e-gépész online szaklap

Hűtőberendezések teljesítményszabályozása

| | |  0 | |

Hűtőberendezések teljesítményszabályozása

A hűtőberendezések felhasználói oldaláról folyamatos igény mutatkozik a hűtőberendezések teljesítményének szabályozására, ugyanis a kikapcsolási hőmérséklet környékén lényegesen kevesebb a hűtőteljesítmény-igény, mint normál kondíciók mellett. Erre többféle megoldás is létezik – ezeket vesszük sorra.

A hűtőberendezések rosszul tűrik a gyakori ki- és bekapcsolást, szabályozásukra éppen ezért olyan megoldást kell találni, amellyel ez elkerülhető. Éppen ezért folyadékhűtők esetén hatalmas méretű puffertartályokat kellett alkalmazni a sűrű ki-be kapcsolások elkerülése végett. Ugyanis a gyakori bekapcsolások indokolatlanul igénybe vették a berendezés mechanikus és villamos alkatrészeit – induláskor sokkal nagyobb áramok folynak a tekercsekben, ami nagyon rángatja a hálózatot is. A túlzott igénybevételből fakadó korai elhasználódás, a meghibásodások elkerülése érdekében az óránkénti indulások számát lehet korlátozni egy visszakapcsolás-késleltető automatikával, mint ahogy ezt meg is teszik, csak ezzel a rendszer flexibilitását csökkentik, hiszen miután a közeg hőmérsékletének emelkedésével megjelenik a hűtési igény, de az indításkésleltetés még nem járt le – nagy puffertartály híján – lenghet a közeghőmérséklet.

Óvni kell a kompresszort

A megoldás az, hogy a közeghőmérséklet csökkenésekor elkezdjük csökkenteni a berendezés által leadott hűtőteljesítményt. A hűtőteljesítményünk akkor tud csökkenni, ha csökkentjük a rendszerben áramló hűtőközeg mennyiségét. Ezt megtehetjük, és meg is tettük automatikus szívónyomás-szabályzó szelepekkel. A régi KS-20-as klímaszekrényeknél így történt a szabályozás. Csakhogy a kompresszor változatlan mennyiséget próbált szívni, de a lezárt szívóoldali nyomásszabályzó szelepen természetesen sokkal kevesebb közeg jutott át, ezért romlott a kompresszor betétmotorjának visszahűtése. Az expanziós szelepek szabályozásakor is hasonlóan romlott a visszahűtés, ráadásul a megváltozott elpárolgási hőmérséklet miatt a berendezés munkapontja is elcsúszott. Nem maradt más hátra, mint a kompresszorok szállítóteljesítményének változtatása. Ha ugyanis kevesebb közeget szállít a kompresszor, kisebb lesz a kompressziós és vele együtt a villamos munka és a melegedés, az elpárologtatóba is kevesebb közeg fog bejutni, nem fog károsan lecsökkenni az elpárolgási hőmérséklet. Mivel a hűtőközeg lecsökkent tömegárama miatt csökkenni fog a hűtőteljesítmény, a készülék lassabban vagy egyáltalán nem fogja elérni a kikapcsolási hőmérsékletet, így csökkentett teljesítménnyel – és áramfelvétellel –, de folyamatosan fog üzemelni. Ez sokkal „kellemesebb” üzemállapot a kompresszor – és a rendszer – számára, mint az álladó ki-be kapcsolás.

Hogyan tudjuk csökkenteni a kompresszor által szállított hűtőközeg mennyiségét, mitől függ a szállított tömegáram? Például függ a henger űrtartalomtól. De tudjuk-e változtatni egy adott kompresszor hengerűrtartalmát? Nem igazán. Ám ha többhengeres kompresszorunk van – alternáló dugattyús kompresszorról beszélünk –, akkor hengerpárok kiiktatásával csökkenthetjük a szállított közegmennyiséget. Egyszerűen az adott hengerpár szívószelepeinek kitámasztásával elérhetjük, hogy az adott hengerben vagy hengerpárban ne legyen kompresszió, így lecsökken az adott kompresszor hasznos hengerűrtartalma, azaz a szállító teljesítménye. Az adott hengerek nyomóoldali munkaszelepezése megakadályozza a működő hengerekből a hűtőközeg visszaáramlását a nem működő hengereken keresztül a szívóoldalba.

Munka állj!

A másik megoldás, mikor egy mágnesszelep segítségével összenyitjuk a szívóteret a nyomótérrel, tehát megint csak nincs hűtőközeg-szállítás. Viszont ebben az esetben alkalmazni kell egy visszacsapó szelepet a hűtőközeg visszaáramlásának megakadályozására. Az 1. ábrán a terhelt állapot látszik. A mágnesszelep feszültségmentes állapotban van, a tehermentesítő henger mögött szívóoldali nyomás uralkodik, mivel a szívóoldali csatlakozón keresztül szívóoldali nyomás érkezik – kék színnel jelzett tér – a hengerhez, a henger bal oldali pozícióban van, és a vele tengelykapcsolatban lévő tehermentesítő szelep is bal oldalra van kapcsolva. Tehát elválasztja egymástól a szívó és a nyomó teret, így a henger működik, szállít. A piros színnel jelzett tér nyomótér, amely összeköti a nyomószelepet a nyomóoldali csatlakozó csonkkal, egy visszacsapó szelepen, amely terhelt állapotban fel van nyitva (jobb oldali pozíció), és utat ad a hűtőközegnek a nyomóoldali csatlakozó felé.

1. ábra. Tehermentesítő henger és szelep terhelt állapotban: 1.  mágnesszelep, 2. tehermentesítő henger, 3. tehermentesítő szelep, 4. visszacsapó szelep, 5. szívóoldali csatlakozó, 6. nyomószelep, 7. nyomóoldali csatlakozó.

2. ábra.  Tehermentesítő henger és szelep terheletlen állapotban: 1.  mágnesszelep, 2. tehermentesítő henger, 3. tehermentesítő szelep, 4. visszacsapó szelep, 5. szívóoldali csatlakozó, 6. nyomószelep, 7. nyomóoldali csatlakozó.

Terheletlen állapotban (2. ábra) a mágnesszelep feszültség alatt van. A pirossal jelzett nyomóoldali nyomás érkezik a tehermentesítő dugattyú bal oldalára. A dugattyú elmozdul jobbra, és a rudazaton keresztül elmozdítja jobbra a tehermentesítő szelepet is, miáltal összenyitja a szívó- és a nyomóteret, így nem lesz kompresszió, nem lesz hűtőközeg-szállítás. Ebben az esetben a visszacsapó szelep lezár, hogy megakadályozza a működő hengerek által szállított, nyomott hűtőközeggőz visszaáramlását a nem működő, leszabályozott hengerekbe.

A szabályozás hatására csökkentjük a rendszerben áramló hűtőközeg mennyiségét, ezáltal a rendszer hűtőteljesítményét – miközben természetesen a lecsökkent kompressziós munka következtében csökken a villamosteljesítmény-felvétel is. Többhengeres (például 8) kompresszorok esetében ezzel a megoldással lehetőség nyílt a kompresszor 25-50-75 és 100 százalékos teljesítményszabályozására. A mágnesszelepek vezérlését régebben elektromechanikus, 2-3-4 lépcsős termosztátokkal oldották meg, manapság többlépcsős elektronikákra bízzák ezt a feladatot, több más feladattal együtt.

Digitális segítség

Scroll kompresszorok esetében régebben egyes cégek kísérleteztek Dahlander-motor – két vagy több fix fordulat egy motoron belül – beépítésével, de a kísérletek nem váltották be a hozzájuk fűzött reményeket, úgyhogy sokáig az egyfordulatú motorok maradtak meg a Scroll-technológiában. Később lehetőség nyílt arra, hogy egy hűtőkörbe két vagy több, esetleg eltérő teljesítményű Scroll kompresszort is beépítsenek, ezáltal lehetőség nyílt – a kompresszorok ki-be kapcsolásával – szélesebb tartományban működő, gazdaságos és viszonylag egyszerű teljesítményszabályozásra. A téma legújabb fejlesztése az úgynevezett Digitális Scroll kompresszor, amely 10 és 100% között szabályozható szinte folyamatosan azáltal, hogy az álló csigát időnként eltávolítják – kb. 1 mm-re – a mozgócsigától, miáltal megszűnik a kompresszió és a szállítás. Tehermentes üzemmódban nincs szállítás, nincs kompresszió munka, tehát csökken a villamos fogyasztás is. A digitális Scroll kompresszorokat alkalmazzák önálló aggregátként is, de lehetőség van csoportaggregátba szervezésre is, akár úgy, hogy az összes kompresszor digitális a csoportaggregátban. Ezzel a megoldással elérhetik a teljesen folyamatosnak tekinthető szabályozást a ma már filléresnek tekinthető elektronikák alkalmazásával.

Otthon is szükség lehet rá

A háztartásokban is jelentkezett az igény az intelligensebb, jobban szabályozható klímaberendezésekre. Miután ezekben a berendezésekben túlnyomóan gördülődugattyús, hermetikus kompresszorokat alkalmaznak, – igen kevésben van Scroll –, az előbb említett teljesítményszabályzási módszerekre nincs lehetőség. Viszont egy másik tulajdonság kiaknázásával célt érhetünk. A kompresszor szállítóteljesítményét nemcsak a hengertérfogat határozza meg, hanem a dugattyú sebessége, tehát a meghajtómotor fordulatszáma is. Ezekben a berendezésekben általában egyfázisú, üzemi kondenzátoros, rövidre zárt forgórészes, indukciós motorokat alkalmaznak. Mi határozza meg ezeknek a motoroknak a fordulatszámát? Elsősorban a beépített póluspárok száma. Léteznek 2-4-6-8 pólusú motorok. Ezek a már előzőekben tárgyalt Dahlander-motorok. Viszont ezzel a megoldással csak szakaszos, durva fordulatszám-változást tudunk elérni, és nem is túl egyszerűen, úgyhogy ezt a megoldást el is vetették a fejlesztők. A másik tényező, amitől a fordulatszám függ, a hálózati feszültség frekvenciája.

Vegyünk egy egyszerű példát. A hálózati feszültség frekvenciája 50 Hz. Egy kétpólusú motor esetében, ha eltekintünk a szliptől (csuszamlás a villamos forgómező és a forgórész fordulatszáma között, ami azért kell, hogy legyen erővonalmetszés, ezáltal indukált feszültség, indukált áram és másodlagos mágneses mező, vagyis nyomaték a forgórészben) a fordulatszám az 50 Hz következtében 3000/perc lesz. Ha a frekvenciát lecsökkentjük 40 Hz-re, akkor a fordulatszám 2400/perc lesz. Harminc Hz esetén 1800/perc. Harminc Hz alá nem vihetjük le a fordulatszámot, részint a lecsökkenő nyomaték, másrészt a függőleges főtengelyre szerelt excenter olajszivattyú lecsökkent szállítóteljesítménye (elégtelen olajzás) miatt. Ha a frekvenciát emeljük, a fordulatszám is emelkedik, tehát a hűtőteljesítmény is nőni fog.

Az inverter hátrányai

A frekvencia emelésének a relatíve kiegyensúlyozatlan egyhengeres kompresszorok megemelkedő vibrációja, ezáltal megemelkedett zajszintje szab korlátot. Az alábbi ábra megmagyarázza a problémát.

3. ábra. A henger kiegyensúlyozásának rajza. Balra: hagyományos, egyszeres forgórész, jobbra: ikerforgórész.
A rezgés összehasonlítása: egyszeres 1, iker 1/5

Az ikerhengeres kompresszor kialakítása révén a tengelyre nem hatnak a kiegyensúlyozatlanságból adódó vibrációk, ezért ezeknek a kompresszoroknak a fordulatszámát, tehát teljesítményét magasabbra lehet növelni. Ezek szerint akkor a megoldás az AC invertertechnológia lenne? Nem biztos. Az AC inverternek azért vannak hátrányai is, melyeket az alábbiakban szeretnék ismertetni.

4. ábra: 1. alap szinuszhullám, 2. négyszöghullám, 3. harmadik felharmonikus, 4. ötödik felharmonikus

Az AC (váltakozó feszültségű) inverter a váltakozó feszültséget először egyenirányítja, egy veszteség árán. Majd az egyenfeszültséget, ismét egy veszteség árán,átalakítja a szükség szerinti frekvenciájú és feszültségű váltakozó feszültséggé. Az inverterbe belépő feszültség a kékkel jelzett szinuszhullám (4. ábra). A korai inverterek kimenő feszültsége oszcilloszkópon vizsgálva a piros színű négyszöghullám volt. A kalickás aszinkronmotorok amúgy is kicsi nyomatéka e négyszöghullám miatt még jobban lecsökkent, tehát itt belép még egy jelentős veszteség szektor. A négyszöghullámot megpróbálták különböző RC tagokkal hasonlatosabbá tenni az eredeti szinuszhullámhoz, de ez ismét veszteségeket keltett. Továbbá az átalakítás folyamán létrejön a zölddel jelzett harmadik és a pirossal jelzett ötödik felharmonikus, melyeknek az előállítása ismét energiát igényel, de a motor hasznosítani nem tudja, tehát ez is veszteség. További probléma, hogy megtartották a kalickás aszinkronmotort, melynek egyfázisú kivitelben igen kicsi az indítónyomatéka. Ezért nem szabad gyors egymásutánban leállítani és újraindítani az egyfázisú aszinkronmotorokat. Ezért van beépítve az indításkésleltetés, melynek futási ideje alatt, a kapilláris csövön keresztül meg tud történni a nyomáskiegyenlítődés, és akkor már elég az indításhoz a kis indítónyomaték is. Ennyit a korai AC inverterekről. Akkor miért ragaszkodunk mégis az invertertechnikához?

Azért, mert nem a fent leírt AC invertereket alkalmazzuk a vezető berendezéseink többségében, hanem egy merőben más technikát, nevezetesen a DC (egyenfeszültségű) invertert. A DC inverter a váltakozó feszültségből egyenfeszültséget állít elő egy veszteség árán, és nincs tovább. Egyenfeszültséget juttat a villamos betétmotorra. Rendben, gondolnánk, hiszen az egyenáramú motorokat használjuk máshol is, jól és pontosan szabályozhatóak, van indítónyomatékuk, lásd az autó önindítója, de van egy apró probléma. Kiindulva az önindítóból, hogy fogunk egy hermetikus rendszerben, a kompresszorban szénkefét cserélni. Ez kicsit abszurd történet lenne. Hát sehogy. Ha szétszedjük a gyerek Pikó kisvasútját, láthatjuk, hogy az állórész egy állandó mágnes, a forgórész egy kommutátoros tekercselt elektromágnes. Mi lenne, ha az egészet kifordítanánk? A forgórész egy hihetetlenül erős mágneses anyagból, mondjuk neodímiumból készülne, az állórészbe vezetnénk a feszültséget – ez már megoldott probléma. És a kommutációt, tehát a pólusok változtatását nem a hagyományos mechanikus kommutátorokkal és szénkefékkel oldanánk meg, hanem mondjuk elektronikával.

5. ábra. Hat kommutációs fázis mozgatja a mágneses teret, és ennek hatására lendül mozgásba az állandó mágnesekkel ellátott forgórész.

Képbe jött a DC inverter

Képzeljünk el egy háromfázisú szinkronmotort, melynek a forgórésze nem egyenárammal gerjesztett elektromágnes, hanem az előbb említett neodímium állandómágnes. A könnyebb megértés érdekében nézzünk meg a 6. ábrát.

6. ábra. 1. Szívóoldal, 2. Rotoroldal, 3. Rotorok, 4. Nyomócsonk, 5. Szabályozó dugattyú, 6. Csúszószelep-határoló, 7. Tehermentesítő rugó, 8. Csúszószelep

Az „A” jelű tekercsre egyenfeszültséget adunk, erre kialakul egy mágneses tér, amely az állandó mágneses forgórészt elindítja a nyíl irányában. A következő pillanatban a „B” jelű tekercsre kapcsoljuk az egyenfeszültséget, melynek mágneses tere továbbforgatja az állandó mágneses forgórészt a nyíl irányában. A harmadik tekercset nem részletezem, ugyan ez történik. Minél gyorsabban változtatjuk a tekercsekre jutó feszültséget, annál gyorsabban fog forogni a forgórész. Ezeknél a berendezéseknél is frekvenciáról beszélünk, de ez a frekvencia a tekercsekre jutó feszültség gyakoriságát jelenti, nem pedig az inverterből kilépő váltakozó feszültség effektív frekvenciamérővel Hz-ben mérhető frekvenciáját.

Még egy nagyon nagy előnye van a BLDC-nek (kefe nélküli ugyenáramú motor) az AC inverteressel szemben. A DC inverteres motor fordulatszáma visszaellenőrizhető, vagyis megnézhetjük, hogy a motor valóban olyan fordulatszámmal forog-e, mint ahogy az inverter dirigálja neki. Az AC motornál ez nem lehetséges. Pedig ez az információ nagyon fontos az esetleges túlterhelések elkerülése érdekében.

Csavarkompresszoroknál is működik

A csavarkompresszorokon is alkalmazunk teljesítményszabályozást. A szabályozás 25–100% között lehetséges, egy úgynevezett csúszószelep segítségével. A csúszószelep a szívóoldal felől a szívott gázok beáramlását szabályozza egy rudazathoz kapcsolt teljesítményszabályzó dugattyú segítségével, melyet mágnesszelepeken keresztül a nyomott hűtőközeg gőz- vagy olajnyomás mozgat. A csúszószelep-határoló pozícionálja a szelep végállását. A tehermentesítő rugó segít visszatéríteni a szelepet az alaphelyzetbe. A nyomócsonkon keresztül távoznak a komprimált gőzök.

Újra használatba kerültek a legendás turbókompresszorok is, egyre több kompresszorgyártó veszi fel a palettájára ezeket a már majdnem elfelejtett berendezéseket, melyek az 1–2 MW-os hűtőteljesítmény-tartományban és szigorúan a klímatartományban, folyadékhűtőkbe építve működtek, működnek. Az elpárologtatók általában elárasztott rendszerűek, sajnos igen nagy hűtőközegtöltettel. Régen R-11 és R-12 volt a használatos töltet, napjainkban R-134a.

7. kép. Szerelt teljesítményszabályzó szelep, amely a címképen szereplő csiga közepén látható csatlakozóra volt felszerelve.

A 7. képen látható, szerelt teljesítményszabályzó szelep a címképen szereplő csiga közepén látható csatlakozóra volt felszerelve. Jelen kép egy alacsony fordulatú turbókompresszort ábrázol, de a magas fordulatú kompresszorokon is hasonlóképpen volt pozícionálva. A kép közepén látható kis háromszögek egy tengelyen el tudtak fordulni mintegy 90 fokkal, ekkor teljesen átjárhatóvá vált az átömlőnyílás, és a berendezés 100%-os teljesítménnyel üzemelt. A kis háromszögek mozgatására szervomotorokat, egyes gyártók mechanikus membrános mozgatórendszereket használtak, amelyek a visszatérő víz hőmérséklete által voltak vezérelve. Az elárasztott elpárologtatók és az economizerek használata miatt nem volt igazán nagy probléma a kompresszor szívóterében az alacsony szívónyomás.

A teljesítményszabályzó eszközök nagy része használható a kompresszorok tehermentes indításának elősegítésére is. Az indulás pillanatában aktivizálódnak a tehermentesítő berendezések, ezért a kompresszorok – gyakorlatilag – kompressziós munka nélkül tudnak felpörögni.

A cikk a VGF&HKL szaklap szeptemberi számban jelent meg, közlése a kiadó engedélyével történt.

Hűtéstechnika

Hozzászólás

A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.

Facebook-hozzászólásmodul