenzácii – regulácii kondenzačného tlaku vo vzťahu k teplote chladiaceho média zberač uskladňuje prebytok chladiva v okruhu.
  3. Uskladňuje tiež prebytok chladiva a uvoľňuje tým kondenzačnú plochu pri premenlivom chladiacom výkone odpovedajúcemu premenlivej tepelnej záťaži.
  4. Uskladňuje chladivo v systémoch s viacerými výparníkmi vyprázdnených systémom pump down, ktoré pri nízkej tepelnej záťaži sa nevyužívajú.

 

Typy vysokotlakého zberača chladiva

Podľa prietoku kvapalného chladiva a pripojenia kvapalinového potrubia ku vysokotlakému zberaču rozlišujeme:

  1. S prietokom kvapalného chladiva do expanzného ventilu cez zberač chladiva
  2. S prietokom kvapalného chladiva do expanzného ventilu mimo zberač chladiva

 

S prietokom kvapalného chladiva cez zberač chladiva

            V tomto prípade kvapalné chladivo prúdi vždy z kondenzátora do zberača. Voľný prietok chladiva umožňuje vyrovnávanie tlakov medzi zberačom a kondenzátorom. V zberači preto nemôže byť vyšší tlak ako v kondenzátore. Tlak v zberači je nižší ako v kondenzátore o tlakové straty.

Prietok kvapalného chladiva z kondenzátora do zberača sa dimenzuje na rýchlosť 0,5 m/s, ktorá umožňuje obojsmerný prietok a vyrovnávanie tlakov. Rúrky musia mať sklon minimálne 10-20 mm/m, aby sa nevytvárali kvapalinové štuple. Kvapalinové potrubie sa niekedy dopĺňa o rúrku na vyrovnávanie tlakov. Je to prevencia pred zvýšením tlaku v zberači nad hladinou kvapalného chladiva. 

 

S prietokom kvapalného chladiva mimo zberač chladiva

            V tomto prípade kvapalné chladivo prúdi vždy z kondenzátora bez expozície prietoku chladiva podmienkam v zberači. Týmto spôsobom môže chladivo ostať podchladené. Objem zberača je k dispozícii pre nadbytočný objem chladiva pri regulovanom chladiacom výkone.

 

Podchladenie za zberačom chladiva

            Keďže za zberačom chladiva prakticky nemáme garantované podchladenie, v prípade potreby je ho možné dosiahnuť viacerými technickými riešeniami napríklad:

  1. Vnútornou výmenou tepla
  2. EVI systémom

Podchladenie vnútornou (môže byť ajvonkajšou) výmenou tepla

Pri vnútornej výmene tepla prívodom studených pár spoza výparníka do výmenníka s prietokom kvapalného chladiva sa zvýši podľa obrázku na jednej strane merný chladiaci výkon a na druhej strane sa zvýši prehriatie, čo spôsobí nárast kompresnej práce. Pre výsledné výkonové číslo bude rozhodujúce, ktorý nárast bude väčší. To závisí od druhu chladiva a jeho teploty. Napr. pre chladivo R404A je tento pomer výhodný, pre amoniak nie.

 

Systém nástreku pár chladiva do medzi špirálového alebo rotorového priestoru v priebehu chodu kompresora sa nazýva EVI (Enhanced vapour injection). Predtým je do ekonomizéra vstrekované chladivo termostatickým expanzným ventilom a podchladzuje tak kvapalné chladivo pred vstupom do výparníku zariadenia. Ekonomizér je vlastne malý výparník. Termostatický expanzní ventil udržuje na výstupe z výmenníka stav chladiva – prehriate pary, ktorý vyhovuje požiadavkám EVI

 

Zberač chladiva a podchladenie

            Z uvedeného rozboru vyplýva, že len malé podchladenie je dosiahnuteľné v kondenzátore, ak je prepojený so zberačom chladiva. Odpovedá tlakovej strate a prípadnému odvodu tepla cez obal zberača. Voľný prietok chladiva umožňuje vyrovnávanie tlakov medzi zberačom a kondenzátorom. V zberači sa teda nachádza kombinácia, zmes kvapalného a plynného chladiva a tak teplota v zberači sa blíži teplote zodpovedajúcej tlaku saturovaného chladiva na čiare sýtej kvapaliny. 

Keďže za zberačom chladiva prakticky nemáme garantované podchladenie, v prípade potreby je ho možné dosiahnuť vyššie uvedenými riešeniami.

Kvapalné chladivo prúdiac z kondenzátora bez expozície prietoku chladiva podmienkam v zberači môže ostať podchladené. Zberač plní viaceré úlohy v chladiacom okruhu, ale keď v okruhu z hľadiska funkcie nemusí byť, tak je lepšie ho do okruhu nedávať. Tým sa dosiahne aj zníženie náplne chladiva a zvýšenie tesnosti okruhu.

 

Vertikálny alebo horizontálny zberač chladiva

            Zberače chladiva okrem toho, že ich delíme na vertikálne a horizontálne môžeme ich deliť podľa prívodu a odvodu chladiva a vybavenia, do ktorého patria priezorníky, bezpečnostné, poistné ventily, tlakomery a podobne.

            Vertikálny zberač má pred horizontálnym najmä tú výhodu, že na zabezpečenie dostatočnej hladiny chladiva je potrebné jeho menšie množstvo chladiva. Uľahčuje to presnejšiu kontrolu výšky hladiny chladiva. Vzhľadom však na konštrukciu kondenzačnej jednotky, umiestnenie kompresora a podobne sa veľmi často stretávame aj s horizontálnymi zberačmi a to najmä v prípadoch, ak ide o väčšiu náplň chladiva.

 

Vplyv zberača chladiva na zmeny parametrov

Vplyv zberača chladiva na zmeny parametrov sme merali na chladiacom okruhu prístrojom ClimaCheck, ktorý meral celkom 2 tlaky, 9 teplôt a vlhkosť okolitého a chladeného priestoru zaznamenával v reálnom čase vo zvolenom časovom intervale. 

Termodiagnostika – Fluke Ti200 rozpoznala priebeh teplôt v chladiacom okruhu. Merania boli vykonávané so zvyšujúcou sa a následne so znižujúcou sa dávkou chladiva. Optimalizácia dávky chladiva R404A bola vykonávaná v rozmedzí veľmi nízkej a vysokej dávky chladiva, vzhľadom na inštalovaný zberač chladiva v chladiacom okruhu. Rozhodujúcimi parametrami pre posúdenie energetickej efektívnosti pred a po zámene chladiva boli prehriatie a podchladenie pri udržaní stability rozhodujúcich parametrov a funkcie chladiaceho okruhu. 

 

Zmeny prehriatia a podchladenia

Merania parametrov chladiaceho okruhu v reálnom čase sa uskutočnili s klesajúcou dávkou chladiva (pump-down) a stúpajúcou dávkou chladiva (drop in). Výsledky na grafe jednoznačne ukazujú vplyv zmeny dávky chladiva na prehriatie a podchladenie. V rozmedzí dávky chladiva od 300 do 800 g sú oba parametre stabilné. Ak sa dávka chladiva zvýšila nad 800 g podchladenie začalo rásť, prehriatie klesať a ak sa znížila pod 300 g, začalo narastať prehriatie a podchladenie klesalo.

Pri malej dávke chladiva R404A pod 300 g sa potvrdzuje stúpajúce prehriatie a klesajúce podchladenie. Stabilné hodnoty prehriatie aj podchladenia vychádzajú pri dávke 400-800 g. S vyššou dávkou chladiva od 900 g, ktorá už začala zapĺňať nielen zberač, ale aj kondenzátor začína stúpať podchladenie a klesať prehriatie.

 

Poruchy nízkeho a vysokého tlaku v dôsledku nesprávnej dávky chladiva

Porucha nedostatok chladiva

            Táto porucha nízkeho sacieho tlaku je typická vysokým prehriatím a nízkym podchladením. 

 

Prejav nedostatku chladiva v ln p-h diagrame

Ukazuje, ako sa chladiaci obeh v ln p-h diagrame posúva smerom doprava dole. Je to preto, lebo expanzný ventil do výparníka nastrekuje menej chladiva, keďže ním preteká aj podiel mokrej pary. Kompresor však je schopný odsať viac pár chladiva, než koľko je výparník schopný vyprodukovať a tak je výparník podsávaný a výparný tlak i teplota klesajú. Elektrický motor kompresora je chladený síce menším množstvom pár chladiva, ale má aj menší odber elektrického prúdu. Kondenzátor sa vzhľadom na kompresorom dodané množstvo pár javí ako predimenzovaný a preto kondenzačný tlak klesá. Napriek tomu, že kondenzátor sa javí predimenzovaný, podchladenie sa nezvyšuje, pretože v kondenzátore je nedostatok chladiva a v rúrke na výstupe okrem kvapalného chladiva aj mokrá para.

Poruchy vysokého tlaku

Porucha nadmerného množstva chladiva v okruhu

            Táto porucha vysokého výtlačného tlaku je typická vyšším podchladením a normálnym skôr nižším prehriatím. 

 

Prejav nadmerného množstva chladiva v chladiacom okruhu v ln p-h diagrame

Ukazuje, ako sa chladiaci obeh v lnp-h diagrame posúva smerom hore. Do výparníku expanzný ventil nastrekuje dostatok chladiva a výparník je schopný vyprodukovať dostatočné množstvo pár chladiva, ale kompresor nasaje menšie množstvo pár z výparníka, pretože musí stláčať pary na vyšší tlak. Kompresor nie je schopný odsať toľko pár chladiva, koľko je schopný výparník vyprodukovať a tak tlak i teplota vo výparníku sa zvyšujú. Prehriatie začne byť nestabilné, zmenšuje sa, pretože expanzný ventil sa javí ako predimenzovaný voči výkonu výparníka, vzhľadom na vyšší tlak pred ventilom. Hrozí prienik kvapalného chladiva do kompresora. Elektrický motor kompresora je chladený menším množstvom pár chladiva a preto sa vzhľadom i na väčšie namáhanie kompresora, ich teplota ešte zvyšuje. Kondenzátor sa vzhľadom na nadmerné množstvo chladiva v kondenzátore javí ako poddimenzovaný a preto kondenzačný tlak rastie. Keďže v kondenzátore je viac chladiva ako normálne a je dlhšie v kontakte s ochladzujúcim médiom, podchladenie sa zvyšuje.

 

Dimenzovanie zberača

Maximálny objem chladiva v zberači zodpovedá vnútornému objemu kondenzátora. Je treba voliť  takú veľkosť zberača, aby v ňom okrem tohto maximálneho objemu kvapalného chladiva (80 % z objemu zberača) bol aj dostatočný priestor pre pary chladiva v jeho hornej časti.

 

Zberač musí byť dimenzovaný tak, aby vyhovoval dvom najnepriaznivejším situáciám:

  1. najvyšší chladiaci výkon systému pri maximálnej úrovni hladiny v zberači 
  2. najnižší chladiaci výkon pri minimálnej úrovni hladiny v zberači (obrázok )

V prvom prípade (maximálna úroveň hladiny v zberači), musí byť stále k dispozícii určitý objem plynu nad úrovňou hladiny pri najvyššej záťaži. Zároveň platí, že pre zaistenie normálneho chodu systému musí v zberači zostať aj dostatočné množstvo chladiva  pri nízkej záťaži. 

 

Na ktorom sa počíta so značnými zmenami zaťaženia, je nutné regulovať výkon na troch miestach:

  • v kompresore
  • vo výparníku 
  • v kondenzátore

            Vzhľadom ku značným zmenám nielen zaťaženia systému, ale aj zmenám prevádzkových podmienok t.j. hlavne okolitých teplôt, býva najväčším problémom regulácia výkonu kondenzátoru a v prípade zberača dimenzovanie jeho objemu.

 

Pri návrhu zberača chladiva

Podľa tradičných skúseností sú časti chladiaceho okruhu dimenzované pre najväčšie predpokladané zaťaženie. Existuje teda všeobecne platné, čisto praktické pravidlo, ktoré však často napriek očakávaniu vedie k problémom (najčastejšou príčinou problémov sú veľké zmeny zaťaženia).

            Rovnako dôležitý význam má preverenie, či systém bude vykazovať spoľahlivé prevádzkové vlastnosti pri nízkych zaťaženiach (chladiacich výkonoch).

            Konštruktéri chladenia, ktorí chcú zaistiť správne fungujúcu reguláciu pri všetkých prevádzkových stavoch by mali do procesu dimenzovania súčiastok zahrnúť aj dokonalé overenie funkcie systému pri prevádzkových stavoch so zníženou potrebou chladiaceho výkonu teda pri zníženom výkone kompresora, výparníka a kondenzátora.

To znamená tiež preverenie, či najmä kompresor, výparník a expanzný ventil budú si navzájom výkonovo zodpovedať v celom predpokladanom rozsahu výparných kondenzačných teplôt pri čo najvyššej energetickej efektívnosti.

Málo chladiva v zberači – veľké tepelné zaťaženie (letná prevádzka)

 

Záver 

            Zberač chladiva obmedzuje možnosti podchladenia chladiva, ktoré je dôležité z hľadiska zabezpečenia kvapalného chladiva pred expanzným ventilom. Zberač chladiaci okruh predražuje, zvyšuje náplň chladiva a znižuje tesnosť okruhu. Napriek tomu napríkladpri premenlivom chladiacom výkone, funkcii pump down a pri opravách, výmenách komponentov v okruhu je zberač v okruhu užitočný i keď ani to neznamená, že je v chladiacom okruhu nevyhnutný. Uprednostňuje sa vertikálna pozícia s objemom umožňujúcim optimalizáciu funkcie okruhu pri premenlivom chladiacom výkone s minimalizáciou celkovej náplne chladiva.

 

Literatúra

ASHRAE: Chladenie. Príručka. 1998

Čejka, Z.:EVI – cesta k zvýšení účinnosti tepelného čerpadla. SZ CHKT zborník 2010. 

Corberan, J: Úlohy a vplyvy zberača chladiva. IIR Stockholm, 2010.

Tomlein, P.: Učebné texty. Tesnosť a efektívnosť chladiaceho okruhu. www.szchkt.org

Tomlein, P., Nagy L.: Skúsenosti s náhradami chladiva R404A. Konferencia SZ CHKT, 2017.

 

Viac informácií nájdete v časopise Správy 7/2020