Параметры холодильных компрессоров подбираются исходя из максимальных перепадов температур, характерных для функционирования данной холодильной системы. Следовательно, на всех промежуточных рабочих режимах производительность компрессора холодильной установки избыточна и нуждается в регулировании с целью снижения расходов на эксплуатацию холодильного оборудования.
Компания «Холод», много лет работая в области промышленного холода, рекомендует самые качественные холодильные компрессоры Mycom и Bitzer, предлагая свои услуги в организации эффективной работы этих агрегатов.
Способы изменения холодопроизводительности компрессора холодильной установки
Работа компрессорного оборудования может изменяться с помощью системно-интегрированного регулирования, которое включает:
перепуск хладагента со стороны высокого давления на сторону низкого;
дросселирование на всасывании.
Однако данные способы имеют очень малую энергетическую эффективность, т.к. электропотребление компрессора лишь незначительно снижается: в первом случае из-за небольшого снижения давления конденсации, во втором – благодаря изменению давления всасывания.
В отличие от системного регулирования, методы регулирования холодопроизводительности компрессора обладают бОльшей эффективностью и вместе с интеллектуальной системой управления с холодильных щитов имеют хороший потенциал энергосбережения при неполных нагрузках.
Критерии подбора методов регулирования холодопроизводительности промышленных компрессорных агрегатов:
1) характеристика регулирования (ступенчатое или плавное);
2) величина энергопотребления;
3) стоимость выбранного решения;
4) характеристики работы компрессора (минимальное время, область применения);
5) характеристики холодильной системы (нагрузка электросети).
Методы регулирования производительности компрессора холодильной установки
Глобально методы регулирования производительности компрессора холодильной установки делятся на:
1) метод пусков и остановок компрессора;
2) механическое регулирование работы компрессора;
3) изменение частот вращения компрессора.
Методы пусков и остановок компрессора холодильной установки:
1. Включение и выключение компрессора как способ регулирования холодопроизводительности компрессора эффективен только для холодильных систем с относительно постоянной нагрузкой и высокой аккумулирующей способностью. Иначе излишне частые пуски и выключения при эксплуатации компрессора приведут к значительному сокращению ресурса оборудования и увеличению расходов на сервис компрессоров, а из-за сильных изменений рабочих условий эффективность работы системы существенно сократится.
2. Работа в тандеме или параллельная работа нескольких компрессоров в одном холодильном контуре, при которых требуемая нагрузка изменяется изменением режима работы отдельных компрессоров.
3. Разделение холодильной системы на несколько рабочих контуров, при котором холодильная система превращается в чиллер с общим контуром промежуточного хладоносителя и объединенными в один агрегат конденсаторами и испарителями с разделением на стороне хладагента. Широкий диапазон регулирования работы агрегатов наряду с параллельной работой отдельных контуров охлаждения обеспечивает высокую точность регулировки и усиление безопасности персонала при утечке хладагента. В качестве недостатков можно назвать высокие капитальные расходы и неполное использование теплообменных аппаратов при частичных нагрузках.
Методы механического регулирования холодопроизводительности компрессоров
В зависимости от конструкции агрегата, разные методы механического регулирования применяется к винтовым и поршневым компрессорам.
Методы механического регулирования поршневого холодильного компрессора:
Разгрузка цилиндров – наименее затратный и наиболее часто применяющийся метод при использовании в холодильных установках многоциллиндровых (4-х, 6-ти и 8-ми) компрессоров, при котором на каждой ступени нагрузки отключаются два цилиндра, благодаря чему возможна регулировка холодопроизводительности с различными интервалами (25-50-75-100% или 33-66-100%). Более тонкая регулировка возможна при использовании метода разгрузки цилиндров в холодильных системах, использующих несколько работающих параллельно компрессоров.
Отжим всасывающих (кольцевых) клапанов является особо эффективным методом регулирования холодопроизводительности при использовании его для крупных промышленных компрессоров и применяется также для разгруженного пуска агрегатов. Суть этого метода в том, что газ, всасываемый цилиндрами, при нагнетании поступает на сторону всасывания, и цилиндр работает практически на холостом ходу. При этом энергопотери возникают только из-за механического трения колец и сопротивления в клапане всасывания.
Внутренний перепуск пара, который осуществляется с помощью установки регулирующего клапана (байпаса), прерывающего поток и предотвращающего противоток газа между полостями низкого и высокого давления цилиндров. Этот метод регулирования холодопроизводительности поршневого холодильного компрессора относительно прост и часто используется для полугерметичных агрегатов, хотя и имеет существенные недостатки: высокое термическое напряжение и значительные потери при работе байпаса.
Изменение мертвого объема цилиндров, которое реализовывается с помощью подключения дополнительных полостей и, следовательно, уменьшения объема мертвого пространства цилиндра. Данный метод имеет свои ограничения (применяется только в компрессорах, число цилиндров в которых менее четырех) и недостатки (снижение эффективности при неполной нагрузке из-за больших потерь при обратном расширении, диапазон регулирования сильно зависит от отношения давлений).
Сокращение хода сжатия, т.е. механическое изменение хода поршня в герметичных компрессорах.
Методы механического регулирования винтовых холодильных компрессоров:
Внутренний перепуск пара является очень простым и рентабельным решением, но имеет ряд недостатков: снижение эффективности при работе в режиме полной загрузки, повышенное термическое напряжение при высоком перепаде давлений. Суть метода в том, что в рабочей зоне винтового компрессора пробиваются отверстия, которые с помощью управляемого клапана сообщаются с всасыванием, и при частичной нагрузке сжатый газ возвращается в камеру всасывания, сокращая при этом объемный расход.
Внутренние управляющие поршни, которые при воздействии на них открывают широкие каналы для перенаправления всасываемого газа в рабочую область винтовых холодильных компрессоров. Благодаря этому способу сокращается рабочая длина ротора и уменьшается объемная производительность агрегата, что делает возможным эффективное ступенчатое регулирование холодопроизводительности компрессора.
Регулирующий золотник между ведущим и ведомым роторами, параллельный оси вала, применяется в крупных компрессорных агрегатах, обеспечивая как ступенчатое, так и плавное эффективное изменение холодопроизводительности компрессора.
Также для изменения холодопроизводительности компрессора применяется изменение частоты вращения вала. Являясь самым выгодным способом регулирования холодопроизводительности агрегата, этот метод применяется при условии, что двигатель компрессора допускает экономичное изменение частоты вращения.
Источник
Устройства регулирования холодопроизводительности
Наиболее часто используется регулировка массового расхода хладагента путем блокировки в открытом положении всасывающих клапанов одного или нескольких цилиндров, однако нельзя не учитывать возникающие при этом потери на трение. Подобная система обеспечивает линейное пропорциональное регулирование и является вполне допустимой для много-цилиндровых компрессоров, позволяя одновременно разгружать их на запуске. Однако область применения компрессоров, регулируемых таким способом, ограничена необходимостью отводить тепло, которое образуется за счет трения в потоке невостребованного расхода и повышает температуру в конце сжатия.
Команду на блокировку клапанов в открытом положении может выдавать реле давления или термореле, управляемые шаговым регулятором. Для реализации еще одного способа регулирования массового расхода можно также перепускать сжатые пары во всасывающий трубопровод. При этом используется либо электромагнитный клапан, объединенный с реле низкого давления, либо клапан постоянного давления, открывающийся, как только давление всасывания начинает падать. Впрыск сжатых горячих газов во всасывающий коллектор еще больше повышает температуру в конце сжатия, при том что теоретический диапазон регулирования такой системы меньше. Однако можно достичь гораздо большего диапазона линейности системы, почти 100%, если с помощью терморегулирующего вентиля впрыскивать жидкий хладагент во всасывающую магистраль или перепускать горячие газы в соответствующую точку испарителя.
В любом случае необходимо стараться как можно лучше перемешать жидкость и горячие газы для получения совершенно однородной смеси. Но в таких схемах всегда существует опасность, что при полной тепловой нагрузке регулятор перепуска или регулятор холодопроизводителъности полностью не закроется. В связи с этим целесообразно выше по потоку устанавливать электромагнитный клапан, который будет закрываться, как только вырастет давление или температура.
Все холодильное оборудование функционирует в условиях широкодиапазонных колебаний тепловых нагрузок в зависимости от сферы его применения. Поэтому такие установки нуждаются в специальных регулирующих приборах. Подобные устройства работают по:
изменению состояния входящих паров. Данное состояние определяет холодопроизводительность благодаря регулированию давления испарения.
изменению общего расхода хладагента. Добивается благодаря регулировке количества оборотов компрессора, перезапуску между всасывающими и нагнетательными коллекторами, блокировке клапанов.
Простая регулировка производительности
Приведение массового расхода охлаждающего вещества в соответствие с потребностями в холоде за счет изменения количества оборотов компрессора – самый легкий способ регулирования холодопроизводительности и не требует наличия каких-либо дополнительных приспособлений. Цена на приводные механизмы непрерывного линейного регулирования оборотов высока, поэтому данные системы в стандартных условиях редко применяются. В результате изменение числа оборотов двигателя выполняется ступенчато с помощью электромоторов с многополюсным подключением. В случае наличия больших мощностей могут применяться тиристоры, однако данные устройства добавляют дороже.
Популярный способ регулирования холодопроизводительности
Наиболее часто применяющимся способом регулирования массового расхода охлаждающего вещества считается блокировка в открытом положении всасывающих клапанов цилиндров агрегата. Такая система позволяет обеспечивать пропорциональную линейную регулировку и применяется для много-цилиндровых устройств. Сфера использования компрессоров, регулируемых подобной методикой, ограничивается необходимостью отводить тепловую энергию, образующуюся благодаря трению.
Блокировкой клапанов в открытом режиме могут заниматься термореле либо реле давления, которые управляются шаговым регулятором. Чтобы реализовать еще один метод регулировки общего расхода можно запускать сжатые пары в трубопровод, занимающийся всасыванием воздуха. В этом случае применяется или электромагнитный клапан, соединенный с реле низкого давления, или клапан постоянного давления, начинающий работать при понижении всасывающего давления. Вход горячего сжатого газа в коллектор еще больше увеличивает температуру, при том, что диапазон регулировки подобной системы является меньшим. Но намного большего диапазона линейности можно добиться путем впрыскивания жидкого хладагента во всасывающую магистраль через терморегулирующий вентиль, либо перезапуском горячих газов в заданную область испарителя.
В ходе данных процессов нужно хорошо перемешивать горячие газы и жидкость, чтобы получилась совершенно однородная смесь. Отметим, что такие системы всегда характеризуются опасностью неполного закрытия регулятора перезапуска, либо регулятора холодопроизводительности при высокой тепловой нагрузке. Исходя из этого, стоит выше по потоку монтировать специальный электромагнитный клапан, способный закрываться при росте температуры или давления в системе.
Исходя из требуемой холодо- или теплопроизводительности, системы охлаждения, кондиционирования воздуха, а также тепловые насосы должны проектироваться таким образом, чтобы выдерживать самые тяжелые условия эксплуатации, т.е. максимальные перепады температур. Как следствие, на всех промежуточных рабочих режимах холодопроизводительность избыточна.
Для согласования потребности в холоде с холодопроизводительностью можно периодически выключать компрессоры. Однако главным недостатком такого подхода является частое возникновение значительных колебаний температуры на стороне вторичного контура, что негативно влияет на эффективность системы, особенно при непродолжительных рабочих периодах. Более того, степень снижения холодопроизводительности ограничена минимальным рабочим временем, задаваемым системами управления холодильной установкой.
Эту ситуацию можно исправить, используя системы регулирования холодопроизводительности. Для этих целей предусмотрены различные методы, которые сравнивают по следующим показателям:
точность регулирования (соответствие холодопроизводительности или тепловой мощности фактически требуемой);
холодильный коэффициент, т.е. эффективность системы;
стоимость системы;
эксплуатационная надежность.
Системы регулирования холодопроизводительности
Обычно различают регулирование холодопроизводительности компрессора и системно-интегрированное регулирование,осуществляемое либо посредством перепуска хладагента со стороны высокого давления на сторону низкого давления, либо дросселированием на всасывании. В энергетическом отношении оба последние метода невыгодны. В случае перепуска энергопотребление компрессора при частичной нагрузке лишь незначительно снижается (благодаря небольшому снижению давления конденсации), а при дросселировании оно уменьшается лишь в соответствии с изменением давления всасывания.
В зависимости от условий эксплуатации возможны строгие ограничения диапазона применения компрессора. Таким образом, не считая систем с весьма специфическими требованиями, оба названных метода не рекомендуются для общего применения и не будут далее рассматриваться.
Большинство же методов регулирования холодопроизводительности компрессоров весьма эффективны и обладают (в сочетании с интеллектуальной системой управления) превосходным потенциалом энергосбережения при частичных нагрузках.
Методы регулирования холодопроизводительности компрессора
Естественно, простейшим является метод пусков и остановок (ВКЛ/ВЫКЛ), но в зависимости от требований он может привести к плохой характеристике регулирования, сильным изменениям рабочих условий и большому числу пусков, в результате чего снижается эффективность и сокращается эксплуатационный ресурс компрессора и других элементов системы. Поэтому данный метод должен быть ограничен холодильными системами с высокой аккумулирующей способностью и/или относительно постоянной нагрузкой.
Значительно лучшие методы регулирования, но также сопровождаемые большими изменениями нагрузки, — параллельная работа нескольких компрессоров, тандем компрессоров или разделение системы на несколько независимых контуров. Однако подобные решения также не исключают значительного числа циклов регулирования (либо при очень высоких требованиях к точности регулирования, либо при очень быстром изменении требуемой холодопроизводительности). В таких случаях необходимо сочетание с механическим регулированием холодопроизводительности компрессора (ступенчатым или плавным) и с соответствующей системой управления.
В этой публикации речь идет лишь о поршневых, винтовых и спиральных компрессорах. К механическому регулированию их холодопроизводительности (встроенные регуляторы) возможны различные подходы, которые могут в корне отличаться в зависимости от типа компрессора.
отжим всасывающих клапанов;
внутренний перепуск пара;
изменение мертвого объема цилиндра;
сокращение хода сжатия;
блокировка всасывающих каналов отдельных цилиндров или групп цилиндров;
изменение частоты вращения.
внутренний перепуск пара;
внутренние управляющие поршни;
регулирующий золотник, параллельный оси вала;
изменение частоты вращения.
внутренний перепуск пара;
отжим спиралей;
изменение частоты вращения.
Предпочтительные методы регулирования холодопроизводительности компрессоров
В зависимости от конкретной холодильной системы требования к регулированию могут существенно различаться, причем следует тщательно рассмотреть следующие критерии:
характеристика регулирования (грубое либо точное ступенчатое или плавное);
энергопотребление (холодильный коэффициент);
стоимость выбранного решения;
эксплуатационная надежность;
область применения компрессора;
минимальное время работы компрессора;
нагрузка электросети.
Известно, что полное энергопотребление холодильной установки, системы кондиционирования воздуха или теплового насоса в течение срока службы, являющееся значительной статьей расходов, зачастую многократно превышает начальные капиталовложения. Как следствие и с учетом косвенного воздействия на окружающую среду (выделение CO2 при выработке электроэнергии) оптимальное регулирование холодопроизводительности должно быть направлено на точное соответствие потребности в холоде. В зависимости от аккумулирующей способности системы и изменений нагрузки методы, основанные на ступенчатом регулировании, могут быть достаточными, но, исходя из чисто энергетических соображений, плавное регулирование является предпочтительным.
В стационарных условиях работы при различных нагрузках существенные различия между ступенчатым и плавным регулированием не всегда можно заметить с первого взгляда. Но сравнительные исследования показали, что динамические свойства и конечная эффективность системы существенно зависят от способа регулирования. При грубом ступенчатом регулировании снижение холодопроизводительности вызывает значительное падение температуры конденсации, что ведет к частичному испарению хладагента при все еще высоком уровне температуры. Последствия включают сбои в регулировании поступления хладагента в испаритель, а также негативно отражаются на холодопроизводительности и эффективности. Подобным же образом резкое повышение холодопроизводительности приводит к резким колебаниям в цепи регулирования, включая значительное снижение температуры кипения, часто сопровождающееся недостаточным перегревом всасываемого газа. Как правило, с течением времени это приводит к значительным отклонениям от оптимальных рабочих условий.
Однако ограничения, касающиеся частичных нагрузок, распространяются даже на системы с очень хорошими характеристиками регулирования. Например, оптимальное поступление хладагента в испаритель с непосредственным кипением не гарантировано при низких массовых расходах. В таких случаях ниже определенной нагрузки необходимо, чтобы система периодически работала с минимальной холодопроизводительностью (из-за рабочих характеристик расширительного вентиля и для обеспечения надежной подачи масла).Более того, эффективное регулирование при частичной нагрузке также требует контролируемого снижения давления конденсации и увеличения давления всасывания. Кроме того, энергопотребление вспомогательных приводов (вентиляторы, насосы) должно быть точно определено, а значит, для этих элементов также потребуется эффективная система регулирования.
Компрессоры с механическим регулированием холодопроизводительности
Для этого типа компрессоров прежде всего используются методы «разгрузки цилиндра», требующие относительно низких затрат и применяемые обычно для многоцилиндровых компрессоров. Достижимая градация холодопроизводительности зависит от конструкции компрессора. В случае 4-, 6- и 8-цилиндровых компрессоров обычно отключают 2 цилиндра на каждой ступени нагрузки, что позволяет регулировать холодопроизводительность с интервалами (25)-50-(75)-100 % или 33-66-100 %. В комбинации с тандем-компрессорами или с параллельной работой компрессоров возможна даже более тонкая градация.
Для крупных промышленных компрессоров обычно применяются системы отжима всасывающих клапанов (кольцевые клапаны) с использованием гидравлического масляного привода. Газ, всасываемый соответствующими цилиндрами, при нагнетании поступает на сторону всасывания. При этом цилиндр работает практически на холостом ходу. Такой метод регулирования может также применяться для разгруженного пуска компрессора. Метод высокоэффективен, потери энергии возникают лишь вследствие механической работы трения колец и сопротивления во всасывающем клапане.
Для полугерметичных компрессоров часто использовались решения с применением встроенного перепускного контура. При этом между полостями высокого и низкого давления цилиндров, которые необходимо разгрузить, в перепускном канале устанавливается регулирующий клапан (байпас), который прерывает поток газа. Дополнительный обратный клапан на стороне высокого давления предотвращает противоток уже сжатого газа. Данное конструктивное решение относительно просто, но недостаточно эффективно из-за значительных потерь при работе байпаса. К тому же термическое напряжение компрессора при частичных нагрузках весьма высоко, что в значительной мере ограничивает диапазон применения метода.
Другим вариантом регулирования является изменение мертвого объема цилиндра. Головка цилиндра оснащена дополнительной камерой высокого давления, которая посредством управляемого клапана может быть соединена с цилиндром, что увеличивает его мертвый объем. В процессе сжатия часть газа отводится в ту же камеру, откуда он возвращается в цилиндр под высоким давлением при обратном ходе поршня. Это позволяет значительно уменьшить объем цилиндра при нормальной работе компрессора. Данная система применяется на компрессорах с числом цилиндров менее четырех. Однако высокие потери при обратном расширении приводят к существенному падению эффективности при частичной нагрузке. Более того, диапазон регулирования существенно зависит от отношения давлений. Так, при небольших отношениях давлений возможно лишь незначительное уменьшение холодопроизводительности.
Для герметичных компрессоров также используется другое решение — механически изменяемый ход поршня (сокращение хода сжатия).
Наиболее распространенным методом механического регулирования холодопроизводительности компрессоров для коммерческого холода является метод отключения цилиндров путем блокировки всасывающих каналов отдельных цилиндров или групп цилиндров. Эта концепция была разработана BITZER уже в 70-е годы и благодаря постоянному усовершенствованию достигла непревзойденного уровня.
Схема а и принцип регулирования холодопроизводительности б путем отключения цилиндра блокировкой всасывающего канала
В режиме полной нагрузки работают все цилиндры компрессора; соленоидный клапан отключен. Как следствие, все газовые каналы в клапанной доске и головке цилиндра, а также регулирующий поршень находятся в открытом положении (рис. а).
При работе в режиме частичной нагрузки включается соленоидный клапан, его якорь поднимается. В результате регулирующий поршень оказывается под действием высокого давления, движется вниз и закрывает общий впускной канал в клапанной доске (рис. б). Таким образом, поступление газа прекращается, и соответствующие поршни работают в режиме «холостого хода». Данный метод регулирования чрезвычайно эффективен, поскольку потери ограничиваются лишь механическим трением поршней. В широком рабочем диапазоне энергопотребление электродвигателя при частичной нагрузке уменьшается почти пропорционально снижению холодопороизводительности.
Зависимость коэффициента энергопотребления кэ компрессора при частичной нагрузке в постоянном рабочем режиме от температуры кипения t0 при регулировании отключением цилиндров
Благодаря относительной простоте и надежности конструкции число циклов регулирования может быть относительно большим, что обеспечивает его высокую точность. Из-за высокой эффективности компрессоры с такой системой регулирования могут использоваться в широком диапазоне областей применения.
Дополнительная информация от BITZER по регулированию холодопроизводительности отключением цилиндров, см. также Техническая информация KT-100 «Регулирование производительности поршневых компрессоров BITZER»
Для винтовых компрессоров малой холодопроизводительности в основном используются системы с одной или двумя ступенями регулирования, причем применяются различные конструктивные решения. Общим является только непосредственное вмешательство в рабочую зону винтов, причем уменьшение рабочего объема достигается посредством регулирующих поршней.
Очень простым и рентабельным решением является внутренний перепуск пара. Для этого в рабочей зоне винтов выполняют радиальные отверстия, которые могут сообщаться со всасыванием посредством управляемого клапана. Это может быть, например, цилиндрический поршень (золотник), который располагается параллельно роторам в отдельном цилиндре. При частичной нагрузке предварительно сжатый газ возвращается в камеру всасывания, сокращая, таким образом, объемный расход. Однако данное конструктивное решение имеет несколько недостатков, особенно с точки зрения эффективности. Поперечное сечение радиальных перепускных отверстий весьма ограничено, поскольку при больших их диаметрах создается «сквозное окно» между замкнутыми рабочими полостями, находящимися под разными давлениями. При работе в режиме полной нагрузки это приводит к снижению эффективности (дополнительная утечка в процессе сжатия), а также к повышенному термическому напряжению в области перепуска при условии высокого перепада давлений.
С другой стороны, относительно небольшие перепускные отверстия обеспечивают лишь незначительную разгрузку. Независимо от расположения и размеров перепускных отверстий энергетические потери возникают из-за предварительного сжатия и высоких потерь газа.
BITZER разработал значительно более эффективный способ ступенчатого регулирования холодопроизводительности, который успешно применяется в модельных рядах вплоть до HS./OS.74 на протяжении многих лет. Крупногабаритные регулирующие поршни находятся непосредственно в рабочей зоне — на торцевой стороне корпуса и/или радиально. Поскольку они точно адаптированы к контуру корпуса, предотвращаются внутренние перетечки в процессе сжатия. При воздействии на поршни они открывают широкие каналы, по которым всасываемый газ в уменьшенном объеме поступает непосредственно в рабочую полость. С помощью этого способа сокращается рабочая длина ротора, и при этом соответственно уменьшается объемная производительность. Эффективность данного способа значительно выше, чем у вышеописанных решений. Более того, благодаря большим поперечным сечениям каналов ступенчатое регулирование может быть расширено в область относительно низких частичных нагрузок.
Регулирование холодопроизводительности винтовых компрессоров с помощью регулирующих поршней (разработка Bitzer): 1 — поршень выполнен заподлицо с фланцем и контуром ротора; 2 — каналы большого поперечного сечения, обеспечивающие малые потери и высокую эффективность
В крупных винтовых компрессорах обычно применяются регулирующие золотники, расположенные параллельно осям роторов и обеспечивающие как ступенчатое, так и плавное регулирование холодопроизводительности. В современных компрессорах золотник устанавливают непосредственно между ведущим и ведомым роторами, при этом он точно адаптирован к контуру корпуса. Это решение обеспечивает самую высокую эффективность при частичной нагрузке, а также делает возможным изменение внутренней степени сжатия (Vi) в соответствии с потребностями.
Схема и принцип действия «двойного» золотникового регулирования холодопроизводительности винтовых компрессоров CSH65 / 75 / 85 / 95 и HS. / OS.85
На рисунке представлено принципиальное устройство и гидравлическая схема такого способа регулирования. При работе компрессора с полной нагрузкой золотник находится в крайнем левом положении. При этом вся рабочая зона заполняется всасываемым газом (100 % холодопроизводительности). Чем дальше золотник движется к стороне нагнетания (вправо), тем меньше становится рабочая зона/активная длина ротора. Всасывается меньший объем газа, и холодопроизводительность снижается.
Особенностью винтовых компрессоров BITZER является «двойное регулирование холодопроизводительности». Без внесения каких бы то ни было изменений в компрессор становится возможным как 4-ступенчатое (25 — 50 — 75 — 100 %), так и плавное (25 -100 %) регулирование. Различные режимы достигаются просто соответствующим управлением соленоидными клапанами. Наряду с движением золотника специальная его геометрия приводит к адаптации внутренней степени сжатия (Vi) к условиям частичной нагрузки. Это обеспечивает особенно высокую эффективность. Другой уникальной особенностью этих компрессоров является наличие канала экономайзера (ECO), интегрированного в золотник. В отличие от традиционных компрессоров это обеспечивает исключительно эффективную работу экономайзера во всем диапазоне регулирования (25-100%).
Характеристики компрессора в режимах полной и частичной нагрузки при типичных для чиллера условиях работы (оценка EUROVENT): ε — холодильный коэффициент; Q0 — нагрузка (холодопроизводительность); рабочие условия при полной нагрузке (Q0 = 100 %): температура кипения t0 = 2 о С, температура конденсации tк = 50 о С, перегрев на всасывании 5 К, переохлаждение 2 К
Весьма высокая эффективность компрессоров с такой системой регулирования при работе в режимах полной и частичной нагрузки становится особенно очевидной при их применении в жидкостных чиллерах. Оценка эффективности проводилась согласно нормам «Eurovent-Cecomaf» для холодопроизводительностей 100 — 75 — 50 — 25 %. Оценка эффективности в соответствии с ARI 550/590 приводит даже к более высоким значениям холодильногокоэффициента.
Для получения более подробной информации см. Специальное издание BITZER 09.2004 или публикацию в журнале «Холодильная техника» №2/2007. Дополнительная информация по регулированию холодопроизводительности винтовых компрессоров BITZER см.также Руководства по использованию винтовых компрессоров: SH-100 / SH-110 / SH-170 / SH-300 / SH-500.
Спиральные компрессоры, используемые в торговом холоде, по большей части регулируются методом пуска и остановок. Для некоторых областей применения все более популярным становится метод изменения частоты вращения.
Между тем разработаны также механические системы регулирования, но конструктивные особенности этого типа компрессоров оставляют мало места для их разнообразия.
Сравнительно простой подход реализован в системе внутреннего перепуска, конструктивное решение которой подобно используемому для винтовых компрессоров. Предварительно сжатый газ отводится из закрытой рабочей полости назад, на сторону всасывания, посредством электрически управляемого клапана. Поперечные сечения перепускных каналов ограничены толщиной стенок спирали. Чрезмерно большой их диаметр привел бы к внутренней циркуляции газа между рабочими полостями с разными давлениями, что, в свою очередь, вызвало бы большие потери при полной нагрузке и повышенное термическое напряжение. Поэтому спиральные компрессоры, использующие данную систему, предназначаются только для одной ступени частичной нагрузки, но особенно при низких отношениях давлений это обеспечивает лишь ограниченное регулирование.
Более приемлемое решение в плане регулирования обеспечивает периодический отжим спирали. Разъединение спиралей прерывает процесс всасывания и сжатия, так что компрессор работает при нулевой нагрузке и по требованию может вернуться в режим полной нагрузки. В принципе данный метод включает «широко импульсную модуляцию» и обеспечивает почти плавное регулирование в широком диапазоне холодопроизводительности.
Ограничения по его применению существуют из-за цикличности рабочего режима. При каждом переходе в режим нулевой нагрузки процесс сжатия резко прерывается и сжатый газ отводится от рабочих ячеек назад, на сторону всасывания. При высокой доле циклов нулевой нагрузки (низкой частичной нагрузке) это приводит к явному снижению эффективности, а также к высокому термическому напряжению, например, электродвигателя. Кроме того, высокая цикличность является причиной больших механических напряжений, способных привести к неустойчивости подвижной спирали.
Параллельная работа компрессоров
Параллельная работа в одном холодильном контуре
Пример простой системы параллельно работающих компрессоров Octagon® с оптимизированным всасывающим коллектором
Классическое параллельное соединение включает одновременную работу нескольких компрессоров на общий холодильный контур. Требуемая холодо- или теплопроизводительность распределяется по компрессорам, причем возможно их объединение как по одинаковым, так и по разным мощностям. С помощью интеллектуальной стратегии управления можно обеспечить высокий уровень регулирования холодопроизводительности системы. К типичным примерам систем с параллельно работающими компрессорами относятся системы холодоснабжения супермаркетов, в которых требуемая нагрузка может изменяться в широком диапазоне. Оборудование компрессоров механическими (встроенными) системами регулирования холодопроизводительности в зависимости от потребности в холоде, а также частоты циклов или значительных изменений рабочих условий возможно или даже необходимо.
Изменение частоты вращения является еще одной возможностью регулирования, которая может использоваться, например, только на одном из компрессоров, обеспечивая непрерывный контроль нагрузки, так же как и выравнивание изменений, вызванных включением/выключением отдельных компрессоров.
В принципе все рассмотренные выше конструкции компрессоров хорошо работают при параллельном подключении, причем требования к распределению масла между отдельными компрессорами могут существенно различаться (в частности, при соединении компрессоров разных мощностей). Основываясь на проводимых испытаниях, BITZER разработал для каждого типа компрессоров решения, характеризующиеся простотой и высокой эксплуатационной надежностью (см. соответствующий список информационных брошюр в конце этого раздела).
Так, для параллельно работающих винтовых компрессоров серий HS и OS используется общий маслоотделитель, и подача масла через трубопроводы регулируется соленоидными или встроенными запорными вентилями. Соответственно можно объединить компрессоры различной холодопроизводительности, которые могут работать даже с различными давлениями всасывания.
Альтернативным решением в регулировании холодопроизводительности является применение поршневых тандем-компрессоров. В этом случае выравнивание уровня масла обеспечивается конструктивно, так что принятия дополнительных мер обычно не требуется. BITZER предлагает широкую гамму тандем-компрессоров относительно малых описанных объемов (начиная с 2-11,4 м3/ч). Даже небольшие 4-цилиндровые модели Octagon® (начиная с 2-18 м3/ч) обеспечивают возможность установки регулятора для отключения цилиндра, с помощью которого возможно ступенчатое изменение холодопроизводительности: 25-50-75-100 %.
Параллельная работа отдельных холодильных контуров
При таком варианте несколько отдельных холодильных контуров скомбинированы в систему. При этом конденсаторы и испарители объединены в один агрегат с разделением на стороне хлад¬агента, а контур промежуточного хладоносителя выполняется общим. Типичными образцами таких систем являются чиллеры, комплектуемые при больших холодопроизводительностях в основном компактными винтовыми компрессорами. Широкий диапазон регулирования данных компрессоров в сочетании с параллельной работой отдельных контуров охлаждения делают возможной высокую точность регулирования. Для меньших холодопроизводительностей используются также поршневые и спиральные компрессоры.
Преимущество данного системного решения заключается в относительно простой настройке индивидуальных контуров охлаждения и повышенной безопасности в случае утечки хладагента. К недостаткам можно отнести отчасти более высокие инвестиционные расходы и недостаточное использование теплообменника при частичных нагрузках.Несмотря на раздельные холодильные контуры, необходимо регулировать последовательность работы компрессоров. Так как контур промежуточного хладоносителя является общим, хладоноситель проходит также и через отключенные участки испарителя. Таким образом, между конденсатором и испарителем поддерживается постоянная разность давлений. Даже небольшие перетечки между сторонами высокого и низкого давления могут привести к перемещению хладагента на сторону всасывания, что может вызвать гидроудар при следующем пуске компрессора.
Дополнительная информация по параллельной работе компрессоров BITZER (см. также Поршневые компрессоры. Техническая информация KT-600 / KT-601 / KT-602; Винтовые компрессоры. Руководства по применению SH-100 / SH-110 / SH-500.Техническая информация ST-600 / ST-620; Спиральные компрессоры. Информация по запросу.
Изменение частоты вращения вала компрессора
Этот метод регулирования холодопроизводительности уже в течение многих лет применяется в компрессорах объемного типа, причем в основном в открытых компрессорах, приводимых через передачу с изменяемым передаточным числом, или в компрессорах, оснащенных специальными двигателями со скоростной модуляцией. Однако такие концепции привода были по большей части исключением и использовались лишь в случаях, когда классическое регулирование холодопроизводительности было невозможным или существовали специальные требования.
Лишь после появления преобразователей частоты (частотных инверторов) для изменения скорости обычных (недорогих) асинхронных двигателей это решение стало тиражироваться и в настоящее время широко используется в различных областях.
Многоскоростные электродвигатели относительно недороги, поэтому они применялись для различных конструкций газовых компрессоров, когда механическое регулирование производительности было затруднено по техническим или экономическим причинам. Между тем данный тип электродвигателя почти не используется для холодильных компрессоров. Кроме развития альтернативных систем причинами этого могут также быть серьезные недостатки привода.
Для холодильных компрессоров обычные многоскоростные электродвигатели могут быть оптимизированы по эффективности, вращающему моменту и коэффициенту мощности только для одной определенной частоты вращения. На любой другой частоте данный электродвигатель показывает значительно худшие результаты. Более того, каждое изменение частоты вращения эквивалентно новому пуску с высокими пусковыми токами, так что большая интенсивность циклов регулирования очень негативно влияет на срок службы компрессора и электродвигателя, а также на нагрузку электрической сети.
Электродвигатель с частотным инвертором
Принципиальная схема частотного инвертора
Как было сказано выше, частотные инверторы обеспечивают регулирование частоты вращения обычных асинхронных двигателей, и поэтому могут весьма эффективно использоваться для большинства типов компрессоров . Тем не менее возникает вопрос, является ли данная относительно дорогая технология (из-за стоимости инвертора) экономически обоснованной по сравнению с ранее описанными методами. Общая единая оценка в данном случае затруднена — вопрос следует рассматривать с учетом полного спектра перечисленных ниже технических возможностей и требований к точности регулирования.
Возможность регулирования частоты вращения одно- и трехфазных асинхронных двигателей
Плавное регулирование производительности в широком диапазоне: высокая точность регулирования; снижение числа пусков компрессора.
Использование компрессоров, для которых рамки применения механических методов регулирования ограничены.
Потенциальное увеличение холодопроизводительности компрессора посредством превышения синхронной частоты (в отличие от прямого энергоснабжения).
Мягкий пуск электродвигателя/компрессора.
Значительно меньший пусковой ток при полном крутящем моменте: пусковой ток ограничен 100-160 % максимального рабочего тока (отсюда отсутствие пиков пускового тока, низкая нагрузка на сеть); разгрузка при пуске не требуется ввиду высокого крутящего момента; низкая нагрузка на электродвигатель при пуске.
Сниженная механическая нагрузка на компрессор, а также улучшенные условия смазки.
Сниженный риск попадания жидкого хладагента в компрессор при пуске.
При использовании частотных инверторов для регулирования холодопроизводительности необходимо учитывать несколько основных соотношений. В асинхронных электродвигателях частота вращения определяется числом пар полюсов и частотой тока питающей сети. При фиксированном числе полюсов (стандартные электродвигатели) частота вращения nдв изменяется в зависимости от частоты тока сети f.
n дв = 60f/N — n пр. Здесь N — число пар полюсов; n пр — частота проскальзывания.
При этом, однако, для соответствующей адаптации магнитного потока требуется одновременное изменение напряжения питания, что влияет на вращающий момент привода.При определенных эксплуатационных условиях для объемных компрессоров, например поршневых, винтовых и спиральных, требуется практически постоянный вращающий момент во всем диапазоне частот вращения. Поэтому с точки зрения магнитных условий изменение напряжения U должно быть пропорциональным изменению частоты f: U/f = const.
При этом необходимо учитывать, что обычные инверторы не могут выдавать рабочее напряжение электродвигателя выше напряжения питания. Это значит, что на электродвигатель, рассчитанный на конкретное напряжение питания (например, 400 В,50 Гц, 3 фазы), во время работы с превышением синхронной частоты (f>50 Гц) будет подаваться «пониженное напряжение», т.е. электродвигатель не сможет обеспечить полного вращающего момента. Но при условии, что электродвигатель сохраняет достаточный резерв мощности при максимальной нагрузке компрессора (приблизительно 25 % до 60 Гц), эта схема может даже быть предпочтительной. В случае отказа инвертора возможна работа в аварийном режиме непосредственно от источника электроснабжения.
Зависимость напряжения от частоты при постоянном вращающем моменте электродвигателя: А — электродвигатель 400 В, 50 Гц, 3 фазы; Б — электродвигатель 400 В, 60 Гц, 3 фазы; С — электродвигатель 230 В, 50 Гц, 3 фазы
Однако, если максимальный вращающий момент уже достигнут при нормальных условиях, необходим специальный электродвигатель. Иногда применяются так называемые усилители напряжения (при этом необходимо соблюдать пределы напряжения электродвигателя). В зависимости от конструкции и/или допустимого диапазона частот вращения вала компрессора возможны следующие опции специальных электродвигателей на основе вышеуказанного питания 400 В, 50 Гц, 3 фазы:
400 В, 60 Гц, 3 фазы (прямая В). Используется до 60 Гц (+20 % частоты вращения электродвигателя) с полным вращающим моментом электродвигателя.
230 В, 50 Гц, 3 фазы (прямая C). Используется до 87 Гц (+73 % частоты вращения электродвигателя) с полным вращающим моментом электродвигателя. Необходимо соблюдение максимально допустимой частоты вращения вала компрессора.
Все компрессоры BITZER рассчитаны на работу с превышением синхронной частоты, а также могут работать при очень низких частотах (20. 30 Гц, в зависимости от типа компрессора и рабочих условий), чем обеспечивается особенно широкий диапазон их холодопроизводительности. Дополнительная информация представлена в последующих разделах и в дополнительной документации, перечисленной в конце этого раздела.
Этапы развития и опыт эксплуатации
За более чем 20 лет большое число компрессоров BITZER с частотными инверторами было поставлено для самых различных сфер применения. Ниже приведено краткое описание этапов совершенствования инверторов и приобретенного опыта работы.
На первом этапе надежность силовой электроники была недостаточной для соответствия высоким требованиям в области охлаждения и кондиционирования воздуха. Более того, затраты на инвертор порой многократно превышали стоимость компрессора. Тем не менее компания BITZER, очень рано поняв преимущества данной технологии, начала в 1984 г. проводить всесторонние испытания и в том же году представила на выставке IKK функциональную модель полугерметичного винтового компрессора с инверторным регулированием.
Первый чиллер на базе двух винтовых компрессоров с регулируемой частотой вращения (HSK7061-80) был введен в эксплуатацию в 1987 г. (система кондиционирования воздуха в одном из офисных зданий в Мюнхене). Но уже годом ранее первые полугерметичные 4- и 6-цилиндровые поршневые компрессоры с частотными инверторами были установлены в железнодорожных пассажирских вагонах. На электродвигатель в этом случае подавалось пилообразное напряжение вместо обычного синусоидального.
Заслуживающей внимания инновацией стала разработка герметичных винтовых компрессоров (VSK31) с частотным инвертором, работающим в диапазоне 20. 87 Гц (1200. 5200 об/мин). Мало известно, что эти компрессоры уже с 1988 г. работают в поездах ICE (InterCityExpress) немецких железных дорог и за это время доказали свою надежность также в ряде других проектов.
Уже с начала 90-х годов многочисленные холодильные централи с поршневыми и винтовыми компрессорами оборудовались частотными инверторами. В большинстве таких систем регулировалась частота вращения вала только ведущего компрессора. В сочетании с периодическим режимом работы и/или ступенчатым регулированием параллельно работающих компрессоров такое решение обеспечивает весьма рентабельное и качественное регулирование.
В процессе работы над серией Octagon®, выпущенной на рынок в 1998 г., создавалась особая конструкция компрессора для расширенного диапазона частот вращения. Был разработан 4-цилиндровый ряд компрессоров относительно малой холодопроизводительности, оптимизирован массовый баланс, применен короткий ход поршня, создана специальная центробежная система смазки. Такой подход обеспечивал безопасную и эффективную работу при частотах намного выше синхронной и стал наилучшей предпосылкой рентабельного применения частотных инверторов.
Полугерметичный поршневой компрессор с размещенным на нем частотным инвертором
Один из проектов в рамках этой разработки — 2-ступенчатый компрессор из легкого сплава, специально предназначенный для работы при изменяющейся частоте вращения. Инвертор размещен непосредственно на компрессоре и охлаждается газом промежуточного давления, т.е. нет необходимости в отдельной системе охлаждения.
Этот компрессор был разработан в соответствии с особыми требованиями для использования в рефрижераторных контейнерах на судах. Он работает в широком диапазоне температур (от высоких до низких) при частотах вращения 600. 2900 об/мин (20. 100 Гц), что позволяет достичь ранее невозможных уровней качества и эффективности регулирования. Несколько тысяч этих компрессоров работают по всему миру в рефрижераторных контейнерах. Результаты эксплуатации и надежность их отличные.
Достаточно долго данные компрессоры проходили также испытания в тепловых насосах «воздух-вода», в очередной раз подтвердив свою замечательную эффективность и характеристики регулирования.
Компрессорно-конденсаторный агрегат ЭКОСТАР с воздушным охлаждением на базе поршневого компрессора с изменяемой частотой вращения
Между тем также были разработаны компрессоры Octagon® на базе стандартных серий со смонтированными инверторами, охлаждаемыми всасываемым газом. Они используются в новых сериях компрессорно-конденсаторных агрегатов EuroStar, отличающихся, в частности, высокой точностью регулирования и низким энергопотреблением.
Спиральные компрессоры BITZER тоже изначально предназначены для расширенного диапазона частот вращения (35. 65Гц). После всесторонних лабораторных испытаний значительное число спиральных компрессоров с частотными инверторами длительное время находилось в эксплуатации. Результаты работы отличные, и эффективность при частичных нагрузках значительно выше, чем при механических методах регулирования.
Большое число действующих установок, а также положительный опыт, накопленный за более чем 20 лет эксплуатации поршневых, винтовых и спиральных компрессоров с частотными инверторами, показали, что данная технология хорошо отработана в компании BITZER. Это также подтверждает ее ведущую роль в разработке данного передового метода регулирования холодопроизводительности.
В ходе постоянно ведущихся BITZER новых разработок компрессоров были учтены и требования эффективного применения инверторной технологии. В результате на сегодняшний день создана непревзойденная современная гамма компрессоров, надежно работающих во всем мире в составе мобильных и стационарных холодильных систем.
Дополнительная информация по работе компрессоров BITZER с частотными инверторами см. также: Поршневые компрессоры. Техническая информация KT-420; Винтовые компрессоры. Специальное издание SV-0402-D «Регулирование производительности винтовых компрессоров: сравнение регулирования изменением частоты вращения с золотниковым регулированием».
