CZ2009807A3 - Zpusob diagnostikování provozního stavu chladicího okruhu - Google Patents

Abstract

Pri zpusobu diagnostikování provozního stavu chladicího okruhu s kompresorem, nejméne dvema výmeníky tepla a expanzním ventilem, kde chladicí okruh je tvoren chladicím zarízením nebo tepelným cerpadlem a kde provozní stav chladicího okruhu je charakterizován jeho energetickým faktorem (EF), daným pomerem chladicího výkonu (Qo) a príkonu (N) nebo topného výkonu (Qk) a príkonu (N), se pro stanovení provozního stavu chladicího okruhu použije závislost energetického faktoru (EF) na jediném parametru, kterým je rozdíl urcujících teplot (.DELTA.te) vnejšího deje chladicího okruhu. Soulad zmereného a deklarovaného energetického faktoru (EF) je prukazem dobrého stavu diagnostikovaného chladicího okruhu, zatímco odlišnost zmereného a deklarovaného energetického faktoru (EF) predstavuje poruchový stav chladicího okruhu.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu diagnostikování, to je určování a ověřování provozního stavu chladícího okruhu s kompresorem a výměníky tepla, používaného ve funkci chladicího zařízení a/nebo tepelného čerpadla.

Dosavadní stav techniky

Provozní stav chladicího okruhu charakterizují jeho energetické parametry. U chladicích okruhů pracujících s tak zvaným parním oběhem jsou energetické parametry chladicího okruhu prvotně a jednoznačně dány kompresorem a chladivém se kterým chladicí okruh pracuje. Chladicí okruh, ať už chladicího zařízení nebo tepelného čerpadla, pracuje tak, že v jednom výměníku tepla odebírá z jednoho prostředí, respektive chlazené látce určité množství tepelné energie na nízké teplotní úrovní (tak zvané nízkopotenciální teplo) a ve druhém výměníku tepla předává větší množství tepelné energie na vyšší teplotní úrovni (jako využitelné teplo) do druhého prostředí, respektive do látky ohřívané. Energii, která se v okruhu při přechodu z prvního výměníku do druhého výměníku zhodnocuje, převádí cirkulující pracovní látka, chladivo, změnami svého skupenství. Tento chladicí okruh se označuje jako chladicí okruh s parním oběhem, protože transport a zhodnocování energie se uskutečňuje v parní fázi chladivá, tedy prostřednictvím páry chladivá.

V prvním výměníku - výpamiku (na primární straně okruhu) se odebírá teplo vypařováním, ve druhém výměníku - kondenzátoru (na sekundární straně okruhu) se teplo odevzdává kondenzací chladívá. Zhodnoceni tepelné energie co do kvality (teplotní úrovně) zajišťuje okruh tak, že kondenzace probíhá při vyšší teplotě než vypařování (s rozdílem teplot přibližně 30 až 70 K). Tohoto kvalitativního zhodnocení tepelné energie se dosáhne zvýšením tlaku kondenzačního oproti tlaku vypařovacimu. Potřebné zvýšení tlaku a současně cirkulaci pracovní látky v okruhu zabezpečuje vhodný stroj - kompresor, pro jehož činnost se musí přivádět hnací mechanická energie. Kompresor nasává odpařené chladivo z výpamiku a vytlačuje ho do kondenzátoru. Přivedenou mechanickou energii převede kompresor do pracovní látky jako energii tepelnou, tím zvýší nejen její tlakovou úroveň, ale i množství energie v ní obsažené. Opačný děj, nezbytné sníženi tlaku pracovní látky z kondenzačního na vypařovací (tak zvané škrcení), který zajišťuje vhodný expanzní ventil, není provázen žádnými energetickými změnami. V kondenzátoru je proto k dispozici nejen • « »

energie přivedená ve výparníku, ale i energie dodaná pro pohon kompresoru. Chladicí okruh tedy zhodnocuje nizkopotenciální teplo nejen co do kvality, ale i co do kvantity.

Chladicí okruh s parním oběhem je z termodynamického hlediska oběh levotočivý, který se využívá k přeměně energie mechanické na energii tepelnou. K opačnému účelu, to je k přeměně energie tepelné na energii mechanickou, se využívá oběh pravotocivý, ve kterém se mechanická energie získává expanzí páry z tlaku vyššího na tlak nižší ve vhodném stroji -expandéru, například turbině.

Chladicí okruh pracuje zcela shodně jak u chladicího zařízení, tak u tepelného čerpadla. Rozdíl mezi oběma zařízeními je principiálně jen v pojetí a prioritě funkci. Zatímco u tepelného čerpadla je prioritní a účelně využívanou funkcí produkce tepla, to je vytápění, u chladicího zařízení je prioritní a účelně využívanou funkcí odvod nízkopotenciálního tepla, to je chlazeni. U obou zařízení je sice druhá funkce nepotřebná, ale nezbytná. Přitom nutné zajištění druhé funkce představuje vždy určitý problém technický a ekonomický, někdy i ekologický. Funkce vytápění je u většiny chladicích zařízení pokládána za produkci odpadního tepla a s produkovaným teplem se jako s odpadním nakládá. Zpravidla se máři vzduchem chlazenými (nebo tak zvanými odpařbvacími) kondensátory, nebo na suchých nebo mokrých chladicích věžích. Existují ale i zařízení, která využívají účelně obě funkce. A to buď paralelně nebo alternativně (např. v otopné sezóně se využívá funkce vytápění, v letním období se využívá funkce chlazeni).

Vnějším projevem každého chladicího okruhu je chlazení jedné pracovní látky na primární straně a ohřev druhé pracovní látky na sekundami straně chladicího okruhu. Tyto vnější projevy se označují jako vnější děj chladicího okruhu. Vnější děj charakterizují parametry vnějšího děje. Těmi jsou zejména vstupní a výstupné teploty látky chlazené a látky ohřívané. Tyto teploty se označují jako určující teploty vnějšího děje, protože z pohledu teplotní úrovně přiváděného a odváděného tepla kvalitativně jednoznačně popisují, resp. určují vnější děj. Tyto teploty jsou jednoduše měřitelné.

Vnější děj chladicího okruhu je samozřejmě podmíněn jeho vnitřním dějem, který představuji změny skupenství chladivá ve dvou výměnících, resp. na obou stranách chladicího okruhu. Vnitřní děj chladicího okruhu charakterizují parametry vnitřního děje. Těmi jsou zejména teploty změny stavu chladivá, to je teplota vyparovaci a kondenzační. Tyto teploty se označují jako určující teploty vnitřního děje, protože z pohledu teplotní úrovně tepel, sdílených změnou stavu, kvalitativně jednoznačně popisují, resp. určují vnitřní děj. Tyto teploty nejsou jednoduše měřitelné. Určují se měřením tlaku a přepočtem tlaku na teplotu

podle rovnovážné závislosti tlak - teplota změny skupenství daného chladivá. U chladiv, u kterých dochází v průběhu změny stavu za daného tlaku ke změně rovnovážné teploty, pokládají se za určující teploty vnitřního děje teploty změny stavu sytých par.

Energetické parametry chladicího okruhu, to je jeho chladicí a topný výkon a příkon, jsou určeny zejména určujicimi teplotami vnitřního děje, protože těmi jsou jednoznačně určeny energetické parametry kompresoru pracujícího s daným chladivém, vyjádřené charakteristikou kompresoru, to je závislostí chladicího a/nebo topného výkonu a příkonu na určujících teplotách vnitřního děje, resp. na teplotě vypařovací a kondenzační. Charakteristiky kompresoru se určují měřením.

Relace mezi určujicimi teplotami vnějšího a vnitřního děje jsou dány parametry obou výměníků tepla, to je výpamiku na primární straně a kondenzátoru na sekundami straně chladicího okruhu. Parametry obou výměníků se mohou principiálně popsat charakteristikami výměníků, které určují jejich výkony v závislosti na příslušných určujících teplotách. Za ustáleného stavu odpovídají v každém okruhu určitým určujícím teplotám vnějšího děje odpovídající rovnovážné určující teploty vnitřního děje. Dá se říci, že rovnovážný stav je na primární straně okruhu dán průsečíkem charakteristiky výparníku a charakteristiky chladicího výkonu kompresoru a na sekundární straně okruhu je dán průsečíkem charakteristiky kondenzátoru a topného výkonu kompresoru. To vše platí za předpokladu stálého průtoku chlazené látky výparníkem a ohřívané látky kondenzátorem. Pn proměnném průtoku obou látek jsou pak oba průtoky dalším z určujících parametrů vnějšího děje.

Jednou z důležitých vlastností každého chladicího okruhu je jeho autoregulace, což je schopnost okruhu přizpůsobovat určující teploty vnitrního děje, to je teplotu vypařovací a kondenzační, změnám určujících teplot vnějšího děje, to je změnám teploty chlazené a/nebo ohřívané látky. Autoregulace při změně určujících teplot vnějšího děje nastoluje nové rovnovážné teploty vnitřního děje, dá se říci, že autoregulace samočinně vyhledá nové dva průsečíky zmíněných charakteristik.

Změna určujících teplot vnějšího děje, vedoucí ke změně určujících teplat vnitřního děje, to je ke změně vypařovací a kondenzační teploty, způsobuje současně i změnu energetických parametrů kompresoru, resp. chladicího okruhu, tedy změnu chladicího a topného výkonu a příkonu, které jsou závislé právě na určujících teplotách vnitřního děje. Změna energetických parametrů je tím významnější, v čím větším rozsahu se mění určující teploty vnějšího děje.

Samotné měření energetických parametrů neřekne nic o stavu provozovaného zařízení, to je zda funkce chladicího okruhu je či není správná a zda energetické parametry odpovídají bezchybnému provozu zařízení. Ani porovnání změřených parametrů s parametry deklarovanými charakteristikami použitého kompresoru pn shodných okrajových podmínkách vnitřního děje nemůže určit, zda funkce zařízení a jeho energetické parametry odpovídají bezchybnému stavu, nebo jsou zhoršeny určitými chybami, vnesenými do okruhu.

I když se tedy například průběžné měří a eviduje některý z energetických parametrů, například chladicí nebo topný výkon chladicího okruhu, standardními metodami (průtok chlazené nebo ohřívané látky - relativně jednoduché u kapalin, ale složité u vzduchu - a dvě určující teploty vnějšího děje, u vzduchu i relativní vlhkost) a nepřímo i určující teploty vnitřního děje, to je vypařovací a kondenzační teplota, ani porovnání takto určených parametrů s parametry určenými z charakteristiky kompresoru nemůže vždy určit, jaký je stav provozovaného zařízeni a zda funkce okruhu je bezchybná či nikoliv. Nesprávný stav zařízení není určen, pokud je chyba způsobena jiným faktorem než chybou kompresoru. Pokud je chyba způsobena něčím jiným, než závadou na kompresoru, pak i za této situace kompresor pracuje bezchybně - z pohledu určujících teplot vnitrního děje. Okruh ale pracuje chybně, a to z pohledu relací mezi určujícími teplotami vnějšího a vnitřního děje.

Pro ověření stavu provozovaného zařízení tedy nestačí charakteristika kompresoru, popisující závislost chladicího a topného výkonu a příkonu na určujících teplotách vnitřního děje. Pro ověření stavu provozovaného zařízení by musela být k dispozici charakteristika chladicího okruhu, popisující závislost energetických parametrů zařízení na určujících teplotách vnějšího děje. Taková charakteristika nebývá většinou k dispozici.

Nevýhodou takových ověřování a porovnání je skutečnost, že základní energetické parametry kompresoru a následně chladicího okruhu, to je chladicí a topný výkon a příkon, jsou principiálně vždy dány minimálně dvěma určujícími teplotami, to je z pohledu vnitřního děje vypařovací a kondenzační teplotou a z pohledu vnějšího děje teplotami chlazené a ohřívané látky. To ztěžuje zpracování vztahů určujících energetické parametry kompresoru a/nebo chladicího okruhu v závislosti na okrajových podmínkách. Navíc určující teploty vnitřního děje, to je teplota vypařovací a kondenzační, se nemohou měřit přímo, ale nepřímo, to je přepočítávají se ze změřeného tlaku sacího a výtlačného kompresoru.

·*··

Podstata vynálezu

Předmětem tohoto vynálezu je způsob diagnostikování provozního stavu chladicího okruhu s kompresorem, nejméně dvěma výměníky tepla a expanzním ventilem, kde chladicí okruh je tvořen chladicím zařízením nebo tepelným čerpadlem, a kde provozní stav chladicího okruhu je charakterizován jeho energetickým faktorem, daným poměrem chladicího výkonu a příkonu nebo topného výkonu a příkonu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že pro stanovení provozního stavu chladicího okruhu se použije závislost energetického faktoru na jediném parametru, kterým je rozdíl určujících teplot vnějšího děje chladicího okruhu, přičemž soulad změřeného a deklarovaného energetického faktoru je průkazem dobrého stavu diagnostikovaného chladicího okruhu, zatímco odlišnost změřeného a deklarovaného energetického faktoru představuje poruchový stav chladicího okruhu.

Závislost energetického faktoru na určujících teplotách vnějšího děje chladicího okruhu je pro tepelné čerpadlo dána funkcí rozdílu výstupní teploty ohřívané látky a vstupní teploty chlazené látky a pro chladicí zařízení funkcí rozdílu vstupní teploty ohřívané látky a výstupní teploty chlazené látky.

Ačkoliv je energetický faktor chladicího okruhu primárně a jednoznačně dán určujícími teplotami vnitrního děje, resp. jen jedním parametrem Ati, to je rozdílem určujících teplot vnitřního děje a tedy závislosti EFK = fce(tk - to) = fce(Ati), autoregulace chladicího okruhu transformuje tuto závislost na závislost EFO = fce(Ate), která určuje energetický faktor jediným parametrem Ate, daným rozdílem určujících teplot vnějšího děje. Pro ověření stavu chladicího okruhu tedy nemusí být parametry, resp.určující teploty vnitřního děje vůbec sledovány. Stačí sledovat jen parametry, resp. určující teploty vnějšího děje a energetický faktor okruhu. Porovnání energetického faktoru okruhu deklarovaného EFOD(Ate) a měřeného EFOM(Ate) určí jednoznačně stav provozovaného okruhu.

Přehled obrázků na výkresech

Pro větší názornost je konkrétní provedení několika příkladů provedení tohoto vynálezu vyobrazeno na připojených výkresech a podrobněji popsáno v následujícím popisu. Na obr.1 je znázorněna souvislost mezi přímo sledovanou závislostí energetického faktoru na rozdílu určujících teplot vnějšího děje pro tepelné čerpadlo a nepřímo sledovanou závislosti energetického faktoru na rozdílu určujících teplot vnitřního děje při bezchybném stavu chladicího okruhu. Na obr.2 je tato souvislost znázorněna při chybném stavu chladicího okruhu.

·· *·*·

Příklady provedení vynálezu

Při hledání jednoduchých a dostatečně přesných vztahů určujících energetické parametry kompresoru a chladicího okruhu bylo prokázáno pomocí charakteristik kompresorů i měřením, že parametr odvozený ze základních energetických parametrů, to je chladicího výkonu Qo, topného výkonu Qk a příkonu N, tak zvaný energetický faktor EF, za který se pokládá faktor chladicí CHF = Qo/N a/nebo topný TF = Qk/N, a který je dán poměrem chiadicího a/nebo topného výkonu a příkonu, je primárně sice rcvněž závislý na dvou určujících teplotách, ale sekundárně na jediném parametru EF = fce(At) a to na rozdílu určujících teplot At. Tato závislost, která je symbolicky značená jako závislost EF-At, představuje jednoparametrickou závislost, která se může vyjádřit jednoduchým matematickým vztahem, například polynomem, a která se může graficky znázornit jedinou spojitou plynulou křivkou. Závislost EF-At se může určit

- jednak pro kompresor a jeho vnitřní děj, pak se jedná o závislost EFK-Ati, která je vyjádřena vztahem EFK = fce(tk - to), kde tk je teplota kondenzační a to je teplota vypařovací; a

- jednak pro chladicí okruh a jeho vnější děj, pak se jedná o závislost EFO-Ate, která je např. pro tepelné čerpadlo vyjádřena vztahem EFTČ = fce(ts2 - tp1), kde ts2 je výstupní teplota ohřívané látky a tp 1 je vstupní teplota chlazené látky, nebo pro chladicí zařízení vyjádřena vztahem EFCHZ = fce(ts1 - tp2), kde ts1 je vstupní teplota ohřívané látky a tp2 je výstupní teplota chlazené látky.

Zatímco závislost EFK-Ati pro vnitřní děj chladicího okruhu je nezávislá na dalších okolnostech, platnost závislosti EFO-Ate pro vnější děj je podmíněna stálými průtoky chlazené a ohřívané látky. Závislost EFO-Ate, přímo určenou výrobcem pro bezchybný stav chladicího okruhu, nebo nepřímo určenou z parametrů udaných výrobcem v dokumentaci chladicího okruhu, případně určenou měřením za bezchybného stavu chladicího okruhu, můžeme označit za deklarovanou závislost EFO-Ate chladicího okruhu a hodnotu EFO určenou pro určitý teplotní rozdíl Ate můžeme označit za deklarovaný energetický faktor EFOD(Ate).

Pokud se za provozu chladicího okruhu standardním způsobem měří určující teploty vnějšího děje, ze kterých se určí hodnota Ate, dále příkon kompresoru a chladicí nebo topný výkon se určí z průtoku chlazené nebo ohřívané látky příslušným výměníkem a z rozdílu teplot chlazené nebo ohřívané látky, respektive při chlazení či ohřevu vzduchu z rozdílu entalpií, pak se pro změřenou hodnotu Ate může určit změřený energetický faktor EFOM(Ate).

* 4 • · · · · · · 4 « · • · ♦ · · · · 4 * · * « · * * «4 4 4 • · · · · · * ·4 • · 4 4 ·*«·* · 4 1 φ

Porovnání energetického faktoru změřeného EFOM(Ate) a deklarovaného EFOD(Ate) určí stav, respektive kondici sledovaného chladicího okruhu.

Vzhledem k tomu, že energetické parametry chladicího okruhu jsou vždy jednoznačně dány kompresorem, odpovídá každé hodnotě Ate a odpovídajícímu energetickému faktoru chladicího okruhu EFO(Ate) jednoznačně určitá rovnovážná hodnota Atir, daná autoregulací chladicího okruhu, pro kterou platí EFK(Atir) = EFO(Ate). Při bezchybném provozu chladicího okruhu tedy bude platit, že EFOM(Ate) = EFK(Atir) = EFOD(Ate), respektive EFOM(Ate) = EFOD(Ate) - viz obr. 1. Pokud bude provoz chladicího okruhu nepříznivé ovlivněn nějakou závadou, dojde k tomu, že pro danou hodnotu Ate hodnota Ati nenabude rovnovážnou hodnotu Atir, ale odlišnou hodnotu Atiz, což se projeví jinou hodnotou EFK(Atiz), které bude odpovídat i změřený energetický faktor EFOM(Ate). Za této situace bude pak platit, že EFOM(Ate) = EFK(Atiz) <> EFOD(Ate), respektive EFOM(Ate) <> EFOD(Ate) - viz obr. 2.

Soulad změřeného a deklarovaného energetického faktoru bude průkazem dobrého stavu chladicího okruhu, naproti tomu odlišnost změřeného a deklarovaného energetického faktoru bude jednoznačně signalizovat poruchový stav chladicího okruhu. Tímto způsobem lze indikovat jak poruchové stavy, vyvolané mechanickými příčinami a nesprávným seřízením, tak poruchový stav vyvolaný únikem chladivá.

Je zřejmé, že ačkoliv je energetický faktor primárně a jednoznačně dán určujícími teplotami vnitřního děje, respektive jen jedním parametrem Ati, to je rozdílem určujících teplot vnitřního děje a tedy závislostí EFK = fce(tk - to) = fce(Ati), autoregulace chladicího okruhu transformuje tuto závislost na závislost EFO = fce(Ate), která určuje energetický faktor jediným parametrem Ate, daným rozdílem určujících teplot vnějšího děje. Pro ověření stavu chladicího okruhu tedy nemusí být parametry, respektive určující teploty vnitřního děje vůbec sledovány. Stačí sledovat jen parametry, respektive určující teploty vnějšího děje a energetický faktor okruhu. Porovnáni energetického faktoru okruhu deklarovaného EFOD(Ate) a měřeného EFOM(Ate) určí jednoznačně stav provozovaného chladicího okruhu. A presto, že přímo je sledována jen závislost EFO-Ate, nepřímo a dá se říci že v pozadí je prostřednictvím autoregulace chladicího okruhu sledována i závislost EFK-Ati.

Průmyslová využitelnost vynálezu

Vynález je využitelný pro určování a ověřování provozního stavu chladicího okruhu s kompresorem a výměníky tepla, používaného ve funkci chladicího zařízení a/nebo tepelného čerpadla.

·· *··« a

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob diagnostikování provozního stavu chladicího okruhu s kompresorem, nejméně dvěma výměníky tepla a expanzním ventilem, kde chladicí okruh je tvořen chladicím zařízením nebo tepelným čerpadlem, a kde provozní stav chladicího okruhu je charakterizován jeho energetickým faktorem (EF), daným poměrem chladicího výkonu (Qo) a příkonu (N) nebo topného výkonu (Qk) a příkonu (N), vyznačující se tím, že pro stanovení provozního stavu chladicího okruhu se použije závislost energetického faktoru (EF) na jediném parametru, kterým je rozdíl určujících teplot (Ate) vnějšího děje chladicího okruhu, přičemž soulad změřeného a deklarovaného energetického faktoru (EF) je průkazem dobrého stavu diagnostikovaného chladicího okruhu, zatímco odlišnost změřeného a deklarovaného energetického faktoru (EF) představuje poruchový stav chladicího okruhu.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že závislost energetického faktoru (EF) na určujících teplotách (Ate) vnějšího děje chladicího okruhu je pro tepelné čerpadlo funkcí EFTČ = fce(ts2 - tp1) rozdílu výstupní teploty (ts2) ohřívané látky a vstupní teploty (tp1) chlazené látky.
3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že závislost energetického faktoru (EF) na určujících teplotách (Ate) vnějšího děje chladicího okruhu je pro chladicí zařízeni funkcí EFCHZ = fce(ts1 — tp2), kde (ts1) je vstupní teplota ohřívané látky a (tp2) je výstupní teplota chlazené látky.