Новая система механического регулирования производительности от Bitzer

Механическая система CR регулирования производительности поршневых компрессоров БИТЦЕР была разработана и начала применяться ещё с четырёх- и шестицилиндровыми поршневыми компрессорами серии BHS. Благодаря простой и надёжной конструкции эта система прекрасно зарекомендовала себя как недорогое и, вместе с тем, достаточно эффективное решение. Основным элементом данной системы являлся соленоидный CR-клапан, который монтировался на приспособленной для этого крышке головки цилиндров. CR-клапан при подаче на него электропитания открывал канал для газа высокого давления нагнетания, под действием которого перемещался внутренний исполнительный поршень и закрывал окно всасывания на клапанной доске. Таким образом, пара цилиндров головки, на которой был установлен такой клапан, исключалась из работы нагнетания компрессора, и его объёмная производительность соответственно уменьшалась.

Наряду с несомненными достоинствами этой системы, такие как простота, надёжность и дешевизна, она имела также и некоторые недостатки. Регулирование производительности получалось выражено ступенчатым: 100-50%, или 100-66-33%. При переходе на более низкую ступень регулирования сокращалась область допустимого применения компрессора, особенно при работе на R22 – существенно снижалась максимальная допустимая температура конденсации tc при низких температурах кипения to. Кроме того, категорически не допускалась работа системы CIC одновременно с включением клапана CR.

В настоящее время для поршневых компрессоров Bitzer New Ecoline стала доступна новая опция – модернизированная система механического регулирования производительности CRII. Основным элементом новой системы CRII также является модернизированный соленоидный CR-клапан, конструкция которого схожа с конструкций CR-клапана старой системы.

Работает новый CR клапан аналогично старому. При подаче питания на соленоид 1 открывается перепускной канал 2, по которому газ высокого давления из порта нагнетания 5 перетекает во внутренний цилиндр клапана. В нём под действием газа нагнетания перемещается исполнительный поршень 3 и закрывает окно всасывания 4 на клапанной доске.

Новый CRII клапан имеет ещё более высокую надёжность, больший ресурс включений. Он приспособлен для частого включения/выключения, т.е. для функционирования в пульсирующем режиме.

Новая система CRII вобрала в себя всё положительное, что было у CR: простоту конструкции, надёжность, а также относительно низкую стоимость. При этом, система CRII обеспечивает глубину регулирования производительности поршневого компрессора 1:10. Это значительно большая глубина регулирования, чем та, что достигалась с помощью старой системы CR.

Кроме того, новая система CRII позволяет сделать регулирование производительности поршневого компрессора квазиплавным (Quasisteplessor Virtuallystepless), т.е. как бы бесступенчатым. Обеспечивается такой режим регулирования за счёт имеющейся у CRII клапана возможности функционировать длительное время в пульсирующем режиме: длительное время часто включаться и выключаться с минимальным периодом 10 сек. – 5 сек – «включен», 5 сек – «выключен».

Рассмотрим специфические особенности функционирования системы CRII на примере четырёх- и шестицилиндрового компрессоров.

В отличие от старой системы CR новая система предусматривает установку CRII клапана на каждую головку цилиндров: два клапана на четырехцилиндровые и три на шестицилиндровые компрессоры.

На рисунках ниже показаны расположение клапанов CRII, а также в таблицах приведён алгоритм включения и режимов их работы  в зависимости от требуемой холодопроизводительности.

Как видим на примере четырёхцилиндрового компрессора, оснащаемого двумя клапанами CRII, при требуемой его производительности 100% оба клапана выключены. При требуемой его производительности, находящейся в диапазоне 100%..50%, начинает импульсно включаться клапан CRII(1). А при требуемой производительности компрессора, находящейся в диапазоне 50%..10%, включается постоянно клапан CRII(2) и начинает импульсно включаться клапан CRII(1). 

В аналогичном алгоритме задействуются и клапаны CRII на шестицилиндровом компрессоре. При  требуемой его производительности 100% все три клапана выключены. При требуемой производительности компрессора, находящейся в диапазоне 100%..66%, начинает импульсно включаться клапан CRII(1). При требуемой производительности, находящейся в диапазоне 66%..33%, клапан CRII(1) остаётся выключенным, включается постоянно клапан CRII(3) и начинает импульсно включаться клапан CRII(2). А при требуемой производительности, находящейся в диапазоне 33%..10%, включаются постоянно клапаны CRII(1) и CRII(2) и начинает импульсно включаться клапан CRII(3).

Системой CRII оснащаются и восьмицилиндровые компрессоры БИТЦЕР. Они могут быть оснащены только двумя клапанами CRII(1) и CRII(2), устанавливаемые на противоположные друг другу боковые головки цилиндров. С их помощью обеспечивается возможность квазиплавного регулирования производительности в диапазоне 100% .. 50%.

Очевидно, что все клапана CRII, независимо от того, в каком режиме включения - пульсирующем или длительном дискретном  они функционируют, идентичны по конструкции. В связи с этим, для обеспечения равномерного расходования их ресурса целесообразно настроить систему управления таким образом, чтобы через определённые периоды работы компрессора они изменяла режим включения клапанов CRII.

Частота включений и длительность фаз цикла «включение/выключение» для клапана, работающего в пульсирующем режиме, определяется текущем значением требуемой производительности компрессора.

Из соображения надёжности и долговечности как клапана CRII, так и мотора компрессора определено минимальное время включения клапана – 5 сек и минимальное время выключения – 5 сек.

Текущее значение производительности компрессора при такой системе регулирования определяется как интегральное значение, определяемое соотношением времени включения и времени выключения работающего в пульсирующем режиме клапана CRII, а также времени включения и выключения клапанов, работающих в дискретном режиме за определённый период работы компрессора. Чем ближе к заданному контроллером значению подходит текущая величина отслеживаемого параметра, тем меньше требуется производительность компрессора, тем включения его пульсирующего клапана CRII происходит на более длительный промежуток времени. После того, как компрессор проработает со всеми включёнными CRII клапанами, т.е. с нулевой производительностью, 2 мин происходит его выключение. При этом количество включений и выключений мотора компрессора в час будет оставаться в допустимом количестве, обеспечивающим безопасный режим его работы. Более того, такой  алгоритм регулирования позволяет оперативно корректировать внезапные  или резкие пиковые изменения рабочих параметров работы установки.

На данной временной диаграмме работы реальной установки показана логика работы системы CRII, регулирующей производительность  четырёхцилиндрового компрессора, оснащённого двумя клапанами CR1 и CR2. По мере приближения текущего значения отслеживаемого параметра: po, to, tв камере к заданной системой управления холодильной установкой его нейтральной зоне, т.е. установленному дифференциалу, практически плавно малыми порциями начинает уменьшаться производительность компрессора. Уменьшение производительности компрессора объективно происходит не за счёт плавного уменьшения его дифференциальной величины как, например, при частотном регулировании за счёт уменьшения скорости вращения ротора его мотора, а за счёт более частого включения на 5 сек и более работающего в пульсирующем режиме клапана CRII.

Поддерживать очень узкую нейтральную зону отслеживаемого параметра возможно благодаря такому «тонкому» регулированию производительности компрессора. Чем уже нейтральная зона (или его дифференциал) величины ро, тем уже диапазон колебания температуры в охлаждаемом объёме, тем, в конечном итоге, меньше электроэнергии потребляет холодильная установка. Ещё раз подчеркнём, что это достигается благодаря способности системы регулирования производительности компрессора обеспечивать более адекватную текущей нагрузке на испарители холодопроизводительность установки, быстрее реагировать на резкие и интенсивные изменения нагрузки на испарители.

Нейтральная зона при этом не просто сужается (см. на рис.). Её нижняя грань существенно приподнимается, обеспечивая, таким образом, работу компрессора с более высокой to, что и определяет итоговый выигрыш в энергоэффективности.

Данные, полученные при эксплуатации реальных холодильных установок с плавным и дискретным регулированием производительности, подтверждают это. В таблице приведены сравнительные данные по энергопотреблению компрессора, работающего с одними рабочими параметрами to/tc, одинаковой ступенью регулирования производительности 17%, но с разной шириной нейтральной зоны отслеживаемого параметра – ро.  

Если потребление энергии при дифференциале 0,2 бар взять за 100%, то при дифференциале 0,6 бар оно уже на 10% выше.

Таким образом, использование компрессора с системой CRII покажет его более высокую энергоэффективность при анализе, например, годового потребления электроэнергии.

Кроме того, при работе компрессора в низкотемпературном диапазоне при температуре кипения не ниже -400С на хладагентах R 407А, R 407F, R22 возможно одновременное функционирование системы CRII с системой CIC. При  одновременной работе этих систем может активироваться только один клапан CRII, предназначенный для работы в пульсирующем режиме.

Новая  система регулирования производительности CRII в отличие от предшествующей ей системы CR практически не сокращает  область допустимого применения компрессоров на режимах частичной производительности, особенно при его работе на хладагентах R404A и R507A. Ниже приведены диаграммы с границами допустимых областей to/tcдля четырёх и шестицилиндровых компрессоров, работающих на R404A.

Как видно на приведённых диаграммах границы областей допустимого применения на частичных производительностях практически не отличаются от границ, соответствующим 100% производительности. С переходом со 100% производительности на частичную увеличиваются только внутренние области ограничения максимального допустимого перегрева всасываемых паров (не выше 20К) и/или необходимого применения дополнительного охлаждения компрессора – вентилятора на головку компрессора либо вентилятора конденсатора в агрегате.

Сравнительный анализ границ допустимого применения самых совершенных конкурентных компрессоров с аналогичной CRII импульсной системой регулирования производительности доступных в открытых источниках демонстрирует преимущество компрессоров New Ecoline с системой CRII. При частичной производительности, в зоне низких температур кипения to и высоких температур конденсации tc границы их области допустимого применения самые широкие.

В настоящее время специалистами BITZER, Carel, Eliwell, Dixell и Danfoss разрабатываются специализированные программы для электронных контроллеров, которыми можно будет регулировать работу клапанов системы CRII. В первом квартале 2014 года адаптированные контроллеры с  уже предустановленными  функциональными параметрами указанных производителей поступят в продажу.

Для программистов холодильных компаний, работающих со свободнопрограммируемыми контроллерами технические специалисты БИТЦЕР ГмбХ предлагают использовать следующую концепцию управления клапанами CRII.

Концепция Danfossна Chillventa 2014

Новый функционал Cloud-Control для управления частотными приводами Danfoss