Ein neuer halbhermetischer Verdichter

Emerson Climate Technologies will mit dem neuen halbhermetischen Stream-Verdichter zu dieser Initiative der Kälteindustrie beitragen. Die gesamte neue Produktlinie (Bild 1) zeigt die Vielfalt der möglichen Kombinationen und Einsatzmöglichkeiten:

• Ein Verdichter für verschiedene FKW-Kältemittel sowie Varianten mit niedrigem GWP-Wert
• CO₂ transkritisch
• Digitale Leistungsregelung
• Schalldämmhaube für leisen Betrieb
• CoreSense Technologie schützt den Verdichter und liefert Diagnosen

Acht verschiedene Hubvolumen sind jeweils in zwei Motorvarianten verfügbar. Außerdem gibt es die Standard- und eine leistungsgeregelte Digital-Variante alles in allem also 32 neue Modelle. Der große Anwendungsbereich (Bild 2) ermöglicht den Einsatz für die Normal- und Tieftemperaturkühlung. Der Normalkühlbereich wird für das Kältemittel R 404 A¹ zwischen 33 und 82 kW abgedeckt. Für R 134 a² liegt er zwischen 18 und 45 kW. Bei tiefen Temperaturen beträgt die Leistung für R 404A3 zwischen 11 und 27 kW. Die Verflüssigungstemperatur kann mit der kleinen Motorversion bei tiefen Umgebungstemperaturen für Tieftemperaturanwendungen auf +5 °C abgesenkt werden. Damit wird ein Kühlventilator überflüssig, was Energie und Kosten einspart.

Ein Verdichter viele Anwendungen

Das derzeit am weitesten verbreitete Kältemittel in der Gewerbekühlung ist R 404 A. Die Optimierung der Systemarchitektur, eine andere Verdichtertechnologie oder ein Kältemittel mit niedrigem Treibhauspotential (GWP) können den CO₂-Fußabdruck einer Kälteanlage verbessern. So ist beispielsweise der Wechsel von R 404 A zu R 134 a eine Möglichkeit, den Kältemittel-GWP von 3 922 auf 1 430 abzusenken. In diesem Fall wird bei unveränderter Kälteleistung ein Verdichter mit größerem Hubvolumen benötigt. Der GWP-Wert sinkt dann um 64 Prozent, die Systemeffizienz steigt. Dabei ist zu beobachten, dass Verdichterhersteller dafür das Ventilplattendesign dem eingesetzten Kältemittel anpassen. Somit steigt zwar die Effizienz, gleichzeitig werden aber sowohl das Produkt selbst als auch dessen Verwaltung für Hersteller und Händler viel komplexer.

Die Ventilplatte von Stream-Verdichtern bleibt hingegen von Designänderungen unbeeinflusst. Sie liefert den optimalen COP, unabhängig vom eingesetzten Kältemittel (siehe Discus-Ventiltechnologie). Daher ist jedes einzelne Stream-Modell tatsächlich für verschiedene Kältemittel einsetzbar, was zum Beispiel für die FKWs R 404 A, R 407 A, R 407 C, R 407 F und R 134 a gilt ohne jeden Kompromiss. Die Effizienz bleibt immer hoch. Bild 3 zeigt einen Vergleich für R 404 A von Stream mit anderen Technologien. Ergebnis: Die neuen Stream-Modelle helfen, den Service sowie die Lagerhaltung von Systemherstellern, Händlern oder Anlagenbauern zu vereinfachen, da deutlich weniger Modelle vorgehalten werden müssen.

Basis ist die Discus-Ventiltechnologie

Die Discus-Ventiltechnologie ist der wesentliche Unterschied zwischen Stream- und anderen Hubkolbenverdichtern. Der Name stammt vom konischen Design des Druckventils. Geschlossen ist es bündig mit der Ventilplatte, wodurch der Schadraum minimal ist, wenn sich der Kolben in oberster Position befindet (Bild 4). Bei konven­tionellen Verdichtern verhindert ein Zungenventil, dass der Kolben dem Zylinderkopf zu nahekommt, was aber zusätzlichen Schadraum bedeutet. Dabei ergeben sich die folgenden Verluste:

• Druckabfall infolge Ventildesign, d.h. bei gleichen Öffnungs- und Schließzeiten erzeugt das Ventil, das am weitesten öffnet, die geringeren Druckverluste.
• Rückströmendes Gas aus der Druckkammer, d.h. je größer das rückströmende Volumen, desto größer sind die Verluste.

Der Einsatz eines Zungenventils ist also immer ein Kompromiss für diese beiden Verlustarten: Je größer das Ventil, desto geringer der Druckverlust, aber umso größer die Rückexpansion. Außerdem reagiert es empfindlich auf Gasdichte und -geschwindigkeit. Auch hier ist ein Kompromiss für das verwendete Kältemittel und den Verflüssigungspunkt notwendig. Ein optimales Design für eine hohe Effizienz bei niedrigen Verflüssigungstemperaturen verschlechtert diese wiederum bei hohen Verflüssigungstemperaturen.

Bei der Discus-Ventiltechnik reduzieren sich die Druckverluste mit größerem Ventildesign. Da das Ventil in die Ventilplatte integriert ist, gibt es auch kein rückströmendes Gas. So ist die maximale Ventilgröße nur abhängig von der Ventilplatte. Ein Optimum wird also unabhängig von Kältemittel und Betriebsbedingungen erreicht. Einen Kompromiss gibt es mit Stream-Verdichtern nicht.

Ein Verdichter zwei Varianten zur Leistungsregelung

Für jedes Stream-Modell gibt es zwei Möglichkeiten zur Leistungsregelung. Alle Verdichter sind für Inverterbetrieb freigegeben. Eine einfache und ebenfalls effiziente Alternative ist die digitale Leistungsregelung. Beide Methoden erlauben dem Lebensmittelhandel den verbrauchsabhängigen Betrieb der Kälteanlage bei geringeren Kosten. Als Nebeneffekt verlängert sich die Standzeit des Verdichters.

Bei der digitalen Regelung befindet sich ein Magnetventil auf dem Zylinderkopf. Dieses steuert einen Kolben, der den Gasstrom auf der Sauggasseite zur Ventilplatte kon­trolliert. Wird Kälteleistung benötigt, fließt der Kältemitteldampf bei der Verdichtung über die Ventilplatte (vorbei am Sauggasventil) in den Zylinder. Dort angekommen, wird das Gas auf einen höheren Druck verdichtet, ehe es über das druckseitige Ventil in den Zylinderkopf ausgeschoben wird. Dies ist der beladene Zustand (Bild 5, links) . In unbeladenem Zustand, wenn also wenig Kälteleistung benötigt wird, unterbricht der Steuerkolben den Gasstrom in dem Zylinder und damit auch den Verdichtungsprozess (Bild 5, rechts). Die bereitgestellte Kälteleistung wird über die Zeit geregelt, während der eine reale Verdichtung stattfindet (Bild 6). Diese neue Möglichkeit zur Leistungsregelung lässt sich in Kälteanlagen einfach integrieren und ist sehr zuverlässig. Eine digitale Zylinderbank kann auf Standardmodellen jederzeit nachgerüstet werden.

Auf einem Vierzylinderverdichter befindet sich eine Zylinderbank mit einem einfachen Magnetventil, das zwei Kolben steuert. Diese blockieren den Gasstrom in den Zylinderraum. Um die Kälteleistung abzusenken, wird der Gasstrom des Kältemittels in den Zylinder unterbrochen, was den Verdichtungsprozess stoppt. Werden die Öffnungszeiten dieser Kolben mithilfe des Anlagencontrollers oder mit einem digitalen Treiber geregelt, kann man die Kälteleistung zwischen 50 und 100 Prozent modulieren.

Beim Sechszylinderverdichter ist eine Zylinderbank mit dem Magnetventil ausgestattet. Die zweite ist die gleiche, wie bei einem Standard-Stream. Daraus ergibt sich ein Modulationsbereich, der sogar zwischen 33 und 100 Prozent liegt. Den Anwendungsbereich bei 100 Prozent des digitalen Stream-Verdichters zeigt ebenfalls Bild 2.

CoreSense Diagnostics am Puls der Zeit

Immer deutlicher zeichnet sich der Trend zu intelligenten, elektronischen Bauteilen und Systemen ab, wenn es um Energieeinsparungen, Kostenoptimierung, Betriebszeiten und geringere Lebenszykluskosten geht. So ist die Integration eines intelligenten und anwenderfreundlichen Diagnosetools in einer Anlagenkomponente von großem Vorteil. Emerson Climate Technologies liefert seine Lösung CoreSense Diagnostics für Kälteanlagen als Standard mit jedem Stream-Verdichter. Die wesentlichen Merkmale:

• Überhitzungsschutz des Motors
• Ölüberwachung
• Hochdrucktemperaturkontrolle
• Kommunikation mit dem Anlagencon­troller via Modbus
• Verdichterschutz
• EEPROM-Speicher
• Archiv für Alarme und Betriebszustände
• Neustart vor Ort oder Remote
• Farb-LEDs zur einfachen Alarmdiagnose

Damit kann der Verdichter auf einfache Art betrieben und geschützt werden. Das verlängert die Betriebsdauer und unterstützt aktiv Service und Wartung. Und CoreSense verhindert nicht nur unerwünschte Fehlfunktionen, sondern speichert bzw. liefert dem Betreiber nutzvolle Informationen. Bild 7 zeigt das Modul und seine wichtigsten Funktionen.

Die Diagnose liefert eine Historie der Verdichteralarme und aktuelle Betriebszustände. Der eingebaute EEPROM-Speicher hält ebenso alle registrierten Fehler und Informationen zum Verdichter (z. B. Seriennummer und Modellbezeichnung) vor. Kunden haben vor Ort auf alles direkten Zugriff über ein Controllerdisplay oder mithilfe eines Servicelaptops und der darauf installierten CoreSense PC Interface Software.

Wertvoller Nutzen: laufruhiger Betrieb

Der Stream-Verdichter ist einer der leisesten Hubkolbenverdichter am Markt. Verglichen mit der Vorgängergeneration konnte der Schalldruckpegel durch Designän­derungen bis zu 7 dB(A) verringert werden in Abhängigkeit von Modell und Anwendung. Um den laufruhigen Betrieb bei schallempfindlichen Anwendungsfällen weiter zu verbessern, gibt es für Stream-Verdichter zusätzlich neue Schallschutzgehäuse. Damit ist eine Verringerung um weitere 15 dB(A) möglich. Das Gehäuse besteht aus fünf Bauteilen und lässt sich sehr einfach in eine Anlage integrieren. Schnellverschlüsse ermöglichen einen schnellen Zugang zu wichtigen Verdichterbauteilen, wie Ölüberwachung, Ölservice oder zu CoreSense Diagnostics. -

1 Bei 10 °C Verdampfungstemperatur, 45 °C Verflüssigungstemperatur, 0 K Unterkühlung und 20 °C Sauggas­temperatur

2 Gleiche Bedingungen wie für R 404A, jedoch mit 10 K Überhitzung

3 Bei 35 °C Verdampfungs- und 40 °C Verflüssigungstemperatur, 0 K Unterkühlung und einer Sauggastemperatur von 20 °C