Новое поколение винтовых компрессоров с частотным инверторным регулированием для жидкостных чиллеров и тепловых насосов

Спрос на кондиционирование жилых и торговых помещений, а также на системы охлаждения для промышленных установок и заводов непрерывно возрастает во всём мире. Требуемая холодопроизводительность лежит в пределах от нескольких ватт для охлаждения микропроцессоров до многих киловатт для систем центрального кондиционирования комплексов зданий.

В течение последних лет помимо охлаждения, стало очень значимой задачей и высокоэффективное получение тепла с помощью тепловых насосов для технологий тепловой обработки в промышленности, а также для отопления помещений.

1. Характеристические показатели для сравнения эффективностей чиллеров

Предварительно, эффективность холодильной установки оценивается главным образом с учётом её холодильного коэффициента на максимальной нагрузке в расчётной рабочей точке. Но довольно часто, ни температурный профиль в месте работы установки, ни режим нагрузок, характерный для определённого применения не принимается в рассмотрение. Однако, оба этих параметра являются очень важными факторами, влияющими на фактическую холодопроизводительность чиллеров и тепловых насосов в течение годичного цикла.

Рис. 1 Условия сопоставления ESEER и IPLV критериев

Так как определение этих индивидуальных факторов является очень трудной задачей, были установлены соответствующие характеристические параметры для оценки систем комфортного кондиционирования воздуха:

Например, критерий ESEER (Европейское сезонное соотношение энергетической эффективности - по классификации EUROVENT) был учреждён в Европе для чиллеров. А также, в США был учреждён критерий IPLV (Интегральный критерий частичных нагрузок - по классификации ARI 550/590).

Эти показатели описывают относительное всеобъемлющее соотношение энергетических эффективностей или средние энергетические потребности системы по отношению к холодопроизводительности. При определении значения обеих критерием предусмотрена определенна частота возникновения величины нагрузки как функции температуры окружающего воздуха.

Эти критерии, конечно же, идеализированы и не описывают динамическое поведение установки не вполне адекватно. Более того, реальные условия нагружения установок, а также температурные профили различных климатических зон, как правило, не учитываются. Несмотря на это, данный упрощённый метод сравнения для оценки систем является более подходящим, чем оценка, основанная на максимальных расчётных рабочих параметрах установки.

Таким образом, следует помнить, что за счёт различных учитываемых условий получается значительная разница между ESEER и IPLV показателями (ARI), и, следовательно, прямое сравнение невозможно, см. рис.1. Аналогично, сравнение эффективностей различных компрессорных технологий с совершенно различными рабочими характеристиками (например, винтовые против центробежных) возможно только со значительными оговорками. Здесь, даже незначительное отличие в реальном профиле нагрузок может привести к значительным изменениям в ESEER/IPLV сертификации, и может, таким образом, привести к ложной интерпретации.

2. Методы регулирования производительности компрессоров.

Различные методы регулирования производительности уже были детально описаны в различных наших публикациях. Ниже перечислены наиболее распространённые в мировой практике способы регулирования, применяемые в чиллерах и тепловых насосах:

В настоящей статье будет описан метод регулирования, применяемый в установках с винтовыми компрессорами, главным образом, в жидкостных чиллерах. Они, как правило, оснащаются винтовыми компактными компрессорами с золотниковым регулированием производительности, так как этот способ является простым, универсальным и эффективным решением. Но в дополнение к ним, недавно появились интересные разработки компрессоров, оборудованных частотными инверторами для плавного регулирования производительности (см. раздел 4).

3. Жидкостные чиллеры и тепловые насосы с компактными винтовыми компрессорами

На сегодняшний день винтовые компрессоры главным образом используются в установках средней производительности до 1,5 МВт с хладагентом R134a. Отсюда, компактные компрессоры являются предпочтительным выбором для жидкостных чиллеров и тепловых насосов благодаря их простоте в эксплуатации, высокой надёжности, высокой эффективности во всей широкой области допустимого применения, а также своему высокоэффективному ступенчатому или плавному регулированию производительности.

Ступенчатое или плавное регулирование производительности реализуется за счёт смещения кромки порта всасывания с помощью золотника, который изменяет таким образом всасываемый единичный объём. Маслоотделитель и система внутренней циркуляции масла интегрированы в корпус компрессора и не требуют дополнительных работ по их монтажу. Благодаря системе впрыска жидкого хладагента в профили или установке внешнего маслоохладителя возможно применение таких компрессоров в жарких климатических зонах, а также в тепловых насосах с высокой температурой конденсации. Это делает компактные компрессоры более гибкими и универсальными чем, например, турбокомпрессоры, которые могут эффективно использоваться только при низких перепадах давления при частичных нагрузках (вдоль довольно теоретической кривой ESEER/IPLV). Так как реальные температурный и нагрузочный профили часто отличаются от идеальных теоретических значений, компактный винтовой компрессор, как правило, является более эффективным в практическом применении. Более того, интегрированный в золотник порт экономайзера обеспечивает ещё большую энергетическую эффективность при любых условиях нагружения.

Рис. 2 Схема жидкостного чиллера с компактным винтовым компрессором CS-серии и воздушным конденсатором.

Благодаря интегрированному в конструкцию компактного винтового компрессора маслоотделителю работы по монтажу компактов в установки менее трудоемки. Менее разветвлённой стала и система мониторинга и управления холодильной установки с компактными винтовыми компрессорами. Система управления золотником позволяет изменять производительность компрессора по различным алгоритмам без длительных задержек и перенастроек между ступенями регулирования, а также перед пуском компрессора. Это обеспечивает надёжное регулирование производительности компрессора, её соответствие требуемой текущей холодопроизводительности установки и, как следствие, оптимальный температурный контроль.

4. Новое поколение HSK винтовых компрессоров с частотным инверторным регулированием

Первые установки с винтовыми компрессорами Битцер с приводом от частотного инвертора были представлены уже давно, ещё в середине 80х годов прошлого века. С тех пор тысячи компрессоров были запущены в эксплуатацию, благодаря чему стал накапливаться всесторонний опыт в разработке и применении компрессоров с инверторным регулированием.

Следующий инновационный шаг в развитии был совершён с представлением новой серии компрессоров для жидкостных чиллеров и тепловых насосов, о которых будет говориться в этой статье, причём основной акцент будет сделан на высокую эффективность и легендарную надёжность компрессоров Битцер, с их универсальностью в различных видах применения.HSK винтовые компрессоры с частотным регулированием дополняют модельный ряд CS-компактных винтовых компрессоров. Но с помощью инверторной технологии регулирования производительности можно достичь даже ещё больших улучшений эффективности холодильных установок, в которых компрессоры работают длительное время на частичной производительности при низких температурах конденсации.

Рис. 3 Схема установки модульной сборки - Компрессор/частотный инвертор/маслоотделитель

Данная концепция холодильных установок основана на их модульной компоновке (рис. 3), сочетающей в себе:

Диапазон производительностей

Рис. 4. Диапазон производительностей и технические данные чиллеров модульной компоновки с воздушными конденсаторами и DX-испарителями.

4.1 Исполнение компрессора и характеристики производительностей.

В отличие от золотникового регулирования производительности, реализуемого в компактных винтовых компрессорах CS-серий, в данном компрессоре указанное регулирование производится с помощью внешнего частотного инвертора. Благодаря обычным параметрам нагнетания, превосходной кинематической стабильности роторов и достаточно мягким пусковым параметрам винтовой компрессор особенно хорошо подходит для такого типа электропривода. Но выдающейся особенностью компрессоров новой серии является исключительно широкий диапазон регулирования скорости вращения роторов при регулировании частоты от 20 до 90 Гц. В сравнении с работой компрессора на синхронной скорости на частоте 50Гц инверторное регулирование позволяет увеличить холодопроизводительность установки на 80% выше номинальной с диапазоном регулирования 1:4,5. Более того, благодаря реализуемой при этом большей энергонасыщенности холодильного агрегата он выгодно отличается своими малыми размерами и весом от мощных агрегатов, работающих на фиксированной частоте 50 Гц.

Для того, чтобы обеспечить простоту компоновки установки частотный инвертор и маслоотделитель не интегрированы в один корпус с компрессором. Компрессоры этой серии демонстрируют при работе высочайший объёмный и изоэнтропический к.п.д. во всём диапазоне частотного регулирования (Рис.5.) За счёт специально подобранных друг другу мотору и частотному инвертору, а также встроенному регулированию внутреннего объёмного соотношения (Vi) обеспечивается минимизация типичных для других компрессоров потерь эффективности при работе на очень низких и очень высоких скоростях вращения роторов.

Рис. 5 Изменение объёмного и общего (изоэнтропического) к.п.д в диапазоне частотного регулирования для ESEER

Благодаря этим мерам при неблагоприятных условиях работы чиллеров, описанным выше (главным образом, работа на частичной нагрузке при низких температурах конденсации), возрастание значения критерия ESEER на 10% и более вполне достижимо. На рис. 6 показано относительное сравнение инверторных компрессоров с компактными, которое наглядно демонстрирует, что упущения имеющие место при полной нагрузке, в основном, за счёт потерь в инверторе, с лихвой компенсируются выигрышем при работе на частичных нагрузках.

Дополнительная стоимость установки за счёт использования инвертора частично компенсируется возможностью применения в ней более малого компрессора. Более того, экономия ожидается в электрических компонентах, датчиках и контроллерах, а также в системе коррекции CosFi, т.о. общая стоимость установки возрастёт незначительно.

4.2 Частотный инвертор

Частотный инвертор специально подбирается к компрессору с учётом характеристик его мотора, т.е. его рабочие параметры и настройки производятся уже на заводе-изготовителе. Инвертор имеет специальный корпус, благодаря которому вибрация и погодные воздействия не влияют на электронику.

Модульная концепция также допускает индивидуальный подбор компрессора и частотного инвертора для обеспечения ещё более точного соответствия рабочим условиям установки, например, для выбора меньшего инверторного компрессора для чиллера с водяным конденсатором.

Не говоря уж об обеспечении без шагового плавного регулирования производительности, данная концепция электропривода обеспечивает и мягкий пуск мотора со значительно более низкими пусковыми токами, а также постоянную корректировку CosFi.

Рис. 6. Эффективность компрессоров в зависимости от профиля нагружения и температуры окружающей среды.

Рис. 7 Пусковые характеристики мотора компрессора с инвертором

4.3 Маслоотделитель

С учётом широкого диапазона регулирования производительности в различных применениях для компрессоров этой серии был специально разработан чрезвычайно компактный, высокопроизводительный горизонтальный маслоотделитель. Кроме того, преимущества модульной конструкции установки, оказалось, открыли новую тенденцию в компоновке установок.

Типовое расположение на раме установки (рис.4) маслоотделителя и компрессоров было оптимизировано для жидкостных чиллеров и тепловых насосов с DX-испарителями (Рис.8). Для затопленных схем (Рис.9) следует выбирать или маслоотделитель с улучшенными параметрами маслоотделения или дополнительно устанавливать вторичный маслоотделитель. В зависимости от конструкции это может значительно упростить систему выпаривания масла, поступающего из испарителя.

Дополнительным преимуществом вторичного маслоотделителя является возможность его оптимального размещения на раме чиллера. Более того, согласно такой концепции также возможно параллельное функционирование в одной установке нескольких компрессоров с общим маслоотделителем.

4.4 Проектирование установок

Высокая степень свободы компоновки данной модульной концепции позволяет реализовывать различные схемы установок, аналогичные схемам чиллеров с компактными винтовыми компрессорами. Единственное отличие будет заключаться в наличии маслоотделителя.

На рис. 8 и 9 показаны примеры схем чиллеров с прямым расширением и с затопленной схемой.

Рис. 8 Схема жидкостного чиллера с винтовым компрессором с инверторным регулированием, воздушным конденсатором и испарителем прямого расширения.

Рис. 9 Схема жидкостного чиллера с винтовым компрессором с инверторным регулированием, водяным конденсатором и затопленным испарителем.

Для обеспечения резерва производительности жидкостные чиллеры средних производительностей как правило имеют два независимых холодильных контура и один общий гидравлический контур. В соответствии с технологией описанной выше новые схемные решения чиллеров могут быть реализованы при комбинировании в установке компрессора с частотным регулированием и компактного CS-компрессора вместо двух одинаковых компрессоров. При определённых условиях нагружения и обеспечении оптимального регулирования производительности можно получить немалый энергосберегающий эффект в таких установках.

Дополнительный выигрыш по эффективности в чиллерах с двумя независимыми контурами может быть получен за счёт применения специальной схемы прокладки трубопроводов между компрессорами и двумя воздушными конденсаторами специальной конструкции. Группа итальянских инженеров технического университета в Падуе, в состав которой входил инженер из Битцер -Италия Пиетро Тревизан (Pietro Trevisan), провела необходимые тепловые расчёты с применением конечно-разностного метода и лабораторные исследования опытных воздушных теплообменников-конденсаторов особой конструкции, входящих в состав двухконтурных чиллеров средней производительности. Такие ICD-конденсаторы (interconnected coils design) имеют внутри своего корпуса два независимых теплообменника с общим оребрением, причём оба контура распределены перекрёстно по всему корпусу конденсатора. Трубопроводы нагнетания каждого из двух компрессоров раздваиваются на две ветви, каждая из которых соединена со своим теплообменником в конденсаторах (Рис. 10).

В двухконтурных чиллерах с двумя обычными конденсаторами при необходимости уменьшить производительность происходит выключение одного из компрессоров, а следовательно, полностью выключается и конденсатор этого холодильного контура.

При необходимости уменьшить производительность всего чиллера с двумя ICD-конденсаторами и выключении одного компрессора, оба конденсатора остаются в "частичной" работе для одного работающего компрессора. При этом, а также при работе одного или обоих компрессоров чиллера на частичных нагрузках пропорциональное распределение газа, нагнетаемого в оба ICD-конденсатора, обеспечивает значительно большую поверхность теплообмена в них, что приведёт к снижению в конденсаторах разности температур и, таким образом, повысит общую эффективность установки.

Инициатива разработки новых типов винтовых компрессоров Битцер с частотным инверторным регулированием исходила от инженеров самых передовых и крупнейших в Европе фирм Италии, занимающихся производством чиллеров для систем кондиционирования и тепловых насосов. 

Флагман этого направления компания Климавенета (Climaveneta S.p.А, climaveneta.it), в настоящее время проводит опытную эксплуатацию нескольких таких установок, и уже получила очень многообещающие результаты. По итогам годовой эксплуатации станет ясен и фактический экономический эффект от применения в чиллерах компрессоров такого типа.

Нам хотелось бы узнать мнения ведущих российских холодильных и климатических компаний о возможности применения у нас в стране чиллеров и тепловых насосов с новым типом винтовых компрессоров Битцер с частотным инверторным регулированием.

Холодильное оборудование торговой марки ФРИГОДИЗАЙН^®

Контакты

Наши поставщики

---

---

---