EP4722532A1

EP4722532A1 - Verdichtersystem für eine kälteanlage

Info

Publication number: EP4722532A1
Application number: EP25167452.9A
Authority: EP
Inventors: René Rauch
Original assignee: Teko Gesellschaft fuer Kaeltetechnik mbH
Current assignee: Teko Gesellschaft fuer Kaeltetechnik mbH
Priority date: 2024-10-02
Filing date: 2025-03-31
Publication date: 2026-04-08
Also published as: DE102024128666A1

Abstract

Ein Verdichtersystem für eine Kälteanlage, umfassend eine Mehrzahl von Verdichtern (1), von denen ein erster Verdichter (1) eine drehzahlunabhängige stetige Leistungsregelung (6) aufweist, wobei das Verdichtersystem dazu ausgebildet ist, einen Leistungsbedarf der Kälteanlage durch Regelung des ersten Verdichters (1) als Führungsverdichter und Zu- und Abschaltung der weiteren Verdichter (1) als Folgeverdichter bereitzustellen, soll die Lebensdauer der Verdichter (1) des Systems erhöhen. Dazu weist jeder der weiteren Verdichter (1) eine drehzahlunabhängige stetige Leistungsregelung (6) auf, und das Verdichtersystem ist weiterhin dazu ausgebildet, alternativ den Leistungsbedarf der Kälteanlage durch Regelung des einen der weiteren Verdichter (1) als Führungsverdichter und Zu- und Abschaltung des ersten und gegebenenfalls der übrigen weiteren Verdichter (1) als Folgeverdichter bereitzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verdichtersystem für eine Kälteanlage, umfassend eine Mehrzahl von Verdichtern, von denen ein erster Verdichter eine drehzahlunabhängige stetige Leistungsregelung aufweist, wobei das Verdichtersystem dazu ausgebildet ist, einen Leistungsbedarf der Kälteanlage durch Regelung des ersten Verdichters als Führungsverdichter und Zu- und Abschaltung der weiteren Verdichter als Folgeverdichter bereitzustellen. Ein solches Verdichtersystem ist aus der US 2019/063805 A1 bekannt. Sie betrifft weiter Verfahren zur Regelung und zum Nachrüsten eines derartigen Verdichtersystems.
Ein Kältekreislauf ist ein System, das dazu dient, eine Einrichtung auf ein gewünschtes Maß abzukühlen, beispielsweise eine Kühltruhe für Lebensmittel. Ein Kältemittel, das in dem geschlossenen Kreislauf bewegt wird, erfährt nacheinander verschiedene Aggregatzustandsänderungen: Das gasförmige Kältemittel wird zunächst durch einen Verdichter komprimiert. Im folgenden Wärmeüberträger kondensiert es unter Wärmeabgabe. Anschließend wird das flüssige Kältemittel aufgrund der Druckänderung über ein Drosselorgan, zum Beispiel ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr, entspannt. Im nachgeschalteten zweiten Wärmeüberträger (Verdampfer) verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur (Siedekühlung). Der Kreislauf kann nun von vorne beginnen. Der Prozess muss von außen durch Zufuhr von mechanischer Arbeit (Antriebsleistung) über den Verdichter in Gang gehalten werden.
In größeren Kälteanlagen, z.B. für Kühlhäuser oder Serverfarmen, sind typischerweise Verdichtersysteme mit mehreren Verdichtern im Einsatz, um die geforderte Leistung bereitstellen zu können. Üblicherweise wird ein Verdichter zur Abdeckung der Grundlast verwendet, welcher meistens mittels einer Drehzahlregelung über einen Frequenzumrichter stetig geregelt wird. Dieser fungiert im Verdichtersystem als Führungsverdichter. Die restliche Last wird meist von weiteren Verdichtern durch Zu- und Abschaltung abgedeckt. Diese Verdichter arbeiten als Folgeverdichter im Grundlastprinzip.
Ein großer Nachteil dieser Lösung ist die hohe Anzahl an Betriebsstunden und der daraus resultierende Verschleiß der mechanischen Bauteile des Führungsverdichters. Dies hat zur Folge, dass die Lebensdauer des Führungsverdichters häufig um ein Vielfaches geringer ist als das der Folgeverdichter.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verdichtersystem und Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, die die Lebensdauer der Verdichter des Systems erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jeder der weiteren Verdichter eine drehzahlunabhängige stetige Leistungsregelung aufweist, und dass das Verdichtersystem weiterhin dazu ausgebildet ist, alternativ den Leistungsbedarf der Kälteanlage durch Regelung des einen der weiteren Verdichter als Führungsverdichter und Zu- und Abschaltung des ersten und gegebenenfalls der übrigen weiteren Verdichter als Folgeverdichter bereitzustellen.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine Verbesserung der Lebensdauer insbesondere durch eine geringere Belastung des Führungsverdichters erreichbar wäre. Hierzu wäre es wünschenswert, die Betriebsstunden des Führungsverdichters zu reduzieren, indem dieser zeitweise abgeschaltet wird. Hierfür müsste aber ein zweiter Verdichter so ausgestaltet werden, dass dieser dann für die erforderliche Leistungsregelung eine stetige Anpassung seiner Leistung ermöglicht. Verwendet man hierzu jedoch im Stand der Technik bekannte Frequenzumrichter, ist dies jedoch mit hohem Aufwand verbunden, da ein Frequenzumrichter ein vergleichsweise komplexes Bauteil darstellt. Daher sollte auf andere Leistungsregelungen zurückgegriffen werden, nämlich drehzahlunabhängige Leistungsregelungssysteme, die technisch einfacher umzusetzen sind. Hierdurch wird es möglich alternierend weitere Verdichter als Führungsverdichter einzusetzen und so die Betriebsstunden aneinander anzugleichen und der Verschleiß zu reduzieren.
Dabei ist das gesamte Verdichtersystem dahingehend symmetrisch ausgestaltet, dass jeder Verdichter des Systems eine oben genannte drehzahlunabhängige stetige Leistungsregelung aufweist. Hierdurch kann jeder Verdichter alternierend als Führungsverdichter eingesetzt werden und es ist durch die Symmetrie möglich, die Betriebsstunden jedes Verdichters optimal anzugleichen.
In vorteilhafter Ausgestaltung erfolgt eine drehzahlunabhängige stetige Leistungsregelung durch Steuerung der Ventilöffnungszeiten, insbesondere auf Basis einer pulsweitenmodulierten Steuerung der Ventilöffnungszeiten. Derartige Systeme können mittels schnell schaltender Magnetventile die Leistung stetig ohne Einsatz eines Frequenzumrichters regeln.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Systems weist jeder Verdichter zusätzlich eine mechanische gestufte Leistungsregelung auf. Für den Fall, dass die jeweiligen Verdichter als Hubkolbenverdichter ausgebildet sind, erfolgt die mechanische gestufte Leistungsregelung vorteilhafterweise auf Basis einer Zylinderbankabschaltung. Eine derartige gestufte Regelung ermöglicht es, den jeweiligen Verdichter unabhängig von der stetigen Regelung auch nur mit 50% Leistung (bei vier Zylindern) oder 33% und 66% (bei sechs Zylindern) zu betreiben, bei vergleichsweise geringem technischem Aufwand. Hierdurch wird es ermöglicht, auch bei geringeren Regelungsbereichen des Führungsverdichters Leistungssprünge beim Zu- und Abschalten weiterer Verdichter zu vermeiden (der Control Factor (CF) wird reduziert).
Das Verdichtersystem ist insbesondere vorteilhafterweise dazu ausgebildet, die Betriebszeiten der Verdichter durch alternierenden Einsatz jedes der mit einer drehzahlunabhängigen stetigen Leistungsregelung versehenen Verdichter als Führungsverdichter anzugleichen. Mit anderen Worten: Jeder Verdichter übernimmt zyklisch die Aufgabe des Führungsverdichters, so dass die Betriebszeiten angeglichen werden. Hierbei erfolgt auch der Einsatz der Folgeverdichter bei Zuschaltung entsprechend im Grundlastwechsel, d.h. es wird idealerweise immer derjenige Verdichter als Folgeverdichter zugeschaltet, der derzeit die geringste Betriebszeit aufweist.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Regelung eines oben beschriebenen Verdichtersystems, bei dem die Betriebszeiten der Verdichter durch alternierenden Einsatz jedes der mit einer drehzahlunabhängigen stetigen Leistungsregelung versehenen Verdichter als Führungsverdichter angeglichen werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens werden die Taktzahlen der Leistungsregler der Zylinderbänke des jeweiligen Verdichters angeglichen. Die beschriebene Kombination einer Steuerung der Leistungsregelung mit einem pulsweitenmodulierten Signal und der Möglichkeit einer Zylinderbankabschaltung macht es nämlich auch möglich, das pulsweitenmodulierte Signal alternierend nur auf einzelne Zylinderbänke wirken zu lassen, d.h. praktisch die Zylinderabschaltung mit der pulsweitenmodulierten Ansteuerung zu kombinieren. Dies ermöglicht es, auch die Taktzeiten, d.h. die Zeiten in denen die jeweilige Zylinderbank aufgrund der Pulse der Ansteuerung, aktiv ist, aneinander anzugleichen, und somit auch den Verschleiß zwischen den Zylinderbänken innerhalb eines Verdichters auszugleichen.
Vorteilhafterweise werden hierbei innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls die Betriebsstunden jedes Verdichters bzw. die Taktzeiten der Leistungsregler der Zylinderbänke innerhalb einer Abweichung von 20%, vorzugsweise 10% gleich gehalten. So könnte beispielsweise als Regelungsziel vorgegeben werden, die Betriebsstunden aller Verdichter innerhalb eines Wochenzyklus bis auf 10% aneinander anzugleichen.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Nachrüsten eines Verdichtersystems umfassend eine Mehrzahl von Verdichtern, von denen ein erster Verdichter eine stetige Leistungsregelung aufweist, wobei das Verdichtersystem dazu ausgebildet ist, einen Leistungsbedarf der Kälteanlage durch Regelung des ersten Verdichters als Führungsverdichter und Zu- und Abschaltung der weiteren Verdichter als Folgeverdichter bereitzustellen, wobei zumindest einer der weiteren Verdichter mit einer stetigen Leistungsregelung ausgerüstet wird, wobei die jeweilige stetige Leistungsregelung als drehzahlunabhängige Leistungsregelung ausgebildet wird, und dass das Verdichtersystem weiterhin dazu ausgebildet wird, alternativ den Leistungsbedarf der Kälteanlage durch Regelung des einen der weiteren Verdichter als Führungsverdichter und Zu- und Abschaltung des ersten und gegebenenfalls der übrigen weiteren Verdichter als Folgeverdichter bereitzustellen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, dass die Ausbildung der Verdichter eines Systems mit einer ventilgesteuerten, drehzahlunabhängigen Leistungsregelung es ermöglicht, eine Angleichung der Betriebsstunden des Verdichters zu erreichen, und damit auch eine gleichmäßige Beanspruchung aller mechanischen Bauteile. Die Lebensdauer der Verdichter wird dadurch erhöht. Zudem wird ein optimaler CF-Faktor bei jedem Betriebspunkt, zu jeder Jahreszeit erreicht. Der gleichmäßige Betrieb hat zudem den Vorteil, dass Schaltspiele reduziert werden. Es wird eine bestmögliche Teillast unabhängig von dem gerade aktiven Führungsverdichter erzielt. Eine identische Ausgestaltung jedes Verdichters ist zudem hinsichtlich der Leistungsüberprüfung und Wartung von Vorteil.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt die

FIG: einen Kältekreislauf mit einem Verdichtersystem mit mehreren Verdichtern.

Die FIG zeigt schematisch einen Kältekreislauf K. Der Kältekreislauf K wird im Folgenden ausgehend von einem Verdichtersystem bestehend aus beispielhaft drei parallel geschalteten Verdichtern 1 beschrieben. Das in den Verdichtern 1 verdichtete Kältemittel wird in einen Verflüssiger 2 geführt, in dem das verdichtete Kältemittel gekühlt und verflüssigt wird. Von dort strömt es über einen Kältmittelsammler 3 und ein Einspritzventil 4 in einen Verdampfer 5. Hier wird das Kältemittel entspannt und nimmt Wärme auf, so dass die gewünschte Kühlwirkung erreicht wird. Aus dem Verdampfer 5 strömt das nun wieder gasförmige Kältemittel zurück in den Verdichter 1, wird dort komprimiert und der Kreislauf beginnt von neuem.
Der Kältekreislauf K ist Teil einer nicht näher dargestellten Kälteanlage beispielsweise in einer Serverfarm oder in Kühlhäusern für Lebensmittel. Er umfasst eine Vielzahl weiterer Bauteile, deren Beschreibung für die Funktion der hier dargestellten Erfindung nicht relevant ist, und die daher weggelassen werden, wie z.B. Ölabscheider, Sicherheitsventile etc. Auch kann der Kältekreislauf K noch komplexer ausgebildet sein, mit z.B. mehreren Druckstufen.
Abhängig vom Leistungsbedarf der Kälteanlage ist es erforderlich, die Leistung der parallelen Verdichter 1 im Verdichtersystem zu regeln. Dies erfolgt dadurch, dass ein Verdichter 1 als Führungsverdichter stetig geregelt wird, z.B. in einem Leistungsbereich vom 10% bis 100% seiner Maximalleistung. Wird eine höhere Leistung von der Kälteanlage abgefordert, z.B. bei höherem Wärmeeintrag in den zu kühlenden Raum, oder im Sommerbetrieb, werden weitere Verdichter 1 als Folgeverdichter hinzugeschaltet, wobei diese Verdichter 1 jedoch nur feste Leistungsstufen aufweisen, so dass die Feinregelung der Leistung weiterhin vom Führungsverdichter geleistet wird.
Um hierbei die Betriebsstunden und damit den Verschleiß der Verdichter 1 anzugleichen und die Lebensdauer zu erhöhen, ist das Verdichtersystem im Ausführungsbeispiel symmetrisch ausgestaltet, indem jeder Verdichter 1 mit zwei Leistungsreglern 6 versehen ist, die von einer zentralen Steuerung 7 aus gesteuert werden. Die Verdichter 1 sind im Ausführungsbeispiel als Vierzylinder-Verdichter ausgestaltet und jeder der Leistungsregler 6 in jedem Verdichter 1 wirkt auf eine der beiden Zylinderbänke pro Verdichter 1 und ist ein stufenloser, drehzahlunabhängiger Leistungsregler. Hierfür sind im Zylinderkopf entsprechende Magnetventile vorgesehen, die mittels eines pulsweitenmodulierten Signals angesteuert werden und so eine stufenlose Leistungsregelung ermöglichen.
Damit kombinierten die Leistungsregler 6 die Funktion einer mechanischen Leistungsregelung, mit der mittels Zylinderbankabschaltung die Leistung des jeweiligen Verdichters 1 gestuft geregelt werden kann, im Ausführungsbeispiel mit Vierzylinder-Verdichter z.B. mit 50% und 100% Leistung, mit einer stufenlosen, drehzahlunabhängigen Leistungsregelung. So ermöglicht die Kombination gemäß dem Ausführungsbeispiel z.B. das pulsweitenmodulierte Signal nur auf eine Zylinderbank wirken zu lassen. Beispielsweise könnte für eine Leistungsregelung auf 10% eine Taktzeit von 6 Sekunden pro Minute für beide Zylinderbänke vorgesehen werden, oder aber eine Taktzeit von 12 Sekunden pro Minute für nur eine Zylinderbank. Für die Zylinderabschaltung bei Verwendung als Folgeverdichter erfolgt dann keine pulsweitenmodulierte Ansteuerung und die Zylinderbänke werden einfach vollständig ab- oder zugeschaltet.
Der als Führungsverdichter agierende Verdichter 1 ist - wie oben dargestellt - praktisch permanent in Betrieb, während die restlichen Verdichter 1 nur bedarfsweise hinzugeschaltet werden. Das in der FIG dargestellte Verdichtersystem erlaubt es nun dennoch, die Betriebszeiten der Verdichter 1 aneinander anzugleichen, da durch die gleiche Ausgestaltung jedes Verdichters 1 jeder Verdichter 1 sowohl als Führungsverdichter als auch als Folgeverdichter eingesetzt werden kann.
Hierfür ist ein entsprechender Regelungsalgorithmus in der Steuerung 7 vorgesehen, der selbstständig, anhand unterschiedlicher Kriterien bestimmt, welcher Verdichter 1 die Rolle des Führungsverdichters übernimmt, und welcher oder welche Verdichter 1 als Folgeverdichter zugeschaltet werden. Dies kann beispielsweise zyklisch geschehen, wobei auch die Folgeverdichter zyklisch getauscht werden können, oder aber auf Basis der tatsächlichen Erfassung der Betriebszeiten. Ziel der Regelung ist dabei immer, die Betriebszeiten der Verdichter 1 aneinander anzugleichen, d.h. es werden tendenziell diejenigen Verdichter 1 in Betrieb genommen, die die wenigsten Betriebsstunden aufweisen. In weiteren Ausführungsbeispielen könnten auch weitere Verdichter 1 als Führungsverdichter betrieben und stetig geregelt werden, bis hin zu einer vollständigen stetigen Regelung aller Verdichter 1. Hier müsste jedoch auf eine entsprechende Stabilität der Regelung geachtet werden.
Durch die zusätzlich vorgesehenen mechanischen Leistungsregler 6 ist es weiterhin möglich, den CF-Faktor (Control Factor), d.h. das Verhältnis aus dem einstellbaren Leistungsbereich des stetig geregelten Verdichters 1 und der Leistung des nächst zuschaltbaren Verdichters 1 zu optimieren, da ein weiterer Verdichter 1 zunächst auch mit nur Teilleistung hinzugeschaltet werden kann.
Durch die beschriebene Ausgestaltung des Verdichtersystems ist es möglich, die Betriebsstunden der Verdichter 1 aneinander anzugleichen und die Lebensdauer zu erhöhen, und gleichzeitig eine hohe Regelungsgüte über den gesamten Leistungsbereich zu gewährleisten. Dies ist insbesondere bei transkritischen Kälteanlagen von Vorteil, die einen größeren Unterschied hinsichtlich des Leistungsbedarfs im Winter- und Sommerbetrieb aufweisen.

Bezugszeichenliste

1 Verdichter
2 Verflüssiger
3 Kältemittelsammler
4 Einspritzventil
5 Verdampfer
6 Leistungsregler
7 Steuerung

Claims

Verdichtersystem für eine Kälteanlage, umfassend eine Mehrzahl von Verdichtern (1), von denen ein erster Verdichter (1) eine drehzahlunabhängige stetige Leistungsregelung (6) aufweist, wobei das Verdichtersystem dazu ausgebildet ist, einen Leistungsbedarf der Kälteanlage durch Regelung des ersten Verdichters (1) als Führungsverdichter und Zu- und Abschaltung der weiteren Verdichter (1) als Folgeverdichter bereitzustellen,
dadurch gekennzeichnet, dass jeder der weiteren Verdichter (1) eine drehzahlunabhängige stetige Leistungsregelung (6) aufweist, und dass das Verdichtersystem weiterhin dazu ausgebildet ist, alternativ den Leistungsbedarf der Kälteanlage durch Regelung des einen der weiteren Verdichter (1) als Führungsverdichter und Zu- und Abschaltung des ersten und gegebenenfalls der übrigen weiteren Verdichter (1) als Folgeverdichter bereitzustellen.
Verdichtersystem nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die jeweilige drehzahlunabhängige stetige Leistungsregelung (6) durch Steuerung der Ventilöffnungszeiten erfolgt.
Verdichtersystem nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die jeweilige drehzahlunabhängige stetige Leistungsregelung (6) auf Basis einer pulsweitenmodulierten Steuerung der Ventilöffnungszeiten erfolgt.
Verdichtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder Verdichter (1) zusätzlich eine mechanische gestufte Leistungsregelung (6) aufweist.
Verdichtersystem nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die jeweiligen Verdichter (1) als Hubkolbenverdichter ausgebildet sind, und die mechanische gestufte Leistungsregelung (6) auf Basis einer Zylinderbankabschaltung erfolgt.
Verdichtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches dazu ausgebildet ist, die Betriebszeiten der Verdichter (1) durch alternierenden Einsatz jedes der mit einer drehzahlunabhängigen stetigen Leistungsregelung (6) versehenen Verdichter (1) als Führungsverdichter anzugleichen.
Verfahren zur Regelung eines Verdichtersystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Betriebszeiten der Verdichter (1) durch alternierenden Einsatz jedes der mit einer drehzahlunabhängigen stetigen Leistungsregelung (6) versehenen Verdichter (1) als Führungsverdichter angeglichen werden.
Verfahren zur Regelung eines Verdichtersystems nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, bei dem die Taktzeiten der Leistungsregler (6) der Zylinderbänke des jeweiligen Verdichters (1) angeglichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, bei dem innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls die Betriebsstunden jedes Verdichters (1) und/oder die Taktzeiten der Leistungsregler (6) der Zylinderbänke des jeweiligen Verdichters (1) innerhalb einer Abweichung von 20%, vorzugsweise 10% gleich gehalten werden.
Verfahren zum Nachrüsten eines Verdichtersystems umfassend eine Mehrzahl von Verdichtern (1), von denen ein erster Verdichter (1) eine drehzahlunabhängige stetige Leistungsregelung (6) aufweist, wobei das Verdichtersystem dazu ausgebildet ist, einen Leistungsbedarf der Kälteanlage durch Regelung des ersten Verdichters (1) als Führungsverdichter und Zu- und Abschaltung der weiteren Verdichter (1) als Folgeverdichter bereitzustellen,
wobei jeder der weiteren Verdichter (1) mit einer drehzahlunabhängigen stetigen Leistungsregelung (6) ausgerüstet wird, und dass das Verdichtersystem weiterhin dazu ausgebildet wird, alternativ den Leistungsbedarf der Kälteanlage durch Regelung des einen der weiteren Verdichter (1) als Führungsverdichter und Zu- und Abschaltung des ersten und gegebenenfalls der übrigen weiteren Verdichter (1) als Folgeverdichter bereitzustellen.