Bei Kolbenverdichtern wird der Massenstrom entweder über eine Variation der Verdichterdrehzahl durch den Einsatz von Frequenzumrichtern geregelt oder mittels mechanischer Regelungssysteme, die bei konstanter Drehzahl arbeiten.
Ein Großteil der aktuell vorliegenden mechanischen Systeme ist allerdings mit Fokus auf die häufig eingesetzten, wenig umweltverträglichen HFKW-Kältemittel, wie R134a oder R404A, entwickelt und auf deren charakteristische Betriebspunkte ausgelegt. Für transkritische CO2-Anlagen mit den damit einhergehenden, typischen hohen Drucklagen sind sie ungeeignet und können nicht eingesetzt werden. Gerade diese Anlagen erfahren gegenwärtig aber aufgrund ihres geringen Treibhauspotenzials durch verschärfte Umweltauflagen, wie die F-Gase Verordnung, ein besonders starkes Wachstum.
Regeln auch im niedrigen Teillastbereich
Hoerbiger hat den wachsenden Bedarf an einer stufenlosen, mechanischen Lösung zur Regelung von transkritischen CO2-Anlagen im Zuge diverser Gespräche mit Unternehmen und Experten in der Kältebranche identifiziert und sich für die Entwicklung eines solchen Systems entschieden. Aufbauend auf langjährigen Erfahrungen in der Entwicklung unterschiedlicher, hocheffizienter Ventiltypen und in Kooperation mit Frascold S.p.A, Teko Gesellschaft für Kältetechnik mbH und kke GmbH hat Hoerbiger das neue Regelventil CapaFlex entwickelt und dessen Funktionsweise und Effizienz auf entsprechenden Testanlagen der genannten Kooperationspartner verifiziert.
Das-Regelsystem dient zur mechanischen Leistungsregelung von Verdichtern, insbesondere in transkritischen CO2-Anlagen, und schafft die Möglichkeit eines effizienten und stufenlosen Regelbetriebs bis zu einem niedrigen Teillastbereich, typischerweise bis etwa 20 Prozent der Volllastkapazität. Dem Anlagenbauer bietet sich dadurch ein breites Spektrum zur Konzeptionierung einer effizienten Anlagenregelung.
Robuste Konstruktion, einfache Montage
Das robuste Design der Regelventile unterstützt eine lange Lebensdauer des Regelsystems sowie dessen einzelner Komponenten. Das steigert die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit der CO2-Anlage. Die einfache Montage wird durch das Einschrauben von außen im Zylinderkopf und den kompakten Aufbau ermöglicht. Sowohl die Inbetriebnahme als auch der Servicefall sind dadurch für den Anlagenbauer schnell und effizient durchzuführen, da kein außerordentliches Fachwissen für die Handhabung des Regelventils vorausgesetzt wird. (Bild 1). Die integrierte Notlaufeigenschaft verhindert selbst im wenig wahrscheinlichen Fall eines defekten Systems einen Verlust an Kälteleistung und somit einen Ausfall der Kälteanlage.
So funktioniert das Regelventil
Das Wirkprinzip des Regelventils entspricht grundsätzlich dem bekannten Konzept einer taktenden Zylinderbankabschaltung. In jedem Schaltzyklus wird die Sauggaszufuhr zum Verdichter unterbrochen und somit eine Absenkung des Ansaugdruckes provoziert, bis der Förderstrom des Verdichters vollständig abbricht. Über das Verhältnis der Dauer des geöffneten bzw. geschlossenen Zustands des Regelventils kann der zeitlich gemittelte Fördermassenstrom somit stufenlos eingestellt werden. Die Positionierung des Regelventils im montierten Zustand ist schematisch in Bild 2 dargestellt.
Dennoch unterscheidet sich das Ventilkonzept in seiner konstruktiven Ausführung und in seiner entsprechenden Funktionsweise wesentlich von vergleichbaren Produkten. Der grundsätzliche Aufbau des Systems in geschlossener und offener Ventilposition ist in Bild 3 zu sehen.
Durch seine direkte elektromagnetische Ansteuerung arbeitet es völlig unabhängig von der Hochdruckseite und vorliegenden subkritischen und/oder transkritischen Betriebspunkten. Systematische Leckagen und Bypässe sowie die damit einhergehenden Verluste werden vermieden, um einen effizienten Teillastbetrieb zu ermöglichen. Durch die optimale Auslegung der Ventilkomponenten werden unerwünschte, verlustbehaftete interne Leckagen und entsprechende Restmassenströme bei aktiver Regelung verschwindend gering.
Die indizierte Aufnahmeleistung einer durch ein geschlossenes Regelventilsystem CapaFlex deaktivierten Zylinderbank sinkt somit praktisch gegen null und der entsprechende Anteil am Stromverbrauch des Verdichters reduziert sich auf die deutlich niedrigeren mechanischen und elektrischen Verluste.
Praktische Prüfergebnisse
Zur Validierung der Systemeffizienz wurden in Kooperation mit Frascold und kke an den Prüfständen der jeweiligen Unternehmen entsprechende Messungen durchgeführt. Bild 4 zeigt die Regelsysteme am Prüfstand von kke auf einem 4-Zylinder-Verdichter von Frascold.
Bild 5 zeigt den gemessenen Verlauf der auf den Volllastbetrieb bezogenen Aufnahmeleistung und des Coefficient of Performance (COP) am Beispiel eines typischen Betriebspunktes für Normalkühlung bei einer Verdampfungstemperatur von 10 °C. Der Verlauf der bezogenen Aufnahmeleistung erstreckt sich linear über den Teillastbereich und beträgt bei 50 Prozent der Kapazität etwa 62 bzw. 59 Prozent. Für den bezogenen COP errechnen sich daraus 80 bzw. 84 Prozent.
Grundsätzlich ist der Verlauf dieser beiden bezogenen Größen auch vom Betriebspunkt der Anlage bzw. des Kompressors abhängig, da die Leistungsregelung keinen Einfluss auf mechanische und elektrische Verluste hat. Je höher der Anteil der Verdichtungsarbeit an der gesamten Leistungsaufnahme des Kompressors, desto höher das Einsparpotenzial und desto besser die bezogenen Leistungsdaten im Teillastbereich. Die mechanische Regelung arbeitet somit dort am effizientesten, wo es am wichtigsten ist.
Dieser Sachverhalt zeigt sich auch in den Ergebnissen der Messungen in Bild 5. Schwankungen der Außentemperaturen führen zu Abweichungen der Betriebspunkte und somit zu etwas unterschiedlichen Kurvenverläufen im Teillastbereich.
Weitere Vorteile
Das Ringventilkonzept der Regelventile CapaFlex ermöglicht große Strömungsquerschnitte bei einem gleichzeitig geringen Ventilhub von <1,5 mm, wodurch niedrige Auftreffgeschwindigkeiten erzielt werden können. Dies sowie ein besonders robuster und eigens für diese Zwecke optimierter Ventilwerkstoff unterstützen einen zuverlässigen Betrieb und eine lange Lebensdauer des Ventils. Der geringe Ventilhub ermöglicht außerdem kurze Schaltzeiten und somit einen taktenden Betrieb mit verhältnismäßig kurzen Schaltzyklen bis etwa 5 s. Besonders in Anlagen mit kleinem Füllvolumen können dadurch Schwankungen des Massenstromes im Gesamtsystem gering gehalten werden. Das unterstützt einen stabilen und ruhigen Betrieb der Anlage. Im wenig wahrscheinlichen Fall einer defekten Zylinderbank bewirkt ein automatisches Druckausgleichsystem einen andauernden Volllastbetrieb auf der entsprechenden Zylinderbank. Ein 2-Zylinder-Kompressor kann somit weiterhin mit 100 Prozent seiner Kapazität betrieben werden, ein 4-Zylinder-Kompressor kann oberhalb der 50 Prozent sogar immer noch geregelt werden.
Ausblick
Die Leistungsregelung CapaFlex befindet sich gegenwärtig in der Endphase der Entwicklung. Systeme für Installationen der ersten Feldtests mit Partnern sind bereits im Aufbau.
Florian Schacherreiter,
Group Leader Predevelopment Research & Development Department, Hoerbiger Ventilwerke GmbH & Co. KG, A-Wien
