Expanze chladiva v klimatizaci a chlazení: proč elektronický expanzní ventil?
Expanze chladiva v klimatizaci a chlazení: proč elektronický expanzní ventil? Tradiční řešení: - TEV Všechny chladící jednotky, ať už určené pro trh klimatizace nebo chlazení, obvykle používají jako expanzní zařízení tradiční termostatický expanzní ventil: toto je standardní součástka vybavená snímací buňkou (tzv. tykavkou) a pokročilejší modely i tlakovým šroubením pro externí kompenzaci. Toto expanzní zařízení - termostatický expanzní ventil, dále nazývané TEV (Thermostatic Expansion Valve), i když je funkční a obecně schopné udržet jednotku, ve které je nainstalováno, v „provozu“, má několik vlastností,které v mnoha ohledech omezují všestrannost instalací a výkon, kterého může být dosaženo. Samozřejmě, některé typy instalací jsou vzhledem ke své specifikaci, provozním parametrům a/nebo rozložení roční zátěže, více citlivé na negativní vlivy řízení TEV. Inovace: - EEV Řešením pro většinu, pokud ne pro všechny nevýhody vyplývající z řízení TEV, je elektronický expanzní ventil, dále nazývaný EEV1 (Elektronic Expansion Valve). Toto elektromechanické zařízení řízené servopohonem, které se během posledních několika let stalo široce dostupným na trhu, expanduje tok chladiva různými způsoby za použití obyčejného tlakového a teplotního čidla (odpovídajícího tlakovému šroubení pro kompenzaci a teplotní snímací buňce - tykavce v TEV). Obě čidla jsou umístěna na výstupu z výparníku a měření je čteno a zpracováváno kontrolerem, který v reálném čase rozhoduje o nejlepším stupni otevření ventilu.
Typy EEV: - proporcionální - impulsní Pro vytvoření proměnného průtoku chladiva existují různá řešení a všechna obvykle dosahují výsledku změnou plochy otvoru ve cloně: některé ventily pracují se změnou zdvihu jehly nebo jinou pohyblivou částí (proporcionální ventily), jiné zcela zavírají a otvírají pevnou clonu se změnou časových intervalů (impulsní nebo cyklovací ventily). Z čistě teoretického hlediska zde není žádný rozdíl mezi těmito typy řízení, pokud uvážíme dostatečně dlouhou dobu sledování: přesto jsou proporcionální ventily upřednostňovány z hlediska přesnosti a řízení, v impulsních cyklovacích ventilech mohou impulsy chladiva zapříčinit problémy s nestabilitou a malou účinností2. Níže uvedený graf zobrazuje z kvalitativního hlediska metody a výsledky modulace za použití impulsních (PWM) a proporcionálních EEV. průtok chladiva proporcionální EEV (kg/h)
průtok chladiva impulzní typ EEV (kg/h)
čas
čas
Dalším nápadným rozdílem mezi proporcionálními a pulsními EEV je přenášení tlakových pulsů na potrubí chladiva, zvláště v případě dlouhého potrubí (např. v supermarketech) a přítomnosti tepelných výměníků teplá kapalinaplyn. Tlakové pulsy mohou vést k nepředvídatelným poruchám, ne přímo v samotném EEV, ale v potrubním systému obecně (kapalinové potrubí, výparník, rozvaděč, tepelný výměník,...).
1 2
Také EXV. Cyklovací ventil ve všech případech tvoří impulzivní tok chladiva a pouze po dostatečně dlouhé době generuje efekt „změny“ na základě přiměřené plynulosti.
1
CZ402200000 rel. 3.0 - 29.11.2005
EEV - Aplikace a vlastnosti Dané téma v podstatě zahrnuje všechny typy chladících jednotek obecně, jako jsou tepelná čerpadla a chladiče pro domácí a průmyslové použití, klimatizace pro přístřešky, pro počítačová centra, telefonní ústředny a jednotky s uzavřeným řízením obecně, chlazené místnosti a chlazené vitríny pro vystavené výrobky. Jaké jsou tedy ty vlastnosti, které dělají EEV odlišným a lepším než je TEV? 1. Kompatibilita se všemi typy chladiva a velmi široký rozsah kapacity. 2. Přesnost v modulaci průtoku chladiva. 3. Mikroprocesorové řízení. Na první pohled tyto tři vlastnosti nemusí vést k rozhodnutí o změně řízení z TEV na EEV: nicméně, při podrobnějším prozkoumání je patrné, jak elektronické řízení průtoku chladiva řeší mnoho problémů, způsobených tradičními typy řízení, a proto přináší mnoho výhod.
1. Kompatibilita se všemi typy chladiva a velmi široký rozsah řízení. Tyto vlastnosti výrazně snižují počet modelů EEV, které jsou používány v různých jednotkách, jako důsledek toho, že nejsou navázány na daný typ kapaliny, spolu s dlouhým zdvihem pohyblivého článku u pokročilejších EEV zajišťují neobyčejnou všestrannost použití řídícího zařízení a zvláště: 1.1 Vyplývající výhody Logistika • Neexistuje rozlišování mezi ventily pro různé typy chladiva jako je tomu v případě TEV. Každý elektronický expanzní ventil je kompatibilní s různými typy chladiva dostupnými na trhu. Navíc, některé EEV jsou také kompatibilní s chladivy, která jsou v současné době méně obvyklá, ale která budou brzy využívána více, jako jsou NH3, CO2 nebo uhlovodíky. ¥ Zjednodušení co se týče logistiky vzhledem ke snížení počtu kódů, zásob, objednávek, náhradních dílů ... • Jeden EEV je schopen pracovat s velmi širokým rozsahem chladících kapacit3. Pro lepší porozumění, co toto znamená, se jednoduše podívejte do katalogu TEV a uvědomíte si počet různých těles, clon a následných kombinací nezbytných k pokrytí malého rozsahu kapacit. • Zjednodušení co se týče logistiky vzhledem ke snížení počtu kódů, zásob, objednávek, náhradních dílů, ... ¥ Chladící jednotky, které obvykle obsahují moduly se dvěma nebo více kompresory pro modulaci chladící kapacity, mohou být značně zjednodušeny za použití pouze jednoho (modulačního) kompresoru, jelikož EEV je schopen obsloužit neobyčejně proměnný rozsah kapacit bez jakýchkoliv problémů co se týče kvality řízení. ¥ V nedávných a současných stále rostoucích aplikacích jako jsou jednotky obsluhované kompresory se spojitým nebo krokovým řízením výkonu (šroubové, pístové nebo spirálové kompresory), použití TEV často znamená značné problémy s výkyvy právě po snížení kapacity o pouhých 25%. Tyto výkyvy značně snižují kvalitu jednotkou poskytovaných služeb co se týče shody dodávané chladící kapacity a životnosti samotné jednotky.
3
Například, model E2V: E2V-18 snadno pokryje rozsah kompresorů od 5kW do 14kW pro klimatizování s R22 (Te=7°C a Tc=54°C), od 4 kW do 13 kW pro klimatizování s R22 (Te=7-23°C a Tc=38°C) a od 2kW do 7kW s R404a (Te=-23°C a Tc=38°C).
2
CZ402200000 rel. 3.0 - 29.11.2005
Rozsah řízení • Jeden EEV je schopen obsloužit výše uvedený rozsah kompresorů, a to ne pouze při stanovených nebo plánovaných podmínkách, ale také při velmi rozšířeném rozsahu provozních podmínek. Dimenzování TEV je na druhé straně velmi úzce spojeno s používanou jednotkou a danými podmínkami. Pokud jsou prvky, tvořící jednotku, vhodně dimenzovány (tepelné výměníky atd.), provozní podmínky jednotky nemají v podstatě omezení a ventil není nad/pod-dimenzováním ovlivněn. Níže uvedený graf, vytvořený za použití ventilu z řady Carel E2V jako příklad, ilustruje výše popsané vlastnosti a výhody. Osa x představuje provozní P expanzního ventilu4. Osa y představuje průtok chladiva (R22) v kg/h: to značí jak minimální a maximální průtoky ventilu (červené linky), tak kapacitu dodávanou kompresory (různě barevné tečky). Maximální průtok EEV
Průtok chladiva 9 kW nominálních
Ostatní provozní podmínky 3 kW nominální
∆ P - diferenční tlak
Minimální průtok EEV
Graf zobrazuje kapacity různých kompresorů (od 3 do 9kW při stanovených podmínkách pro klimatizování5): větší tečky představují stanovené podmínky. Ze schématu je zřejmé, že daný ventil (Carel E2V-14) je schopen obsloužit kompresory vyzkoušené v podstatě při všech provozních podmínkách. Tyto výzkumy lze samozřejmě vztahovat také na ostatní EEV, pokud mají rozsah řízení ve skutečnosti tak velký jako rozsah Carel E2V. ¥ Bez problémů při různých klimatických podmínkách, provozních teplotách, změně bodu nastavení - žádané ... ¥ Zvláštní aplikace, jako jsou v potravinářském průmyslu, vyžadují použití chladících jednotek při provozních podmínkách, které se často značně liší co se týče odlišné odpařovací teploty. Řízení TEV vyžaduje zdvojení expanzní části chladícího okruhu, zatímco dávkovací nastavení EEV významně snižuje složitost a náklady instalace a umožňuje bezproblémový provoz v celém uvažovaném rozsahu provozních podmínek.
4 2
Prakticky hodnota kondenzačnoho tlaku mínus odpařovací tlak, vyjádřená v barech. Provedené výzkumy v každém případě platí také pro chladící aplikace
.
3
CZ402200000 rel. 3.0 - 29.11.2005
Úspora energie • Podtitulem předešlého bodu, který si zaslouží zvláštní pozornost, je provoz jednotek při podstatně nižších kondenzačních tlacích: ve skutečnosti jediným omezením EEV jsou minimální ∆P kompatibilní s použitým kompresorem a venkovní teplota. Jak je uvedeno výše, TEV obvykle pracuje v malém rozsahu okolo požadovaných hodnot a v tomto případě není možné využít nízké venkovní teploty pro zvýšení účinnosti chladící jednotky. ¥ S EEV je možno dosáhnout značných úspor energie zvýšením průměrného ročního výkonu dodávaného kompresorem (až o 25%6). Ve skutečnosti může být očekáváno 2% zvýšení účinnosti na každý 1°C poklesu kondenzační teploty. Toto je proto, že kompresory řízené módem ON/OFF (zapnuto/vypnuto) mají snížené časy ON, zatímco ty s kapacitním nebo měničovým (frekvenční měnič) řízením pracují na nižším stupni při stejném výkonu. Zvláštní zmínku si zaslouží použití technologie EEV v technologických chladících jednotkách (pro chladící boxy, přesné řízení, ...) a v supermarketech nebo v jakýchkoliv velkých chladících objektech pro skladování potravin: v těchto kategoriích je dosažitelná úspora energie docela významná a určitě zajímavá pro konečného uživatele, stejně jako pro výrobce nebo OEM, který může navrhnout vysoce inovační řešení. Jako příklad je níže uvedený klimatický profil různých Evropských míst: periody, které umožňují zvláště nízké kondenzační teploty jsou poměrně prodloužené i v místech, která jsou obvykle považována za mírná; to potvrzuje, že úspory dosažitelné řídící technologií EEV jsou v každém případě poměrně významné.
Klimatický profil
Miláno Řím Londýn Madrid Mnichov Paříž
Měsíc
6
Pravděpodobnost 25% úspory je u klimatizačních a chladících jednotek pracujících v teplotních klimatech po celý rok. Při sezónním provozu (např. chladiče pro domácnost) jsou úspory nižší, ale v každém případě určitě zajímavé.
4
CZ402200000 rel. 3.0 - 29.11.2005
2. Přesnost v modulaci průtoku chladiva
Průtok chladiva (kg/h)
Mechanická vlastnost EEV, která umožňuje široký rozsah řízení (v nejlepších proporcionálních modelech), je dlouhý zdvih řídící kuželky, který může dosahovat desítek milimetrů a více: řízení je proto mnohem přesnější než u nejlepších tradičních TEV. Řízení průtoku chladiva samozřejmě z tohoto významného rozlišení a přesnosti těží: dosažení stabilnějšího řízení přehřátí7, v případě, že je to užitečné i s nižší hodnotou než v případě použití TEV (u všech chladících systémů, jak klimatizačních, tak chladících) je bezpochyby výhodou. Zvláštní zmínku si zaslouží dvousměrné ventily, které mohou poskytnout lineární průtok chladiva s odvoláním na otevření ventilu v obou směrech provozu: níže uvedené schéma ukazuje pokusné údaje z testů průtoku prováděných na EEV Carel E2V-24. E2V24 hmotnostní průtok při ΔP 12 barů (R22, SBC=5 °C)
Otevření ventilu (%)
Ve všech úrovních otevření ventilu je evidentní téměř perfektní linearita. Podrobnější analýza možnosti nabízené přesnou modulací množství chladiva pro řízení přehřátí i více důležitých hledisek je popsáno níže. 2.1 Vyplývající výhody Stabilní přehřátí (SH) • Řízení přehřátí dosažitelné EEV je ve většině případů stabilnější a přesnější než s TEV: Žádaná je udržována podle změny provozních podmínek, sezóny a provozního módu chladící jednotky. ¥ Konstantní chladící výkon jednotky s rychlou stabilizací po zapnutí. Není potřeba přenastavovat bod nastavení podle změny pracovních podmínek.
7
Přehřátí je rozdíl mezi termometrickou a manometrickou teplotou na výstupu z parníku.
5
CZ402200000 rel. 3.0 - 29.11.2005
Spodní přehřátí (SH) • Stejně jako stabilita, může být hodnota přehřátí také snížena snížením bodu nastavení na požadovanou hodnotu: tato vlastnost řízení EEV neobsahuje riziko výkyvů (nebo kmitání), které jsou obvyklé u TEV. Níže uvedený graf zobrazuje efekt "horkého" přepínání mezi provozem chladiče s TEV na EEV: snížení průměrné hodnoty přehřátí a stabilita samotné hodnoty a provozního tlaku jsou jasně zřetelné.
kondenzační tlak
přehřátí vypařovací tlak čas
¥ Snížení žádané hodnoty přehřátí často znamená zvýšení kapacity dodávané jednotkou způsobené příslušným zvýšením odpařovacího tlaku a lepším využitím teplosměnné plochy výparníku8. Dvousměrý • Pokud je použit dvousměrný EEV (jako je Carel E2V) v reverzním cyklu tepelného čerpadla, je potřeba instalovat pouze jeden EEV namísto dvou TEV při tradičním řešení. ¥ Případ reverzního cyklu tepelných čerpadel je ideální aplikací pro EEV, která, krom ostatních výhod, které jsou společné pro všechny aplikace a odpovídajících ekonomických a technických přínosů, snižuje náklady na instalaci díky použití pouze jednoho ventilu a zjednodušení chladícího okruhu.
8
Hodnota tohoto zvýšení není podstatná, pokud je bod nastavení nižší než 5°C a proto je upřednostňované, kromě zvláštních případů, pracovat s body nastavení nad 4°C, navíc je zajištěno stabilnější řízení.
6
CZ402200000 rel. 3.0 - 29.11.2005
3. Mikroprocesorové řízení Faktická informace, že elektronický expanzní ventil je řízen mikroprocesorem, který působí jako generátor sekvencí pro pracovní kroky a jako inteligentní zařízení, které rozhoduje o současném požadavku na chlazení u výparníku, se může že zdát jako samozřejmé a zbytečné prohlášení, jelikož daný ventil je opravdu elektronický. Ve skutečnosti možnosti nabízené faktem, že kuželka EEV je umístěna přesně v bodě určeném kontrolerem, umožňuje jednodušší řízení přehřátí než jak je nabízeno tradiční technologií TEV: takto by výše uvedené prohlášení mělo být ve skutečnosti čteno „...jako inteligentní zařízení, které rozhoduje o současném a užitečném požadavku na chlazení...“. To znamená, že použití samostatné hodnoty přehřátí jako řídícího signálu není vždy nezbytně nejlepším řešením: řídící postupy, jako je MOP (Maximální provozní tlak) a LOP (Nejnižší provozní tlak), jsou první, které přichází na mysl, i když s mikroprocesorovým řízením je možných mnoho ostatních. V každém případě tyto také mohou být podstatně zlepšeny při použití EEV ve srovnání k TEV. Navíc, možnost přestavení zdvihu EEV do přesně požadované polohy umožňuje mnoho různých využití zde popsané technologie, dle požadavků zákazníka na základě specifických technických požadavků: dvě hodnoty nastavení požadované veličiny, zvláštní postupy pro start nebo stop, specifické situace jako jsou zaplavované výparníky, atd. Opravdu nejsou žádná omezení pro možný vývoj řídícího SW. Následně jsou uvedeny vlastnosti týkající se řídícího softwaru zavedeného do nejnovější generace kontrolerů CAREL, která je k dispozici na trhu chlazení a klimatizace, do zdokonaleného systému (pLAN a místních sítí), samostatných a zabudovaných verzí. 3.1. Výhody EEV MOP (Maximální provozní tlak) • Funkce MOP omezuje maximální odpařovací tlak, hodnotu, která je k dispozici z tlakové sondy a je přímo čtena ovladačem EV pro výpočet hodnoty přehřátí. Postup řízení může být konfigurován z hlediska prahové hodnoty a přírůstku, a udržuje tlak pod nebo roven hodnotě nastavené pro odpovídající parametr přesným a stabilním způsobem, jak je vidno v následujícím schématu.
Průběh funkce výparníku
teplota ochlazovaného média (voda, vzduch, …) nastavitelná hodnota MOP vypařovací tlak čas
Obvyklou akcí tohoto postupu řízení je postupné zavírání expanzního ventilu, aby omezil odpařovací tlak: toto ve skutečnosti zahrnuje zvýšení hodnoty přehřátí a teploty plynu u vývodu z výparníku (teplotu přehřátého plynu nebo sací teplotu). Nekontrolovaná akce může vést k nebezpečným hodnotám pro ochranu kompresoru, a z tohoto důvodu musí být postup vybaven limitem maximální hodnoty přehřátého plynu: tato funkce byla zavedena do řídícího algoritmu CAREL, což znamená nevídanou funkčnost a bezpečnost. ¥ Zapnutí při vysokém zatížení výparníku, v celkové bezpečnosti pro kompresor: je zamezeno nebezpečně vysokým hodnotám odpařovacího tlaku. ¥ „Soft“ (jemné) a přesné řízení odpařovacího tlaku, bez skoků nebo přerušení.
7
CZ402200000 rel. 3.0 - 29.11.2005
LOP (Nejnižší provozní tlak) • Podobně jako u funkce MOP, LOP udržuje odpařovací tlak nad nastavitelnou prahovou hodnotou s nastavitelným přírůstkem: výkyvy normálních provozních podmínek nebo krajní bod nastavení přehřátí nebo jiné úkazy vedou k přehnaně nízkým hodnotám tlaku, tato rutina postupně otvírá a jemně řídí expanzní ventil. Přesto nemůže být tento postup považován jako „řízení“ v pravém smyslu: je to v podstatě postup, který řídí přechodné stavy. Navíc, pokud probíhá akce ve směru otvírání, v případě, kde nejsou žádná omezení, může být dosaženo nadměrného stupně otevření a tím ohrožení bezpečnosti kompresoru vzhledem k možnému návratu kapaliny: postup LOP proto zahrnuje vnitřní bezpečnostní mechanismus, který brání otevření ventilu v případě příliš nízkých hodnot přehřátí. HiTcond • Zvláštní funkce HiTcond, patentovaná firmou CAREL, vyrovnává přechodná zvýšení kondenzačního tlaku/teploty omezením kapacity kompresoru ventilem EEV. V praxi toto zahrnuje řízené zavírání expanzního ventilu ke snížení průtoku chladiva: to vede ke snížení chladící kapacity u výparníku, tepla odevzdávaného v kondenzátoru a tudíž ke snížení kondenzační teploty. ¥ U technologických klimatizačních aplikací (například chlazení telekomunikačních kontejnerů), jednotky často pracují v páru, aby bylo zabráněno výpadkům, pokud je jedna z jednotek odstavena: v případ vysokých venkovních teplot se mohou obě jednotky odstavit kvůli aktivaci vysokotlakého spínače. K předejití tohoto problému a zajištění nepřetržité služby může být využita rutina HiTcond. ¥ Výše uvedené platí také pro jiné aplikace, zvláště ty, které nemají jiný způsob snížení chladícího výkonu, jako je řízení výkonu pro šroubové kompresory, měniče a další systémy. Nízký hluk • Jedna zvláštní vlastnost elektronického expanzního ventilu zahrnuje možnost záměrného poddimenzování odpařovacího okruhu a následně kompresoru. To vede, jako v případě rutiny HiTcond, ke snížení tepelné zátěže, která má být odevzdána kondenzátoru, který v důsledku toho může pracovat se svými ventilátory při nízké rychlosti a tím redukovat hluk: tato úvaha, vztažená ke skutečnosti, že noční venkovní teploty jsou často nižší než během dne, vede k rozšířené použitelnosti této funkce v případech, kde jsou problémy s hlukem v blízkosti jednotky. Ve skutečnosti většina případů nízké venkovní teploty vede ke snížení požadavku na chlazení (například, vzhledem k absenci slunečního záření) a tím snížení chladící kapacity nezpůsobuje problémy s nedostatečným servisem, jak je uvedeno výše. Samozřejmě, že provoz tímto způsobem nevede ke snížení spotřeby energie: technologie EEV umožňuje řízení provozních podmínek chladících jednotek podle požadavků, a uživatelé, kteří volí provoz s nízkou hlučností v noci, jsou pravděpodobně citlivější na hlukový faktor než na vysokou účinnost dosažitelnou při stejných podmínkách. ¥ Všechny chladící jednotky mohou používat tuto funkci, i když aplikace jako jsou klimatizační jednotky pro telefonní ústředny, GSM nebo UMTS rádiové linky, atd. zvláště těží z této možnosti vzhledem k jejich obvyklé blízkosti k obytným plochám.
8
CZ402200000 rel. 3.0 - 29.11.2005
CAREL spol. s r.o.
Pražská 298, 250 01 Brandýs nad Labem Tel: +420 326 377 729, fax: +420 326 377 730 e-mail:
[email protected] – www.carel-cz.cz
CZ402200000 rel. 3.0 - 29.11.2005
Zastoupení:
