Elektronicznie sterowane zawory rozprężne kontra termostatyczne

Na przykładzie klimatyzatorów Midea

Producenci coraz większy nacisk kładą na energooszczędność swoich urządzeń. Pozwala to zminimalizować koszty eksploatacji klimatyzatora.  Wśród sposobów na zwiększenie sprawności klimatyzatorów i oszczędność zużycia energii elektrycznej w klimatyzatorach typu Split i Multi Split jest m.in. zastosowanie sprężarek rotacyjnych w technologii 3D DC inwerter oraz …elektronicznych zaworów rozprężnych zamiast termostatycznych zaworów rozprężnych. Porównaniu właśnie pracy tych  zaworów poświecony w dużej mierze będzie ten artykuł.
Dodatkową, często pomijaną cechą klimatyzatorów, jest funkcja grzania, dostępna we wszystkich nowoczesnych modelach klimatyzatorów, dzięki jej wykorzystywaniu zwiększymy efektywność użycia klimatyzatora. 

Klimatyzatory „Inverter” – energooszczędne rozwiązania w klimatyzacji

Firma MIDEA, jako jeden z czołowych producentów, ma w swojej ofercie ultranowoczesną, energooszczędną serię klimatyzatorów X. Produkty te wyróżniają się bardzo wysoką sprawnością sięgającą powyżej 5,5 (COP) dla grzania i 5,4 (EER) dla chłodzenia. Dodatkowo urządzenia wyróżnia nowoczesne wzornictwo.
Za uzyskaniem tak doskonałych parametrów kryje się zastosowanie najnowocześniejszych rozwiązań technicznych. Klimatyzator MIDEA X jest wyposażony w podwójną, inverterową sprężarkę rotacyjną w technologii 3D DC inwerter (fot. 1). Dzięki temu, klimatyzator zachowuje również większą sprawność w niskich temperaturach w trybie grzania. Oprócz tego silniki wentylatorów jednostki zewnętrznej i wewnętrznej są stałoprądowymi silnikami bezszczotkowymi typu BLDC. Owocuje to większą skutecznością i cichszą pracą urządzenia, co podnosi znacznie komfort użytkowania.

Regulacja ilości czynnika – historia elementów wykonawczych w skrócie, czyli ich zalety i wady

 Zastosowanie automatyki ma znaczący wpływ na zwiększenie efektywności pracy instalacji chłodniczej, jak również poprawienie pracy parownika. Na przestrzeni lat zasilanie parowników i sposób regulacji ilości czynnika chłodniczego docierającego do parownika odbywało się poprzez różnego typu elementy wykonawcze, tj.:
– kapilary,
– zawory rozprężne stałego wydatku,
– automatyczne zawory rozprężne,
– termostatyczne zawory rozprężne,
– elektroniczne zawory rozprężne,
– silnikowe zawory rozprężne.

Kapilara  (fot.2) to najstarszy i najprostszy element wykonawczy. Charakteryzuje się następującymi zaletami: prostota budowy, niska cena, pełna powtarzalność, brak zbiornika ciekłego czynnika, niezawodność pracy oraz wyrównanie ciśnienia podczas  postoju.  Rozwiązanie to jednak nie umożliwia  tak naprawdę regulacji zakresu pracy, czy pomiaru przegrzania , wadą jest nieekonomiczna praca przy zmiennych obciążeniach. Zagrożenie pracy to z kolei możliwość zaczopowania, konieczność dokładnego napełnienia układu.

Stało wydajnościowy zawór rozprężny  (fot.3) charakteryzuje się  prostą budową, łatwą regulacją oraz ciągłą strugą czynnika. Wadami tego rozwiązania są: brak adaptacji do obciążenia układu, brak pomiaru przegrzania i konieczny zbiornik ciekłego czynnika.

Automatyczny zawór rozprężny  (fot. 4) to prosta budowa, łatwa regulacja, łatwy dobór, automatyczna adaptacja do aktualnego obciążenia. Wadami są: brak pomiaru przegrzania oraz konieczny zbiornik ciekłego czynnika.

Termostatyczny zawór rozprężny (fot.5) to elastyczne dostosowanie wydajności do zapotrzebowania, płynna regulacja, kontrola przegrzania, ciągła struga czynnika. Wady to mały zakres doboru w zakresie 90-110%, mechaniczna regulacja zaworu, pomiar przegrzania w sposób mechaniczny.

Elektroniczny zawór rozprężny  (fot.5a, b) to elastyczny sposób dostosowania wydajności do zapotrzebowania, płynna regulacja wydajności, elektroniczna kontrola przegrzania, duży zakres doboru od 10 do 100%,  możliwość uzyskania niskiego przegrzewu, niskie zużycie energii nawet o 30%, natychmiastowa zmiana wydajności, automatyczne zamknięcie zaworu w razie awarii, łatwy dobór zasilania. To rozwiązanie ma niestety także wady, takie jak: wysoka cena, przerywana struga czynnika, pierwsze otwarcie na 100% wydajności, brak samodzielnej pracy oraz konieczność zastosowania sterownika elektronicznego.

Zaletami silnikowego zaworu rozprężnego  (fot.6) mogą być elastyczne dostosowanie wydajności do zapotrzebowania, możliwość uzyskania niskiego przegrzewu, elektroniczna kontrola przegrzewu, duży zakres doboru od 0 do 100%, elektroniczny MOP, ciągła struga czynnika, pierwsze otwarcie od 0%, niższe zużycie energii nawet o 40%. Niestety to rozwiązanie nie jest idealne. Wadami są wysoka cena, konieczność bardzo dokładnego pomiaru ciśnienia, zmiana wydajności rozłożona w czasie, brak samodzielnej pracy, konieczność sterownia elektronicznego, w razie awarii zaworu pozostaje w ostatniej pozycji, konieczność zasilania awaryjnego do zamknięcia zaworu.

Zawory rozprężne:  elektronicznie sterowane kontra termostatyczne

Rozwiązanie będące ewolucją termostatycznych to elektroniczne zawory rozprężne oparte o silniki krokowe. Jest to elektromechaniczne urządzenie z serwosterowaniem, które od kilku lat jest już dość powszechnie dostępne na rynku. 

Jak pracuje elektroniczny zawór rozprężny?

Rozpręża on czynnik chłodniczy w zmienny sposób przy wykorzystaniu (poprzez sterownik) elektronicznego przetwornika ciśnienia i czujnika temperatury (odpowiadającego zewnętrznemu wyrównaniu ciśnienia, oraz czujnikowi termostatycznego zaworu rozprężnego). Obydwa te czujniki są zamontowane na końcu parownika (fot.7 a, b,c), a ich pomiary są przetwarzane przez mikroprocesorowy sterownik specjalnie opracowany dla pomp ciepła, który decyduje o optymalnym stopniu otwarcia zaworu w określonym czasie.

Aby lepiej zrozumieć, co to oznacza, a w szczególności jaki łatwo dobrać elektroniczny, a jak trudno termostatyczny  zaworów rozprężny wystarczy po prostu spojrzeć w katalog termostatycznych zaworów rozprężnych, aby uświadomić sobie jak wiele tam jest różnych korpusów, dysz, a co się z tym wiąże różnych możliwych kombinacji koniecznych do pokrycia małego zakresu wydajności.

Praca obu zaworów w różnych układach

1. W układach o zmiennej wydajności tzn. w układach VRF zastosowanie termostatycznych zaworów rozprężnych często pociąga za sobą wiele problemów związanych z wahaniami pojawiającymi się w układzie już nawet po zredukowaniu wydajności zaledwie o 25%. Wahania te znacznie ograniczają jakość pracy urządzenia w zakresie stałości wydajności  oraz zmniejszają żywotność elementów.
Elektroniczny zawór rozprężny może funkcjonować nie tylko w warunkach znamionowych lecz także w bardzo rozszerzonym obszarze warunków pracy.
Z drugiej strony wielkość termostatycznego zaworu rozprężnego jest związana bardzo ściśle z urządzeniem, w którym został zastosowany, oraz ze znamionowymi projektowymi parametrami układu. Jeżeli elementy urządzenia są wystarczająco zwymiarowane (wymienniki ciepła, itd.) warunki pracy nie są tu żadnym ograniczeniem, a zawór nie ma żadnego wpływu na zakłócenia w pracy poprzez jego niedowymiarowanie/przewymiarowanie.

2. Aspekt, który zasługuje na osobne rozpatrzenie to praca urządzeń chłodniczych przy znacznie obniżonym ciśnieniu skraplania.
Jedynym w tym wypadku ograniczeniem elektronicznego zaworu rozprężnego jest minimalna wartość różnicy ciśnień ΔP zgodna z zastosowaną sprężarką.
Termostatyczny z kolei zawór rozprężny może pracować w bardzo ograniczonym obszarze wokół wartości znamionowych. W takim przypadku nie ma możliwości wykorzystania niskiej temperatury skraplania dla zwiększenia efektywności urządzenia chłodniczego.

Kontrola przegrzania czynnika

Cechą mechaniczną elektronicznego zaworu rozprężnego, która pozwala na szeroki zakres regulacji wydajności jest duży skok dyszy, który osiąga dziesiątki milimetrów: w ten sposób sterowanie jest bardziej precyzyjne niż przy zastosowaniu tradycyjnych zaworów termostatycznych. Kontrola przepływu czynnika tylko korzysta ze znacznej rozdzielczości i precyzji funkcjonowania zaworu: we wszystkich systemach chłodniczych, zarówno w klimatyzacji, jak i pompach ciepła, osiągnięcie bardziej stabilnej kontroli przegrzania czynnika, na niższym poziomie niż jest to możliwe przy zaworach termostatycznych.

Stabilne przegrzanie czynnika. Kontrola przegrzania czynnika osiągana przy wykorzystaniu elektronicznych zaworów rozprężnych jest bardziej stabilna i bardziej precyzyjna w porównaniu do zaworów termostatycznych: punkt nastawy jest regulowany w zależności od warunków pracy oraz od zmiany cyklu pracy urządzenia.
Stała wydajność pompy ciepła ze stabilizacją warunków pracy osiągana jest do 15 sekund po jej uruchomieniu w porównaniu do ponad minuty przy zastosowaniu termostatycznego zaworu.

Niska wartość przegrzania. Oprócz stabilności uzyskano obniżenie wartości przegrzania czynnika poprzez zmniejszenie punktu nastawy do odpowiedniej wielkości: ta cecha elektronicznych zaworów rozprężnych nie niesie ze sobą ryzyka powstania wahań (lub niestabilności) parametrów pracy systemu, co jest typowe dla zaworów termostatycznych.
Utrzymywanie niskiego punktu nastawy przegrzania czynnika oznacza wzrost wydajności, co wynika ze zwiększenia ciśnienia parowania, oraz lepszego wykorzystania powierzchni wymiany ciepła parownika.

Sterowanie elektronicznym zaworem rozprężnym

Elektroniczny zawór rozprężny kontrolowany jest przez sterownik mikroprocesorowy, który działa zarówno jako generator sekwencyjny poszczególnych kroków operacyjnych, oraz jako urządzenie inteligentne, decydujące o bieżącej ilości czynnika wtryskiwanego do parownika. Stwierdzenie powyższe może wydać się zbyt oczywiste i zbędne, ponieważ opisywane zawory są w istocie sterowane elektronicznie. W rzeczywistości ze względu na fakt, że zawory te ustawiane są wyłącznie w położeniu ustalanym przez sterownik ich możliwości wykraczają poza prostą kontrolę przegrzania czynnika oferowaną przez tradycyjne zawory termostatyczne. W związku z tym stwierdzenie „…jako urządzenie inteligentne decydujące o  bieżącej i użytecznej ilości wtryskiwanego czynnika…”. oznacza, że wykorzystanie przegrzania jedynie jako sygnału sterującego nie zawsze jest poszukiwanym najlepszym rozwiązaniem. Procedury regulacji, takie jak MOP (Maksymalne Ciśnienie Pracy) i LOP (Najniższe Ciśnienie Pracy) to pierwsze, które przychodzą na myśl, natomiast są jeszcze liczne inne funkcje, które można zastosować za pomocą sterowania mikroprocesorowego. W każdym przypadku można to znacznie uprościć poprzez wykorzystanie elektronicznie sterowanego zaworu rozprężnego zamiast termostatycznego. Dodatkowo możliwość ustawienia zaworu w wymaganym położeniu pozwala na wykorzystanie opisanej techniki na wiele innych sposobów, według określonych wymagań technicznych (dwa punkty nastawy, specjalne procedury załączenia lub wyłączenia, specjalne funkcje, takie jak praca układu z zalanym parownikiem, itd.). Rzeczywiście nie ma ograniczeń, jeżeli chodzi o możliwości rozwijania programów sterujących.

 

Bezpłatna prenumerata