Energie-efficiënte koelcompressoren

Transcriptie

1 Door Ruud van Dissel Sales Engineer Bitzer Benelux Energie-efficiënte koelcompressoren Energy efficiency of refrigeration compressors Tijdens het ontwerp van een koelinstallatie worden keuzes voor een koudemiddel en componenten gemaakt. Naast het maximale koelvermogen moeten daarbij het minimale koelvermogen en alle te verwachten deellasten van de compressoren meegewogen worden. De keuze van de compressor speelt in de uiteindelijke besluitvorming een cruciale rol. Met name de drukverhouding van de compressor, de mogelijkheden voor een juiste capaciteitsregeling en de optimalisatie van de compressor voor het gekozen koudemiddel zijn hierbij van belang. Energiebesparing is kostentechnisch interessant en draagt bij aan een schoner milieu. De milieuproblematiek speelt een steeds grotere rol in de moderne samenleving. Een lekvrije installatie heeft de hoogste prioriteit. Het systeemontwerp, de bedrijfscondities, de keuze van het koudemiddel en de keuze van de hoofdcomponenten spelen een belangrijke rol. De eerste drie hebben de grootste invloed op de gehele energiehuishouding van een installatie. De hoofdcomponenten hebben hierop geen invloed. De EER van de installatie Het koeleffect van de gehele installatie geeft aan hoeveel koelvermogen geleverd wordt voor het toevoeren van een kilowatt elektrische energie. Het is dus zaak om er te allen tijde zorg voor te dragen dat deze EER waarde zo hoog mogelijk is. Bepalend voor de EER zijn de bedrijfscondities, het systeemontwerp, het hoogefficiënte koudemiddel, de hoogrendement compressor met optimale capaciteitsregeling voor deellastbedrijf en de intelligente regeling van de installatie. Feitelijk moet iedere installatie zorgen voor een zo hoog mogelijke zuigdruk en een zo laag mogelijke condensatiedruk door middel van een intelligente regeling. Richtlijn: iedere graad lager verdampen en elke graad hoger condensoren genereert een circa drie procent hoger energiegebruik. Doordat de meeste installaties het grootste deel van het jaar in deellast draaien is een juiste capaciteitsregeling met de hoogst mogelijke EER van de compressor in deellast en het voorkomen van grote fluctuaties in de zuig- en condensatiedruk van zeer groot belang. Naast de EER is de ESEER-index in toenemende mate belangrijk bij de keuze van de compressor. De ESEER Europeaan Seasonal Energy Efficiency Ratio geeft een realistische waarde op jaarbasis van de te verwachten prestaties. Daarbij wordt rekening gehouden met de meteorologische gegevens, belasting, operationele uren etc. Bij de ESEERberekening wordt er vanuit gegaan dat de koelinstallatie gedurende 3% van het jaar op vollast functioneert, 33% van de tijd op driekwart van de capaciteit, 41% van de tijd op halve capaciteit en 23% van de tijd op een kwart van de capaciteit. In de berekening wordt er ook vanuit gegaan dat het mogelijk is om lager te condenseren in de diverse jaargetijden. Een juiste keuze van het compressortype met de optimale capaciteitsregeling in ontwerpfase is daarom van groot belang. De compressorfabrikanten moeten de compressoren optimaliseren voor het gekozen koudemiddel. Koudemiddelen met de laagste GWP en beste energetisch rendement dienen voorrang te krijgen. Zuigercompressoren Om het verdampingsproces van de koelinstallatie in stand te houden, zuigt de compressor koudemiddeldamp aan vanuit de verdamper en comprimeert het gas naar een hoge druk, om in de condensor de opgenomen warmte af te kunnen geven aan de omgeving. De meest toegepaste compressoren in de koeltechniek zijn van het verdringingsprincipe: het gas wordt als het ware opgesloten en vervolgens gecomprimeerd, wat leidt tot een drukverhoging. De meest bekende types zijn de zuiger-, schroef- en scrollcompressor. De zuigercompressor biedt de volgende voordelen: grote flexibiliteit: past zich aan de bedrijfscondities aan; hoog energetisch rendement; goedkoper bij kleine tot middel- 59

2 RCC Koude en luchtbehandeling grote slagvolumes; eenvoudig te onderhouden; eenvoudig oliesysteem en afscheiding; efficiënter in deellast; veel methoden om capaciteit te regelen. De zuigercompressor heeft voor grotere industriële toepassingen het nadeel van de grote onderhoudsfrequentie en dus hoge kosten. Dit geldt niet voor de kleinere commerciële zuigercompressoren. Daarnaast is het volumetrisch rendement bij zuigercompressoren vrij groot en afhankelijk van de drukverhouding. Bij de toepassing van zuigercompressoren moet dus aandacht worden besteed aan het ontwerpen van een zo klein mogelijke schadelijke ruimte en het laten werken van de compressoren met een zo klein mogelijke drukverhouding binnen zijn inzetgebied. Daarnaast is ook het opwarmen van de aangezogen damp in de compressor, de interne damplekkage en het smoren van de damp in de kleppen van invloed op het aanzuigvolume. Deze laatste verliezen zijn echter beduidend kleiner. Bij grotere drukverhoudingen is het dan aan te bevelen om gebruik te maken van tweetraps compressoren of in speciale gevallen van cascadesystemen. warmteverliezen; lekkageverliezen; wrijvingsverliezen in de compressor; aandrijvingsverliezen en motorverliezen (mechanischverlies, aandrijving fan, magnetiseren in de stator). Zeer belangrijk hierbij is dat de compressorfabrikant bij open compressoren enkel het asvermogen van de compressor kan opgeven en geen invloed heeft op de selectie van de aandrijving en de elektromotor. Voor de (semi-) hermetische compressoren is dit niet mogelijk en wordt door de fabrikant het elektrisch vermogen aangegeven. Beide vermogens worden tijdens selecties gebruikt om het isentropisch rendement te bepalen hetgeen grote verschillen oplevert. Dit fenomeen verdient aandacht bij het vergelijken van de diverse selecties tussen open- en (semi-)hermetische compressoren. Vooral bij de installatie vergelijkingen tussen R134a met semi-hermetische compressoren en de open compressoren voor toepassing met NH₃ wordt deze fout nog regelmatig gemaakt. Capaciteitsregeling De meest toegepaste capaciteitsregeling bij zuigercompressoren voor commerciële toepassingen is het bijen afschakelen van cilinders, waarbij het zuigkanaal naar cilindergroepen wordt geblokkeerd. Tijdens vollast (fig. 1) zijn alle cilinders in bedrijf en is de magneetklep niet bekrachtigd. Alle gaskanalen zijn geopend en de compressor levert de volle koelcapaciteit of koelvermogen. Tijdens deellast (fig.2) is de magneetklep bekrachtigd en beweegt de ijzeren kern zich onder invloed van het magnetische veld naar boven waardoor een open verbinding ontstaat tussen de perszijde van de compressor en de bovenzijde van de stuurzuiger. De stuurzuiger wordt door de hogere druk naar beneden verplaatst, en blokkeert hiermee de gasstroming. De betrokken zuigers functioneren in de stationaire toestand zonder druk. Deze regelmethode heeft een zeer hoge efficiëntie. Alleen de mechanische wrijvingsverliezen van de zuigers zijn van invloed op het energiegebruik. Over een breed inzetgebied wordt in functie van de capaciteit het motorvermogen tijdens deellast vrijwel in verhouding gereduceerd (fig.3). Door het relatief eenvoudige en robuuste ontwerp kan de schakelfrequentie vrij hoog zijn. Een perfecte zuigdrukregeling wordt verkregen. Dankzij hun hoge efficiëntie kunnen de compressoren in een groot bereik worden ingezet. Volumetrisch rendement = verpompte volume van de compressor slagvolume van de compressor Voor de compressorarbeid wordt het vermogen dat aan de as wordt toegevoerd vergeleken met de ideale verliesvrije compressor waarbij isentropische compressie plaatsvindt. Het isentropisch rendement van de compressor is dus de verhouding tussen het ideale verliesvrije vermogen en het daadwerkelijk aan de as toegevoerde vermogen; Figuur 3 Isentropisch rendement = isentropisch vermogen asvermogen Hierin zijn de volgende verliezen opgenomen: stromingsverliezen en Figuur1: vollast Figuur 2: deelast 60 MAART e JAARGANG

3 Frequentieregeling De toerenregeling ten behoeve van conventionele (goedkope) asynchrone motoren is pas na het ontwikkelen van frequentieregelaars aantrekkelijk geworden voor het toepassen in koelinstallaties. Deze regeling wordt momenteel voor zeer veel toepassingen ingezet (fig. 3). De hogere investering voor het toepassen van frequentieregeling bij koelinstallaties moet worden afgewogen tegen het betere energetisch rendement van de installatie en de terugverdientijd van deze extra investering. Daarin moet worden meegenomen: traploze capaciteitsregeling in een breed inzetgebied - zeer nauwkeurige regeling - verminderde schakelfrequentie compressor inzetten compressoren welke zijn beperkt voor mechanische toepassing mogelijkheid voor grotere capaciteit door inzetten in het oversynchrone bereik in vergelijk met rechtstreekse netaansluiting. aanzienlijke lagere startstroom met vol motorkoppel - geen onbelaste aanloop voorziening noodzakelijk - lage motorbelasting tijdens opstarten compressor verminderde mechanische belasting van de compressor evenals verbeterde smeereigen lagere belasting compressor door verminderde kans op vloeistofslag tijdens opstart Figuur 3: schematisch weergegeven werking van frequentieregeling. Voor een optimaal koppel van de motor moet U/f constant gehouden worden (fig.4). Een frequentieregelaar kan geen hogere spanning afgeven dan het voedingsnet levert. Hierdoor zal U/f kleiner worden en het magneetveld verzwakken. Het door de motor afgegeven koppel daalt. Een motor die ontworpen is voor een bepaalde voedingsspanning (bijvoorbeeld 400V-3-50Hz) zal dus ondervoltage leveren in het oversynchrone gebied (>50Hz) en daardoor niet zijn volledige koppel leveren. Als de compressormotor bij zijn maximale inzetconditie (ca.25% tot 60Hz) voldoende reservevermogen heeft, kan dit voordelig zijn voor het installatieontwerp. Bij een defect aan de frequentieregelaar kan de compressor rechtstreeks op het net worden aangesloten en toch koeling leveren. Als de motor echter al tijdens normaal bedrijf is belast met het maximale koppel, dan moet een speciale motorversie worden ingezet. 400V-3-60Hz, inzetbaar tot 60Hz (+20% toerental) met vol motorkoppel 230V-3-50Hz, inzetbaar tot 87Hz (+73% toerental) met vol motorkoppel Maximaal toerental van de compressor verdient extra aandacht! Figuur 4: relatie tussen spanning en frequentie bij constant koppel. Alle Bitzer compressoren zijn ontworpen voor het oversynchrone bedrijf en kunnen worden ingezet met zeer lage frequenties. Voor de COP van de compressor is het van belang dat de installatie dusdanig is ontworpen dat de compressor het grootste gedeelte van het jaar in het optimale deellast gebied opereert (zie fig.5). Figuur 5: relatie tussen COP en frequentie (toerental) 61

4 RCC Koude en luchtbehandeling Uit bovenstaande grafiek blijkt dat voor de COP beter voor een hoger toerental dan voor een veel lager toerental gekozen kan worden. Een speciale ontwikkeling is de Bitzer Octagon-compressoren (fig. 6) met aangebouwde frequentieregelaar. Deze kunnen worden ingezet tussen 25 en 87 Hz. Het grote voordeel van de aangebouwde frequentieregelaar is dat dit zuiggas gekoeld is, waardoor geen ventilator nodig is en er geen stof in de regelaar kan komen. Daarnaast hoeft er geen ruimte te worden vrijgemaakt in de schakelkast voor de regelaar en is de bekabeling al voorzien bij de compressor. Octagon compressor met aangebouwde frequentieregelaar. Schroefcompressoren Voordelen van de schroefcompressor: compact traploze capaciteitsregeling weinig bewegende delen geen kleppen nodig laag trillingsniveau traploze continue compressie minder gaspulsaties naar het leidingsysteem kleine schadelijke ruimte zuig- en perszijde zijn gescheiden van elkaar hoge betrouwbaarheid en lange levensduur. De belangrijkste nadelen zijn de vaste interne volumeverhouding (Vi) en het benodigde uitgebreide oliecircuit. Verder hebben de schroefcompressoren een hoge bewerkingsnauwkeurigheid en figuur 7: werkingsprincipe schroefcompressoren dient er voldoende speling te zijn om thermische uitzetting op te vangen. De schroefcompressor is te duur voor kleine slagvolumes en moeilijk te onderhouden Door het ontbreken van zuig- en perskleppen en de daardoor kleine schadelijke ruimte wordt een beter volumetrisch rendement verkregen dan met zuigercompressoren. Schroefcompressoren hebben de vaste interne volumeverhouding (Vi) als nadeel. Dit is de verhouding tussen het ingekapselde volume in de aanzuigfase en het uitgedreven volume. Het comprimeren is dus een vaste volumereductie. Zolang de werkdrukken aan zuig- en perszijde niet noemenswaardig wijzigen en de compressor is uitgelegd op deze volumeverhouding, werken compressoren met een vaste volumeverhouding op de meest economische manier (fig. 7). Bij het vergelijken van de verliezen van de schroefcompressor en de zuigercompressor heeft bij de zuigercompressoren het verlies door de kleppen de grootste invloed en bij de schroefcompressoren de misfit tussen de eindcompressie druk en de condensordruk. Bij de schroefcompressor moet ook rekening worden gehouden met stromingsweerstanden tijdens het in- en uitstromen van het gasvormige koudemiddel. Door de misfit tussen persdruk en condensatiedruk ontstaat over- of ondercompressie. Beiden hebben een negatief effect op het totale rendement van de schroefcompressor. Een automatische Vi-regeling is dus van groot belang voor het optimaliseren van de compressor. Oliehuishouding Bij schroefcompressoren (fig 8.) is olie nodig voor smering van lagers en asafdichting, afdichting tussen de rotoren ter voorkoming van gaslekkage, smering tussen de rotoren, koeling van het compressieproces en levering van oliedruk voor de capaciteit regelschuif. Of een oliekoeler nodig is, wordt aangegeven in de selectiesoftware en is afhankelijk van het inzetgebied. Het is belangrijk om de persgastemperatuur in de gaten te houden en hierop de oliekoeling te regelen. Voor NH3-installaties is het raadzaam om te regelen op olie-injectietemperatuur. Bij toepassing van een oliekoeler kan de condensor kleiner geselecteerd worden. Gekozen kan worden uit watergekoelde, luchtgekoelde of thermo-syphon toepassing. Capaciteitsregeling Bij schroefcompressoren zijn er twee mogelijkheden voor capaciteitsregeling. Door de regelschuif uit zijn vollastpositie te schuiven wordt een opening met een directe verbinding naar de zuigzijde van de compressor gecreëerd. Daardoor stroomt het gas terug. Deze opening ontstaat daar waar bij vollast de compressie begint. Daardoor hoeft aan het koudemiddel geen compressiearbeid meer te worden toegevoegd. De gebruiker heeft alleen te maken met de stromingsverliezen aan de zuigzijde. Ten opzichte van vollastbedrijf neemt de vullingsgraad van de tandholten bij deellast echter af. Daardoor verandert de inwendige compressie bij constante uitlaat (openingshoek). Om er voor te zorgen dat de vaste volumeverhouding gehandhaafd blijft tot 70 procent van de maximale capaciteit is een gedeeltelijke integratie van de perspoort in de schuif vervaardigd. In verder deellastbedrijf met een te verwachten lagere condensatietemperatuur ontstaat een onafhankelijke Vi-regeling waarbij de volumeverhouding wordt aangepast aan de nieuwe drukverhouding. Grote industriële schroefcompressoren werken vaak met een dubbele schuif. Een schuif is voor de capaciteitsregeling en de ander voor 62 MAART e JAARGANG

5 het constant houden van Vi. Bij Frequentieregeling zal de schuif zich altijd in de 100 procent positie bevinden en is er geen mogelijkheid tot het aanpassen van de volumeverhouding. Het voordeel van de frequentieregeling is dat een kleinere compressor geselecteerd kan worden met lagere aanloopstromen van de compressor. Voor constante volumeverhoudingen en wijzigende belasting is frequentieregeling een goede keuze. Het maken van de uiteindelijke keuze kan alleen door rekening te houden met de juiste systeem configuratie en rekening houdend met deellast bedrijf, volumeverhouding, systeemeisen en investeringskosten. In figuur 9 is het hydraulische principe van de capaciteitsregelschuif te zien. Een speciale functie van de Bitzer schroefcompressoren is de tweeledige capaciteitsregeling. Zonder aanpassingen aan de compressor kan er worden gekozen voor een viertraps regeling ( %) of een traploze, modulerende (25 100%) regeling. De twee toepassingen kunnen eenvoudig worden Figuur 8: oliehuishouding bij schroefcompressoren. verkregen door het juist aansturen van de magneetkleppen. Scrollcompressoren De scrollcompressor heeft hetzelfde nadeel als de schroefcompressor, namelijk de vaste interne volumeverhouding. Anders dan bij de schroefcompressor kan hier echter geen variabele Vi worden toegepast. Deze compressoren zijn daardoor alleen geschikt zijn voor constante drukverhoudingen. Ook scrollcompressoren hebben twee mogelijkheden van capaciteitsregeling, namelijk het intermitterend uit elkaar liften van de scrolls en de frequentieregeling. Bij het intermitterend liften van de scrolls wordt steeds teruggegaan naar onbelast draaien van de compressor. Het al gecomprimeerde gas stroomt weer terug naar de zuigzijde. Met een hoge schakelfrequentie (lage belasting) lijdt dit tot een hoge terugloop van het rendement. Daarnaast leidt dit voor de compressor tot hoge thermische en mechanische belastingen. Daar Bitzer de capaciteitsregeling altijd in functie van energiegebruik ontwikkelt, is het toepassen van frequentieregeling de enige juiste keuze voor scrollcompressoren. Bitzer scrollcompressoren zijn al ontwikkeld voor een uitgebreid inzetgebied. Samenvatting Alle typen compressoren hebben op basis van hun eigenschappen specifieke voor- en nadelen voor de diverse toepassingen. Van groot belang is daarom de juiste selectie van de compressoren met het beste rendement voor de toepassing, zowel in maximaal, minimaal- en deellast bedrijf. Een juiste besturing en regeling van de installatie speelt hierin uiteraard een cruciale rol. De ontwikkelingen van de ESEER maken een juist vergelijk op jaarbasis beter mogelijk dan de voorheen toegepaste EER waarde bij 1 (meestal maximaal) drukverschil is vergeleken. Summary Dependent of their specific design specifications all models of compressors have advantages and disadvantages. The right selection of the compressors with the best efficiency for application in maximum, minimum and part load operation is very important. The correct operating and control of the refrigeration system is also necessary to achieve the optimum efficiency. The new development of the ESEER concerns for a better comparison during the year round operating conditions instead of the earlier used EER value where mostly one pressure difference is compared. Figuur 9: Geïntegreerde tweeledige capaciteitsregeling voor schroefcompressoren met keuze tussen 4-traps ( %) of traploze regeling (25-100%) Meer informatie: BITZER Benelux bvba Diepenbekerweg 30, bus 1 B 3500 Hasselt België T: +32 (0) F: +32 (0) I: 63