Námraza u tepelných čerpadel vzduch–voda

Úvod

Tvorba námrazy je významným problémem v systémech HVAC, tepelných čerpadel (TČ) a chladicích systémů s lamelovými výměníky tepla (výparníky, chladiče) určených k ochlazování vzduchu. Pokud je povrchová teplota pod bodem mrazu vody a rosného bodu vzduchu, může se tvořit námraza. Rychlost růstu námrazy závisí na několika faktorech, jako je venkovní teplota, relativní vlhkost, rychlost proudění vzduchu a nečistoty ve vzduchu. Pokud není tvorba námrazy kontrolována, může ovlivnit provoz systému částečným nebo úplným blokováním řádného proudění vzduchu, což může způsobit snížení výkonu nebo vážné poškození systému [1]. Hromadění námrazy v systémech TČ, chlazení a HVAC je nežádoucí, protože vrstva námrazy působí jako tepelná izolace (vytváří dodatečný tepelný odpor) a brání proudění. Například typické hodnoty tepelné vodivosti námrazy se pohybují od 0,03 do 0,4 W/m.K, což je výrazně nižší hodnota než tepelná vodivost většiny kovů a mnoha dalších materiálů. Pro srovnání, tepelná vodivost vody s teplotou blízkou bodu mrazu se pohybuje až kolem 2,2 W/m.K. Nižší tepelná vodivost námrazy je způsobena vzduchovými kapsami a méně jednotnou strukturou, než vykazuje pevný led.

Obr. 1 Schéma navržených strategií pro prevenci a zpomalení tvorby námrazy u HVAC, TČ a chladicích systémů

Obr. 2 Schéma navržených strategií pro odstranění námrazy u HVAC, TČ a chladicích systémů

Autoři zmapovali několik strategií, jak se vyhnout tvorbě námrazy především u TČ vzduch–voda. Tyto strategie lze rozdělit do dvou základních skupin: prevence nebo zpomalení tvorby námrazy a následné odstraňování námrazy. Obr. 1 shrnuje techniky prevence a odstraňování tvorby námrazy. Obr. 2 pak shrnuje techniky odstraňování námrazy. Jak prevence nebo zpomalení, tak odstraňování námrazy lze rozdělit na pasivní a aktivní techniky.

Prvním přístupem k prevenci nebo zpomalení tvorby námrazy jsou úprava povrchu žebra (lamely) výměníku tepla [3], úprava geometrie výměníku tepla, integrace do tepelného čerpadla nebo systému HVAC a implementace materiálů s fázovou změnou [2]. Aktivním technikou jsou pak snížení vzdušné vlhkosti, změna přítoku a charakteristik přiváděného vzduchu a nástřik par.

Obecně lze hovořit o hydrofobních a superhydrofobních površích. V poslední době se zkoumají povrchové úpravy pomocí nanostruktur [4]. Obecně platí, že hlavními důvody pro použití povrchové úpravy je oddálení tvorby námrazy a usnadnění odvodu vody a odstraňování námrazy. Studie geometrických úprav výměníku tepla zahrnují úpravy počtu, rozmístění a typu lamel a jejich interakci s tvorbou námrazy a vliv na rychlost přenosu tepla a přepravní výkon [5].

Jak bylo uvedeno výše, i odstraňovaní již vzniklé námrazy se provádí pasivním nebo aktivním způsobem [6].

U pasivních metod se na rozmrazování nespotřebovává žádná další energie. Jedním příkladem pasivní metody je metoda odmrazování při vypnutí kompresoru, kdy se kompresor dočasně vypne, čímž se zastaví cirkulace chladiva přes výměník ochlazující vzduch. V některých případech je ventilátor zapnut a přes tento výměník nepřetržitě fouká vzduch, aby rozpustil námrazu. Okolní vzduch s vyšší teplotou tak pomalu rozpouští námrazu. Z tohoto důvodu nelze tuto metodu použít, když je okolní teplota nižší než 1 °C [7]. Hlavním problémem této metody je dlouhá doba odmrazování a dočasné kolísání teploty v řízeném prostředí.

U aktivních technik je potřeba energie navíc a někdy se používá pomocný systém. Proto by měla být účinnost odmrazování u aktivních technik definována jako poměr mezi ideální energií potřebnou k odstranění určitého množství námrazy a energií skutečně spotřebovanou během procesu odmrazování. Mezi aktivní metody odstraňování námrazy patří: odmrazování s reverzním cyklem, oscilace a ultrazvukové vibrace, odtávaní horkými plyny a elektrický ohřev. V některých případech se používá kombinace dvou nebo více způsobů odmrazování současně.

S rostoucí poptávkou po energeticky účinných a udržitelných technologiích chlazení a vytápění se implementace metod aktivního odmrazování stala zásadní pro zvýšení spolehlivosti systému, optimalizaci spotřeby energie a optimalizaci řízení odmrazování. Nedávné odhady ukazují, že asi 35 % spotřeby energie budov se spotřebuje na vytápění nebo chlazení [8]. Energetická účinnost v rámci využívání HVAC a TČ, stejně jako celková účinnost systému, mají prostor ke zlepšování.

Strategie odstraňování námrazy

Na rozdíl od strategií prevence vzniku námrazy, jejichž cílem je zabránit tvorbě námrazy, strategie odstraňování námrazy působí na odstranění námrazy, která se již vytvořila. Nejběžnější techniky jsou popsány níže.

Obrácený cyklus odmrazování

Obr. 3 Metoda odmrazování v obráceném cyklu v chladivovém okruhu tepelného čerpadla
1 – kompresor, 2 – vnitřní výměník, 3 – expanzní ventil, 4 – venkovní výměník, 5 – odlučovač kapalného chladiva, 6 – čtyřcestný přepínací ventil

Metoda reverzního cyklu odmrazování (RCD) je nejběžnější metodou, kde se pro přepínání mezi normálním režimem vytápění a odmrazování používá čtyřcestný ventil. Když cyklus pracuje v režimu odmrazování, vnitřní výměník funguje jako výparník a venkovní výměník funguje jako kondenzátor. Obr. 3 ukazuje proces odmrazování s obráceným cyklem. V tomto režimu prochází horké chladivo, které vychází z kompresoru, venkovní jednotkou. Ve venkovní jednotce chladivo kondenzuje a uvolněné teplo se využívá k rozpuštění nahromaděné námrazy v procesu odmrazování. Za venkovní jednotkou protéká chladivo přes sběrač kapalného chladiva a prochází procesem expanze v expanzním ventilu, než vstoupí do vnitřní jednotky (která nyní funguje jako výparník). Nakonec chladivo vstupuje do kompresoru a proces odmrazování pokračuje, dokud není odstraněna námraza vytvořená na venkovní výměníkové části jednotky. Tuto techniku lze použít společně s akumulací energie, nejčastěji v akumulační nádobě.

Různé výsledky výzkumů ukazují, že pro odmrazování platí, že poměr kombinovaného tepla potřebného k rozpuštění námrazy k odpaření zadržené vody a celkového množství tepla poskytnutého během odmrazování se pohybuje mezi 30 až 50 %.

Oscilace a ultrazvukové vibrace

Technika ultrazvukových vibrací využívá vibrační energii k oddělení a odstranění námrazy. Vysokofrekvenční ultrazvukové mechanické vibrace se používají k rozbití krystalů námrazy a vrstev námrazy. Hlavním problémem této techniky je, že pokud je použit výměník tepla střední nebo velké velikosti, musí být zvětšena velikost a výkon ultrazvukového zařízení. To má za následek vyšší spotřebu energie a velké investice do zařízení.

Obtok horkého plynu – zkrácený topný okruh

Obr. 4 Způsob odmrazování horkým plynem v chladivovém okruhu se zkráceným topným okruhem (HGBD)
1 – kompresor, 2 – vnitřní výměník, 3 – expanzní ventil, 4 – venkovní výměník, 5 – odlučovač kapalného chladiva, 6 – ventil na vstupu horkých par chladiva do vnitřního výměníku, 7 – ventil na vstupu horkých par chladiva do venkovního výměníku

Metoda obtoku horkého plynu je spíše známa jako vytápění a odtávání zkráceným topným okruhem, viz obr. 4. Z konstrukce okruhu je patrné, že k topení nebo odtávání je zde využito pouze příkonu do kompresoru. Doba odtávání však muže být díky této skutečnosti delší oproti odtávání reversním cyklem. Pro svou nižší výrobní cenu a jednodušší konstrukci se tento typ chladivového okruhu velice často používá v přepravním chlazení. V principu se při topném nebo odtávacím cyklu uzavře ventil 6 a otevře se ventil 7. Horké páry z výtlaku kompresoru obtékají vnitřní výměník tepla a místo toho proudí přímo do venkovního výměníku. Ohřátím trubek a lamel venkovního výměníku tepla dojde k odtání namrzlé vzdušné vlhkosti.

U cyklu HGBD je horké chladivo z výtlaku kompresoru odváděno do venkovního výměníku. Horké chladivo vstupuje do venkovního výměníku a výrazně zvyšuje jeho teplotu. Toto teplo způsobí, že námraza na spirále taje a mění se ve vodu. Hlavní rozdíl mezi HGBD a RCD je v tom, že HGBD nevyžaduje žádné přepínání zpětného ventilu (čtyřcestný ventil).

Elektrický ohřev

Metody elektrického ohřevu využívají elektrický topný článek umístěný vedle nebo integrovaný do trubkovnice a lamel výparníku. Během odmrazovacího cyklu se zapne elektrický ohřev a přeruší se tok chladiva do výparníku. Vzhledem k tomu, že elektrický ohřívač je namontován externě k výparníku, účinnost odmrazování je bídná. Pouze cca 1 až 5 % elektricky vyrobeného tepla se přímo použije k odmrazování. Zbytek energie je předán do okolí (vzduchu).

Pozn.: Z důvodů nižší výrobní ceny a jednoduchosti chladivového okruhu se elektrické odtávání používá u kontejnerových chladivových okruhu v námořní přepravě. V tomto případě se však na výstup vzduchu z výparníku zařazuje klapka zamezující proudění vzduchu do chlazeného prostoru.

Horká tekutina

Technika horké tekutiny zahrnuje použití zahřáté tekutiny, obvykle vody nebo solanky, k rozpuštění námrazy. Během procesu odmrazování je kompresor deaktivován. Ohřátá kapalina se nastříká na výparník a po rozprášení se voda a rozpuštěná námraza odvedou. Vlivem povrchového napětí však zůstává na površích mokrý film, což vede k dalším potížím a rovněž je potřeba mít vyhrazený zdroj teplé vody.

Pozn.: U okruhů s nepřímým chlazením lze teplou (horkou) teplonosnou látku ohřívat elektrickým ohřívačem zapojeným do série před odtávaný chladič. V tomto případě kapalina (nebo část kapaliny v případě chladivového okruhu s více chladiči vzduchu) cirkuluje ve zkrácené smyčce [11].

Metoda elektrického pole

Metoda s pomocí elektrického pole zahrnuje interakci mezi elektrickým polem a tokem dielektrické tekutiny. Tato interakce má za následek generování elektrické síly tělesa na jednotku objemu, působící na dielektrické médium umístěné v elektrickém poli. Tato síla se skládá ze tří sil: elektroforetické síly, dielektroforetické síly a elektrostrikční síly. Elektroforetická síla je výsledkem čistých volných nábojů v dielektrickém prostředí, dielektroforetická síla souvisí s translačním pohybem neutrálních částic v důsledku polarity elektrického pole a elektrostrikční síla představuje objemovou sílu, kdykoli uvnitř existuje nehomogenní elektrické pole [9].

Elektrická pole mohou ovlivnit růst ledových krystalů díky elektrostatickým principům. Díky těmto principům se kolem krystalu vytvoří silná elektrická pole a budou polarizovat molekuly vody. Pokud má pole také silný gradient, jsou polarizované molekuly přitahovány ve směru silnějších polí. To ovlivňuje růst ledu, urychluje růst krystalu a mění ostrou špičku krystalu. Teoreticky, pokud aplikovaná frekvence odpovídá přirozené frekvenci krystalu, lze dosáhnout úplného odstranění krystalu z chladného povrchu [10].

Závěr

Námraza je běžným problémem v zařízeních techniky prostředí, a především tepelných čerpadel vzduch-voda, obecně všech chladivových okruhů, kde dochází k ochlazování vzduchu. Silně ovlivňuje provozní účinnost zařízení a vede ke značnému zvýšení spotřeby energie. Byly zde popsány účinné pasivní a aktivní techniky proti mrazové ochrany a odmrazování již vzniklé námrazy. Některé využívané techniky mají nevýhody v tom, že je nutné přidat do systému další zařízení. To způsobuje dodatečné náklady a větší složitost systému. Na druhou stranu lze některé systémy upravit podle potřeby a zlepšit efektivitu.

Kromě technik odmrazování s reverzním cyklem a technik horkých plynů, které jsou široce používány v průmyslu, bylo uvedeno i několik dalších technik aktivní ochrany proti mrazu.

Na základě rozsáhlé literární rešerše jsme dospěli k závěru, že neexistují žádné zavedené základní nebo standardní testovací podmínky týkající se velikosti systému, charakteristik přiváděného vzduchu, intenzity růstu námrazy, míry omezení námrazy, povrchové teploty a dalších proměnných. Lze se možná domnívat, že lze použít Carnotovu definici COP k vytvoření základní linie pro takové srovnání, ale ověřeno to není. Na základě předchozího závěru tak stále existuje potřeba jasné definice proměnných pro porovnávání různých technik. Měly by být uváděny alespoň proměnné jako COP, tloušťka námrazy a spotřeba energie na odmrazovací cyklus, aby sloužily jako základ pro srovnání.

Literatura

1. A.P. SARMIENTO, F.I.P. DE SÁ SARMIENTO, A. SHOOSHTARI, M. OHADI. A review of recent progress in active frost prevention/control techniques in refrigeration and HVAC systems. Applied Thermal Engineering, Volume 253, 15 September 2024, 123680
2. H. GU, Y. CHEN, X. YAO, L. HUANG, D. ZOu. Review on heat pump (HP) coupled with phase change material (PCM) for thermal energy storage. Chem. Eng. J., 455 (Jan. 2023), Article 140701
3. M. AMER, C.-C. WANG. Review of defrosting methods. Renew. Sustain. Energy Rev., 73 (Jun. 2017), pp. 53-74
4. H. HE, N. LYU, C. LIANG, F. WANG, X. ZHANG. Effect of micro-nano structure on anti-frost and defrost performance of the superhydrophobic fin surfaces. Exp. Therm Fluid Sci., 144 (Jun. 2023), Article 110878
5. D. HUANG, Z. RI-JING, Y. LIU, D.-B. YI. Effect of fin types of outdoor fan-supplied finned-tube heat exchanger on periodic frosting and defrosting performance of a residential air-source heat pump. Appl. Therm. Eng., 69 (1–2) (Aug. 2014), pp. 251-260
6. J. AL DOURI, K.S. HMOOD, V. APOSTOL, H. POP, S.J. ALQAISY, E. BEATRICE IBREAN. Review regarding defrosting methods for refrigeration and heat pump systems E3S Web Conf., 286 (2021)
7. M. SONG, S. DENG, C. DANG, N. MAO, Z. WANG. Review on improvement for air source heat pump units during frosting and defrosting. Appl. Energy, 211 (2018), pp. 1150-1170
8. L. PÉREZ-LOMBARD, J. ORTIZ, C. POUT. A review on buildings energy consumption information Energ. Buildings, 40 (3) (Jan. 2008), pp. 394-398
9. V. TUDOR. “Control of frost growth in refrigeration systems using the EHD technique”, Dissertation, University of Maryland (College Park, Md). Department of Mech. Eng. (2003)
10. V. TUDOR, M. OHADI. The effect of stationary and sweeping frequency AC electric fields on frost crystal removal on a cold plate. Int. J. Refrig, 29 (4) (Jun. 2006), pp. 669-677
11. ŠULC, V., SRICHAI, R., HEGAR, M.: Temperature control system having heat exchange modules with indirect expansion cooling and in-tube electric heating, Apr. 24, 2008, US 2008/0092564 A1.