MAG_Vivod_Niko_1965_R

Transkripcija

1 Niko Vivod TEHNOLOŠKA REŠITEV KONTROLNIH POSTOPKOV PRI PROIZVODNJI TOPLOTNIH ČRPALK Velenje, februar 2011

2 Magistrsko delo Tehnološka rešitev kontrolnih postopkov pri proizvodnji toplotnih črpalk Študent: Študijski program: Mentor: Somentor: Niko Vivod MAG Energetika Red. prof. dr. Milan Marčič Izr. prof. dr. Jurij Avsec Velenje, februar 2011 I

3 II

4 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju, prof. dr. Marčič Milanu in somentorju, izr. prof. dr. Avsec Juriju za pomoč in vodenje pri opravljanju magistrskega dela. Prav tako se zahvaljujem vodstvu podjetja Gorenje d.d., ki mi je omogočilo študij in izdelavo magistrske naloge. III

5 Tehnološka rešitev kontrolnih postopkov pri proizvodnji toplotnih črpalk Ključne besede: toplotna črpalka, hladilni krog, grelno število, kontrolni postopki, Mollierov diagram, toplotni izmenjevalec UDK: : (043.3) Povzetek Toplotna črpalka pretvori energijo iz nižjega temperaturnega nivoja v energijo višjega toplotnega nivoja. Pretvorba je možna zaradi krožnega hladilnega procesa. Hladilna tekočina izpareva pri nizki temperaturi in porabi večji del energije iz okolja (zrak, voda, zemlja), ko prehaja iz tekočega v plinsko stanje. Kompresor stisne hladilni plin in ga s tem dvigne na višji temperaturni nivo. Vroči plin se nato utekočini, pri čemer odda svojo toploto ogrevalnemu sistemu. Posebno področje, znotraj razvoja toplotnih črpalk, predstavljajo metode in postopki za zagotavljanje želene kakovosti izdelkov. V procesu razvoja in izdelave toplotne črpalke so vključeni kontrolni procesi, ki zagotavljajo pravilno delovanje toplotne črpalke v celotnem življenjskem ciklu. Največji poudarek pri razvoju toplotnih črpalk je na izkoristku hladilnega kroga in posledično na grelnem številu toplotne črpalke. Sodobni laboratorij in dolgoletne izkušnje Gorenja na področju hladilne tehnike so garancija za uspešen razvoj lastne produkcije toplotnih črpalk. IV

6 Heat pumps Key words: heat pumps, refrigeration cycle, coefficient of performance, control procedures, Mollier diagram, heat exchanger UDK: : (043.3) Abstract Heat pump transforms energy from the low temperature grade into energy of higher temperature grade. The transformation is possible because of circulating cooling process. Refrigerant evaporates at low temperature and uses the major part of energy from the environment (air, water, soil) during transformation from liquid into gas state. Compressor compresses the refrigerant gas and thus raises it to higher temperature level. Hot gas then liquefies and transmits its heat to the heating system. Methods and procedures used for assurance of the desired quality of products represent a special area within the area of development of heat pumps. The process of development and manufacture of heat pump includes inspection processes which assure correct functioning of heat pump in its complete lifetime cycle. While developing heat pumps, the major emphasis and attention is dedicated to the efficiency of cooling circuit and consequently, to coefficient of performance to heat pump. Modern laboratory and long years of experiences of Gorenje in the field of refrigeration are the best warranty for successful development of own production of heat pumps. V

7 VSEBINA 1 UVOD TOPLOTNE ČRPALKE OSNOVNE ZNAČILNOSTI TOPLOTNIH ČRPALK KOMPRESORSKI PARNI HLADILNI PROCES GLAVNI SESTAVNI DELI KOMPRESIJSKIH TOPLOTNIH ČRPALK OSNOVNE IZVEDBE TOPLOTNIH ČRPALK GRELNO ŠTEVILO COP TEHNOLOŠKA REŠITEV KONTROLNIH POSTOPKOV KONTROLNI POSTOPKI VISOKOTLAČNA HELIJSKA KONTROLA HLADILNEGA KROGA VARNOSTNI PREIZKUS TOPLOTNE ČRPALKE FUNKCIONALNI PREIZKUS TOPLOTNIH ČRPALK PREIZKUS PUŠČANJA PLINA ESTETSKA KONTROLA TOPLOTNIH ČRPALK TOPLOTNE ČRPALKE GORENJE PROIZVODNA GAMA TOPLOTNIH ČRPALK MERILNI LABORATORIJ ZA PREIZKUŠANJE TOPLOTNIH ČRPALK IZRAČUN IN MERITVE TOPLOTNE ČRPALKE GORENJE VV ZAKLJUČEK LITERATURA PRILOGE SEZNAM SLIK SEZNAM TABEL IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE VI

8 UPORABLJENI SIMBOLI p - tlak V - volumen T - temperatura s - specifična entropija h - entalpija W th,c - tehnično delo Carnotovega procesa W th - tehnično delo Q do - dovedena toplota Q od - odvedena toplota Q R - hladilna toplota - masni tok ε - hladilno število µ - grelno število η s - izentropni izkoristek Q up - hladilna moč uparjalnika - masni tok posrednega medija skozi uparjalnik - masni tok hladiva v hladilnem sistemu c PM - specifična toplotna kapaciteta posrednega medija VII

9 - razlika temperature posrednega medija na vstopu in izstopu uparjalnika U up - koeficient prehoda toplote uparjalnika A up - površina za prenos toplote uparjalnika T i - temperatura izparevanja hladiva T PM,sr - srednja temperatura posrednega medija pri prehodu skozi uparjalnik Q kond - grelna moč kondenzatorja - masni tok posrednega medija skozi kondenzator c GM - specifična toplotna kapaciteta grelnega medija - razlika temperature grelnega medija na vstopu in izstopu kondenzatorja U kond - koeficient prehoda toplote kondenzatorja A kond - površina za prenos toplote kondenzatorja T kond - temperatura kondenzacije hladiva T GM,sr - srednja temperatura grelnega medija pri prehodu skozi kondenzator β - letno grelno število - toplota dovedena ogrevalnemu mediju v enem letu - poraba električne energije v enem letu VIII

10 UPORABLJENE KRATICE COP - Coefficient of Perfomance SPF - Seasol Performance Factor CTQ - Critical to Quality ISO - International Standard Organisation HZA - Hladilno zamrzovalni aparati SAP - German software corporation TČ - Toplotna črpalka PC - Personal computer IX

11 1 UVOD Začetki izdelave hladilno zamrzovalnih aparatov v Gorenju segajo v leto 1969, ko so bili izdelani prvi hladilniki. Že v začetku osemdesetih let je v takratnem podjetju Gorenje - raziskave in razvoj potekalo načrtovanje toplotnih črpalk in v letu 1982 je Gorenje začelo z maloserijsko proizvodnjo toplotnih črpalk. Gospodarske težave podjetja v začetku devetdesetih let so privedle do opustitve programa, čeprav je bilo jasno, da bo zanimanje za tovrstno obliko ogrevanja vse bolj pridobivalo na pomenu. Ker hladilno zamrzovalni aparati in toplotne črpalke delujejo na podobnem levem hladilnem procesu je v letu 2009 nastala pobuda, da se v Gorenju ponovno začne z razvojem toplotnih črpalk. V sklopu razvoja hladilno zamrzovalnih aparatov je bila ustanovljena skupina, ki je dobila nalogo, razviti celotno produktno linijo toplotnih črpalk moči od 5,6 kw do 29,1 kw. Razvoj poteka za vse tri osnovne skupine toplotnih črpalk in sicer voda-voda, zemlja-voda in zrak-voda. Za potrebe razvoja toplotnih črpalk je bil zgrajen laboratorij za testiranje toplotnih črpalk. V njem je možno določiti parametre delovanja toplotne črpalke kot je grelno število COP in izmeriti parametre hladilnega procesa. Sodobni laboratorij in dolgoletne izkušnje Gorenja na področju hladilne tehnike so garancija za uspešen razvoj lastne produkcije toplotnih črpalk. V nalogi sem podal teoretične osnove delovanja toplotnih črpalk. Podal sem osnovne značilnosti toplotnih črpalk in njihove delitve. S stališča termodinamičnih procesov sem prikazal delovanje kompresorskega parnega hladilnega procesa. Opisal in predstavil sem posamezne faze termodinamičnega procesa v (log p, h) in (T, s) diagramu. Predstavil sem tehnološko rešitev kontrolnih postopkov v proizvodnem procesu Gorenja. Opisal sem merilno opremo, kontrolne postopke in predstavil rezultate meritev. V nadaljevanju sem za izbrano toplotno črpalko iz proizvodnega programa Gorenja izračunal teoretični hladilni proces in ga predstavil v log p, h diagramu. S pomočjo meritev sem na izbrani toplotni črpalki izmeril dejanske parametre in jih v istem diagramu primerjal z izračunanimi. V zaključku naloge sem podal predloge za izboljšave in nadaljnje delo. 1

12 2 TOPLOTNE ČRPALKE 2.1 Osnovne značilnosti toplotnih črpalk Toplotna črpalka je naprava, ki omogoča prenos toplotne energije, iz sistema nižjega temperaturnega nivoja v sistem višjega temperaturnega nivoja, z uporabo dodatne energije s pomočjo levega krožnega procesa ustreznega hladiva. Za dvig okoliške toplote na visok temperaturni nivo so potrebni štirje glavni sestavni deli toplotne črpalke: uparjalnik, kondenzator, ekspanzijski ventil in kompresor. Toplotne črpalke s pomočjo uparjalnika prenašajo okoliško energijo na hladilni medij. S pomočjo kompresorja to energijo stisnejo na višji tlak, pri čemer se tudi precej zviša temperatura hladilnega medija. V toplotnem izmenjevalcu (kondenzatorju) se toplota prenese na ogrevalno vodo. Pri prehodu skozi ekspanzijski ventil se hladilnemu mediju znižata tlak in temperatura, tako da je znova pripravljen za odvzem toplote iz okolice. Toplotna črpalka pretvori energijo iz nižjega temperaturnega nivoja v energijo višjega temperaturnega nivoja. Pretvorba je možna zaradi krožnega hladilnega procesa. Hladilna tekočina izpareva pri zelo nizki temperaturi in porabi večji del energije iz okolja (zrak, voda, zemlja), ko prehaja iz tekočega v plinsko stanje. Kompresor stisne hladilni plin in ga s tem dvigne na višji temperaturni nivo. Vroči plin se nato utekočini in se pretvori v tekoče stanje, pri čemer odda svojo toploto ogrevalnemu sistemu. Tekočina se spet razširi, ko potuje skozi ekspanzijski ventil, tako da se krožni proces lahko nadaljuje. Glede na toplotni vir toplotne črpalke delimo na tri osnovne skupine: toplotne črpalke zemlja/voda (kot toplotni vir uporabimo plasti zemlje), toplotne črpalke voda/voda (kot toplotni vir uporabimo podzemne, površinske in odpadne vode), toplotne črpalke zrak/voda ( kot toplotni vir uporabimo okoliški, izrabljeni, odpadni ali onesnažen zrak. Toplotne črpalke najpogosteje uporabljamo kot vir toplote v sistemih ogrevanja in priprave sanitarne vode. Za njihovo učinkovito rabo morajo biti izpolnjeni osnovni pogoji, kot so: razpoložljivost toplotnega vira dovolj visoke in razmeroma konstantne temperature v celotni sezoni ogrevanja, majhna oddaljenost toplotnega vira in ponora, zmeren temperaturni nivo toplotnega ponora (nizko temperaturni sistem ogrevanja), veliko število ur uporabe med letom, visoke cene drugih virov energije. 2

13 Slika 2.1: Princip delovanja toplotne črpalke 2.2 Kompresorski parni hladilni proces Idealen krožni proces je sestavljen iz več povratnih pod procesov in dejansko ne obstaja, ker v dejanskih pogojih vedno pride do določenih izgub. Za prenos toplote od toplotnega hranilnika na nižjem nivoju do toplotnega hranilnika na višjem temperaturnem nivoju je potrebno krožnemu procesu dovesti zunanjo energijo, v obliki električne, mehanske ali kemične energije snovnega toka. Odvisno od tega, kaj se v določenem primeru šteje za koristno ogrevanje ali hlajenje opazovanega okoliškega prostora ali medija, se razlikujejo procesi v hladilnih sistemih in toplotnih črpalkah. To pomeni, da je pri hladilni napravi toplotni sprejemnik na višjem temperaturnem nivoju (tisti, ki se mu toploto dovaja) neposredna okolica naprave, medtem ko je hranilnik na nižjem temperaturnem nivoju (tisti, ki toploto odvaja) prostor ali medij, ki ga je potrebno ohladiti. Na drugi strani je pri toplotnih črpalkah toplotni sprejemnik na višjem temperaturnem nivoju (tisti, ki se mu toplota dovaja) prostor ali medij, ki ga je treba ogreti (ogrevalni medij sistema ogrevanja), medtem ko je sprejemnik na višjem temperaturnem nivoju (tisti, ki toploto odvaja) neposredna okolica (okoliški zrak, voda ali tla) [1]. Levi krožni proces se lahko prav tako vodi, da bo hladilno-ogrevalni in se istočasno lahko uporablja za ogrevanje in hlajenje. 3

14 Slika 2.2: Primerjava procesa v hladilni napravi in toplotni črpalki [1] Za oceno termodinamične popolnosti toplotnih strojev je smiselno uvesti krožni proces, ki bi imel najvišji možni termodinamični izkoristek. Takšen krožni proces mora biti sestavljen samo iz povračljivih preobrazb, ki nimajo nobenih izgub. Najprimernejši za oceno vseh krožnih procesov je Carnotov proces. Levi Carnotov proces je sestavljen iz štirih pod procesov: izentropne kompresije, izotermne kompresije ( pri temperaturi hladilnega hranilnika ), izentropne ekspanzije, izotermne ekspanzije ( pri temperaturi hladilnega hranilnika ). Na sliki 3 je prikazan Carnotov proces v (p,v) in (T,s) diagramu. Delovnemu sredstvu, ki je v plinastem stanju, pri nizki temperaturi T 1 =T 2 izotermno dovajamo toploto q do, pri čemer plin izotermno ekspandira od volumna V 1 na V 2. Pri preobrazbi od 2 do 3 plin s pomočjo izentropne kompresije dovajamo na višji temperaturni nivo T 3 pri volumnu V 3. Pri tej preobrazbi je plin sprejel delo, ki je enako povečanju notranje energije plina. Pri preobrazbi od 3 do 4 plinu izotermno odvajamo toploto q od pri čemer se plin skrči na volumen V 4. S pomočjo izentropne ekspanzije ponovno dosežemo začetno stanje 1. 4

15 tlak, p 4 odvajanje toplote, q od izentropna ekspanzija 3 1 W th,c izentropna kompresija dovajanje toplote, q do 2 prostornina, V temperatura, T izentropna odvajanje 4 toplote, q od 3 ekspanzija W th,c izentropna kompresija 1 dovajanje toplote, q do 2 specifična entropija, s Slika 2.3: Levi Carnotov proces v p,v in T,s diagramih Za prikazovanje hladilnih procesov so se uveljavili (T,s), (log p,h) in (e,h) diagrami. Zadnja dva diagrama sta posebno primerna za prikazovanje procesov kompresorskih hladilnih sistemov. V hladilni tehniki so se najbolj uveljavili log p,h diagrami, ki omogočajo, da vse specifične energijske tokove odčitamo kot dolžine na koordinatni osi. Zelo enostavno lahko odčitamo vrednost uparjalne entalpije pri ustreznem tlaku in temperaturi, ki je za izračunavanje hladilnega procesa zelo pomembna veličina. Najpopolnejšo sliko hladilnega procesa daje eksergijski e,h diagram, ki pa ga zaradi zapletenosti razmeroma redko uporabimo [2]. 5

16 logaritem tlaka, log p T 3 p c, T c q od 2 x 2 s=konst 4 p u, T u 1 T q R W t entalpija, h Slika 2.4: log p, h diagram kompresorskega parnega hladilnega stroja V realnem hladilnem stroju poteka politropna kompresija od stanja 1 do 2 (slika 2.4). Tehnično delo potrebno za komprimiranje 1 kg hladila je enako razliki entalpij med 1 in 2 ter znaša. (2.1) Pogonska moč kompresorja, ki dobavlja masni tok hladila je. (2.2) Izentropna kompresija, ki poteka od 1 do 2 x ne odstopa mnogo od politropne. Tehnično delo izentropne kompresije je,,, (2.3) kjer je η s izentropni izkoristek kompresije. V diagramu log p,h delo kompresije enostavno odčitamo kot dolžino na vodoravni osi diagrama. Pogonska moč kompresorja je tako,. (2.4) V kondenzatorju hladilnega stroja odvajamo toploto med stanjem 2 in 3 v okolico, če pa obratuje stroj kot toplotna črpalka, pa toploto uporabimo za ogrevanje. Hladilo, ki se je zaradi kompresije segrelo na temperaturo stanja 2, moramo najprej izobarno ohladiti do 6

17 stanja na rosilni krivulji, nato pa pri konstantnem tlaku in temperaturi hladilo kondenzira do stanja 3 na vrelni krivulji. Specifična toplota, ki jo odvajamo v kondenzatorju je, (2.5) ter v diagramu log p,h predstavlja dolžino na vodoravni osi diagrama. Toplotna moč odvedena v kondenzatorju je. (2.6) Da bi se hladilo v uparjalnika lahko uparjalo mu moramo znižati tlak. Zniževanje tlaka se izvede s procesom dušenja na ustrezni dušilni oviri med stanjema 3 in 4. Preobrazba med 3 in 4 je izentalpa, zato je. (2.7) V uparjalniku hladilo uparja pri čemer sprejema toploto iz hlajenega prostora. Uparjanje hladila poteka med stanjema 4 in 1. Toplota dovedena v uparjalnik predstavlja hladilno toploto stroja. Specifična hladilna toplota je. (2.8) V log p,h diagramu hladilno toploto odčitamo kot dolžino na vodoravni osi diagrama. Toplotni tok, ki ga dovajamo uparjalniku je enak hladilni moči hladilnega stroja in je. (2.9) Hladilno število, ki predstavlja koliko kw hladilnega toplotnega toka dobimo iz enega vloženega kw moči za hladilni stroj je. (2,10) Če stroj obratuje kot toplotna črpalka je njeno grelno število. (2.11) Grelno število pove koliko kw grelne moči dobimo iz enega kw vložene moči [2]. 7

18 2.3 Glavni sestavni deli kompresijskih toplotnih črpalk Kompresijske toplotne črpalke za povišanje energetskega nivoja (temperature in tlaka) hladiva, oziroma za omogočanje krožnega procesa, uporabljajo mehansko delo kompresorja. Sestavljene so iz sledečih osnovnih delov: uparjalnika, kompresorja, kondenzatorja, ekspanzijskega ventila. Napravo sestavljajo še spojni vodi, ki povezujejo te štiri osnovne dele, hladiva in regulacijski elementi. Vsi ti deli se v večini primerov nahajajo v skupnem ohišju in predstavljajo celoto, oziroma toplotno črpalko kot napravo. Da lahko toplotna črpalka deluje v sistemu ogrevanja, mora biti priključena na dovod posrednega medija, razvod ogrevalnega medija, električno omrežje in sistem avtomatske regulacije. Slika 2.5: Shema sestavnih delov toplotne črpalke [1] Priključek na sistem ogrevanja izvedemo v odvisnosti od ogrevalnega medija. Pri toplotnih črpalkah zemlja/voda in voda/voda je posredni medij v kapljevinskem stanju (voda, solna raztopina, glikolna zmes) in se do uparjalnika dovaja po cevovodih. Pri toplotnih črpalkah zrak/voda je posredni medij zrak, ki se do uparjalnika dovaja po ustrezno izvedenih kanalih. V kondenzatorju sistem odda ogrevalno toploto ogrevalnemu mediju, ki je s cevmi povezan v sistem ogrevanja. 8

19 Uparjalnik je del hladilnega sistema toplotne črpalke, v katerem pride do popolnega izparevanja hladiva, zahvaljujoč dovajanju toplote iz neposredne okolice. Uparjalnik toplotne črpalke je pravzaprav prenosnik toplote, v katerem hladilo izmenja toploto s posrednim medijem (vodo, solno raztopino, glikolno zmesjo, zrakom). Prenos toplote v uparjalniku opisuje enačba, 2.12 Hladilna moč uparjalnika je odvisna od površine za prenos toplote, koeficienta prehoda toplote prenosnika in razlike temperature posrednega medija in hladiva, ki izpareva. Ta razlika mora biti čim manjša (4-8 C), tlak izparevanja pa mora biti čim višji. Proces v uparjalniku se začne z vstopom hladiva, ki je v stanju mokre pare, oziroma se obnaša kot zmes kapljevine in pare (slika 2.6). Pri tem v uparjalniku pri konstantnem tlaku pride do izparevanja hladiva, do meje nasičenja zaradi dovajanja toplote iz neposredne okolice. Da bi se zagotovilo popolno izparevanje hladiva, tega pregrevamo na temperaturo T 1, ki je višja od temperature izparevanja. S tem se prepreči vstop ne izparelih delov hladiva v kompresor, kar lahko povzroči hidravlični udar in poškodovanje kompresorja. temperatura, T 2 x 2 p k T k T pothl podhladitev 3 3' kondenzacija 2' kompresija p i ekspanzija T i 4 izparevanje 1' 1 pregrevanje specifična entropija, s Slika 2.6: Proces kompresorske toplotne črpalke v (T, s) diagramu 9

20 Izvedba uparjalnika mora ustrezati nekaterim zahtevam. Uparjalnik mora biti čim manjši s čimer dosežemo čim manjšo celotno napravo. Imeti mora čim manjši padec tlaka na strani posredovanega medija in hladiva, s čimer dosežemo manjše izgube pri toku skozi prenosnik. Omogočiti mora čim večjo gostoto toplotnega toka pri prenosu toplote. Izvedba uparjalnika je odvisna predvsem od vira toplote in izvedbe toplotne črpalke. Kompresor opravlja najpomembnejšo nalogo in lahko trdimo, da je srce toplotne črpalke. Izbira kompresorja je odvisna predvsem od zahtevane hladilne moči in vrste hladiva, ki ga uporabljamo v krožnem procesu. Prav tako so pomembni pogoji obratovanja kompresorja in možnost vgradnje v toplotno črpalko. Največ se uporabljajo sledeči kompresorji: batni kompresorji, vijačni kompresorji, rotacijski kompresorji, turbokompresorji, spiralni kompresorji. V odvisnosti od načina vgradnje pogonskega motorja kompresorje delimo na: odprti kompresorji, pol odprti ali z vijaki sestavljeni v hermetično ohišje, hermetični kompresorji (kompresor in elektromotor se nahajata v zavarjenem ohišju). Naloga kompresorja je, da sesa paro hladila iz uparjalnika pri nizkem tlaku in jo komprimira na tlak potreben za kondenzacijo v kondenzatorju. Običajno mora kompresor zagotoviti tudi tlačno razliko, ki je posledica pretočnih uporov v napravi. Z drugimi besedami je naloga kompresorja zviševati temperaturo in tlak hladiva na vrednost, na kateri bo omogočena njegova kondenzacija pri temperaturi, ki je višja od temperature ogrevalnega medija. V toplotnih črpalkah se v glavnem uporabljajo batni in spiralni kompresorji. Batni kompresorji komprimirajo hladilo v valj z gibanjem bata iz spodnje v zgornjo mrtvo točko. Med gibanjem bata navzdol se v cilindru ustvari podtlak, z ozirom na tlak v sesalnem cevovodu, zato lahko tlak v sesalnem cevovodu odpre sesalni ventil in v cilinder vstopa para hladila. Para hladila vstopa v cilinder tako dolgo, dokler se bat giblje navzdol, oziroma je v cilindru nižji tlak kot v sesalnem cevovodu. Ko se začne bat gibati navzgor, se v cilindru poveča tlak, ki zapre sesalni ventil in tako zapre izstop pare hladila v sesalno cev. Ker se pri gibanju bata proti zgornji legi povečuje tlak v cilindru, ki postane v določenem trenutku večji kot v tlačnem cevovodu kompresorja, tlak odpre tlačni ventil in bat prične tlačiti paro hladila v tlačni cevovod kompresorja. Kompresija traja tako dolgo, dokler se bat giblje navzgor. 10

21 Slika 2.7: Shema batnega kompresorja [1] Spiralni kompresorji uporabljajo za komprimiranje par hladila dve enaki spirali, ki sta pritrjeni vsaka na svojo osnovno ploščo. Ena spirala je mirujoča, druga pa je zavrtena za 180 in vstavljena v prijem z mirujočo spiralo. Ta spirala kroži okoli mirujoče in je pritrjena ekscentrično na gred elektromotorja, ki skrbi za njeno rotacijsko gibanje. Para zapušča kompresijski prostor na sredini osnovnih plošč. Pri spiralnih kompresorjih poteka sesanje, komprimiranje in praznjenje istočasno in kontinuirano ves čas delovanja. Tok par je neprimerno bolj enakomeren kakor pri batnih kompresorjih, prednost pa je tudi v tem, da nimajo ventilov. Kritična lastnost spiralnih kompresorjev je še vedno mazanje in občutljivost na trde delce, ki se kot nečistoče lahko pojavijo v pari hladila. Slika 2.8: Poenostavljen prikaz delovanja spiralnega kompresorja [1] 11

22 Kondenzator je del hladilnega sistema, v katerem pride do kondenzacije hladiva, zahvaljujoč oddaji toplote neposredni okolici. Kondenzator toplotne črpalke je pravzaprav prenosnik toplote, v katerem hladilo izmenjava toploto z ogrevalnim medijem sistema ogrevanja. Njegova naloga je oddaja toplote ogrevalnem mediju sistema ogrevanja. Prenos toplote v kondenzatorju opisuje enačba, 2.13 Proces v kondenzatorju se začne z vstopom hladila, ki je v povsem plinastem stanju. Pri tem se hladilo najprej ohladi na temperaturo kondenzacije (T kond ) in zatem kondenzira pri konstantni temperaturi in tlaku, pri čemer odda toploto neposredni okolici, oziroma ogrevalnemu mediju. Grelna moč kondenzatorja je odvisna od površine za prenos toplote, koeficienta prehoda toplote prenosnika, razlike temperature hladiva, ki kondenzira in posrednega medija. Ta razlika je odvisna od posrednega medija in za vodo znaša 5-10 C ter za zrak C. Osnovne zahteve za izvedbo kondenzatorja so čim manjše in kompaktnejše dimenzije, minimalne izgube tlaka na strani posrednega medija in hladiva ter omogočanje čim večje gostote toplotnega toka pri prenosu toplote. Glede na posredni medij, ki se uporablja, ločimo dve osnovni izvedbi kondenzatorja za toplotne črpalke: vodno hlajeni, kadar se za posredni medij uporablja voda (za sisteme toplovodnega ogrevanja in priprave sanitarne vode), zračno hlajeni, kadar se za posredni medij uporablja zrak (za sisteme toplozračnega ogrevanja, prezračevanja in klimatizacije). Glede na konstrukcijo se v toplotnih črpalkah najpogosteje uporabljata dve izvedbi kondenzatorja: ploščati iz nerjavečega jekla, z dvojno koaksialno cevjo iz bakra ali bakrene zlitine. Ekspanzijski ventil je del hladilnega sistema, v katerem hladilu v kapljevinastem stanju znižuje energetski nivo. Njegova naloga je znižati temperaturo in tlak hladila na vrednost, pri kateri je omogočeno njegovo izparevanje pri temperaturi, ki je nižja od temperature posrednega medija. Proces v ekspanzijskem ventilu se začne z vstopom hladiva, ki je kapljevinastem stanju in pogosto tudi podhlajeno. Hladilo potem ekspandira ob zniževanju temperature in tlaka do vrednosti temperature in tlaka izparevanja, s katerima vstopa v uparjalnik. Naloga ekspanzijskih ventilov je tudi regulacija pretoka hladila v toplotni črpalki. Preobrazba je izentalpa. Danes se najpogosteje uporabljajo tri osnovne izvedbe ekspanzijskih ventilov: enostavna kapilarna cev, termostatski ekspanzijski ventil, ekspanzijski ventil z elektronskim upravljanjem. 12

23 Slika 2.9: Shema termoekspanzijskega ventila [2] Med ostalo opremo kompresorske toplotne črpalke štejejo vodi za hladilo, s katerimi so povezani osnovni deli toplotne črpalke ter razni regulacijski in pomožni elementi, ki zagotavljajo njeno varno in zanesljivo delovanje v vseh pogojih. Med pomožne elemente prištevamo: izločevalnik olja, zbiralnik tekočine, sušilnik ali filter hladiva, kazalno steklo s kazalnikom kapljevine, razna tipala. 13

24 2.4 Osnovne izvedbe toplotnih črpalk Toplotna črpalka je lahko edini vir ogrevanja. Takrat je njeno obratovanje monovalentno, kar pomeni, da toplotna črpalka pokrije vse potrebe po toploti. V primeru, da toplotna črpalka pokriva izgube le do določene zunanje temperature, pri nižjih temperaturah pa se vključi drugi vir toplote, je takšno obratovanje bivalentno. Pri bivalentnem ogrevanju ločimo bivalentno vzporedno in bivalentno alternativno ogrevanje. V primeru bivalentno vzporednega obratovanja, toplotna črpalka deluje neprekinjeno, pri nižjih zunanjih temperaturah, ko ne pokriva vseh toplotnih potreb zgradbe, se vključijo dodatni viri toplote. O bivalentno alternativnem ogrevanju govorimo takrat, ko do določene zunanje temperature zgradbo ogrevamo s toplotno črpalko, od določene točke naprej pa uporabimo alternativni sistem ogrevanja [1]. Slika 2.10: Načini obratovanja toplotnih črpalk Od izbire toplotne črpalke so odvisni investicijski stroški. Pomemben podatek pri izbiri toplotne moči toplotne črpalke je določitev bivalentne točke, ki predstavlja zunanjo temperaturo, do katere toplotna črpalka pokriva potrebe po toploti v zgradbi. Pri nižjih zunanjih temperaturah potrebujemo dodatni vir toplote za ogrevanje. Na sliki 2.11 je prikazan diagram za določitev potrebne toplotne moči toplotne črpalke zrak/voda za monoenergetsko obratovanje. Značilnost takšnega obratovanja je, da ima toplotna črpalka v hranilniku toplote vgrajen električni grelnik. Toplotno moč toplotne črpalke določimo tako, da ta samostojno pokrije toplotne potrebe zunanje temperature -5 C. Od te temperature dalje pa za pokrivanje toplotnih potreb, oziroma dogrevanje, izkoriščamo električni grelnik. Toplotne potrebe zgradbe v odvisnosti od projektne zunanje temperature, glede na klimatske razmere, označuje točka B, ki za osrednjo Slovenijo pomeni -16 C. Točka A pomeni srednjo temperaturo v prostoru in sicer 20 C. Dodatni električni grelnik izberemo tako, da od celotnih potreb objekta v najhladnejših dneh odštejemo razpoložljivo toplotno moč toplotne črpalke. Če izberemo eno stopnjo močnejšo toplotno črpalko pokrijemo toplotne potrebe do 10 C, vendar s tem povečamo investicijo za 20 %. Preden se odločimo za toplotno črpalko večje moči, je potrebno najprej izračunati, za koliko se bodo znižali letni obratovalni stroški [1]. 14

25 Slika 2.11: Določitev bivalentne točke Kadar se toplotne črpalke uporabljajo v sistemih ogrevanja, gre najpogosteje za nizkotemperaturno toplovodno ogrevanje. Pri tem so najustreznejši sistemi površinskega ogrevanja (talnega, stenskega in stropnega), čeprav se kot ogrevalo lahko uporabljajo tudi radiatorji, vendar morajo biti prilagojeni nizkotemperaturnemu delovanju. To pomeni, da sistemov klasičnega gretja s kotlom, brez investiranja v zamenjavo ogreval, ne moremo uporabiti za sistem ogrevanja s toplotno črpalko. Glavni razlog, da mora biti temperatura ogrevalnega medija čim nižja, je doseganje čim večjega števila ogrevanja (razmerje toplotne moči in pogonske električne moči), ker je temperatura dvižnega voda ogrevalnega medija nižja pri enaki srednji temperaturi toplotnega vira, grelno število pa je večje [1]. Pri načrtovanju toplotne črpalke je toplotni vir prvo vprašanje, na katerega si moramo odgovoriti. Pri izkoriščanju virov moramo upoštevati različne kriterije, med katerimi so najpomembnejši: zadostna razpoložljivost toplotnega vira, velika akumulacija toplote, dovolj visok temperaturni nivo. Kot toplotni vir lahko izkoriščamo zunanji zrak, odpadno toploto prezračevanja, toploto tal, toploto kamnin, toploto površinskih voda in podtalnice. Pri izbiri vira toplote je potrebno upoštevati naslednje dejavnike: je novogradnja ali je obstoječi objekt, letne energijske potrebe objekta, temperaturni režim ogrevanja, delež kritja energijskih potreb toplotne črpalke, razpoložljivost nizkotemperaturnih virov toplote v okolici objekta. 15

26 Na sliki 2.12 so prikazane približne vrednosti temperature vira toplote v odvisnosti od zunanje temperature. Najbolj konstantno temperaturo imamo pri koriščenju podtalnice, zunanji zrak pa je enak zunanji temperaturi. Slika 2.12: Približne vrednosti temperature vire toplote v teku leta [1] 2.5 Grelno število COP Toplotne črpalke imajo glede na vir toplote in ogrevalni režim različna grelna števila. Če jih želimo med seboj primerjati, je potrebno natančno definirati ogrevalni režim in temperaturo vira toplote. Standardne testne metode za toplotne črpalke so določene v standardu EN 14511, kjer so definirani standardni pogoji za testiranje. Učinkovitost toplotne črpalke v določeni točki ocenimo z grelnim številom. Pri izračunu grelnega števila moramo poleg električne moči za pogon kompresorja, upoštevati tudi priključne električne moči ostalih komponent znotraj toplotne črpalke, kot so regulacijski sistem, sistem odmrznitve uparjalnika, črpalke in ventilatorji Grelno število je višje, če ima vir toplote sorazmerno visoko temperaturo in če je temperatura ogrevalnega medija nizka. Omenjeno ugotovitev lahko dokažemo v diagramu slike 13. Iz primera številka 1 je razvidno, da imamo pri temperaturi vira 0 C in temperaturi predtoka 55 C grelno število 2,27. Iz primera številka 2 pa je razvidno, da 16

27 imamo pri temperaturi vira 0 C in predtoka 40 C grelno število 3,12. Gre za precejšno razliko, ki dokazuje, da je vgradnja nizkotemperaturnega sistema smotrna. grelna moč Qg, kw pogonska moč P el, kw Slika 2.13: Povezava med pogonsko in grelno močjo v odvisnosti od toplotnega vira [1] Na učinkovitost toplotne črpalke vplivajo tudi velikost in izvedba uparjalnika in kondenzatorja, vrsta hladila, tip kompresorja in dodatnega prenosnika toplote. Trenutna tehnično ekonomska meja je pri temperaturni razliki 5 C med kondenzacijo in temperaturo predtoka ter enako temperaturno razliko med virom in uparjanjem. Temperatura ogrevanja se med letom spreminja, prav tako temperatura vira toplote. Realno energetsko sliko nam zato da le letno grelno število, ki upošteva razmerje med toplotnimi potrebami in vloženo energijo preko celotnega leta, vključno s potrebno energijo za dodatno ogrevanje v primeru, ko toplotna črpalka ne pokrije vseh toplotnih potreb Slika 2.14: Vpliv temperature predtoka na letno grelno število [1] 17

28 3 TEHNOLOŠKA REŠITEV KONTROLNIH POSTOPKOV 3.1 Kontrolni postopki V poslovniku kakovosti podjetja so definirani procesi, ki zagotavljajo, da je v vseh fazah nastanka proizvoda poskrbljeno za izdelavo proizvoda v pričakovani kakovosti in jih bomo v celoti upoštevali pri izdelavi toplotnih črpalk. Z odločitvijo, da bomo proizvodnjo toplotnih črpalk izvajali na 1. montažni liniji HZA, smo pristopili k snovanju kontrolnih postopkov, ki bi zagotovili zastavljeno kvaliteto in ponovljivost proizvodnega procesa. Pri tem smo poizkušali v čim večjem obsegu izkoristiti, tako tehnične kot človeške resurse, ki se na liniji nahajajo v obliki obstoječih procesov. Kontrola kakovosti je zasnovana racionalno in sodobno, na osnovi dolgoletnih izkušenj in spoznanj s področja obvladovanja in zagotavljanja kakovosti proizvodov in proizvodnih procesov v skupini podjetij Gorenja, upoštevaje vse pomembne vidike, zahteve ter omejitve kot so: vizija sodobnega koncepta organiziranosti kontrole kakovosti procesa kontrole v sodobni tovarni za proizvodnjo toplotnih črpalk, politika obvladovanja kakovosti matične firme Gorenje, d.d. in seveda Poslovnika kakovosti Gorenje, d.d., zahteve, ki izhajajo iz predpisov in standardov, ki opredeljujejo varnost in funkcijo aparatov in ne nazadnje iz skupine standardov ISO 9000 do 9004, poznane zahteve znanih in potencialnih kupcev, specifičnost prostora in okolja, kjer se bo proizvodnja izvajala, racionalizacija stroškov, ki izhajajo iz dela in obvladovanja kakovosti. Zasnova in postavitev procesa kontrole kakovosti zagotavljala učinkovito obvladovanje, spremljanje in regulacijo celovite kakovosti in zanesljivosti: kakovost in zanesljivost vhodnih komponent ter posameznih dobaviteljev v skladu z načrtovano ciljno politiko kakovosti, kakovost, zanesljivost in stabilnost posameznih proizvodnih in tehnoloških procesov, izhodno kakovost, zanesljivost in trajnost proizvodov. Da bomo zagotovili pričakovano kvaliteto toplotnih črpalk na trgu, je v proizvodni proces potrebno vključiti naslednje kontrolne postopke: certificiranje in overjanje nabavljenih komponent in materialov, kontrolni postopki polizdelkov lastne proizvodnje, ocenjevanje proizvodnega procesa, varnostni in funkcionalni preizkus proizvodov, 100 % kontrola, statistična prevzemna kontrola, trajnostna testiranja. 18

29 Pri certificiranju in overjanju nabavljenih komponent in materialov v Gorenju velja načelo, da so vse prispele pošiljke od zunanjih dobaviteljev dobre in jih ni potrebno kontrolirati. Prav tako je izdelan sistem, ki določa postopek in način preverjanja dobavljenih komponent. Služba kakovost dobaviteljev programa na osnovi statistike kakovosti prispelih pošiljk, izkušenj in prispelih certifikatov izdela navodilo s seznamom polizdelkov oz. dobaviteljev, za katere je obvezno preverjanje nabavljenih proizvodov in ne smejo v proizvodnjo brez kontrole. Seznam polizdelkov oz. dobaviteljev za katere je obvezno overjanje nabavljenih proizvodov se dopolnjuje in spreminja. Preverjanje komponent poteka po tehnologiji kontrole (plan pregledov, velikost vzorca..), ki jo izdela tehnolog kontrole kakovosti programa in je v SAP sistemu. Glede na zahtevnost in pomembnost komponent bomo od dobaviteljev zahtevali poročila o brezhibnosti posamezne komponente na posamezne ključne parametre. S tem bomo zagotovili, da bodo vse vgrajene komponente brezhibne in pred vgradnjo ne bodo potrebna dodatna preverjanja. Še posebno pozornost je potrebno nameniti kompresorju, elektronskemu krmilju, toplotnima izmenjevalcema (uparjalnik in kondenzator) in regulacijskim ventilom. Ko bodo znani vsi dobavitelji komponent, se bodo po potrebi po planu presoj pri njih izvedle presoje procesa proizvodnje ter kontrolnih točk kakovosti. Prav tako, kot pri komponentah zunanjih dobaviteljev, moramo zagotoviti kakovost lastnih polizdelkov, ki jih bomo vgradili v končni produkt. Vsi vgrajeni polizdelki morajo ustrezati zahtevam in biti ustrezno kontrolirani. Da ustrezajo in jih je možno vgraditi, priča spremni dokument, ki mora biti priložen. Podane bodo CTQ mere, ki so zapisane v tehnični specifikaciji. Le te se vključijo v plan kakovosti, kot običajni način izvajanja meritev po SIX SIGMA metodi z vpisovanjem teh. Meritve se bodo izvajale v vseh fazah izdelave aparata. Posebno pozornost je potrebno nameniti cevem hladilnega sistema, ki morajo biti brez nečistoč in vlage, ki ključno vpliva na izkoristek ( grelno število ) toplotne črpalke. Vse cevi in toplotni izmenjevalci morajo biti med manipulacijo zapreti in zaščiteni z gumijastimi čepi, da preprečimo vstop nečistoč in vlage v hladilni krog. Na posebnem mestu kontrole toplotne črpalke najprej preverimo na varnostne in funkcijske karakteristike. Na kontrolnem pultu izvedemo pregled po prej nastavljenem delovanju in se na osnovi prednastavljenih toleranc odločimo o ustreznosti. Po opravljenem testu in primerjavi dejanskih vrednosti z nastavljenimi tolerancami za posamezno karakteristiko, se odločimo ali toplotna črpalka ustreza zahtevam, oziroma so prisotne pomanjkljivosti. V primeru pomanjkljivosti se usmeri na zanko popravila, v nasprotnem primeru se prevzame kot dobra. Vse toplotne črpalke bomo 100 % kontrolirali na delovanja toplotne črpalke. Glede na tip toplotne črpalke bodo na predvidenem kontrolnem mestu priključene na toplotni izmenjevalec in kontrolno opremo, ki bo dejansko simulirala delovanje toplotne črpalke v dejanskih okoliščinah. Na osnovi delovanja in primerjanja dejanskih parametrov (temperature, tlaki, pretoki, ) in pred nastavljenih parametrov, bo kontrolna oprema odločala o ustreznosti delovanja toplotne črpalke. Pri tem bo izdelan protokol, ki bo arhiviran in bo služil pri odpravljanju kasneje nastalih napak. 19

30 Vzorčenje je metoda ocenjevanja naključno izbranih proizvodov s katerim sklepamo o kakovosti celotne serije. Velikost serije je skupna količina izdelanih aparatov na proizvodni liniji v eni izmeni, ne glede na velikost in število razpisanih serij. Paziti je potrebno, da pri vzorčenju zajamemo vse tipe in modele toplotnih črpalk. Vzorčenje poteka postopoma v časovnem intervalu izdelave serije toplotnih črpalk. Vzorčenje poteka neprekinjeno iz izmene v izmeno. Kontrolo sposobnosti gretja izvajamo na 3 vzorcih na izmeno. V izjemnih primerih lahko vodja kontrole kakovosti določi drugačen način vzorčenja. Ob pričetku delovnega dne kontrolor ZSP pripravi iz SAP-a dnevni plan proizvodnje, in kontrolor izbere na koncu montažne linije po končnem prevzemu in pred embaliranjem en proizvod in prične s kontroliranjem po tehnološkem postopku kontrole. Predpisano število proizvodov za vzorec izbira v enakih časovnih intervalih. Zaključni prevzem opravi za vsako razpisano in izdelano serijo posebej. Odstopanja razvrščamo na osnovi definicij A, B, C, in D odstopanj. Ugotovitve beležimo v ustrezni računalniški program. Na izbranem vzorcu ne sme biti A, B ali C neskladnosti! V primeru ugotovljenih A, B ali C odstopanj kontrolor takoj obvesti: svojega predpostavljenega ( nadzornika kontrole kakovosti ), odgovornega delavca proizvodnje, ki mora takoj ukrepati v proizvodnji, odgovornega v vhodni kontroli (če gre za neustreznost vhodnih materialov). Naloga vodje kontrole programa ali nadzornika kakovosti je, da skupaj z odgovornimi delavci programa ugotovi možne posledice ter smiselnost in možnost popravila, na osnovi česar se odloči: ne zahteva odprave neskladnosti na seriji, ker to ni možno ali ni racionalno, zahteva dodatni vzorčni pregled na že prevzetih izdelkih, za boljšo ocenitev zaradi večje zaupljivosti v ugotovljeno stanje, zahteva 100% pregled izdelanih aparatov in popravilo oziroma odpravo neskladnosti. Testiranja na trajnost bodo potekala v razvojnem laboratoriju toplotnih črpalk. Testiranja se bodo opravljala v sklopu razvoja toplotnih črpalk, vgradnje komponent alternativnih dobaviteljev in tudi za testiranja doseganja zahtevanih karakteristik. Ker je proizvodnja toplotnih črpalk za Gorenje nov produkt, smo se odločili, da v kontrolni proces 100 % kontrole vključimo naslednje kontrolne procese: visokotlačna helijska kontrola hladilnega kroga, varnostni preskus toplotne črpalke, funkcionalni preskus toplotne črpalke, preskus puščanja plina, estetski pregled. 20

31 Slika 3.1: Kontrolna mesta pri izdelavi TČ 21

32 Slika 3.2: Shema kontrolnega procesa izdelave TČ 22

33 3.2 Visokotlačna helijska kontrola hladilnega kroga Visokotlačno helijsko kontrolo tesnosti nizko tlačnega in visoko tlačnega dela grelnega sistema izvedemo v skladu s kontrolnimi navodili in tehnološkim postopkom kontrole. Namen kontrole je odkriti netesna mesta na zvarih grelnega sistema pred polnjenjem z grelnim plinom. V primeru odkrite netesnosti se le to jasno označi, agregat pa se vrne na delovno mesto varjenja spojev. Po izvedenem popravilu, se agregatu ponovno izvede visokotlačna helijska kontrola tesnosti NT in VT dela grelnega sistema. Kontrolno operacijo izvedemo na obstoječem delovnem mestu visokotlačne helijske kontrole tesnosti na montažni liniji hladilnikov. Zaradi lokacijske neusklajenosti, se agregat s pomočjo namenskega vozička prepelje na delovno mesto visokotlačne helijske kontrole tesnosti, kjer se izvede preizskus. Po opravljenem preizskusu se prepelje nazaj na delovno mesto montaže toplotnih črpalk. Slika 3.3: Mesto visokotlačne helijske kontrole Opremo visokotlačne helijske kontrole tesnosti sestavlja: Astra III-S2 s priključki, Detektor Adixen ASM 142S. Astra III-S2 je naprava za kontrolo tesnosti hladilnega sistema v hladilno zamrzovalnih aparatih, klimatskih napravah in toplotnih črpalkah. Pri testiranju je za testni plin možno uporabiti helij ali mešanico vodika in dušika. V našem primeru uporabljamo helij kot testni plin. Naprava mora biti povezana z jeklenko helija, iz omrežja pa imamo priključen tudi suhi dušik. Potek testiranja se sprogramira tako, da si posamezne faze sledijo v logičnem zaporedju. Prav tako se nastavijo parametri posameznih faz v odvisnosti od zahtev testiranja. Tako izdelan program se shrani v spomin naprave in ga z izbiro za aktualni primer, aktiviramo iz spomina. Potek testiranja hladilnega sistema toplotne črpalke razdelimo na naslednje faze: namestitev hitrih priključkov na cevi, vakumiranje sistema na 70 Pa, kontrola naraščanja tlaka za odkrivanje večjih puščanj, 23

34 polnjenje hladilnega sistema s helijom na tlak 6x10 5 Pa, detekcija spuščanja z detektorjem Adixsen ASM 142S, praznjenje plina iz hladilnega sistema, izpihovanje hladilnega sistema s suhim dušikom. Za kontrolo tesnosti hladilnega kroga toplotne črpalke bomo uporabili masni spektrometer Adixen ASM 142S. Merilno sondo približamo na kontrolna mesta, kjer pričakujemo puščanje. Največkrat so zvarni spoji in elementi hladilnega sistema. Občutljivost naprave nastavimo na mejno koncentracijo. Ko aparatura zazna prekoračene vrednosti helija se sproži zvočni in svetlobni signal, ki nam pokaže mesto puščanja in vrednosti le tega. Slika 3.4: Kontrolna oprema za helijsko detekcijo spuščanja hladilnega kroga 24

35 3.3 Varnostni preizkus toplotne črpalke Varnostni preizkus toplotnih črpalk izvedemo v skladu s standardom VDE 0700 Part 1/10.95 PM 332 E in SIST EN 60335, ter v skladu s kontrolnimi navodili in tehnološkim postopkom kontrole. Namen preizkusa je odkriti napake ki onemogočajo varno delovanje toplotne črpalke. V primeru odkrite napake se le to jasno označi, toplotna črpalka pa se vrne na delovno mesto montaže TČ popravilo. Po izvedenem popravilu se toplotni črpalki ponovno izvede varnostni preskus. Kontrolni preizkus varnosti izvedemo na obstoječem delavnem mestu, kot je prikazano na sliki 3.5. Slika 3.5: Varnostni preizkus toplotnih črpalk ob montažni liniji Krmilna in merilna oprema za preizkus varnosti toplotnih črpalk je vgrajena v omaro s kolesi Rittal TS Krmiljenje je izvedeno s krmilnikom Simatc S7-300 ter industrijskim prikazovalnikom Multi Panel MP277. Priključitev toplotne črpalke na kontrolno napravo se izvede preko vtičnice. Sonda za preizkus zaščitne ozemljitve je nameščena na nosilcu poleg upravljalne enote. Le ta je nameščena na prednji strani naprave, na njej pa so tipki za dvoročni vklop, stop tipka in lučki za dober in slab. Merilna naprava je prikazana na sliki 3.4 in je sestavljena iz naslednjih sklopov: energetski del, sklop za pred test preizkušanca z malo napetostjo, procesno krmilno enoto Simatic C7-300 z Mult Panelom MP277, sklop za merjenje zaščitne ozemljitve, sklop za merjenje dielektrične trdnosti, sklop za merjenje izolacijske upornosti, sklop za merjenje nazivnega toka in moči, upravljalna signalna enota, etalon za avto-test. 25

36 Slika 3.6: Merilna naprava za kontrolo varnostnih karakteristik TČ Na začetku vsakega preizkusa toplotno črpalko testiramo z malo izmenično napetostjo 3,5V, da bi odkrili morebitni kratki stik ali prekinjenost električnega vezja. Morebiten kratek stik se prikaže v pisni obliki in se onemogoči nadaljnje preizkušanje. S tem preprečimo kratke stike večjih moči pri nadaljnjih preizkusih, kateri bi lahko kvarno vplivali na samo napravo in tudi na elemente toplotne črpalke, ki jo kontroliramo. Kontrola zaščitne ozemljitve poteka na ta način, da konico sonde pritisnemo na kovinska mesta, ki smo jih določili za preizkus. Po vzpostavljenem stiku spustimo tok velikosti približno 10A med konico sonde in zaščitnim kontaktom vtikača preizkušanca. Merimo dejanski tok zanke in padec napetosti med konico sonde in zaščitnim kontaktom v preizkusni vtičnici. Če upornost, ki jo izračunamo iz prej izmerjenih podatkov, preseže nastavljeno vrednost upornosti zaščitnega kontakta 0,05Ω, je aparat slab. V tem primeru se na zaslonu izpiše komanda slab in se postopek kontrole toplotne črpalke zaključi. Čas trajanja preizkusa je nastavljen na 2s za vsak ozemljitveni stik. Da bi preprečili iskrenje pri dotiku konice na kovinski del se preizkusna napetost vklopi po zadostnem bočnem pritisku sonde in izklopi po nastavljenem času. 26

37 Merjenje dielektričnega toka izvedemo s priključitvijo potenciala napetosti do 1750V na L in N sponke vtičnice, merjeno proti potencialu PE. Merimo tok, ki steče skozi L in N pol proti ozemljenim delom. Tok, ki steče skozi vezje, pretvorimo v enosmerni signal, ki ga privedemo na analogni vhod krmilnika. Preizkusna napetost je avtomatsko nastavljiva prek motorskega varijaka. Napetost merimo posredno in sicer na primarnem delu visoko napetostnega transformatorja, ki jo preko merilnega pretvornika privedemo na analogni vhod krmilnika. Mejna izklopna vrednost toka in čas trajanja preizkusa nastavimo prek terminala. Prekoračitev mejne vrednosti toka povzroči takojšno prekinitev preizkusa in aktiviranje zvočnega in vizualnega signala, da je toplotna črpalka slaba. Za aktiviranje in vzdrževanje preizkusa dielektrične trdnosti je potreben dvoročni vklop, delovno mesto pa mora biti zaščiteno pred morebitnim posegom druge osebe. Kontrola izolacijske upornosti je izvedena s priključitvijo potenciala enosmerne napetosti 500V na L in N sponke vtičnice, merjeno proti potencialu PE. Merimo tok, ki steče skozi L in N pol proti ozemljenim delom. Tok, ki steče skozi upor 300Ω, povzroči namreč padec napetosti, ki jo preko izolacijskega ojačevalnika privedemo na analogni vhod krmilnika. Napetost in tok ustrezno obdelamo na krmilniku in na zaslonu prikažemo vrednost izmerjene upornosti. Tudi ta preizkus je zaščiten z dvoročnim vklopom, prav tako pa morajo biti uspešno opravljeni predhodni testi. Po uspešno opravljenih predhodnih testih, preizkusimo pravilno delovanje toplotne črpalke. Preizkus se starta samodejno takoj po uspešno opravljeni meritvi izolacijske upornosti. V peti sekundi delovanja se izmerjena vrednost primerja s predhodno nastavljeno. Glede na dovoljena odstopanja od nastavljenih parametrov naprava sprejme odločitev o ustreznosti toplotne črpalke. Dnevni pregled merilne opreme se izvede pri zagonu naprave in ob koncu delovne izmene s pomočjo etalona avto-testa. Izvedejo se sledeče aktivnosti: vizualni pregled zaslona in tipk (počenost, poškodba, ), čitljivost identifikacijske oznake in statusa kontroliranja, preverjanje delovanja naprave za varnostni preskus z avto-testnim adapterjem in simulatorjem slabega vzorca: o preskus zaščitne ozemljitve, o preskus prebojne trdnosti, o preskus izolacijske upornosti. V primeru neuspešno opravljenega pregleda se naprava za varnostni preskus toplotnih črpalk ne sme uporabljati. 27

38 3.4 Funkcionalni preizkus toplotnih črpalk Funkcionalni preizkus toplotnih črpalk poteka na obstoječi lokaciji 100 % kontrole montažne linije HZA. Trenutno so za namen funkcionalnega preskusa določene tri merilne postaje z možnostjo dograditve še ene merilne postaje. Slika 3.7: Mesta za funkcionalni preizkus TČ Za izvajanje funkcionalnega preizkusa toplotnih črpalk je potrebno ustvariti testne pogoje, ki jih predpisuje standard EN Opremo za izvajanje testiranj lahko razdelimo v tri glavne sklope: transportna oprema za transport toplotne črpalke na kontrolno mesto, sistem toplotnih izmenjevalcev za ustvarjanje testnih pogojev na hladilni in grelni strani toplotne črpalke, kontrolna in merilna oprema za izvajanje meritev kontrolnih parametrov. S pomočjo ročnega vozička na vodilih pripeljemo toplotno črpalko na enega od treh verižnih transporterjev, ki so opremljena za funkcionalni preizkus toplotnih črpalk. S pomočjo verižnega pogona toplotno črpalko postavimo na izbrano mesto. Na priklope toplotne črpalke namestimo cevne priključke toplotnih izmenjevalcev na hladilni in grelni strani. Vodni priključki predvideni za priklop na toplotno črpalko so opremljeni s hitrimi spojkami. Na gibljivih vodnih priključkih so nameščeni izpustni ventili za sprostitev tlaka po izvedenem preskusu, s čim omogočimo čim manjše razlitje vode. Priključne cevi so že del preizkuševališča za funkcionalni preizkus toplotnih črpalk v proizvodnem procesu. Opremo preizkuševališča delimo na naslednje sklope: priprava grelne strani obsega toplotno izoliran rezervoar (akumulator vode) za odjem toplote iz toplotnih črpalk, priprava hladilne strani obsega toplotno izoliran rezervoar (akumulator vode) za dovod toplote do toplotnih črpalk, 28

39 priključna enota grelne strani obsega toplotno izolirana cevovoda do razdelilnikov (dovod in povratni vod) z odcepi, obtočne črpalke (z možnostjo regulacije pretoka), izolirane priključne cevi, zaključne zaporne ventile za tri predvidena merilna mesta, priključna enota hladilne strani obsega toplotno izolirana cevovoda do razdelilnikov (dovod in povratni vod) z odcepi, obtočne črpalke (z možnostjo regulacije pretoka), izolirane priključne cevi, zaključne zaporne ventile za tri predvidena merilna mesta, rekuperacijska enota in enota za regulacijo temperature v rezervoarjih grelne in hladilne strani z regulacijsko enoto za vzdrževanje želene temperature v obeh rezervoarjih, regulacijska oprema, stikala in izvedba kabelskih povezav. Slika 3.8: Priklop TČ na hladilni in grelni strani toplotnih izmenjevalcev Merilna oprema za izvajanje meritev kontroliranih parametrov je nameščena v elektro omari na vrtljivih kolesih v bližini merilnih mest. Na čelni plošči omare je vgrajeno glavno stikalo, tipka za izklop v sili, tipki za vklop in izklop krmilja. V zgornjem delu je nameščen PC, predal s tipkovnico in miško. Na merilna mesta so speljani kabli za napajanje testnih vtičnic in komunikacijski kabli za merilne pretvornike (temperature, tlaki, moči). 29

40 Slika 3.9: Merilni pult za izvajanje funkcionalnega preizkusa TČ Po uspešno izvedeni prijavi v programsko okolje Windows se nam na zaslonu prikaže ikona za kontrolo TČ. Predhodno smo seveda morali poskrbeti, da je toplotna črpalka pravilno priklopljena na napajanje, povezana s toplotnimi izmenjevalci in so nameščeni senzorji merjenja. Sledi vklop krmilne napetosti s pritiskom na zeleno tipko za vklop/izklop krmilja. Po izvedeni zagonski proceduri se nam prikaže programsko okno, v katerem se nam izpisujejo trenutno izmerjeni podatki po posameznih merilnih mestih. S pritiskom na zavihek pregled se nam odpre okno, v katerem lahko vidimo potek merjenih parametrov v času celotne meritve. Naprava primerja izmerjene parametre s pred nastavljenimi in na osnovi ugotovitev odloča o ustreznosti kontrolirane toplotne črpalke. 30

41 3.5 Preizkus puščanja plina Hladilni krog kompresorske toplotne črpalke je sestavljen iz kompresorja, uparjalnika, kondenzatorja, ekspanzijskega ventila, regulacijskih elementov, cevi in hladiva. Posamezni elementi so med seboj spojeni, pri čemer obstaja potencialna nevarnost puščanja hladiva iz sistema. Tesnost hladilnega sistema je prvi pogoj, da hladilni sistem zadovoljivo funkcionira skozi vso svojo življenjsko dobo. Tesnost je pravzaprav širok pojem, zato najprej želimo vedeti, koliko hladilne snovi lahko izgubi sistem, da še ne pride do funkcionalnih motenj. Pr majhnih polnitvah ima izguba hladila mnogo hujše posledice kot pri velikih. Če je izguba prevelika, hladilni sistem ne dosega zaželenih hladilnih učinkov. Čas delovanja kompresorja se podaljšuje, poraba električne energije narašča. Nadaljnjo izgubljanje hladilne snovi slej kot prej privede do stoodstotnega delovanja kompresorja, hladilni učinki se slabšajo in končno pride do popolne izgube hladilne funkcije [3]. Danes poznamo in uporabljamo več načinov preizkušanja tesnosti. Najbolj pogosti so naslednji: preizkus tesnosti v vodi, elektronski iskalec netesnosti, helijska kontrola, masni spektrometri. Za kontrolo tesnosti hladilnega kroga toplotne črpalke bomo uporabili masni spektrometer Ecotec E3000. Masna spektroskopija je področje fizike, kjer s pomočjo električnega in magnetnega polja ločimo ione po masi in s tem lahko določamo mase molekul in atomov. Posebej uporabna je za preiskavo mešanice proteinov in peptidov ter za zelo čiste proteine in peptide, kjer določamo kemijske in strukturne lastnosti molekul. Ugotavljamo lahko relativne koncentracije posameznih izotopov v vzorcu elementa in določamo fragmente, v katere razpade molekula, tako jo lahko identificiramo. Ecotec E3000 sestavljajo naslednje enote: ekran glavne enote, ročaj z ohišjem, interna kalibracijska enota, merilna sonda, zvočnik. 31

42 Slika 3.10: Ecotec E3000 Instrument nam omogoča odkriti mesto in količino puščanja hladiva. Z njim je možno kontrolirati puščanje hladil, ki jih uporabljamo pri toplotnih črpalkah in hladilni tehniki kot sta R407C in R410A. Minimalne količine, ki jih zaznamo so 0.05 g/a, kar nam omogoča, da zaznamo minimalna puščanja sistema. Pri tako natančnih meritvah je potrebno poskrbeti, da je naprava podvržena dnevni kalibraciji. Dnevno kalibracijo naprave izvajamo z napravo, ki je integralni del instrumenta. Pravilno delovanje naprave tedensko preverjamo tudi z eksterno napravo kontroliranega puščanja, s katero dodatno preverjamo pravilnost izmerjenih vrednosti. Ecotec E3000 omogoča dva načina delovanja: standardni način delovanja, integralni način delovanja. Pod pogojem, da je bil Ecotec E3000 pravilno nastavljen in je bil kalibriran, najprej na kratko uporabimo gumb ničenja na sondi detektorja, da se zagotovi, da naprava odpravi vse moteče vplive, ki lahko vplivajo na stopnjo detekcije. Nato konico detektorja čim bolj približamo mestu, kjer sumimo, da gre za puščanje. Če je potrebno testirati varjeni spoj ali kaj podobnega, je potrebno konico pomikati s hitrostjo, ki ne presega 10 cm/s vzdolž varjenega spoja. Razdalja med konico in testnim vzorcem mora biti kar se da majhna. Če bo odkrito puščanje, bo bar graf narasel. Naprava Ecotec E3000 stalno primerja izmerjene stopnje puščanja s programiranimi ravnmi sprožitve. Če je raven sprožitve presežena, se bo barva ozadja na zaslonu sonde spremenila iz zelene v rdeče. Istočasno se bo sprožil zvočni alarm preko zvočnika v ročaju sonde, ročaj sonde pa bo začel rahlo vibrirati. Takoj, ko se zasliši zvočni alarm, je potrebno konico odmakniti od točke preverjanja. Po prikazu konstantne vrednosti puščanja, je potrebno ponovno pritisniti gumb ničenja za ponovitev testa. Na ta način se izognemo napaki pri merjenju in lociramo mesto puščanja. 32

43 Slika 3.11: Merilna sonda Ecotec E3000 Integralni način omogoča shranjevanje pred programiranih parametrov za različne enote, ki se testirajo. Lahko se programira število lokacij, ki jih je potrebno testirati, čas v katerem naj bo vsaka lokacija testirana in seveda potrebni čas za premik k naslednji lokaciji. Poleg tega se shrani skupna maksimalna dopustna stopnja puščanja za skupno število enot, ki se testirajo. V integralnem načinu se lahko shrani do deset pred programiranih testnih postopkov. Preskus puščanja plina toplotnih črpalk s pomočjo detektorja puščanja izvedemo v skladu s kontrolnimi navodili in tehnološkim postopkom kontrole. Namen preskusa je odkriti napake, ki bi v določenem časovnem obdobju onemogočile funkcionalno delovanje toplotne črpalke, za odpravo napake pa bi bil potreben zahteven servisni poseg. V primeru odkrite napake se le to jasno označi, toplotna črpalka pa se vrne na delovno mesto popravila. Po izvedenem popravilu se toplotni črpalki ponovno izvede tlačni preskus kontrole tesnosti, varnostni ter funkcionalni preskus in preskus puščanja plina. Kontrolno operacijo izvedemo na obstoječem delovnem mestu kontrole delovanja na montažni liniji hladilnikov. Slika 3.12: Lokacija postavitve Ecotec E

44 3.6 Estetska kontrola toplotnih črpalk Estetski pregled toplotnih črpalk izvedemo v skladu s kontrolnimi navodili in tehnološkim postopkom kontrole. Namen preizkusa je odkriti napake, ki bi kupcu povzročile nezadovoljstvo. V primeru odkrite napake se ta označi, toplotna črpalka pa se vrne na delovno mesto popravila. Po izvedenem popravilu se toplotni črpalki ponovno izvede estetski pregled. Na estetskem pregledu pregledamo sledeče karakteristike: stanje lakiranih površin ohišja, skladnost sestavnih delov s stališča rež, spojev, enotne barvne nianse delov ohišja, čistost izdelka, pregled možnih estetskih napak in mehanskih poškodb. Kontrolna operacija se izvaja na obstoječem delovnem mestu estetskega pregleda na montažni liniji hladilnikov. Slika 3.13: Mesto estetske kontrole ob montažni liniji 34

45 4 TOPLOTNE ČRPALKE GORENJE 4.1 Proizvodna gama toplotnih črpalk V Gorenju smo se odločili proizvesti vse tri osnovne izvedbe toplotnih črpalk glede na medij, iz katerega črpamo energijo in sicer: toplotne črpalke zemlja/voda (SV6, SV9, SV11, SV16, SV17) toplotne črpalke voda/voda (VV7, VV9, VV10, VV12, VV14,VV18) toplotne črpalke zrak/voda (ZV7, ZV8, ZV10, ZV12, ZV17, ZV22) Pri označevanju toplotnih črpalk smo na prvo mesto postavili medij, ki ga hladimo, oziroma od koder črpamo energijo, na drugem mestu je medij, ki ga grejemo, številka pa nam pove grelno moč toplotne črpalke v kw. Slika 4.1: Toplotna črpalka Gorenje Kot izhodišče za razvoj in proizvodnjo toplotnih črpalk smo si v Gorenju postavili izdelavo naprave, s še boljšimi lastnostmi, kot jih zahtevajo pogoji subvencioniranja Eko sklada. To zahtevo smo po prvih vgrajenih napravah več kot zadovoljivo izpolnili. Vse naše toplotne črpalke se lahko primerjajo z najboljšimi evropskimi proizvajalci tega področja. Naprave so kvalitetne in predvsem zanesljive, vgrajene so le najboljše komponente znanih proizvajalcev, njihova predvidena življenjska doba pa presega 20 let. Enako kot to velja za proizvode bele tehnike Gorenje, si v Gorenju prizadevamo, da ime Gorenje postane sinonim za kakovost tudi v segmentu ogrevalnih toplotnih črpalk. Na sliki 4.2 je prikazana toplotna črpalka VV14 z glavnimi sestavnimi deli. 35

46 Krmilna enota Kondenzator Kompresor Uparjalnik Regenerativno toplotni prenosnik Ekspanzijski ventil Ohišje toplotne črpalke Slika 4.2: Toplotna črpalka Gorenje VV14 Toplotna črpalka Gorenje VV14 ima naslednje karakteristike: zunanje mere (VxŠxG) mm 930x650x61 teža kg 120 grelna moč kw 14,6 priključna moč kw 2,9 grelno število 5,4 Toplotne črpalke izdelane v Gorenju za delovanje uporabljajo plin 407C, ki je sestavljen iz 23 % R32 (CH 2 F 2 ), 25 % R125 (CF 3 CHF 2 ) in 52 % R134a (CF 3 CH 2 F). 36

47 4.2 Merilni laboratorij za preizkušanje toplotnih črpalk Za potrebe razvoja in testiranja smo zasnovali vrhunsko merilno progo, ki omogoča testiranje toplotnih črpalk za ogrevanje po evropskem standardu EN14511 in testiranje sanitarnih toplotnih črpalk po standardu EN255/3. Sama testiranja so izjemno pomembna tudi za končnega uporabnika, ki tako dobi kakovost, preverjeno po najvišjih evropskih standardih. Merilna proga za toplotne črpalke je namenjena preizkušanju ter merjenju kapacitet in lastnosti toplotnih črpalk. Za testiranje je na voljo tudi dodatna komora, ki zagotavlja standardne pogoje za preizkušanje toplotnih črpalk zrak/voda, kapacitete do 30 kw. Merilni laboratorij je izdelan po vseh sedaj veljavnih predpisih in bo v prihodnosti tudi mednarodno certificiran. Da dosežemo s standardi predpisane testne pogoje, je potrebno na naprave, ki testne pogoje pripravljajo, dovesti grelno energijo, hladilno energijo, paro za vlaženje in energijo za transport toplotnih medijev (voda, slanica, zrak). V prostor laboratorija je na cevni razdelilnik pripeljana topla voda z minimalno temperaturo 65 ⁰C. Nanj se priključijo posamezne naprave, ki potrebujejo za ogrevanje toplo vodo. Topla voda je vir grelne energije za vse porabnike. Izjemi sta priprava sanitarne vode, ki se dogreva v grelniku vode in dogrevanje zraka v komori, ki je prav tako izvedena z električnimi grelniki. Hladilna energija se pripravlja z dvema novo vgrajenima hladilnikoma tekočine. V laboratoriju je istočasno potrebna hladilna energija večjih temperaturnih nivojev. Prvi večji hladilnik je hladilnik tekočine, ki se koristi na mestih, kjer je potrebni temperaturni nivo nad 0 ⁰C. Poleg ostalega služi tudi za hlajenje kondenzatorja nizkotemperaturnega hladilnika. Drugi hladilnik je nizkotemperaturni. Delovni medij je etilen 40 % glikol, ki se po potrebi ohlaja do -25 ⁰C. Za vlaženje zraka v komori se uporablja parni vlažilnik z električnimi grelniki. Za transport delovnih medijev so vgrajene električno gnane črpalke in za zrak električno gnani ventilator. Laboratorij toplotnih črpalk deluje v primeru sistema voda/voda ali slanica/voda z rekuperacijo. To pomeni, da se toplota pridobljena iz merjenca, porablja za predgrevanje toplotnega izvora. Rekuperacijo lahko z ročnim posegom tudi izločimo. Posameznih sklopi laboratorija so izvedeni z naslednjimi sestavnimi elementi. Ogrodja funkcionalnih elementov posameznih sklopov so izdelana iz jeklenih profilov. Vsi profili so temeljito razmaščeni, lakirani s prašno barvo. Pritrdilni elementi so iz nerjavečega materiala ali cinkani. Cevovodi za razvod toplotnih medijev (voda, etilen glikol, freon) so izdelani iz bakrenih cevi z minimalno 99,9% čistega bakra. Medsebojno spajanje cevi je s trdim srebrovim lotom. Cevovodi, akumulatorji, električni grelniki, toplotni izmenjevalniki so izolirani s penastim materialom na osnovi sintetičnega kavčuka, z zaprto celično strukturo, visoko upornostjo proti difuziji vodne pare in nizko toplotno prevodnostjo. Za 37

48 preprečitev toplotnih mostov so cevi pritrjene na objemke s podložnimi cevnimi nosilci. Toplotni medij, v tokokrogih priprave testnih pogojev, je v področju kjer je temperatura višja od 0 C voda. V področju, kjer je temperatura nižja od 0 C, je odvisno od temperature toplotni medij vodna raztopina etilen glikol ustrezne koncentracije. Zgoraj navedena medija sta v zaprtih krogih, ki se pri menjavi merjencev ne odpirajo. Toplotni izmenjevalniki tekočina / tekočina so kompaktni lotani ploščni izmenjevalniki, izdelani iz nerjavečega materiala. Enake izvedbe sta tudi uparjalnika in vodni kondenzator hladilnika tekočine. Zračni kondenzator hladilnika tekočine je izdelan iz bakrenih cevi in aluminijastih lamel. Za pripravo zraka v komori (hladilnik in vlažilnik) sta uporabljena lamelna toplotna izmenjevalnika, izdelana iz bakrenih cevi in aluminijastih lamel. Električni grelnik zraka je izdelan iz ogljikovega jekla in obložen s pocinkanimi jeklenimi lamelami. V tokokrog merjenca, na topli in hladni strani sta vgrajeni enostopenjski centrifugalni črpalki s konstantnim številom vrtljajev s suhim rotorjem, lahke industrijske linijske izvedbe. Črpalki reguliramo s frekvenčnima regulatorjema, da dosežemo pretok, ki ga zahtevajo testni pogoji. Ostale črpalke so obtočne, z mokrim rotorjem in ročno izbiro med tremi razpoložljivimi hitrostmi. Vgradnja je izvedena razstavljivo s hitrimi priključki ali prirobnicami. Tokokrogi so zaprti, zato je v vsakega vgrajena zaprta membranska ekspanzijska posoda s pred polnitvijo 10 5 Pa. Ob vsaki posodi je vgrajen varnostni ventil s tlakom odpiranja 3x10 5 Pa. Izvršilni elementi krmiljenja so regulacijski ventili z motornim pogonom. Enote za pripravo in meritve so sestavljene iz enega ali več regulacijskih krogov. Izvršilni elementi v teh tokokrogih so regulacijski tri potni krogelni ventili. Vgrajeni so kot mešalni ventili. Njihova naloga je priprava toplotnega medija zahtevane temperature. Motorni pogoni so napajani z napetostjo 24 V DC. Njihovo delovanje je glede na krmilni signal zvezno. V tokokroge medijev so vgrajeni različni pomožni elementi: zaporni krogelni ventili, polnilne/izpustne pipice, avtomatski odzračevalni lončki, nepovratni ventili, lovilci nesnage, manometri, termometri in priključki za merilna mesta. Fizično opremo laboratorija smo razdelili na posamezne enote: meritve grelna stran, meritve hladna stran, meritve sanitarna voda, priprava grelna stran, priprava hladna stran, priprava komora, priprava rekuperacija, priprava sanitarna voda, hladilnik tekočine višji temperaturni nivo, hladilnik tekočine nižji temperaturni nivo, preizkusna komora, 38

49 regulacijski sistem, razdelilnik laboratorija. Na grelno stran merilne enote je priključena topla stran preizkušanca. Enota mora glede na standard EN zagotoviti predpisano temperaturo vode na vstopu v preizkušanec, predpisano temperaturo vode na izstopu iz preizkušanca in točno določen pretok vode čez preizkušanec glede na meritve pri standardnih pogojih. V tokokrog vode, ki kroži čez merjenec, ne smemo vgraditi regulacijskega elementa, ki bi povzročal motnje v pretoku. Zato je enota izvedena tako, da se zahtevano temperaturo doseže z indirektnim regulacijskim krogom, ki preko toplotnega menjalnika regulira medij v merilnem tokokrogu. Na hladno stran merilne enote je priključena hladna stran preizkušanca. Enota mora glede na standard EN zagotoviti predpisano temperaturo vode ali slanice na vstopu v preizkušanec, predpisano temperaturo vode ali slanice na izstopu iz preizkušanca in točno določen pretok vode ali slanice čez preizkušanec glede na meritve pri standardnih pogojih. V tokokrog vode, ki kroži čez merjenec, ne smemo vgraditi regulacijskega elementa, ki bi povzročal motnje v pretoku. Zato je enota izvedena tako, da se zahtevano temperaturo doseže z indirektnim regulacijskim krogom, ki preko toplotnega menjalnika regulira medij v merilnem tokokrogu. Enota ima vgrajena v tokokrog preizkušanca dva balastna akumulatorja, vsak z volumnom 50 litrov. Eden je napolnjen z vodo, drugi s slanico. Glede na vrsto preizkušanca voda/voda ali slanica/voda, aktiviramo z ventili pripadajoči akumulator, drugega pa izločimo. Akumulator za slanico je napolnjen s 30 % vodno raztopino etilen glikola. V enoti priprava grelne strani se v 500 litrskem akumulatorju pripravlja voda, ki posredno preko regulacijskega kroga in toplotnega izmenjevalnika, v enoti meritve grelne strani, pripravlja vodo, ki se poveže s toplo stranjo preizkušanca. V splošnem, je med delovanjem preizkušanca potrebno vodo v akumulatorju ohlajati. Ohlajanje se vrši najprej v rekuperatorju, z medijem iz hladne strani merjenca, po potrebi pa v naslednji stopnji s hladilno vodo. Nastopijo primeri, ko je za predpripravo vode v akumulatorju potrebno vodo dogreti. Dogrevanje se izvede v toplotnem menjalniku z grelno vodo. Hlajenje in gretje vode sta vodena vsak s svojim regulacijskim krogom (črpalka z regulacijskim ventilom). Rekuperator se iz priprave lahko izloči z ročnim tri potnim ventilom. Tudi v enoti priprava hladne strani se nahaja 500 litrov velik akumulator, kjer se pripravlja potrebna slanica, ki posredno preko regulacijskega kroga in toplotnega izmenjevalnika v enoti meritve hladne strani, pripravlja vodo ali slanico, ki se poveže s hladno stranjo preizkušanca. V splošnem, je med delovanjem preizkušanca potrebno slanico v akumulatorju dogrevati. Dogrevanje se vrši najprej v rekuperatorju (nameščen je v enoti), z vodo iz tople strani merjenca, po potrebi pa v naslednji stopnji z grelno vodo. Komora služi za pripravo stanja zraka, ki je glede na standard EN in SIST EN 255/3 potreben za testiranje preizkušancev, ki imajo za izvor toplote zrak. Preizkušanec je lahko nameščen v komori ali pa v laboratoriju in je z zračnimi kanali povezan s komoro. V komori je postavljena enota za pripravo zraka, ki je opremljena z vlažilnikom zraka. Med 39

50 delovanjem preizkušanca je potrebno zrak dogrevati in vlažiti. Za predpripravo komore pa nastopijo tudi primeri, ko je potrebno komoro ohladiti in odvzeti vlago. Osnovno pravilo, ki izhaja iz standarda, pri testiranju toplotnih črpalk je, da moramo preizkušanec namestiti in priključiti tako, kot predpisuje proizvajalec. Krmilnik CX9010 nadzira celotno delovanje laboratorija za merjenje toplotnih črpalk. Nadzira in vodi vse elemente na topli in hladni vodni strani, elemente komore za pripravo zraka, elemente za pripravo sanitarne vode in vodi in nadzira delovanje dveh hladilnikov tekočine. Upravljanje sistema je izvedeno z Magelis terminalom XBT410 ali s PC računalnikom. Na operacijskem panelu krmilnika nastavimo želene parametre delovanja naprave. Za lažje nastavljanje in nadzor parametrov nam služi vizualizacija, ki poteka na PC računalniku. Na sliki 4.3 so izrisani vsi pomembni sestavni deli sistema voda/voda. Na levi strani so elementi hladne strani sistema, na desni strani pa elementi tople strani. Ob posameznih elementih je izpisana njihova oznaka in njihovo trenutno stanje (mirovanje, delovanje, trenutna temperatura, trenutni pretok vode, trenutna odprtost posameznih mešalnih ventilov, ). Zgoraj na sredini sta dva ukazna gumba za vklop in izklop sistema, v spodnjem delu pa so izpisani trenutno nastavljeni parametri delovanja. V tem delu se tudi nastavljajo parametri delovanja. Slika 4.3: Shema vizualizacije sistema voda/voda 40

51 Na sliki 4.4 je prikazan sistem testiranja toplotne črpalke zrak/voda. Na levi stani so elementi hladne strani, kar je v tem sistemu komora, na desni strani pa so elementi tople strani kalorimetra. Ob elementih sistema so izpisane njihove oznaki in trenutno stanje. Slika 4.4: Shema vizualizacije sistema zrak/voda Rezultate meritev je možno prikazati v grafični ali tabelarični obliki. Prav tako je možno izbrati med prikazi trenutnega delovanja posameznih sistemov, ali med pregledi zgodovine delovanja sistemov. V trenutnem grafičnem prikazu se izrišejo grafi trenutnega delovanja izbranega sistema. V desnem okvirju so izpisane trenutne vrednosti temperatur, pretokov, in nastavljene vrednosti. Desno je dodan stolpec za prikaz vrednosti parametrov v točki, kjer pritisnete z gumbom miške na grafu. V tej točki se izriše vertikalna svetlo modra črta. V grafičnem prikazu zgodovine delovanja izberete dan, za katerega želite videti graf delovanja sistema. Na desni strani grafa so izpisane trenutne in želene vrednosti parametrov v točki, kjer na grafu pritisnete z gumbom miške. Ravno tako kot v grafičnem prikazu, tudi v tabelaričnem prikazu izbirate med trenutnimi prikazi delovanja in prikazi zgodovine delovanja posameznih sistemov v obliki izpisa tabele. 41

52 Slika 4.5: Grafični prikaz delovanja TČ voda/voda Slika 4.6: Tabelarični prikaz delovanja TČ voda/voda 42

53 4.3 Izračun in meritve toplotne črpalke Gorenje VV14 Za predstavitev izračuna in meritev termodinamičnega procesa sem izbral toplotno črpalko voda/voda nazivne moči 14 kw. V Standardu EN so predpisani standardni pogoji, ki so predstavljeni v tabeli 1. Tabela 1: Testni pogoji za toplotno črpalko voda/voda [4] Izmenjevalec na hladilni strani Vstopna Izstopna temperatura temperatura C C Izmenjevalec na grelni strani Vstopna Izstopna temperatura temperatura C C Voda Slanica Voda za talno gretje Slanica za talno gretje Glede na testne pogoje za vodo in talni način gretja izberemo temperaturo uparjanja, ki naj bi bila v našem primeru znašala 5 C in temperaturo kondenzacije, ki naj bi bila v našem primeru znašala 38 C. Najboljše rezultate nam bi seveda dal proces, kjer bi bila temperatura uparjanja enaka vstopni temperaturi vode, ki jo pripeljemo na hladilni strani, to je 10ºC in temperatura kondenzacije enaka izstopni temperaturi na grelni strani, to je 35ºC. Praktično to seveda ni možno, saj bi moral proces potekati popolnoma brez izgub, uparjalnik in kondenzator pa bi morala biti neskončno velika. Na sliki 4.7 je shematsko prikazan proces z označenimi pomembnimi točkami. 1 vstop v kompresor 2 izstop iz kompresorja 3 vstop v kondenzator 4 izstop iz kondenzatorja 5 vstop v uparjalnik 6 izstop iz uparjalnika Slika 4.7: Shema procesa 43

54 Slika 4.8: Idealni proces TČ v (log p, h) diagramu Iz diagrama (log p, h) odčitamo vrednosti, ki so podane v tabeli 2. Tabela 2: Vrednosti tlaka, temperature in entalpije za pomembne točke procesa Točka Tlak [bar] Temperatura [ºC] Entalpija [kj/kg] 1 5, , ,62 52,88 441, ,62 38,00 423, ,62 32,83 248,85 5 5,47 10,75 248,85 6 5, ,86 Iz pridobljenih vrednosti izračunamo grelno število procesa. 441,51 248,85 6, ,51 411,86 44

55 Glede na izhodiščne podatke sedaj izberemo glavne sestavne dele toplotne črpalke, ki jih povežemo v zaprti sistem z ustreznimi cevmi. Zavedati se moramo, da v realnem procesu nastopajo izgube, ki se kažejo v padcu tlaka. Prav tako prihaja do izgub v prenosnikih toplote in izgub toplote v okolico. Zato je izbira komponent še kako pomembna, saj le pravilno izbrane komponente omogočajo, da steče termodinamični proces v okviru predvidenih parametrov. Pri tem seveda pomembno vlogo igra ekonomska upravičenost, saj z vgradnjo večjih in dražjih komponent, narašča strošek toplotne črpalke. Za črpalko voda/voda grelne moči 14,6 kw smo izbrali naslednje glavne komponente: krmilna enota SIEMENS RVSG1.843/109, kompresor COPELAND ZH30K4E-TDF [5], kondenzator SWEP B25T-NHPx44 [6], uparjalnik SPIREC E [7], termostatski ekspanzijski ventil DANFOSS TUBE,R407C, regenerativni toplotni prenosnik SNL3R, 200HG, filter vlage in nečistoč CARLY DDCY 164 MM, grelni plin R407C 1900g, povezovalne cevi Ø12 in Ø22. Tehnične lastnosti in karakteristike posameznih komponent je možno dobiti na internetnih straneh, ki so navedene v literaturi. Toplotno črpalko izdelano iz navedenih glavnih komponent smo testirali v laboratoriju opisanem v predhodnem poglavju. Priklopili smo jo na toplotne izmenjevalce, merilne senzorje in merilni sistem. Na merilni progi smo zagotovili pogoje predpisane v standardu, prav tako pa smo zagotovili stabilno delovanje toplotne črpalke. Iz dobljenih rezultatov smo izračunali povprečne vrednosti, ki so prikazani v prilogi. Slika 4.9: Shema procesa s toplotnim izmenjevalcem 45

56 Tabela 3: Izmerjene vrednosti tlaka, temperature v karakterističnih točkah Točka Mesto merjenja Tlak [bar] Temperatura [ºC] 1 Vstop v kompresor 4,55 5,74 2 Izstop iz kompresorja 13,75 58,24 3 Vstop v kondenzator 13,75 56,21 4 Izstop iz kondenzatorja 13,75 31,07 5 Vstop v ekspanzijski ventil 13,75 26,82 6 Vstop v uparjalnik 4,55 1,04 7 Izstop iz uparjalnika 4,55 4,56 8 Vstop v toplotni izmenjevalec 4,55 4,51 5 5' 4' 4 3' 3 2 2' 6 6' 7 1 7' 1' Slika 4.10: Primerjava izmerjenega procesa s teoretičnim Med delovanjem toplotne črpalke smo na merilni progi izvedli meritve. Merili smo porabo energije za delovanje kompresorja in obeh črpalk na toplotnih izmenjevalcih. Pretoke smo krmilili tako, da smo dobili s standardom predpisane pogoje, ki so podani v tabeli 1. V tabeli 4 so povprečne vrednosti izmerjenih parametrov. 46