ANALÝZA PRECHODNÉHO VYKUROVACIEHO VÝKONU TEPELNÝCH ČERPADIEL R290 A R410A POČAS PROCESU SPÚŠŤANIA

ICR 23.-25.8.2023

Dr. Che Wang (⚑ China) - Xi‘an Jiaotong University Che Wang je Assistant Professor na Inštitúte o kompresoroch na Xi’an Jiaotong University. Jeho práca sa zameriava na prírodné chladivá v kompresorových systémoch.Preložil Peter Tomlein

Tento článok sa zameriava na prechodný výkon tepelných čerpadiel s R290 a R410A (TČ) počas procesu spúšťania v prostredí s nízkou teplotou. Výkon, príkon, tlak a teplota sa merali a porovnávali počas studených štartovacích procesov TČ s R290 a R410A. Výsledky ukazujú, že výkon TČ s R410A dosiahol 80 % za približne 9 minút a výkon s R290 sa nezvýšil na 80 % ani po 18 minútach, keď bola okolitá teplota 2 °C. 

Zmeny tepelných parametrov ilustrujú, že migrácia chladiva môže byť kľúčovým faktorom, ktorý viedol k zhoršeniu prechodového výkonu TČ s R290. Nižšia výstupná teplota a menšie množstvo náplne R290 má za následok obohatenie chladiva olejom v kompresore a nedostatok kvapalného chladiva na vstupe do elektronického expanzného ventilu (EEV). 

Okrem toho sa skúmali dve metódy riadenia na zlepšenie prechodného výkonu TČ s R290. Výsledky ukazujú, že vysoká frekvencia kompresora do určitej miery zlepšila výkon TČ, zatiaľ čo kontrola distribúcie chladiva pred spustením viedla k „blokovaniu EEV expanzného zariadenia olejom“.

Postupné vyraďovanie fluórovaných uhľovodíkov (HFC) 

V Číne sa urýchlilo v dôsledku implementácie dodatku z Kigali, cieľov v oblasti uhlíkovej neutrality. Spomedzi rôznych typov chladiva s nízkym potenciálom globálneho otepľovania vykazuje R290 (propán) priaznivé termodynamické vlastnosti a je považovaný za vhodnú alternatívu k HFC pre izbové klimatizácie a tepelné čerpadlá (HP). Hoci mnoho výskumníkov zdôrazňovalo stabilný výkon s R290, málo pozornosti sa venovalo prechodnému výkonu TČ s R290, ktorý môže byť dôležitým faktorom ovplyvňujúcim tepelnú pohodu, najmä pri nízkych okolitých teplotách.

Výkon TČ pri štartovacom ohreve s chladivami R290 a R410A

Tento článok predstavuje experimentálnu štúdiu, ktorá komplexne analyzuje prechodný výkon TČ s ich termodynamickými vlastnosťami. Výkon prechodového ohrevu TČ s R290 a R410A je hodnotený porovnávacou analýzou počas spúšťania, keď bola okolitá teplota 2 ℃ a -15 ℃. Výsledky ukázali, že prechodný vykurovací výkon TČ R410A bol oveľa vyšší ako výkon s R290. 

Zaistenie expanzného ventilu kvapalným chladivom

Expanzné zariadenie, pulzný EEV, môže byť lepšie zaistený kvapalným R410A pravdepodobne z dôvodu jeho vyššej výtlačnej teplote a väčšej náplne chladiva, aj keď do akumulátora bolo nasávané pomerne veľa chladiva. Ďalej sa skúmali dve metódy na zlepšenie prechodového výkonu s R290. Výsledky ukazujú, že vysoká frekvencia kompresora do určitej miery zlepšila výkon, zatiaľ čo kontrola distribúcie chladiva (pump down) pred spustením viedla k „zablokovaniu expanzného zariadenia olejom“.

Technické zabezpečenie experimentu

Obrázok 1 ukazuje, že jednotka R290 HP sa skladá z kompresora poháňaného invertorom s akumulátorom, vonkajšieho výmenníka tepla (ODHE), vnútorného výmenníka tepla (IDHE), štvorcestného ventilu a elektronického expanzného ventilu (EEV). TČ bolo umiestnené v entalpickej miestnosti na reguláciu špecifikovanej vnútornej a vonkajšej teploty a vlhkosti vzduchu s presnosťou 0,2 ℃. 

Chladiaci výkon, spotreba energie TČ s chladivami R290 a R410A 

Boli merané v ustálenom stave za stálych menovitých podmienok podľa (vonkajšia teplota suchého/mokrého teplomeru DB/WB 35/24 °C a vnútorná teplota suchého/mokrého teplomera 27/19 ℃). Špecifikácie výkonu izbovej klimatizácie R290 a R410A sú uvedené v tabuľke 1. Hoci boli vybraté jednotky TČ s podobným chladiacim výkonom, chladiaci výkon R410A je 3414 W, zatiaľčo výkon s R290 je o niečo menší. Avšak COP (vykurovací súčiniteľ) R290 TČ dosiahol 3,2 a COP R410A TČ bol 3,13.

Experimenty s prechodným vykurovaním sa uskutočňovali za podmienok vykurovania pri nízkej teplote (vonkajšie teploty (suchá/mokrá DB/WB 2/1℃ vnútorná DB/WB 20/15℃) a pri extrémne nízkej teplote (vonkajšie DB/WB -15/-16℃ vnútorné DB/WB 20/15 ℃). Avšak kvôli procesom odmrazovania TČ pri nižších teplotách okolia nie je možné udržať ustálený stav. Medzitým sa zodpovedajúcim spôsobom zmenil priemerný vykurovací výkon v cykle pre TČ s chladivami R290 a R410A. Aby bolo možné jasne porovnať zvýšenie vykurovacieho výkonu počas spustenia, bol na výpočet percenta výkonu pre TČ s R290 a R410A zvolený maximálny vykurovací výkon v úplnom cykle zahrievania-rozmrazovania-dohrievania. Súčasne sa vypočítalo aj percento výkonu.

Presnosť merania výkonu TČ 

Bola v rozmedzí 0,5 % a 1,53 %. Teploty na výtlačnom a sacom hrdle kompresora, vstupe a výstupe EEV a spojovacej rúrke kompresora a akumulátora boli merané niekoľkými termočlánkami typu K s presnosťou 0,5℃. Tlaky na výtlaku a nasávaní kompresora boli merané tlakovými prevodníkmi s rozsahom merania 0-2,5 MPa s presnosťou 0,25 %. Nastavenie experimentu pre TČ s R410A bolo rovnaké ako pre TČ s R290, s výnimkou tlakového prevodníka kvôli vyššiemu tlaku v systéme R410A. Okrem toho pre systém s R290 bolo pridaných niekoľko priehľadných rúrok v blízkosti kompresora a EEV na sledovanie migrácie chladiva.

Prechodný výkon TČ môže byť ovplyvnený

Ako je známe, prechodný výkon TČ môže byť ovplyvnený hmotnosťou systému a prerozdelením chladiva medzi komponenty (Kapadia et al., 2009). Tanaka a kol. (1982) zistili, že vo výparníku bolo po spustení obdobie hladovania (nedostatok chladiva), kým sa tepelné čerpadlo ustálilo, v dôsledku migrácie chladiva do kompresora. Pre TČ s R290 Li a spol. (2015) merali distribúciu chladiva v statickom a dynamickom stave a výsledky ukázali, že chladivo najskôr v prvej pol minúte natieklo do kompresora cez akumulátor z výmenníka tepla na nízkotlakovej strane. 

Medzitým počas studeného štartu dochádza k podtlaku na nízkotlakovej strane a ku kondenzácii chladiva v olejovej vani. Teplejší kompresor môže zabrániť vyššie uvedenému javu a urýchliť rovnováhu v klimatizácii vo vykurovacom stave (Wu et al., 2020).

Zmeny výkonu TČ

Výkon TČ s  R290 a R410A počas studeného štartu pri nízkoteplotných podmienkach ohrevu je znázornený na obrázku 2. Aj keď sa výkon s oboma chladivami zvýšil súčasne počas prvej 1,5 minúty, výkon s R410A vykazoval potom plynulejší rastový trend, zatiaľ čo výkon s R290 v nasledujúcich 3 minútach stagnoval 5 minút, kým frekvencia kompresora nedosiahla nastavenú hodnotu. 

Výkon TČ s R410A a R290 pri výparnej teplote 2 ℃

Príkon TČ s R410A dosiahol 80 % za 4 minúty a príkon R290 dosiahol rovnakú úroveň približne za 9 minút. Zvýšenie výkonu výrazne ovplyvnilo zmenu kapacity. Ventilátor systému R410A sa spustil hneď po spustení kompresora a stratégia „proti studenému vetru“ zastaví chod ventilátora až o 5 minút neskôr. Výkon TČ s R410A dosiahol 80 % za približne 9 minút a R290 sa nezvýšil na 80 % ani po 18 minútach.

Výkon TČ s chladivami R290 a R410A počas studeného štartu 

V podmienkach extrémne nízkej teploty -15 ℃ zohrievania je znázornený na obrázku 3. Trend TČ s R410A bol podobný ako pri výparnej teplote 2 °C. Ale vrchol príkonu pre systém R290 je možné vidieť do 3,5 minúty a potom drasticky poklesol. O 6 minút neskôr príkon TČ s R290 dosiahol 80 % v porovnaní s TČ s R410A. Pri nižšej okolitej teplote bol nárast výkonu pomalší. Záporný výkon však bol zaznamenaný pre chladivo R290 od 4 do 9 minúty. Vykurovací výkon R410A dosiahol 80 % za 10 minút, zatiaľ čo s R290 dlhšie ako 20 minút.

Mechanizmus migrácie a toku chladiva

Väčšina výskumu v TČ sa zameriava na termodynamické vlastnosti v systéme na skúmanie mechanizmu migrácie a toku. Zatiaľ čo prechodný výkon priamo súvisiaci s tepelným komfortom používateľov počas spúšťania nebol dôkladne študovaný. Li a spol. (2018) ukázali možnosť a výhody riadenia distribúcie chladiva pred spustením na zlepšenie rýchleho nábehu výkonu TČ s R410A počas spúšťania.

Variácie termodynamických parametrov

Tlak a teplota v kľúčových bodoch sa merali, aby sa analyzovali zmeny výkonu. Zmeny termodynamických parametrov v TČ  s chladivami R410A a R290 sú znázornené na obrázkoch 4,5. 

S chladivom R410A v TČ sa výtlačný tlak postupne zvýšil na 2,32 MPa za 8 minút, zatiaľ čo sací tlak klesol na 0,039 MPa približne za 2 minúty. Súčasne bola pozorovaná extrémne nízka teplota (-40 ℃), blízko nasýtenej teploty, na výstupe EEV a pripojovacej trubici akumulátora. Teplota nasávania sa však udržiavala na úrovni okolo -16,8 ℃, aj keď bola aj na nízkotlakovej strane. Dá sa predpokladať, že kvapalina R410A pretiekla cez EEV a ostala v akumulátore počas tohto obdobia. K extrémne nízkym teplotám prispelo odparovanie kvapaliny R410A. Medzitým môže sací otvor z akumulátora prehrievať pary chladiva, kým Tacc nezačne klesať po 5,5 min. Aj keď veľa kvapalného chladiva vstúpilo do akumulátora po spustení kompresora, dostatočné množstvo kvapalného chladiva môže byť stále dodávané do výparníka a vytvorilo sa „kvapalné tesnenie“ EEV. Postupné obnovenie sacieho tlaku bolo spôsobené migráciou chladiva na nízkotlakovú stranu, ako aj vyparovaním chladiva v akumulátore v R410A HP počas spúšťania. V „ustálenom stave“ sa dá z toho odvodiť, že Tacc je medzi Teev,o a Tsuc, že sací vstup bol v dvojfázovom stave. Pretože plášť kompresora bol veľmi horúci a teplota akumulátora môže byť v dôsledku vedenia tepla pri prehriatí akumulátora takmer rovnaká ako teplota kompresora.

Hoci zmeny tlakov v TČ s R290 mali takmer rovnakú tendenciu ako s TČ s R410A, v detailoch bolo niekoľko rozdielov. Po prvé, na dosiahnutie rovnováhy tlakov v TČ s R290 bolo potrebné viac času. Okrem toho Psuc v TČ s R290 klesol oveľa nižšie a jeho minimálna hodnota bola nižšia ako 0 MPa, čo znamená, že na nízkotlakovej strane nastalo vákuum. Medzitým nižší sací tlak trval dlhšie, až kým sa nezačal obnovovať asi za 8,5 minúty. Zmeny teplôt v TČ s R290 boli tiež odlišné od s R410A. Na strane vysokého tlaku Tdis prekročilo Teev,i až o 10 minút neskôr. Pre nízkotlakovú stranu Teev,o neklesla, kým Tdis postupne nedosiahlA Teev,i. Dlhodobo extrémne nízku teplotu na Tacc možno pozorovať v dôsledku vyparovania kvapaliny R290 uloženej v akumulátore pri nižšom tlaku. Potom sa Tacc drasticky zvýšila na vyššiu teplotu ako Teev,o kvôli vedeniu tepla z plášťa kompresora.

Obrázok 6 ukazuje, že počas studeného štartu boli stupne prehriatia (D) pred spustením klimatizácie takmer 0, čo znamená, že chladivá boli v kompresore nasýtené. Mierna odchýlka stupňov od 0 môže byť vplyvom okolia, pretože termočlánky boli nalepené na povrchu rúrok. Ihneď po spustení kompresora sa stupeň prehriatia na výtlačnom otvore kompresora (Ddis) mierne znížil v dôsledku rýchlejšieho zvyšovania tlaku a pomalšieho zvyšovania teploty kompresora. 

Výtlak kompresora bol teda dvojfázový. Avšak trend zvyšovania stupňa prehriatia na vstupe a výstupe EEV (Deev,i a Deev,o) ukázal, že cez EEV pretieklo málo kvapalného chladiva. Hmotnostný prietok cez EEV bol do značnej miery obmedzený parou R290 na vstupe EEV. Preto sa sací tlak počas tohto obdobia znížil a udržiaval sa na nižšej úrovni. Potom, keď sa Tdis zvýšil a kvalita plynu chladiva na vstupe EEV klesla, Deev,i a Deev,o začali klesať jednotlivo. Aj keď kvalita plynu R290 na vstupe EEV po 2,5 min, stupeň prehriatia na sacom hrdle kompresora (Dsuc) a výstupe EEV neklesol až do 8 min. O niekoľko minút neskôr Ddis postupne prekročil 0 a trvalo 15 minút, kým sa výtlak kompresora prehrial.

Podľa variácií termodynamických parametrov, hoci R410A aj R290 boli nasávané do akumulátora, privádzaná kvapalina R410A z vysokotlakovej strany zabezpečovala dostatočný hmotnostný prietok cez EEV do výparníka, čo bolo prospešné pre obnovenie sacieho tlaku a zvýšenie výkonu TČ. V TČ s R290 prebiehalo vyparovanie v akumulátore, kondenzácia v kompresore, čo viedlo k dlhodobému nízkemu tlaku na vstupe do EEV, čo spomalilo vytvorenie sacieho tlaku a výkonu výparníka. Okrem toho, dvojfázový výtlak z kompresora môže mať za následok výtlak veľkého množstva oleja z kompresora (Tanaka a kol., 1982; Wang a kol., 2023, 2022). Mazanie kompresora a spoľahlivosť R290 TČ počas prechodných procesov by sa preto mali zodpovedajúcim spôsobom starostlivo vyhodnotiť.

Izoentropický koeficient R290 je menší

Ak vezmeme do úvahy tepelné vlastnosti, vyššie uvedený jav môže byť tiež výsledkom menšieho adiabatického koeficientu R290. Výstupná teplota, ako aj stupeň prehriatia sú oveľa vyššie pre R410A (D sa rovná 17,9 °C a 6,7 °C) v procese adiabatickej kompresie, ako ukazuje obrázok 7. Teplota výtlaku sa teda môže rýchlo zvýšiť a normálne kondenzovať v IDHE. V prípade R290 však môže chladivo kondenzovať v studenej olejovej vani (strana vysokého tlaku) a uskladniť v akumulátore (strana nízkeho tlaku). Navyše množstvo náplne R290 bolo obmedzené kvôli jeho horľavosti. Neadekvátne množstvo R290 sa teda môže použiť v ohrievacom cykle na absorbovanie tepla z okolia počas studeného štartu, čo má za následok dlhodobú zahrievaciu periódu TČ.

Výkon počas spúšťania s vysokou frekvenciou kompresora (HCF)

Keďže výkon TČ s R290 bol ovplyvnený nedostatkom tepla počas spúšťania uskutočnil sa spúšťací experiment s vysokou frekvenciou kompresora (HCF) na zlepšenie prechodového výkonu TČ s R290. Ako ukazuje obrázok 8, skokové zvýšenie frekvencie kompresora počas nízkej frekvencie kompresora (LCF) sa zmenilo na metódu rýchleho zvýšenia v bodkovaných čiarach. Takto možno použiť väčší výkon rotora na urýchlenie zvýšenia teploty kompresora, ako aj výkonu TČ. R290 HP by mohol stáť kratší čas (14 minút) na dosiahnutie 80 % kapacity s HCF pod 2 ℃ a pri HCF pod -15 ℃ nebol zaznamenaný žiadny záporný výkon. Na obrázku 8 je však pri HCF vidieť výraznejší výkonový vrchol, ktorý pravdepodobne súvisel s nadmerným nasávaním kvapaliny do kompresora z akumulátora a následnou dvojfázovou kompresiou.

Blokovanie oleja“ počas štartovania s riadením distribúcie R290 (RDC)

Pretože nedostatok kvapalného chladiva na vstupe EEV bránil zvýšeniu výkonu R290 HP. Pred spustením sa vykonala aktívna kontrola distribúcie R290 (RDC) (Li et al., 2018). Ventily kvapalinového a plynového potrubia boli jeden po druhom uzavreté pred vypnutím kompresora, aby sa väčšina R290 vytiahla z vonkajšej jednotky a „uzavrela“ do vnútornej jednotky. Predpokladalo sa teda, že dostatočné množstvo kvapaliny R290 bude dodané do EEV na začiatku pri ďalšom studenom spustení HP.

Došlo však k takzvanému „olejovému zablokovaniu“, kým sa impulz EEV počas spúšťania manuálne nezvýšil s pevným impulzom EEV po použití RDC. Ako ukazuje obrázok 9 a obrázok 10, výkon, sací tlak sa drasticky znížil a stupeň prehriatia na výstupe EEV a sacom otvore sa prudko zvýšil, aj keď sa pred EEV po 1 minúte nahromadilo množstvo kvapaliny R290. Žiadny R290 alebo len málo z nich teda nemôže prúdiť na nízkotlakovú stranu v dôsledku zlyhania EEV.

Väčší impulz EEV 

Keď sa nastavil väčší impulz EEV, pozorovali sa na výstupe EEV malé kvapôčky oleja prilepené a pomaly splachované preč, len čo sa objavilo tekuté chladivo, ako ukazuje obrázok 11. 

ZÁVERY

Hlavným cieľom tejto štúdie je pochopiť a zlepšiť prechodový výkon R290 TČ pri zahrievaní. V tomto článku bol vykonaný experiment na porovnanie rýchlosti zvyšovania výkonu TČ s R290 a R410A pri nízkej okolitej teplote. 

Tepelnému čerpadlu s R290 nielenže trvalo oveľa dlhšie, kým dosiahlo rovnaký výkon ako s chladivom R410A, ale aj záporný výkon bol zaznamenaný s R290 v prvých 10 minútach pri výparnej teplote -15 °C. Nižšia výparná teplota a menšie množstvo náplne môže byť dôvodom, prečo TČ sR290 vykazuje horší prechodný zahrievací výkon. 

Migrácia R290 do kompresora a nedostatok kvapalného chladiva na vstupe EEV môžu byť dve hlavné prekážky. Preto boli preskúmané metódy vysokej frekvencie kompresora (HCF) a riadenia distribúcie chladiva (RDC). HCF by mohla do určitej miery zlepšiť prechodný výkon R290 HP, zatiaľ čo RDC viedlo k „zablokovaniu EEV olejom“ počas štartovania s pevným impulzom EEV.

Pri obmedzení súčasným zariadením neboli dodržané prietokové charakteristiky systému s R410A. Okrem toho by sa mala zlepšiť metóda riadenia alebo konfigurácia systému TČ s R290 pre lepší prechodový výkon v budúcnosti.

ACKNOWLEDGEMENTS

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (NSFC) under grant No. 51676147 and Midea Group.

Viac informácií nájdete v časopise Správy 4/2024