Zkušenosti z provozu tepelných čerpadel 17: Termostatický vs. elektronický expanzní ventil, díl 1 ze 2

Již delší dobu, a hlavně ve spojení s frekvenčně řízenými kompresory, se masivně rozšířily tzv. elektronické expanzní ventily (dále jen EEV), protože mají potenciál zvýšit efektivitu chladicích strojů v porovnání s desítky let používanými a spolehlivými termostatickými expanzními ventily (dále jen TEV). Důvodem je, že EEV mohou dosáhnout nižších hodnot přehřátí chladiva a ve větším rozsahu (primár/sekundár) v porovnání s TEV. Proto se také s TEV u nově dodávaných TČ v podstatě nesetkáte. I když existují výjimky, např. u některých osvědčených TČ země/voda s ON/OFF kompresory.

Funkce TEV byla rozebrána podrobně zde:

Přečtěte si také Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 14: Termostatický expanzní ventil Přečíst článek

Výhodou TEV při jeho správném nastavení výrobcem TČ je, že se v provozu dokáže zcela sám zaregulovat, protože u něj se tlak náplně tykavky přetlačuje s tlakem chladiva pod membránou a zároveň se silou přednastavené pružiny – to se děje plně automaticky, bez potřeby jakékoliv elektroniky.

Typickou reakci TEV po přepnutí 3cestného ventilu vidíte na grafu Obr. 1, který byl pořízen pro TČ země/voda IVT Greenline HT PLUS C9 typu ON/OFF, které je bez zásahu do okruhu chladiva v provozu téměř 19 let. Těsně před přepnutím 3cestného ventilu do vytápění cca v 11:36 hod. byla teplota zpátečky do kondenzátoru GT9 = 44 °C, aby se po přepnutí 3cestného ventilu snížila na cca 33 °C. Sledujte, co to udělalo s vypařovací teplotou To. Ta ihned po přepnutí sklesala cca z 2,8 °C na 0,6 °C (pokles relativního tlaku z cca 4,1 na 3,7 bar). Proč? Důvodem je, že po přepnutí 3cestného ventilu klesla kondenzační teplota Tc, a tedy i kondenzační tlak (pokles rel. tlaku přibližně z 22 bar na 15 bar), což způsobilo, že byl nižší tlakový spád na TEV, a proto do výparníku bylo krátkodobě nastříknuto o něco méně chladiva, což se projevilo nižší vypařovací teplotou To = 0,6 °C. Ale postupně, cca do minuty, se vypařovací teplota To, a tedy i tlak Po vrátily zpět na původních cca 2,8 °C/4,1 bar.

Všimněte si, že chvíli po přepnutí 3cestného ventilu byla teplota podchlazeného chladiva Tcu vyšší než teplota kondenzační Tc. Důvodem je, že kondenzační teplota Tc je převedena z tlaku, který se mění okamžitě, ale od kondenzátoru do TEV běžně proudí kapalina, jejíž potrubí je ještě prohřáté od předchozího provozu, a také se musí ochladit samotné příložné čidlo Tcu, které má nějakou hmotu. Tento chvilkový stav teplot Tc a Tcu také napovídá, že pár vteřin po přepnutí 3cestného ventilu do TEV proudilo zpěněné chladivo. Čidla GT10/11 jsou teploty primárního okruhu a jsou v souladu s teplotami chladiva – čili vypařovací teplota To je jen lehce pod teplotou GT11 a zároveň přehřátí ∆Toh = Toh − To je nízké, mezi 3,5 až 4 K.

Obr. 1, Graf perfektního průběhu teplot na okruhu chladiva TČ země/voda s TEV, který výborně reaguje na teplotní změnu na kondenzátoru stroje. Pro upřesnění – teplota horkého plynu v čase 11:47:40 byla 76 °C.

Pokud toto naměřené přehřátí pro dané podmínky (zpátečka sekundáru cca 45 °C, zpátečka primáru do TČ cca 8 °C) porovnáte s Tab. 1 ve zmíněném článku o termostatickém ventilu, vidíte, že přehřátí v tabulce je o něco vyšší, než jsme naměřili v grafu Obr. 1. Co je příčinou tohoto nesouladu?

Důvodem je, že tabulka byla vytvořena pro ∆T na kondenzátoru 5 K, ale naše měření proběhlo pro ∆T = 8 K. Tzn. že pro podmínky na Obr. 1 máme vytvořen malinko větší tlakový spád na TEV a jak je známo, s rostoucím tlakovým spádem klesá přehřátí chladiva. Nezapomeňme samozřejmě i na nějakou chybu měření, pokud diskutujeme, zda přehřátí by dle očekávání mělo být cca 4,5–5 K a my měříme něco okolo 3,5–4 K.

U grafu Obr. 1 je dobré si uvědomit, jak rychle TEV na přepnutí zareagoval, jako by mu ani nebylo 19 let – to svědčí nejen o správném návrhu TEV pro daný kompresor, ale také o velmi dobrém komponentu s dlouhou životností. Ačkoliv TEV fungují skvěle, pro frekvenčně řízené stroje je v honbě za vyšším COP nutno použít EEV, protože dokáží při dobrém SW ještě lépe dávkovat chladivo do výparníku.

Jak funguje EEV

Elektronické expanzní ventily běžně mají tělo z nerezové oceli a uvnitř je permanentní magnet s jehlou. Permanentní magnet s jehlou se pohybují díky změnám magnetického pole vybuzeného řízením toku elektrického proudu cívkami pohonu. U EEV existují různé konstrukce, jakými se otáčivý pohyb permanentního magnetu přenáší na jehlu pro přesné řízení jejího zdvihu k zajištění požadovaného přehřátí. Každopádně každý EEV má závit, díky kterému se může ventil otevírat nebo zavírat. Záleží na výrobci EEV, zda použije závit levý nebo pravý. Může chodit po závitu samotná jehla, která je pevně napojena na permanentní magnet (viz řez Obr. 2). U jiného EEV se naopak po závitu pohybuje permanentní magnet, jehož pohyb nahoru/dolů kopíruje jehla díky dorazu při pohybu nahoru, resp. díky pružině a dorazu při pohybu dolů (viz Obr. 3).

Obr. 2, EEV s jehlou chodící po závitu (závit v modrém segmentu ventilu v levém řezu), řez celou sestavou s pohonem včetně 5žilové kabeláže a svorkovnice pro dva expanzní ventily VR0 a VR1. Každý pár cívek je v kovovém obalu a je obklopen horními a dolními zuby, jejichž polarita se při zmagnetizování mění v závislosti na tom, jaká cívka je zrovna aktivní. V tomto obrázku není aktivní žádná cívka z horního páru cívek. Naopak v dolním páru je aktivní cívka, kterou proud elektronů teče shora směrem dolů (dohodnutý směr elektrického proudu je opačný než směr toku elektronů), což způsobí, že horní zuby tohoto páru jsou zmagnetizovány tak, že mají severní polaritu (N = North) a dolní zuby mají polaritu jižní (S = South).

Obr. 3, Řez EEV, u kterého chodí po závitu permanentní magnet, jehož pohyb nahoru/dolů kopíruje jehla s pomocí dorazu a pružiny. Vlevo je ventil zcela uzavřen, vpravo zcela otevřen. Pohon ventilu je 6žilový, 4 cívky. Zdroj: Inverter Mini Split Operation and Service Procedures, Craig Migliaccio

Pohon ventilu na Obr. 2 má zdroj napětí 12 V DC. Tento pohon se 4 cívkami je pomocí 5žilového kabelu připojen na řídicí desku okruhu chladiva. Šedivý kabel je společný pro všechny 4 cívky pohonu. Pro ostatní 4 žíly cívek pohonu EEV (oranžová, žlutá, červená, černá) se v řídicí desce spínají výstupy (jde o tzv. pulzy řízené regulátorem přes tranzistory) a tím se rozhoduje, jaká cívka pohonu je právě aktivní. Každá cívka má přesně daný směr, kterým při jejím buzení teče stejnosměrný proud, čímž se jednoznačně určuje polarita vzniklého magnetického pole, které působí na permanentní magnet (prostřednictvím magnetickým polem zmagnetizovaných zubů pohonu) a permanentní magnet rotoru se tak následně otáčí.

O směru otáčení (a tedy zavírání/otevírání ventilu) rozhoduje sekvence spínání výstupů v desce. Směr se mění jen opačným pořadím spínání/buzení cívek pohonů. Běžně se používá metoda buzení cívek 1-2, což znamená, že se v jednotlivých krocích střídavě aktivuje jedna nebo dvě cívky pohonu (viz Tab. 1). Póly permanentního magnetu (rotor) jsou přesně v ose s magneticky opačně zmagnetizovanými póly zubů na pohonu tehdy, kdy je buzena pouze jedna jediná cívka pohonu (viz Obr. 4). Takže např. póly „severní“ (N) na permanentním magnetu jsou v ose s póly zubů (na těle pohonu), které byly cíleně zmagnetizovány jako „jižní“ (S) jednou příslušnou cívkou pohonu – platí zde známé pravidlo, že póly opačné polarity se přitahují. Když jsou následně naopak buzeny dvě přesně určené cívky pohonu, tak se póly permanentního magnetu dostávají do poloviny kroku, který by jinak absolvovaly, pokud by se vždy aktivovala jen jedna cívka pohonu (to by byla metoda 1-1), a tak je krokování EEV velmi jemné a přesné pro co nejlepší řízení přehřátí chladiva.

Tab. 1, Sekvence buzení cívek pohonu EEV, metoda buzení 1-2. Cívka 1 (Coil I) se skládá ze dvou cívek (orange/oranžová, yellow/žlutá) a Cívka 2 (Coil II) také ze dvou cívek (red/červená, black/černá), šedivý vodič (gray) je společný (Common). Otevírání ventilu probíhá v krocích v tabulce směrem shora dolů, naopak zavírání směrem zdola nahoru. Tabulka je ve shodě s grafikou Obr. 4. Zdroj: Danfoss

Obr. 4, Grafické znázornění toho, jak se mění polarita zubů pohonu v závislosti na buzení cívek pohonu v 8 krocích, kdy se permanentní magnet otáčí doleva a EEV se otevírá. Znázornění je ve shodě s Tab. 1, takže jde o řízení, které vyhovuje EEV s pravým závitem, kdy při pohybu doprava se ventil uzavírá.

Na obr. 4 je pro lepší pochopení v každém kroku i zakreslena příslušná buzená cívka (popř. rovnou dvě) a směr, kterým tečou elektrony při jejím buzení. Pěkné video o funkci EEV, avšak z hlediska řízení přehřátí s méně přesnou budící metodou 1-1:

Regulátor řídí otevření EEV, a tedy polohu jehly, dle požadovaného a aktuálního přehřátí par chladiva v sání kompresoru.

Vzhledem ke konstrukci EEV je dobré si uvědomit, že pokud je regulace TČ „spokojena“ s přehřátím chladiva, nejsou cívky pohonu EEV buzeny a EEV tak drží jehlu v pevné pozici. Důvodem je, že pevná pozice je udržena díky závitu (stejně jako běžný šroub) a je jedno, zda se tento závit nachází na samotné jehle či na segmentu permanentního magnetu. To je velmi užitečný fakt, protože před servisem okruhu chladiva stačí EEV v testu otevřít a buď odepnout napájení stroje, nebo z EEV sundat pohon, takže se chlaďař nemusí bát, že by mu zavřený EEV bránil v odsátí veškerého chladiva.

EEV sám o sobě COP automaticky nezvýší

Samotná instalace EEV místo TEV však automaticky neznamená zvýšení COP. Takový EEV totiž ke své správné činnosti potřebuje precizní řízení přehřátí chladiva v sání kompresoru, což se neobejde bez:

• použití kvalitního tlakového čidla na sání kompresoru pro následný převod tlaku regulací na příslušnou vypařovací teplotu To použitého chladiva v TČ (viz čidlo JR0 na Obr. 5)
• kvalitního příložného čidla na měření teploty studených par chladiva na sacím potrubí ke kompresoru (viz čidlo Toh na Obr. 5)
• správného naprogramování regulátoru (viz regulační deska na Obr. 5)

Obr. 5, Schéma okruhu chladiva TČ země/voda s EEV a potřebnými komponenty pro jeho řízení dle přehřátí chladiva ∆Toh v sání kompresoru

Výrobci EEV často spolu s ventilem a jeho pohonem dodávají přímo jejich vlastní regulátor, který již je pro začátek nějak nastaven, ale zpravidla je nutno jeho nastavení ještě doladit, protože nikde není napsáno, že výrobcem EEV je takový regulátor nastaven ideálně pro určitý stroj, resp. kompresor. Řada výrobců TČ tedy programuje jejich vlastní regulátory, aby EEV odřídili přesně dle jejich potřeb pro co nejvyšší COP a v neposlední řadě i pro maximální bezpečnost provozu kompresoru.

Programátor regulátoru pro EEV musí počítat s celou řadou provozních situací, se kterými je potřeba se pro bezpečný a úsporný provoz zařízení vypořádat, jako např.:

• otevření EEV před startem kompresoru např. pro vyrovnání tlaků, ale také v souvislosti s migrací chladiva do výparníku před samotným startem kompresoru, v jehož kompresním prostoru by se neměla vyskytovat kapalina ani na jeho startu
• optimální % otevření EEV na startu kompresoru
• dostatečně rychlé otevírání EEV při zrychlování kompresoru (TČ s frekvenčním měničem kompresoru), aby nerostla příliš teplota horkého plynu
• dostatečně rychlé přivírání EEV při zpomalování kompresoru (TČ s frekvenčním měničem kompresoru), aby se do kompresoru nedostala kapalina
• stabilizování otevření EEV na konstantních otáčkách kompresoru
• % otevření či přivření EEV v závislosti na změně teplot primáru/sekundáru. Typicky při přepnutí 3cestného ventilu z vytápění do zásobníku teplé vody za běhu kompresoru, popř. přepnutí 3cestných ventilů na primární straně TČ při souběžné dodávce tepla a chladu
• u strojů s více kompresory ON/OFF je nutno ohlídat větší % otevření EEV, když se již k běžícímu kompresoru přidává další, a naopak přivření EEV, pokud se jeden kompresor právě odpojuje
• atd.

Vidíte tedy, že nahrazení TEV pomocí EEV je dost komplexní disciplína, a není tedy úplně banální. Tady je nutné zdůraznit, že logika řízení EEV by měla být uzavřená záležitost pro samotného dodavatele TČ a nikdo jiný než dodavatel stroje by neměl do nastavení EEV jakkoliv zasahovat. Pokud byste narazili na výrobce, který vám umožňuje nebo snad nařizuje doladit nastavení EEV pro danou instalaci (např. u TČ typu split, kde se instalace mezi sebou mohou lišit v délce potrubí), mějte se velmi na pozoru.

Nejlépe jakékoliv ladění EEV na instalaci z vaší strany (pokud nejste výrobce) striktně odmítněte. Můžete totiž způsobit více škody než užitku s ohledem na životnost kompresoru.

Zodpovědný výrobce v továrně udělá klidně stovky testů pro precizní zvládnutí všech situací uvedených výše v odrážkách a znemožní komukoliv mimo továrnu do nastavení EEV sahat. Pokud toto výrobce umožňuje, je sám proti sobě, zvlášť pokud nedá jasný návod nebo hranice, kterou konstantu, jak a kdy měnit – odnáší to ve finále kompresory. Je třeba si rovněž uvědomit, že součástí vzdálené správy, tedy monitoringu u některých výrobců, je hlídání toho, co, jak, kdy a kým se v nastavení stroje změnilo. Při případné poruše např. kompresoru pak nemusejí uznat záruku, pokud nastavení EEV bylo v rozporu s nastavením továrny, a náklady ponese servisní technik.

Řízení EEV dle přehřátí chladiva v sání kompresoru je pro co nejvyšší efektivitu stroje nejlepší, ale je možno se setkat např. s jednotkami typu Split, u kterých EEV není řízen přímo dle přehřátí chladiva.

Tyto stroje byly původně primárně určeny pro chlazení jako klimatizační jednotky, a následně je výrobci uzpůsobili i pro vytápění. Pro režim chlazení výrobce klimatizační jednotky klasicky dal na sání kompresoru tlakové čidlo (viz čidlo JR1 na Obr. 6), aby věděl vypařovací teplotu a částečně s její pomocí mohl stanovit, jak otevřít EEV. Ale jak vidíte na stejném snímku, tak na sání kompresoru v režimu chlazení chybí příložné čidlo pro možnost určení přehřátí. Také z tohoto důvodu je v sání kompresoru odlučovač kapaliny, aby byl kompresor chráněn.

V režimu vytápění to je ještě zajímavější – směr proudění chladiva se otočí a v tu chvíli je tlakové čidlo JR1 pouze na výtlaku kompresoru, takže místo vypařovací teploty známe teplotu kondenzační, protože taková klimatizační jednotka má tlakové čidlo jedno jediné.

Z uvedeného je zřejmé, že ani při vytápění nelze u takového stroje řídit EEV přímo dle přehřátí chladiva v sání kompresoru, i když výrobce bezpečné přehřátí zajistit musí. Velikost otevření EEV pak výrobce TČ určuje např. ze souboru těchto parametrů, které musí správně uvážit v SW regulace (položky vyžluceny na Obr. 6):

• Teplota měřená přímo na trubce nástřiku chladiva od EEV do výparníku (mezi EEV a výparníkem), popř. opět „někde“ na trubce lamelového výměníku: ačkoliv neznáme vypařovací teplotu, tak ji lze s určitou přirážkou k popsaným teplotám alespoň odhadnout
• Kondenzační teplota převedená z tlaku na výtlaku kompresoru: vztah kondenzační a vypařovací teploty pomáhá v odhadu cílové teploty horkého plynu na výtlaku kompresoru
• Teplota horkého plynu na výtlaku kompresoru: její aktuální hodnota ve vztahu k odhadnuté vypařovací a změřené kondenzační teplotě pomáhá určit, jak moc EEV otevřít/přivřít, aby kompresor byl chráněn před nasátím kapalné složky chladiva
• Otáčky kompresoru a jeho izoentropická účinnost – s rostoucím tlakovým poměrem obecně klesá izoentropická účinnost kompresoru, což také znamená, že konečná teplota horkého plynu se více liší od teploty určené pro idealizovaný děj izoentropický a to lze v praxi zohlednit i v otevření EEV
• Čas, atd.

Obr. 6, Schéma okruhu chladiva TČ vzduch/voda typu split, kde tlakové čidlo JR1 při vytápění slouží k určení kondenzační teploty Tc, při chlazení k určení vypařovací teploty To. Červené šipky – režim vytápění, modré šipky – režim chlazení

Z této teorie vyplývá, že takový stroj typu split bude při vytápění zákonitě pracovat s horším COP a i většími hodnotami přehřátí než u strojů s klasicky měřeným a pro řízení EEV využívaným přehřátím. Protože na příložných čidlech jsou větší časová zpoždění (tlakové čidlo reaguje ihned), řada teplot se jen odhaduje, a z toho důvodu musí výrobce kvůli bezpečnosti kompresoru takový EEV škrtit více na základě výsledků testů v továrně. Ať už je EEV řízen dle přehřátí v sání, nebo „jen“ s nepřímým ohledem na něj přes jiné parametry, výrobci frekvenčně řízených kompresorů je často rovnou dodávají právě s odlučovači kapaliny v sání kompresoru. Jak vidíte, problematika řízení EEV je ve vztahu k řadě proměnných dost komplikovaná a pro kompresor může být při špatném návrhu a řízení bez nadsázky ohrožující.

Průběhy teplot v okruzích TČ vzduch/voda s EEV

EEV umožňuje dosáhnout díky většímu možnému otevření (a tedy většímu množství nastřikovaného chladiva do výparníku, resp. ke kompresoru) nižších hodnot přehřátí na sání kompresoru než v případě TEV, proto roste výkon a COP stroje. S EEV se můžeme pohybovat klidně na přehřátích blízkých 0 K (např. 0,2 K dle Obr. 7 pro TČ vzduch/voda), kdy se dostáváme na samou hranici přesnosti měření.

V grafu Obr. 7 si prosím všimněte jakéhosi oblouku na křivce výstupní teploty otopné vody TC3 a kondenzační teploty JR1 (PH1). Tento oblouk je důkazem, že se snižující se vypařovací teplotou PL1 (jak namrzá výparník v průběhu cca 3hodinového provozu) klesá topný výkon stroje, i když kompresor je na 100 % otáček, jelikož s klesající vypařovací teplotou klesá hustota nasávaného chladiva, a tedy i hmotnostní průtok chladiva. Teplota otopné vody od jistého momentu klesá navzdory tomu, že regulace snižuje otáčky oběhového čerpadla teplé strany PC0 s cílem držet konstantní deltu otopné vody TC3 − TC0 na kondenzátoru. Proto je tak důležité dosahovat co nejnižších hodnot přehřátí pro co nejvyšší topný výkon a COP stroje.

Obr. 7, Ukázkový průběh teplot na okruhu chladiva u TČ vzduch/voda IVT Air X, kde (TR5 − PL1) = 0,2 K je tzv. přehřátí chladiva, TL2 – teplota nasávaného vzduchu, (JR1 − TR3) = 3,3 K je tzv. podchlazení chladiva, TC0 – teplota zpátečky otopné vody na vstupu do kondenzátoru, TC3 – výstupní teplota otopné vody na výstupu z kondenzátoru, TR6 – teplota horkého plynu

Že jsme na samé hranici přesnosti měření si každý zodpovědný výrobce uvědomuje, a proto se neuspokojí jen kladnou hodnotou přehřátí, ale automaticky s ní pro maximální bezpečnost kontroluje, zda teplota horkého plynu na výtlaku kompresoru není příliš blízko kondenzační teplotě. Pokud je tedy určitou dobu přehřátí chladiva na sání kompresoru příliš nízké a zároveň horký plyn není dostatečně vysoko nad kondenzační teplotou (např. min. o 20 K u chladiva R410A, dle výrobce), tak dobře navržené TČ vyhlásí poruchu. Tomu odpovídá typicky stav na Obr. 8 pro TČ vzduch/voda, kde je v místě kurzoru přehřátí TR5 − PL1 sice 0,4 K (takže teoreticky byste čekali, že do kompresoru jít kapalina nemůže), ale horký plyn TR6 je pouhých 12,4 K nad kondenzační teplotou PH1 a tento rozdíl se dále ještě zmenšoval v podstatě do 0 K – jasný důkaz, že do kompresoru šla kromě parní složky i kapalina z důvodu problémů na expanzním ventilu. EEV tedy bylo potřeba vyměnit. Zde je nutno zmínit, že do kompresoru šla kapalná složka chladiva i přes to, že tento kompresor měl v sání odlučovač kapaliny – takže ani tento ochranný prvek není všemocný, a proto výrobce TČ nekompromisně hlídá minimální rozdíl teploty horkého plynu TR6 a kondenzační teploty PH1 (JR1).

Obr. 8, Kapalina nastřikovaná do kompresoru z důvodu vadného EEV u TČ vzduch/voda, legenda teplot stejná jako v předchozím obrázku

Příklad, kdy do kompresoru byla nastřikována kapalina a TČ chybu nehlásilo, jsme uvedli ve 2. díle „Zkušeností“ na obr. 3.

Přečtěte si také Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 2.: Frekvenční měnič, expanzní ventil Přečíst článek