Lapszámok

Összefoglalás

A cikkben a hőszivattyú elpárolgási folyamatának korszerű és hagyományos szabályozását elemezzük és vizsgáljuk. Bemutatjuk a szabályozórendszert és a rendszer alkotóelemeit, például az energia- és a szabályozórendszer komponenseit, a visszacsatolásokat, az áramlási irányokat és a rendszerparamétereket. Részletesen elemezzük a szabályozás alkotóelemeit, a szabályozószelepeket: a termosztatikus expanziós szelepet (TEV) és az elektromos expanziós szelepet (EEV). A szelepeket ábraszerűen és fényképen is bemutatjuk, valamint a cikk tartalmazza a működésük leírását is.

1. A hőszivattyú szabályozásáról

1.1. Bevezetés

Ha a hőszivattyú körfolyamatában a nyitott folyamatokat egyedileg tekintjük, akkor a szabályozás szempontjából megállapíthatjuk, hogy a kondenzátorban és a kompresszorban végbemenő folyamatok önszabályozottak, míg az elpárolgás folyamata szabályozásra szorul.

1.2. Kondenzáció

A hűtőközeg gőzének kondenzációja a felületi hőcserélő (kondenzátor) felszínén játszódik le, ahol a hőnyelő, azaz a fűtővíz elvonja a hőt a gőztől. A kondenzáció ideje alatt jelentkező nyomás és hőmérséklet értéke elsősorban a felületi hőcserélő méretétől, valamint a hűtőközeg tömegtáramától, az áramlási sebességtől és a hőt szállító folyadék tömegáramától és hőmérsékletétől függ. A kondenzáció folyamatában a fent említett rendszerparaméterek (állapotjelzők) között minden esetben, természetes módon áll be a termikus egyensúly, azaz a kondenzátorban önszabályozással alakul ki a nyomás és az egyensúlyi hőmérséklet.

Példa. Feltételezzük, hogy növekszik a kompresszor fordulatszáma, ezáltal a kondenzátorban nő a hűtőközeg térfogatárama, ennek hatására önműködően növekszik a nyomás és a hőmérséklet. A gőz hőmérsékletének a növekedése a hűtőközeg és a hőt szállító fűtővíz között nagyobb hőmérsékletkülönbséget hoz létre, ennek következtében a kondenzátorban az átadott hő nagyobb lesz és emiatt állandó tömegáram mellett növekszik a fűtővíz hőmérséklete.

1.3. Kompresszió

A kompresszió a kompresszor állandó fordulatszáma mellett önszabályozott folyamat. A kompresszor által szállított hűtőközeg névleges tömegárama elsődlegesen a kompresszor szerkezetétől, méretétől és a fordulatszámtól függ. Viszont az adott kompresszor működése során a szállított hűtőközeg tömegárama az elpárologtatóban, illetve kondenzátorban uralkodó nyomás függvényében jön létre. Külsőleg a kompresszió a kompresszor fordulatszámának a változtatásával szabályozható.

1.4. Elpárolgás

A hőszivattyú körfolyamatában az elpárolgás folyamata nem önszabályozott. A hőszivattyú működésekor elengedhetetlenül szükséges az elpárologtató megfelelő működése is, ami a hűtőközeg optimális adagolását jelenti.

Az elpárolgási folyamat ideálisnak tekinthető, ha az elpárologtató teljes hossza gőz és cseppfolyós halmazállapotú hűtőközeg keverékével van feltöltve. A keverékben a folyékony halmazállapotú közegnek az elpárologtató kilépő nyílásáig el kell párolognia az utolsó cseppig. A hűtőközeg tömegáramának ideális szabályozásával elérhető, hogy az elpárologtatót tiszta telített gőz hagyja el.

A valós rendszerekben ideális szabályozást megvalósítani nem lehet, vagyis nem érhető el, hogy az elpárologtató maximális kihasználtságú legyen. A hűtőközeg-áram valós szabályozása esetében az elpárologtató kihasználtsági foka 90 – 95%-os. A felület fennmaradt 5 – 10%-os része a telített gőz túlhevítésére szolgál.

A valós rendszerekben a szabályozó úgy van beállítva, hogy a túlhevített gőz hőmérsékletnövekedése ∆t = 4 °C legyen.

A túlhevítés szükséges rossz, de ennek révén elkerülhető, hogy folyékony fázisú hűtőközeg hagyja el az elpárologtatót és kerüljön be a kompresszorba. 

A cseppfolyós fázis többszörösen káros hatással van a kompresszorra. Először, a kompresszorba bekerült cseppfolyós hűtőközeg előbb-utóbb elpárolog, viszont az elpárolgás folyamatához szükséges hőt a kompresszor tömegétől vonja el, nem pedig a hőforrásként szolgáló folyadéktól. Értelemszerűen, kompresszió során a szállított hűtőközeg teljes mennyisége nem változik, de csökken az effektív hűtőközeg tömegének a részaránya. Az elpárolgáskor az effektív tömeg a hőforrásként szolgáló folyadéktól von el hőt, nem pedig a kompresszor tömegétől. Ennek következményeként a kompresszor hűtőteljesítménye és emiatt a hőszivattyú fűtőteljesítménye is csökken. 

Másodszor, amennyiben a kompresszorban a folyékony halmazállapotú hűtőközeg részaránya meghaladja a kritikus értéket, hidraulikai ütés és ennek következményeként szeleplemez-törés jelentkezhet. Az ok: hirtelen nagymértékű vagy hosszú időtartamú, de kisebb mértékű hűtőközeg túladagolás.

1.5. A szabályozás célja és feladata

A szabályozás alapfeladata, hogy a kondenzáció után a magas hőmérsékletű folyadék-kondenzátum hőmérsékletét alacsonyabb párolgási hőmérsékletre csökkentse le. Járulékos feladata, hogy a szabályozás optimálisan játszódjék le, a túlhevítés értéke ne haladja meg a 4 °C-ot. 

A gyakorlatban a szabályozás folyamata expanzió-tágulás alkalmazásával valósul meg. 

Ideális esetben a szabályozás a folyadék izentrópikus tágulásával játszódna le. Mivel a folyadék tágulásakor kapott munka értéke elhanyagolhatóan csekély, ezért munkagépet előállítani a felhasználására nem kifizetődő.

Valójában a kivitelezett hőszivattyúkban a hűtőközeg tömegáramának a szabályozása izentalpikus expanzióval, vagyis fojtással történik. A műszaki gyakorlatban az izentalpikus fojtás a szabályozószelepben az áramlási keresztmetszet változtatásával valósul meg.

További részletek lapunk 2016/3-as számának nyomtatott változatában található, illetve a teljes cikk pdf-formátumban is rendelkezésre áll regisztráltaknak havonta egy alkalommal, előfizetőknek korlátlanul).