Agregaty wody lodowej i pompy ciepła ze sprężarkami wyporowymi pracowały w przeszłości przeważnie z czynnikiem chłodniczym R 22. Istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa i parametrów termodynamicznych właściwości tego czynnika chłodniczego oferują szczególnie korzystne warunki ekonomiki i bezpieczeństwa pracy.

W związku z niedawnym wprowadzeniem zakazu stosowania R 22 w Europie, nowe rozwiązania są przestawiane w pierwszym rzędzie na R 407C. Ten czynnik chłodniczy jest zbliżony pod względem wolumetrycznej wydajności chłodniczej, zakresów ciśnień i strumienia masy do R 22, dzięki czemu sprężarki dostosowane dawniej do R 22 mogą bez większych nakładów mogą być dostosowane do zmiany czynnika chłodniczego. Prowadzono intensywne badania np. z R 134a, jako że producenci sprężarek śrubowych już wcześniej udowodnili korzyści wynikające ze stosowania tej alternatywy. Argumentem przeciw stosowania technologii na R 134a były przede wszystkim jednak wyższe koszty sprężarek.
(...)

Względne porównanie wydajności chłodniczej
   Przedstawione na rys. 1 porównanie wolumetrycznej wydajności chłodniczej pokazuje szczególnie dużą rozbieżność między poszczególnymi czynnikami chłodniczymi. Różnice wynikają z danych termodynamicznych właściwych dla każdej substancji. 


Rys. 1. Względne porównanie wydajności wolumetrycznej

   R 134a znajduje się na dole skali, przy czym dla sprężarek śrubowych z ekonomizerem widoczny jest wyraźny przyrost wydajności. Relatywnie niska wydajność chłodnicza przy R 134a wymaga odpowiednio dużego strumienia objętości czynnika w obiegu, co przy sprężarkach śrubowych można łatwo osiągnąć dzięki większym rozmiarom obu rotorów.
   R 407C, jak zasygnalizowano we wstępie, jest pod względem własności najbliższy R 22. Projektowanie i konstrukcja sprężarki mogą tu w zasadzie być bardzo podobne.
   R 410A wykazuje tu najwyższe parametry wydajnościowe, co skutkuje możliwością zmniejszenia strumienia objętości czynnika w obiegu i w efekcie stosunkowo małymi wymiarami geometrycznymi urządzenia. Na pierwszy rzut oka wydaje się to zaletą, prowadzi jednakże do mniejszych prędkości obwodowych wirnika, np. w sprężarkach śrubowych, wraz z niekorzystnym oddziaływaniem na współczynnik zasysania sprężarki i izentropowy współczynnik wydajności (COP).

Względne porównanie teoretycznych współczynników mocy sprężarek (COP)
   W przeciwieństwie do wydajności chłodniczej, teoretyczne współczynniki wydajności chłodniczej dla rozpatrywanych czynników chłodniczych różnią się w znacznie mniejszym stopniu (rys. 2). 


Rys. 2. Względne porównanie teoretycznego współczynnika wydajności (COP)

(...)

Konstrukcja kompaktowych sprężarek śrubowych CSH
   Sprężarki śrubowe CSH odznaczają się wyjątkowo zwartą budową. Ograniczona wielkość mechanicznej części sprężarki jest nie do osiągnięcia przy innych technologiach. Sprężarki zawierają wbudowany odolejacz trójstopniowy z odpowiednim układem sterowania układem smarowania. W zastosowaniu do agregatów wody lodowej ten rodzaj sprężarek okazuje się szczególnie korzystny.

Podstawowe cechy konstrukcyjne
   Sprężarki tego typu charakteryzują się następującymi cechami konstrukcyjnymi:
• profil śruby - rotor bliźniaczy o stosunku profili 5:6;
• konstrukcja półhermetyczna, chłodzenie zimną parą;
• podstawa konstrukcji - zakresy strumieni objętościowych, połączenie silnika, trwałość mechaniczna oraz wymiary łożysk) przystosowana do R 407C i R 22 (R 404A, R 507A);
• dwuwarstwowa, odpowiednio odporna na ciśnienie obudowa rotorów;
• trwałe łożyska toczne z odciążeniem ciśnienia;
• wbudowany odolejacz. 


Rys. 3. Względne porównanie strumieni masowych czynnika chłodniczego i gęstości pary 


Rys. 4. Budowa półhermetycznej kompaktowej sprężarki śrubowej

Regulacja mocy przy pomocy zasuwy wraz z wbudowanym przyłączem ekonomizera
   Proces tłoczenia przy bezstopniowej regulacji mocy doprowadziło do skonstruowania specjalnie ukształtowanej zasuwy umieszczonej między rotorem głównym i bocznym. 


Rys. 5. Zasuwa regulacyjna z wbudowanym ekonomizerem

   W celu regulacji mocy działa hydraulicznie, osiowo napędzana zasuwa (rys. 5). Specjalną cechą konstrukcyjną jest to, że dla redukcji mocy wstępnie sprężony gaz nie jest kierowany ponownie do przewodu ssącego, lecz cykl sprężania zaczyna się dopiero wówczas, gdy zostanie zmniejszona ilość gazu zasysanego. Dzięki odpowiedniemu sterowaniu zaworami CR1...CR4, regulacja mocy może następować bezstopniowo lub skokowo 100%, 75%, 50% i 25 % mocy nominalnej.
   Ze względu na wyjątkowo wysoką ekonomiczność i pewność pracy prezentowanej konstrukcji, część przewodu wylotowego jest zintegrowana z zasuwą regulacyjną (rys. 5, patrz Contour for Vi adaptation), przez co osiąga się regulację Vi (wewnętrzny stosunek objętości) przy częściowym obciążeniu. Wewnętrzny stosunek objętości Vi pozostaje przy tym prawie stały i wynosi ok. 70% wartości nominalnej. Przy dalszym spadku obciążenia, spadek wydajności następuje zgodnie ze spodziewanym spadkiem stopnia sprężania w urządzeniu.
   Kolejną specyfiką jest wbudowany w zasuwę przewód ekonomizera (rys. 5, patrz Sliding ECO-Port), który umożliwia pracę obiegu przechłodzonego niezależnie od stanu obciążenia sprężarki.

Profil wymagań dla projektowania sprężarek z R 134a
   Jak już zostało powiedziane, sprężarki śrubowe mogą pracować bardzo efektywnie i ekonomicznie z czynnikiem R 134a, przy czym jednak musi być zwiększony wymagany strumień objętości czynnika chłodniczego w związku ze zmniejszoną jego wolumetryczną wydajnością chłodniczą (rys. 1).
   Wymaganie sprowadza się do tego, aby przy porównywalnych rozmiarach i kosztach sprężarki osiągnąć identyczną moc chłodniczą dla R 134a, jak dla największego modelu z istniejącego typoszeregu dla R 407C lub R 22. Dalsze wymagania wobec udoskonalonego typoszeregu dla R 134a były następujące:
• sterowanie smarowaniem, podstawowe cechy konstrukcyjne, regulacja mocy (z towarzyszącym ekonomizerem) jak dla dotychczasowych rozwiązań;
• wyższa sprawność izentropowa niż dla porównywalnych modeli R 407C i R 22;
• maksymalne temperatury skraplania przy pracy ciągłej: 650^oC w rozwiązaniu standardowym i 600^oC przy ekonomizerze;
• trwałość łożysk - takie same kryteria jak dla dotychczasowych typoszeregów,
• odporność na ciśnienie i rozwiązania bezpieczne - takie same kryteria jak dla dotychczasowych typoszeregów (prEN12693, UL 984);
• wymiary montażowe, przyłącza ssawne, tłoczne i ekonomizera - takie same wymagania jak dla dotychczasowych typoszeregów.
(...)

Sprawności udoskonalonej sprężarki dla R 134
   Profil wymagań, a tym samym osiągnięcie zamierzonych celów, mogły być dotrzymane także przy pełnym zakresie sprawności sprężarki. Pomiary wydajności potwierdzają także pozytywny wpływ zwiększonych wymiarów geometrycznych rotorów. Jak wiadomo, głównie chodzi tu o wtrysk oleju przy standardowo stosowanych w sprężarkach chłodniczych śrubach, przy których wąska szczelina między przestrzeniami roboczymi zostaje dodatkowo uszczelniona przez domieszkę oleju w strumieniu tłoczonego gazu. Objaśniają to zależności charakterystyk od prędkości obrotowej rotorów, od długości szczelin w stosunku do strumienia objętości, od lepkości oleju oraz od różnicy ciśnień między przestrzeniami roboczymi. Wszystkie wyżej wymienione parametry wywierają w tym typoszeregu pozytywny wpływ i to tłumaczy uzyskiwanie dobrych wyników.
   Poniższe przedstawione porównanie odnosi się do przebiegu sprawności izentropowej w zależności od warunków pracy. Z iloczynu sprawności i teoretycznego współczynnika wydajności (COP) można określić osiągalną realnie wartość, przy czym również należy uwzględnić różnice między czynnikami chłodniczymi (rys. 2).
   Porównanie pokazuje, w zasadniczym zakresie zastosowań agregatów wody lodowej, (temp. odparowania 0-5^oC) przewagę sprężarek śrubowych nad uważanymi za lepsze, sprężarkami scroll, o ok. 5-7%. Jeżeli uwzględni się jeszcze dodatkowo wyższy o 2,5-4,5% współczynnik wydajności (COP) dla R 134a, to uzyska się przewagę na korzyść kompaktowej sprężarki śrubowej w wysokości do ok. 10%. Nie uwzględniono przy tym wpływu poślizgu temperaturowego dla R 407C, który może prowadzić do wyższych temperatur skraplania i w konsekwencji do obniżenia współczynnika wydajności.

Wydajność i sprawność przy obciążeniu pełnym i częściowym

Regulacja wydajności i charakterystyka robocza
   Sprężarki śrubowe CSH są wyposażone w wyjątkowo sprawny system regulacji wydajności [2], który może działać zarówno jako czterostopniowy, jak i bezstopniowo. Ogólnie wiadomo, a badania to potwierdzają, że dynamika pracy i związana z nią ekonomiczność instalacji chłodniczej lub agregatu wody lodowej jest w znacznym stopniu uzależniona od skuteczności regulacji. Z tego względu taka regulacja sprężarki śrubowej, dzięki możliwości dokładnego dostosowania wydajności do realnego zapotrzebowania na chłód, ma przewagę nad regulacją typu ON/OFF.
   Przy przyjętym układzie z dwoma sprężarkami na 1 obieg, przy wyłączeniu jednej z dwóch sprężarek dochodzi do znacznego spadku temperatury skraplania. Powoduje to częściowe odparowanie cieczy (równowagowe) jeszcze przy wysokiej temperaturze. Konsekwencją są zakłócenia regulacji z wtryskiem do parownika i ujemne oddziaływanie na wydajność i ekonomiczność pracy. Również, w razie włączenia drugiej sprężarki, dochodzi do znacznych wahań w obiegu regulacyjnym, czemu często towarzyszy niedostateczne przegrzanie pary niskiego ciśnienia i związane z tym odchylenia od optymalnych warunków pracy.

Ustalenie wydajności przez "Integrated Part Load Values"
   Opisane wyżej dynamiczne zachowania systemu i jego oddziaływanie na stabilność i efektywność pracy często nie są doceniane lub też oceniane fałszywie. Porównania (obliczonej) sprawności przy obciążeniu częściowym (IPLV) oparte są na warunkach quasi-statycznych, przy których powinny być symulowane realne warunki pracy. Stąd jest w zasadzie niedopuszczalne bezpośrednie porównywanie, według tej metody, różnych charakterystyk dynamicznych. Z drugiej strony ten sposób obliczeń jest bardziej realistyczny niż bezpośrednie porównanie zużycia energii i ekonomiczności przy nominalnych warunkach pracy z pełnym obciążeniem. 


Rys. 6 Sprawność izentropowa - porównanie kompaktowej sprężarki śrubowej CSH8591-140Y (R 134a) i sprężarki scroll 25HP (R407C)

   Poniższe porównanie (rys. 7) pokazuje, że kompaktowe sprężarki śrubowe CSH, także bez uwzględnienia ich zalet eksploatacyjnych, zapewniają wyjątkowo korzystne warunki pracy. Widać to zwłaszcza wyraźnie przy obciążeniach w zakresie od 100 do 50 % obciążenia nominalnego, co odpowiada około 80% całkowitego czasu pracy układu. Warunki odniesienia oraz udziały procentowe przy różnych stopniach wydajności (100%, 75%, 50% i 25%) oparte są na propozycjach Eurovent'u [3]. Projekt określa oceny IPLV dla Europy, przez co dochodzi do różnic w stosunku do normy USA ARI 550/590. 


Rys. 7 Porównanie współczynników wydajności chłodniczej dla pełnego i częściowego obciążenia przy typowych warunkach eksploatacyjnych agregatów wody lodowej

Hermann RENZ

Więcej informacji na łamach miesięcznika Chłodnictwo&Wentylacja nr 5/2005. 

www.chlodnictwo.euro-media.pl