STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO

1

STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO OBSAH 1. Bezpečnost práce 10 2. Předmluva 11 3. Názvosloví 15 4. Základní fyzikální jednotky 18 4.1. Zákony termodynamiky 19 5. Fyzikální princip tepelného čerpadla 20 5.1. Princip tepelného čerpadla 21 5.2. Pracovní cyklus tepelného čerpadla 22 5.3. Teoretický příklad výpočtu topného faktoru COP 24 6. Výpočet výkonu a energie 25 6.1. Výpočet topného faktoru a příkonu kompresoru 26 7. Ekonomická stránka. Návratnost do 1 roku? 28 7.1. Úspory energie v praxi 29 8. Jak začít se stavbou tepelného čerpadla 34 8.1. Nenechte se odradit 35 9. Něco málo z historie 37 10. Pohon tepelných čerpadel 40 10.1. Pohon TČ naftovým motorem 41 10.2. Pohon TČ plynovým motorem 41 10.3. Technická stránka pohonu spalovacím motorem 41 10.4. Pohon TČ elektromotorem 42 11. Stanovení potřebného výkonu tepelného čerpadla 43 12. Zdroje tepla a druhy tepelných čerpadel 46 12.1. Vzduch jako zdroj tepla 46 12.3. Podzemní voda jako zdroj tepla 50 12.5. Tekoucí nebo stojatá povrchová voda 54 12.6. Zemský povrch jako zdroj tepla 55 12.7. Vodorovné zemní neboli plošné kolektory 55 12.8. Slinky V, slinky H 56 12.9. Vertikální zemní kolektory 59 12.10. Spojování PE hadic 63 12.11. Solanka 63 12.12. Rozdělovače 64 12.13. Expanzní nádrž primárního okruhu 66 12.14. Oběhové čerpadlo primárního okruhu 66 113. Připojení TČ k topnému systému 68 13.1. Stanovení objemu vyrovnávací akumulační nádrže 68 13.2. Připojení TČ k systému s vyšším teplotním spádem 70 4

OBSAH 14. Ohřev teplé užitkové vody (TUV) 71 15. Vybavení dílny a přípravky 74 15.1. Nástroje pro zpracování měděných trubek 74 15.2. Spojovací hadice 75 15.3. Čerpání a přečerpávání 76 15.4. Trn pro rozšiřování konců trubek 78 15.5. Lahve s chladivem 79 15.6. Detekce netěsností 80 15.7. Vakuometry 80 16. Konstrukční díly tepelných čerpadel 81 16.1. Kalíškové šroubované spoje 81 16.2. Fitinky 82 16.3. Rozdělovač chladiva 83 16.4. Presostaty 84 16.5. Režim Pump Down, t.j. odsávací cyklus 85 16.6. Manometry 85 16.7. Sběrač kapalného chladiva 87 16.8. Filtrdehydrátor 88 16.9. Trojcestný ventil 89 16.10. Čtyřcestný ventil 91 16.11. Měděné trubky 92 16.12. Použití starších měděných trubek 93 16.13. Kapiláry 94 16.14. Průhledítko 95 16.15. Elektromagnetický ventil v kapalinovém okruhu 96 16.16. Kulové uzavírací kohouty 96 16.17. Talířové ventily 97 16.18. Odlučovač kapaliny v sacím potrubí 98 16.19. Antivibrační spojky 98 16.20. Uchycení potrubí 99 16.21. Zpětný ventil 99 17. Konstrukční zásady 100 17.1. Upevnění kompresoru a vibrace 100 17.2. Umístění rozdělovače chladiva 101 17.3. Umístění kondenzátoru a sběrače chladiva 101 17.4. Paralelní spojení výparníků 102 17.5. Sací potrubí a vracení oleje 103 18. Výpočet výkonu kompresoru a průřezů potrubí 104 18.1. Příklad stanovení průměrů potrubí a výkonu kompresoru 105 5

STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO 18.2. Objemové průtoky chladiva a výkon kompresoru 106 19. Pájení 108 19.1. Chlazení při pájení 110 19.2. Spoje měď - ocel 111 19.3. Pájení kulových kohoutů 111 19.4. Pájení průhledítek 111 19.5. Pájení talířových ventilů 112 19.6. Pájení filtrdehydrátorů 112 19.7. Pájení termostatických expanzních ventilů (TEV) 112 19.8. Pájení kapilár 112 20. Měření na tepelném čerpadle 113 20.1. Měření teploty 113 20.2. Měření průtoků teplonosných kapalin 113 20.3. Měření elektrického příkonu TČ 115 20.4. Měření výkonu TČ 116 20.5. Sled fází a smysl otáčení motoru kompresoru 117 21. Kompresory 119 21.1. Hermetický pístový kompresor 120 21.2. Hermetický spirálový kompresor scroll 121 21.3. Jaký typ kompresoru si vybrat? 125 21.4. Oblast použití kompresorů 126 21.5. Provozní tlaky a teploty 126 21.6. Zacházení s kompresory 127 21.7. Vyhřívání olejové náplně kompresoru 127 22. Kompresory Copeland 128 22.1. Kompresory scroll 128 23. Pístové kompresory Maneurop 133 24. Starší použité kompresory 136 25. Volba výkonu a typu kompresoru 139 25.1. Volba typu kompresoru scroll Copeland 139 25.2. Volba typu pístového kompresoru Maneurop 139 26. Dva kompresory paralelně 140 27. Expanzní ventil 142 27.1. Expanzní ventil s MOP 144 27.2. Umístění tykavky ventilu 144 27.3. Vnější vyrovnání tlaku 145 27.4. Nastavení expanzního ventilu 146 27.5. Chladivo před expanzním ventilem 146 27.6. Velikosti trysek expanzních ventilů 148 28. Výměníky tepla 149 6

OBSAH 28.1. Deskový výměník 149 28.2. Lamelové výměníky vzduch-chladivo 152 28.3. Ventilátory 153 29. Trubkové výměníky tepla 154 29.1. Teplosměnná plocha trubek pro trubkové výměníky 154 29.2. Zhotovení výměníku typu svinutá trubka v nádobě 156 29.3. Zhotovení výměníku typu trubky v trubce 157 29.4. Výměníky pro vnitřní výměnu tepla 159 29.5. Stanovení velikosti teplosměnných ploch výměníků 160 30. Chladiva a mazací oleje 161 30.1. Označování chladiv 161 30.2. Rozdělení chladiv podle fyzikálních vlastností 161 30.3. Rozdělení chladiv podle chemického složení 162 30.4. Mazací oleje 163 30.5. Mísitelnost olejů 164 30.6. Chladivo R12 166 30.7. Chladivo R22 167 30.8. Chladivo R502 168 30.9. Chladivo R134a 168 30.10. Chladivo R404a 168 30.11. Chladivo R407c 169 30.12. Chladivo R410a 170 30.13. Chladivo R403a, Isceon 69 170 30.14. Chladivo R417a, Isceon 59 170 30.15. Chladivo R413a, Isceon 49 171 30.16. Chladivo R290 171 30.17. Chladivo R600a 171 30.18. Chladivo CARE 30 172 30.19. Další chladiva 172 31. Náhrada minerálního oleje olejem POE 173 31.1. Náhrada minerálního oleje při záměně R134a za R12 174 31.2. Náhrada oleje při záměně R404a a R507 za R502 174 31.3. Náhrada oleje při záměně R407c za R22 174 32. Tlaková zkouška systému 175 33. Chladiva tepelných čerpadel na našem trhu 176 34. Jak se odstraní vlhkost z okruhu chladiva? 177 35. Čerpání a plnění chladiva 181 35.1. Odstranění nežádoucích plynů 181 35.2. Jak se dá plnit chladivo 184 35.3. Plnění azeotropního chladiva 185 7

STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO 35.4. Plnění zeotropního chladiva 185 35.5. Stanovení potřebného množství chladiva 186 35.6. Odčerpávání chladiva 187 35.7. Odčerpání azeotropního chladiva kompresorem 187 35.8. Odčerpání azeotropního chladiva kompresorkem 188 35.9. Odčerpání části zeotropního chladiva 189 35.10. Odčerpání celé náplně zeotropního chladiva 190 36. Sběrač kapalného chladiva 191 36.1. Načerpání celé náplně chladiva TČ do sběrače 191 37. Tepelné izolace 192 38. Chladivové okruhy tepelných čerpadel 194 38.1. Chladivový okruh TČ země (voda)-voda 194 38.2. Chladivový okruh TČ s vnitřní výměnou tepla 195 38.3. Chladivový okruh TČ vzduch-voda 196 39. Pokusné tepelné čerpadlo vzduch-voda 198 39.1. První pokusy s tepelným čerpadlem 201 39.2. Výsledky zkoušek 203 39.3. Praktické použití pokusného TČ vzduch-voda 204 40. Zadání a popis koncepce TČ země-voda 206 41. Zemní kolektor a rozdělovače 208 42. Mechanická konstrukce TČ země-voda 213 43. Chladivový okruh TČ země-voda 218 43.1. Použité průměry potrubí 220 44. Primární okruh tepelného čerpadla země-voda 224 44.1. Sestava primárního okruhu 225 45. Sekundární okruh tepelného čerpadla země-voda 228 45.1. Jistící prvky 229 46. Elektrické schema silové části TČ země-voda 231 47. Schema ovládacího modulu TČ země-voda 235 47.1. Činnost modulu v automatickém režimu 239 47.2. Činnost modulu v ručním režimu 240 48. Měřicí modul tepelného čerpadla země-voda 241 48.1. Měření průtoků kapalin v TČ země-voda 242 48.2. Měření teploty na TČ země-voda 244 49. Postup montáže TČ a uvedení do provozu 245 49.1. Příprava TČ ke spuštění 246 49.2. Ověření činnosti kompresoru scroll 247 49.3. Seřízení expanzního ventilu 248 8

OBSAH 50. Naměřené hodnoty na TČ země-voda 249 50.1. Tabulky naměřených a vypočtených hodnot 251 50.2. Grafické zpracování naměřených hodnot 252 51. Úvod ke stavbě TČ vzduch-voda 259 52. Popis klimatizační jednotky 260 52.1. Původní schema zapojení chladivového okruhu 261 53. Popis úprav klimatizační jednotky 265 53.1. Chladivový okruh 265 54. Sekundární okruh TČ vzduch-voda 267 55. Elektroinstalace TČ vzduch-voda 269 56. Provozní zkoušky TČ vzduch-voda 272 57. Naměřené parametry TČ vzduch-voda 276 58. Co dál se zkušebním TČ vzduch-voda? 283 58.1. Závěr 283 59. Zvýhodněné sazby pro tepelná čerpadla 284 59.1. Podmínky sazby 285 60. Tabulky chladiv 287 61. Závěr 300 62. Odkazy na některé www stránky 302 63. Literatura 303 64. Nabídka dílů pro stavbu tepelného čerpadla 305 65. Inzerce 306 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

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

STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO 20 5. 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 25.000,-Kč, se tato spotřeba sníží na 25/3,5 tj. na 7,14MW a cena energie bude místo 25.000,- Kč jen 7.140,-Kč.

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

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

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

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

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

STAVÍME TEPELNÉ ČERPADLO 16.8. 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

16. KONSTRUKČNÍ DÍLY TEPELNÝCH ČERPADEL 16.9. 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

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

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 3.600 Z toho S=V/(w 3.600) [m 3 /h; m 2, m/s] [m 2 ; m 3 /h, m/s] 18.1. 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