Verdichterverbunde sollten im Idealfall immer genau die Kälteleistung abgeben, die gerade von den Kühlstellen angefordert wird. Verbunde mit drei oder vier Verdichtern und einer einfachen Ein/Aus-Regelung weisen recht große Leistungssprünge auf. Als Folge kann es zum Takten der Verdichter kommen. Was letztendlich erhöhten Verschleiß oder sogar den Ausfall einzelner Verdichter verursachen kann.
Um Verbesserungen herbeizuführen, hat man versucht, verschieden große Verdichter in einem Verbund zu verbauen. Leider hat dies den Nachteil, dass zur Leistungssteigerung Verdichter ausgeschaltet werden müssen. Dadurch wurden insgesamt mehr Starts notwendig. Und außerdem: Befand sich der gerade benötigte Verdichter in der Wiederanlaufsperre, verschlechterte sich das Regelverhalten.
Besserungen brachten Frequenzumrichter bzw. FU-geregelte Verdichter. Typischerweise werden Verbunde mit zwei Verdichtern gebaut, wobei ein Verdichter FU-geregelt ist. Die Verdichter sind gleich groß oder der geregelte Verdichter ist größer, um keine Lücke im Leistungsband zu hinterlassen. Das hat aber den Nachteil der erhöhten minimalen Leistung. Regelt der FU beide Verdichter, ist die minimale Leistung klein und es steht ein stetiges Leistungsband zur Verfügung. Das sind erst mal die gewünschten Eigenschaften, aber der FU muss auf die Leistung beider Verdichter ausgelegt werden und wird entsprechend groß.
Anforderungen an einen Verbund aus Anwendersicht:
Der maximale Kältebedarf muss zu jedem Zeitpunkt gedeckt werden.
Die minimale Kälteleistung sollte möglichst klein sein.
Der schwankende Kältebedarf sollte möglichst stetig und ohne Lücke gedeckt werden.
Ein hohes Maß an Betriebssicherheit ggf. sollte für den Notbetrieb möglich sein.
Investment- und Betriebskosten möglichst gering.
Wenige Starts für eine hohe Lebensdauer der Verdichter.
Kompakte Abmessungen.
Halbhermetische Verdichter werden ab einer bestimmten Größe als 4-Zylinder ausgeführt. Diese Verdichter bieten den Vorteil, dass der Saugkanal von zwei Zylindern abgesperrt werden kann und sich die Leistung damit um 50 Prozent reduziert. Zwar fällt die Leistungszahl dadurch etwas ab, aber ein entsprechend kleinerer Verdichter würde auch keine spürbar bessere Leistungszahl er- zielen (Bild 1). Analysiert man jetzt die An-forderungen und die technischen Möglichkeiten ergibt sich folgendes Bild 2. Um die Kosten und Abmessungen klein zu halten, sollen nur zwei Verdichter verwendet werden. Verdichter 1 ist kleiner und FU-geregelt. Verdichter 2 ist mit einem Leistungsventil ausgestattet und leistet 50 oder 100 Prozent. Bei Störung des Frequenzumrichters kann Verdichter 2 im Notbetrieb weiter laufen.
Die Abstufung der Verdichter hängt von der minimalen und maximalen Drehzahl des FU-geregelten Verdichters ab. In diesem Fall soll der Verdichter zwischen 25 und 70 Hz betrieben werden.
Bei einer weiteren Absenkung der Drehzahl kann die Motorbelastung unter 15 Prozent fallen und damit den Wirkungsgrad extrem verschlechtern. Bei höherer Drehzahl muss beachtet werden, dass die elektrische Leistung zur Überwindung der Druckverluste bei doppelter Drehzahl auf das Achtfache ansteigt. Die Druckverluste entstehen vor allem intern (Ventilspalt etc.) im Verdichter und können auch nicht verringert werden. Gleichzeitig fällt noch der Liefergrad und der Ölwurf des Verdichters steigt an. Es gibt also gute Gründe, den Verdichter nicht mit extrem niedrigen oder hohen Drehzahlen zu betreiben.
Belässt man den Drehzahlbereich zwischen 25 und 70 Hz, stellt sich die Frage, wie die Verdichtergröße abgestimmt werden muss und welche minimale Leistung erzielt werden kann. Die maximale Leistung ist die Auslegungsgrundlage und muss sowieso erreicht werden.
Zur Beantwortung dieser Frage müssen zwei Bedingungen definiert werden. Der Kältebedarf muss bei maximaler Verdichterleistung gedeckt werden. Verdichter 1 (V1) bei 70 Hz und Verdichter 2 (V2) bei 50 Hz müssen den Kältebedarf (100 Prozent) decken. Oder als Gleichung:
70 Hz / 50 Hz V1 + V2 = 100 %
Die zweite Bedingung ist der stetige Lauf über die ganze Leistungsbandbreite. Der kritische Punkt ist, wenn Verdichter 2 angefordert wird, das heißt die Leistung muss gleich sein, wenn Verdichter 1 mit 70 Hz läuft und wenn Verdichter 2 mit 50 Prozent dazu kommt und Verdichter 2 auf 25 Hz herunterregelt. Oder wieder als Gleichung: 70 Hz / 50 Hz V1 = 25 Hz / 50 Hz V1 + 50 % / 100 % V2
Kürzt man % und Hz heraus, bleiben zwei einfache Gleichungen mit zwei Unbekannten über:
1,4 V1 + V2 = 100 und
1,4 V1 = 0,5 V1 + 0,5 V2
Die Lösung der Gleichung ergibt:
V1 = 31,25 und V2 = 56,25
Ersetzt man für einen kleinen Gewerbekälte-Verbund 100 % durch 10 kW, kann das Betriebsverhalten anschaulich dargestellt werden. Verdichter 1 fährt zwischen 25 und 70 Hz, also 1,56 und 4,37 kW. Verdichter 2 mit 50 und 100 %, also 2,8 und 5,62 kW. Die geforderte Kälteleistung von 10 kW wird erreicht: 4,37 kW + 5,62 kW 10 kW. Beim Umschaltpunkt, wenn Verdichter 2 dazu geschaltet wird, geschieht dies ohne Leistungssprung. V1 maximal 4,3 kW und V1 minimal 1,56 kW und V2 50 % 2,8 kW = 4,3 kW
Damit ist gezeigt, dass der Verbund die oben definierten Kriterien erfüllt. In erster Linie kleine minimale Leistung von ca. 16 Prozent und stetiger Lauf bis zur maximalen Kälteleistung.
Anforderungen an die Regelung
Die notwendige Regelung kann entweder mithilfe eines externen Regelgerätes oder durch Verwendung moderner Frequenzumrichter mit integrierter Kälteregelung erfolgen. Die zweite Variante hat den Vorteil, dass die Regelung ohne Zusatzgerät und ohne Zusatzaufwand für Verkabelung vorhanden ist. Die Einstellung ist sehr übersichtlich als Klartext am Bedienteil des Kälte-Frequenzumrichters, siehe Bild 3. Die Regelung erfolgt nach dem Prinzip der Regelung des Saugdrucks. Aufgrund der Vielzahl von neuen Kältemitteln ist die Vorgabe der Verdampfungstemperatur anstelle des Drucks sinnvoll. Moderne Frequenzumrichter für Kälteanwendungen können die Temperatur / Druck-Umwandlung von über 50 Kältemitteln mit hoher Genauigkeit durchführen. Bei Kältemitteln mit Gleit erfolgt die Umwandlung üblicherweise entlang der Taulinie. Bild 4 zeigt die Umwandlung von Saugdruck und Verflüssigungsdruck in Temperatur für Kältemittel R134a.
Ziel der Regelung ist, die Verdampfungstemperatur möglichst konstant zu halten. Beim Zu- und Abschalten des zweiten Verdichters gibt es eine sprungförmige Änderung der Kälteleistung. Der erste geregelte Verdichter muss versuchen, die Änderung mit minimaler Verzögerung zu kompensieren und auszuregeln. Der zweite Verdichter mit Leistungsregulierung kann alternativ mit 50 oder 100 Prozent betrieben werden. Vorteil ist, dass eine Änderung der Leistung ohne Verzögerung erfolgen kann. Zeitliche Einschränkungen, wie sie beim Zu- und Ab-schalten von Verdichtern zu beachten sind, entfallen. Das bietet große Vorteile. Die Verdampfungstemperatur kann sehr konstant gehalten werden. Die Überhitzungsregler im Kälteprozess können optimal arbeiten.
Überwachungsmöglichkeiten und Inbetriebnahme-Hilfen mit Kälte-Frequenzumrichtern
Mit minimalem Zusatzaufwand sind moderne Kälte-Frequenzumrichter in der Lage, folgende Kälteparameter zu überwachen:
Die Temperatur der Saugleitung und damit die Überhitzung. Die Überhitzung wird am Bedienteil als Temperatur (in K) direkt angezeigt, siehe Bild 5.
Beim Unterschreiten eines einstellbaren Grenzwertes wird eine Warnung angezeigt und gespeichert. Beim andauernden Unterschreiten (nass laufen) wird die Anlage mit einer entsprechenden Störung abgeschaltet. Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Verdichter werden erheblich verbessert.
Die Druckgastemperatur wird überwacht. Bei den neuen Kältemitteln kann bei bestimmten Arbeitsbedingungen eine gefährlich hohe Druckgastemperatur entstehen. In diesem Fall wird eine Warnung abgegeben. Die Drehzahl des FU-geregelten Verdichters wird dann reduziert.
Die einfache Bedienbarkeit ist sehr wichtig. Hierzu haben moderne Kälte-Frequenzumrichter folgende Einrichtungen: Bedienteil mit Klartextanzeige, vier sinnvolle Kälteparameter werden angezeigt, siehe Bild 4 als Beispiel.
Möglichkeit der Energieeinsparung mit der Regelung der Verflüssigung
Stellsignal ist üblicherweise ein 0 … +10 V Signal an den EC-Lüftermotoren am Verflüssiger. Die Regelung erfolgt sinnvollerweise im Kälte-Frequenzumrichter selbst. Neben dem Verflüssigungsdruck wird die Umgebungstemperatur am Verflüssiger herangezogen. Vorteil der Integration der Verflüssigungsregelung im Kälteumrichter ist, dass der Sollwert der Verflüssigung (Lüfterdrehzahl) entsprechend der aktuellen Verdichterleistung angepasst wird. Bei geringer Verdichterleistung kann die Temperaturerhöhung am Verflüssiger reduziert werden.
Ein moderner Kälte-Frequenzumrichter erledigt vielen Aufgaben, um die Zuverlässigkeit der Kälteanlage und einen optimalen Wirkungsgrad des Kältekreises zu erreichen.
Zusammenfassung
Das Projekt zeigt, dass sich schon mit einfacher Mathematik (Gleichung mit zwei Unbekannten) erhebliche Verbesserungen bei der Auslegung von Verbunden erzielen lassen. Mit dem Regler, der in diesem Fall im FU integriert ist, konnte das vorgesehene Regelverhalten optimal umgesetzt werden. Betreiber, die in die Jahre gekommene Verbunde durch Verbunde der geschilderten Bauart ersetzt haben, berichten von erheblichen Einsparungen bei den Betriebskosten.
Dipl.-Ing. Robert Baust,
Technische Beratung und Verkauf, Robert Schiessl GmbH, Oberhaching
John Gibson,
Geschäftsführer KIMO RHVAC Controls Ltd, Fürth
