Сравнение двух способов регулирования холодопроизводительности винтовых компрессоров

Существуют различные способы регулирования холодопроизводительности винтовых компрессоров, работающих в системах кондиционирования воздуха или в холодильных установках:

• распределение рабочей нагрузки на несколько компрессоров (параллельная работа);
• регулирование давления кипения байпасированием горячего пара;
• внутренний перепуск пара в компрессоре;
• регулирование объемной производительности компрессора с помощью золотника;
• изменение частоты вращения вала компрессора.

Разница между этими методами состоит в принципе регулирования (ступенчатое или плавное) и в эффективности при частичной нагрузке.

Публикуемая статья посвящена сравнительному экспериментальному исследованию двух современных методов регулирования холодопроизводительности полугерметичного компактного винтового компрессора: с помощью золотника и изменением частоты вращения вала с помощью преобразователя частоты.

Системы регулирования

Для сравнительных испытаний использовали полугерметичный компактный винтовой компрессор CSH6561-60Y, работающий на R407° C, с расчетной объемной производительностью 170 м³/ч. При непосредственном питании электродвигателя от сети частотой 50 Гц максимальный рабочий ток составлял 105 А. Область применения такого компрессора показана на рис. 1. Исследовали диапазон температур кипения от −10 до +10^°С, характерный для работы в системах кондиционирования воздуха с прямым испарением, а также в водяных и рассольных чиллерах. Температуры конденсации принимали 30, 40 и 50 ^°С (отнесены к температуре точки росы смеси).

Рис. 1. Диапазон применения компрессора CSH

Золотниковое регулирование обеспечивает изменение объемной производительности компрессора в зависимости от потребности в холоде при сдвиге начала процесса сжатия путем осевого смещения регулирующего золотника. Одновременно с этим окно нагнетания адаптируется к изменившейся объемной производительности компрессоров данной серии. В зависимости от положения золотника объемная производительность составляла 100, 75, 50 и 25% от номинальной.

Регулирование изменением частоты вращения вала проводилось с помощью преобразователя частоты, дополнительно установленного на этом же компрессоре.

Используемый преобразователь частоты 75FEP включен в цепь с пропорциональной зависимостью между частотой и напряжением. Максимальный рабочий ток преобразователя 145 А, номинальная мощность 75 кВт.

Исследования проводились на стандартном электродвигателе (400 В и 50 Гц). Это означает, что при рабочей частоте выше 50 Гц компрессор работает с возрастающим перенапряжением и пропорциональным увеличением рабочего тока. Максимально возможная частота вращения вала компрессора в этом случае ограничивается диапазоном напряжения электродвигателя. Предельное напряжение также исследовали экспериментально.

Проведение исследования

Компрессоры исследовали на испытательном стенде. Тепловой эквивалент потребляемой электрической мощности отводился через теплообменник с жидкостным охлаждением. Рабочие режимы настраивались с помощью регулировочного вентиля (по температуре маслоохлаждающей эмульсии) и изменением количества хладагента в измерительной схеме. Конденсация хладагента не была предусмотрена.

Расход всасываемого пара измеряли для того, чтобы откорректировать необходимую холодопроизводительность. Потребление электроэнергии рассчитывали по текущим значениям тока и напряжения. Все измеряемые параметры регистрировались и анализировались с помощью электронного оборудования. Полученные результаты представляют собой средние значения измерений, проведенных на протяжении 5 мин. Геометрическая степень сжатия компрессора (Vi) определяется положением точки начала всасывания и размером нагнетательного порта. Нагнетательное окно состоит из отверстия, соосного нагнетательному фланцу, и нагнетательного порта, радиально соединенного с регулирующим золотником.

Частичная интеграция нагнетательного порта с регулирующим золотником приводит к автоматической адаптации размера нагнетательного окна к частичной нагрузке. Степень сжатия Vi остается постоянной при снижении нагрузки до 70%. При дальнейшем уменьшении нагрузки (до 25%) независимое регулирование Vi приводит к ее адаптации к более низкому давлению конденсации, которое ожидаемо в случае работы с частичной нагрузкой.

При регулировании холодопроизводительности изменением частоты вращения вала компрессора золотник оставался в положении 100%-й нагрузки. Адаптации Vi при частичной нагрузке в этом случае не происходит.

Результаты исследования

На рис. 2 показано относительное потребление мощности компрессора с преобразователем частоты (FI) в сравнении с энергопотреблением компрессора, работающего непосредственно от сети, при различных температурных режимах.

Рис. 2. Относительное потребление мощности компрессором с FI при частоте 50 Гц в сравнении с энергопотреблением компрессора, питающегося от сети, при полной его нагрузке (NFI /N)

Более высокое энергопотребление компрессора с FI определяется в основном КПД преобразователя частоты, в меньшей степени — снижением КПД электродвигателя при подаче импульсного напряжения FI, которое нельзя определить, что не учитывается при выбранном методе измерения.

Рис. 3. Сравнение энергопотребления N компрессора при регулировании холодопроизводительности Q0 золотником и преобразователем частоты FI: а — при температуре конденсации tк = 30 ^°С;

Сравнение энергопотребления при двух методах регулирования (золотниковом и с помощью FI) приведено на рис. 3.

При температуре конденсации 30 ^°С (см. рис. 3, а) линия относительного энергопотребления при золотниковом регулировании находится частично выше или частично ниже, чем при регулировании с помощью FI. Такая нестабильность вызвана изменением Vi, определяемым различным положением золотника. Эти результаты показывают, что данный компрессор не оптимизирован для относительно низкой температуры конденсации 30 ^°С. Обычно в системах кондиционирования воздуха с воздушными конденсаторами не бывает таких низких температур конденсации (для систем с водяными конденсаторами существуют компрессоры с соответственно адаптированной Vi).

Рис. 3. Сравнение энергопотребления N компрессора при регулировании холодопроизводительности Q0 золотником и преобразователем частоты FI: б — при tк = 40 ^°С

При температуре конденсации 40 ^°С (см. рис. 3, б) энергопотребление компрессора с золотником во всем исследованном диапазоне t0 (-10, 0 и +10^°C) оказалось ниже, чем при использовании FI.

Рис. 3. Сравнение энергопотребления N компрессора при регулировании холодопроизводительности Q0 золотником и преобразователем частоты FI: в — при tк = 50 ^°С

При температуре конденсации 50 ^°С (см. рис. 3, в) энергопотребление компрессоров, в которых используется золотник, немного меньше, чем при 40 ^°С, т. е. очевидны преимущества использования золотника. Тем более что при регулировании уменьшением частоты вращения вала снижение окружной скорости вершины зубьев отрицательно влияет на производительность, а также на объемный и на изоэнтропный КПД компрессора.

Сравнение диапазонов применения

Диапазоны работы компрессоров с преобразователем частоты и золотником (при полной нагрузке) показаны на рис. 4. Верхняя ограничительная линия соответствует максимально допустимой температуре электродвигателя. При работе с преобразователем частоты максимально допустимая температура конденсации ниже, чем при питании напрямую от сети, что связано с более сильным нагревом электродвигателя при работе частотного преобразователя.

Рис. 4. Замеренные диапазоны работы компрессора CSH6561-60Y с золотником и преобразователем частоты (при полной нагрузке)

Работа компрессора на частотах выше 50 Гц

Приведенные выше данные о работе винтового компрессора были получены при использовании стандартного электродвигателя (400 В, 50 Гц) с пропорциональной характеристикой частота/напряжение в преобразователе частоты. Но при постоянном напряжении питания 400 В возможны рабочие частоты выше 50 Гц. В этом случае, при так называемом ослаблении поля, потребление тока электродвигателем возрастает пропорционально частоте вращения вала. Следовательно, электродвигатель работает с возрастающими частотами и перенапряжением. Такая работа возможна до достижения максимально допустимого потребляемого компрессором тока. Ресурс электродвигателя компрессора зависит от отношения максимально допустимого потребляемого тока к рабочему току при работе с преобразователем частоты в выбранной точке (t0/tк). Опыт показывает, что рабочий ток не должен превышать 90% от максимально допустимого тока при питании от сети (при Imax = 105 А, ImaxFI = 94,5 А). Примеры показаны в таблице.

Для рабочей точки t0 = 0 ^°C, tк = 45 ^°C были сняты характеристики компрессора с преобразователем частоты. Максимальная частота составила 74 Гц.

Рис. 5. Относительные характеристики компрессора при рабочих частотах f выше 50 Гц (по сравнению с работой при 50 Гц): 1 — холодопроизводительность Q0 отн; 2 — холодильный коэффициент Eотн

На рис. 5 показаны, кривые относительной холодопроизводительности и холодильного коэффициента при увеличении частоты. Обе эти величины изменяются непропорционально увеличению частоты вращения вала.

Относительная холодопроизводительность при частоте 74 Гц составляет около 92%. Это объясняется увеличением проскальзываний электродвигателя, вызванным перенапряжением при работе на частоте свыше 50 Гц, а также ростом потерь на дросселирование компрессора, которые, в свою очередь, вызваны увеличением массового расхода хладагента. Когда частота повышается за счет увеличения окружной скорости роторов, потери обратного потока уменьшаются, но не могут скомпенсировать этот эффект.

Так же ведет себя и холодильный коэффициент E. Перенапряжение, которое повышается пропорционально частоте, вызывает снижение намагничивания электродвигателя, что приводит к падению КПД. При максимально допустимой частоте 74 Гц холодильный коэффициент уменьшается на 14% (см. рис. 5).

Учитывая, что работа с максимальной частотой необходима только несколько дней в году для покрытия пиковых нагрузок, понижение E не будет существенным. Но важно, что холодопроизводительность при повышении частоты увеличится для этой рабочей точки на 36% (с 117 до 159 кВт).

В качестве альтернативы электродвигателю на 400 В, 50 Гц может быть использован электродвигатель на 230 В, 50 Гц. В этом случае преобразователь частоты способен обеспечить напряжение, пропорциональное частоте для всего диапазона частот вращения вала. Таким образом, описанных ранее потерь холодопроизводительности и холодильного коэффициента при работе с перенапряжением можно избежать. Были замерены соответствующие рабочие характеристики компрессора с электродвигателем, позволяющим увеличивать напряжение пропорционально частоте.

При выбранной рабочей точке t0 = 0 ^°C, tк = 45 ^°C относительная холодопроизводительность при изменении частоты с 50 до 60 Гц увеличивается до 99%. Относительное потребление мощности также возрастает до 98%, что приводит к повышению E на 1,4%.

Из-за повышения потерь дросселирования при увеличении массового расхода в компрессоре холодопроизводительность увеличивается непропорционально увеличению частоты. Относительное уменьшение потребления мощности связано со снижением перетечек в компрессоре при повышении частоты. Холодильный коэффициент возрастает на 1,4%. При электродвигателе на 400 В E падает в этой рабочей точке до 97% (см. рис. 5). Этот результат говорит о том, что системы, изначально работающие на частотах выше 50 Гц, должны быть оснащены электродвигателем, который позволит увеличивать напряжение пропорционально частоте в этом диапазоне. Это электродвигатель на 230 В, 50 Гц (3 фазы). Следует обратить внимание на тот факт, что преобразователь частоты должен быть подобран для более высоких токов, когда используем электродвигатели на 230 В.

Характеристика компрессора при работе с преобразователем частоты от 27 до 74 Гц

Рис. 6. Характеристика компрессора при регулировании с помощью преобразователя частоты

Рис. 6 демонстрирует поведение компрессора с преобразователем частоты при частичной нагрузке для рабочей точки t0 = 0 ^°C, tк = 45 ^°C. Красная кривая соответствует работе компрессора в режиме частичной нагрузки при пропорциональном изменении напряжения и частоты. Для частот выше 50 Гц (Q0 = 100%) эта кривая приближается к идеальной прямой пропорционального изменения. Расстояние между ними все же остается, что определяется КПД преобразователя частоты. Измерения проводили для частоты до 60 Гц. Для более высоких частот КПД преобразователя частоты почти компенсируется повышением изоэнтропного КПД компрессора при увеличении скорости. Этот положительный эффект частично нейтрализуется ростом потерь на дросселирование в компрессоре.

Синяя кривая показывает характеристику компрессора при работе на частичной нагрузке при частоте свыше 50 Гц и увеличении перенапряжения. Понятно, что потребление мощности увеличивается непропорционально быстрее повышения частоты. Такая характеристика возможна при применении стандартного электродвигателя на 400 В, который должен быть использован только в том случае, когда такая высокая холодопроизводительность требуется на непродолжительное время.

Заключение

При использовании преобразователя частоты холодильный коэффициент компрессора в рассматриваемом диапазоне регулирования будет всегда ниже, чем при питании электродвигателя непосредственно от сети.

Диапазон применения компрессора при работе с преобразователем частоты сокращается. Это приводит к небольшому уменьшению максимально допустимой температуры конденсации. Хорошей альтернативой при повышенных температурах конденсации является использование в качестве хладагента R134a.

Работа на частоте выше 50 Гц, повышающая холодопроизводительность компрессора, позволяет использовать компрессоры меньшего типоразмера, что увеличивает эффективность холодильной системы.

Если изначально предполагается работать на частоте выше 50 Гц, следует проверить, будет ли применение компрессора с электродвигателем на 230 В экономически эффективным.

При особых ограничениях по пусковому току проблему можно решить, используя преобразователь частоты. В этом случае применять отдельные устройства плавного пуска не обязательно.

Для регулирования холодопроизводительности компрессора в соответствии с потребностью в холоде можно использовать как золотниковое регулирование, так и регулирование изменением частоты. Решение о предпочтительности одного из этих способов следует принимать только после тщательного расчета конфигурации системы с учетом эффективности компрессора в течение года и капиталовложений.

Сопротивление сети, синусоидальный фильтр и нагрузка на преобразователь частоты существенно сокращают реактивную составляющую мощности, т. е. повышают cos ф.