Kapalinou naplněná žárovka má velkou náplň chladiva a nikdy „nevyschne“. Vždy bude obsahovat kapalné i plynné chladivo. Tlak uvnitř baňky se zvyšuje se zvyšujícím se přehříváním v důsledku dodatečného odpařování. Historicky bylo chladivo v baňce stejné jako pracovní chladivo v systému (paralelně plněné). Lepších vlastností však bylo dosaženo použitím různých chladiv (cross-charged), což je nyní nejběžnější uspořádání.
MOP baňka, nazývaná také plynem nabitá, má uvnitř baňky mnohem menší množství chladicí směsi než baňka s kapalinou. S rostoucím odpařovacím tlakem se bude sací potrubí v důsledku toho stále více zahřívat. Omezená náplň chladiva v baňce MOP se zcela odpaří při předem definovaném tlaku, tlaku MOP. Když se směs kapalného chladiva vyvaří, tlak uvnitř baňky se výrazně nezvýší, i když se zvýší tlak odpařování. Jehlový ventil se dále neotevře, čímž se omezí maximální průtok hmoty ventilem. Důvodem je ochrana kompresoru před elektrickým přetížením, zejména při spouštění, kdy může být odpařovací tlak mnohem vyšší než za normálních provozních podmínek. Nevýhodou ventilu MOP je, že baňka musí být vždy chladnější než pouzdro ventilu, aby se zabránilo migraci a kondenzaci omezené náplně chladiva na povrchu membrány. Pokud by baňka MOP byla místo toho teplejší než těleso ventilu, ventil MOP by se uzavřel, i když by byl provozní tlak výrazně pod maximálním provozním tlakem.
TEV mohou mít také adsorpční náboj, kde baňka také obsahuje pevný adsorbent, jako je dřevěné uhlí nebo silikagel. Adsorbované chladivo reaguje pomaleji na změny teploty než přímo nabité žárovky a poskytuje pomalejší odezvu. To může někdy pomoci stabilizovat oscilační tendence. Adsorpční plněné žárovky však fungují nejlépe v omezeném rozsahu, a proto jsou často speciálně navrženy pro provozní podmínky.
Nastavení přehřívání
Přehřátí je energie přidaná k nasycenému plynu, což má za následek zvýšení teploty. Během odpařování kapalného chladiva závisí teplota pouze na teplotě varu tohoto chladiva. Zvýšení teploty (přehřátí) je možné až po získání 100% páry.
Pružina uvnitř TEV působí na jehlu a udržuje ventil uzavřený, pokud TEV detekuje nedostatečné přehřátí. Je vyžadována minimální úroveň přehřátí, aby tlak z žárovky začal tlačit zpět pružinu a tím otevřít ventil. Toto se nazývá statické přehřívání (B-C in Obrázek 4.4). Vřeteno na straně expanzního ventilu reguluje statické přehřívání. Uvolněná pružina způsobuje menší statické přehřívání, protože ventil se otevírá dříve. Tuhá pružina vyžaduje více statického přehřátí, protože ventil se otevírá později. Křivka ventilu v Obrázek 4.4 je posunuta doleva s menším statickým přehřátím a doprava s větším statickým přehřátím.
Dodatečné přehřátí potřebné k otevření ventilu pro provoz se nazývá otevírací přehřátí a mělo by být optimalizováno pro jmenovitý provozní bod systému (C-D v Obrázek 4.4). Otevírací přehřátí je dáno konstrukcí TEV a nelze jej v systému měnit. Přidáním statického a otevíracího přehřátí získáme pracovní přehřátí, což je skutečné přehřátí, které lze v systému měřit. Expanzní ventil je normálně mírně předimenzovaný a dosáhne maximální kapacity, když je plně otevřen. Toho lze dosáhnout pouze při vyšším provozním přehřátí (bod D in Obrázek 4.4).
Zvýšení nebo snížení pracovního přehřátí systému lze provést pouze změnou statického přehřátí, jak je znázorněno na Obrázek 4.5. Výkonová křivka TEV se pak posune doprava nebo doleva s více či méně statickým přehříváním, resp.
Maximální průtok chladiva TEV závisí na velikosti ventilu a tlakovém rozdílu nad ním. Pokud je ventil příliš malý, nelze dosáhnout jmenovitého chladicího výkonu, i když je ventil zcela otevřený. TEV se normálně volí tak, aby umožňovala mírně vyšší (přibližně o 20 %) chladicí výkon, než je nominální. K maximálnímu otevření ventilu je však zapotřebí vyšší tlak v baňce pro zatlačení pružiny. Rezervní kapacita je tedy využívána na úkor zvýšeného pracovního přehřátí.
Vliv přehřátí na teplotu vypařování
Teplota vypařování je ovlivněna činností expanzního ventilu v důsledku změny přehřátí a hmotnostního průtoku, jak je znázorněno na Obrázek 4.6. Malé změny v přehřátí mají jen malý vliv na teplotu vypařování. Velmi vysoká úroveň přehřátí však způsobí velký pokles teploty vypařování. V této situaci se teplota nasávaného plynu přiblíží teplotě vstupní vody a velká část teplosměnné plochy musí být využita pro přehřátí (zobrazeno jako D na Obrázek 4.6).
Stabilita
Je důležité nastavit přehřátí na vhodnou úroveň. Pokud je přehřátí příliš malé, může to způsobit nestabilitu výparníku (hunting). Přebytečné kapalné chladivo může přetékat a vstupovat do kompresoru, kde může způsobit problémy, jako je pěnění, kdy kapičky chladiva pronikají do olejové vany a okamžitě se odpaří. Turbulence může vytvořit chladivo/olejovou pěnu, která naruší provoz. Přebytečné kapalné chladivo, které vstupuje do kompresoru, může také vytvářet tlakové rázy uvnitř kompresní komory. Kapky kapalného chladiva stříkající na hřídel se rozpustí v oleji a sníží mazací účinek. Nakonec může být ložisko hřídele odkryto a rychle se opotřebovat. Tyto faktory mohou značně snížit očekávanou životnost kompresoru, ačkoli citlivost na přenos kapalného chladiva se u různých kompresorových technik značně liší. Pokud je naopak přehřátí příliš vysoké, povede to k vysokým teplotám na výtlaku kompresoru, což zkracuje životnost oleje. Kromě toho bude vysoká úroveň přehřívání vyžadovat zbytečně velkou plochu pro přenos tepla a/nebo snížit teplotu odpařování, což povede ke snížení COP.
Tepelné expanzní ventily musí vždy pracovat s minimálním pracovním přehřátím, aby bylo dosaženo stabilní regulace. Minimální stabilní signál (MSS) závisí na typu TEV, charakteristice přítomného výparníku a vzájemné poloze expanzního ventilu, výparníku a baňky. Je proto obtížné předpovědět minimální přehřátí pro stabilní provoz. V praxi se nastavení provádí tak, že se spustí provoz se stabilním přehřátím a poté se systematicky povoluje pružina, dokud nenastane nestabilita. Volba mírně vyšší úrovně přehřátí zajistí stabilní provozní podmínky.
In Obrázek 4.7, ventil 1 je příliš velký. Jen s malým zvýšením přehřátí se jehla otevře a umožní průchod velkého objemu chladiva. Zpětnovazební signál je příliš silný vzhledem k nárůstu přehřátí a systém se může stát nestabilním. Stabilizovat ventil by bylo možné zvýšením statického přehřátí, protože vedení TEV by se pak posunulo doprava, pryč od vedení MSS. To by však vyžadovalo vyšší pracovní přehřátí, což by snížilo teplotu vypařování a snížilo ekonomiku provozu. Ventil 2 je perfektní, dotýká se linie MSS přesně v bodě jmenovitého zatížení s rozumnou úrovní přehřátí. Ventil 2 se může ještě otevřít o něco více, aby se umožnilo chvilkové zvýšení kapacity. Ventil 3 je příliš malý, protože může zajistit jmenovitý výkon pouze se zvýšeným přehřátím. Neexistuje ani žádný extra kapacitní potenciál.
Vnější a vnitřní vyrovnání tlaku
Pro správný odhad úrovně přehřátí by měla být teplota chladiva porovnána s teplotou nasycení ve stejném bodě, tj. na výstupu z výparníku. Interně vyrovnávací expanzní ventil místo toho porovnává teplotu naměřenou v baňce na výstupu z výparníku s tlakem těsně za expanzním ventilem.
Pokud je mezi expanzním ventilem a měřicím bodem baňky velký pokles tlaku (např. pokud je ve výparníku rozvodné zařízení), bude rozdíl mezi naměřenou teplotou a odhadovanou teplotou nasycení příliš malý. Ventil se překompenzuje uzavřením, což má za následek nepřiměřeně vysokou úroveň přehřátí a příliš velký podíl povrchu výparníku, který se používá k přehřívání chladiva. Při jmenovitém chladicím výkonu bude přehřátí příliš vysoké a zabere tak příliš velkou plochu pro přenos tepla na udržení nastavené teploty vypařování. V důsledku toho se sníží celkový výkon systému.
Následující příklad ilustruje diskuzi výše. U TEV s vnitřním vyrovnáváním tlaku se používá výparník SWEP s distribučním zařízením. Předpokládá se následující: 1 bar pokles tlaku na kroužcích rozdělovače kapaliny, TEVAP=2°C a TEV je přednastaveno na přehřátí 5K. Tlak bezprostředně za expanzním ventilem (stav „a“ v Obrázek 4.8) odpovídá saturační teplotě přibližně 7°C. Při pokusu o nastavení na 5K přehřátí bude teplota plynu opouštějícího výparník 7+5=12°C (stav „c“). To má za následek přehřátí 10 K namísto zamýšlených 5 K (stav „d“).
Pro provoz TEV se správným měřením přehřátí u výparníků s vysokou tlakovou ztrátou na straně chladiva (tj. s rozvody) je nutné použít TEV s externím vyrovnáváním tlaku. Přídavná tlaková trubice je pak instalována na výstupu výparníku za baňkou v sacím potrubí. Statický tlak je přiváděn zpět do expanzního ventilu a působí na opačnou stranu membrány než je baňka. Kvůli tomuto dodatečnému vyrovnání tlaku na výstupu z výparníku bude tlak z baňky reagovat pouze na skutečné přehřátí.
Jak je vidět na příkladu výše, je zvláště důležité použít tento typ expanzního ventilu s výparníkem SWEP s vestavěnými kroužky rozdělovače kapaliny, které způsobují dodatečný pokles tlaku běžně o 0.5-2 bar. Pokles tlaku v distribučním systému chladiva SWEP se nepovažuje za součást poklesu tlaku pájeného deskového výměníku tepla. Expanzní ventil a rozvodný systém pracují společně a vytvářejí celkový pokles tlaku mezi úrovní kondenzačního a vypařovacího tlaku.
Dimenzování tepelného expanzního ventilu
Expanzní ventil je zvolen tak, aby zajistil dostatečný průtok chladiva při zachování stabilního a přiměřeného přehřátí pro regulaci výparníku. TEV by mělo fungovat v celém provozním rozsahu systému bez problémů s nestabilitou nebo kapacitou. Různí výrobci používají různá doporučení, ale běžně se volí velikost TEV umožňující o 20 % nominální kapacitu.
Důležité údaje, které je třeba vzít v úvahu při výběru expanzního ventilu, jsou jmenovitý chladicí výkon, kondenzační tlak a odpařovací tlak. Je-li výparník vybaven rozvodným zařízením, je třeba zaznamenat i jeho přibližnou tlakovou ztrátu. Požadovaný pokles tlaku na TEV se vypočítá následovně.
Programy nebo výběrové tabulky od výrobců expanzních ventilů lze použít k nalezení vhodné velikosti na základě vypočtené tlakové ztráty přes TEV a jmenovitého chladicího výkonu. Všimněte si, že dodatečný pokles tlaku v distribučním systému DPDist sníží skutečný tlakový rozdíl oproti TEV, což často znamená, že je potřeba větší expanzní ventil nebo vložka trysky.
Expanzní ventil je přednastaven na statický přehřátí na základě jmenovitého kondenzačního tlaku. Pokud je systémový kondenzační tlak vyšší, sníží se přednastavené statické přehřátí a naopak. Jmenovité výkony TEV jsou zobrazeny ve výběrových tabulkách pro přednastavené statické přehřátí a nominální úroveň podchlazení. Opět platí, že pokud podchlazení systému překročí jmenovitou hodnotu, měl by se tabulkový chladicí výkon vydělit korekčním faktorem. Vždy si přečtěte technické informace od výrobců TEV a dodržujte jejich pokyny.
Jmenovitý chladicí výkon výparníku je určen rovnováhou mezi výkonem kompresoru a výparníku.
Nejsložitější volba je, když se provozní podmínky systému výrazně mění s kolísáním kondenzačního a vypařovacího tlaku nebo s velkými změnami chladicího výkonu, tj. více nebo variabilní kompresory. Volba expanzního ventilu je obvykle kompromisem, protože žádný ventil nebude ideální pro celý provozní rozsah. Správně zvolený ventil však poskytne široký provozní rozsah.
Klikněte pro zvětšení
Obrázek 4.2 Termostatický expanzní ventil. (1) Membránové pouzdro, (2) Vyměnitelný adaptér, (3) Pouzdro ventilu, (4) Vřeteno pro nastavení statického přehřátí, (5) Žárovka naplněná chladivem, (6) Port pro externí vyrovnání.
Obrázek 4.3 Vliv žárovky na membránu uvnitř TEV.
Obrázek 4.4 Korelace mezi množstvím použité kapacity a množstvím přehřátí, které to způsobuje ve výparníku.
Obrázek 4.5 Charakteristika ventilu před a po změně statického přehřátí dotažením regulačního šroubu ventilu.
Obrázek 4.6 Teplotní profily pro různé úrovně přehřátí. A: Normální přehřátí. B: Vysoké přehřátí. C: Nízké přehřívání. D: Velmi vysoké přehřátí.
Obrázek 4.7 Vliv velikosti ventilu na stabilitu.
Obrázek 4.8 Pokles tlaku způsobený systémem distribuce kapaliny ve výparníku.
