Nowoczesność kojarzy się najczęściej z miniaturyzacją, materiałami o niespotykanych wcześniej własnościach, z niezawodnością, obniżaniem zapotrzebowania na energię, nowych procesach, zdalnym monitoringu i sterowaniu, przy jednoczesnym zwiększaniu wydajności. Nowoczesność w technice chłodniczej to przede wszystkim: niższy pobór energii, precyzja sterowania, niezawodność, jak również inne ważne zagadnienia. Urządzenia inverterowe swoim działaniem wychodzą naprzeciw tym wyzwaniom, odczuwalnie podnosząc jakość pracy instalacji i dając wymierne korzyści.

Agregaty skraplające – głównie chłodzone powietrzem – i wielosprężarkowe zespoły sprężające są obecnie stałym elementem składowym chłodnictwa komercyjnego oraz produkcyjnego. Rozpiętość wydajności chłodniczej jest znaczna i zawiera się w przedziale od kilkuset watów do kilkuset kilowatów. Znajdują zastosowanie w pełnym zakresie temperaturowym stosowanym w chłodnictwie.

Motorem napędowym rozwoju agregatów wielosprężarkowych było projektowanie coraz bardziej rozbudowanych instalacji chłodniczych o zmiennym zapotrzebowaniu chłodu, głównie w marketach i supermarketach, gdzie z jednego agregatu zasilane są instalacje w komorach, różnych meblach zamkniętych, regałach chłodniczych, a także w pomieszczeniach produkcyjno-technologicznych o zróżnicowanej temperaturze.

Przy tak zmiennym zapotrzebowaniu na zimno, od agregatów wymagana jest duża elastyczność pracy przejawiająca się zdolnością dopasowania wydajności do aktualnego obciążenia cieplnego. Dążenie do oszczędzania energii i podniesienia niezawodności przejawiło się stosowaniem przez producentów większej liczby mniejszych sprężarek, przy zachowaniu nadal skokowej regulacji wydajności.

Radykalną zmianę w sposobie regulacji przyniosło wprowadzenie sprężarek o zmiennych obrotach, które zarówno w agregatach jedno- jak i wielosprężarkowych pozwalają na uzyskanie ciągłej zmiany wydajności w rozszerzonym przedziale pracy. Przy zastosowaniu odpowiednich sterowników uzyskano bardziej precyzyjne utrzymanie parametrów regulowanych np. temperatury. W rezultacie otrzymujemy nową, lepszą jakość pracy urządzeń chłodniczych przejawiającą się również mniejszym zapotrzebowaniem na energię.

Sprężarki o zmiennych obrotach

Zmiana prędkości obrotowej sprężarki jest najefektywniejszym sposobem zmiany jej wydajności, gdyż powoduje jednocześnie zmianę zapotrzebowania na moc napędową. Historycznie rzecz ujmując, do sprężarek o zmiennych obrotach można zaliczyć sprężarki otwarte (dławnicowe), napędzane poprzez przekładnie pasowe – szczególnie przez silniki spalinowe – lub w rozwiązaniach specjalnych silnikami hydraulicznymi oraz elektrycznymi prądu stałego. Typowym przykładem są sprężarki pracujące w układach klimatyzacji samochodowej, napędzane silnikiem samochodu. Przełomem jednak stało się zastosowanie przetwornic częstotliwości prądu – zwanych falownikami lub inwerterami – do zasilania silników sprężarek hermetycznych i półhermetycznych, co przyczyniło się znacznie do zmniejszenia wymiarów, jak i spadek cen. Drugim czynnikiem jest stosowanie odpowiedniej dla tych rozwiązań automatyki sterującej. Aby móc wykorzystać własności invertera, sprężarka musi być odpowiednio dostosowana:

• posiadać odpowiedni silnik,
• system smarowania pracujący wydajnie przy obniżonych obrotach,
• nie wpadać w drgania w całym przedziale zmiany częstotliwości,
• zapewnić wystarczające chłodzenie silnika przy niskich obrotach itp.

Osobną podgrupę stanowią hermetyczne sprężarki inverterowe z silnikiem prądu stałego DC, których także konstrukcja mechaniczna jest inna niż sprężarek AC. [1]

Efektem prac firm produkujących sprężarki jest uzyskanie zmiennej wydajności sprężarek w możliwie szerokim przedziale częstotliwości prądu zasilającego najczęściej 30÷90 Hz, a przy krótkotrwałej pracy nawet do 120 Hz (sprężarki hermetyczne). Konstrukcyjnie wyróżnia się sprężarki o zintegrowanej budowie z inverterem zamocowanym na korpusie sprężarki (półhermetyczne) oraz z inverterem oddalonym. Z programu produkcyjnego sprężarek, głównie hermetycznych, tylko część jest przystosowana do pracy z inverterem, natomiast w przypadku sprężarek półhermetycznych coraz więcej jest już dedykowanych do tego typu pracy.

Na rysunku 1a, 1c, 1d przedstawiono przykład sprężarki hermetycznej z osobno montowanym inwerterem, natomiast na rysunku 1b. przedstawiono przykład sprężarki półhermetycznej, wyposażonej fabrycznie w przemiennik częstotliwości i sterownik.

Rys. 1a. Sprężarka hermetyczna Bristol VStar® z osobno montowanym inverterem [6]

Rys. 1b. Sprężarka półhermetyczna GEA BOCK z zintegrowanym inverterem [5]

Rys. 1c. Sprężarka półhermetyczna GMCC z osobno montowanym inverterem [7]

Rys. 1d. Sprężarka półhermetyczna SANYO/PANASONIC z osobno montowanym inverterem [3]

Charakterystyki sprężarek

o zmiennych obrotach – inverterowych Zazwyczaj wydajność sprężarki chłodniczej przedstawiana jest w funkcji temperatury parowania, przy czym parametrami jest: 

• temperatura skraplania,
• temperatura ssania lub przegrzanie,
• dochłodzenie cieczy przed zaworem rozprężnym,
• a także obroty wału sprężarki.

Wprowadzając zmienne obroty uzyskujemy rodzinę charakterystyk przesuniętych względem siebie. Zmienną wydajność sprężarki uzyskujemy poprzez zmienne obroty. Wielkością sterującą jest zazwyczaj temperatura lub ciśnienie parowania, stąd też należy przełożyć zmianę tej wielkości na obroty sprężarki. Jeżeli przedziałowi temperatury lub ciśnienia, w którym zamierzamy utrzymać wartość regulowaną, przypiszemy określoną zmianę obrotów poprzez zmianę częstotliwości prądu zasilającego silnik sprężarki, wówczas uzyskamy charakterystykę wydajności chłodniczej sprężarki w funkcji częstotliwości w regulowanym przedziale. Jest to zależność zazwyczaj bardzo stroma, tzn. że bardzo małym przyrostom wielkości regulowanej odpowiadają duże przyrosty wydajności. Może to prowadzić do zaburzeń regulacji znanych z podstaw automatyki takich jak przeregulowanie objawiające się niestabilną pracą, np. wystąpienie oscylacji. Sposób tworzenia charakterystyki przy zmiennych obrotach przedstawiony jest na rysunku 2.

Rys. 2. Sposób tworzenia charakterystyki sprężarki inverterowej [2]

Wprowadzając możliwość zmiany obrotów w sposób ciągły, uzyskujemy płynną zmianę wydajności ograniczoną dopuszczalnymi minimalnymi i maksymalnymi obrotami. Praktycznie uzyskiwany stosunek zmiany wynosi od 2,5 do 3,5, a krótkotrwale do ok. 4. Daje to możliwość zbudowania na bazie takiej sprężarki urządzenia mającego wydajność jak agregat wielosprężarkowy z lepszą regulacją i mniejszym poborem energii napędowej. Jest to już powszechnie stosowane w budowie klimatyzatorów.

Zespoły sprężające ze sprężarką inverterową

Do tej grupy urządzeń zalicza się zespoły sprężarkowe, w których jedna sprężarka napędzana jest poprzez przemiennik częstotliwości – inverter. Już sama sprężarka inverterowa rozszerza znacznie możliwość pokrycia zapotrzebowania na zwiększoną wydajność chłodniczą i dostosowanie wydajności. Dodając do niej jedną lub kolejne sprężarki o stałych obrotach możemy uzyskać bardzo szeroki zakres wydajności przy ciągłej regulacji w zakresie zmiany obrotów i możliwie łagodnym przejściu przy załączaniu lub wyłączaniu kolejnej sprężarki. Na to, czy dołączanie do pracy kolejnych sprężarek oraz ich wyłączanie będzie miało łagodny przebieg, ma wpływ ich wzajemne dopasowanie, a konkretnie dopasowanie ich wydajności w strefach załączania i wyłączania.

Współpraca sprężarki inverterowej i sprężarki o stałych obrotach

Na rysunku 3., przedstawione są charakterystyki sprężarek o zmiennych i o stałych obrotach w przedziale regulacji. Charakterystyka sprężarki inverterowej „I” jest stroma, natomiast sprężarki o stałych obrotach „II” jest łagodna, lecz również pochylona. Przy wąskim przedziale regulacji można przyjąć, że wydajność tej sprężarki jest stała. Tak przedstawiana jest w sposób uproszczony współpraca sprężarek – rysunek 4.

Rys. 3. Sposoby zestawienia charakterystyk sprężarek o zmiennych (I) i o stałych (II) obrotach w przedziale regulacji [2]

Rys. 4. Popularny sposób przedstawiania zasady współpracy sprężarek: inverterowej i sprężarek o stałych obrotach

Na rysunku 3a., przedstawiono charakterystyki dobrane niemal idealnie, gdzie przy szerokim zakresie regulacji jest obszar pracy wyłącznie sprężarki o stałych obrotach. W miarę zawężania się przedziału regulacji, udział samodzielnej pracy tej sprężarki maleje i po załączeniu się jej, sprężarka inverterowa natychmiast pracuje w strefie minimalnych obrotów. Rysunek 3b. przedstawia przypadek, gdzie sprężarka inverterowa ma wyższą wydajność na końcu przedziału regulacji od sprężarki stałoobrotowej. W tej sytuacji nachodzą na siebie charakterystyka „I” i charakterystyka „I+II”. W efekcie może wystąpić podwójny punkt pracy przy tej samej wydajności – raz na charakterystyce „I” przy wzroście wydajności i drugi na „I+II” przy spadku wydajności. Nie jest to zjawisko szkodliwe, lecz nie wykorzystuje się w pełni możliwości sprężarki inverterowej.

Przypadek przedstawiony na rysunku 3c., to sytuacja gdzie wydajność sprężarki stałoobrotowej dorównuje lub przewyższa maksymalną wydajność sprężarki inverterowej. Następuje wówczas na końcu przedziału regulacji, po załączeniu się sprężarki „II” przeskok na charakterystykę „I+II” w punkt pracy o wyższej wydajności niż wynika to z zapotrzebowania. Podobnie jest przy spadku wydajności. Traci się tym samym efekt ciągłości, a więc to czym różni się zespół z inverterem od zespołu wyłącznie ze sprężarkami o stałych obrotach.

W różnych publikacjach, prospektach i informacjach dotyczących zespołów sprężarkowych ze sprężarką inverterową, stosowanych zarówno w chłodnictwie jak i w klimatyzacji, współpracę sprężarek przedstawia się w sposób popularny (rys. 4.). Chociaż uproszczony, sposób ten jest wystarczający do zobrazowania procesu. Wykres taki odnosi się do współpracy przy idealnym doborze charakterystyk. Wydajność sprężarki inwerterowej przy maksymalnych obrotach, w chwili załączania kolejnej sprężarki stało obrotowej, jest wyższa od wydajności tej sprężarki o wydajność przy minimalnych obrotach, na które po załączeniu nowej sprężarki przechodzi sprężarka inverterowa. Przy takiej konfi guracji sprężarka inverterowa jako prowadząca pracuje cały czas, natomiast sprężarki pozostałe dołączane są w zależności od potrzeb.

Analiza pracy i poprawności doboru sprężarek

Uproszczony wykres współpracy sprężarek może posłużyć do wstępnej oceny doboru sprężarek pracujących w zespole oraz analizy ich pracy w punktach załączania lub wyłączania. Na rysunku 5. przedstawiono trzy przypadki różnego doboru sprężarek współpracujących przy założeniu, że sprężarka inverterowa pracuje w najkorzystniejszym przedziale częstotliwości:

a) pierwszy to poprawny dobór;

b) drugi charakteryzuje się zbyt niską wydajnością sprężarki stałoobrotowej – co powoduje nadmiar wydajności sprężarki inverterowej w chwili uruchamiania sprężarki stałoobrotowej, a następnie przeskok do pracy przy minimalnych obrotach i szybki wzrost obrotów do osiągnięcia wymaganej wydajności. Powoduje to pewne wahnięcie wydajności agregatu, lecz zasadniczo nie powinno zaburzyć ciągłości regulacji;

c) trzeci dobór ma za dużą sprężarkę stałoobrotową i po jej załączeniu, pomimo zejścia z obrotami do minimum, punkt pracy przeskakuje na górną gałąź charakterystyki. Brak jest w tym obszarze ciągłości regulacji, co jak już wspomniano pozbawia zespół sprężający jego głównego atutu.

Rys. 5. Różne rodzaje „dopasowania” sprężarki inverterowej i stałoobrotowej: a) sprężarki dobrane poprawnie, b) sprężarka stałoobrotowa za mała – strefa podwójnego punktu pracy, c) sprężarka stałoobrotowa za duża – strefa braku punktu pracy [3]

W drugim przypadku wystarczy ograniczyć częstotliwość tak, aby przełączanie na pracę zespołową odbywało się przy odpowiedniej wydajności, co zapobiegnie wahnięciom wydajności przy przełączaniu, lecz obniży maksymalną wydajność zespołu sprężarek. W przypadku trzecim należy wymienić na mniejszą sprężarkę stałoobrotową lub na większą sprężarkę inverterową.

Z kolei na rysunku 6. przedstawiono praktyczny przykład poprawnego doboru sprężarek. Sprężarka inverterowa pracuje w przedziale 35÷100 Hz. Charakterystyka jest prawie liniowa. Zmiana wydajności od 5,3 do 40 kW, a więc 7,5-krotna.

Rys. 6. Praktyczny przykład zestawienia sprężarki inverterowej i o stałych obrotach [3]

Zespoły sprężarkowe ze sprężarkami inverterowymi produkcji AREA Cooling Solutions serii „i-Racks” 

Zespoły serii i-Racks budowane są w dwóch wersjach:

1. Na bazie sprężarek hermetycznych, scroll fi rmy Sanyo (rys. 7.) w konfiguracjach 1+2÷4 (jedna sprężarka inverterowa i do czterech sprężarek stałoobrotowych. Całość umieszczona jest na ramie przestrzennej o zwartej budowie zajmującej możliwie mało miejsca, jednak zapewniającej dobry dostęp podczas czynności serwisowych Orientacyjny zakres wydajności od 20 do 50 kW. Jednostki te posiadają bogate wyposażenie, na które składa się:

• odolejacz, zbiornik oleju, elektroniczny regulator poziomu oleju, instalacja olejowa;
• separator cieczy na ssaniu: filtr ssawny z wymiennym wkładem;
• duży zbiornik cieczy czynnika, fi ltr na linii cieczowej;
• szafę elektryczną z kompletną instalacją, inverterem i sterownikiem;
• presostaty i manometry wysokiego i niskiego ciśnienia.

2. Na bazie sprężarek półhermetyczcych np. GEA BOCK wyposażonych w fabrycznie przygotowaną sprężarkę inverterową oraz sprężarki o stałych obrotach. Wydajność chłodnicza powyżej 50 kW. Zespoły te pracują w trybie sprężarka wiodąca (inverterowa) – pracująca praktycznie bezustannie – oraz sprężarki stałoobrotowe – załączane sekwencyjnie lub rotacyjnie. Czas pracy sprężarki wiodącej jest niewspółmiernie duży w porównaniu z pozostałymi.

Rys. 7. Agregat sprężający wyposażony w trzy sprężarki hermetyczne 1 + 2 serii „ I-Racks” (Q = 22÷50 kW)

Zgodnie z deklaracją producentów sprężarek, prawie wszystkie sprężarki półhermetyczne nowego typu mogą współpracować z falownikami. Na bazie produkowanych zespołów sprężarkowych ze sprężarkami firm: BITZER, BOCK, FRASCOLD mogą być oferowane zespoły inverterowe z inverterem przełączalnym okresowo na kolejne sprężarki. Pozostałe sprężarki pracują rotacyjnie. Daje to wyrównanie czasu pracy poszczególnych sprężarek, a więc ich równomierne zużycie, zmniejsza liczbę załączeń, a więc zwiększa żywotność i niezawodność. Z uwagi na wyższą wydajność przy podwyższonych częstotliwościach może wystąpić przypadek przedstawiony na rysunku 5b., co można niwelować ograniczając wzrost częstotliwości. Uzyskuje się ciągłą regulację w pełnym przedziale wydajności.

Wielosprężarkowe agregaty sprężające produkowane są praktycznie pod zamówienie i dostosowywane do wymagań stawianych przez zamawiającego. Wszelką pomoc w przygotowaniu założeń można uzyskać konsultując się z wyspecjalizowanym personelem firmy.

Zintegrowane zespoły skraplające serii „i-Cool” produkcji AREA Cooling Solutions 

Prawdziwym „hitem” są inverterowe agregaty skraplające serii „i-Cool” (rys. 8.), produkowane w czterech wielkościach dla temperatury odparowania od +10 do -15°C oraz w dwóch wielkościach dla -20 do -45°C. Wszystkie podzespoły umieszczone są w obudowie wykonanej w technologii „silent”, a więc są znacznie wyciszone – max 44 dB(A). Bardzo bogate wyposażenie zawiera:

• sprężarkę inverterową lub dwie sprężarki w tym jedną inverterową produkcji Sanyo/Panasonic lub Bristol;
• wentylatory skraplacza typu EC + regulator obrotów;
• odolejacz;
• separator cieczy na ssaniu;
• presostaty niskiego i wysokiego ciśnienia;
• instalację elektryczną zasilania i sterowania wraz z inverterem i sterownikiem;
• zbiornik ciekłego czynnika, filtr odwadniacz, wziernik, zawór odcinający.

Rys. 8. Agregaty sprężająco-skraplające wyposażone w sprężarki inverterowe serii „i-Cool”

Zmiana częstotliwości w zakresie od 30 do 90 Hz pozwala na zmianę wydajności chłodniczej o ok. 230%. Oszczędności w poborze energii elektrycznej dochodzą do 28% w stosunku do rozwiązań tradycyjnych. W wyniku zastosowania układu inverterowego uzyskuje się dodatkowo łagodny rozruch, brak udarów mechanicznych oraz wysoki moment rozruchowy, co wpływa na trwałość i niezawodność urządzenia.

Nominalne wydajności dla obecnie dostępnych urządzeń serii HP przy parametrach -5/32°C wynoszą:

• i-Cool – 4,5 HP 5 030 W;
• i-Cool – 10 HP 11 680 W;
• i-Cool – 17T HP 20 930 W;
• i-Cool – 21T HP 24 190 W; a dla serii LP parametrach -35/+32°C:
• i-Cool – 10 LP 8.490 W;
• i-Cool – 17T LP 13,700 W.

Wynikiem nieprzerwanych prac rozwojowych w fi rmie Area Cooling Solutions jest nowy typoszereg agregatów i-Cool wyposażonych w wentylator promieniowy. Dzięki wyposażeniu agregatów w ten typ wentylatora z możliwością podłączenia instalacji kanałowej urządzenia te mogą być montowane wewnątrz budynków (rys. 9).

Rys. 9. Agregat sprężająco-skraplający serii „i-Cool” wyposażony w sprężarki inverterowe i wentylator promieniowy

Inną nowością, która pojawi się na runku, będzie agregat i-Cool produkcji Area Cooling Solutions wyposażony w sprężarkę GMCC (rys. 1c). Będzie to kolejny model urządzenia z serii i-Range, agregat o mocy poniżej 4,5kW (-5/32°C) na bazie sprężarki DC, opracowany w celu uzyskania jeszcze szerszego zakresu pracy. 

Dobór urządzeń do konkretnych zastosowań może być dokonany lub wspomagany przez przedstawicieli handlowych oraz konstruktorów producenta.

Aplikacje

Stosowanie agregatów chłodniczych z inverterami jest szczególnie zalecane tam, gdzie występuje ciągła konieczność odbioru ciepła przy zmiennym obciążeniu. Chwilowe dopasowywanie wydajności do zapotrzebowania powoduje to, iż pobór mocy elektrycznej jest zbliżony do optymalnego. Przejawia się to znaczną oszczędnością energii zakupionej. Tym samym zwiększone nakłady inwestycyjne spowodowane ceną invertera zwracają się w bardzo krótkim okresie eksploatacji. Kolejny krok naprzód można zrobić wprowadzając zawory rozprężne z silnikami krokowymi oraz sterowniki pacy wentylatorów skraplaczy pozwalające na pracę sprężarek przy możliwie najniższym poborze energii, wprowadzając tzw. sterowanie minimalno-kosztowe.

Podsumowanie

Biorąc pod uwagę rosnącą „długowieczność” instalacji chłodniczych oraz przedstawione własności i możliwości urządzeń z inverterami, warto aby zagadnieniem tym zainteresowani byli nie tylko projektanci i wykonawcy ale również inwestorzy i użytkownicy. To oni ponoszą ciężar inwestycji i zainteresowani są maksymalizacją zysku „per saldo”. Omawiane urządzenia dają takie możliwości w porównaniu do instalacji „już tradycyjnych”.

Doboru agregatów należy dokonywać w oparciu o założenia technologiczno-techniczne z katalogów producenta. W przypadku skomplikowanych rozwiązań lub układów nietypowych zalecany jest kontakt z producentem lub przedstawicielem handlowym firmy Area Cooling Solutions Sp. z o.o.

dr inż. Adam ŻÓŁTANIECKI
Emerytowany pracownik Zakładu Chłodnictwa i Pomp Ciepła
Politechniki Wrocławskiej

Producent i dystrybutor:
AREA Cooling Solutions Sp. z o.o.
ul. Relaksowa 27
55-080 Nowa Wieś Wrocławska
tel./fax +48 71 354 56 24
Adres poczty elektronicznej jest chroniony przed robotami spamującymi. W przeglądarce musi być włączona obsługa JavaScript, żeby go zobaczyć. / www.area.pl

LITERATURA:

[1] ŻÓŁTANIECKI A.: Zastosowanie sprężarek spiralnych Sanyo. Ch&K, 2013, nr 4, str. 22-27.

[2] ŻAK M. ŻÓŁTANIECKI A.: Charakterystyka zespołu sprężającego ze sprężarką o ciągłej regulacji obrotów, Ch&K, 2006, nr 9, str. 78-82.

[3] Materiały firmy SANYO/PANASONIC.

[4] Materiały firmy AREA Cooling Solutions.

[5] Materiały firmy GEA BOCK.

[6] Materiały firmy BRISTOL.

[7] Materiały firmy GMCC.