Str. 1
POUŽITÍ KOMPRESORŮ SCROLL PRO NÍZKÉ TEPLOTY Zdeněk Čejka ALFACO s.r.o. Choceň, Česká Republika ABSTRAKT Oblast nízkých teplot - míněn rozsah teplot - 20 až - 50 °C je používána pro řadu účelů, zejména pro dlouhodobou úchovu potravin. Příslušné chladivové kompresory jsou pro provozní teploty chladiva navrženy a používány většinou v jiném provedení, než kompresory pro střední a vyšší teploty - nad -20 °C. Výrobci navrhují s ohledem na látkové vlastnosti chladiva konstrukční řešení kompresoru tak, aby dopravní účinnosti a tím následně energetické vlastnosti kompresorů byly co možná nejlepší. Principielní řešení rotačních kompresorů scroll se díky minimálnímu škodlivému prostoru mezi rotory přímo nabízejí pro využití v oblasti nízkých teplot. Tento příspěvek porovnává některé vlastnosti různých typů kompresorů - především z výrobního programu Copeland a seznamuje s výhodami rotačních kompresorů při provozu s vypařovacími teplotami pod - 20 °C. Neklade si za cíl zcela vyčerpávajícím způsobem rozebrat všechny skutečnosti, které s sebou oblast zmíněných teplot přináší, ale soustřeďuje se na rozhodující údaje. 1. ÚVOD Pro řadu případů použití chladicí techniky v praktickém životě je nutno udržovat teplotu chlazené látky - kapaliny, plynu a zejména potravinářských surovin a produktů při poměrně nízké teplotě - pod - 15 °C. To znamená z hlediska odvodu tepla udržovat chladivo s teplotou vypařovací pod asi - 20 °C. Až na výjimky to bez strojního chlazení zajistit nelze. Základním prvkem chladícího zařízení s oběhem parním je chladivový kompresor. Nejobvyklejší typ kompresoru bývá pístový, pro větší výkony rotační šroubový, v posledních ca 10 letech se velmi rychle rozvíjí i použití kompresorů rotačních spirálových typu scroll. Ve srovnání s pístovými typy má scroll kompresor řadu výhod ale též omezení. Hlavní překážkou pro další zvýšení rozsahu použití rotačních kompresorů scroll je jejich fyzikální princip - vystředěné uchycení pohyblivého rotoru a s tím spojené odstředivé síly při provozu. To způsobuje ohraničení výrobní velikosti kompresorů, protože nejsou v současnosti známa spolehlivá technická řešení, jak se s odstředivými sílami u velkých hmot rotorů kompresorů scroll vyrovnat. 2. VARIANTY KOMPRESORŮ Se snižující se vypařovací teplotou - tedy s klesajícím sacím tlakem se při stálé kondenzační teplotě (tlaku) zvyšuje kompresní poměr - pk / po. To má za následek zvýšené namáhání kompresoru a vzrůst výtlačné teploty. Tradičně používané pístové kompresory jsou většinou používány vždy v určitém rozsahu teplot a tlaků a jsou podle použití i zařazovány do skupin H kompresory pro vypařovací teploty zejména nadnulové (tepelná čerpadla), M kompresory pro obvyklé teploty při chlazení do vypařovacích teplot - 20 °C a L skupina kompresorů pro teploty pod - 20 °C. Jednostupňová komprese pístového kompresoru ekonomicky přijatelná v celém rozsahu teplot H + M + L je málo obvyklá. Souvisí to mimo jiné i s konstrukčním řešením pracovních ventilů - jeden typ ventilu nebývá optimální v celém rozsahu teplot a tlaků. Nízkoteplotní kompresory pístového typu musí mít řešen škodlivý prostor válců tak, aby zpětná expanze par chladiva byla co nejmenší a nesnižovala objemovou účinnost kompresoru.
Str. 2
Výhodou rotačního kompresoru scroll je to, že z principu funkce vyplývá absence zpětné expanze par chladiva a tím opravdu vyjímečná objemová účinnost. Pracovní princip kompresorů scroll se přímo pro nízkoteplotní použití nabízí. Z hlediska teplot výtlaku a kompresního poměru je hranice vypařovací teploty -20 až -25 °C pokládána za hodnotu, kdy se začínají používat chladivové kompresory dvou, případně vícestupňové, u kterých jsou jednotlivé stupně optimalizovány pro daný rozsah teplot. Nevýhodou takového řešení je větší komplikovanost kompresoru a tím i investiční náklady. Výhoda naopak je v provozních nákladech, protože lze při správném návrhu kompresoru a jeho vhodném zařazení do systému snížit energetickou náročnost soustavy. 3. POROVNÁNÍ JEDNOTLIVÝCH ŘEŠENÍ Pro posouzení vhodnosti jednotlivých variant kompresorů byly vybrány hermetické pístové i rotační scroll verze určené pro jednostupňovou kompresi v rozsahu vypařovacích teplot M, pístové polohermetické kompresory pro rozsah teplot L a rotační hermetický kompresor scroll vyvinutý pro rozsah teplot M + L. Všechny typy kompresorů mají porovnatelný chladící výkon - ca 6 kW při vypařovací teplotě - 30 °C, kondenzační + 40 °C a při použití chladiva R22. Charakteristiky kompresorů jsou uvedeny na obr 1 v rozsahu teplot - 15 až - 50 °C. Srovnání energetických vlastností - chladící faktor popisuje obr.2. pro doplnění je v diagramech uveden i dvoustupňový pístový polohermetický kompresor D9TK 0760. Obr. 1
Obr. 2 Srovnání charakteristik
Srovnání COP
14
2,50
12
2,00
1,50
QR 12
8
ZR 11 ZF 24 D3DA 500
6
D9TK 0760
COP
Výkon kW
10
1,00
4
0,50 2
0,00
0 -15
-20
-25
-30
-35
-40
vypařovací teplota °C
-45
-50
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
vypařovací teplota °C
Z charakteristik vyplývají některé skutečnosti : - strmý průběh výkonů hermetických kompresorů QR 12 (pístový) a ZR 11(scroll) skupiny M - zobrazena hraniční oblast použití - omezený a strmý rozsah výkonu polohermetického pístového kompresoru D3DA 500 skupiny L - plochý průběh ale omezený rozsah dvoustupňového pístového polohermetického kompresoru D9TK 0760 skupiny L - plochá oblast M i L pokrývající charakteristika hermetického kompresoru scroll ZF 24 - chladící faktor polohermetických pístových kompresorů je vyšší, než rotačních a to v celém rozsahu použití - výhodnější řešení dvoustupňovou verzí pro teploty pod -30 °C
-50
Str. 3
-
možnost použití rotačního kompresoru scroll ve velmi širokém provozním rozsahu při přijatelných výkonových parametrech
4. OMEZUJÍCÍ PODMÍNKY Jednostupňová komprese ve velkém rozsahu tlaků - při vysokých kompresních poměrech s sebou přináší některé nepříznivé jevy. Kromě zhoršování dopravní účinnosti je omezující vlastností výtlačná teplota chladiva po kompresi a přehřívání vinutí elektromotoru dané vnitřními teplotami v kompresoru a zatížením motoru vysokou kompresí. Výtlačná teplota chladiva se liší podle druhu chladiva a průběhu komprese. Teoretické hodnoty výtlačných teplot různých chladiv při adiabatické kompresi jsou uvedeny na diagramu v obr. 3. Vychází se přitom z přehřátí par chladiva v sání kompresoru 10 K. Skutečná komprese většinou dosahuje vyšších teplot výtlaku, než adiabatická. Obr. 3
Te plota po adiabatick é k om pre s i °C
160,00
140,00
120,00
100,00
t2
°C
R32 R22
80,00
R13B1 R404A
60,00
40,00
20,00
0,00 -15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
vypařovací teplota °C
Vysoké teploty výtlaku způsobují problémy spojené kromě jiného se znehodnocováním maziva, případně i chladiva a tím i se spolehlivým provozem kompresoru. Je proto žádoucí teploty výtlaku snížit na přijatelnou úroveň. Provoz kompresoru v mezních podmínkách zároveň ovlivňuje i jeho spolehlivost a životnost. 5. KOMPRESOR SCROLL A NÍZKÉ TEPLOTY Vzhledem k provozním vlastnostem rotačních scroll kompresorů je otázka použití těchto typů v širokém rozmezí vypařovacích teplot velmi zajímavá. Výrobce scroll kompresorů Copeland řeší použití těchto kompresorů v provozním pásmu M a L konstrukční řadou ZS/ZF nazývanou obecně kompresory GLACIER (ledovec). Tyto kompresory mohou pracovat s většinou používaných nejedovatých a nevýbušných chladiv. Aby to bylo možné, jsou zcela jedinečně konstrukčně řešeny profily pracovních rotorů s ohledem na zvýšené kompresní poměry a pro možnost regulace průběhu komprese ve smyslu snížení výtlačné teploty. Pracovní pásma kompresorů GLACIER jsou rozdělena na jednotlivé oblasti, které odpovídají rozdílným provozním podmínkám. V každé oblasti použití doporučuje výrobce doplnit základní provedení kompresoru zařízením pro snižování výtlačné teploty založeném na principu přistřikování chladiva mezi rotory kompresoru. Pro tento účel jsou kompresory
Str. 4
konstrukčně upraveny. Provozní rozsah je zobrazen na obr. 4 s jednotlivými pásmy. Diagram je uveden pro chladivo R404A. Obr. 4
C
A
70
Každé chladivo má svůj vlastní provozní rozsah závislý na jeho fyzikálních vlastnostech
kondenzační teplota °C
60 50 40 30 20 10 0 -45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
vypařovací teplota °C
B
Jednotlivé oblasti představují rozsah použití při různém projekčním řešení chladicího okruhu. Diagram potvrzuje, že kompresory scroll mohou pracovat jednostupňově ve velmi širokém rozsahu provozních podmínek. 6. PROVOZ KOMPRESORU SCROLL Podle skutečných provozních podmínek je nutno kompresor chránit proti poškození způsobeným nadměrnými tlakovými a teplotními stavy. Výrobce sám chrání skroly vnitřními jistícími prvky proti nadměrným výtlačným teplotám vypínajícími kompresor v případě nebezpečí. Scrolly od nasátého objemu 20 m3/h jsou vybaveny vnitřní elektronickou ochranou vinutí a samostatným čidlem teploty výtlaku nastaveným na 140 °C. V případě přehřívání vypínají jednotlivá čidla elektromotor. Přesto je doporučeno v odůvodněných případech - viz provozní rozsah kompresorů, doplnit jištění teploty výtlaku termostatem Therm-O-Disc nastaveným výrobcem na 99 ± 4 °C a připevněným přímo na výtlačné potrubí. Pro snížení teplot výtlaku se používá u kompresorů ZF nástřik chladiva mezi rotory. Nástřik par chladiva mezi rotory je vhodný při překročení provozního rozsahu A v diagramu použití (obr. 4) a provádí se pomocí kapiláry do výrobcem připraveného místa mezi rotory. Na plášti kompresoru ZF je k tomuto účelu připraveno hrdlo 1/4". Pro zvýšení výkonu systému je možno zařadit do okruhu ekonomizér, který podchlazuje kapalné chladivo do výparníku a zároveň vypařuje chladivo nastříknuté kapilárou do ekonomizéru - viz obr. 5 Nástřik je řízen elektromagnetickým ventilem na základě impulzu nadproudového relé zařazeného v ovládacím okruhu kompresoru. Nadproudové relé kontroluje proud v jednom vodiči přivádějícím napětí na svorkovnici kompresoru, který je zároveň připojen i na ovládací obvod. Před elektromagnetický ventil se zařazuje dehydrátor pro zajištění čistoty a suchosti chladiva. Velikost kapiláry je výrobcem pro jednotlivé typy kompresoru stanovena zkušebně. Pro provozní podmínky v oblasti C povinně a pro ostatní vhodné je nastřikování kapalného chladiva bez ekonomizéru - obr. 6, nebo s ním, ale nástřik musí splnit požadavek na kapalinu - páry výtlak neuchladí. Kapilára je pak připojena přímo k hrdlu 1/4" kompresoru a nástřik je ovládán shodně s již popsaným způsobem (elmg. ventil + dehydrátor + relé + termostat).
Str. 5
Obr. 5
nástřik par elektromagnetický ventil kapilára dehydrátor
výtlak
kapalina z kondenzátoru
ekonomizér kompresor sání
Obr. 6
nástřik kapaliny kapilára
elektromagnetický ventil dehydrátor
kompresor ZF
Kompresory do výkonnosti 19 m3/h mají běžnou vestavěnou elektrickou ochranu přetížení vinutí, která vypíná kompresor při překročení jmenovitých hodnot. Vnitřní ochrana elektromotorů u větších typů je zajištěna termistory (PTC čidla) snímanými elektronickým modulem. Ve vinutí motoru v části na horní (sací) straně jsou zapojena tři čidla nastavená na 80°C - v každé fázi jedno (pro případ zablokování motoru) a čtyři čidla s nastavením na 140 °C jsou ve spodní části - dolní hlavě vinutí. Páté teplotní čidlo (140°C) je vsunuto v pevném rotoru a jistí přímo výtlačnou teplotu par chladiva. Čidla jsou zapojena v serii a při signálu kteréhokoliv motor vypíná. Po ochlazení čidla modul opět sepne motor ale se zpožděním 30 minut. Obr. 7 Rotory
pevný rotor
pohyblivý rotor místa nástřiku chladiva
Nastřikování chladiva se provádí přímo do kompresního prostoru v průběhu stlačování par chladiva. Díky zvláštnímu profilu rotorů a konstrukčnímu řešení uchycení rotorů je možno chladivo bezpečně nastřikovat mezi rotory do zobrazených míst na obr 7. Konstrukční řešení umožňuje vzájemnou pohyblivost rotorů ve dvou rovinách - patentovaný systém nazývaný compliance. Toto uspořádání zajišťuje bezporuchový chod kompresoru i v případě nástřiku
Str. 6
malého množství kapalného chladiva, protože nestlačitelnost kapaliny vyvolá vzájemný posuv rotorů, při kterém se uvolní dostatečný prostor pro kompenzaci rozměrů kapičky a nedojde ke kapalnému rázu. To je zásadní rozdíl vůči pístovým verzím chladivových kompresorů. Množství přistřikovaného chladiva je pouze tak veliké, aby úměrně přizpůsobilo proces stlačování - snížení teplot a přitom neovlivnilo výkonové vlastnosti kompresoru. Ve skutečném provoze je provoz kompresoru plynulý bez zřetelných známek změny chladícího výkonu. Při použití nástřiku par chladiva s výměníkem tepla - ekonomizerem (obr. 5) je dosaženo naopak zvýšení chladícího výkonu až o ca 25 %, přičemž vzestup chladícího faktoru může dosahovat i 15 % ve srovnání s variantou bez ekonomizéru. 7. ZÁVĚR Rotační spirálové kompresory typu scroll mají nadějnou budoucnost. Jejich použití v širokém rozsahu výkonů, teplot a tlaků pro většinu běžných i nastupujících chladiv jim pomáhá v neustálém rozvoji variant aplikací. Spolu s provozními vlastnostmi jsou výhodné i z hlediska rozměrů, údržby a servisu především pro svou jednoduchost a díky hermetickému provedení. Omezení daná vlastnostmi vystředěného uchycení pohyblivého rotoru - zejména odstředivé síly mají limitující vliv, jsou úspěšně překonávána pomocí vícekompresorových zařízení sdružených jednotek. Sdružené jednotky zároveň přinášejí i možnost bezztrátové výkonové regulace zařízení a nahraditelnost dílčího kompresoru v případě poruchy. 8. LITERATURA D. Lorenzen : GLACIER - Scroll Technology for Today´s Refrigeration. Copeland 1997 Technická dokumentace Copeland
