CZ18040U1 - Uspořádání zkušebního okruhu pro testování chladivových kompresorů - Google Patents

Description

Předmětem technického řešení je uspořádání zkušebního okruhu pro testování chladivových kompresorů.

Dosavadní stav techniky

U tepelných čerpadel, odebírajících nízkopotenciální teplo ze vzduchu, se při odběru nízkopotencíálního tepla vzduch nejen ochlazuje, ale většinou i odvlhčuje. Vlhkost přitom kondenzuje na teplosměnné ploše výpamíku. Poklesne-li povrchová teplota výpamíku pod 0 °C, k čemuž dochází při poklesu vnější teploty pod přibližně +5 °C, vlhkost na výpamíku namrzá. Vzniklá náío mraza zhoršuje funkci výpamíku a následně energetické parametry tepelného čerpadla. Námraza se proto musí periodicky odstraňovat, to je, musí se odtávat. Při vyšších teplotách (do cca +2 °C) jednoduše cirkulací vzduchu přes výpamík, při nižších teplotách se musí volit „strojní“ způsob odtávání. Spolehlivé, časově nenáročné a energeticky výhodné odtávání je základním problémem tepelných čerpadel „vzduch-voda“ a „vzduch-vzduch“. Technologie odtávání se standardně po15 užívá u chladicích zařízení v chladímách s teplotou pod přibližně +5 °C a především v mrazírnách, s teplotami i hluboce klesajícím pod 0 °C. V takto chlazených prostorech ale nejsou na odtávání kladeny zdaleka tak přísné nároky jako u tepelných čerpadel, protože chladicí zařízení z řady dalších důvodů disponují tak velkou rezervou, že technologie odtávání nejsou limitovány energeticky a především ne časem.

Řešení intenzivních způsobů odtávání, například reverzací oběhu nebo zdvojeným výpamíkem (viz například patent CZ 293 577) má dva základní problémy. Odtávání je zcela nestacionární děj, při kterém se velice rychle mění parametry oběhu a oběh přechází do nerovnovážných stavů. Při nerovnovážných stavech standardní regulační prvky přestávají vykazovat správnou funkci, což zpětnovazebně dále narušuje rovnováhu a funkci oběhu. Oběh sice díky tak zvané autoregu25 láci po určité době přejde do rovnovážného stavu, odtávání se ale prodlužuje a tím se zkracuje vlastní funkční doba a efekt tepelného čerpadla. Doba odtávání se pohybuje řádově v minutách. Rovnovážný stav při odtávání se ustaluje při okrajových podmínkách, které leží vně pracovní oblasti určené charakteristikami kompresorů, které dávají výrobci kompresorů k dispozici. Tato skutečnost má dva nepříznivé důsledky, ztěžuje matematické modelování těchto dějů a neumož30 ňuje porovnávat reálné parametry získané měřením s deklarovanými parametry kompresorů.

Kompresory, používané v současnosti pro tepelná čerpadla (spirálové kompresory - SCROLL), jsou většinou řešeny tak, aby se rozbíhaly odlehčené. Tím se při startu sníží proudový náraz elektromotoru se všemi příznivými důsledky z toho plynoucími. Odlehčení je postaveno na mechanickém principu a spočívá v propojení výtlačného a sacího prostoru kompresoru po jeho za35 stavení. Při prováděných měření se však zjistilo, že některé kompresory začnou „odlehčovat“ v průběhu odtávání. To je zřejmě dáno tím, že při popsaných nestacionárních (neřízených) stavech se sací a výtlačný tlak k sobě přibližují a mohou se ustavit na hodnotách předurčených k „odlehčování“. Za této situace dochází ke snižování příkonu, ale i chladicího a především topného výkonu potřebného k odtávání, odtávání se proto prodlužuje.

Přitom spirálové kompresory jsou tzv. kompresory s vestavěným kompresním poměrem, které i při malých rozdílech výtlačného a sacího tlaku, respektive při „vnějším“ kompresním poměru blížícím se k 1, nebo rovnajícím se 1 (to je poměru výtlačného a sacího tlaku měřeného na hrdlech kompresoru), stlačují „uvnitř“ kompresoru nasávané páry na tlak odpovídající „vnitřnímu“, to je vestavěnému kompresnímu poměru. I při nulovém rozdílu výtlačného a sacího tlaku tedy potřebují pro svou funkci příkon odpovídající vestavěnému kompresnímu poměru.

Jak bylo již řečeno, příkony kompresorů ani další parametry nejsou za těchto okrajových podmínek výrobci deklarovány se všemi důsledky z toho plynoucími. Připomenout je třeba, že okrajové podmínky odpovídající odtávání jsou charakterizovány vypařovací teplotou (které odpovídá sací tlak kompresoru) v okolí hodnoty 0 °C a kondenzační teplotou (které odpovídá výtlačný tlak

- 1 CZ 18040 Ul kompresoru) jen o několik stupňů vyšší. Zjistit parametry kompresorů a chování kompresorů, to je případnou tendenci k odlehčování, není ale možné při standardním měření tepelných čerpadel ať už na zkušebně nebo v terénu, a to z toho důvodu, že zmíněné situace nejsou dostatečné dlouhé a okrajové podmínky v průběhu odtáváni nejsou stabilní a stabilizovatelné. Aby se mohly ověřit parametry kompresorů a jejich chování při okrajových podmínkách, ležících vně pracovní oblasti charakteristik deklarovaných výrobci, je třeba mít k dispozici zkušební okruh, na kterém by se mohly nastavit stabilní a reprodukovatelné okrajové podmínky, odpovídající odtávacímu režimu v dostatečně dlouhém časovém intervalu. Jako zkušební okruh by se mohl použít standardní chladicí okruh tepelného čerpadla „země-voda“, u kterého by bylo možné dlouhodobě pracovat s vypařovací teplotou v okolí 0 °C a s ohledem na další možnosti využití i s vypařovacínii teplotami pod 0 °C. Právě z tohoto důvodu by muselo být použito tepelné čerpadlo „zeměvoda“, pracující na primární straně s nemrznoucí kapalinou.

Pro takový zkušební okruh by musely být použity výměníky, to je výpamík na primární straně a kondenzátor na sekundární straně, s výkony odpovídajícími největšímu zkoušenému kompresoru.

Takové řešení je sice možné, ale s ohledem na potřebnou transformaci tepla mezi oběma výměníky chladicího okruhu, vyžadující použití další pracovní látky a osazení dalších komponentů, a také s ohledem na velikost všech potřebných částí, by bylo prostorově i finančně náročné.

Podstata technického řešení

Předmětem tohoto technického řešení je uspořádání zkušebního okruhu pro testování chladivo20 vých kompresorů zahrnujícího kompresor a transformační výměník tepla. Podstata technického řešení spočívá v tom, že transformační výměník tepla, který v sekundární části chladicího okruhu tvoří kondenzátor a v primární části okruhu výpamík, je připojen jednak k sací straně kompresoru a dále je připojen k výtlačné straně kompresoru přes odlučovač kapaliny a předřazený výměník pro chlazení přehřátých par chladivá, přičemž odlučovač kapaliny je propojen se sběračem ka25 palného chladivá, který je propojen přes elektronicky řízený první expanzní ventil s výpamíkem transformačního výměníku tepla. Odlučovač kapaliny je propojen s výpamíkem transformačního výměníku tepla prostřednictvím prvního regulačního ventilu pro přepouštění části par z odlučovače kapaliny z výtlačného tlaku na sací tlak.

Transformaci tepla mezi sekundární a primární stranou zajišťuje jediný transformační výměník tepla. Tím odpadá nutnost použít další pracovní látku a další komponenty (především cirkulační čerpadlo), které by tuto transformaci zajišťovaly. Teplo vnášené do okruhu příkonem kompresoru se odvádí ve výměníku, který je předřazen transformačnímu výměníku. Toto teplo představuje jen malou část z faktického kondenzačního tepla, převážná část je obsažena v přehřátých parách chladivá. Předřazený výměník představuje tedy v podstatě „chladič přehřátých par“. To je vý35 hodné i proto, že páry odcházející z tohoto výměníku mají teplotu odpovídající teplotě kondenzační (teplotě sytosti) a s touto teplotou, která je výrazně nižší než teplota par vytlačovaných kompresorem, jsou zaváděny do transformačního výměníku. Snížení teploty par, zaváděných do transformačního výměníku, snižuje jeho teplotní namáhání, což u výměníku „kondenzátor-výpamík“ je žádoucí a některých typů výměníků, např. deskových, zcela nezbytné, zejména při nízké vypařovací teplotě na druhé straně výměníku.

Aby transformační výměník nemusel mít výkon odpovídající chladicímu výkonu při měřených okrajových podmínkách, je použito „zkrácení“ okruhu. Do kondenzační části transformačního výměníku se nezavádí veškeré páry vycházející z odlučovače kapaliny, ale část se prvním regulačním ventilem přepouští, respektive nechává expandovat (škrtí se) z výtlačného tlaku na tlak sací a zavádí se spolu s nastřikovaným kapalným chladivém do výpamíkové části transformačního výměníku. Skutečnost, že „zkrácení“ okruhu není provedeno mezi vstupem chladivá do výpamíku a výtlakem kompresoru, jak je v podobných případech obvyklé, ale až parním prostorem odlučovače kapaliny, je velice důležitá. Snížení teploty par, zaváděných do prvního regulačního ventilu na teplotu sytosti, snižuje teplotní namáhání ventilu, což např. u elektronicky říze50 ných ventilů je zcela nebytné. Jejich použití je limitováno teplotou, která je nižší nežli teplota par vytlačovaných kompresorem.

-2CZ 18040 Ul

Mezi sací stranou kompresoru a výparníkem transformačního výměníku tepla může být v sacím potrubí uspořádán druhý regulační ventil. Do sacího potrubí mezi druhým regulačním ventilem a výparníkem transformačního výměníku tepla může být dále připojen druhý expanzní ventil, propojený se sběračem kapalného chladivá. Druhý expanzní ventil je tvořen elektronicky řízeným ventilem nebo mechanickým termostatickým ventilem.

Další rozšíření okrajových podmínek pro testování kompresorů, to je snížení sacího tlaku, respektive vypařovací teploty pod zmíněnou mezní vypařovací teplotu, umožňuje druhý regulační ventil, zabudovaný v sacím potrubí mezi transformačním výměníkem a kompresorem. Tím se škrtí páry nasávané kompresorem a dále se snižuje vypařovací teplota, respektive sací tlak kom10 presoru. Protože při škrcení druhým regulačním ventilem dochází k nežádoucímu zvyšování přehřátí v sání, je do okruhu zabudován další, druhý expanzní ventil, buď elektronicky řízený, nebo mechanický termostatický expanzní ventil.

Přehled obrázku na výkrese

Pro větší názornost je konkrétní příklad provedení tohoto technického řešení vyobrazen na při15 pojeném výkrese a technické řešení je podrobněji popsáno v následujícím popisu.

Příklady provedení technického řešení

Zkušební okruh pro testování chladivových kompresorů zahrnuje jediný transformační výměník VKV tepla, který v sekundární části chladicího okruhu tvoří kondenzátor a v primární části okruhu výpamík. Tento transformační výměník VKV teplaje připojen jednak k sací straně kom20 presoru KO a jednak k výtlačné straně kompresoru KO přes odlučovač kapaliny OK a předřazený výměník VPP pro chlazení přehřátých par chladivá. Odlučovač kapaliny OK je propojen se sběračem SK kapalného chladivá, který je propojen přes elektronicky řízený první expanzní ventil ETEV1 s výparníkem transformačního výměníku VKV tepla. Odlučovač kapaliny OK je dále propojen s výparníkem transformačního výměníku VKV tepla prostřednictvím prvního regulač25 ního ventilu RVI pro přepouštění části par z odlučovače kapaliny OK z výtlačného tlaku na sací tlak. Mezi sací stranou kompresoru KO a výparníkem transformačního výměníku VKV teplaje v sacím potrubí uspořádán druhý regulační ventil RV2. Do sacího potrubí mezi druhým regulačním ventilem RV2 a výparníkem transformačního výměníku VKV teplaje připojen druhý expanzní ventil ETEV2, propojený se sběračem SK kapalného chladivá. Druhý expanzní ventil ETEV2 je tvořen elektronicky řízeným ventilem nebo mechanickým termostatickým ventilem.

Uspořádání, které zjednodušuje řešení zkušebního okruhu a jehož schéma je znázorněno na připojeném výkresu, je charakterizováno následujícími znaky:

a) Transformaci tepla mezi sekundární a primární stranou zajišťuje jediný výměník tepla (transformační výměník VKV tepla), který v sekundární části chladicího okruhu představuje kondenzátor a v primární části okruhu výpamík. Tím odpadá nutnost použít další pracovní látku a další komponenty (především cirkulační čerpadlo), které by tuto transformaci zajišťovaly.

b) Teplo vnášené do okruhu příkonem kompresoru KO se odvádí v předřazeném výměníku VPP, je předřazen transformačnímu výměníku VKV tepla. Toto teplo představuje jen malou část z faktického kondenzačního tepla, převážná část je obsažena v přehřátých parách chladivá. Předřazený výměník VPP představuje tedy v podstatě „chladič přehřátých par“. To je výhodné i proto, že páry odcházející z tohoto výměníku mají teplotu odpovídající teplotě kondenzační (teplotě sytosti) a s touto teplotou, která je výrazně nižší než teplota par vytlačovaných kompresorem, jsou zaváděny do transformačního výměníku VKV tepla. Snížení teploty par zavá45 děných do transformačního výměníku VKV tepla snižuje jeho teplotní namáhání, což u výměníku „kondenzátor-výpamík“ je žádoucí a některých typů výměníků (např. deskových) zcela nezbytné, zejména při nízké vypařovací teplotě na druhé straně výměníku. Protože v předřazeném výměníku VPP dochází nejen k ochlazení par na teplotu kondenzační (sytou), ale i ke kondenzaci určitého (malého) množství par, je do výstupu z předřazeného výměníku VPP za-3 CZ 18040 Ul řazen odlučovač kapaliny OK. Odloučená kapalina se zavádí přímo do sběrače SK kapalného chladivá, syté páry jsou zaváděny do kondenzační části transformačního výměníku VKV tepla.

c) Aby transformační výměník VKV tepla nemusel mít výkon odpovídající chladicímu výkonu při měřených okrajových podmínkách, může být použito „zkrácení“ okruhu. Do kondenzační části transformačního výměníku VKV tepla se nezavádí veškeré páry vycházející z odlučovače kapaliny OK, ale část se prvním regulačním ventilem RVI přepouští, respektive nechává expandovat (škrtí se) z výtlačného tlaku na tlak sací a zavádí se spolu s nastřikovaným kapalným chladivém do výpamíkové části transformačního výměníku VKV tepla. Skutečnost, že „zkrácení“ okruhu není provedeno mezi vstupem chladivá do výpamíku a výtlakem kompresoru, jak je v podobných případech obvyklé, ale až za parním prostorem odlučovače kapaliny OK, je velice důležitá. Snížení teploty par zaváděných do prvního regulačního ventilu RVI na teplotu sytosti snižuje teplotní namáhání ventilu, což např. u elektronicky řízených ventilů je zcela nebytné. Jejich použití je limitováno teplotou, která je nižší nežli teplota par vytlačovaných kompresorem.

d) Chladivo zkondenzované v transformačním výměníku VKV tepla se zavádí do sběrače SK kapalného chladivá, odkud se přivádí k expanzním ventilům ETEV1 a ETEV2.

e) Přívod kapalného chladivá do výpamíku zajišťuje elektronicky řízený první expanzní ventil ETEV1. Ten je použit namísto mechanického termostatického expanzního ventilu, protože musí pracovat v širokém rozmezí rozdílů tlaku vypařovacího a kondenzačního. Množství při20 váděného chladivá řídí tak, aby při sledovaném tlaku p bylo docíleno potřebné a nastavené přehřátí odpovídající sledované teplotě /.

f) Při uzavřeném prvním regulačním ventilu RVI chladicí okruh svou autoregulací pro každý nastavený výtlačný tlak, respektive nastavenou kondenzační teplotu, ustaví odpovídající sací tlak, respektive mezní vypařovací teplotu. Za této situace je výkon transformačního výměníku

VKV tepla právě roven chladicímu výkonu, odpovídajícímu dané vypařovací a kondenzační teplotě.

g) Další rozšíření okrajových podmínek pro testování kompresorů, to je snížení sacího tlaku, respektive vypařovací teploty pod zmíněnou mezní vypařovací teplotu, umožňuje druhý regulační ventil RV2, zabudovaný v sacím potrubí mezi transformačním výměníkem VKV tepla a kompresorem KO. Tím se škrtí páry nasávané kompresorem KO a dále se snižuje vypařovací teplota, respektive sací tlak kompresoru KO.

h) Protože při škrcení druhým regulačním ventilem RV2 dochází k nežádoucímu zvyšování přehřátí v sání, je do okruhu zabudován další, druhý expanzní ventil ETEV2 buď opět elektronicky řízený, nebo mechanický termostatický expanzní ventil.

i) Okrajové podmínky, při kterých se má kompresor KO testovat, se nastaví takto:

- Řízeným odvodem tepla z předřazeného výměníku VPP se nastaví požadovaná kondenzační teplota, respektive výtlačný tlak kompresoru KO. Řízení odvodu tepla se zajišťuje řízením vstupní teploty média t_mI, odvádějícího teplo z okruhu známým způsobem.

- Řízeným přepouštěním stlačených par prvním regulačním ventilem RVI se nastaví požadovaná vypařovací teplota, respektive sací tlak kompresoru KO.

- Při uzavřeném prvním regulačním ventilu RVI se ustaví rovnovážná mezní vypařovací teplota.

- Snížení vypařovací teploty pod rovnovážnou mezní teplotu, respektive mezní sací tlak kompresoru KO, umožňuje druhý regulační ventil RV2, který zajišťuje řízené škrcení par nasá45 váných kompresorem KO.

Při testování kompresorů na tomto zkušebním okruhu se určí závislost příkonu kompresoru (¾) na sacím tlaku p„ a výtlačném tlaku p_k, respektive na vypařovací teplotě t₀ a kondenzační teplotě í_k. Parametricky vyjádřené závislosti N_ka =fce (t,„ h) pro posloupnost hodnot t„ by měly být spo-4CZ 18040 Ul jité v celém rozsahu tk, i pro t_k blížící se Pokud tyto závislosti vykáží v určitém bodě nespojitost, nastane to za stavu, kdy dochází k odlehčování.

Tímto měřením se doplní charakteristiky kompresoru vně pracovní oblasti deklarované výrobcem. Protože charakteristiky deklarované výrobcem se mohou „prodloužit vně“ pracovního roz5 sáhu vhodnou matematickou funkcí, může se popsaným měřením ověřit i platnost „prodloužení“ charakteristik matematickou cestou.

Prováděná měření nevyžadují vysokou přesnost, jejich cílem je především ověření spojitosti či nespojitosti charakteristik „vně“ oblasti deklarované výrobcem a ověřit, zda při extrémních podmínkách nedochází k odlehčování kompresoru. Při přesném měření příkonu N_ko kompresoru KO se může v okruhu odvádějícím teplo, vnášené do okruhu příkonem kompresoru KO, měřit i odváděný tepelný výkon Q_()d. Poměr odváděného tepelného výkonu Qwi a příkonu určí faktický podíl příkonu, který se vnáší jako teplo do okruhu.

Protože některé metodiky měření využívají měření příkonu pro termodynamický výpočet energetických parametrů chladicího okruhu, může se popsané měření použít i pro ověření charakteristik příkonu kompresoru, deklarovaných výrobcem. V tom je další výhoda popsaného zkušebního okruhu.

Claims (3)

1. Uspořádání zkušebního okruhu pro testování chladivových kompresorů zahrnujícího kompresor (KO) a transformační výměník (VKV) tepla, vyznačující se tím, že trans20 formační výměník (VKV) tepla, který v sekundární části chladicího okruhu tvoří kondenzátor a v primární části okruhu výpamík, je připojen jednak k sací straně kompresoru (KO) a jednak k výtlačné straně kompresoru (KO) přes odlučovač kapaliny (OK) a předřazený výměník (VPP) pro chlazení přehřátých par chladivá, kde odlučovač kapaliny (OK) je propojen se sběračem (SK) kapalného chladivá, který je dále propojen přes elektronicky řízený první expanzní ventil

25 (ETEV1) s výpamíkem transformačního výměníku (VKV) tepla, přičemž odlučovač kapaliny (OK) je propojen s výpamíkem transformačního výměníku (VKV) tepla prostřednictvím prvního regulačního ventilu (RVI) pro přepouštění části par z odlučovače kapaliny (OK) z výtlačného tlaku na sací tlak.

2. Uspořádání podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi sací stranou kompre30 soru (KO) a výpamíkem transformačního výměníku tepla (VKV) je v sacím potrubí uspořádán druhý regulační ventil (RV2).

3. Uspořádání podle nároku 2, v y z n a č u j í c í se t í m , že do sacího potrubí mezi druhým regulačním ventilem (RV2) a výpamíkem transformačního výměníku tepla (VKV) je připojen druhý expanzní ventil (ETEV2), propojený se sběračem (SK) kapalného chladivá.

35 4. Uspořádání podle nároku 3, vyznačující se tím, že druhý expanzní ventil (ETEV2) je tvořen elektronicky řízeným ventilem nebo mechanickým termostatickým ventilem.

1 výkres