So werden Verdichter-Verbundsysteme richtig optimiert

Verdichterverbunde sollten im Idealfall immer genau die Kälteleistung abgeben, die gerade von den Kühlstellen angefordert wird. Verbunde mit drei oder vier Verdichtern und einer einfachen Ein/Aus-Regelung weisen recht große Leistungssprünge auf. Als Folge kann es zum Takten der Verdichter kommen. Was letztendlich erhöhten Verschleiß oder sogar den Ausfall einzelner Verdichter verursachen kann.

Um Verbesserungen herbeizuführen, hat man versucht, verschieden große Verdichter in einem Verbund zu verbauen. Leider hat dies den Nachteil, dass zur Leistungssteigerung Verdichter ausgeschaltet werden müssen. Dadurch wurden insgesamt mehr Starts notwendig. Und außerdem: Befand sich der gerade benötigte Verdichter in der Wiederanlaufsperre, verschlechterte sich das Regelverhalten.

Besserungen brachten Frequenzumrichter bzw. FU-geregelte Verdichter. Typischerweise werden Verbunde mit zwei Verdichtern gebaut, wobei ein Verdichter FU-geregelt ist. Die Verdichter sind gleich groß oder der geregelte Verdichter ist größer, um keine Lücke im Leistungsband zu hinterlassen. Das hat aber den Nachteil der erhöhten minimalen Leistung. Regelt der FU beide Verdichter, ist die minimale Leistung klein und es steht ein stetiges Leistungsband zur Verfügung. Das sind erst mal die gewünschten Eigenschaften, aber der FU muss auf die Leistung beider Verdichter ausgelegt werden und wird entsprechend groß.

Anforderungen an einen Verbund aus Anwendersicht:

• Der maximale Kältebedarf muss zu jedem Zeitpunkt gedeckt werden.
• Die minimale Kälteleistung sollte möglichst klein sein.
• Der schwankende Kältebedarf sollte möglichst stetig und ohne Lücke gedeckt werden.
• Ein hohes Maß an Betriebssicherheit ggf. sollte für den Notbetrieb möglich sein.
• Investment- und Betriebskosten möglichst gering.
• Wenige Starts für eine hohe Lebensdauer der Verdichter.
• Kompakte Abmessungen.

Halbhermetische Verdichter werden ab einer bestimmten Größe als 4-Zylinder ausgeführt. Diese Verdichter bieten den Vorteil, dass der Saugkanal von zwei Zylindern abgesperrt werden kann und sich die Leistung damit um 50 Prozent reduziert. Zwar fällt die Leistungszahl dadurch etwas ab, aber ein entsprechend kleinerer Verdichter würde auch keine spürbar bessere Leistungszahl erzielen (Bild 1).

Analysiert man jetzt die Anforderungen und die technischen Möglichkeiten ergibt sich folgendes Bild 2.

Um die Kosten und Abmessungen klein zu halten, sollen nur zwei Verdichter verwendet werden. Verdichter 1 ist kleiner und FU-geregelt. Verdichter 2 ist mit einem Leistungsventil ausgestattet und leistet 50 oder 100 Prozent. Bei Störung des Frequenzumrichters kann Verdichter 2 im Notbetrieb weiter laufen.

Die Abstufung der Verdichter hängt von der minimalen und maximalen Drehzahl des FU-geregelten Verdichters ab. In diesem Fall soll der Verdichter zwischen 25 und 70 Hz betrieben werden. Bei einer weiteren Absenkung der Drehzahl kann die Motorbelastung unter 15 Prozent fallen und damit den Wirkungsgrad extrem verschlechtern. Bei höherer Drehzahl muss beachtet werden, dass die elektrische Leistung zur Überwindung der Druckverluste bei doppelter Drehzahl auf das Achtfache ansteigt. Die Druckverluste entstehen vor allem intern (Ventilspalt etc.) im Verdichter und können auch nicht verringert werden. Gleichzeitig fällt noch der Liefergrad und der Ölwurf des Verdichters steigt an.

Es gibt also gute Gründe, den Verdichter nicht mit extrem niedrigen oder hohen Drehzahlen zu betreiben. Belässt man den Drehzahlbereich zwischen 25 und 70 Hz, stellt sich die Frage, wie die Verdichtergröße abgestimmt werden muss und welche minimale Leistung erzielt werden kann. Die maximale Leistung ist die Auslegungsgrundlage und muss sowieso erreicht werden.

Zur Beantwortung dieser Frage müssen zwei Bedingungen definiert werden.

Der Kältebedarf muss bei maximaler Verdichterleistung gedeckt werden. Verdichter 1 (V1) bei 70 Hz und Verdichter 2 (V2) bei 50 Hz müssen den Kältebedarf (100 Prozent) decken. Oder als Gleichung:

70 Hz / 50 Hz V1 + V2 = 100 %

Die zweite Bedingung ist der stetige Lauf über die ganze Leistungsbandbreite.

Der kritische Punkt ist, wenn Verdichter 2 angefordert wird, das heißt die Leistung muss gleich sein, wenn Verdichter 1 mit 70 Hz läuft und wenn Verdichter 2 mit 50 Prozent dazu kommt und Verdichter 2 auf 25 Hz herunterregelt. Oder wieder als Gleichung: 70 Hz / 50 Hz V1 = 25 Hz / 50 Hz V1 + 50 % / 100 % V2

Kürzt man % und Hz heraus, bleiben zwei einfache Gleichungen mit zwei Unbekannten über:

1,4 V1 + V2 = 100 und

1,4 V1 = 0,5 V1 + 0,5 V2

Die Lösung der Gleichung ergibt:

V1 = 31,25 und V2 = 56,25

Ersetzt man für einen kleinen Gewerbekälte-Verbund 100 % durch 10 kW, kann das Betriebsverhalten anschaulich dargestellt werden. Verdichter 1 fährt zwischen 25 und 70 Hz, also 1,56 und 4,37 kW. Verdichter 2 mit 50 und 100 %, also 2,8 und 5,62 kW.

Die geforderte Kälteleistung von 10 kW wird erreicht: 4,37 kW + 5,62 kW  10 kW. Beim Umschaltpunkt, wenn Verdichter 2 dazu geschaltet wird, geschieht dies ohne Leistungssprung. V1  maximal 4,3 kW und V1  minimal 1,56 kW und V2 50 % 2,8 kW = 4,3 kW

Damit ist gezeigt, dass der Verbund die oben definierten Kriterien erfüllt. In erster Linie kleine minimale Leistung von ca. 16 Prozent und stetiger Lauf bis zur maximalen Kälteleistung.

Anforderungen an die Regelung

Die notwendige Regelung kann entweder mithilfe eines externen Regelgerätes oder durch Verwendung moderner Frequenzumrichter mit integrierter Kälteregelung erfolgen. Die zweite Variante hat den Vorteil, dass die Regelung ohne Zusatzgerät und ohne Zusatzaufwand für Verkabelung vorhanden ist. Die Einstellung ist sehr übersichtlich als Klartext am Bedienteil des Kälte-Frequenzumrichters, siehe Bild 3.