Großkälteanlagen werden heute bevorzugt als Pumpenanlage mit Zwangsumwälzung des Kältemittels auf der Niederdruckseite ausgeführt. Dies bringt gegenüber anderen Systemen einige Vorteile:
Verbesserten Wärmeübergang in den Verdampfern
Sicheres Verteilen und Regeln der Kälteleistung bei vielen, auch entfernt liegenden Verdampfern
Konzentrierung der wichtigsten Maschineneinheiten auf einem Raum
Hermetic-Kältemittelpumpen sind mit der ZART”-Technologie (Zero Axial and Radial Thrust) ausgestattet und bieten dem Anwender eindeutige Vorteile, z. B. einen besonders breiten Frequenzregelbereich der Pumpe. Die große Oberfläche der hydrodynamischen Gleitlager stellt den dauerhaften Betrieb bei niedriger Frequenz sicher. Die ZART”-Technologie bewirkt einen berührungs- und verschleißfreien Lauf der Rotoreinheit.
Bild 1 zeigt eine hermetische Kältemittelpumpe zur Förderung des flüssigen Kälteträgers. Das dünnwandige Spaltrohr aus Edelstahl dient als hermetische Abdichtung des Pumpenaggregats nach außen und schützt die Wicklung vor Einwirkung des Kältemittels. Der Motor ist flüssigkeitsgekühlt: Ein Kühlstrom wird von der Pumpendruckseite in den Rotorraum abgezweigt und nach Aufnahme der Motorverlustwärme – durch die Hohlwelle zwischen zweitem und drittem Laufrad – in ein Gebiet höheren Drucks zurückgeführt. So lässt sich ein Verdampfen des Motorkühlstromes verhindern.
Praktische Anwendung: CO2-hermetische Kältemittelpumpen im Supermarkt
Immer öfter kommt CO2 in kältetechnischen Anlagen zum Einsatz. Sie versorgen z. B. Kühltruhen in Supermärkten. Wegen der auftretenden hohen Drücke kommen hier meist nur hermetische Kältemittelpumpen (Druckstufe PN40 oder höher) in Frage. Im folgenden Beispiel wird der Einsatz einer Kältemittelpumpe in einem Supermarkt mit 60 Kühltruhen und einer Gesamtlänge von ca. 180 m beschrieben. Als Kältemittel dient CO2 / R744 mit einer Temperatur von –4 °C. Die Pumpe ist ausgelegt für 12 m3/h bei 26 m Förderhöhe. Aufgabe war es, die Pumpe mithilfe eines Frequenzumformers effizient und energiesparend zu regeln. Dabei soll sich die Pumpe selbstständig auf unter-schiedlichen Kälteverbrauch einstellen.
Zur Auslegung der Pumpe wurde ein Rechenalgorithmus benutzt, der die Umrechnung der 50-Hz-Kennlinie auf kleinere Frequenzen erlaubt unter Zuhilfenahme der Ähnlichkeitsgesetze:
Q~n, H~n^2, P2~n^3 sowie NPSH~n^4/3
Die Umrechnung bereitete kaum Probleme, schwieriger waren die Fragen zu klären:
Welche Einschränkungen gibt es infolge der veränderten Wärmebilanz von Pumpe und Motor? Der Dampfdruck von CO2 bei –4 °C beträgt immerhin schon 30 bar.
Welche Verluste hat der Motor bei geringerer Drehzahl?
Wie sieht es mit der Tragfähigkeit der Gleitlager aus?
Reicht die Motorleistung noch bei der maximalen Kälteleistung der Anlage?
Welche Auswirkungen hat die Drehzahländerung auf Qmin und Qmax bzw. auf NPSH (Net Positive Suction Head), die Haltedruckhöhe?
Durch die Hinzunahme der Drehzahl als neuen Freiheitsgrad ist die Berechnung mathematisch schwieriger; das Problem wird mehrdimensional. Die Förderhöhe H ist eine zweidimensionale Funktion von Q und f, ebenso ist die Wellenleistung P2 eine zweidimensionale Funktion von Q und f. Mithilfe des Rechenalgorithmus lassen sich die Förderhöhe H und die Wellenleistung P2 als zweidimensionale kubische Splinefunktionen der variablen Q und f darstellen. Mit diesen Splinefunktionen ist es möglich, im Kennlinienfeld beliebig zu interpolieren. Zu vorgegebenem Q, H konnte so f berechnet werden bzw. bei Vorgabe von f, H kann Q berechnet werden.
Aus der Lagertragfähigkeitsberechnung unter Berücksichtigung der CO2-Viskosität folgte eine Mindestdrehzahl von ca. 1 800 U/min entsprechend einer Mindestfrequenz von 30 Hz. Als Eingabewerte für das Berechnungsprogramm dienten die 50-Hz-Kenn-linie der Pumpe, das Ersatzschaltbild des Motors und die Stoffwerte von CO2 in Abhängigkeit von der Temperatur. Dazu kommen Vorgaben zur Geometrie, Austritt des Motorkühlstromes, Mindestsicherheit S-min gegen Verdampfen des Teilstromes und eine Mindestsicherheit SS-min = NPSHa – NPSHp (Anlage – Pumpe) gegenüber Kavitation.
Beobachtung der Motorenfrequenz
Als Ergebnis erhält man das in Bild 2 dargestellte Kennlinienfeld, das auch den Schlupf des Motors berücksichtigt. Aus der Wärmebilanzrechnung ergibt sich zunächst eine blaue Begrenzungskurve. Diese gibt die Betriebspunkte wieder, bei der die Mindestsicherheit S noch 3 m beträgt.
Für alle Punkte innerhalb der blauen Kurve ist S > 3 m. Physikalisch gesehen heißt dies, dass für alle Punkte innerhalb der blauen Grenzkurve nicht mit einer Verdampfung des Motorteilstromes zu rechnen ist. Es zeigt sich, dass die Motor-Frequenz nicht beliebig weit abgesenkt werden darf. Durch die blaue Kurve ist der Frequenzbereich nach unten auf ca. 30 Hz begrenzt. 30 Hz sind auch die untere Grenze für die Lagertragfähigkeit der Gleitlager mit CO2.
Ein zweites Kriterium betrifft NPSHa und NPSHr. Bei kleinen Fördermengen steigt NPSHr infolge der erzeugten Wärme im ersten Laufrad wieder an. Fordert man einen Mindestsicherheitsabstand SS-min = 0,3 m zwischen NPSHa und NPSHr, so ergibt sich die rote Begrenzungskurve im Diagramm. Innerhalb der roten Kurve ist die Pumpe kavitationsfrei, außerhalb ist mit Kavitation zu rechnen. Man erkennt, dass die rote Kurve in diesem Falle den Mindestförderstrom bestimmt, der maximale Förderstrom im Kennfeld wird dagegen durch die blaue Kurve festgelegt.
Anpassung der Pumpe an die Anlage
Zweckmäßigerweise wird dazu der Differenzdruck zwischen Saug- und Druckflansch verwendet (siehe Differenzdruckschema Bild 3) als Stellgröße für den Frequenzumformer benutzt. Der Umformer regelt die Frequenz entsprechend der benötigten Fördermenge bzw. benötigten Kälteleistung so, dass der Differenzdruck über den gesamten Regelbereich konstant bleibt. Somit wird Q eine eindeutige Funktion der Frequenz. Um Energie zu sparen, muss der Differenzdruck auf einen Sollwert im unteren Bereich des Kennfeldes (Bild 2) eingestellt werden. Dort sind die Pumpenleistungen P2 im Verhältnis ~n3 kleiner. Um einen möglichst großen Regelbereich zu erlauben, sollte die Frequenz jedoch nicht zu tief bzw. zu nahe am Minimum der blauen Kurve gewählt werden. In unserem Beispiel wurde der Sollwert auf 26,6 m, entsprechend 2,5 bar Differenzdruck festgelegt. Der minimale Förderstrom ergibt sich dann als Schnittpunkt der Kurve H = 26,6 m mit der roten Kurve zu Qmin = 1,07 m3/h bei 32,7 Hz, der maximale Förderstrom als Schnittpunkt der Kurve H = 26,6 m mit der rechten blauen Kurve zu 12,0 m3/h bei 47,3 Hz.
65 Prozent Energieeinsparung
Die in der Anlage tatsächlich gemessenen Betriebspunkte bei Tag- und Nachtbetrieb lagen auf der p = 2,5 bar Geraden und sind ebenfalls in Bild 2 wiedergegeben. Die Betriebspunkte lagen tagsüber bei 38,7 Hz / 6,8 m3/h, nachts bei 35,0 Hz / 3,9 m3/h. Q ändert sich dabei nahezu um den Faktor 2. Beide Betriebspunkte sind noch ausreichend von Qmin und Qmax entfernt.
Die Energieeffizienz ist offensichtlich. Die Wellenleistung nachts beträgt nur noch 0,66 kW, gegenüber 1,91 kW bei 47,2 Hz. Das bedeutet eine Energieeinsparung von 65 Prozent. Gegenüber einem 50-Hz-Netz-Betrieb wäre die Einsparung noch größer, nämlich 70 Prozent. Der gesamte Wärmeeintrag ins System reduziert sich auf 0,75 kW bei 35 Hz, gegenüber 1,85 kW bei 47,2 Hz, eine Einsparung von 59 Prozent, im Vergleich zu 50-Hz-Netzbetrieb sogar 65 Prozent.
Obwohl die Fördermenge Q nicht direkt gemessen werden kann, lässt sie sich bei konstantem Differenzdruck einfach aus der Frequenz berechnen. Dazu bildet man eine quadratische Regression Q gegen f für die obigen vier Betriebspunkte und erhält so den funktionalen Zusammenhang:
Q (m3/h) = –61,596 + 2,74 x f – 0,025 x f2
Diese Gleichung gilt nur für einen Diffe-renzdruck von 2,5 bar. Aus ihr kann der Förderstrom aus der gemessenen Frequenz berechnet werden und gegebenenfalls am Umformer direkt angezeigt oder extern abgegriffen werden. Ein störungsfreier Pumpenbetrieb ist damit für folgende Parameter und innerhalb folgender Bereichsgrenzen sichergestellt:
Differenzdruck: 2,5 bar
Förderstrom Q (m3/h): 1,1–12,0 m3/h
Umformerfrequenz f (Hz): 32,7–47,2 Hz
Pumpendrehzahl n (U/min): 1913–2674 U/min
Unter diesen Bedingungen ist eine ausreichende Druckhöhenreserve (S > 3 m) gegenüber Verdampfung des Motorkühlstromes vorhanden. Ebenfalls gibt es für die Pumpe genügend NPSH-Reserve (S > 3 m), um Kavitation auf der Saugseite der Pumpe auszuschließen. Die Pumpendrehzahlen reichen ebenfalls aus, um die Lagertragfähigkeit der Gleitlager zu gewährleisten. Der Betriebspunkt Max entspricht dem Schnittpunkt der blauen Kurve mit der p-Geraden gemäß Bild 2 und gibt somit den Zustand maximaler Kälteleistung der Anlage wieder. Rechnerisch ergeben sich für diesen Betriebspunkt die in Tabelle 1 unter Betriebspunkt Max angegebenen Zahlenwerte. Diese entsprechen auch den Auslegungsdaten der Pumpe.
Fazit
Durch Verwendung eines Frequenzumformers mit p-Regelung können bis zu 70 Prozent der Pumpenleistung im Vergleich zum 50-Hz-Netzbetrieb eingespart werden. Die ins Kältesystem eingetragene Wärme re-duziert sich dabei ebenfalls um 65 Prozent. Dies bedeutet, dass auch die erforderliche Kühlleistung der Kompressoren dementsprechend reduziert wird. Durch die Drehzahlregelung der Pumpe, ergibt sich somit ein doppelter Nutzen. Die spezielle Ausführung und die hohe Tragfähigkeit der hydrodynamischen Gleitlager, in Kombination mit einem effizienten Axialschubausgleich der Pumpe, ermöglichen einen berührungslosen Betrieb hermetischer Kältemittelpumpen. Die mit der ZART”-Technologie ausgestatteten Kältemittelpumpen sind prädestiniert für einen zuverlässigen und dauerhaften Betrieb mit Frequenzregelung.
Online-Auslegung für Frequenzumrichter
Die Auslegungssoftware www.hermetic-pumpen.com/de/kaeltetechnik/pumpenauslegung/ erleichtert Ihnen die Auswahl der für Sie passenden Kältemittelpumpe. Insbesondere können hiermit auch Optionen der Energieeinsparung berechnet werden. Die softwaregestützte Auslegung für frequenzgeregelten Betrieb ist komfortabel möglich. Minimale und maximale Drehzahlen sowie der passende Betriebsbereich werden ausgegeben.
Dr. Roland Krämer,
CTO, Hermetic-Pumpen, Gundelfingen
Ivan Perez,
Produktmanager, Hermetic-Pumpen, Gundelfingen
