Prawda o sprężarkach typu scroll cz. 2

Sprężarki spiralne dla układów klimatyzacyjnych i z odparowaniem powyżej 0oC są bardzo dobrym rozwiązaniem. Dlatego większość aktualnie produkowanych urządzeń klimatyzacyjnych i chillerów jest właśnie wyposażanych w sprężarki typu scroll.

Teza, że przy tej samej wydajności
objętościowej wydajność chłodnicza
sprężarek typu scroll jest większa od
wydajności sprężarek tłokowych jest
tylko połowicznie prawdą, o czym
sam kiedyś się przekonałem. Porównując
sprężarkę spiralną ze sprężarką
tłokową, można zauważyć, że faktycznie
sprężarka ta przy stosunkowo
małej wydajności objętościowej ma
dość dużą wydajność chłodniczą. Zależność ta, niestety, jest prawdziwa
tylko przy określonych parametrach
pracy sprężarki. Zgodnie z normą
EN 12900 przy doborze sprężarek
proponuje się następujące parametry
przedstawione w tabeli 1.
Tabela 1:

Analizując
tę tabelę, można powiedzieć, że tylko
parametry dla instalacji klimatyzacyjnych
odpowiadają rzeczywistym.
Natomiast parametry dla instalacji
chłodniczych i mroźniczych
są całkowicie oderwane od rzeczywistości.
Wiele razy próbowałem ustalić,
dlaczego takie parametry stosuje
się w katalogach. Niestety, jedynym
wyjaśnieniem, jakie usłyszałem jest
to, że są to parametry stosowane
przez wszystkich producentów
i dzięki temu można w łatwy sposób
porównywać i dobierać sprężarki.
I taka jest, niestety, prawda. Prawie
wszystkie katalogi producentów
sprężarek podają wydajności i moc
pobieranà przez sprężarkę przy tych
właśnie parametrach. Przez wiele lat
dobierając sprężarki z katalogów producentów,
nie miałem żadnych problemów
z brakiem wydajności chłodniczej.
Jednak przy wyborze sprężarki
typu scroll z katalogu (przy założeniu,
że temp. na ssaniu wynosi
+20°C) może tej mocy zabraknąć.
Sam doświadczyłem tej nieprzyjemnej
niespodzianki, która można powiedzieć
wiele mnie kosztowała.
Uważam, że całkowicie bezcelowe
jest drukowanie katalogów do doboru
sprężarek, gdzie przyjmuje się
temperaturę na ssaniu +20°C. Jest
to nawet wprowadzanie w błąd projektantów,
monterów i użytkowników.
Dlatego uważam, że zasadę tą
należy jak najszybciej zmienić, być
może zmieniając nawet normę EN
12900. W przeciwnym wypadku będzie dochodziło w dalszym ciągu do
niepotrzebnych nieporozumień
i opinii, że np. sprężarki scroll nie nadają
się do niskich temperatur odparowania,
nie osiągają swych wydajności
w niskich temperaturach itp.
Niektórzy starsi monterzy mogliby
powiedzieć, że oni zawsze porównywali
sprężarki nie za pomocą wydajności
przy jakichś tam parametrach
tylko przez porównanie wydajności
objętościowych oraz sprawdzenie zakresu
pracy danej sprężarki i możliwości
współpracy z danym czynnikiem
chłodniczym. Metoda ta była
dobra, ale tylko wtedy, gdy mieliśmy
do czynienia ze sprężarkami półhermetycznymi.
Od kiedy są w użyciu
sprężarki spiralne, metoda ta również nie jest dobra, ponieważ, jak
wspominałem wcześniej, przy tej samej
wydajności objętościowej wydajność
chłodnicza sprężarek typu scroll
jest większa od wydajności sprężarek
tłokowych. Niestety, proporcje te
w zależności od temperatury odparowania
również się zmieniają.
Tabela 2: Typowe warunki pracy dla biur i budynków przemysłowych

Aktualnie najbardziej właściwym
sposobem doboru sprężarek wydaje
się korzystanie z komputerowych
programów doborowych oferowanych
przez producentów sprężarek. Możemy
wówczas zmienić parametry doboru
poprzez zmianę przegrzania lub
temperatury na ssaniu sprężarki.
W praktyce wielkość przegrzania wynosi
od 5 do 10 K. I tak, moim zdaniem,
należy przyjmować parametry
pracy sprężarek przy ich doborze.
Inna podawana zaleta brzmi, że
w przypadku sprężarki spiralnej pobór
mocy jest prawie niezależny od
temperatury odparowania. Czy jest
to zaleta? Należy się zastanowić.
Ogólnie wiadomo, że im niższa temperatura
odparowania, tym wydajność
sprężarki mniejsza i odwrotnie.
Wraz z obniżaniem się wydajności
chłodniczej maleje również pobór
mocy elektrycznej przez sprężarkę.
Niestety zmiany te nie są proporcjonalne.
Ogólnie wydajność chłodnicza
maleje szybciej (w przypadku obniżania temperatury odparowania) niż
pobierana moc elektryczna. Współczynnik wydajności chłodniczej, obrazujący
stosunek wytworzonej mocy
chłodniczej do pobranej mocy elektrycznej
np. dla sprężarek tłokowych
przy temperaturze odparowania
+5°C wynosi ok. 2,2, a przy temperaturze
odparowania -15°C wynosi już tylko ok. 1,2. W przypadku
sprężarek spiralnych wygląda
to bardzo dobrze przy
temperaturze odparowania
+5°C, COP = 2,8. Natomiast
przy temperaturze odparowania
-15°C wynosi również ok. 1,2. Przy temperaturach
poniżej -15°C sprężarka
spiralna będzie najczęściej
miała już gorszy współczynnik
wydajności chłodniczej
od sprężarki tłokowej. Czyli
do wyprodukowania 1 kW
mocy chłodniczej zużyje
więcej energii elektrycznej.
Poprawę parametrów w przypadku
sprężarki spiralnej daje zastosowanie
ekonomizera. Polega to na zastosowaniu
dodatkowego wymiennika
(najczęściej płytowego), w którym
następuje dochłodzenie skroplonego
czynnika chłodniczego z jednej strony,
z drugiej strony ten sam czynnik
chłodniczy kierowany jest na zawór
rozprężny przed ekonomizerem. Po
odparowaniu czynnik wtryskiwany
jest do sprężarki,
którą dodatkowo wychładza.
Dzięki temu rozwiązaniu
wydajność
chłodnicza może wzrosnąć
nawet o 25%,
a współczynnik wydajności
COP o 15%.

Schemat obiegu z systemem ECO
Jest jeszcze jedna
bardzo ważna rzecz
przemawiająca za stosowaniem sprężarek spiralnych. Sprężarki typu
scroll są coraz częściej stosowane
w zestawach sprężarkowych. Dlaczego?
Wiadomo, że w ciągu całego roku
obciążenie instalacji klimatyzacyjnych
i chłodniczych cały czas się
zmienia. Praktycznie praca układu
z wykorzystaniem 100% mocy chłodniczej
występuje przez bardzo krótki
okres (ok. 2%). Prawie 40% całkowitego
czasu pracy instalacji pracuje
ona z wydajnością 60-70%. Natomiast
w okresie ponad 1/3 roku zapotrzebowanie
mocy chłodniczej wynosi
poniżej 50%. Z tego powodu potrzebna
jest jak najlepsza i najbardziej
ekonomiczna regulacja wydajności.
Również w procesach technologicznych,
kiedy zależy nam na
szybkim dopasowaniu mocy chłodniczej
do aktualnych potrzeb wskazana
jest kilkustopniowa regulacja. Dlatego
zamiast stosować jedną lub dwie
duże sprężarki półhermetyczne lub
śrubowe lepszym rozwiązaniem wydaje
się zastosowanie kilku sprężarek
mniejszej mocy, np. spiralnych.
Wszystkie sposoby regulacji wydajności
w układzie z jedną sprężarką
obniżają w rzeczywistości sprawność
sprężarki. Przetwornica
częstotliwości
o ok. 10%, dwie
prędkości silnika o ok. 20%,
unoszenie zaworów do 25%,
a by-pass lub dławienie na ssaniu
nawet do 50%. Natomiast
regulacja załączania
i wyłączania kolejnych sprężarek pozwala
nawet na zwiększenie sprawności
całego układu. Jak to uzyskujemy?
Przy pracy w układzie np. dwóch
sprężarek skraplacz dobieramy na
maksymalną moc chłodniczą lub maksymalne
ciepło skraplania. W przypadku
pracy jednej sprężarki przy tej
samej temperaturze zewnętrznej mamy
w dalszym ciągu do wykorzystania
całą powierzchnię skraplacza. Dzięki
temu obniża się temperatura skraplania.
Przy niższej temperaturze skraplania
sprężarka ma większą wydajność
chłodniczą a jednocześnie zużywa
mniej energii elektrycznej. Współczynnik wydajności rośnie.
Następną ważną sprawą jest bezpieczeństwo.
Jeżeli budujemy układ
chłodniczy, którego awaria powoduje
duże straty w postaci zniszczonych
produktów spożywczych
lub wstrzymania całkowicie procesu
produkcyjnego, to przy
awarii jednej dużej sprężarki należy się liczyć z długim terminem
jej naprawy. Natomiast
przy zastosowaniu kilku mniejszych
sprężarek, wyłączenie
jednej często nie powoduje dużych zakłóceń w pracy całego
systemu oraz jest bardzo prawdopodobne,
że w krótszym czasie
uda się jà naprawić lub wymienić
na inną. Również koszty
wymiany sprężarki ze względu
na wagę i wymiary będą mniejsze. Nie
mówiąc już o koszcie samej sprężarki.
Podsumowując,
można powiedzieć, że sprężarki
spiralne dla układów klimatyzacyjnych
i z odparowaniem powyżej 0°C
są bardzo dobrym rozwiązaniem. Dlatego
większość aktualnie produkowanych
urządzeń klimatyzacyjnych
i chillerów jest właśnie wyposażanych
w sprężarki typu scroll. W zakresie
niskich temperatur nie można jednoznacznie
powiedzieć, że są złe. Na
pewno nie są tak rewelacyjne jak dla
klimatyzacji. Dobierając sprężarki do
instalacji chłodniczych i mroźniczych
należy dokonać analizy ekonomicznej
przed wyborem np. jednej sprężarki
półhermetycznej lub kilku sprężarek
spiralnych. Najważniejszymi kosztami,
którymi mogą się różnić te dwa
rozwiązania są cena zakupu sprężarki
i koszt jej eksploatacji, czyli najczęściej koszt energii elektrycznej, którą
zużyje sprężarka. Po zsumowaniu
tych dwóch kosztów dla określonego
czasu, możemy się dowiedzieć, które
rozwiązanie jest lepsze.
Należy również pamiętać o bezpieczeństwie.
Rozumiejąc, że im
więcej jest sprężarek, tym jest ono
większe. Zachęcam zatem do porównywania
tych kosztów i sprawdzania
parametrów pracy sprężarek. Jeżeli
jednak coś porównujemy, to zawsze
powinniśmy to robić przy tych samych
warunkach, jak najbardziej
zbliżonych do rzeczywistych.
Przemysław Flagmański
W artykule wykorzystano rysunki i informacje
z materiałów szkoleniowych firmy
Copeland.