Zkušenosti z provozu tepelných čerpadel 20: Zjištění tlakově slabého chladiva

Úvod

Každý výrobce tepelného čerpadla deklaruje jeho parametry za použití určitého typu chladiva, jehož správné složení se musí dodržet i po zásahu do okruhu chladiva. Pokud je složení chladiva jiné, má stroj následně jiný topný výkon, elektrický příkon a může se potýkat s různými zbytečnými chybami.

Vliv dusíku

V sérii článků o zkušenostech z provozu tepelných čerpadel byla několikrát zmíněna skutečnost, že při servisu občas chlaďař udělá chybu a do okruhu se s požadovaným chladivem dostane i nežádoucí dusík. Dusík se používá jednak jako ochrana částí okruhu, kde se zrovna nepájí (aby se zabránilo vniknutí vlhkého vzduchu do okruhu), ale hlavně průtok dusíku pájeným místem zabraňuje tvorbě okují a vzniku nežádoucích látek, které by mohly v okruhu nadělat paseku. Dusík se následně do okruhu dostane jen kvůli chybě chlaďaře při vakuování okruhu/hadic atd. Parciální tlak dusíku totiž zvyšuje tlak v okruhu nad tlak samotného chladiva jak za klidu, tak za běhu kompresoru. Následkem toho regulace TČ zobrazuje vyšší vypařovací/kondenzační teploty, než které by odpovídaly čisté směsi chladiva – to platí i pro chladiva jednosložková.

Nevhodné složení směsného chladiva

V tomto článku se však budeme bavit o zcela opačném problému – chlaďař žádnou chybu během vakuování ani plnění neudělá, ale v okruhu je směsné chladivo, třeba i z nové láhve, s odlišným složením, než má být. Například má být v okruhu chladivo R410A, které má být složeno z chladiv R32 a R125 v poměru 50:50, ale v lahvi a následně v okruhu chladiva je chladivo s jiným poměrem složek.

Jednu chybu však chlaďaři přece jen musíme vytknout: Ani v jednom z případů – a zažil jsem zatím tři – chlaďař nepoznal dle rozdílů teplot, že stroj nepracuje optimálně, a stroj po svém servisu bez obav opustil s pocitem dobře vykonané práce.

Jak se může do nové lahve s chladivem dostat jiná směs chladiva, nebo možná ošizená směs? To je otázkou do pranice. Lze se setkat s necertifikovanými lahvemi, ale vždy jsme problém zaznamenali jen tam, kde technici používají lahve s chladivem R410A od ověřených dodavatelů, kde byste slabou směs nečekali. Jedním z názorů je, že takové problémy přinášejí regenerovaná chladiva, byť mají být perfektně vyčištěna a mít přesně složení, jaké R410A vyžaduje. Bohužel jsme vždy špatnou směs identifikovali víceméně náhodou až dlouho po provedeném servisu, kdy už danou láhev, resp. původ chladiva nešlo prověřit. Je potřeba upozornit, že stroj s tlakově slabší směsí někdy nemusí klidně měsíce hlásit žádnou poruchu a jen namátkou náhle zjistíte, že TČ pracuje podezřele.

Diagnostika za klidu kompresoru

S touto diagnostikou jsme čtenáře seznámili již v 9. dílu, kde na Obr. 4 byly zobrazeny teploty charakterizující únik chladiva R410A, kdy v okruhu byly již jen páry chladiva, jelikož vypařovací (JR0) a kondenzační (JR1) teplota byly hluboko pod teplotou vzduchu (TL2). Podobná logika teplot je i zde na Obr. 1 pro tepelné čerpadlo typu vzduch/voda, kdy teploty JR0 = JR1 = −6 °C a venkovní teplota TL2 = −3,5 °C. Rozdíl mezi vypařovací/kondenzační teplotou a teplotou vzduchu 2,5 K však není příliš přesvědčivý k tvrzení, že uteklo chladivo, nebo že máme špatnou/slabou směs chladiva, protože takový rozdíl může být dán pouhou chybou měření a tolerancí čidel. Jak tedy slabou směs poznat?

Diagnostika za chodu kompresoru

Pokud diagnostika za klidu kompresoru není jednoznačná, je nutno využít znalosti teplotních poměrů ve stroji za chodu kompresoru. V seriálu článků o diagnostice okruhů jsme si řekli, že nejlepší výrobci TČ (vzduch/voda, země/voda, voda/voda) se snaží navrhovat kondenzátory TČ tak, aby na výtlaku kompresoru byl vždy takový tlak, při kterém kondenzační teplota chladiva přibližně odpovídá výstupní teplotě otopné vody z kondenzátoru +/− 1 Kelvin. Např. v rámci IVT u strojů frekvenčně řízených (viz schéma výše) se kondenzační tlak měří mezi kompresorem a kondenzátorem, takže kondenzační teplota přísluší tlaku před kondenzátorem. U on/off strojů země/voda pro rodinné domy se naopak v rámci návrhu strojů uvažovalo s kondenzační teplotou příslušící tlaku až za kondenzátorem.

Na Obr. 2 a 3 je zachycen stav teplot u stroje s tlakově slabší směsí, kde:

• zpátečka otopné vody do kondenzátoru TC0 = 50,2 °C,
• výstupní teplota otopné vody z kondenzátoru TC3 = 55 °C,
• kondenzační teplota chladiva JR1 = 49,8 °C,
• zkondenzované chladivo TR3 = 51,4 °C,
• horký plyn TR6 = 90,2 °C.

Kondenzační teplota JR1 je tedy o propastných 5,2 K nižší než výstupní teplota otopné vody TC3. To je příliš velký rozdíl, když si uvědomíme, že rozdíl teplot (delta) topné vody na kondenzátoru TC3 − TC0 je pouhých 4,8 K. Množství citelného tepla (jde o teplo, které mohou předat páry chladiva při chladnutí před tím, než začnou kondenzovat) mezi teplotami TR6 − JR1 sice může dostat výstupní teplotu vody TC3 nad kondenzační teplotu JR1 (v praxi zcela běžný jev), ale kladný rozdíl TC3 − JR1 nemůže být nikdy vyšší než cca 30 % z rozdílu TC3 − TC0. Důvodem je, že množství citelného tepla mezi teplotami TR6 a JR1 není tak velké v porovnání s kondenzačním teplem, které se běžně pohybuje mezi 70–80 % z celkově předávaného tepla na kondenzátoru. Čili TC3 může být nad JR1 max. cca o 1,5 K, pokud rozdíl TC3 − TC0 je 5 K. U stejného kondenzátoru bychom se tedy s kladným rozdílem TC3 − JR1 měli vejít do 4 až 5 K při deltě otopné vody TC3 − TC0 přibližně 15 až 20 K.

Za zmínku dále stojí:

• Teplota zkondenzovaného chladiva TR3 = 51,4 °C je vyšší než kondenzační teplota JR1 = 49,8 °C: to u správné směsi chladiva a při dobře měřících čidlech není z hlediska logiky věci možné, protože za kondenzátorem má být chladivo zkondenzováno, podchlazeno pod kondenzační teplotu, resp. TR3 nemůže být vyšší než kondenzační teplota JR1. Už toto poukazuje na podezřelé měření, chybu.
• Ačkoliv stroj pracuje s tlakově slabší směsí chladiva, tak v sání kompresoru se teploty nijak podezřele nejeví. Přehřátí TR5 − JR0 = 7,4 K je běžné a vypařovací teplota JR0 = −10,6 °C není nijak hluboko pod teplotou nasávaného vzduchu TL2 = −3,4 °C. Zde je tedy zřejmé, že sledovaní rozdílů teplot na nízkotlaké straně okruhu není pro identifikaci tlakově slabší směsi vždy ideální, a větší oporu tak máme v posouzení kladného rozdílu teplot TC3 − JR1.

Příklad chyby stroje s tlakově slabým chladivem

Díky velmi dobré účinnosti se často používají synchronní motory pro kompresory, které jsou řízeny frekvenčními měniči. U synchronního motoru se rotor otáčí stejnou rychlostí (synchronně) jako magnetické pole statoru. Pokud se přesáhne maximální točivý/zátěžový moment, motor vypadne ze synchronismu a zastaví se. Takový případ je i na Obr. 4, kde je graf chodu TČ vzduch/voda, jehož motor kompresoru vypadl ze synchronismu kvůli špatné, tlakově slabé směsi chladiva cca v čase 20:28 hod. V předchozím textu jsme zmiňovali, že slabou směs chladiva není možné vždy poznat pomocí přehřátí chladiva v sání kompresoru, tedy dle rozdílu TR5 − JR0. Přehřátí je v tomto bodě 9,8 K, což je v podstatě na horní hranici akceptovatelné hranice a mělo by minimálně vzbudit pozornost technika, pokud takové přehřátí trvá delší dobu. Protože pro stroje s elektronickým expanzním ventilem je to hodnota opravdu vysoká. Takové přehřátí si však můžeme spojit i s únikem chladiva, přivřeným expanzním ventilem, špatným měřením atd. Kvůli slabé náplni chladiva však je toto větší přehřátí „falešné“, protože regulace převádí tlak chladiva na vypařovací teplotu chladiva R410A, které se však v tomto okruhu nenachází.

Hlavní nesoulad v porovnání se správnou činností TČ je však opět v tom, že kondenzační teplota JR1 je o téměř 6 K pod výstupní teplotou otopné vody TC3, i když otopná voda na kondenzátoru se ohřívá o běžných 7,8 K, tudíž je zde evidentně špatná náplň chladiva. A vše dotváří fakt, že horký plyn TR6 je nad výstupní teplotou otopné vody TC3 pouhých 7,5 K – tento rozdíl pro chladivo R410A má být minimálně 20 K.

Pokud tedy máme horký plyn TR6 jen mírně nad výstupní teplotou otopné vody TC3, je to důkaz, že do kompresoru je nastřikována kapalina.

Vypařovací teplota slabé směsi chladiva je vyšší než ukazuje regulace TČ, přehřátí TR5 − JR0 poté je mnohem nižší, a tak kompresor nestlačuje pouze páru, ale i kapalinu. To zvyšuje zátěž na kompresor, až jeho motor vypadne ze synchronismu, případně by mohlo dojít až k destrukci kompresoru zvýšením tlaku. Jakmile jsme odsáli neurčitou směs a naplnili stroj čerstvou dávkou chladiva R410A z certifikované lahve, TČ se dostalo do zcela normálního provozu včetně elektromotoru kompresoru. Chyby tak odezněly – kompresor Twin Rottary nevhodný provoz jako zázrakem přežil.

Zajímavost 1

Že jde do kompresoru kapalina, lze nepřímo potvrdit i s pomocí informace, že u tohoto stroje byla za klidu kompresoru při špatné směsi chladiva vypařovací (JR0) a kondenzační (JR1) teplota −7 °C, když teplota vzduchu TL2 = 0 °C. Tady diagnostika za klidu kompresoru byla jednoznačná. Pak za klidu i za běhu kompresoru by měla být vypařovací teplota této skutečné tlakově slabé směsi nejméně o 7 K výš, než kolik ukazuje regulace TČ pro chladivo R410A. Tedy za chodu kompresoru by přepočtená vypařovací teplota JR0 slabé směsi byla přibližně (−12 + 7) = −5 °C. Píši „nejméně“, protože s klesajícím vypařovacím tlakem se vypařovací teplota v přepočtu na rozdíl tlaku 1 bar mění rychleji. Pak by odhadovaná vypařovací teplota tlakově slabší směsi byla někde mezi −3 až −5 °C. Přehřátí chladiva by pak bylo něco okolo 1–3 Kelvin, což samo o sobě nemusí jednoznačně znamenat, že do kompresoru nejde kapalina, a potvrzuje to i malý rozdíl TR6 − JR1.

Je nutné si uvědomit, že když kompresor nasává mokrou páru, tedy směs par a kapaliny, tak kapalná část chladiva se v kompresním prostoru mění na páru. Teplo na vypařování kapalného chladiva uvnitř kompresoru se odnímá jak z jeho těla, tak i ze stlačovaných par chladiva, a proto je výsledná teplota par TR6 na výtlaku kompresoru velmi blízko kondenzační teplotě JR1. Za normálních okolností rozdíl TR6 − JR1 u čistého chladiva R410A bývá mezi 20 až 50 Kelviny.

Zajímavost 2

U lamelového výparníku s kapilárovým distributorem (takový se nachází v daném TČ) se tlaková ztráta na straně chladiva pohybuje při maximálních otáčkách kompresoru cca mezi 1,5–2 bary. Těsně před výparníkem (mezi expanzním ventilem a výparníkem) má chladivo (směs páry a kapaliny) těsně po expanzi teplotu TR4 = 9,7 °C, čemuž by pro chladivo R410A odpovídal přetlak 9,72 bar. Pokud tlak na výparníku klesne o 2 bary na přetlak 7,72 bar, znamenalo by to u R410A vypařovací teplotu asi 3 °C – to je však nesmysl, aby za běhu kompresoru byla vypařovací teplota JR0 nad teplotou vzduchu TL2 = 0,4 °C. Také je vhodné si uvědomit, že jestliže regulace TČ ukazuje za chodu kompresoru vypařovací teplotu JR0 = −12 °C (přetlak cca 4,38 bar, pokud by v okruhu bylo chladivo R410A), pak by kvůli překonání tlakové ztráty výparníku cca 2 bar musel být přetlak před výparníkem cca 6,38 bar, jemuž by měla odpovídat vypařovací teplota cca −2,5 °C. Regulace však v místě příložného čidla TR4 ukazuje teplotu asi o 7 K nižší (−9,7 °C), což opět vede na slabou směs chladiva. Tento důkaz se běžně v praxi nepoužívá, nikdo v servisní praxi neposuzuje tlakovou ztrátu výparníku na straně chladiva, ale zde tato znalost dobře posloužila dokreslení situace.

Jak se proti použití tlakově slabší směsi bránit?

1. Používat certifikované lahve chladiva od spolehlivých dodavatelů chladiv. Riziko nekvality, záměny bude větší u nabídek podezřele levných chladiv – celníci vše nestihnou kontrolovat. A také lze očekávat poměrně výrazný růst ceny nově vyrobených chladiv, jak velcí výrobci budou ukončovat jejich výrobu pro ekonomickou nevýhodnost, protože výrobci chladicí techniky a tepelných čerpadel je přestanou odebírat, a pak se nabídka nekvalitně recyklovaných, regenerovaných může objevit. A pak je to otázka i kázně servisních techniků, aby odsávaná chladiva ukládali do správných lahví a už je nepoužívali!
2. Před naplněním chladiva do kompresorového okruhu z tlakové lahve změřit její teplotu např. laserovým nebo příložným teploměrem a změřit tlak chladiva v lahvi. Pro daný tlak, například na přístroji testo, odečtěte příslušnou vypařovací teplotu (v testo musíte nastavit, o jaké má jít chladivo, v paměti jich může mít i více než 70). Tato teplota by se měla shodovat s teplotou změřenou na povrchu lahve jako důkaz, že je v lahvi opravdu správné chladivo. U tohoto měření se počítá s tím, že lahev je teplotně vyrovnaná s prostředím, ve kterém se delší dobu nachází, např. ve skladu. Ideálně si to tedy ověřit ihned po odebrání lahve ze skladu, nikoliv až na místě servisu.
3. Po naplnění chladiva do poctivě vyvakuovaného okruhu TČ vzduchu/voda se po ustálení za klidu kompresoru musí srovnat teplota vzduchu TL2 s vypařovací (JR0) a kondenzační teplotou (JR1). Pokud je JR0/JR1 např. více než 2–3 K pod teplotou vzduchu TL2 a čidla měří správně, je problém v nové směsi chladiva. Právě proto, že v praxi někdy může docházet k chybám měření, je nutno okruh chladiva posoudit i za chodu kompresoru – viz další bod.
4. Za chodu kompresoru nesmí být výstupní teplota otopné vody TC3 více než 2 Kelviny nad kondenzační teplotou PH1/JR1 při deltě topné vody TC3 − TC0 = 5–7 K. Příklad, kdy je naplněna chudá směs, viz Obr. 2 a 3.

Závěr

Tlakově slabší směsi se netýkají pouze okruhů s chladivem R410A, ale i dalších, kde jsou použita vícesložková chladiva, např. dříve hojně využívané chladivo R407C. Ať se jedná o jakýkoliv stroj, je nutné používat pouze certifikované lahve chladiva a zároveň, aby technik zvládal diagnostiku teplot jak za klidu, tak i za běhu kompresoru. I v případě jednosložkového chladiva, např. R32 nebo i R290, je nutné zabránit problému s dusíkem, jak bylo popsáno v úvodu.