Dr Norbert KÄMMER
Wiceprezes ds. Technicznych, Emerson Climate Technologies Europe

Jakie korzyści oferują nowoczesne komponenty i koncepcje regulacji z punktu widzenia optymalizacji pracy przy częściowym obciążeniu w supermarketach? Dział badawczo-rozwojowy Emerson Climate Technologies przeprowadził takie badanie w laboratorium w Mikulovie w Czechach. Wstępne wyniki – dotyczące zużycia energii, ciśnienia ssania i ogólnej efektywności systemu – są obiecujące.

Firma Emerson Climate Technologies przeprowadziła badania dotyczące regulacji wydajności systemów chłodniczych supermarketów. Porównano kilka różnych koncepcji, ze zwróceniem szczególnej uwagi na różnicę pomiędzy niemal płynną, a konwencjonalną regulacją (tj. załączanie i odłączanie poszczególnych sprężarek lub obciążanie i odciążanie zespołów cylindrów sprężarek). Regulacja, która jest praktycznie ciągła, uzyskiwana jest przez obciążanie i odciążanie pojedynczego zespołu cylindrów sprężarki, co firma Emerson określa mianem regulacji „Digital”. Do badań wykorzystano nową serię sprężarek tłokowych Copeland™ Stream. Nie przeprowadzano badań w prawdziwym supermarkecie, ale w systemie laboratoryjnym, który symulował warunki występujące w supermarketach.

Rys.1. System do badań symulacji supermarketu

System wykorzystywany do badań testowych i parametry

Na rysunku 1 przedstawiono system wykorzystywany do badań. Badany agregat wielosprężarkowy składał się z dwóch sprężarek tłokowych ustawionych według różnych koncepcji regulacji. Chociaż jednocześnie wykorzystywano tylko dwie sprężarki, system obejmował jeszcze trzecią sprężarkę. Ułatwiało to przeprowadzanie szybszych porównań stanów systemu oraz przyspieszało testowanie i zmniejszało wpływ czynnika czasowego na zmianę warunków pogodowych. Czynnikiem chłodniczym wykorzystywanym w badaniach był R134a, przeznaczony do chłodzenia średniotemperaturowego. Nominalna wydajność chłodnicza systemu wynosiła około 38 kW przy parametrach -10/45°C. Do sterowania sprężarką Digital stosowany był sterownik Dixell® wraz ze specjalnym sterownikiem firmy Emerson Climate Technologies.

Aby wytworzyć wymaganą wydajność chłodniczą, meble chłodnicze stosowane w rzeczywistych zastosowaniach zastąpiono parownikiem stanowiącym zastępcze obciążenie chłodnicze, wykorzystujące wodę z systemu testowego zamontowanego w laboratorium w Mikulovie. W ten sposób zapotrzebowanie wydajności można było zmieniać w zakresie 25÷100%, co odpowiada mocy 38 kW.

Agregat pozwalał na analizę czterech różnych koncepcji regulacji:

1) Dwa stopnie „wł./wył”;
2) „Blokowane ssanie” oraz „wł/wył”;
3) „Digital” oraz „wł./wył”;
4) „Digital” oraz odciążenie pary cylindrów (CBC).

Rys. 2. Koncepcje regulacji wykorzystywane przez agregat

Wyróżnione pola (kolorem ciemnoniebieskim) na rys. 2 pokazują koncepcję regulacji „Digital” + „CBC”. W tym celu sprężarka 1 została skonfigurowana jako sprężarka typu digital z jedną parą cylindrów bez regulacji i drugą z głowicą digital. Sprężarka 2 miała jedną parę cylindrów bez regulacji i jedną parę cylindrów z regulacją wydajności poprzez podwieszanie zaworów. W zależności od zakresu obciążeń, poszczególne sprężarki oraz zespoły cylindrów były różnie uruchamiane. Na przykład, przy zakresie obciążeń 50÷75%, pierwsza para cylindrów sprężarki 1 pracowała w sposób ciągły, a druga para cylindrów była szybko obciążana i odciążana. Druga para cylindrów sprężarki 2 w ogóle nie była używana, a jej pierwsza para cylindrów była obciążana i odciążana przez włączanie i wyłączanie sprężarki 2. Ta koncepcja regulacji zapewniała płynną regulację wydajności chłodniczej w zakresie 51÷75%.

Rys. 3. Zasady modulacji w oparciu o ciśnienie ssania – sterownik Dixell XC1000D

Na rysunku 3 przedstawiono obciążanie poszczególnych sprężarek oraz zespołów cylindrów w oparciu o ciśnienie ssania. Jeśli sprężarka Digital nie była wykorzystywana, poszczególne sprężarki i zespoły cylindrów były załączane, jak tylko ciśnienie ssania znalazło się w czerwonym zakresie. Z kolei poszczególne sprężarki były odłączane z pracy, gdy tylko ciśnienie ssania znalazło się w niebieskim obszarze poniżej dolnego progu. Dodatkowe zmiany regulacji były stosowane podczas pracy sprężarki Digital. Celem określonym dla głowicy cylindrów Digital było utrzymanie ciśnienia ssania w zakresie nominalnym pomiędzy górnym i dolnym progiem.

Każdą z czterech koncepcji regulacji sprawdzano w dwóch seriach badań. Pierwsza seria sprawdzała ciągłe zwiększanie obciążenia, druga stałe obciążenia. Pierwsza seria badań porównywała cykliczną reakcję na różne zakresy obciążeń. Druga seria testów miała na celu określenie danych wydajności systemu, a w szczególności jego wskaźnika efektywności. Na rysunku 4 przedstawiono wyniki badań stopniowego zwiększania wydajności od 17 do 38 kW, uzyskanego poprzez zwiększenie przepływu masowego w parowniku stanowiącym zastępcze obciążenie. W trakcie badań temperatura otoczenia pozostawała niemal stała.

Ustalenie ciśnienia ssania

(...)

Korekta wyników

(...)

Wnioski

Wyniki badań wskazują, że ciągła regulacja przy użyciu sprężarek Digital znacząco zmniejsza wahania ciśnienia ssania. Mniej cykli uruchamiania/zatrzymywania oznacza również mniejsze obciążenia mechaniczne i elektryczne agregatu jako całości. Nawet zgrubna korekta współczynników wydajności wskazuje, że ciągła modulacja pozwala uzyskać również wyższe wskaźniki efektywności systemu. Wyższy wskaźnik efektywności dzięki ciągłej regulacji wydajności można uzyskać poprzez dokładniejszą regulację i wyższe średnie ciśnienie ssania.