Im Motorleistungsbereich von 1 kWe bis ca. 55 kWe ermöglichen die Turbos variable Fördermengen verschiedener Kältemittel und kommen durch interne Volumenreduzierung von 90 % mit deutlich weniger Kältemittel aus. Die Entwicklungen der Varianten 3 kWe und 10 kWe für R 290 und R 1234 ze(E) eignen sich für viele Applikationsgebiete.
Das Herzstück einer jeden Kompressionskälteanlage ist der Verdichter. Gasgelagerte Turbos bieten dabei eine vielversprechende Kombination aus Bauraum, geringem Gewicht, hoher Effizienz und langer Lebensdauer. Die CompaNamic - Baureihe von ebm-papst zeigt dabei, in welche Richtung diese Verdichtertechnik gehen kann.
Die Aufgabe eines Verdichters für Wärmepumpen und Kältetechnik besteht darin, Kältemittel möglichst effizient über lange Zeiträume bei geringem Betriebsgeräusch zu verdichten. Idealerweise arbeitet er dabei ölfrei, so bleibt das System sauber, die Effizienz der Wärmeübertragung steigt und Nebenaggregate wie Ölabscheider, Ölsumpf sowie der Konstruktionsaufwand für die Ölrückführung entfallen. Je nach Anwendungsgebiet müssen die Verdichter und vor allem ihre Lagerung sowohl bei Dauerlauf als auch bei Start-Stopp-Zyklen über viele Jahre möglichst wartungsfrei arbeiten. Auch sollen die Endgeräte so klein und leicht wie möglich ausfallen, sodass kompakte und dynamische PFAS-freie Verdichter gefragt sind, die in beliebiger Einbaulage zu montieren sind, ohne auf einen Ölrücklauf achten zu müssen. Während Antrieb und Lagerung für eine große Bandbreite an Kältemitteln nahezu gleichbleiben können, muss die Aerodynamik mitunter stark an das eingesetzte Gas angepasst werden. In der Praxis konnten die Entwickler durch den Einsatz hochdrehender Innenläufermotoren sehr kompakte Verdichter mit 3 oder 10 kWe bei nur 85 bzw. 110 mm Durchmesser und 200 bzw. 230 mm Länge bei nur 1,6 bzw. 4,8 kg Gewicht aufbauen. Gleichzeitig konnte durch eine interne Volumenreduzierung auf nur noch 300 cm³ bei dem ebm-papst Verdichter P 2 - gegenüber herkömmlichen Verdichtern mit ca. 7000 cm³ - die nötige Kältemittelmenge drastisch reduziert werden. Durch den Ölverzicht ist der Wärmeübergang durch die fehlende Oberflächenbenetzung mit Schmierstoff (Öl inklusive Additive) in den Wärmetauschern besser und die Druckverluste sind minimiert. Zudem gibt es keine Ölverschmutzung und Effizienzdegradierung der Wärmetauscher wegen Öl über die Lebensdauer. Ölwartung und Ölhandhabungseinrichtungen entfallen, da nur reines Kältemittel im Umlauf ist. Die perfekt ausbalancierten rotierenden Teile ergeben einen vibrationsfreien, leisen Lauf. Das Betriebsgeräusch liegt daher in beiden Versionen bei rund 60 dB. Um das zu erreichen, sind fortschrittliche technische Lösungen in vielen Teilbereichen nötig.
Die Aerodynamik
Die unterschiedlichen Anforderungen der eingesetzten Heiz- bzw. Kühltechnik bestimmen die Verdichtergröße. Motorleistungen von 3 und 10 kWe für die Kältemittel R 290 und R 1234 ze(E) stehen von Beginn an zur Auswahl. Sie eignen sich besonders für größere Gebäude oder industrielle Anwendungen. Um die unterschiedlichen Anforderungen resultierend aus der Envelope an Druckverhältnis und Massenstrom effizient abzudecken, muss die gesamte Bandbreite an Auslegungsmöglichkeiten der Rad- und Schaufelgeometrie genutzt werden. Dabei werden die SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) Punkte aus unterschiedlichen Applikationen genutzt. Außerdem ist gerade bei kleinen Laufraddurchmessern die Reduzierung der auftretenden Schaufelspaltverluste auf ein technisch mögliches Minimum entscheidend. Dadurch wird eine sehr effiziente Aerodynamik sichergestellt.
Die Verdichterausführung beschreibt, wie viele Stufen man für die angeforderten Druckverhältnisse braucht. Gestrichelte Linien beschreiben das jeweilige Limit für die beiden Ausführungen. Die Hüllkurve (Envelope) beschreibt die Einsatzgrenzen. Die X-Achse ist die Verdampfungstemperatur und die Y-Achse stellt die Verflüssigungstemperatur dar. Die Verdichterarchitektur und Verdichterenvelope für R 290 und R 1234 z zeigt, wie viele Stufen man für die angestrebte Druckverhältnisse benötigt. Dabei braucht man für die Mid- und High-Lift Varianten höhere Druckverhältnisse und daher zweistufige Lösungen. Für die Low-Lift Version ist eine einstufige Lösung ausreichend. Die Kennfelder wurden nach der Simulation auch im neuen, hochmodernen ebm-papst eigenen Verdichter-Prüffeld gemessen, verifiziert und optimiert. Aus dem Kerngeschäft der Ventilatoren steht zudem bereits ein leistungsfähiges Umwelterprobungs-Testzentrum zur Verfügung. Hier werden die Verdichter einer Langzeitprüfung unterzogen.
Bild: ebm-papst
„Ölfrei“ bedeutet auch: Frei von Ölrückführung, Ölabscheider oder Ölwechsel.
Lagerungstechnologie
Die hohe Leistung und Dynamik der Einheiten in Bezug zu ihrer Größe erfordern ein ausgeklügeltes Lagersystem. Günstige Gleit- und Kugellager haben bei hohen Drehzahlen nur eine kurze Lebensdauer und können zudem das Gas mit Öl oder Fett verunreinigen. Magnet- und Gaslager dagegen arbeiten praktisch ohne Verschleiß. Magnetische Lager sind allerdings noch sehr teuer – Gaslager sind daher ein guter Kompromiss. Insbesondere hydrodynamisch starre Gaslager ermöglichen im Vergleich zu Folienlagern eine präzise Positionierung der Welle, dies erlaubt im Betrieb das Einstellen eines minimalen Schaufelspalts zwischen Schaufeln und Volute für eine besonders effiziente Strömungsmaschine. Im Betrieb schwebt die Welle auf einem Polster des verdichteten Arbeitsgases. Gleit- und Kühlmittel entfallen und eine mögliche Verunreinigung durch zusätzliche Stoffe wird vermieden. Die Kältemittel bleiben absolut rein. Eine geeignete Materialauswahl bzw. Hartbeschichtung der Lageroberflächen sorgt für einen praktisch verschleißfreien Start bzw. Rotorauslauf. Grundsätzlich sind die ebm-papst Verdichter auf eine Lebensdauer von ca. 150.000 Stunden und mehr als eine Mio. Start-Stopps ausgelegt.
Effizienter Motor
Die Motorleistung definiert sich als Produkt aus Drehmoment und Drehzahl, weshalb hohe Leistungen durch hohe Drehzahlen auch mit einem kompakten Elektromotor erreicht werden können. Trotz kleinem Drehmoment leisten die kompakten, hochdrehenden Innenläufermotoren 3 kWe bei ca. 240.000 U/min und größere Varianten bis 55 We bei ca. 60.000 U/min. Die HighSpeed-Antriebe erfordern jedoch eine exakt angepasste Geometrie von Stator und Permanentmagnet-Rotor, da es sonst zu erheblichen Eisen-, Kupfer- und Rotorverlusten kommt, die durch frequenzbedingte Effekte zusätzlich gesteigert werden. Höhere Spannungen erlauben kleinere Kupferquerschnitte, stellen aber erhöhte Anforderungen an die Wicklungsisolation. Um die entstehende Abwärme abzuführen, wurden unterschiedliche Kühlungskonzepte entwickelt. Gleiches gilt für die Leistungselektronik.
Das Schlüsselelement ist die Aerodynamik
Bild: ebm-papst
Die Verdichterarchitektur und Verdichterenvelope für R 290 und R 1234z zeigen, wie viele Stufen man für die angestrebte Druckverhältnisse benötigt.
Leistungselektronik für Schnellläufer
Die Leistungselektronik muss den Betriebsbedingungen angepasst sein. Bei den Verdichtern kann sie die große Bandbreite der Versorgungsspannung nutzen und erlaubt durch einen modularen Aufbau der Endstufen eine gute Leistungsskalierung. So sind die üblichen Netzspannungen von ca. 180 bis 240 VAC bzw. 320 bis 480 VAC. Die hohe Drehzahl der Innenläufermotoren erfordert für die Regelung in Pulsweiten- oder Pulsamplitudenmodulation Ströme mit Frequenzen bis über 100 kHz, die die Leistungsendstufen zuverlässig bereitstellen müssen. Für alle Komponenten gilt es, auch bei Teillast einen möglichst hohen Wirkungsgrad von mehr als 97 % zu erreichen und die gängigen Normen bzw. Anwendervorgaben, z. B. für Oberwellen, müssen eingehalten werden.
Bild: ebm-papst
Die Tabelle zeigt die Unterschiede der hochdrehenden Lagertechnologien mit Schwerpunkt auf Radiallagern.
Alle Komponenten sollen einen Wirkungsungsgrad von mehr als 97 % erreichen.
Neue Verfahren für Serienfertigung
Die beschriebene Gaslagerung erfordert bei den hochtourigen „CompaNamic“ Verdichtern sehr enge Fertigungstoleranzen. Diese lassen sich nur durch eine spezielle Produktionsumgebung und Präzisionsmesstechnik einhalten. Für die Fertigung der Präzisionsteile in großen Serien sind daher teilweise neue Verfahren nötig. Die gesamte Produktion läuft unter gleichbleibender Temperatur, also klimatisiert, ab. Statt der herkömmlichen 3 bis 4 µm können so Toleranzen unter 1 µm eingehalten werden. Der gesamte Fertigungsprozess wird durch eine In-Line-Präzisionsmessung überwacht. Es versteht sich von selbst, dass alle bauteilbezogenen Messwerte in einer Datenbank erfasst und mit Seriennummer gespeichert werden. Um trotz des Aufwands die Stückkosten wirtschaftlich in Großserie produzieren zu können, darf die Fertigung möglichst keinen Ausschuss produzieren und muss dementsprechend laufend nachjustiert werden.
So werden wirtschaftlich effiziente, ölfreie Turboverdichter gefertigt, die sowohl konventionelle als auch besonders umweltfreundliche und natürliche Kältemittel mit sehr niedrigem Treibhauspotenzial verdichten. Der hohe Wirkungsgrad bei geringem Betriebsgeräusch schont die Umwelt und der vibrationsfreie Lauf vermeidet Körperschallübertragung in die Anlage. Damit eignen sich die neuen ebm-papst HighSpeed-Verdichter CompaNamic auch für anspruchsvolle Anwendungen mit hohen Anforderungen an Laufruhe und Zuverlässigkeit.
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Die Verdichterarchitektur und Verdichterenvelope für R 290 und R 1234z zeigen, wie viele Stufen man für die angestrebte Druckverhältnisse benötigt.
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