Rozbudowane instalacje chłodnicze stawiają przed nami sporo wymagań. Zapotrzebowanie cieplne układów nie jest stałe i wciąż się zmienia.

Załączanie i wyłączanie pracy poszczególnych parowników, zarówno w wyniku osiągnięcia zadanych wartości temperatury, jak i włączenia odszraniania, jak również w wyniku awarii lub prac serwisowych, powoduje, że musimy równie elastycznie regulować wydajność chłodniczą po stronie sprężarek. Stosowanie zaworów rozprężnych impulsowych (np. zawory AKV produkcji Danfoss) czy silnikowych zaworów rozprężnych (np. zaworów SEI i SER produkcji Sporlan – rys. 1.) również powoduje zmienne obciążenia cieplne układów. Nawet w przypadku układów z jednym parownikiem, zasilanych tego typu zaworem, należy pamiętać o zmiennym obciążeniu cieplnym na sprężarce. Zmiana obciążenia cieplnego jest faktem, pytanie czemu musimy dostosowywać pracę sprężarek do aktualnego obciążenia?
Dobierając układ chłodniczy, należy dobrać parownik i sprężarkę względem siebie. Jeżeli zastosujemy za dużą względem parownika sprężarkę, w parowniku nie dojdzie do całkowitego odparowania czynnika i sprężarka zostanie zalana ciekłym czynnikiem. Można wprawdzie ten efekt zredukować przez regulację pracy zaworu rozprężnego, ale wtedy zbyt wydajna sprężarka będzie pracować na dużo niższym, od zakładanego, ciśnieniu ssania. W efekcie przegrzanie na chłodnicy będzie znacznie wyższe od projektowanego.
Zastosowanie za małej sprężarki spowoduje, iż w parowniku nie tylko nastąpi całkowite odparowanie czynnika, ale również jego znaczne przegrzanie. Tymczasem wracający czynnik ma schłodzić sprężarkę. Brak tego schłodzenia spowoduje przegrzanie sprężarki i jej uszkodzenie. W tym przypadku możemy również próbować regulować wydajność przez regulację zaworu rozprężnego, ale osiągniemy zwiększenie ciśnienia ssania i znaczny spadek wydajności układu względem wydajności projektowanej.
Oczywiście opisane tutaj efekty złego doboru zostały potraktowane tylko ogólnie, bez zagłębiania się w temat. Zły dobór wydajności parownika i sprężarki powoduje dużo więcej zagrożeń i problemów, niż zostało tu opisane. Musimy pamiętać również o stronie kosztów eksploatacji – są one wyższe niż przy optymalnie i prawidłowo dobranym układzie.

Rys. 3. Zespół dwusprężarkowy L`unite Hermetique, typ TAGD

Konieczność określania wydajności sprężarek
Zastosowanie zaworów sterowanych elektronicznie pozwala na utrzymanie optymalnej wydajności parownika, niezależnie od zmiennych parametrów cieplnych komory czy też urządzenia. Dzięki ciągłej kontroli uzyskujemy przegrzanie zgodne z naszymi wytycznymi. Ale jeżeli wydajność sprężarki będzie stała, to w znacznym stopniu ograniczymy możliwości idealnej pracy zaworu rozprężnego, włącznie z utratą wszelkich jego atutów, czyli: idealnego przegrzania, elastyczności wydajności parownika czy też zmniejszonych kosztów energii elektrycznej.
W przypadku układów z wieloma parownikami, podobnie jak w przypadku parownika z zaworem sterowanym elektronicznie, musimy pamiętać, że nawet idealnie dobrany układ cieplny w fazie projektowej jest układem zmiennym i znacznie zmieniającym swoje obciążenie cieplne w trakcie pracy. Dlatego przy tego typu układach możliwość zmiany wydajności sprężarek to nie tylko zalecenie czy też sugestia, ale wręcz konieczny wymóg technologiczny. Na jakiej jednak podstawie określić konieczną wydajność chłodniczą w czasie rzeczywistym?
W zależności od pracy poszczególnych parowników, zmienia się ciśnienie ssania. Na podstawie pomiaru tego ciśnienia jesteśmy w stanie określić obecne obciążenie cieplne układu. Mówiąc dokładnie, nasze działania ograniczają się do utrzymania ciśnienia ssania w ściśle określonym zakresie. Robimy to za pomocą układów sterujących, opartych najczęściej na sterownikach elektronicznych (rys. 2.) lub też, choć coraz rzadziej, na układach presostatów niskiego ciśnienia. Spotykamy też inne sposoby kontroli regulacji pracy sprężarek, ale są one rzadziej stosowane. Niezależnie jednak od sposobu kontroli regulacji, układy sterownicze muszą czymś sterować. W jaki sposób więc utrzymać wydajność sprężarek na właściwym poziomie?

Rys. 4. Zespół dwusprężarkowy Bock, typ DHGX6

Większa liczba sprężarek
Najłatwiejszym sposobem regulacji wydajności sprężarek jest zastosowanie ich większej liczby. Każda sprężarka ma ściśle określoną wydajność, a suma ich wydajności składa się na całkowitą wydajność zespołu. Włączanie i wyłączanie poszczególnych sprężarek zmienia aktualną wydajność chłodniczą całego zespołu. W małych układach, gdzie ilość parowników jest niewielka, albo w układach z pojedynczym parownikiem z zaworem silnikowym, można zastosować proste układy z dwoma sprężarkami na jednej ramie. Wielu producentów sprężarek tłokowych, zarówno hermetycznych, jak i półhermetycznych w swojej ofercie proponuje takie gotowe układy. Przykładem mogą być zespoły sprężarkowe Danfossa czy L`unite Hermetique (rys. 3.) – w przypadku sprężarek hermetycznych, czy też zespoły produkcji Bock (rys. 4.) – w przypadku sprężarek półhermetycznych. Są to bardzo proste, gotowe konstrukcje. Na wspólnej ramie zamontowane są dwie sprężarki, połączone ze sobą kolektorem ssawnym. Dodatkowo mogą również mieć wykonane wyrównanie olejowe i kolektor tłoczny.
Pewną odmianą zespołu dwusprężarkowego jest łączenie dwóch sprężarek półhermetycznych specjalnym łącznikiem od strony zaworów ssawnych (rys. 5.). Sprężarki są odwrócone do siebie silnikami i ze sobą skręcone, tworząc jedną, dwa razy dłuższą, sprężarkę. W tym przypadku sprężarki nie są dostarczane na wspólnej ramie i nie mają kolektora ssawnego ani kolektora tłocznego. Mają jeden zawór ssawny, zamontowany na łączniku. Chociaż sprężarki tworzą jedną, zwartą całość i można by je nazwać jedną sprężarką, mają dwa niezależne układy korbowe, dwa niezależne silniki elektryczne oraz wymagają kolektora po stronie wysokiego ciśnienia. Sprężarki muszą też mieć wyrównanie olejowe – łącznik nie spełnia tego zadania.
Oczywiście zastosowanie zespołu dwusprężarkowego pozwala jedynie na dwustopniową regulację wydajności. Tak wąska regulacja nie zawsze zaspakaja nasze potrzeby. Im więcej stopni regulacji, tym dokładniejsze utrzymanie wydajności sprężarek na żądanym poziomie. A to skutkuje nie tylko efektywniejszą pracą układu, ale również mniejszą awaryjnością całej instalacji chłodniczej.
Mniejsze zużycie energii elektrycznej i mniejsza awaryjność układu powoduje, że staramy się zastosować taką ilość stopni regulacji, by w sposób najbardziej efektywny dobrać właściwe parametry pracy w każdej sytuacji. Niestety, im więcej sprężarek, tym większe ich koszty. Ilość sprężarek zwiększa również koszty elementów dodatkowych, głównie układu olejowego, jak i też układu sterowania. Wprawdzie w przypadku układu sterowania koszt zależy w mniejszym stopniu od ilości sprężarek, a w większym stopniu od ilości stopni regulacji, ale koszt osprzętu elektrycznego wzrasta wraz ze wzrostem ilości sprężarek.

Rys. 6. Podstawowy schemat linii olejowej

Układ olejowy (...)

Linie olejowe w skomplikowanych układach (...)

Zawory regulacji oleju (...)

Uzyskiwanie odpowiedniego stopniowania regulacji (...)

Działanie odciążonego rozruchu w sprężarce (...)

Inne sposoby regulacji wydajności (...)

Płynna regulacja wydajności sprężarki tłokowej (...)

Rys. 20. Zespół czterosprężarkowy Bock, typ HGX34P, z płynną regulacją wydajności typu EFC-RACK

Możliwe trudności
Chciałbym jednak przestrzec przed zbyt łatwym podejściem do tego tematu. O ile stosując sprężarkę fabrycznie przystosowaną i wyposażoną w odpowiedni układ sterowania, nie ponosimy większego ryzyka, ale stosowanie sprężarek nieprzygotowanych do tego, z przypadkowo dobranymi falownikami, powoduje ryzyko uszkodzenia sprężarki. Największym problemem jest układ smarowania olejem. Zarówno w przypadku sprężarek z rozbryzgowym układem smarowania, jak i z pompami oleju, istnieje ryzyko, że przy zmniejszonej prędkości obrotowej sprężarki nie zapewnimy jej odpowiedniego smarowania. Dlatego najlepiej stosować sprężarki fabrycznie przystosowane i wyposażone w odpowiednie układy sterowania prędkością obrotową silnika, unikając kosztownych napraw sprężarek.
Ten artykuł nie wyczerpuje tematu. W kolejnych artykułach przybliżymy regulacje wydajności, stosowane w sprężarkach jedno- i dwuśrubowych, jak również układy regulacji wydajności oparte na automatyce zamontowanej poza sprężarką, które skutecznie zmieniają wydajność parownika, nawet w przypadku stałej wydajności sprężarki.

AUTOR:
Bartosz NOWACKI