Dlaczego chiller traci wydajność lub wyłącza się podczas upałów?

Chłodnictwo · 12 min czytania

W okresie letnim użytkownicy instalacji chłodniczych często obserwują wzrost temperatury wody lodowej, wydłużenie czasu pracy agregatów, zwiększenie poboru energii oraz alarmy wysokiego ciśnienia skraplania. Jedną z możliwych przyczyn jest wzrost temperatury powietrza zasysanego przez skraplacz.

Problem jest szczególnie istotny w przypadku agregatów umieszczonych na dachach budynków przemysłowych. Temperatura powietrza bezpośrednio przy urządzeniu może być wtedy znacznie wyższa od temperatury meteorologicznej, zwłaszcza gdy występuje recyrkulacja gorącego powietrza lub ograniczony dopływ świeżego powietrza.

Samo skasowanie alarmu lub zmiana nastaw nie usuwa przyczyny problemu. Przed podjęciem decyzji o modernizacji należy sprawdzić rzeczywiste warunki pracy całego układu.

Dlaczego temperatura powietrza ma tak duże znaczenie?

Skraplacz może oddawać ciepło tylko wtedy, gdy temperatura skraplania czynnika chłodniczego jest odpowiednio wyższa od temperatury powietrza przepływającego przez wymiennik.

Wymagana różnica temperatur zależy między innymi od konstrukcji i powierzchni skraplacza, ilości przepływającego powietrza, obciążenia chłodniczego, rodzaju czynnika, liczby pracujących sprężarek, stanu wymiennika oraz sposobu regulacji wentylatorów.

Jeżeli temperatura powietrza wpływającego na skraplacz wzrasta, musi wzrosnąć również temperatura i ciśnienie skraplania. Sprężarka pracuje wtedy przy większym stopniu sprężania, co pogarsza efektywność obiegu, zwiększa jej obciążenie i może prowadzić do przekroczenia dopuszczalnych parametrów pracy urządzenia.

Przykład: agregat 75 kW z czynnikiem R32

Rozpatrzmy przykładowy agregat chłodniczy o wydajności 75 kW, pracujący z czynnikiem R32 i dobrany dla temperatury otoczenia +35°C. Przyjmijmy temperaturę skraplania +54,5°C.

Przy temperaturze powietrza +35°C różnica temperatur pomiędzy czynnikiem chłodniczym a powietrzem wynosi:

54,5°C − 35°C = 19,5 K

Jeżeli temperatura powietrza wzrośnie, a temperatura skraplania pozostałaby niezmieniona, różnica temperatur dostępna do wymiany ciepła szybko maleje:

W bardzo uproszczonym porównaniu, przy niezmienionej temperaturze skraplania i pozostałych warunkach, potencjalna zdolność odprowadzania ciepła zmieniałaby się następująco:

Wartości te nie oznaczają identycznego spadku wydajności chłodniczej agregatu. Pokazują jedynie, jak silnie zmniejsza się siła napędowa wymiany ciepła. W rzeczywistym urządzeniu temperatura i ciśnienie skraplania wzrastają, aby skraplacz mógł nadal oddawać ciepło przy mniejszej różnicy temperatur.

Wzrost ciśnienia skraplania i obciążenia sprężarki

Podwyższenie temperatury skraplania powoduje zwiększenie sprężu, zmianę wydajności objętościowej sprężarki i pogorszenie efektywności energetycznej obiegu.

Przykładowa symulacja agregatu 75 kW z czynnikiem R32 daje następujące wyniki:

Uwaga: wartości przedstawiają model teoretyczny sprężarki pracującej bez ograniczenia wydajności. Nie są danymi katalogowymi ani potwierdzeniem dopuszczalności pracy do +50°C.

W rzeczywistych urządzeniach automatyka może ograniczyć prędkość obrotową lub liczbę pracujących sprężarek. W takiej sytuacji spada zarówno wydajność chłodnicza, jak i pobór mocy elektrycznej. Możliwe jest również zatrzymanie sprężarki przez zabezpieczenie wysokiego ciśnienia.

Temperatura przy skraplaczu może być wyższa niż temperatura otoczenia

W analizie nie należy opierać się wyłącznie na temperaturze podawanej przez stację meteorologiczną. Rzeczywista temperatura powietrza zasysanego przez skraplacz może być znacznie wyższa z powodu:

• nagrzania dachu lub nawierzchni przez promieniowanie słoneczne,
• ustawienia urządzenia w miejscu o ograniczonym dopływie świeżego powietrza,
• ponownego zasysania gorącego powietrza wyrzucanego przez wentylatory,
• bliskiego sąsiedztwa innych skraplaczy lub źródeł ciepła,
• zastosowania osłon ograniczających przepływ,
• niewłaściwego kierunku wyrzutu powietrza,
• pracy urządzenia wewnątrz częściowo zamkniętej przestrzeni.

Nie należy utożsamiać wysokiej temperatury powierzchni dachu z temperaturą powietrza zasysanego przez skraplacz. Decydujący jest rzeczywisty pomiar wykonany na wlocie do wymiennika, w kilku punktach i podczas pracy urządzenia.

Dlaczego wzrasta temperatura wody lodowej?

Agregat zaprojektowany na parametry wody 6/12°C może nie być w stanie utrzymać temperatury zasilania +6°C, jeżeli jego dostępna wydajność chłodnicza spadnie poniżej obciążenia cieplnego instalacji. Temperatura wody zaczyna wtedy wzrastać.

Jeżeli zamiast parametrów 6/12°C zostaną zmierzone przykładowo 8/9°C, nie oznacza to automatycznie, że wydajność agregatu zmniejszyła się sześciokrotnie. Różnica temperatur wody zależy również od jej przepływu, obciążenia odbiorników, działania zaworów regulacyjnych, pracy pomp, pojemności instalacji i sposobu regulacji agregatu.

Moc chłodniczą po stronie wody należy określić z zależności:

Q = m × cₚ × ΔT

Do oceny potrzebny jest zatem jednoczesny pomiar przepływu oraz temperatury zasilania i powrotu. Sama zmiana różnicy temperatur wody nie stanowi dowodu na proporcjonalny spadek wydajności agregatu.

Najczęstsze przyczyny problemów podczas upałów

Zabrudzenie powierzchni skraplacza

Kurz, pył, liście i pozostałe zanieczyszczenia ograniczają przepływ powietrza oraz pogarszają wymianę ciepła. Zewnętrznie czysty wymiennik może być nadal zabrudzony pomiędzy kolejnymi rzędami lamel.

Ograniczony przepływ powietrza

Przyczyną może być niewłaściwa praca wentylatorów, uszkodzenie silnika, niewłaściwy kierunek obrotów, zbyt niska prędkość obrotowa albo przeszkody znajdujące się przed skraplaczem i nad nim.

Ponowne zasysanie gorącego powietrza

Jeżeli powietrze wyrzucane przez wentylatory ponownie trafia na powierzchnię wymiennika, temperatura powietrza na wlocie stopniowo wzrasta. Skraplacz zaczyna pracować w warunkach znacznie trudniejszych niż wynikające z temperatury otoczenia.

Zbyt mała powierzchnia wymiany ciepła

Skraplacz mógł zostać dobrany dla niższej temperatury zewnętrznej, mniejszej mocy chłodniczej albo innego czynnika chłodniczego. Problem może pojawić się również po zwiększeniu obciążenia technologicznego instalacji.

Nieprawidłowa ilość czynnika chłodniczego

Zarówno niedobór, jak i nadmiar czynnika mogą powodować zakłócenia pracy. Ocena napełnienia nie powinna być wykonywana wyłącznie na podstawie pojedynczego wskazania ciśnienia.

Niewłaściwa regulacja wentylatorów

Błędne nastawy regulatora, niewłaściwie umieszczony czujnik, zbyt krótkie interwały czasowe sterowania albo nieprawidłowe stopniowanie wentylatorów mogą powodować nadmierne wahania ciśnienia skraplania.

Jakie parametry należy sprawdzić?

Rzetelna ocena wymaga jednoczesnego zebrania danych dotyczących strony chłodniczej, hydraulicznej, elektrycznej i powietrznej. Należy sprawdzić między innymi:

• temperaturę powietrza zewnętrznego oraz temperaturę przed i za skraplaczem,
• ciśnienie i temperaturę skraplania oraz parowania,
• temperaturę tłoczenia sprężarki,
• przegrzanie i dochłodzenie czynnika,
• temperaturę wody lub glikolu na zasilaniu i powrocie,
• przepływ wody albo glikolu,
• pobór prądu przez sprężarki i wentylatory,
• liczbę pracujących sprężarek,
• prędkości i kierunki obrotów wentylatorów,
• kolejność występowania alarmów,
• rzeczywiste obciążenie chłodnicze instalacji.

Pomiary należy wykonywać po ustabilizowaniu pracy urządzenia i przy znanym obciążeniu. Pojedynczy odczyt bez informacji o warunkach pracy zazwyczaj nie wystarcza do postawienia diagnozy.

Co należy porównać?

Wyniki należy porównać z dokumentacją producenta, obwiednią pracy sprężarki, parametrami doborowymi skraplacza, charakterystykami wentylatorów, wymaganym przepływem medium, nominalną mocą urządzenia, rzeczywistym zapotrzebowaniem instalacji oraz nastawami automatyki i zabezpieczeń.

Dopiero takie porównanie pozwala określić, czy przyczyną jest zabrudzenie, ograniczony przepływ powietrza, niewłaściwa regulacja, przeciążenie urządzenia, nieprawidłowe napełnienie czynnikiem czy niedostateczna powierzchnia skraplacza.

Możliwe kierunki modernizacji

W zależności od wyników analizy rozwiązaniem może być:

• dokładne czyszczenie i prostowanie lamel,
• przywrócenie prawidłowej pracy wentylatorów,
• zmiana sposobu regulacji ich wydajności,
• poprawa dopływu i wyrzutu powietrza,
• zastosowanie przegród ograniczających recyrkulację,
• zmiana lokalizacji albo zabudowy urządzenia,
• zwiększenie powierzchni wymiany ciepła,
• zastosowanie dodatkowego skraplacza,
• zastosowanie chłodzenia adiabatycznego,
• korekta automatyki i progów regulacyjnych,
• dostosowanie pracy urządzenia do rzeczywistego obciążenia.

Wprowadzenie chłodzenia adiabatycznego wymaga sprawdzenia jakości i uzdatniania wody, ryzyka osadzania zanieczyszczeń, zabezpieczenia przed korozją oraz wpływu wilgoci na urządzenia elektryczne.

Czy agregat może pracować przy temperaturze powietrza +50°C?

Taka możliwość musi zostać potwierdzona indywidualnie. Sama modernizacja skraplacza nie oznacza, że wszystkie elementy urządzenia mogą bezpiecznie pracować przy tej temperaturze.

Należy sprawdzić obwiednię pracy sprężarki, maksymalne ciśnienie i temperaturę skraplania, temperaturę tłoczenia, warunki chłodzenia silnika, dopuszczalną temperaturę aparatury elektrycznej, parametry falowników i regulatorów, zakres pracy czujników i zabezpieczeń oraz możliwość odprowadzenia pełnej ilości ciepła.

Jeżeli skraplacz zasysa powietrze o temperaturze przekraczającej zakres dopuszczony przez producenta agregatu, może nastąpić ograniczenie wydajności lub zatrzymanie sprężarki przez zabezpieczenie wysokiego ciśnienia.

Jakie informacje przesłać do wstępnej oceny?

• producenta, typ i moc agregatu,
• rodzaj czynnika chłodniczego,
• zdjęcia urządzenia i tabliczek znamionowych,
• schemat chłodniczy i hydrauliczny,
• temperaturę wody na zasilaniu i powrocie,
• przepływ wody lub glikolu,
• temperaturę powietrza przy skraplaczu,
• wartości ciśnień podczas prawidłowej i zakłóconej pracy,
• pobór prądu sprężarek i wentylatorów,
• treść oraz kolejność alarmów,
• informacje o wcześniejszych naprawach,
• numer telefonu osoby odpowiedzialnej za instalację.

Na podstawie tych danych można określić zakres dalszych pomiarów, obliczeń oraz ewentualnej wizyty technicznej.

Wniosek

Temperatura powietrza zasysanego przez skraplacz jest jednym z podstawowych parametrów wpływających na niezawodność, wydajność chłodniczą i energochłonność agregatu.

Przy instalacjach dachowych należy szczególnie dokładnie sprawdzić lokalne warunki pracy. Sam fakt, że agregat osiąga nominalną wydajność przy +35°C, nie oznacza, że zachowa ją podczas upałów ani że będzie dopuszczony do pracy przy powietrzu zasysanym o temperaturze +50°C.

Materiał ma charakter ogólny i edukacyjny. Nie zastępuje indywidualnej diagnostyki, obliczeń, dokumentacji producenta ani projektu technicznego. Dobór agregatu i skraplacza należy każdorazowo potwierdzić na podstawie rzeczywistych charakterystyk producenta oraz dopuszczalnego zakresu pracy sprężarki.