Volumenstrommanagement an Hubkolbenkompressoren in der Anwendung
In der Anwendung von Kaltdampfkompressionsmaschinen sind Anlagen mit unterschiedlichen Kühlstellenausprägungen (Anzahl und Leistungsbereich) vorhanden. Dadurch stellen sich im jeweiligen Betriebszustand wechselnde Leistungsanforderungen an den/die Kompressor(en). Neben den energetischen Effekten ist zusätzlich auch die Warenqualität zu fokussieren. Zweckmäßig sind möglichst konstante Temperaturdifferenzen, die indirekt über Volumenstromanpassung durch Techniken am Verdichter erreicht werden.
Dieser Beitrag wird verschiedene Volumenstrommanagement-Lösungen vergleichen und Effekte der Effizienzsteigerung analysieren und hervorheben. Dabei wird beispielhaft auf die Anforderungen im Lebensmitteleinzelhandel eingegangen.
In der Praxis findet man beim Einsatz von Kaltdampfkompressionsmaschinen Anlagen mit unterschiedlichsten Kühlstellenausprägungen (Anzahl und Leistungsbereich). Für die Kompressoren ergeben sich somit je nach Betriebszustand wechselnde Leistungsanforderungen. Neben den energetischen Effekten ist zusätzlich auch die Warenqualität zu fokussieren. Zweckmäßig sind möglichst konstante Temperaturdifferenzen, die indirekt über Volumenstromanpassung durch Techniken am Verdichter erreicht werden. In der weiteren Ausarbeitung wird speziell auf die Verfahren Digitalbetrieb, quasistetige Verfahren, Zylinderabschaltung und Frequenzsteuerung eingegangen. In Bild 1 sind Möglichkeiten der Volumenstromanpassung wertfrei in Rubriken dargestellt.
Untersuchungen | Untersucht werden die möglichen Leistungsanpassungsverfahren einer Verbundanlage, den Volumenstrom des Hubkolbenkompressors an den Bedarf einer Kälteanlage im Lebensmitteleinzelhandel anzupassen. Dabei werden drehzahlgesteuerte, quasistetige und zylinderabgeschaltete Kompressorsysteme verglichen.
Hubkolbenkompressor mit Frequenzsteuerung | Der folgende Abschnitt beschreibt die Unterschiede beim Betrieb eines Kompressors mit und ohne Frequenzumrichter. Bild 2 zeigt einen Verbund mit frequenzgesteuerten Kompressoren.
Betrachtet man einen Kompressor mit und ohne Frequenzumrichter lassen sich die Verluste über einen Frequenzumrichter darstellen. Dabei wurde der Kompressor, mit und ohne Frequenzumrichter, jeweils an einem 50 Hz-Versorgungsnetz betrieben. In Bild 3 ist auf der Abszisse das Druckverhältnis und auf der Ordinate der Coefficient of Performance (COP) aufgetragen. Die markierten Messpunkte sind bei einer Kondensationstemperatur von 45 °C und einer Sauggastemperatur von 20 °C mit R134a entstanden.
Der Verlust kann als Faktor wie in Gleichung (1) berechnet werden.
Bild 4 zeigt die Verlustleistung als Faktor, aufgetragen über die Siedetemperatur. Es ist zu entnehmen, dass bei einem 34 m³/h-Hubkolbenkompressor der untersuchte Frequenzumrichter bei dem Betrieb unter den genannten Bedingungen eine Verlustleistung im Bereich von 4 bis 8 % hat.
Vergleicht man zwei Kompressoren gleicher Förderleistung, wobei einer seine Förderleistung bei 87 Hz mit einem Frequenzumrichter erreicht und der zweite seine Förderleistung bei 50 Hz, so erhält man das folgende Bild 5 bei einer Kondensationstemperatur von 45 °C mit R134a in Abhängigkeit der Verdampfungstemperatur. Auf der Ordinate ist dabei der COP aufgetragen. Deutlich wird, dass bei hohen Siedetemperaturen der COP-Unterschied steigt. Dabei ist in der Abbildung der gesamte Verlauf über die Applikation dargestellt.
Trägt man dieses Ergebnis wieder als Faktor der Verlustleistung, Gleichung (1), bezogen auf den COP ohne Frequenzumrichter auf, entsteht Bild 6. Deutlich wird, dass zwar im unteren Temperaturbereich der Frequenzumrichterbetrieb um 4 % besser ist, jedoch im oberen Bereich mit 14 % deutlich schlechter.
Dabei ist gerade das untersuchte Kompressormodell für den sogenannten Normalkühlbetrieb konstruiert worden. Da der COP jedoch nicht von der Siedetemperatur direkt abhängig ist, wird der COP in Bild 7 erneut über das Druckverhältnis aufgetragen. Zu erkennen ist, dass bei steigendem Druckverhältnis der Unterschied zwischen den beiden Kompressoren geringer wird.
Ganz vernachlässigt werden darf an dieser Stelle nicht, dass die Verdichter sich marginal im Fördervolumen unterscheiden und damit Unterschiede des Massenstroms entstehen.
Als Nachteil einer frequenzgesteuerten Leistungsanpassung an einen Hubkolbenkompressor muss der schlechtere COP gesehen werden. Deutlich ist, dass der Einsatz eines Frequenzumrichters an sich „Verluste“ in Form von Wärme erzeugt und die Kompressoren in ihrer höchsten Frequenz entsprechend mehr „Betriebsenergie“ benötigen. Als weiterer Punkt ist zu bemerken, dass der Einsatz eines Frequenzumrichters deutlich mehr Erregerfrequenzen in der Maschine hervorruft. Die daraus resultierenden Resonanzen können unter Nichtbeachtung Zerstörungen an Bauteilen der Kälteanlage und dessen Ambiente hervorrufen.
Quasistetige Steuerung | Bei einer quasistetigen Leistungsregelung halbhermetischer Hubkolbenkompressoren auf Basis der bekannten mechanischen Leistungsregelung wird durch die Zylinderbankabschaltung in Funktion mit einem entsprechenden pulsweiten modulierenden Regler ausgestattet. Dies bedeutet z.B. bei einem Vier‑Zylinder‑Kompressor eine auf eine Zeit bezogene stetige Verdichterleistungsanpassung von 20 bis 100 %. Ein solcher Kompressor ist in Bild 9 schematisch zu erkennen.
Die Zylinderbankabschaltungen werden wechselnd pulsierend angesteuert. Als Nachteil dieser quasistetigen Volumenstromanpassung muss die schwankende Verdampfungstemperatur gesehen werden. Ein Versuch auf dem Prüfstand zeigt diese Schwankungen um -10 °C. Dies wird dargestellt in Bild 10. Die Vorteile sind wie die der Zylinderabschaltung-Steuerung: leichte Nachrüstbarkeit und geringer technischer Aufwand.
Einzel‑Zylinder‑Abschaltung | Bei der Einzel‑Zylinder‑Abschaltung wird ein einzelner Zylinder mit einer vorhandenen Zylinderbankabschaltung abgeschaltet. Um dies mit der vorhandenen Zylinderbankabschaltung zu realisieren, wurde die Sauggasführung zwischen Ventilplatte und Zylinderbank verändert. Dabei wird mit Hilfe eines Adapters (siehe Bild 11) der Sauggasstrom so geführt, dass der Massenstrom für den zweiten Zylinder (bei zwei Zylindern je Zylinderbank) durch das Ventil, der vorhandenen Zylinderbankabschaltung, unterbrochen werden kann. Mit dieser Erfindung kann jede beliebige Kompressionsmaschine mit geringem Aufwand die Förderleistung auf die eines Kolbens herunternehmen.
Durch eine solche Änderung des Hubkolbenkompressors kann bei einer Vier‑Zylinder‑Maschine eine Abstufung, wie aus Bild 12 zu entnehmen, erreicht werden.
Vorteil dieser Leistungsanpassung ist die einfache Nachrüstung in eine bestehende Maschineneinheit. Gespräche mit Anlagenbauern haben gezeigt, dass eine einfache „Klick‑Klack“‑Schaltung immer noch favorisiert wird. Der Grund ist hier sicherlich die aus der Historie bekannten Einstellungsprobleme der Frequenzumrichter.
Vergleich | Der Zustand „100 % Kompressionsleistung“ kommt nur einen Bruchteil der Betriebszeit einer Kälteanlage vor, wie in Bild 16 zu erkennen. Dies zwingt die Betrachtung unterschiedlicher Förderleistungszustände auf. Vergleicht man einen frequenzgesteuerten Kompressor mit einem, dessen Zylinder einzeln zu‑ und weggeschaltet oder dessen Saugkanal über ein quasistetiges Signal geöffnet und geschlossen werden kann, so erhält man die in Bild 13 dargestellten Kurven bei 75 % des Massenstroms. Deutlich erkennbar ist, dass bei einer quasistetigen Steuerung oder der Abschaltung eines einzelnen Zylinders (bei vier Zylindern) der COP im Einsatzbereich überwiegend vom Betrag größer ist.
Der positive Einfluss des Kompressors ohne Frequenzumrichter sinkt jedoch bei der Reduzierung der Fördermenge deutlich. So ist bei 50 % (gleichem Massenstrom) der frequenzgetriebene Verdichter bereits deutlich besser, bezogen auf den COP, im Vergleich zu einem Kompressor mit abgeschalteter Zylinderbank.
Ein weiteres Absinken erhöht den Anteil an Verlustleistung und verschlechtert somit den COP. Positiv betrachtet kann die Förderleistung weiter gesenkt werden, im Vergleich zu einem frequenzgesteuerten Kompressor. Bei frequenzgesteuerten Kompressoren ist eine derzeitige untere Grenze mit 28 % der Fördermenge angesetzt. Dabei ist bei einer Zylinderabschaltung die Fördermenge auf
mit
n der Anzahl der Zylinder und
Vtat dem tatsächlichen Hubvolumen
begrenzt.
Eine quasistetige Steuerung kann sogar noch tiefer regeln – jedoch in den Grenzen, die durch die Konstruktion des Kompressors und den Randbedingungen gegeben sind. Der Einsatzbereich eines Kompressors verschiebt sich nach rechts bei fallender Förderleistung.
In Bild 15 ist der COP des frequenzgesteuerten Kompressors bei 28 %, die quasistetigen Steuerung und Zylinderabschaltung bei 25 % wiedergegeben.
Überträgt man diese Erkenntnisse in ein Simulationsmodell, dessen Grundlage gemessene Leistungskurven sind, so bekommt man einen Jahresdurchschnitts‑COP. Die zugrunde gelegten Daten sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Dabei wurde auf der Ordinate die prozentuale Laufzeit pro Jahr aufgetragen. Diese errechnet sich nach Gleichung (3) als Laufzeit eines Zustandes über die Gesamtlaufzeit der Anlage.
Auf der Abszisse in Bild 16 ist die Anlagenauslastung in % aufgetragen.
Die dritte und vierte „Dimension“ kann für jede Anlagenauslastung, wie in Bild 17, dargestellt werden. Zu jeder Anlagenauslastung existieren verschiedene Betriebspunkte in Abhängigkeit der Siedetemperaturen T0 und TC sowie der Überhitzung und Unterkühlung.
Erstellt man zu jeder Zeit bei konstanter Anlagenauslastung einen COPn, so ergeben sich drei Kurven: mit Frequenzumrichter, mit quasistetigen Steuerung und der Zylinderabschaltung. Das Integral jeder Kurve über die Zeit gibt den Durchschnitts‑COPn bei Qn für n.
Ergebnisse / Bewertung | Simuliert man den schon bereits erläuterten Zusammenhang über die Anlagenauslastung und stellt jeden COPn für die verschiedenen Steuerverfahren dar, so ergibt sich Bild 18. Dabei ist auf der Ordinate wieder die prozentuale Anlagenlaufzeit für die blaue Kurve dargestellt. Die anderen Kurven geben den COPn für das jeweilige Steuerverfahren wieder.
Bildet man einen COP über die gesamte Anlagenauslastung,
so erhält man einen gemittelten COP je Steuerverfahren. Ausgegangen von der Annahme, dass jeder Betriebspunkt exakt erreicht wurde, kann eine Senkung des COP im gleichen Verhältnis eine Steigerung der Betriebskosten bedeuten.
Wie aus Bild 5 und Bild 13 zu erkennen ist, kann ein COP‑Vergleich bei abweichenden Anlagenauslastungen negativ für die einzelne Steuerung ausfallen. Damit kann eine Amortisation nicht pauschalisiert werden und muss im Einzelfall überprüft werden.
„Klick‑Klack“‑Schaltungen werden vom Anlagenbauer überwiegend aufgrund ihrer einfachen Funktionsweise bevorzugt. Ausfälle können mit bekannter Technik behoben oder ersatzweise betrieben werden. Frequenzgesteuerte Kompressoren sind aufgrund des höheren technischen Aufwandes komplizierter und störanfälliger. Auftretende Resonanzfrequenzen müssen beim Anlagenbau analysiert und beachtet werden. Dies erfordert gehobene Fachkenntnisse in der Schwingungsanalyse und dessen Bewertung. Aufgrund des breiten Frequenzspektrums birgt dies einen nicht zu vernachlässigenden Aufwand. Eine Nichtbeachtung kann zu Zerstörungen an Bauteilen führen. Werden die Resonanzfrequenzen ausgeblendet, kann in vielen Fällen nicht mehr von einer stetigen Anpassung an den Leistungsbedarf der Kälteanlage gesprochen werden. Das Aufrechterhalten einer stetigen Leistungsanpassung erhöht somit den Konstruktionsaufwand am Maschinensatz und an den übrigen Anlagenteilen.
Fazit | Hubkolbenkompressionsmaschinen im Lebensmitteleinzelhandel müssen den wechselnden Leistungsanforderungen gerecht werden. Verglichen wurden Anlagensysteme wie Digitalbetrieb, quasistetige Steuerung, Zylinderabschaltung und Frequenzsteuerung. Bei Anlagenauslastungen, die ihre überwiegende Laufzeit oberhalb von 75 % der Kompressorleistung haben, schneidet ein frequenzbetriebener Hubkolbenkompressor mit bis zu 14 % schlechter ab. Anlagenkonstellationen unterhalb 75 % lassen sich gut mit Verfahren, wie einer quasistetigen Steuerung einer Zylinderabschaltung und einem Frequenzumrichter, optimieren.
