Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 14: Termostatický expanzní ventil

Úvod

Termostatický expanzní ventil (dále jen TEV) má za úkol řídit množství nastřikovaného chladiva do výparníku na základě tzv. přehřátí chladiva ∆Toh, což je rozdíl teploty kompresorem nasávaných, přehřátých par chladiva Toh a vypařovací teploty To. Čili hodnota ∆Toh říká, o kolik Kelvin se chladivo po vypaření přehřeje z vypařovací teploty To na teplotu Toh. Článek vznikl v podstatě z několika důvodů:

1. TEV je díl, který má podstatný vliv na COP stroje a životnost kompresoru.
2. Hodně techniků ještě stále nepochopilo, že TEV se má po výměně vždy minimálně zkontrolovat a v případě neuspokojivého výsledku seřídit na požadované přehřátí ∆Toh dle požadavků výrobce TČ.
3. Přehřátí ∆Toh se mění s teplotními podmínkami primáru/sekundáru, takže nelze počítat s tím, že přehřátí ∆Toh je u TEV stále stejné – to je potřeba mít na paměti.
4. Jako ve všech oborech lidské činnosti, tak i u tepelných čerpadel se najdou lidé, kteří překypují velkou sebedůvěrou z hlediska jejich domnělé neomylnosti a chybí jim pokora. Typicky pokora k samotnému stroji a z toho vyplývající úcta k zákazníkovi, který očekává, že relativně drahý servis jeho stroje provede odborník po všech stránkách, a ne diletant. Abyste měli příklad, tak při nedávné sérii školení diagnostiky okruhů chladiva jsem oslovil jednoho velmi šikovného a zkušeného chlaďaře (myslím to zcela bez nadsázky), zda by se nechtěl zúčastnit jednoho z našich školení – jednak pro opakování a utužení svých základů, ale také proto, aby mohl případně sdílet své letité zkušenosti s dalšími kolegy. Toto sdílení zkušeností je na školeních velmi žádoucím kořením, protože nikde není napsáno, že si já při školení na vše potřebné vzpomenu (řadu věcí třeba nemusím sám ani vědět), a pak tito zkušení technici mi mohou svými trefnými poznámkami z praxe pomoci dosáhnout lepší úrovně přednášky. Také by se však při školení i tento zkušený chlaďař jistě dozvěděl něco navíc. K mému překvapení však chlaďař odpověděl, že školení je pro něj zbytečné, že už to vše dobře zná, takže by to pro něj byl zbytečně zabitý den. V tu chvíli jsem si nemohl odpustit zaplavit ho rýpavými dotazy na základě jeho nedávného, chybného servisu, kdy vyměnil úplně zdravý TEV:
   „Aha, dobře, když tedy školení nepotřebuješ, tak proč jsi na té akci 14 dní zpět měnil TEV, když byla sice příliš nízko vypařovací teplota, ale spolu s nízkým přehřátím, což svědčilo o dobré funkci TEV? To byl přece typický příznak, že do výparníku špatně proudí teplo. Neměl bys tohle jako chlaďař neomylně poznat/posoudit? A proč ti nepřišlo divné, že ta vypařovačka byla moc nízko pod teplotou primáru a že omrzaly prvky na sání kompresoru, i když primár měl spád cca 8/6 °C? Proč se stroj s novým TEV choval stejně jako před výměnou TEV a vůbec ti to nepřišlo podezřelé a odjel jsi z místa s tím, že jsi problém vyřešil? To se nedíváš na hodnoty, podle kterých posoudíš výsledek své práce? Proč jsi nechal zákazníka plně platit tvůj zcela chybný servis, když jsi nepoznal základní příznaky zaneseného výparníku na primární straně TČ?“
   Nato on zůstal překvapeně stát, bez odpovědi. Strašně nerad se s technikem (s kýmkoliv) bavím tímto stylem, zvlášť když vím, kolik dobré práce historicky vykonal, ale když slyším, že někdo sám o sobě tvrdí, že nepotřebuje školení, a udělá takový servisní kiks, při kterém úplně zbytečně zasahuje do okruhu chladiva, a ještě si za to nechá zaplatit, musím mu to nekompromisně tzv. „vpálit“, protože si zkrátka nevidí do pusy. Berte tedy, prosím, tento příklad jako motivaci pro opakování a udržení pokory při jakémkoliv servisu. Chybu totiž může udělat každý, jsme lidé, ale pravidelným opakováním si prohlubujeme základy a předcházíme zbytečným chybám v budoucnu, takže pak ve finále šetříme zákazníkům peníze a svůj čas. Pouze pro doplnění, stav, který nedokázal chlaďař správně diagnostikovat, jsem přesně popsal v článku Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 13: Chyba nízkotlakého presostatu, díl 1/2.

Přečtěte si také Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 13: Chyba nízkotlakého presostatu, díl 1/2 Přečíst článek

Základní typy TEV

V konstrukci TČ se využívají dva typy TEV:

• s vnitřním vyrovnáním tlaku (viz obr. 1)
• s vnějším vyrovnáním tlaku (viz obr. 2)

Obr. 1 – TEV s vnitřním vyrovnáním tlaku (zdroj schémat TEV [1])

Obr. 2 – TEV s vnějším vyrovnáním tlaku (zdroj schématu TEV [1])

Expanzní ventil s vnitřním vyrovnáním tlaku je vhodné použít tam, kde je malá tlaková ztráta výparníku na straně chladiva, čili kde se tlak Pod téměř shoduje s Poz. Jak je vidět z obr. 1, rostoucí tlak Pod zavírá ventil spolu s pružinou, rostoucí tlak Pt naopak ventil otevírá. Tlaky Pod a Pt se přetlačují přes membránu uvnitř ventilu. Když roste přehřátí par chladiva, roste teplota tykavky Tt, a tím pádem i tlak Pt v tykavce, tento tlak Pt tedy tlačí přes membránu proti tlaku Pod a pružině, ventil se otevírá s cílem snížit přehřátí par na výparníku.

Pokud však má výparník větší tlakovou ztrátu, musí být tlak Pod o tuto ztrátu vyšší než Poz. V takovém případě by za účelem většího otevření ventilu s vnitřním vyrovnáním tlaku musela výrazně stoupnout teplota par Tt, aby vyšší tlak Pt v tykavce dokázal přetlačit pružinu a tlak Pod pod membránou. To by znamenalo, že by rostlo přehřátí par na výparníku a klesala tak účinnost TČ, protože by se snižoval hmotnostní průtok chladiva.

Proto se historicky ve většině ON/OFF TČ pro rodinné domy používaly a stále ještě někde používají TEV s vnějším vyrovnáním tlaku (viz obr. 2). Tlak Pod ve ventilu (téměř na začátku výparníku) se tlakově zcela oddělí od spodku membrány, pod kterou je naopak z vnějšku přiveden tlak chladiva Poz těsně za výparníkem. Tím se de facto simuluje výparník s nízkou tlakovou ztrátou, a tak tlak Pt nemá problém přetlačit tlak Poz a pružinu pro snížení přehřátí, čili pro snížení teploty Tt. S ventily s vnějším vyrovnáním tlaku tak je možné dosáhnout nižšího přehřátí ∆Toh na výparníku, a tím pádem vyššího COP stroje než v případě ventilů s vyrovnáním tlaku vnitřním.

Výrobci TEV bylo velmi pečlivě zkoumáno, jaké náplně používat v tykavce, jejíž náplň tlačí na membránu shora. Jednak se řeší typ látky náplně v tykavce, zda je plněna parou nebo kapalinou, ale také přesné množství náplně a pozice tykavky na sacím potrubí ke kompresoru pro co nejlepší reakci TEV na aktuální provozní stav. Správná pozice tykavky (obr. 3) je vodorovně, v pozici 1 hodina popř. 3 hodiny, dle výrobce a dimenze potrubí. Svislá pozice tykavky je zakázána, jelikož náplň by nesdílela dobře teplo se sacím potrubím a odezva TEV by tak nebyla dobrá. Já osobně jsem pouze uživatel, popř. zjednodušeně řečeno „dolaďovač“ TEV, a tak musím smeknout klobouk před těmi, co se vývoji TEV věnovali, popř. se ještě věnují, protože díky jejich úsilí mohou chladicí stroje běhat i desítky let s parádní efektivitou. Už proto je o TEV potřeba vědět něco víc, než jen to, že nastřikují chladivo do výparníku.

Obr. 3: Umístění tykavky na sání kompresoru, podklady Danfoss

Na obr. 4 je v řezu TEV firmy Danfoss spolu s rozborem tlaků a napojením na výparník. Je potřeba zdůraznit, že v potrubí vnějšího vyrovnání tlaku je sice to samé chladivo, které máme v kompresorovém okruhu, ale v tomto potrubí není žádný průtok chladiva. Zjednodušeně si lze potrubí vnějšího vyrovnání tlaku představit jako expanzní potrubí k expanzní nádobě, kde otopná voda také neprotéká, ale slouží jen pro tlakové propojení expanze s otopnou soustavou. Potrubí vnějšího vyrovnání tlaku se ani nijak neizoluje, protože neslouží k odběru tepla. Naopak je i výhodné ho tepelně neizolovat, protože se někdy ve ventilu může objevit vnitřní netěsnost, která způsobí, že kompresor si částečně nasává chladivo kolem výparníku právě vnějším vyrovnáním tlaku (viz obr. 5). Tento nežádoucí parazitní průtok chladiva způsobí, že potrubí vnějšího vyrovnání tlaku začne silně omrzat. To je signál pro chlaďaře, že v TEV je vnitřní netěsnost a je potřeba ho vyměnit. V tu chvíli může chlaďař také vidět (v závislosti na velikosti netěsnosti), že kompresor je studený, protože si nasává kapalnou složku chladiva, což je pro každý kompresor nebezpečné. Od tzv. „mazáků“ můžete někdy slyšet, že např. scroll kompresor se s nastřikovanou kapalinou do kompresního prostoru relativně snadno vyrovná, že pro něj je horší, když si nasává málo chladiva a přehřívá se na vysoké teploty. Je potřeba si na rovinu říct, že oboje je zkrátka špatně, jelikož kdyby to špatně nebylo, tak nemusíme žádné přehřátí chladiva ∆Toh v sání kompresoru nikdy řešit – máme dost důkazů, že kompresory nemají rádi ani kapalinu, ani nedostatek chladiva v sání.

Obr. 4 – Řez TEV s rozborem tlaků a schématickým připojením na výparník

Obr. 5 – Omrzlé potrubí vnějšího vyrovnání tlaku díky vnitřní netěsnosti v TEV, kdy chladivo proudí částečně mimo výparník. Toto je jen jeden z příkladů špatně fungujícího TEV, protože příliš mnoho chladiva může být do kompresoru nastřikováno, i když skrz vnější vyrovnání tlaku chladivo neproudí. Např. pokud odejde pružina TEV, nebo pokud je pružina TEV špatně nastavena.

Kde se na TEV ladí přehřátí?

Je potřeba zmínit, že ne všechny TEV obecně používané v chladicích strojích/TČ mají možnost dodatečného nastavení přehřátí. Zde se však budeme bavit o TEV, které dodatečnou možnost nastavení přehřátí mají – přece jen výrobci TČ běžně právě takové TEV používají (resp. historicky používali, dnes jsou již trendem spíše elektronické expanzní ventily), aby mohli nejen optimalizovat provoz TČ z hlediska COP, ale i v rámci absolutní bezpečnosti kompresoru za všech provozních stavů. Nastavení přehřátí se provádí pomocí stavěcího šroubu, který stlačuje pružinu TEV. Na obr. 5 můžete vidět příklad nastavení přehřátí na TEV, který jsme výše ukázali v řezu.

Obr. 6 – Příklad nastavování přehřátí (Zdroj: Danfoss)
1 – Sundejte krytku stavěcího šroubu
2 – Nastavte požadované přehřátí – doprava přivíráte exp. ventil (zvětšujete přehřátí), doleva otevíráte exp. ventil (zmenšujete přehřátí)
3 – Dejte krytku zpět

Z čeho se skládá přehřátí chladiva?

Obr. 7: Vyjádření dosažení jmenovitého chladicího výkonu Qnom. [kW] při celkovém přehřátí SH, SS – Static Superheat [K]: Statické přehřátí; OS – Opening Superheat [K]: Otevírací přehřátí; SH – Total Superheat [K]: Celkové přehřátí, které naměříme při dosažení jmenovitého výkonu Qnom.

Výrobce TEV z výroby dodá ventil s přednastaveným, tzv. statickým přehřátím SS (obr. 7), což je přehřátí, při kterém TEV začíná otevírat. Avšak k tomuto statickému přehřátí se za provozu kompresoru přičítá ještě tzv. otevírací přehřátí OS, při kterém se dosahuje jmenovitého/požadovaného chladicího výkonu Qnom. stroje v kW. Součet statického a otevíracího přehřátí je tzv. Celkové přehřátí SH, které vlastně odpovídá již několikrát zmíněné hodnotě ∆Toh při jmenovitých podmínkách, takže SH = ∆Toh.

Prosím, nenechte se grafem na obr. 7 zmást – dle něj si může leckdo myslet, že čím je větší přehřátí chladiva na dané instalaci, tím vyšší je obecně chladicí výkon stroje. Jistě však z praxe dobře víte, že čím více TEV na dané instalaci s ON/OFF kompresorem otevřeme (přenastavením TEV), tím více se výparník plní chladivem (roste průtok chladiva), takže je menší přehřátí chladiva, a tím vyšší chladicí výkon stroje máme.

Graf na obr. 7 má tedy pouze vyjádřit, že při určitém jmenovitém přehřátí SH, které se skládá z přehřátí SS a OS, je dosaženo jmenovitého chladicího výkonu Qnom., kterému odpovídá určitý průtok chladiva, přičemž se výrobcem TEV doporučuje, že Qnom. má být min. 20 % pod Qmax.. Pokud by se ten samý TEV bez jakékoliv změny nastavení použil pro menší kompresor a tomu výkonově odpovídající výparník, tak by sice přehřátí (OS i celkové SH) proti jmenovitému kleslo, ale s ním by samozřejmě klesl i chladicí výkon, protože průtok chladiva by byl nižší. A naopak, pokud by se ten samý TEV bez jakékoliv změny nastavení použil pro větší kompresor a tomu výkonově odpovídající výparník, tak by sice přehřátí (OS i celkové SH) vzrostlo proti jmenovitému, ale s ním by samozřejmě vzrostl i chladicí výkon, protože průtok chladiva by byl vyšší.

Jinými slovy, pokud bychom u TEV nezměnili nastavení statického přehřátí SS a tento TEV použili pro menší výkon kompresoru než nominální – výsledné celkové přehřátí SH by kleslo. Nižší přehřátí si teoreticky přejeme pro vyšší COP, ale nemůžeme „od boku“ prohlásit nebo snad jen bláhově doufat, že to je v pořádku, protože musíme ohlídat, aby přehřátí nekleslo tak, že za hraničních provozních podmínek dojde k nástřiku kapaliny až do kompresoru. A naopak, pokud bychom u TEV nezměnili nastavení statického přehřátí SS a tento TEV použili pro větší výkon kompresoru než nominální – výsledné celkové přehřátí SH by vzrostlo – a zde naopak musíme ohlídat, aby přehřátí SH nevzrostlo příliš.

Pozn. pro jistotu: V provozu stroje nám samozřejmě vždy jde pouze o celkové přehřátí SH (∆Toh), protože to je to přehřátí, které na sání kompresoru měříme a kterým zajišťujeme a kontrolujeme správný/bezpečný provoz stroje. Nikdo v praxi na instalaci nesleduje, při jakém statickém přehřátí SS se daný TEV teprve otevře nebo naopak zavře, ale zajímá nás celková hodnota přehřátí SH. Hodnotu SS řeší pouze dodavatel TEV, který touto hodnotou spolu s otevíracím přehřátím OS definuje ventil za jmenovitých podmínek měření v továrně. Jakmile takový TEV bez změny jeho nastavení z továrny přijde do konkrétního stroje za jiných než jmenovitých podmínek (takže se změní byť jen jeden z těchto parametrů: vypařovací/kondenzační teplota či podchlazení), tak sice statické přehřátí SS zůstane stejné, ale otevírací přehřátí OS, a tedy i celkové přehřátí SH se změní. Pokud snad v praxi někdo povýšeně prohlásí (najdou se takoví), že pomocí stavěcího šroubu změnil u stroje statické přehřátí SS, tak je to spíš jakási jeho „slovní frajeřina“, protože statické přehřátí určitě nezměřil. Statické přehřátí SS díky přenastavení sice změnil, ale svůj zásah do nastavení TEV ověřil pomocí změření celkového přehřátí SH (∆Toh) – protože o tuto hodnotu nám jde. Stejně by se mohl chlubit, že změnil otevírací přehřátí OS, ale ve skutečnosti prakticky změnil celkové přehřátí SH (∆Toh). Takže když někdo ladí přehřátí na TEV, dělá to proto, aby zajistil správné a bezpečné přehřátí SH (∆Toh), čili celkové přehřátí.

Stejný TEV pro stroje rozdílných výkonů

Předchozí kapitola mimo jiné vysvětluje, proč si někteří výrobci TČ mohou dovolit použít jeden a ten samý TEV (typově i dimenzí) pro více velikostí stroje v dané řadě. Např. pro nominální topný výkon 6, 7 a 9 kW tedy může být výrobcem použit TEV zcela identický (např. historická řada cca 20 let starého TČ země/voda IVT HT PLUS) a je to v pořádku. TEV je však potřeba pro konkrétní stroj daného výkonu vždy správně nastavit s ohledem na co nejvyšší možné COP a samozřejmě ve vztahu k maximální bezpečnosti stroje za všech provozních/teplotních podmínek. Je tedy evidentní, že jeden TEV používaný pro více velikostí stroje v dané řadě přijde od výrobce tohoto ventilu nastaven v podstatě „neutrálně“ na určité statické přehřátí SS, které nemusí být zcela vyhovující pro konkrétní stroj, a proto finální donastavení na celkové přehřátí SH (∆Toh) je potřeba správně doladit v továrně dodavatelem konkrétního TČ po jeho zkompletování.

Pokud by stroj o nominálním topném výkonu 6 kW převzal TEV se stejným nastavením statického přehřátí SS, jako je potřeba pro stroj o výkonu 9 kW, mohlo by dojít k nástřiku kapaliny do kompresoru, který má nominální výkon menší. A naopak, pokud by stroj o topném výkonu 9 kW obdržel TEV s nastavením statického přehřátí SS pro stroj o nominálním výkonu 6 kW, vzrostlo by příliš celkové přehřátí SH (jelikož TEV je moc škrcený), takže kompresor by mohl pracovat s vyššími teplotami horkého plynu a nižším COP. Toto je tedy jeden z podstatných důvodů, proč je potřeba nastavení přehřátí po výměně TEV vždy zkontrolovat a eventuálně, v případě neuspokojivého výsledku, ho zodpovědně doladit dle požadavků výrobce TČ.

Technici – chlaďaři při výměně TEV kolikrát ani nevědí, že stroj o výkonu 6 kW klidně má stejný TEV, jako se používá ve stroji stejné řady s výkonem 9 kW. Pak je vám určitě jasné, že je chybné se domnívat, že takový TEV určený pro více strojů je výrobcem TEV nastaven perfektně přímo pro váš konkrétní stroj. Takovou mylnou domněnku bohužel má spousta techniků v ČR. To, že technik neví, že stejný TEV se u daného výrobce TČ používá pro více výkonů, nemůžeme chlaďaři absolutně vyčítat, záleží na výrobci, jak se k návrhu stroje postaví, chlaďař kolikrát ani nemá přístup do databáze výrobce TČ, aby si těchto návazností v konfiguraci strojů všiml. Protože TEV se nemění moc často, může si technik všimnout jejich stejných dimenzí (pokud tak byly dva stroje stejné řady továrnou vyvinuty) např. pro stroj 6 a 8 kW až po letech, kdy na daných strojích TEV mění. Také na TČ může provádět servis člověk, který s chlaďařinou teprve začíná, takže nemůže znát dlouhou historii konkrétních řad TČ a že více strojů má TEV identický. Chlaďař jen dostane „befehl“ (rozkaz), že má TEV vyměnit. Avšak tento technik musí bezpodmínečně vědět, že jedno nastavení TEV od jeho výrobce nemůže zcela vyhovět všem strojům v praxi, a proto je nutno přehřátí po výměně TEV zkontrolovat a případně zaregulovat dle instrukcí výrobce TČ. Dostat tuto poučku do paměti techniků v ČR dá ještě zřejmě spoustu práce, protože chybný názor, že na TEV se nemá po jeho výměně nikdy sahat, je bohužel zakořeněn u většiny techniků do dnešních dnů. Díky tomuto obšírnému popisu pevně věřím, že alespoň někdo dobře mířené rady přijme za své.

TEV nastaven továrnou přímo dle požadavku výrobce TČ

Někdy se výrobce TČ domluví s dodavatelem konkrétního TEV, aby dodaný TEV pro dané chladivo a při jasně definovaných parametrech (hlavní je vypařovací/kondenzační teplota/tlak spolu s teplotou zkondenzovaného chladiva před TEV při určitém výkonu) držel předepsané přehřátí SH (∆Toh), což má zaručit, že TEV bude za všech provozních podmínek TČ seřízen správně s ohledem na co nejvyšší COP a bezpečnost konkrétního TČ. Z toho zřejmě pochází v praxi předávaná a bohužel zavádějící informace, že do nastavení TEV od dodavatele TEV se po jeho instalaci nemá zasahovat. Pokud by bylo vše tak ideální, byla by to informace jednoznačně správná, jenže praxe bohužel potvrzuje, že ne vždy se nastavení výrobci TEV v továrně zcela povede – a to je druhý důvod, proč se má výsledné celkové přehřátí SH (∆Toh) po výměně TEV kontrolovat a v případě špatného výsledku zaregulovat dle požadavku výrobce TČ. Většinou, když jsou po výměně TEV problémy, tak je TEV z fabriky moc přivřený – a proto je kontrola přehřátí ∆Toh chlaďařem po jakékoliv výměně TEV nezbytná, i když vyloženě špatné nastavení TEV z továrny moc často nebývá. Kvůli výjimkám potvrzujícím pravidlo je tedy nutné mít se na pozoru a přehřátí jednoduše vždy ověřit. Stejně chlaďař má během opravy připojené tlakové hadice, nejčastěji přes TESTO, čili pak stačí připojit ještě příložné čidlo k tykavce a měřák TESTO hned přehřátí ∆Toh stanoví.

Jak tedy správně nastavit přehřátí chladiva?

V případě neuspokojivého přehřátí ∆Toh po výměně TEV musí chlaďař zareagovat a TEV zaregulovat na přehřátí dle doporučení výrobce TČ, který má v tabulkách či grafech jasně stanovit, jaké přehřátí ∆Toh by se mělo s konkrétním chladivem přibližně dosahovat při určité kombinaci teplot primárního (studeného) a sekundárního (teplého) okruhu TČ země/voda. Logiku, která toto popisuje, můžete vidět níže v Tab. 1 pro stroj s chladivem R407C – toto chladivo se v rámci TČ používalo dlouhá léta (např. IVT dokonce ještě jednu řadu TČ s R407C dodává) a je zde vybráno záměrně proto, že klade vyšší nároky na přesnost měření a nastavení přehřátí na TEV, než tomu bývá s běžným chladivem R410A.

V bílých polích jsou hodnoty doporučených přehřátí ∆Toh s tolerancí +/−0,5 Kelvinu v závislosti na vstupní teplotě nemrznoucí směsi do výparníku a teplotě zpátečky otopné vody do kondenzátoru. Na první pohled vidíte, že přehřátí není konstantní, ale mění se právě podle teplot primáru/sekundáru od 1,5 Kelvinu až do 6 Kelvin. Z tabulky lze vysledovat tato pravidla:

• Při konstantní teplotě primáru a rostoucí teplotě sekundáru se přehřátí snižuje.
• Při konstantní teplotě sekundáru a rostoucí teplotě primáru přehřátí roste.
• Nejnižších hodnot přehřátí tedy bude dosahováno za nejnižších teplot primáru a nejvyšších teplot otopné vody (sekundáru) – typicky tedy např. při přípravě teplé vody v největších mrazech nebo konci otopného období, kdy je primární sběrač tepla (plošný kolektor/vrt atd.) teplotně nejníže. Čili při dobrém nastavení TEV bychom měli mít kladné přehřátí i při kombinaci nejnižší vypařovací a nejvyšší kondenzační teploty, které mohou v provozu TČ nastat. Proto se také např. ve [2] doporučuje přehřátí ladit při co nejnižší vypařovací teplotě chladiva.
• Nejvyšších hodnot přehřátí naopak bude dosahováno tehdy, kdy je primární okruh teplotně vysoko a otopná voda naopak nízko – čili typicky na začátku topného období, kdy je primární okruh zregenerovaný a není velký požadavek na teplo.

Z těchto pravidel plyne, že technik by měl po výměně TEV a jeho následném seřizování brát ohled na aktuální teplotní podmínky a nenastavovat ho jen tak „od boku“. Jakmile tedy chlaďař TEV nastaví v jednom konkrétním bodě dle tabulky od výrobce TČ, má jistotu, že za „jakýchkoliv provozních podmínek“ je TEV nastaven správně i s ohledem na maximální bezpečnost kompresoru. Proto se v tabulce prezentují hodnoty přehřátí i pro velmi nízkou teplotou primárního okruhu −5 °C, což může nastat např. u starého podchlazeného vrtu, kdy můžeme mít během přípravy teplé vody velmi nízké přehřátí chladiva okolo 2 K, ale pro kompresor je takové přehřátí stále bezpečné.

Ještě chci vysvětlit, co přesně znamenají výše zmíněné „jakékoliv provozní podmínky“, pro které musí TEV být vždy správně nastaven. Tyto provozní podmínky neznamenají jen nejvyšší či nejnižší teploty primárního či sekundárního okruhu a jejich kombinace, jak by mohlo z Tab. 1 vyplývat. Ale znamenají i stav, kdy se např. zcela přeruší průtok nemrznoucí směsi/vzduchu přes výparník či průtok otopné vody přes kondenzátor – čili stav, kdy je dosaženo chyby tzv. Nízkého tlaku chladiva/Nízkotlakého presostatu či chyby Vysokotlakého presostatu – viz předchozí díly seriálu. Při nulovém průtoku kapaliny primárním či sekundárním okruhem se teploty vstup/výstup kapaliny teplotně skoro nemusí měnit (záleží, zda čidla jsou přímo ve výměníku nebo až na potrubí), ale klesá prudce tlak na sání kompresoru (když je nulový průtok na primáru) a roste tlak na výtlaku kompresoru (při nulovém průtoku sekundárem). Čím vyšší je rozdíl tlaků mezi výtlakem a sáním kompresoru, tím menší je přehřátí chladiva, a i za největšího rozdílu těchto tlaků musíme toto přehřátí chladiva ohlídat v bezpečných mezích, aby si kompresor nenasával kapalinu. Takže vidíte, že teploty primáru/sekundáru jsou pro nastavení TEV vypovídající jen tehdy, kdy průtok kapaliny přes výparník/kondenzátor je v pořádku, protože pro samotný TEV jsou ve finále důležité teplotní a tlakové poměry na chladivu. Pokud by to bylo tak, že TČ bude pracovat vždy s bezchybným průtokem na primáru/sekundáru nebo za rozumných teplot primáru či sekundáru, šlo by TEV obecně více otevřít pro nižší hodnoty přehřátí, a tedy i vyšší COP – ale tak to bohužel není a výrobci TČ toto riziko prostřednictvím nastavení TEV musí poctivě zohlednit a TEV škrtit o něco více, než bychom chtěli, pro maximalizaci COP. Evidentně to dělají a dělali dobře, protože životnost přes 20 let u těchto strojů země/voda ON/OFF není nic výjimečného, stejně tak jako perfektní hodnoty COP/SPF.

Příliš otevřený TEV

Jako příklad toho, co se může stát, pokud se technik při nastavování TEV neřídí doporučením výrobce, poslouží následující příklad nepovedeného zásahu v obr. 8. V tomto případě měnil TEV technik, který byl zvyklý servisovat jen TČ vzduch/voda s elektronickými expanzními ventily (EEV), čili výměna a seřízení TEV u TČ země/voda s ON/OFF kompresorem (chladivo R407C) pro něj bylo premiérou. Protože byl zvyklý, že EEV pracují často s velmi malými hodnotami přehřátí par chladiva pro co nejvyšší COP, a nevěděl, že se má řídit „nějakou“ tabulkou (na kurzu chlazení mu to totiž před lety neřekli), tak nastavil TEV tak, aby bylo dosaženo přehřátí 2 K – nutno říct, s dobrým úmyslem.

Obr. 8 – Záporné přehřátí par chladiva ∆Toh kvůli špatně nastavenému TEV

Problém však byl, že toto přehřátí nastavil v okamžiku, kdy nemrznoucí směs na zpátečce do výparníku TČ měla 15 °C (na konci léta) a topná voda na zpátečce do TČ měla okolo 30 °C – v tu chvíli sice nebyl v okruhu chladiva žádný problém, ale dle Tab. 1 vidíte, že mělo být nastaveno přehřátí něco okolo 7 Kelvin, aby byl TEV nastaven bezpečně i pro jiné teplotní podmínky primár/sekundár. Jak se totiž začal ochlazovat primární okruh s postupující topnou sezonou a rostla teplota otopné vody (typicky v režimu teplé vody), tak přehřátí ∆Toh začalo klesat až k 0 K, resp. i do záporných hodnot, takže kompresor si nasával kapalinu a měl nižší výkon. A to jen proto, že chlaďař TEV za vysokých teplot primáru nenastavil dle doporučení v Tab. 1, čímž zbytečně ohrozil životnost kompresoru. Že do kompresoru jde kapalina, lze poznat i bez doplňkových sond Testo z nízkého rozdílu teplot T6 − T8. Tento rozdíl se u chladiva R407C běžně pohybuje mezi 20–50 Kelviny (max. 70 K v extrému) v závislosti na teplotách primáru a sekundáru. Stačilo zde pouze TEV seřídit (přiškrtit) na požadované přehřátí a stroj už mohl běhat bezpečně dál. Z příkladu je evidentní, že nemůžeme nastavit TEV jen s ohledem na co nejvyšší COP, ale musíme se do jisté míry „uskromnit“ a dbát i na extrémní podmínky – např. počítat s tím, že nemusí být dostatečný průtok nemrznoucí směsi, takže klesne vypařovací teplota, a tím pádem i přehřátí chladiva. I za takových podmínek musí být TEV nastaven správně s ohledem na bezpečnost stroje, aby si kompresor nenasával kapalnou složku chladiva.

Sluší se dodat, že přehřátí chladiva ∆Toh v sání kompresoru se samozřejmě nastavuje i s ohledem na max. teplotu horkého plynu na výtlaku kompresoru. Čím nižší je vypařovací teplota, tím obecně roste i teplota horkého plynu (i při stejné teplotě otopné vody). A naopak, běžně teplota horkého plynu klesá s rostoucí vypařovací teplotou, resp. s rostoucí teplotou primárního okruhu TČ země/voda. Tabulku očekávatelných teplot horkého plynu také pro chladivo R407C v návaznosti na Tab. 1 udáváme v Tab. 2 níže. Tabulka slouží opravdu pouze pro hrubou orientaci, protože teplota horkého plynu na výtlaku kompresoru závisí samozřejmě například i na druhu kompresoru.

Pozn. autora: Všimněte si, že Tab. 1 uvažuje vstupní teplotu otopné vody do kondenzátoru (zpátečku) a naopak Tab. 2 bere v potaz teplotu otopné vody na výstupu z kondenzátoru. Cílem není někoho mást, ale je dobré si uvědomit, že jeden výrobce může uvažovat teplotu zpátečky, jiný zase teplotu výstupu a je vhodné vědět, že to hraje svou roli. Ať je to tak nebo tak, je vždy potřeba uvést deltu otopné vody na kondenzátoru (což se zde stalo), čímž se u nejlepších strojů trošku skrytě zahrnuje, s jakou kondenzační teplotou, resp. podchlazením je u daného měření přibližně uvažováno. Takže u nejlepších strojů je kondenzační teplota Tc cca srovnaná s výstupní teplotou otopné vody T8 a podchlazené chladivo Tcu je cca srovnané s teplotou zpátečky otopné vody do kondenzátoru T9. To následně ovlivňuje stav mokré páry na vstupu do výparníku, čili kolik kapaliny je poměrově do výparníku nastřikováno, a tedy jaký je počátek vypařování.

Příliš škrcený TEV

V praxi častěji vyskytující se chybou je, že TČ po výměně TEV pracuje s příliš velkým přehřátím chladiva (buď kvůli nepovedenému nastavení TEV z fabriky nebo proto, že TEV se v dané řadě používá pro více strojů různých výkonů, takže fabrické nastavení TEV není ideální pro právě opravovaný stroj) a nízkou vypařovací teplotou, což s sebou nese i vysokou teplotu horkého plynu. Teplotně takový stav odpovídá 3. příkladu v článku: Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 13: Chyba nízkotlakého presostatu, díl 2/2.

Přečtěte si také Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 13: Chyba nízkotlakého presostatu, díl 2/2 Přečíst článek

V souvislosti s tímto stavem se setkávám s tím, že technik mi pár dní po výměně TEV volá, že se musí na akci NEOČEKÁVANĚ vrátit, protože TČ „padá“ do chyby „Vysoká teplota horkého plynu“ (jako před výměnou TEV, kdy byl TEV vadný) a ptá se mne, jestli tedy má v rámci této chyby vyměnit kompresor, protože TEV je ve stroji nový. Když se ho prvně optám, jaké je přehřátí chladiva, resp. zda ho pomocí TEV zareguloval, odpoví mi: „Nás na kurzu chlazení učili, že TEV, který přijde z výroby, se již nepřenastavuje, takže jsem s ním nic nedělal.“ Pak tohoto externího technika informuji o zmíněné tabulce (resp. potřebě nastavit TEV dle zmíněné logiky) a potřebě vždy TEV zkontrolovat, provede se nastavení s využitím externích sond (např. Testo) a TČ může vesele běhat dál. Občas TČ se špatně nastaveným TEV dojde dříve do chyby nízkého tlaku chladiva než do chyby vysoké teploty horkého plynu – i zde je nutno TEV dobře zaregulovat dle požadavku výrobce TČ.

Občas se stává, že technik nechce čekat na dodání originálního TEV od výrobce TČ, a tak sáhne po nějakém svém jiném, jím běžně používaném TEV (pro jiný stroj i jiného výrobce), který má skladem, jelikož zákazník na něj tlačí, aby oprava proběhla co nejdříve a nemusel tak příliš dlouho topit elektrokotlem. Protože stroj je již dávno po záruce, tak zákazník by originální TEV od výrobce stejně platil, takže teoreticky použití jiného TEV nic nebrání. Pak je potřeba počítat s tím, že tento nový TEV nebude nastaven ideálně pro konkrétní stroj, a tím spíš je potřeba jím regulované přehřátí zkontrolovat a většinou doregulovat. To berte jako další důvod, proč musí chlaďař přehřátí, resp. nastavení TEV po výměně zkontrolovat a v případě chybného přehřátí ho správně nastavit dle výrobce TČ.

Přehřátí u chladiv R410A a R407C

Chci upozornit, že např. pro častěji používané chladivo R410A jsou doporučované hodnoty přehřátí s TEV cca o 1–2 K vyšší než u chladiva R407C v závislosti na kombinaci teplot primárního a sekundárního okruhu. To je dáno např. tím, že chladivo R410A má velmi malý teplotní skluz – jen asi 0,14 Kelvinu za vypařovacího tlaku 6,8 bar (To = −5 °C, sytá pára; −5,14 °C na syté kapalině). Jinými slovy, teplota vypařujícího se chladiva R410A se téměř nemění, takže rozdíl mezi teplotou T10 a vypařovaným chladivem je téměř konstantní. Zato chladivo R407C má za tlaku 3,8 bar vypařovací teplotu na syté páře sice také To = −5 °C, ale chladivo (sytá kapalina) začíná za stejného tlaku vřít již při cca −11,93 °C, takže teplotní skluz je cca 6,9 Kelvin! Tzn., že u chladiva R407C během samotného vypařování významně roste teplota chladiva, a tím se pak po vypařování dává chladivu menší „prostor“ se přehřát oproti teplotě syté páry, protože s R407C se postupně během vypařování rozdíl mezi T10 a vypařujícím se chladivem snižuje. Proto také u chladiva R407C můžete vidět menší rozdíl mezi (T10−To) než u R410A. Rozdíl (T10−To) u R410A běžně bývá asi 4–6 Kelvin, u R407C cca 2–5 Kelvin. Pro jistotu upozorňuji, že vypařování ve výparníku začíná ze stavu mokré páry, takže ve výparníku neprobíhá celý teplotní skluz tak, jak bylo uvedeno pro samotné chladivo, ale jen jeho část, a tento teplotní skluz je u R407C mnohem vyšší, proto se při rozumně navrženém výparníku páry chladiva R407C méně přehřívají proti syté páře (konec vypařování). To také znamená, že kritickou chybu v nastavení TEV uděláte snáz u chladiva R407C než u R410A – pokud se bavíme o příliš otevřeném TEV a riziku nástřiku kapaliny až do kompresoru.

Jaký vliv má přehřátí chladiva na topný výkon TČ?

Na obr. 9 jsou uvedené teploty v okruhu chladiva (R410A) pro normové podmínky B0/W35 °C, kde s TEV nastaveným z továrny výrobcem TČ tento stroj EQ8 dosahuje topného výkonu 7,6 kW, což bereme jako výchozí stav. Za tohoto výchozího stavu je přehřátí chladiva ∆Toh = 5 K, s vypařovací teplotou −5 °C. Pokud by chlaďař TEV příliš přiškrtil, např. tak, že by vypařovací teplota byla −10 °C s přehřátím 10 Kelvin, tak topný výkon by pro stejné teplotní podmínky B0/W35 °C klesl proti výchozímu stavu cca o 14 %. Kdyby se místo TEV použil odpovídající EEV, který by dokázal snížit přehřátí na 2 K se vzrůstem vypařovací teploty o pouhý 1 K, tak topný výkon by narostl asi o 4 %. Vidíte tedy, že korektní nastavení TEV je poměrně dost citlivá záležitost a je potřeba mu věnovat zvýšenou pozornost.

Obr. 9 – Vliv přehřátí chladiva na topný výkon TČ pro podmínky B0/W35 °C

Technikům je dobré poskytnout i shrnutí v Tab. 3, které říká, co se děje při škrcení a otevírání expanzního ventilu, přičemž je jedno, zda jde o ventil elektronický nebo termostatický.

Seřízení TEV v letních měsících u TČ vzduch/voda

Obr. 10 – Průběh teplot v okruhu chladiva R417A u TČ vzduch/voda typu ON/OFF včetně změny přehřátí v závislosti na venkovní teplotě, výstupní teplota otopné vody 35 °C (Zdroj: Dimplex)

O čem se moc nemluví, je výměna TEV u TČ vzduch/voda v letních měsících, kdy si chlaďaři často právem stěžují, že nemohou TEV uspokojivě seřídit. Zaprvé má TČ vzduch/voda za vyšších teplot venkovního vzduchu mnohem vyšší výkon než v zimě, takže jeho běh např. do teplé vody je dost krátký a změny teplot jsou velmi rychlé. Také však v grafu na obr. 10 pro výstupní teplotu otopné vody 35 °C můžete vidět, že za vyšších teplot vzduchu okolo 30 °C je přehřátí chladiva dosti velké, klidně okolo 15 Kelvin, a není to žádná chyba, protože při stejném nastavení je v topné sezoně přehřátí již v běžných a bezpečných mezích – je evidentně nižší. Jen chlaďaři často neznají takovýto graf, resp. návaznost. Starší chlaďaři o tomto „fenoménu“ vědí a raději – pokud to jen trochu jde – TEV v letních vedrech vůbec nemění. Mladší kolegové to občas zkusí, řeknou si obecnou poučku, že přehřátí má být max. 10 K, tak ventil ve vedru otevřou víc než by měli, takže v topné sezoně jedou na místo TEV přiškrtit, protože kompresor si již kvůli příliš otevřenému TEV nasává kapalinu.

Také si všimněte, že graf na obr. 10 trošku nabourává obecně známou poučku, že s rostoucí teplotou nízkopotenciálního zdroje tepla (vzduch, voda, nemrznoucí směs) při stejné výstupní teplotě otopné vody klesá teplota horkého plynu. Na obr. 10 však vidíte, že průběh teploty horkého plynu je značně prohnutý. Že roste teplota horkého plynu s klesající venkovní, resp. s klesající vypařovací teplotou, je obecně známé. Ale že od venkovní teploty asi 10 °C a vyšší začne růst teplota horkého plynu, to může leckoho překvapit – důvodem tohoto růstu teploty horkého plynu je vyšší hodnota přehřátí chladiva na výparníku za vyšších venkovních teplot.

Má smysl zaregulovávat starý TEV při podezření na jeho špatnou funkci?

Pokud byste na starší instalaci měli podezření, že chladivo je do výparníku špatně nastřikováno (ať už moc nebo málo) a množství chladiva by v okruhu bylo přesně dle štítku na TČ, průtok nemrznoucí směsi či vzduchu by byl O.K. a do TČ se nedávno nikdo „nevrtal“, takže „rozladěný“ TEV by byl poslední možností, nemá cenu zkoušet TEV zaregulovávat. Když je totiž TEV v pořádku, tak pracuje správně dlouhé roky (klidně přes 20 let), a jakmile jednou přestane fungovat správně, něco v něm se pokazilo a je potřeba ho vyměnit, následně opět zkontrolovat a eventuelně zaregulovat. Kromě popsaných poruch může někdy odejít pružina, někdy jehla či membrána, může se ulomit kapilára k tykavce (pokud si někdo nedá pozor při servisu), atd. A také může dojít k ucpání vnějšího vyrovnání tlaku – zažil jsem jen při výměně TEV.

Závěr

V rámci tzv. „zelené politiky“ Evropské unie je velký tlak na co nejvyšší hodnoty COP resp. SCOP nově dodávaných strojů – proto se v posledních cca 10 letech tak rozmohly frekvenční měniče a elektronické expanzní ventily. Avšak i starší ON/OFF stroje s TEV tvoří nemalou část ze všech provozovaných TČ, takže pokud technik TEV po jeho výměně překontroluje a dobře nastaví dle požadavků výrobce TČ, tak stroj šetří přírodu více, než kdyby TEV ve vztahu k danému stroji zůstal příliš ušrcený kvůli nastavení z fabriky výrobcem onoho TEV. Takto samozřejmě technik na instalaci běžně nesmýšlí, nebudeme naivní, ale je dobré si připomenout, že jedním z důležitých úkolů TČ je využívat co nejvíce nízkopotenciálního tepla z přírody a mít tak co nejmenší uhlíkovou stopu – čili mít co nejmenší spotřebu elekrické energie. Takže proč stroji neumožnit co nejúspornější provoz a dlouhou životnost správným nastavením TEV?

Je nutné vnímat, že v ČR jsou tisíce strojů s TEV (většinou tedy ON/OFF stroje), a tak si zaslouží naši pozornost. Tyto stroje, alespoň pokud se bavíme o TČ, běžně mají životnost okolo 20 let a ještě dnes se prodávají, takže potřeba servisovat je tady bude minimálně dalších 20 let, resp. určitě déle. Čili vědět, co vyžaduje jeden z nejdůležitejších komponentů v TČ, tedy TEV, jak se chová, by mělo být technikům TČ, resp. obecně chladicích strojů velmi dobře známo.

V tomto článku bylo vysvětleno, že po každé výměně TEV je potřeba jeho nastavené přehřátí minimálně zkontrolovat a případně doregulovat dle požadavků výrobce TČ. Jen tak můžeme s TČ dosahovat co nejvyšších možných hodnot COP, a tedy i provozních úspor, ale vždy s ohledem na maximální bezpečnost kompresoru za všech provozních podmínek.

Zdroje

1. Mečárik, K.–Havelský, V., Tepelné čerpadlá, 1988, kapitola: Termostatické dávkovače, str. 160, vydala Alfa
2. https://www.alfaco.cz/alco/udaje/tx2-tx3.pdf?customize_changeset_uuid=de3efce1-f74b-49bf-8017-a6d4c0f6616e&customize_messenger_channel=preview-0