STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO

Transkript

1

2 1

3 STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO OBSAH 1. Bezpečnost práce Předmluva Názvosloví Základní fyzikální jednotky Zákony termodynamiky Fyzikální princip tepelného čerpadla Princip tepelného čerpadla Pracovní cyklus tepelného čerpadla Teoretický příklad výpočtu topného faktoru COP Výpočet výkonu a energie Výpočet topného faktoru a příkonu kompresoru Ekonomická stránka. Návratnost do 1 roku? Úspory energie v praxi Jak začít se stavbou tepelného čerpadla Nenechte se odradit Něco málo z historie Pohon tepelných čerpadel Pohon TČ naftovým motorem Pohon TČ plynovým motorem Technická stránka pohonu spalovacím motorem Pohon TČ elektromotorem Stanovení potřebného výkonu tepelného čerpadla Zdroje tepla a druhy tepelných čerpadel Vzduch jako zdroj tepla Podzemní voda jako zdroj tepla Tekoucí nebo stojatá povrchová voda Zemský povrch jako zdroj tepla Vodorovné zemní neboli plošné kolektory Slinky V, slinky H Vertikální zemní kolektory Spojování PE hadic Solanka Rozdělovače Expanzní nádrž primárního okruhu Oběhové čerpadlo primárního okruhu Připojení TČ k topnému systému Stanovení objemu vyrovnávací akumulační nádrže Připojení TČ k systému s vyšším teplotním spádem 70 4

4 OBSAH 14. Ohřev teplé užitkové vody (TUV) Vybavení dílny a přípravky Nástroje pro zpracování měděných trubek Spojovací hadice Čerpání a přečerpávání Trn pro rozšiřování konců trubek Lahve s chladivem Detekce netěsností Vakuometry Konstrukční díly tepelných čerpadel Kalíškové šroubované spoje Fitinky Rozdělovač chladiva Presostaty Režim Pump Down, t.j. odsávací cyklus Manometry Sběrač kapalného chladiva Filtrdehydrátor Trojcestný ventil Čtyřcestný ventil Měděné trubky Použití starších měděných trubek Kapiláry Průhledítko Elektromagnetický ventil v kapalinovém okruhu Kulové uzavírací kohouty Talířové ventily Odlučovač kapaliny v sacím potrubí Antivibrační spojky Uchycení potrubí Zpětný ventil Konstrukční zásady Upevnění kompresoru a vibrace Umístění rozdělovače chladiva Umístění kondenzátoru a sběrače chladiva Paralelní spojení výparníků Sací potrubí a vracení oleje Výpočet výkonu kompresoru a průřezů potrubí Příklad stanovení průměrů potrubí a výkonu kompresoru 105 5

5 STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO Objemové průtoky chladiva a výkon kompresoru Pájení Chlazení při pájení Spoje měď - ocel Pájení kulových kohoutů Pájení průhledítek Pájení talířových ventilů Pájení filtrdehydrátorů Pájení termostatických expanzních ventilů (TEV) Pájení kapilár Měření na tepelném čerpadle Měření teploty Měření průtoků teplonosných kapalin Měření elektrického příkonu TČ Měření výkonu TČ Sled fází a smysl otáčení motoru kompresoru Kompresory Hermetický pístový kompresor Hermetický spirálový kompresor scroll Jaký typ kompresoru si vybrat? Oblast použití kompresorů Provozní tlaky a teploty Zacházení s kompresory Vyhřívání olejové náplně kompresoru Kompresory Copeland Kompresory scroll Pístové kompresory Maneurop Starší použité kompresory Volba výkonu a typu kompresoru Volba typu kompresoru scroll Copeland Volba typu pístového kompresoru Maneurop Dva kompresory paralelně Expanzní ventil Expanzní ventil s MOP Umístění tykavky ventilu Vnější vyrovnání tlaku Nastavení expanzního ventilu Chladivo před expanzním ventilem Velikosti trysek expanzních ventilů Výměníky tepla 149 6

6 OBSAH Deskový výměník Lamelové výměníky vzduch-chladivo Ventilátory Trubkové výměníky tepla Teplosměnná plocha trubek pro trubkové výměníky Zhotovení výměníku typu svinutá trubka v nádobě Zhotovení výměníku typu trubky v trubce Výměníky pro vnitřní výměnu tepla Stanovení velikosti teplosměnných ploch výměníků Chladiva a mazací oleje Označování chladiv Rozdělení chladiv podle fyzikálních vlastností Rozdělení chladiv podle chemického složení Mazací oleje Mísitelnost olejů Chladivo R Chladivo R Chladivo R Chladivo R134a Chladivo R404a Chladivo R407c Chladivo R410a Chladivo R403a, Isceon Chladivo R417a, Isceon Chladivo R413a, Isceon Chladivo R Chladivo R600a Chladivo CARE Další chladiva Náhrada minerálního oleje olejem POE Náhrada minerálního oleje při záměně R134a za R Náhrada oleje při záměně R404a a R507 za R Náhrada oleje při záměně R407c za R Tlaková zkouška systému Chladiva tepelných čerpadel na našem trhu Jak se odstraní vlhkost z okruhu chladiva? Čerpání a plnění chladiva Odstranění nežádoucích plynů Jak se dá plnit chladivo Plnění azeotropního chladiva 185 7

7 STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO Plnění zeotropního chladiva Stanovení potřebného množství chladiva Odčerpávání chladiva Odčerpání azeotropního chladiva kompresorem Odčerpání azeotropního chladiva kompresorkem Odčerpání části zeotropního chladiva Odčerpání celé náplně zeotropního chladiva Sběrač kapalného chladiva Načerpání celé náplně chladiva TČ do sběrače Tepelné izolace Chladivové okruhy tepelných čerpadel Chladivový okruh TČ země (voda)-voda Chladivový okruh TČ s vnitřní výměnou tepla Chladivový okruh TČ vzduch-voda Pokusné tepelné čerpadlo vzduch-voda První pokusy s tepelným čerpadlem Výsledky zkoušek Praktické použití pokusného TČ vzduch-voda Zadání a popis koncepce TČ země-voda Zemní kolektor a rozdělovače Mechanická konstrukce TČ země-voda Chladivový okruh TČ země-voda Použité průměry potrubí Primární okruh tepelného čerpadla země-voda Sestava primárního okruhu Sekundární okruh tepelného čerpadla země-voda Jistící prvky Elektrické schema silové části TČ země-voda Schema ovládacího modulu TČ země-voda Činnost modulu v automatickém režimu Činnost modulu v ručním režimu Měřicí modul tepelného čerpadla země-voda Měření průtoků kapalin v TČ země-voda Měření teploty na TČ země-voda Postup montáže TČ a uvedení do provozu Příprava TČ ke spuštění Ověření činnosti kompresoru scroll Seřízení expanzního ventilu 248 8

8 OBSAH 50. Naměřené hodnoty na TČ země-voda Tabulky naměřených a vypočtených hodnot Grafické zpracování naměřených hodnot Úvod ke stavbě TČ vzduch-voda Popis klimatizační jednotky Původní schema zapojení chladivového okruhu Popis úprav klimatizační jednotky Chladivový okruh Sekundární okruh TČ vzduch-voda Elektroinstalace TČ vzduch-voda Provozní zkoušky TČ vzduch-voda Naměřené parametry TČ vzduch-voda Co dál se zkušebním TČ vzduch-voda? Závěr Zvýhodněné sazby pro tepelná čerpadla Podmínky sazby Tabulky chladiv Závěr Odkazy na některé www stránky Literatura Nabídka dílů pro stavbu tepelného čerpadla Inzerce 306 9

9 STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO Deskový výměník: tepelný výměník, který se skládá ze svazku speciálně prolisovaných a spojených desek, obvykle z nerezavějící oceli. Trubkový výměník: výměník tepla sestavený z trubek, obvykle svinutých. Uvnitř trubek proudí jedno médium, vně trubek druhé. Existuje celá řada konstrukčních variant. Tlaková ztráta: pokles tlaku média po průchodu daným prostorem. Závislost tlakových ztrát na průtoku není lineární a obvykle se vyjadřuje graficky nebo tabulkou. Udává se v kpa, nebo někdy v metrech vodního sloupce. Tlakové ztrátě 1kPa odpovídá asi 1m vodního sloupce. Důležitý údaj u výměníků, potrubí, ventilů a podobně. Kapilára: tenká měděná nebo ocelová trubička sloužící k přenosu tlaku k měřicímu nebo regulačnímu prvku. Kalíškový spoj: rozebíratelné hermetické spojení Cu potrubí. Rozšířený konec Cu trubky je speciálně tvarovanou převlečnou maticí přitažen ke kuželu, obvykle z mosazi nebo oceli. Termostatický expanzní ventil (TEV), někdy nazývaný vstřikovací. Je to termostaticky řízený ventil s tryskou, jejíž otevírání je řízeno teplotou a tlakem v potrubí vedoucím k výparníku. Jeho tryskou je kapalné chladivo vstřikováno do výparníku. Termostatický expanzní ventil s MOP: expanzní ventil s omezením vypařovacího tlaku. MOP je zkratka z anglického Maximum Oprerating Pressure. Tykavka: teplotní čidlo TEV naplněné vhodnou kapalinou nebo plynem. S ventilem je spojeno tenkou kapilárou. Přehřátí nasávaných par chladiva: rozdíl teploty par chladiva vystupujících z výparníku a teploty nasycených par chladiva za expanzním ventilem při daném tlaku. Sběrač kapalného chladiva: malá tlaková nádoba, která slouží jako zásobník kapalného chladiva a současně zajišťuje, aby do TEV vtékalo jen kapalné chladivo bez bublinek. Průhledítko (hledítko): hermetické okénko v potrubí kapalného chladiva, kterým lze sledovat tok kapaliny v potrubí. Bývá doplněno indikací přítomnosti vlhkosti (vody) v chladivu. 16

10 3. NÁZVOSLOVÍ Filtrdehydrátor: speciální filtr v potrubí kapalného chladiva, který odstraňuje drobné cizí mechanické částice, kyseliny a vlhkost z chladiva. Elektromagnetický ventil (EMV): ventil v okruhu kapalného chladiva, který lze otevřít elektrickým signálem. Presostat: tlakový spínač s nastavitelným vypínacím tlakem a hysterezí (rozdílem tlaku vypnutí a zapnutí). Používají se jednoduchá i kombinovaná provedení, kdy je vysokotlaký a nízkotlaký presostat v jednom konstrukčním celku. Havarijní presostat: vysokotlaký presostat, který je nutno po aktivaci ručně vynulovat (znovu zapnout) tlačítkem. Čtyřcestný ventil: speciální ventil, který umožňuje elektrickým povelem zaměnit vývody kompresoru (sání a výtlak) za účelem obrácení funkce tepelného čerpadla nebo klimatizační jednotky. Odlučovač kapalného chladiva: zabraňuje vniknutí kapalného chladiva do sacího potrubí kompresoru. Solanka: obecný název nemrznoucí směsi bez ohledu na její složení. Obvykle jde o směs vody a vhodné přísady. Kolektor (česky sběrač): v našem případě obvykle plastové potrubí uložené v zemi a naplněné solankou, sloužící k odběru tepla ze země. Slinky H: zemní kolektor tvořený smyčkami plastových hadic, které jsou v zemi uloženy vodorovně. Slinky V: zemní kolektor ze smyček plastových hadic, které jsou v zemi uloženy svisle v úzkých výkopech. M: zkratka použitá pro označení minerálního oleje AB: POE: PE: zkratka pro označení alkylbenzenového oleje zkratka pro označení polyolesterového oleje zkratka pro polyetylén Některé značky prvků a vzorce sloučenin použité v textu: Ag stříbro, Al hliník, C uhlík, Cu měď, Cd kadmium, Cl chlor, F fluor, Fe železo, H vodík, O kyslík, N dusík, Ni nikl, Sn cín, Zn zinek. CO 2 kysličník uhličitý, HCl kyselina chlorovodíková (solná), H 2 O voda, NaOH hydroxid sodný, NH 3 čpavek, SF 6 fluorid sírový. 17

11 STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO FYZIKÁLNÍ PRINCIP TEPELNÉHO ČERPADLA Tepelné čerpadlo (TČ) je zařízení, které umí využívat nízkopotenciální energii, které je kolem nás obrovské množství. Dokáže ji převést do užitečné podoby. Ke svému provozu potřebuje určité množství energie, obvykle elektrické. Tepelné čerpadlo tedy energii nevyrábí, pouze přečerpává (odtud jeho název) na vyšší teplotní úroveň. Budeme se zabývat jen TČ s kompresory, i když existují TČ založená také na jiných principech, například absorpčních. Všeobecně uváděné schema kompresorového systému je na obrázku. Podobný obrázek v efektnějším provedení lze nalézt téměř ve všech reklamách a odborných článcích týkajících se TČ. Někdy bývají zaměňovány pojmy teplo a teplota. Teplo je množství energie, teplota je jen okamžitý stav. Většinou je každému jasné, že při ochlazení vody v topném systému například ze 70 C na 65 C se určité množství tepla předá do vzduchu, který se jím ohřeje. Bývá hůře představitelné, že totéž množství tepla (při stejném objemu vody) dostaneme, ochladíme-li vodu s teplotou jen 10 C, která je pro nás již studená, na teplotu 5 C. Ještě obtížnější představa je, budeme-li mluvit o teplotách pod nulou. Stejné množství tepla se získá i při ochlazení solanky například z 0 C na -6 C. Podobné úvahy platí i o vzduchu. I mrazivý vzduch se dá ochladit a lze z něj získat teplo. Je nutné si uvědomit, že fyzikální zákony platí při všech teplotách, jen člověk má při různých teplotách jiné subjektivní pocity. Chladnička odebírá teplo z ochlazovaného prostoru a vyzařuje je při vyšší teplotě do místnosti. TČ odebírá teplo z chladného venkovního prostředí (z vody, ze vzduchu, z půdy), toto prostředí také ochlazuje a získané teplo předává při vyšší teplotě do topného systému. Tady je ta shoda principu funkce. Zde také platí obě věty zákona termodynamiky. Odebraná energie z přírody bývá obvykle (1,5-4) vyšší než vlastní spotřeba energie pro pohon. Měřítkem energetické výhodnosti TČ je proto poměr celkové výstupní energie a energie pro pohon. Poměru říkáme topný faktor (označení ve vzorcích e, v textu bude používána zkratka COP, Coefficient of Performance). Je to bezrozměrné číslo a jeho velikost se pohybuje podle druhu TČ a provozních podmínek běžně v mezích (2,5-5,0), za mimořádně příznivých podmínek i více. To znamená, že zaplatíme například 1kWh elektrické energie a pomocí ní získáme (2,5-5,0)kWh tepla. Například při topném faktoru e=3,5 nás bude stát energie 1kWh místo 1,-Kč jen 1/3,5 Kč, tj. asi 29 haléřů. Při roční potřebě tepla například 25MWh (25.000kWh), kdy jsou náklady u přímé spotřeby ,-Kč, se tato spotřeba sníží na 25/3,5 tj. na 7,14MW a cena energie bude místo ,- Kč jen 7.140,-Kč.

12 5. FYZIKÁLNÍ PRINCIP TEPELNÉHO ČERPADLA 5.1. PRINCIP TEPELNÉHO ČERPADLA Na vstupní, tzv. primární straně TČ, je vždy výměník tepla, nazývaný výparník. Sem se pomocí vhodného teplonosného média (vzduch, voda, nemrznoucí směs) přivádí nízkopotenciální teplo zvenku a do jeho druhé poloviny se tryskou termostatického expanzního ventilu (TEV, jeho podrobné vlastnosti a činnost budou vysvětleny později) vstřikuje pod velkým tlakem kapalné chladivo. Tlak ve výparníku za TEV je nižší a kapalné chladivo se proto rychle odpařuje. Tím se celý výparník podchlazuje na teplotu nižší, než je teplota prostředí, ze kterého se odebírá teplo. Tak je dosaženo toho, že teplo ze studené strany ohřívá podchlazený plyn a tento ohřátý, ale stále ještě studený plyn je nasáván kompresorem. Tady samozřejmě platí druhá věta termodynamického zákona. Nasávaný plyn si s sebou nese zvenku získanou energii. Po stlačení kompresorem se plyn silně zahřeje. V kompresoru se k energii nesené plynem přidá další část energie ve formě ztrátového tepla z elektromotoru kompresoru a tepla vzniklého třením jeho pohyblivých ploch. Stlačený plyn na výtlaku kompresoru dosáhne vyšší teploty než voda v topném systému a je veden do sekundárního výměníku, tzv. kondenzátoru, kterým topná voda proudí. Tam horký plyn zkapalní a předá teplo chladnější topné vodě. I tady platí druhá věta termodynamického zákona. Kapalina je zase vedena do expanzního ventilu. Celý cyklus běží spojitě stále dokola. Tepelné čerpadlo v žádném případě neporušuje ani neobchází žádný fyzikální zákon. Na dalším obrázku jsou uvedeny přibližné tlaky a teploty, které se mohou v systému TČ vyskytovat. Údaje platí pro chladivo R22, pro jiná chladiva jsou tlaky a teploty poněkud jiné. Obecné principiální schema tepelného čerpadla. 21

13 STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO 8. JAK ZAČÍT SE STAVBOU TEPELNÉHO ĆERPADLA Systém a tím i konstrukce tepelného čerpadla (TČ) je dán tím, jaký zdroj nízkopotenciálního tepla bude k dispozici. Je třeba znát i požadovaný výkon a také to, zda TČ bude sloužit jako jediný zdroj tepla nebo ne. Finanční možnosti a do značné míry i odvaha rozhodnou, zda se bude jednat o stavbu z nových nebo ze starších použitých dílů. Jednodušší situaci má ten, kdo se rozhodne pro použití nových dílů. Výběr kompresorů, výměníků a jiných stavebních prvků je poměrně široký. Tady je možno při návrhu postupovat přesněji podle teoretických předpokladů. Výsledek může být lepší. Při sestavení TČ z nových dílů budou pořizovací náklady také výrazně nižší, než při zakoupení hotového TČ. Materiálové náklady se dají odhadnout asi na 30% až 40% ceny hotových TČ, ale srovnání nákladů musí vycházet i z jejich výbavy. Komerční TČ nemívají žádná zvláštní měřicí zařízení a konstrukce je nanejvýš zjednodušena. Často mají jen nezbytnou silovou elektrickou výzbroj s jednoduchým elektronickým termostatem. V případě, kdy se pro stavbu TČ použijí starší díly, se bude muset konstrukce přizpůsobovat tomu, co bude zrovna k dispozici. Ale ani tento postup nemusí přinést horší výsledky. TČ sestavené z takových dílů může dosahovat solidních parametrů a to při mimořádně nízkých pořizovacích nákladech. Získané vlastní zkušenosti mohou být impulzem k pozdější stavbě lepšího TČ z nových moderních dílů. Každému zájemci o stavbu TČ doporučuji, aby si před zahájením stavby opravdového TČ vyzkoušel všechny pracovní postupy na malém cvičném TČ vzduch-voda nebo voda-voda. To se dá sestavit velice levně ze starých kondenzačních jednotek chladicích agregátů a lze se na něm naučit řadu operací bez obav o poškození nebo zničení drahých dílů. Hermetické pájení Cu trubek Ag pájkou, vytváření kalíškových spojů, vakuování systému, plnění a odčerpávání chladiva nejsou zcela běžné operace v domácí dílně. I na malém pokusném TČ se dá sledovat chování systému při různých provozních podmínkách. Vlastní zkušenosti budou při stavbě a oživování velkého TČ k nezaplacení. Konečně i toto TČ s malým výkonem se pak může vhodně využít. Bude o tom zmínka v kapitole 39 o jeho stavbě, kde je i naznačeno, k jakému účelu se taková konstrukce může hodit. 34

14 8. JAK ZAČÍT SE STAVBOU TEPELNÉHO ČERPADLA 8.1. NENECHTE SE ODRADIT Hlavní je rozhodnout se a nějak začít. Může se stát, že po zmínce o tom, že se chystáte ke stavbě nějakého zařízení, které vám může přinést značné úspory nákladů na vytápění, vás budou známí, příbuzní či spolupracovníci z tohoto nejistého podniku zrazovat. Jejich starosti o váš případný neúspěch nemusí vždy pramenit z obavy o ztrátu vašich financí. Může to být také více či méně skrytá obava z toho, že by se vám to přece jen mohlo podařit. Někteří z nich totiž už také něco slyšeli o topení ze zimy a mnozí se dokonce domnívají, že je to úplně zadarmo. To je prostě součást české povahy. Jakákoli zmínka o záměru vlastní konstrukce TČ před obchodními zástupci dodavatelských firem a výrobců TČ bude vždy provázena negativní reakcí, což mám ověřeno. Váš úmysl vám budou rozmlouvat a tvrdit, že to nemá smysl. Vzhledem k tomu, že se mě žádný z prodejců nikdy nezeptal na mou profesi nebo na to, zda mám v tomto oboru nějaké zkušenosti, je mi jasné, že nejde o technické problémy. Jde o jejich obavy ze ztráty zisku. Jakmile pochopí, že to se stavbou tepelného čerpadla myslíte vážně, přestanou s vámi komunikovat. Sledoval jsem řadu diskuzí týkajících se vytápění a zejména tepelných čerpadel na poradenských střediscích na internetu. Odborní poradci nikdy nepřipustili možnost, že by si někdo mohl tak složitou a náročnou věc dát dohromady a úspěšně provozovat a samozřejmě ani neznají nikoho, kdo by to dokázal. Pokud vůbec takovou možnost připustí, pak předem vědí, že váš výtvor bude mít velice špatné parametry, pokud bude vůbec fungovat. Jiní vám budou tvrdit, že cena dílů pro stavbu TČ je tak vysoká, že se to nemůže vyplatit (ale ceny dílů vám neprozradí). Dá se vysledovat, že tito lidé bývají nějakým způsobem svázáni s prodejci nebo jinak zainteresováni na financování akcí spojených s tepelnými čerpadly, takže to mnohé vysvětluje. Některé odpovědi jsou i ve stylu já o koze, ty o voze. Někteří klesli tak hluboko, že se zmohli jen na trapný posměch. Řadu různých perel najdete v archivech diskuzních center, odkazy na www stránky jsou na konci knihy v kapitole 62. Líbila se mi jedna odpověď čtenáře na názory jiných odborníků z jiné dizkuze: Nejlepší bude zakázat vše, co zavání amatérskou výrobou. V první řadě výrobu vlastních potomků. Vše přenecháme odborníkům. Prohlašovat, jak je jakákoliv činnost nebezpečná, končí u stáda ovcí.... Odborníci 35

15 STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO se asi řídí známým výrokem majora Terazkyho, že na každú robotu nám třeba špecialistov. Doktor Heinz Schulz ve své knize [1] píše: Vlastnoruční konstrukce tepelného čerpadla není samozřejmě práce pro babičku žijící v garsonce Ale tak těžké, jak si to spousta lidí představuje, to také není! Člověk nakonec nevyrábí kompresor ani expanzní ventil systémem udělej si sám, ale zpracovává běžné součástky a materiály, které je třeba pouze určitým způsobem mezi sebou spojit. Protože se však dá spousta věcí zkazit, je základní příprava velice důležitá. O tepelných čerpadlech existuje velké množství literatury, ale bohužel je většinou jen velice teoretická a často psána lidmi, kteří ani žádné zařízení nevybudovali, ani neprovozovali. Co chybí, je srozumitelně napsaný a realizovatelný stavební návod. Dále uvádí, že tepelné čerpadlo zkonstruoval během tří víkendů z existujících a snadno dostupných součástí (v SRN). Dnes mu nedělá žádné potíže pájení natvrdo, plnění systému chladicím prostředkem nebo naopak jeho odsání, lemování měděných trubek (zřejmě myšleno tvoření kalíškových spojů, nepřesný překlad z němčiny, pozn. autora), nastavování expanzního ventilu, odstraňování vody z chladicího okruhu a další podobné umělecké práce, jak píše. Viděl jsem několik amatérských konstrukcí tepelných čerpadel, které postavili lidé mnohdy z úplně jiné, i netechnické profese. Tyto konstrukce se vyznačovaly použitím starších prvků. Některými díly, hlavně výměníky, byly vlastní konstrukce, ale byly funkční a ověřené provozem. Zcela jistě splnily očekávání svých tvůrců. Není důvod bát se neúspěchu. Kdo nic nedělá, nic nepokazí. Jenže také ničeho nedosáhne. 36

16 9. NĚCO MÁLO Z HISTORIE 9. NĚCO MÁLO Z HISTORIE Pro mnoho lidí je stále představa topení studenou vodou nebo studeným vzduchem obtížná. Poměrně málo z nás tepelné čerpadlo vlastní, ještě méně lidí se nás pokusilo o jeho stavbu. Určitě je mezi námi dost těch, kteří by si na stavbu troufali, ale váhají nebo nevědí, jak začít. Chybí potřebné informace a zkušenosti. V zahraničí se tepelná čerpadla používají už desítky let. Nejedná se tedy o žádnou technickou módní novinku. Princip těchto zařízení je známý mnohem déle, než doba jejich praktického používání. Obvykle se jeho činnost popisuje jako obrácená chladnička. Tepelné čerpadlo má skutečně princip společný s chladničkou, ale liší se v řadě technických vlastností. Když v roce 1824 publikoval S.N.L.Carnot dílo Úvahy o hybné síle ohně a strojích vyvolávajících tuto sílu, kde mimo jiné popsal svůj známý Carnotův cyklus, určitě netušil, co jeho dílo vyvolá. Na základě jeho prací roku 1852 formuloval William Thomson (lord Kelvin) princip tepelného čerpadla, ale k jeho praktickému využití vedla ještě velice dlouhá cesta. Jako první chladiva byla používána voda, dietyéter, metyléter, metylchlorid, kysličník uhličitý, kysličník siřičitý a jiné. V roce 1834 sestrojil J. Perkins zařízení pracující s dietyléterem, v roce 1859 vzniklo první zařízení na absorpčním principu pracující se čpavkem. Zatím ještě nešlo o žádné široké používání. Teprve počátkem dvacátých let 20. století se rozšířilo používání chladicí techniky i do domácností. Používaným chladivem byl hlavně čpavek a kysličník siřičitý. V následující tabulce jsou pro informaci uvedeny body varu různých látek v závislosti na tlaku. Vlastnosti některých dříve používaných chladiv. První prakticky použitelný systém tepelného čerpadla byl uveden do provozu až v roce 1924 ve Švýcarsku. Jako chladivo byl použit kysličník uhličitý, tlaky v systému byly až 9MPa. Většího rozšíření doznala chladicí zařízení po roce 1932, kdy začala americká firma Kinetic Chemicals Inc. vyrábět 37

17 STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO FILTRDEHYDRÁTOR Filtrdehydrátor slouží k pohlcování škodlivin z okruhu chladiva, vody a také drobných pevných částic. Na obalu je šipkou označen směr průtoku kapalného chladiva, ten se musí dodržet. Montuje se ve svislé poloze z důvodu rovnoměrnějšího průtoku chladiva tak, aby přívod kapaliny byl nahoře. Dodávají se pro připojení pájením nebo kalíškovými spoji. Pokud se v systému objeví vlhkost, musí se filtrehydrátor co nejdříve vyměnit. V těchto případech je vhodnější používat typy s kalíškovým připojením. Vnější průměr připojovacího potrubí se volí podle průměru kapalinového potrubí. Je lepší osadit objemově větší typ. Pro TČ vzduch-voda s nutností reverzace chodu se dodávají filtrdehydrátory pro obousměrný provoz. V nové konstrukci TČ použijeme vždy nový filtrdehydrátor. Princip filtrdehydrátoru. Aktivní hmota bývá slisovaná do porézního bloku nebo se skládá z kuliček různé velikosti. PES je zkratka pro polyester. Praktické provedení filtrdehydrátorů. Všimněte si jejich hermeticky uzavřených konců. Zátky se odstraní těsně před montáží. 88

18 16. KONSTRUKČNÍ DÍLY TEPELNÝCH ČERPADEL TROJCESTNÝ VENTIL Je to ručně ovládaný ventil, který slouží k občasnému uzavření okruhu chladiva nebo vývodu pro servisní účely. K ovládání je potřebný vhodný nástroj, obvykle otevřený klíč. Vnitřní principiální schema a funkce je zřejmá z obrázků. Princip funkce trojcestného ventilu. Ve skutečnosti nejsou na hřídeli dva kužely, ale jeden dvojitý. Otvory jsou blíž k sobě a pomocné vývody, někdy nazývané návarky, bývají umístěny na různých, obvykle protilehlých stranách. Ventily mohou být v provedení přímém nebo častěji rohovém. Bývají konstruovány pro přivaření nebo pro přišroubování pomocí převlečné matice. Šroubovaný spoj je utěsněn teflonovým kroužkem. Protože se poloha takového ventilu před utažením převlečné matice dá nastavit, dostaly tyto ventily název Rotalock. Servisní vývody mívají závity 3/8. Jeden vývod slouží pro účely čerpání a plnění chladiva a je v klidovém stavu uzavřen kuželkou ventilu. Druhý je naopak otevřen a je stále propojen s okruhem chladiva. Používá se napří- 89

19 STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO 18. VÝPOČET VÝKONU KOMPRESORU A PRŮŘEZŮ POTRUBÍ V této kapitole si něco povíme o stanovení výkonu kompresoru a rozměrů potrubí chladivového okruhu. Tyto výpočty úzce souvisejí s množstvím přečerpávaného chladiva a rychlostmi proudění. Ukážeme si na příkladu, jak se dá postupovat. V potrubí chladivového okruhu TČ proudí chladivo v plynném i kapalném stavu. Vycházíme z faktu, že hmotnostní průtok chladiva je v každém místě soustavy stejný. V ustáleném provozu se chladivo nikde nehromadí ani nemůže chybět. To znamená, že průměry potrubí budou záviset na tom, v jaké fázi se chladivo nachází a jakou má rychlost proudění. U potrubí s menším průměrem bude rychlost proudění stejné fáze chladiva vyšší. Příliš malé průměry potrubí vedou ke zvýšení tlakových ztrát. Tím může dojít ke snížení výkonu TČ pod projektovanou velikost. Průměry potrubí se ale nedají volit zcela libovolně. V okruhu se pohybuje společně s chladivem také olej. Ten představuje asi (3-5)% hmotnostního podílu. Olej se musí vracet do kompresoru a nesmí se hromadit v jiných částech sytému. Sací potrubí musí mít proto takovou velikost, aby bylo plynné chladivo schopno olej spolehlivě unášet a vracet zpět do kompresoru. To znamená, že musí být dodržena určitá minimální rychlost proudění. Vždy je nutné volit kompromis mezi rychlostí a velikostí tlakových ztrát. Malé potrubí znamená vyšší rychlost proudění a tedy lepší přenos oleje, ale má vyšší tlakové ztráty. Naopak potrubí s vyšším průřezem bude mít tlakové ztráty malé, jenže při malé rychlosti proudění plynu by se mohl olej shromažďovat například ve výparníku. Po nějaké době provozu by mohlo dojít vlivem nedostatku oleje k vážné poruše kompresoru. Pro kapalinová potrubí se volí takové průměry, aby rychlost pohybu kapaliny byla v mezích (0,4-0,8)m/s. Zde vyšší průřezy potrubí nevadí. Kapalina bude proudit pomaleji a to v tomto případě není na závadu. Olej je rozpuštěn a chladivo jej unáší v kapalném stavu. Nevýhodou by mohla být jen vyšší cena potrubí a při vyšším průměru trubek také obtíže s ohyby a nutnost používání kolínek. Ukážeme si zjednodušený postup výpočtu rozměrů potrubí. Nejprve si označíme používané veličiny: 104

20 18. VÝPOČET VÝKONU KOMPRESORU A POTRUBÍ Q chladicí výkon [W] q měrná chladivost [kj/kg] m hmotnostní průtok chladiva [kg/h] h 1 měrná entalpie na výstupu výparníku (plyn) [kj/kg] h 2 měrná entalpie na výtlaku [kj/kg] h 3 měrná entalpie chladiva před TEV (kapalina) [kj/kg] 3,6přepočítávací součinitel [kj/wh] v rychlost proudění [m/s] S průřez potrubí [m 2 ] V objemový průtok [m 3 /h] v měrný objem [l/kg] w rychlost proudění [m/s] Index 1 Index 2 Index 3 plyn a sací potrubí plyn a výtlačné potrubí kapalina a kapalinové potrubí. Výkon závisí na hmotnostním průtoku chladiva a jeho měrné chladivosti. Hmotnostní průtok m je: m = (Q 3,6)/q [kg/h; W, kj/kg] Měrná chladivost q se určí z tabulky příslušného chladiva jako rozdíl měrné entalpie plynu a kapaliny při daných teplotách. q= h 1 - h 3 [kj/kg] Objemový průtok V=S w Z toho S=V/(w 3.600) [m 3 /h; m 2, m/s] [m 2 ; m 3 /h, m/s] PŘÍKLAD STANOVENÍ PRŮMĚRŮ POTRUBÍ A VÝKONU KOMPRESORU Zadání: Navrhněme vhodný výkon kompresoru a průměry potrubí pro TČ zeměvoda s výkonem 15kW, COP e=3. Podle dříve uvedených vztahů bude chladicí výkon výparníku 10kW (t.j. výkon odebíraný TČ vnějšímu prostředí). Pro tento příklad si zvolíme klasické chladivo R22. Vypařovací teplota bude -10 C, kondenzační teplota bude +40 C. 105