použití kompresorů scroll pro nízké teploty

Str. 1
POUŽITÍ KOMPRESORŮ SCROLL PRO NÍZKÉ TEPLOTY
Zdeněk Čejka
ALFACO s.r.o. Choceň, Česká Republika
ABSTRAKT
Oblast nízkých teplot - míněn rozsah teplot - 20 až - 50 °C je používána pro řadu účelů,
zejména pro dlouhodobou úchovu potravin. Příslušné chladivové kompresory jsou pro
provozní teploty chladiva navrženy a používány většinou v jiném provedení, než kompresory
pro střední a vyšší teploty - nad -20 °C. Výrobci navrhují s ohledem na látkové vlastnosti
chladiva konstrukční řešení kompresoru tak, aby dopravní účinnosti a tím následně
energetické vlastnosti kompresorů byly co možná nejlepší. Principielní řešení rotačních
kompresorů scroll se díky minimálnímu škodlivému prostoru mezi rotory přímo nabízejí pro
využití v oblasti nízkých teplot. Tento příspěvek porovnává některé vlastnosti různých typů
kompresorů - především z výrobního programu Copeland a seznamuje s výhodami rotačních
kompresorů při provozu s vypařovacími teplotami pod - 20 °C. Neklade si za cíl zcela
vyčerpávajícím způsobem rozebrat všechny skutečnosti, které s sebou oblast zmíněných teplot
přináší, ale soustřeďuje se na rozhodující údaje.
1. ÚVOD
Pro řadu případů použití chladicí techniky v praktickém životě je nutno udržovat teplotu
chlazené látky - kapaliny, plynu a zejména potravinářských surovin a produktů při poměrně
nízké teplotě - pod - 15 °C. To znamená z hlediska odvodu tepla udržovat chladivo s teplotou
vypařovací pod asi - 20 °C. Až na výjimky to bez strojního chlazení zajistit nelze. Základním
prvkem chladícího zařízení s oběhem parním je chladivový kompresor. Nejobvyklejší typ
kompresoru bývá pístový, pro větší výkony rotační šroubový, v posledních ca 10 letech se
velmi rychle rozvíjí i použití kompresorů rotačních spirálových typu scroll. Ve srovnání s
pístovými typy má scroll kompresor řadu výhod ale též omezení. Hlavní překážkou pro další
zvýšení rozsahu použití rotačních kompresorů scroll je jejich fyzikální princip - vystředěné
uchycení pohyblivého rotoru a s tím spojené odstředivé síly při provozu. To způsobuje
ohraničení výrobní velikosti kompresorů, protože nejsou v současnosti známa spolehlivá
technická řešení, jak se s odstředivými sílami u velkých hmot rotorů kompresorů scroll
vyrovnat.
2. VARIANTY KOMPRESORŮ
Se snižující se vypařovací teplotou - tedy s klesajícím sacím tlakem se při stálé kondenzační
teplotě (tlaku) zvyšuje kompresní poměr - pk / po. To má za následek zvýšené namáhání
kompresoru a vzrůst výtlačné teploty. Tradičně používané pístové kompresory jsou většinou
používány vždy v určitém rozsahu teplot a tlaků a jsou podle použití i zařazovány do skupin H kompresory pro vypařovací teploty zejména nadnulové (tepelná čerpadla), M kompresory
pro obvyklé teploty při chlazení do vypařovacích teplot - 20 °C a L skupina kompresorů pro
teploty pod - 20 °C. Jednostupňová komprese pístového kompresoru ekonomicky přijatelná v
celém rozsahu teplot H + M + L je málo obvyklá. Souvisí to mimo jiné i s konstrukčním
řešením pracovních ventilů - jeden typ ventilu nebývá optimální v celém rozsahu teplot a
tlaků. Nízkoteplotní kompresory pístového typu musí mít řešen škodlivý prostor válců tak,
aby zpětná expanze par chladiva byla co nejmenší a nesnižovala objemovou účinnost
kompresoru.
Str. 2
Výhodou rotačního kompresoru scroll je to, že z principu funkce vyplývá absence zpětné
expanze par chladiva a tím opravdu vyjímečná objemová účinnost. Pracovní princip
kompresorů scroll se přímo pro nízkoteplotní použití nabízí.
Z hlediska teplot výtlaku a kompresního poměru je hranice vypařovací teploty -20 až -25 °C
pokládána za hodnotu, kdy se začínají používat chladivové kompresory dvou, případně
vícestupňové, u kterých jsou jednotlivé stupně optimalizovány pro daný rozsah teplot.
Nevýhodou takového řešení je větší komplikovanost kompresoru a tím i investiční náklady.
Výhoda naopak je v provozních nákladech, protože lze při správném návrhu kompresoru a
jeho vhodném zařazení do systému snížit energetickou náročnost soustavy.
3. POROVNÁNÍ JEDNOTLIVÝCH ŘEŠENÍ
Pro posouzení vhodnosti jednotlivých variant kompresorů byly vybrány hermetické pístové i
rotační scroll verze určené pro jednostupňovou kompresi v rozsahu vypařovacích teplot M,
pístové polohermetické kompresory pro rozsah teplot L a rotační hermetický kompresor scroll
vyvinutý pro rozsah teplot M + L. Všechny typy kompresorů mají porovnatelný chladící
výkon - ca 6 kW při vypařovací teplotě - 30 °C, kondenzační + 40 °C a při použití chladiva
R22. Charakteristiky kompresorů jsou uvedeny na obr 1 v rozsahu teplot - 15 až - 50 °C.
Srovnání energetických vlastností - chladící faktor popisuje obr.2. pro doplnění je v
diagramech uveden i dvoustupňový pístový polohermetický kompresor D9TK 0760.
Obr. 1
Obr. 2
Srovnání charakteristik
Srovnání COP
14
2,50
12
2,00
1,50
QR 12
8
ZR 11
ZF 24
D3DA 500
6
D9TK 0760
COP
Výkon kW
10
1,00
4
0,50
2
0,00
0
-15
-20
-25
-30
-35
-40
vypařovací teplota °C
-45
-50
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
vypařovací teplota °C
Z charakteristik vyplývají některé skutečnosti :
- strmý průběh výkonů hermetických kompresorů QR 12 (pístový) a ZR 11(scroll) skupiny
M - zobrazena hraniční oblast použití
- omezený a strmý rozsah výkonu polohermetického pístového kompresoru D3DA 500
skupiny L
- plochý průběh ale omezený rozsah dvoustupňového pístového polohermetického
kompresoru D9TK 0760 skupiny L
- plochá oblast M i L pokrývající charakteristika hermetického kompresoru scroll ZF 24
- chladící faktor polohermetických pístových kompresorů je vyšší, než rotačních a to v
celém rozsahu použití
- výhodnější řešení dvoustupňovou verzí pro teploty pod -30 °C
-50
Str. 3
-
možnost použití rotačního kompresoru scroll ve velmi širokém provozním rozsahu při
přijatelných výkonových parametrech
4. OMEZUJÍCÍ PODMÍNKY
Jednostupňová komprese ve velkém rozsahu tlaků - při vysokých kompresních poměrech s
sebou přináší některé nepříznivé jevy. Kromě zhoršování dopravní účinnosti je omezující
vlastností výtlačná teplota chladiva po kompresi a přehřívání vinutí elektromotoru dané
vnitřními teplotami v kompresoru a zatížením motoru vysokou kompresí. Výtlačná teplota
chladiva se liší podle druhu chladiva a průběhu komprese. Teoretické hodnoty výtlačných
teplot různých chladiv při adiabatické kompresi jsou uvedeny na diagramu v obr. 3. Vychází
se přitom z přehřátí par chladiva v sání kompresoru 10 K. Skutečná komprese většinou
dosahuje vyšších teplot výtlaku, než adiabatická.
Obr. 3
Te plota po adiabatick é k om pre s i °C
160,00
140,00
120,00
100,00
t2
°C
R32
R22
80,00
R13B1
R404A
60,00
40,00
20,00
0,00
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
vypařovací teplota °C
Vysoké teploty výtlaku způsobují problémy spojené kromě jiného se znehodnocováním
maziva, případně i chladiva a tím i se spolehlivým provozem kompresoru. Je proto žádoucí
teploty výtlaku snížit na přijatelnou úroveň.
Provoz kompresoru v mezních podmínkách zároveň ovlivňuje i jeho spolehlivost a životnost.
5. KOMPRESOR SCROLL A NÍZKÉ TEPLOTY
Vzhledem k provozním vlastnostem rotačních scroll kompresorů je otázka použití těchto typů
v širokém rozmezí vypařovacích teplot velmi zajímavá. Výrobce scroll kompresorů Copeland
řeší použití těchto kompresorů v provozním pásmu M a L konstrukční řadou ZS/ZF
nazývanou obecně kompresory GLACIER (ledovec). Tyto kompresory mohou pracovat s
většinou používaných nejedovatých a nevýbušných chladiv. Aby to bylo možné, jsou zcela
jedinečně konstrukčně řešeny profily pracovních rotorů s ohledem na zvýšené kompresní
poměry a pro možnost regulace průběhu komprese ve smyslu snížení výtlačné teploty.
Pracovní pásma kompresorů GLACIER jsou rozdělena na jednotlivé oblasti, které odpovídají
rozdílným provozním podmínkám. V každé oblasti použití doporučuje výrobce doplnit
základní provedení kompresoru zařízením pro snižování výtlačné teploty založeném na
principu přistřikování chladiva mezi rotory kompresoru. Pro tento účel jsou kompresory
Str. 4
konstrukčně upraveny. Provozní rozsah je zobrazen na obr. 4 s jednotlivými pásmy. Diagram
je uveden pro chladivo R404A.
Obr. 4
C
A
70
Každé chladivo má
svůj vlastní provozní
rozsah závislý na
jeho fyzikálních
vlastnostech
kondenzační teplota °C
60
50
40
30
20
10
0
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
vypařovací teplota °C
B
Jednotlivé oblasti představují rozsah použití při různém projekčním řešení chladicího okruhu.
Diagram potvrzuje, že kompresory scroll mohou pracovat jednostupňově ve velmi širokém
rozsahu provozních podmínek.
6. PROVOZ KOMPRESORU SCROLL
Podle skutečných provozních podmínek je nutno kompresor chránit proti poškození
způsobeným nadměrnými tlakovými a teplotními stavy. Výrobce sám chrání skroly vnitřními
jistícími prvky proti nadměrným výtlačným teplotám vypínajícími kompresor v případě
nebezpečí. Scrolly od nasátého objemu 20 m3/h jsou vybaveny vnitřní elektronickou
ochranou vinutí a samostatným čidlem teploty výtlaku nastaveným na 140 °C. V případě
přehřívání vypínají jednotlivá čidla elektromotor.
Přesto je doporučeno v odůvodněných případech - viz provozní rozsah kompresorů,
doplnit jištění teploty výtlaku termostatem Therm-O-Disc nastaveným výrobcem na 99 ± 4 °C
a připevněným přímo na výtlačné potrubí. Pro snížení teplot výtlaku se používá u kompresorů
ZF nástřik chladiva mezi rotory.
Nástřik par chladiva mezi rotory je vhodný při překročení provozního rozsahu A v diagramu
použití (obr. 4) a provádí se pomocí kapiláry do výrobcem připraveného místa mezi rotory.
Na plášti kompresoru ZF je k tomuto účelu připraveno hrdlo 1/4". Pro zvýšení výkonu
systému je možno zařadit do okruhu ekonomizér, který podchlazuje kapalné chladivo do
výparníku a zároveň vypařuje chladivo nastříknuté kapilárou do ekonomizéru - viz obr. 5
Nástřik je řízen elektromagnetickým ventilem na základě impulzu nadproudového relé
zařazeného v ovládacím okruhu kompresoru. Nadproudové relé kontroluje proud v jednom
vodiči přivádějícím napětí na svorkovnici kompresoru, který je zároveň připojen i na ovládací
obvod. Před elektromagnetický ventil se zařazuje dehydrátor pro zajištění čistoty a suchosti
chladiva. Velikost kapiláry je výrobcem pro jednotlivé typy kompresoru stanovena zkušebně.
Pro provozní podmínky v oblasti C povinně a pro ostatní vhodné je nastřikování
kapalného chladiva bez ekonomizéru - obr. 6, nebo s ním, ale nástřik musí splnit požadavek
na kapalinu - páry výtlak neuchladí. Kapilára je pak připojena přímo k hrdlu 1/4" kompresoru
a nástřik je ovládán shodně s již popsaným způsobem (elmg. ventil + dehydrátor + relé +
termostat).
Str. 5
Obr. 5
nástřik par
elektromagnetický ventil
kapilára
dehydrátor
výtlak
kapalina z
kondenzátoru
ekonomizér
kompresor
sání
Obr. 6
nástřik kapaliny
kapilára
elektromagnetický ventil
dehydrátor
kompresor ZF
Kompresory do výkonnosti 19 m3/h mají běžnou vestavěnou elektrickou ochranu
přetížení vinutí, která vypíná kompresor při překročení jmenovitých hodnot.
Vnitřní ochrana elektromotorů u větších typů je zajištěna termistory (PTC čidla) snímanými
elektronickým modulem. Ve vinutí motoru v části na horní (sací) straně jsou zapojena tři čidla
nastavená na 80°C - v každé fázi jedno (pro případ zablokování motoru) a čtyři čidla s
nastavením na 140 °C jsou ve spodní části - dolní hlavě vinutí. Páté teplotní čidlo (140°C) je
vsunuto v pevném rotoru a jistí přímo výtlačnou teplotu par chladiva. Čidla jsou zapojena v
serii a při signálu kteréhokoliv motor vypíná. Po ochlazení čidla modul opět sepne motor ale
se zpožděním 30 minut.
Obr. 7 Rotory
pevný rotor
pohyblivý rotor
místa nástřiku
chladiva
Nastřikování chladiva se provádí přímo do kompresního prostoru v průběhu stlačování par
chladiva. Díky zvláštnímu profilu rotorů a konstrukčnímu řešení uchycení rotorů je možno
chladivo bezpečně nastřikovat mezi rotory do zobrazených míst na obr 7. Konstrukční řešení
umožňuje vzájemnou pohyblivost rotorů ve dvou rovinách - patentovaný systém nazývaný
compliance. Toto uspořádání zajišťuje bezporuchový chod kompresoru i v případě nástřiku
Str. 6
malého množství kapalného chladiva, protože nestlačitelnost kapaliny vyvolá vzájemný posuv
rotorů, při kterém se uvolní dostatečný prostor pro kompenzaci rozměrů kapičky a nedojde ke
kapalnému rázu. To je zásadní rozdíl vůči pístovým verzím chladivových kompresorů.
Množství přistřikovaného chladiva je pouze tak veliké, aby úměrně přizpůsobilo proces
stlačování - snížení teplot a přitom neovlivnilo výkonové vlastnosti kompresoru. Ve
skutečném provoze je provoz kompresoru plynulý bez zřetelných známek změny chladícího
výkonu.
Při použití nástřiku par chladiva s výměníkem tepla - ekonomizerem (obr. 5) je dosaženo
naopak zvýšení chladícího výkonu až o ca 25 %, přičemž vzestup chladícího faktoru může
dosahovat i 15 % ve srovnání s variantou bez ekonomizéru.
7. ZÁVĚR
Rotační spirálové kompresory typu scroll mají nadějnou budoucnost. Jejich použití v širokém
rozsahu výkonů, teplot a tlaků pro většinu běžných i nastupujících chladiv jim pomáhá v
neustálém rozvoji variant aplikací. Spolu s provozními vlastnostmi jsou výhodné i z hlediska
rozměrů, údržby a servisu především pro svou jednoduchost a díky hermetickému provedení.
Omezení daná vlastnostmi vystředěného uchycení pohyblivého rotoru - zejména odstředivé
síly mají limitující vliv, jsou úspěšně překonávána pomocí vícekompresorových zařízení sdružených jednotek. Sdružené jednotky zároveň přinášejí i možnost bezztrátové výkonové
regulace zařízení a nahraditelnost dílčího kompresoru v případě poruchy.
8. LITERATURA
D. Lorenzen : GLACIER - Scroll Technology for Today´s Refrigeration. Copeland 1997
Technická dokumentace Copeland