Trends bei Verflüssigungssätzen

Konstanter Saugdruck

Das beste Mittel, um das Kühlgut stets optimal zu konditionieren, ist ein konstanter Saugdruck. Dies ist jedoch bei einem Verflüssigungssatz, der mit einem Verdichter mit fester Drehzahl ausgestattet ist, meist nicht gegeben, denn sobald mehrere Verdampfer an einen solchen Verflüssigungssatz angeschlossen sind und nun zum Beispiel eine Last abgeschaltet wird, sinkt der Saugdruck ab. Schaltet eines der Flüssigkeitsmagnetventile wieder Leistung zu, dann steigt der Saugdruck wieder an. Diese Schwankung im Saugdruck kann beispielsweise zu übermäßiger Austrocknung der Ware führen oder aber höhere Stromkosten und eine stärkere Vereisung hervorrufen. Bei den Verflüssigungssätzen „Optyma Plus Inverter“ von Danfoss (kaelte.danfoss.de) dagegen wird immer der gewünschte Sollwert des Saugdrucks konstant gehalten. Besteht die Gefahr eines steigenden Saugdrucks, so wird dies durch den integrierten Drucktransmitter auf der Niederdruckseite an den internen Regler weitergegeben. Dieser lässt daraufhin den Verdichter über den im Verflüssigungssatz verbauten Frequenzumrichter etwas schneller drehen. Bei fallendem Saugdruck wird entsprechend die Drehzahl zurückgenommen. Dies führt zu einem äußerst konstanten Saugdruck, der zu jeder Zeit am Regler des Verflüssigungssatzes – ohne Anschluss eines Servicemanometers – nachvollzogen werden kann. Die verbauten Permanentmagnetmotor-Scroll-Verdichter können in einem Bereich von 30 bis 100 Hz gefahren werden. Das entspricht einer möglichen Teillast von bis zu 30 %, also besser als ein 3er-Verbund und zusätzlich noch stufenlos.

Optimale Verflüssigung

Die zweite große Herausforderung ist die sich über das Jahr ständig ändernde Außentemperatur. Bei der Regelung des Verflüssigungsdrucks fließen besonders diese Außentemperatur und der aktuelle Sollwert in die permanente Berechnung des momentanen Referenzwertes für die Verflüssigungstemperatur und damit Lüfterdrehzahl ein. Der Sollwert ist die Differenz zur aktuellen Umgebungstemperatur, z.B. 10 K. Der daraus resultierende Referenzwert entspricht damit zum Beispiel 30 °C (Außentemperatur 20 °C plus Sollwert 10 K). Diese 30 °C werden nun so lange durch Änderung der Lüfterdrehzahl gehalten, bis sich die Umgebungstemperatur ändert. In diesem Fall korrigiert sich der Referenzwert entsprechend. Nicht zuletzt durch diese Maßnahme erreicht „Optyma Plus Inverter“ mit dem Kältemittel R407F einen einmaligen SEPR (Seasonal Energy Performance Ratio = jahreszeitbedingter Energiewirkungsgrad) von 3,84.

Möchte man die Verflüssigungstemperatur immer in einem festgelegten „Fenster“ haben, so ist ein Minimal- und Maximalwert für die Verflüssigung definierbar. Zusätzlich kann, zum Beispiel für den Nachtbetrieb, eine Sollwertanhebung im Regler eingegeben werden, durch die der Lüfter noch langsamer dreht und somit noch geräuscharmer arbeitet. Eine Nachtabsenkung des Referenzwertes ist auch möglich. Der aktuelle Verflüssigungstemperatur-Referenzwert ist stets eine Abwägung aus möglichst niedriger Verflüssigung und moderaten Lüfterdrehzahlen. Eine niedrige Verflüssigungstemperatur bedeutet in aller Regel Einsparungen bei der Verdichterstromaufnahme, langsame Drehzahl (oder gar Stillstand) Energieeinsparungen und geringe Geräuschemissionen beim Verflüssigerlüfter.

Kurbelwannenheizung

Beim „Optyma Plus Inverter“  wurden außerdem durch die intelligente Regelung der Kurbelwannenheizung Einsparungen erreicht.

Messungen im Feldeinsatz haben ergeben, dass die Kurbelwannenheizung nur etwa 50 % der Zeit eingeschaltet ist, wie dies bei konventionellen Anlagen der Fall ist. Um zu entscheiden, ob die Kurbelwannenheizung dauerbestromt, getaktet oder gar ganz abgeschaltet werden soll, orientiert sich das Regelmodul an der Umgebungs- und der Sauggastemperatur. Diese Funktion ist nur im Stillstand des Verdichters aktiv. Je höher die Umgebungstemperatur über der Sauggastemperatur liegt, umso weniger (oder gar nicht) wird nachgeheizt. Die Steigung der Rampe für die Kurbelwannenheizung kann bei Bedarf jederzeit verändert werden.

Microchannel-Wärmeübertrager

Nach Jahrzehnten der Lamellen-Kupferrohr-Verflüssiger geht der Trend der Wärmeübertragertechnologie bei luftgekühlten Komplettverflüssigungssätzen nun zu Microchannel-Wärmeübertragern. Microchannel-Verflüssiger sind – verglichen mit Lamellen-Kupferrohr-Verflüssigern gleicher Leistung – kompakter und gewichtsreduziert. Dies kommt der Transportierbarkeit und dem allgemeinen Handling des Gesamtverflüssigungssatzes entgegen. Zur unmittelbaren Gewichtsreduktion des Wärmeübertragers kommt noch die geringere benötigte Kältemittel-Füllmenge. Diese ist mit ca. 30 % erheblich und führt zu unmittelbaren Einsparungen des Materialeinsatzes bei der Inbetriebnahme. In Ländern mit Sonderbesteuerung auf klassische Kältemittel bzw. mit strikten Kältemittelfüllmengenbegrenzungen kann dies entscheidend sein. Ein weiterer Vorteil der Microchannel-Wärmeübertrager ist die gute Korrosionsbeständigkeit. Für diese Eigenschaft ist besonders die ausschließliche Verwendung von Aluminium verantwortlich. Durch diese Tatsache kann keine Korrosion durch die Bildung eines Galvanischen Elements auftreten, da hierzu mindestens zwei verschiedene Metalle notwendig sind. Bei den klassischen Lamellen-Kupferrohr-Lösungen mit Aluminium/Stahl und Kupfer war dies gegeben und führte zu einer reduzierten Lebensdauer besonders unter schwierigen Umgebungsbedingungen.

Ein weiterer Punkt sind die stabilen Lamellen bei der Microchannel-Technologie. Eingedrückte Lamellen bei Anlagen mit luftgekühlten Verflüssigern sind eher der Normalfall als die Ausnahme. Microchannel-Wärmeübertrager sind diesbezüglich äußerst widerstandsfähig. Die Lamellen können nicht einfach mit der Hand eingedrückt werden und es besteht bei einem solchen Vorgang auch keine Verletzungsgefahr.

Reduzierte Anlaufströme

Ein direkt ans Netz angeschlossener Verdichter nimmt in der Regel während des Starts bis zum Achtfachen seines Nennstromes auf. Das kann schon bei verhältnismäßig geringen Aufnahmeleistungen zu Diskussionen mit dem Energieversorger führen, der entweder zusätzliche technische Maßnahmen zur Strombegrenzung oder aber einen erhöhten Energiebereitstellungspreis fordern wird. „Optyma Plus Inverter“ ist mit einem eingebauten Softstarter ausgestattet, der die Stromspitze während des Verdichterstarts im Vergleich zum Direktstart erheblich reduziert. Der Frequenzumrichter beginnt beim Verdich­terstart mit einer sehr niedrigen Frequenz und passt diese der tatsächlichen Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors an. Bei einem Direktstart eines Verdichters hingegen werden direkt 50 Hz angelegt, auch wenn der Rotor noch nicht in Bewegung gekommen ist. Das führt zu Anlaufstromspitzen, die im Frequenzumrichterbetrieb in dieser Form nicht auftreten. Für die Überwachung der Betriebsströme und der symmetrischen Stromaufnahme ist der integrierte Frequenz­umrichter verantwortlich. Er erkennt genau, sobald sich Unregelmäßigkeiten auch nur andeuten.

Das Mitteldruckventil

Eine weitere Maßnahme zur Optimierung des Stromverbrauchs des Verdichters ist das Mitteldruckventil. Bei Scroll-Verdichtern von Danfoss ist die Kurbelwelle stehend angeordnet. Über der Kurbelwelle befindet sich das Scrollset. Dieses Scrollset besteht aus einer feststehenden und einer orbitierenden Spirale. Diese beiden Spiralen greifen ineinander und verdichten das Kältemittel durch eine orbitierende Bewegung vom äußeren Teil des Scrollsets hin zur Mitte. Durch dieses Prinzip liegen zu jedem Zeitpunkt des Verdichtungsprozesses verschiedene Stadien der Verdichtung vor (verschieden große „Taschen“, in denen gerade eine Verdichtung stattfindet). Damit werden im Vergleich zu Hubkolbenverdichtern häufiger kleinere Portionen Kältemittel ausgeschoben. Das führt zu geringeren Pulsationen. Beim laufenden Verdichter wird eine der beiden Spiralen mit Hilfe eines Mitteldrucks aus einer „Tasche“ des Scrollsets, bei der die komplette Verdichtung noch nicht abgeschlossen ist, gegen die andere gedrückt. Dadurch werden beide Spiralen sozusagen „eingefahren“. Es ist ein flexibles Ineinanderwirken der beiden Scrollschnecken bei gleichzeitiger Selbstoptimierung des Zusammenspiels im praktischen Betrieb. Das Herz des Verdichters bildet dieses Scrollset mit dem für Scrollverdichter neuartigen Zusatzventil. Es führt die Vorteile von Scroll- und Hubkolbenverdichtern in einem Gerät zusammen und bewirkt einen höheren COP (Coefficient of Performance = Leistungszahl), besonders in Fällen, bei denen das eingebaute Druckverhältnis unterschritten wird. So ist oberhalb des Scrollsets im Vergleich zu ventillosen Standardscrollverdichtern ein Zusatzventil montiert. Dieses Zusatzventil im Mitteldruckbereich bewirkt eine Steigerung der Effizienz bei einem vom Optimum abweichenden Druckverhältnis. Das führt zusammen mit der speziell angepassten Geometrie der beiden Scrollspiralen zu einem besseren COP.

Fazit

All diese Maßnahmen, gebündelt im „Optyma Plus Inverter“,  führen zu einer progressiven und energieeffizienten Lösung für die Zusammenfassung mehrerer Kühlstellen an nur einem Verflüssigungssatz. Selbst Last- und Außentemperaturschwankungen sind dabei voll im Griff. Die Lösung ist eine doppelte Drehzahlregelung für Saug- und Druckseite.