Potrubní systémy v rozvodech chladu

Rozvoj chladicí techniky a uplatnění zařízení pro chlazení nejen v oblasti technologické, ale také v obytných a občanských budovách přináší problémy, které mohou negativně ovlivnit efektivitu provozu. Autoři poukazují na reálnou příčinu poruchy deskových výměníků pro výrobu ledové vody, která vede až k jejich havárii, a  a zásady, jak poruše předejít.

Recenzent: Jiří Hirš

1. Úvod

Některé závady na nových chladicích zařízeních pro výrobu ledové vody, jako například výpadky kompresorů, zamrzání deskových výměníků, nedosažení projektovaných parametrů, bývají zapříčiněny právě špatným nebo nevhodným dimenzováním, či konstrukčním uspořádáním spojovacího potrubí. Dimenzování potrubí podle připojovacích rozměrů zařízení (kompresorů, kondenzačních jednotek a deskových výměníků) je nevhodné a v důsledku vede k výše popisovaným problémům. Připojovací rozměry chladicích zařízení musí být dimenzovány na maximální výkon. Chladicí výkon a hmotnostní průtok chladiva se velmi mění s vypařovací teplotou. Malé rozměry potrubí představují vysoké rychlosti proudění chladiva a ty mají za následek vysoké tlakové ztráty a tím ztráty na výkonu. Při větších rozměrech potrubí klesají ztráty prouděním a tím provozní náklady, vede to však k větším pořizovacím nákladům na potrubí a na komponenty. Kromě toho jsou zde také ještě omezení daná problematikou vracení oleje v sacím potrubí. V uvedeném výpočtu se optimalizuje průměr potrubí s ohledem na minimální rychlost proudění chladiva (minimální rychlost proudění chladiva nutná pro spolehlivé vracení oleje) a maximální tlakovou ztrátu.

2. Popis zařízení

Popis jednotlivých potrubních systémů v chladicím zařízení. Výtlačné potrubí, dopravuje stlačené páry chladiva s obíhajícím množstvím oleje z kompresoru (kompresorů) do kondenzátoru. Tlumí vlivy značného tepelného namáhání a kmitání vznikajícího stlačováním par chladiva. Potrubí kondenzátní, dopravuje kondenzát (směs částečně zkondenzovaného chladiva a par chladiva) z kondenzátoru do sběrače chladiva.
Je možné je použít pro zpětné proudění par ze sběrače do kondenzátoru. Kapalinové potrubí, dopravuje směs oleje a kapalného chladiva ze sběrače k expanznímu ventilu. Potrubí expandovaného chladiva, dopravuje z expanzního ventilu expandované chladivo do výparníku (výparníků). Sací potrubí, dopravuje obíhající olej
a přehřáté páry chladiva z výparníku (výparníků) do sání kompresoru (sacího rozvodu u sdružených kondenzačních jednotek).

Průměry potrubí

Výpočet průměru potrubí je poměrně jednoduchý, vychází z chladicího výkonu, parametrů chladiva v konkrétním chladicím zařízení a respektuje doporučené rychlosti proudění w_i [m·s^–1] viz tab. 1

Tab. 1 • Doporučené rychlosti proudění chladiva pro různé typy potrubí [m·s^–1]

Chladicí výkon Q_C [W] závisí na hmotnostním průtoku chladiva m [kg·s^–1], který je ve všech místech potrubí stejnýa dále na hmotnostní chladivosti q₀[J·kg^–1]. Lze jej vyjádřit rovnicí

kde q₀ jerozdíl měrných entalpií chladiva h_{1 – h4}[J·kg^–1]mezi vstupem a výstupem z výparníku, viz obr. 1. Hmotnostní průtok chladiva můžeme vyjádřit pomocí lokálních měrných objemů v_i [m³·kg^–1] v uvedených místech, které lze odečíst pro jednotlivé i-té stavy chladiva obvykle z diagramu log p – h nebo parních tabulek a platí rovnice kontinuity pro stlačitelné tekutiny

 

Z rovnice (1) a (2) se dá vypočítat potřebný lokální průřez potrubí S_i, v závislosti na lokální rychlosti proudění w_i a dalších veličinách

a pak pro optimální lokální vnitřní průměr i-té části kruhového potrubí při zachování doporučené rychlosti proudění chladiva w_i v různých typech potrubí, viz tab. 1 platí

 

Vnější průměr potrubí se stanoví pevnostním výpočtem. Materiál potrubí volíme dle druhu používaného chladiva.

3. Možné důvody zámrazu deskových výměníků

Jako jeden z hlavních důvodů zamrzání deskových výměníků můžeme považovat nedodržení požadovaného minimálního průtoku přes deskový výměník. V aplikacích výroby ledové vody o teplotě cca +1 až +6 °C, používané do potravinářské výroby, je velmi důležité, aby kanál deskového výměníku, v němž proudí chladivo, byl obklopen na obou stranách kanály s proudící vodou. Množství protékané ledové vody a vhodnou odpařovací teplotu stanovíme podle výrobce deskového výměníků. Nezachování předepsaného průtoku ledové vody může vést až k zamrznutí deskového výměníku a jeho poškození, viz obr. 3 a obr. 4.

Deskové výměníky obsahují velké množství kanálků malých rozměrů. Pro správnou funkci a zabránění zanesení těchto kanálků je nutné instalovat do okruhu výměníku na straně vody filtr se sítí o velikosti 16 až 20 otvorů na jeden palec.

Pro správnou funkci a zabezpečení provozu je nutné instalovat do chladicího okruhu na straně vody průtokový spínač a protimrazové čidlo. V praktických aplikacích se tyto zabezpečovací prvky instalují, ale zanedbává se jejich kontrola během provozu. Tyto ochranné prvky musí být minimálně 1× ročně podrobeny funkční zkoušce. Při provozu chladicích zařízení může docházet k mírnému úniku chladiva a tím pádem snižování výkonu chladicího zařízení. Při snížení výkonu chladicího zařízení o 4 % poklesne odpařovací teplota o 1 °C. Toto snížení odpařovací teploty může vést k namrzání výměníku a v konečném důsledku až k jeho poškození. Právě proto je nutná kontrola všech zabezpečovacích prvků a chladicího zařízení jako celku.

Termíny prohlídek a kontrol je vhodné stanovit současně s kontrolami na únik chladiva, které stanoví zákon č. 483/2008 Sb., §26 v následujících intervalech.

Provozovatel pevně instalovaných zařízení s náplní regulované látky, které se při provozu nepřepravuje, je povinen prostřednictvím certifikované osoby zajistit kontrolu těchto zařízení, zejména jejich těsnosti, nejméně:

• jednou za 12 měsíců u zařízení s obsahem regulované látky nejméně 3 kg, s výjimkou hermeticky uzavřených systémů, které jsou takto označeny a obsahují méně než 6 kg regulované látky;
• jednou za 6 měsíců u zařízení s obsahem regulované látky nejméně 30 kg;
• jednou za 3 měsíce u zařízení s obsahem regulované látky nejméně 300 kg.

Následné řešení vzniklé poruchy a úniku chladiva a oleje do ledové vody sebou přináší obrovské investice do opravy chladicího zařízení a v případě zařízení pro potravinářské účely ještě navíc do kompenzace pro poškozené zákazníky.

4. Závěr

Správně navržené potrubí a hydraulicky vyvážený systém výrazně snižuje možnost zamrznutí deskového výměníku v zařízení pro výrobu ledové vody. Následné kontroly zařízení jak po stránce funkčnosti protimrazové ochrany průtokového spínače, tak po stránce těsnosti chladicího okruhu, toto riziko poruch ještě zmírňují. Proto investice vynaložené na prevenci se významně vrátí ve zvýšení spolehlivosti chladicího zařízení.

Literatura

[1] BÄCKSTRÖM; M., Technika chlazení, Státní nakladatelství technické literatury, Praha 1959.
[2] DVOŘÁK, Z., Základy chladicí techniky, skripta, Ediční středisko ČVUT, Praha 1, Husova 5, leden 1982.
[3] FENCL, Z. Zpravodaj Svazu chladicí a klimatizační techniky, květen 2005.
[4] PAVELEK, M. a kol.: Termomechanika. Skripta. VUT FSI, Brno 2007.
[5] NAŘÍZENÍ EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY (ES) č. 1005/2009 ze dne 16. září 2009 o látkách, které poškozují ozónovou vrstvu.
[6] NAŘÍZENÍ KOMISE (ES) č. 303/2009 ze dne 2. dubna 2008, kterým se v souladu s nařízením Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 842/2006 stanovují minimální požadavky a podmínky pro vzájemné uznávání k certifikaci společností a pracovníků, pokud jde o stacionární chladicí a klimatizační zařízení a tepelná čerpadla obsahující některé fluorované skleníkové plyny.
[7] Vyhláška č. 279 ze dne 18 srpna 2009 o předcházení emisím regulovaných látek a fluorovaných skleníkových plynů.
[8] ULRICH, J.H. SMUTNÝ, F., Chladicí technika II, Překlad: Svaz CHKT s.r.o., Komunardů 6, Praha 7, Praha 2000, ISBN 80-238-5889-0.
[9] Zákon č. 483/2008 Sb. kterým se mění zákon č. 86/2002 Sb., o ochraně ovzduší a o změně některých dalších zákonů (zákon o ochraně ovzduší), ve znění pozdějších předpisů.

---

Refrigerant piping system

Refrigerant piping system design guide is described in this article. Good piping design results in a balance between the initial cost, pressure drop, and system reliability. The initial cost is impacted by the diameter and layout of the piping. The pressure drop in the piping must be minimized to avoid adversely affecting performance and capacity.

Keywords: refrigerant, refrigerant sy­stem, refrigerant piping system