Vanha Nurmijärventie VANTAA Puh Faksi Lentokentänkatu 7 PL TAMPERE Puh Faksi

Transkriptio

1 Vanha Nurmijärventie VANTAA Puh Faksi Lentokentänkatu 7 PL TAMPERE Puh Faksi

2 Muuttuvanopeuksiset kompressorit vedenjäähdyttimissä ISAC Innovatiiviset Ratkaisut Nykyaikaisia jäähdyttimiä määrittävät erilaiset uudenlaiset teknologiset ratkaisut. Innovaatioista kiinnostavimpiin kuuluvat muuttuvanopeuksiset kompressorit, jotka toimivat tavallisesti invertterillä. Nämä kompressorit erottuvat joukosta tarjoamalla merkittäviä hyötyjä ja korkeaa luotettavuutta. Niitä voidaan soveltaa moniin tarpeisiin ja eri toimintaparametreille. Uniflair ISA* ja ISC* jäähdyttimet käyttävät tätä teknologiaa yhdessä muiden teknologisten ratkaisujen kanssa, optimoiden siten savutettavat hyödyt. Nämä koneet on varustettu kahdella scroll-kompressorilla, joista toinen toimii invertterillä samassa jäähdytyspiirissä. Tämä ratkaisu, joka on mahdollinen ainoastaan patentoimamme optimoidun tandemkompressorien voitelun hallinnan ansiosta, tuottaa useita hyötyjä.

3 Muuttuvanopeuksisten kompressorien hyödyt Korkeampi tehokkuus osakuormituksella, koska jäähdytysteho voidaan säätää portaattomasti ja sopeuttaa kuormitukselle ja koska kaksi kompressoria on asennettu samalle jäähdytyspiirille Jäähdytystehon säätö laajalla toiminta-alueella, esim. 10%:sta 100%:iin portaattomasti Korkea tarkkuus jäähdytysveden lämpötiloissa (±0,2 C), koska invertteri mahdollistaa portaattoman säädön Alhaisempi ottovirta, koska invertteri pitää kompressorien tehokertoimet vakiona Alhaisempi maksimiottovirta (LRA), koska invertterillä toimiva kompressori voidaan aina käynnistää matalalla nopeudella Alhaisempi melutaso osakuormituksella (esimerkiksi yökäytössä) Korkeampi järjestelmän luotettavuus, koska kompressorin käynnistyksiä ja sammutuksia tarvitaan vähemmän ja koska mekaaninen ja sähköinen kuormitus on alhaisempaa Vähemmän tai ei ollenkaan vesisäiliöitä hydraulilinjoilla Energiatehokkuus Yksi suurimmista hyödyistä, mitä saavutetaan kompressoreilla, joiden jäähdytystehoa voidaan säätää portaattomasti, on, että nämä koneet voivat tarjota Kuva 1 - ISA*- ja ISC*-koneet on varustettu kahdella scrollkompressorilla samassa jäähdytyspiirissä, toinen kiinteänopeuksinen ja toinen muuttuvanopeuksinen. tarkalleen sen jäähdytystehon, joka tarvitaan lämpökuorman poistamiseksi. Täten vältetään porrastetun jäähdytystehon järjestelmille tyypillinen tilanne, jossa jäähdytystä tarjotaan korkeammalla tasolla kuin olisi varsinaisesti tarpeen. Erilaisia teknisiä ratkaisuja analysoitaessa on tärkeää erottaa tandemsovellukset perinteisemmistä kahden eri jäähdytyspiirin sovelluksista. Toinen tärkeä muuttuvanopeuksisia kompressoreja koskeva kysymys on itse kompressorin oikea voitelu. Oikean öljynpalautuksen varmistamiseksi jäähdytyspiirissä, jossa on yksi tai useampi kompressori rinnan kytkettynä, ne on liitettävä öljytason tasaajaan, oikean kokoisella imu- ja paineputkistolla. Tällöin kompressorit käyttäytyvät kuin yksi kompressori, mikä mahdollistaa paremman voitelun.

4 Järjestelmässä, jossa on muuttuvanopeuksinen kompressori rinnan yhden tai useamman kiinteänopeuksisen kompressorin kanssa, ei voida toteuttaa öljyntasausta, koska muuttuvanopeuksinen kompressori luo imupaineen eroja, jotka johtavat öljytasojen eroihin. Eriävät öljytasot voisivat täyttää tai tyhjentää kompressorin katastrofaalisin seurauksin. Näistä syistä invertterillä toimivia kompressoreja ei pitäisi teoriassa asentaa rinnan muiden kompressorien kanssa. Silloin menetettäisiin tandemkäytön osakuormituksella tuomat merkittävät hyödyt. Uniflairin kehittämä ja patentoima järjestelmä (kts. sitä esittelevä kohta tuonnempana) varmistaa oikean voitelun järjestelmissä, joissa on muuttuvanopeuksisia ja kiinteänopeuksisia kompressoreja. Muuttuvanopeuksisen ja kiinteänopeuksisen kompressorin yhdistäminen samaan piiriin mahdollistaa jäähdytystehon optimaalisen säädön kahden kompressorin yhteisellä hallinnalla, mikä maksimoi tehokkuuden osakuormituksella. Parhaan ratkaisun tunnistamiseksi on vertailtava: järjestelmää, jossa on muuttuvanopeuksisia ja kiinteänopeuksisia kompressoreja kahdessa eri jäähdytyspiirissä järjestelmää, jossa on muuttuvanopeuksisia ja kiinteänopeuksisia kompressoreja samassa jäähdytyspiirissä. Kuvassa 2 esitetystä analyysistä nähdään, että tehokkuus maksimoidaan kaikilla kuormitusolosuhteilla ratkaisulla, jossa käytetään invertteriä yhdessä tandem-toiminnon kanssa. Kuva 2- Vertailu eri konetyyppien välillä: toisessa muuttuvanopeuksinen ja kiinteänopeuksinen kompressori kahdessa eri jäähdytyspiirissä, toisessa muuttuvanopeuksinen ja kiinteänopeuksinen kompressori samassa jäähdytyspiirissä

5 Tandem -järjestelmä Käyttämällä useita kompressoreja rinnan kytkettyinä samassa piirissä voidaan nostaa energian hyötysuhdetta verrattuna useilla piireillä toimiviin koneisiin. Lämmönvaihtimet on mitoitettu koneen täydelle teholle, niin että kun jäähdytin toimii osakuormituksella, vaihtimien lämpöhäviöt vähenevät (höyrystyslämpötilan nousun ja lauhdutuslämpötilan laskun ansiosta), parantaen tehokkuutta verrattuna toimintaan täydellä kuormituksella. ISA*/ISC*-mallit, joissa on yksi kiinteänopeuksinen ja yksi muuttuvanopeuksinen kompressori rinnan samassa jäähdytyspiirissä, laajentavat tätä toimintoa, optimoiden siten tehokkuuden kaikilla kuormitusolosuhteilla. Kuva 3 - Jäähdytyskaavio ISA*/ISC*-koneille Kuva 4 - Kompressorien tandem - toiminta

6 Kuva 5 Kuva 6 Kuvat 5 ja 6 Kylmäkerroin (EER) eri jäähdytyskuormilla, vertailua kahdenlaisten järjestelmien välillä: toisessa kaksi ON/OFF scroll-kompressoria samassa jäähdytyspiirissä, toisessa ISAC-koneita. Olosuhteet: poistoveden lämpötila: 7 C, ulkolämpötila: 35 C (kuva 5) ja 25 C (kuva 6).

7 Kuvissa 5 ja 6 vertaillaan koneita, joissa on perinteinen tandemjärjestelmä, koneisiin, jotka toimivat invertterillä. Kuvaajat näyttävät energian hyötysuhteen (EER) muutokset suhteessa kuorman muutoksiin, kun vertaillaan koneita, joissa on kaksi ON/OFF scroll-kompressoria samassa piirissä, ISAC-koneisiin (jäähdyttimiä, joilla on kiinteänopeuksinen kompressori ja muuttuvanopeuksinen kompressori samassa piirissä). Sekä korkeilla ulkolämpötiloilla (35 C) että leudommilla (25 C) voidaan huomata, että muuttuvanopeuksinen kompressori yhdistettynä tandem-toiminnolla toiseen kompressoriin tuottaa optimoidun tehokkuuden kaikilla kuormitusolosuhteilla. Tämä tulos on myös helposti nähtävissä, kun vertaillaan ESEERja IPLV-arvoja ISAC- ja ERACkoneiden välillä (joista jälkimmäinen on samankaltainen Uniflairin konemallisto, joissa on kaksi perinteistä scrollkompressoria samassa jäähdytyspiirissä). Energiatehokkuuskertoimet Energiatehokkuuskertoimet määrittävät jäähdyttimen käyttäytymisen tietyissä tilanteissa. On nimellisolosuhteisiin viittaavia energiatehokkuuskertoimia sekä vuodenaikaisia energiatehokkuuskertoimia, jotka ovat luotettavampia ja mahdollistavat vuoden keskimääräisen energiankulutuksen laskemisen. Keskeisimmät kertoimet ovat lämpökerroin eli COP (Coefficient of Performance) ja kylmäkerroin eli EER (Energy Efficiency Ratio). Merkittäviä ovat myös IPLV (Integrated Partial Load Value) ja ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio = Euroopan Unionin vuodenaikainen ). Näitä kertoimia lasketaan kriteereillä, joiden avulla voidaan analysoida jäähdyttimen käyttäytymistä tietyissä toimintaolosuhteissa koko vuoden ajalta yhdellä ainoalla luvulla. Nämä parametrit ovat käytännössä keskiarvoja kylmäkertoimesta eri kuormituksilla (100%, 75%, 50% ja 25%) ja eroavat toisistaan sen osalta, millaiset painotukset niissä on ja millaisissa olosuhteissa eri kylmäkertoimet lasketaan. PE100% x EER100% + PE75% x EER 75% + PE50% x EER 50% + PE25% x EER 25% IPLV - ESEER Missä: PE on kullekin toimintaolosuhteelle annettu painotus EER on energian hyötysuhde eri kuormitusolosuhteissa

8 Kuva 7- Vertailua perinteisten ja ISACkoneiden IPLV-arvojen välillä Kuva 8 Vertailua perinteisten ja ISACkoneiden ESEER-arvojen välillä Analysoimalla muuttuvanopeuksisilla kompressoreilla varustettuja ratkaisuja ja ottamalla huomioon eri energiatehokkuuskertoimia ISACja ERAC-koneille on selvää, että suurin hyöty saavutetaan kuormituksen ollessa 30%-80%, kun kone on varustettu kiinteänopeuksisella kompressorilla, joka toimii kääntämällä itsensä päälle ja pois. Taulukko 1 Vertailua perinteisten ja ISACkoneiden ESEER-arvojen välillä Nämä kuormitusolosuhteet ovat usein kaikkein yleisimpiä, mikä johtaa vuosittaisen energiankulutuksen huomattavaan laskuun. Malli 0621A 0921A 1221A Nimellinen jäähdytysteho kw E.S.E.E.R ISAC ERAC Delta +10% +9% +8%

9 Tarkkuutta jäähdytysveden lämpötilan säädössä Koneet, joilla on useampi kuin yksi kiinteänopeuksinen kompressori, reagoivat kuormitusolosuhteisiin kääntämällä kompressoreja päälle ja pois. Menetelmä johtaa jäähdyttimen tuottaman lämpötilan laskuihin, joita tavallisesti tasapainottaa ja lieventää keräyssäiliö (kts. kuva 9). ISA*/ISC*-koneissa yhdistetään muuttuvanopeuksinen kompressori kiinteänopeuksisen kompressorin kanssa, jolloin voidaan säätää kuormitusta portaattomasti välillä %. Siksi ohjausjärjestelmä, valvomalla sisään menevän ja ulos tulevan veden lämpötiloja ja säätämällä jäähdytystehoa, mahdollistaa jäähdytys- ja lämmitysveden lämpötilan vakauttamisen tarkkuudella ±0,2 C jopa asetusarvolla, joka asetetaan olosuhteissa, joissa lämpökuorma muuttuu nopeasti. ISA*/ISC*-koneet ovat siis erityisen sopivia tilanteisiin, joissa tarvitaan korkeaa vakaustasoa tai joissa kuormitus vaihtelee merkittävästi. Malli 0621A 0921A 1221A Nimellinen jäähdytysteho kw kuormitus 10%-100% nimellisarvosta ERAC +1 C ISAC +0,2 C kuormitus <10% nimellisarvosta ERAC +1,6 C ISAC +0,7 C Taulukko 2- Vertailua koneiden takaamien paineiden välillä, koneilla, joissa on kaksi kiinteänopeuksista scroll-kompressoria, ja koneilla, joissa on kaksi scrollkompressoria, joista toinen on kiinteänopeuksinen ja toinen muuttuvanopeuksinen

10 Kuva 9 Ulostulevan jäähdytysveden lämpötilan huojunta koneella, jossa on kaksi kiinteänopeuksista scroll-kompressoria (ERAC) Kuva 10 Ulostulevan jäähdytysveden lämpötilan huojunta koneella, jossa on kaksi scrollkompressoria, joista toinen on kiinteänopeuksinen ja toinen muuttuvanopeuksinen (ISAC)

11 Kompressorien ja muuttuvanopeuksisten järjestelmien luotettavuus Muuttuvanopeuksisten kompressorien käyttö lisää järjestelmän luotettavuutta. Maksimiottovirrat (LRA) ovat alhaisempia, koska invertterillä toimivat kompressorit voidaan käynnistää matalilla nopeuksilla ja niitä voidaan käyttää vähemmillä käynnistyksillä ja sammutuksilla, jotka ovat mekaanisen ja sähköisen kuormituksen lähteitä. Eräs huomioitava perusseikka on kompressorien oikea voitelu. Sitä varten on kehitetty erityisiä tekniikoita sekä kompressorille että piirille. Kompressorin voitelu Tämä kompressori on tehty toimimaan eri nopeuksilla niin, että sen jäähdytysteho muuttuu tarpeen mukaan. Sen oma rakenne ohjaa sopivan voitelun eri kuormitusolosuhteilla. Pyörimisnopeuden ja kylmäaineen massan muuttaminen muuttaa siis kompressorin läpi kulkevan öljyn määrää, mikä vaikuttaa sopivaan voiteluun ja siten luotettavuuteen. ISA*- ja ISC*-koneisiin asennetun kompressorin mukana tulee siis sisäinen ohitusputki, joka liitetään solenoidiventtiiliin, joka ohjaa öljyn tuloa kompressorille. Minimoidakseen öljyn kiertosuhteen (OCR, oil circulation ratio, eli öljyn määrän ja kylmäaineen massan suhde), kompressori erottaa kylmäaineen öljystä korkeilla nopeuksilla: sisäinen ohitusputki aktivoituu, kun kompressori toimii korkealla nopeudella. Kuva 11- Öljyn määrän ja kylmäaineen massan suhde (OCR) perinteisillä muuttuvanopeuksisilla kompressoreilla ja sellaisilla, joissa on öljyn ohitusjärjestelmä

12 Muuttuvanopeuksisten scrollkompressorien voitelu monen kompressorin piireissä (Uniflairin patentti) Oikean öljynpalautuksen varmistus kylmäainepiirissä, jossa yksi tai useampi kompressori toimii rinnan kiinteällä nopeudella, on varsin herkkä ja kriittinen kysymys, joka on perinteisesti ratkaistu antamalla kompressorien kommunikoida öljyn tasaajan kanssa ja mitoittamalla sopivasti imusäiliö ja poistoveden säiliö. Tällä tavoin kompressorit toimivat melkein kuin yksi ainoa kompressori, ja öljytaso on enemmän tai vähemmän sama kaikilla kompressoreilla, mikä mahdollistaa optimaalisen voitelun. Järjestelmässä, jossa on muuttuvanopeuksinen kompressori toiminnassa yhden tai useamman kiinteänopeuksisen kompressorin kanssa, tasausjärjestelmä ei toimi, koska muuttuvanopeuksinen kompressori luo eri imupaineet ja siten myös eri öljytasot, jotka voivat täyttää tai tyhjentää kompressorin. Uniflairilla on patentoitu järjestelmä, joka varmistaa oikeat öljytasot ja öljynpalautuksen jäähdytyspiirissä, jossa on rinnan yksi tai useampi scrollkompressori. Se perustuu erityiseen piiriin, jossa on erittäin tehokas öljynerotin ja useita solenoidiventtiilejä, joita ohjaa anturijärjestelmä itse kompressorissa ja koneen ohjausjärjestelmä. Anturit valvovat oikeaa öljytasoa ja ohjausjärjestelmän ja solenoidiventtiilien avulla pitävät öljytason vakaana ja varmistavat kompressorien oikean voitelun kaikissa toimintaolosuhteissa. Erotin rajoittaa öljynpoistoa ja kylmäainekaasua jäähdytyspiirissä ja ylläpitää voiteluaineen varastoa. Tällä tavoin kompressorit saavat tarvitsemansa määrän öljyä, mikä lisää lämmönvaihdinten tehokkuutta. Ohjausjärjestelmä hallitsee ajoitusta ja kompressorin sulkuhälytyksiä matalan öljytason tapauksessa Kuva 12 Kaavio Uniflairin patentoimasta monen rinnan toimivan kompressorin voiteluratkaisusta

13 Ilmalauhdutteiset moduloivat vedenjäähdyttimet, lämpöpumput ja vapaajäähdytyksellä toimivat jäähdyttimet aksiaalipuhaltimilla Mallit 0621A 0921A 1221A ISAC pelkkä jäähdytys Jäähdytysteho (1) kw Ottoteho (1) (2) kw 18,7 26,6 35,9 E.S.E.E.R. 5,66 5,71 5,72 I.P.L.V. 6,19 6,27 6,22 ISAH lämpöpumput Lämmitysteho (3) kw Ottoteho (2) (3) kw 18,1 26,2 35,9 ISAF vapaajäähdytys jäähdytysteho (4) kw 62,4 92,2 122,2 Ottoteho (1) (2) kw 20,0 28,5 38,3 Äänen painetaso (5) db(a) 43,5 44,3 54,7 Mitat ja painot Korkeus mm Pituus mm Leveys mm Paino ISAC Kg (perusversio) (6) Paino ISAH Kg (perusversio) (6) Paino ISAF (perusversio) (6) Kg (1) Tiedot koskevat nimellisolosuhteita: veden lämpötila 12/7 C; huonelämpötila 35 C; glykoli 0%; moduloiva kompressori pyörimisnopeudella 90 rps; kylmäaine R410A (2) Tiedot koskevat kokonaisottotehoa (kompressorit ja puhaltimet) (3) Tiedot koskevat nimellisolosuhteita: veden lämpötila 40/45 C, ulkolämpötila 7 C kuivalämpötila, 6 C märkälämpötila; moduloiva kompressori pyörimisnopeudella 90 rps; kylmäaine R410A (4) Tiedot koskevat nimellisolosuhteita: veden lämpötila 15/10 C; huonelämpötila 35 C; glykoli 20%; moduloiva kompressori pyörimisnopeudella 90 rps; kylmäaine R410A (5) Tiedot mitattu vapaalla kentällä 10 m koneesta, joka toimii nimellisolosuhteissa, patterin puolelta, suuntaavuus Q=2 (6) Tiedot koskevat tyhjää konetta ilman sisäistä pumppua

14 Ilmalauhdutteiset moduloivat vedenjäähdyttimet, lämpöpumput ja vapaajäähdytyksellä toimivat jäähdyttimet puhaltimilla, joissa taaksepäin kaartuvat siivet Mallit 0621A 0921A 1221A ISCC pelkkä jäähdytys Jäähdytysteho (1) kw 59,7 88,1 117,0 Ottoteho (1) (2) kw 21,4 30,8 41,4 E.S.E.E.R. 3,98 4,42 4,35 I.P.L.V. 5,63 5,70 5,66 ISCH lämpöpumput Lämmitysteho (3) kw 67,4 98,7 131,0 Ottoteho (2) (3) kw 21,5 31,2 42,5 ISCF vapaajäähdytys jäähdytysteho (4) kw 64,7 95,3 126,8 Ottoteho (1) (2) kw 22,0 31,5 42,4 Äänen painetaso (5) db(a) 65,3 66,8 71,2 Mitat ja painot Korkeus mm Pituus mm Leveys mm Paino ISCC Kg (perusversio) (6) Paino ISCH Kg (perusversio) (6) Paino ISCF (perusversio) (6) Kg (1) Tiedot koskevat nimellisolosuhteita: veden lämpötila 12/7 C; huonelämpötila 35 C; glykoli 0%; moduloiva kompressori pyörimisnopeudella 90 rps; kylmäaine R410A; 50 Pa (2) Tiedot koskevat kokonaisottotehoa (kompressorit ja puhaltimet) (3) Tiedot koskevat nimellisolosuhteita: veden lämpötila 40/45 C, ulkolämpötila 7 C kuivalämpötila, 6 C märkälämpötila; moduloiva kompressori pyörimisnopeudella 90 rps; kylmäaine R410A; 50 Pa (4) Tiedot koskevat nimellisolosuhteita: veden lämpötila 15/10 C; huonelämpötila 35 C; glykoli 20%; moduloiva kompressori pyörimisnopeudella 90 rps; kylmäaine R410A; 50 Pa (5) Tiedot mitattu vapaalla kentällä 10 m koneesta, joka toimii nimellisolosuhteissa, patterin puolelta, suuntaavuus Q=2 (6) Tiedot koskevat tyhjää konetta ilman sisäistä pumppua