Für jeden Fall eine Variante

Dieser Vergleich beinhaltet die folgenden Systeme:

• Leistungsregelung mit Regelschieber
• Tandemschieber-System
• Ein neu entwickeltes System mit einem V_i-Schieber in Kombination mit drehzahlgeregelten Motoren

Dabei erzielt die letzte Variante die besten Teillastwirkungsgrade unter allen diskutierten Lösungen. Zudem werden die in Bezug auf die ,,European Seasonal Energy Efficiency Ratio, kurz ESEER, gemessenen Werte der neu entwickelten drehzahlgeregelten Schraubenverdichter für Ammoniak-Flüssigkeitskühlsätze vorgestellt.

In Ländern mit saisonalen Klimaänderungen arbeiten Kaltwassererzeuger überwiegend im Teillastbetrieb. Einer der Schlüsselfaktoren für einen ökonomischen Betrieb von Flüssigkeitskühlsätzen über das Jahr hinweg ist daher die Verdichtereffizienz im Teillastbereich. Die Besonderheit der Schraubenverdichter im Vergleich zu Verdrängermaschinen mit Arbeitsventilen liegt vor allem darin, dass sie die höchste Effizienz genau dann erreichen, wenn ihr internes Druckverhältnis den äußeren Bedingungen entspricht. Daher ist es wichtig, dass dieses Verhältnis den unterschiedlichen Betriebsdrücken und Lasten angepasst werden kann. Das interne Druckverhältnis ist thermodynamisch mit dem in­-ter­nen Volumenverhältnis verknüpft, auch bekannt als Volumen-Index oder V_i.

Bei der GEA Refrigeration Germany wurde ein neuer Schraubenverdichter entwickelt, der mit gleich drei Ausführungs­optionen zur Leistungs- und V_i-Regelung verfügbar ist. In diesem Artikel werden anhand eines Beispiellastprofiles, die für die neuen Verdichter vorhandenen Möglichkeiten zur V_i- und Leistungsregelung mit dem Ziel verglichen, das am besten geeignete System für einen wirtschaftlichen Verdichterbetrieb unter variablen Lastbedingungen zu wählen.

Der Artikel beginnt mit der grundlegenden Betrachtung des optimalen internen Volumenverhältnisses und beinhaltet die verfügbaren Möglichkeiten zur Leistungs- und V_i-Regelung des neuen Schraubenverdichters. Anschließend wird der neue Ammoniak-Schraubenverdichter mit dem letztgenannten Regelsystem zusammen mit den gemessenen ESEER-Werten vorgestellt. Das bei anderen GEA-Schraubenverdichtermodellen vorhandene Parallelschieber-System wird im Rahmen dieses Artikels nicht betrachtet. Mehr Details dazu sind im Literaturverzeichnis unter [1] zu finden.

Internes Volumeverhältnis und Verdichterarbeit

Das Arbeitsvolumen eines Schraubenverdichters besteht aus Räumen, die durch zwei ineinandergreifende schraubenförmige Rotoren und dem Verdichtergehäuse begrenzt werden. Zunächst wird der Arbeitsprozess des Verdichters mit Blick auf die Veränderung des Volumens eines Arbeitsraums gegenüber der Drehung der Hauptrotorwelle betrachtet, wie in Bild 1 dargestellt. Beim Ansaugen wächst das Volumen von Null auf V₁. Wird der Arbeitsraum von der Saugöffnung getrennt, beginnt die Verdichtung. Während der Verdichtung wird das Volumen des Arbeitsraums von V₁ auf V₂ reduziert. Wird das Volumen V₂ erreicht, verbindet sich der Raum mit dem Auslassfenster. Während des Auslassvorganges verringert sich das Volumen V₂ auf Null. Das Verhältnis des Arbeitsraumvolumens zu Verdichtungsbeginn V₁ und dem zu Auslassbeginn V₂ ergibt das interne Volumenverhältnis des Verdichters und lautet:

V_i = V₁/V₂ (1) Bild 2 zeigt schematisch das Druck-Volumen-Diagramm eines Arbeitsraumes des Verdichters während eines Arbeitszyklus mit drei unterschiedlichen V_i. Der Bereich innerhalb des Zyklus ist dabei proportional zur Verdichtungsarbeit. In Bild 2 ist dargestellt, dass sowohl eine Über- als auch eine Unterverdichtung zusätzliche Arbeit benötigt und somit die Effizienz der Verdichtung reduziert. Im Idealfall entspricht die innere Verdichtung dem externen Verhältnis aus End- zu Saugdruck.

Das Druckverhältnis ist thermodynamisch mit dem Volumenverhältnis verknüpft. Für den idealen adiabatischen Prozess ergibt sich der Zusammenhang für das optimale V_i zu:

V_{i opt} = (p_d/p_s)^1/k (2)

wobei p_s und p_d den Saug- und den Enddruck beschreibt und k der Isentropenex­ponent ist.

Gleichung (2) und das Diagramm in Bild 2 beinhalten jedoch nicht die Auswirkungen der Druckverluste am Ein- und Auslass sowie Leckagen, Pulsation etc. In Wirklichkeit beeinflussen diese Faktoren die Verdichtung und das tatsächliche optimale V_i kann sich etwas von dem mit Gleichung (2) errechneten Wert unterscheiden. Weitere Einzelheiten zu diesem Thema können zum Beispiel im Literaturverzeichnis unter [2] gefunden werden.

Je näher das tatsächliche V_i dem Optimum kommt, desto höher wird die Effizienz des Schraubenverdichters sein.

Leistungsregelung mit Regelschieber

In Bild 3 ist das Funktionsprinzip des Systems mit einem Regelschieber dargestellt.

Die Kälteleistung des Verdichters wird durch den Regelschieber gesteuert. Im Volllastbetrieb befindet sich der Schieber ganz links (Bild 3, links) und es gibt keine Lücke zwischen Schieber und Begrenzung. Das gesamte Gasvolumen ist in den Arbeitsräumen eingeschlossen und wird solange komprimiert, bis die Auslassöffnung erreicht wird. Erfordern die Betriebsverhältnisse einen Teillastbetrieb, wird der Schieber in Richtung Druckseite verschoben (Bild 3, rechts) und es entsteht ein Spalt zwischen Schieber und Begrenzung. Somit strömt ein Teil des Gasvolumens über den geöffneten internen Bypass zurück zur Saugseite und der Rest wird komprimiert. Die Position des Schiebers variiert dabei in Abhängigkeit der erforderlichen Last.

Das interne Volumenverhältnis ist der Quotient aus dem Volumen am Verdichtungsanfang und dem Volumen zu Beginn des Ausstoßvorgangs, s. Gleichung (1). Bei Volllast ist das Volumen zu Beginn der Kompression V₁ gleichzeitig das maximale Volumen in der Arbeitskammer. Im Teillastbetrieb beginnt die Verdichtung später, somit reduziert sich V₁, sobald sich der Schieber, wie in Bild 3 gezeigt, nach rechts bewegt.

Normalerweise gibt es zwei Auslassöffnungen in einem Schraubenverdichter: einen axialen Auslass im Gehäuse und einen radialen Auslass im beweglichen Regelschieber. Der Auslass, den der Arbeitsraum als ersten erreicht, bestimmt das Volumen zu Beginn des Ausstoßvorganges und damit das V_i. Abhängig von der Konstruktion ­öffnen sich zuerst der radiale oder beide Auslässe gleichzeitig. Im ersten Fall ver­ursacht die Bewegung des Regelschiebers eine Veränderung beider Volumina V₁ und V₂. Im zweiten Fall ist nur V₁ von der Position des Regelschiebers abhängig. Es wird jedoch in beiden Fällen durch die Bewegung des Regelschiebers das interne Volumenverhältnis V_i verändert. Bild 4 zeigt für beide Fälle beispielhaft die Abhängigkeit zwischen der Kälteleistung und dem V_i (durchgehende Linie). Das optimale V_i eines Ammoniak-Flüssigkeitskühlsatzes für die Klimatechnik wird mit der gestrichelten Linie dargestellt.

Wie in Bild 4 gezeigt, kann das interne Volumenverhältnis nicht unabhängig von der Last geregelt werden. Das V_i nimmt bei unterer Teillast mit der Fördermenge ab.

Die Effizienz eines Verdichters mit einem Regelschieber hängt von der Relation zwischen Last und externem Druckverhältnis ab. Meistens sinkt die Last bei Flüssigkeitskühlsätzen mit dem externen Druckverhältnis, wie in Bild 4 mit der gestrichelten Linie gezeigt wird. Die Wahl der Kombination der axialen und radialen Auslässe und der Länge der Begrenzung in der Auslegungsphase ermöglicht die Anpassung der realen an die optimale V_i-Kurve, siehe Bild 4 links.

Die Vorteile der Regelung mit einem Regelschieber sind die einfache Konstruktion und der einfache Regelungsalgorithmus, da nur die Leistung des Verdichters geregelt wird. Die Nachteile sind die durch den Bypass bedingten Verluste und der feste Zusammenhang zwischen Fördermenge und V_i.

Leistungs- und Vi-Regelung mit Tandemschiebersystem

Das Tandemschiebersystem besteht aus dem Primär- und dem Sekundärschieber gemäß Bild 5.

Bei Volllast (Bild 5a) bilden die beiden Schieber eine Einheit. Die Verschiebung dieser Einheit ermöglicht die Anpassung von V_i. Bei oberer Teillast (Bild 5b) ist jeder Schieber einzeln beweglich. Die Position des Primärschiebers definiert das Volumen V₂ zu Beginn des Ausstoßvorganges und beeinflusst somit das V_i. Die Fördermenge wird durch den Sekundärschieber angepasst, indem die Bypass-Lücke zwischen den Schiebern verändert wird. Im unteren Teillastbereich (Bild 5c) erfolgt die Leistungsregelung auf die gleiche Weise wie die Leistungsregelung mit Regelschieber. Der Sekundärschieber bleibt bei dieser Betriebsart unbeweglich.

Bild 6 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit des Stellbereichs der V_i-Regelung von der Last. Die gestrichelte Linie repräsentiert, wie in Bild 4, das optimale V_i eines Flüssigkeitskühlsatzes. Bei dem Tandemschiebersystem ist der Bereich, in dem das innere Volumenverhältnis geregelt werden kann, auf die Volllast und die obere Teillast begrenzt.

Neue Regelung mit einem V_i-Schieber und variabler Drehzahl

Keines der bisher beschriebenen Systeme ermöglicht eine vollständig unabhängige Regelung der Leistung und des inneren Volumenverhältnisses. Ebenfalls können im unteren Teillastbereich keine hohen V_i-Werte sowie bei Volllast keine niedrigen V_i-Werte erreicht werden. Diese Probleme können mithilfe des neu entwickelten Systems mit einem V_i-Schieber und Frequenzumrichter (FU) gelöst werden. Das Funktionsprinzip ist in Bild 7 dargestellt.

Die Fördermenge des Verdichters wird durch die mithilfe des Frequenzumrichters realisierte, variable Drehzahl geregelt. Es wird kein Bypass benötigt. Das Volumen V₁ zu Beginn der Kompression entspricht stets dem maximalen Volumen der Arbeitskammer. Das innere Volumenverhältnis wird mit dem V_i-Schieber gesteuert. Wenn dieser in Richtung des Auslasses, d.h. in Bild 7 nach rechts verschoben wird, verkleinert sich das Auslassvolumen V₂ und vergrößert sich das V_i gemäß Gleichung (1). Dementsprechend resultiert die Bewegung des Schiebers nach links in einem kleineren V_i.

In Bild 8 sind zwei Beispiele von Stellbereichen dargestellt, die mit dem gleichen Schieberweg realisiert werden können. Der im linken Diagramm dargestellte V_i-Stellbereich von 1,4 bis 2,7 ist für Ammoniak-Flüssigkeitskühlsätze mit einer Kondensationstemperatur unter 45 °C geeignet. Der Verlauf des optimalen Volumenverhältnisses dieser Anwendung ist in dem Diagramm ebenfalls abgebildet und liegt vollständig in dem Stellbereich. Der im rechten Diagramm dargestellte V_i-Stellbereich zwischen V_{i min} = 1,8 und V_{i max} = 5,0 ist unter anderemfür luftgekühlte Solekühlsätze geeignet.

Das vorgestellte System profitiert von dem einfachen Design, da nur ein Schieber und kein Bypass benötigt wird. Das macht den Aufbau des Verdichters sogar einfacher als die Basisversion mit einem Regelschieber. Von allen vorgestellten Regelungen ist diese die einzige mit vollständig unabhängiger Regelung der Leistung und des V_i-Wertes, bei dem die Anpassung eines Parameters die anderen nicht beeinflusst. Folglich ist der Regelungsalgorithmus im Vergleich zu Systemen mit zwei Schiebern weniger kompliziert. Das innere Volumenverhältnis ist im gesamten Leistungsbereich regelbar, was zu einer hohen Effizienz bei allen Lasten führt. Zusätzlich wird die Effizienz bei Teillast durch die wegfallenden Bypass-Druckverluste positiv beeinflusst. Nachteile des Systems sind die höheren Investitionskosten und die zusätzlichen elektrischen Verluste des Frequenzumrichters.

Verdichter für Ammoniak-Chiller mit hoher Teillast-Effizienz

Jedes der drei diskutierten Leistungsregelungssysteme kann bei dem neu entwickel­ten Schraubenverdichtermodell optionaleingebaut werden. Damit ist es möglich, für jeden spezifischen Anwendungsfall die passende Variante auszuwählen. Bild 9 zeigt den neu entwickelten Verdichter in der Ausführung für Chiller-Anwendungen mit Ammoniak. Diese Variante ist für Antriebe mit variabler Drehzahl ausgelegt und erreicht dank variablem V_i hohe Leistungszahlen, insbesondere auch im Teillastbereich. Der Drehzahlbereich liegt zwischen 1000 und 4500 min^-1, das V_i-Verhältnis ist gemäß Bild 8 je nach Anwendung in Bereichen zwischen 1,4 und 2,7 oder 1,8 und 5,0 regelbar. Der Volumenstrom des gezeigten Modells beträgt 1084 m³/h bei 4500 min^-1.

Die gemessenen COP-Werte des neuen Verdichters sind in Bild 10 dargestellt. Die Betriebsbedingungen entsprechend der wassergekühlten (obere Kurve) und luftgekühlten (untere Kurve) Klimaanwendung. Die Sauggasüberhitzung beträgt 10 K und die Flüssigkeitsunterkühlung 0 K. Die COP-Werte sind auf die gemessene Wellenleistung bezogen. Für die Berechnung der Teillasteffizienz wurden die von Eurovent [3] eingeführten ESEER-Wichtungsfaktoren angewendet. Diese Faktoren sind zusammen mit den Betriebsbedingungen in Tabelle 1 aufgelistet.

Zusammenfassung

Unter den drei analysierten Regelungssystemen für Schraubenverdichter ist jenes mit einem V_i-Schieber und variabler Drehzahl am besten geeignet für den wirtschaftlichen Betrieb bei Lastprofil eines Kaltwassererzeugers. Dank dieses innovativen Systems ist es möglich, mit dem neuen Ammoniak-Schraubenverdichter Leistungszahlen bis zu ESEER = 9 zu erreichen. -

Literaturverzeichnis

[1] Zaytsev, D.: New capacity control for ammonia chiller screw compressors with high part load efficiency. 10th IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants, Delft, The Netherlands, 2012, Paper No. GL-268

[2] Tang, Y.: Computer aided design of twin screw compressors. Thesis, University of Strathclyde, Glasgow, 1995.

[3] Eurovent: http:// https://www.eurovent-certification.com/en/

Symbolverzeichnis

k Isentropenexponent (-)

p_s Saugdruck (bar)

p_d Verdichtungsenddruck (bar)

t₀ Verdampfungstemperatur (°C)

t_c Kondensationstemperatur (°C)

V₁ Saugvolumen zu Beginn der Verdichtung (m³)

V₂ Druckvolumen zu Beginn des Ausstoßvorganges (m³)

V_i internes Volumenverhältnis (-)

GEA Refrigeration Germany, Research & Development Screw Compressors, Berlin