Octagon – die Verdichter-Innovation
Transcrição
Octagon – die Verdichter-Innovation
KV-0601-D-GB Octagon® – die Verdichter-Innovation Octagon® – the Compressor Innovation Sonderausgabe 09.2006 special edition 09.2006 Octagon® – die Verdichter-Innovation Octagon® – the Compressor Innovation 1 Einführung 1 Introduction Im Jahre 1998 wurde mit der Markteinführung der Octagon®Verdichter begonnen, von denen bis Mitte 2006 mehr als 400.000 Stück produziert wurden. Mit Einführung der kleinen 4-Zylinder-Modelle in der C3-Baureihe ab dem Jahr 2000 begann die effektive Serienproduktion. Grund genug, einmal zurück zu schauen und ein technisches Resumé zu ziehen. Entwickelt wurden die neuen Verdichter im Werk Schkeuditz der Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH, wo sie auch zunächst ausschließlich produziert wurden. Im Gegensatz zu Scrollverdichtern, die ursprünglich für die Klimaanwendung entwickelt wurden und nachher mit zusätzlichen Maßnahmen auch für die Anwendung in Normal- und Tiefkühlung angepasst werden sollten, sind die Octagon®-Hubkolbenverdichter von vornherein für die typische Kälteanwendung entwickelt. Dass sie dabei auch die technische Eignung für Klima- und Wärmepumpensysteme mitbringen, ist natürliche Folge des breitbandigen Einsatzbereiches dieser Verdichterkonstruktion. Warum das so ist? Schauen wir ein wenig hinter die Kulissen… The launch of Octagon® compressors began in the year 1998; until the middle of 2006 over 400.000 pieces have been produced. Effective series production started with the launch of a small 4 cylinder models in the C3 series from the year 2000 on. The reason is adequate to look back and draw a technical resume. The new compressors were developed at the Schkeuditz factory of Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH, where they were first produced exclusively. In contrast to scroll compressors which were originally developed for air-conditioning application and later adapted with additional measures also for medium and low temperature application, the Octagon® reciprocating compressors were developed for typical low temperature applications from the very beginning. A natural consequence of the broad band application range of this compressor design is that they also demonstrate technical suitability for air conditioning and heat-pump systems. Why that? Let us look a little bit behind the curtains… 2 Hintergrund 2 Background Mit Einführung der chlorfreien Kältemittel Anfang der 90er Jahre änderten sich die Anforderungen an die Verdichter. Dort, wo mit R22 und seinen recht günstigen Dampfdichten und Drucklagen ein zufrieden stellender Verdichterbetrieb möglich war, führte die gleiche Technik beim Einsatz von R404A plötzlich zu einer erhöhten Fehlerrate. Es kam häufig zu Schwingungsproblemen, erhöhtem Geräuschniveau und dadurch bedingten Anlagenstörungen. Nun hätte sich das Haus Bitzer ja mit den schnell gefundenen Abhilfen begnügen können: diese lagen in einem mechanisch verbesserten Einbau der Verdichter sowie in der Einführung eines in die Zylinderköpfe integrierten Pulsationsdämpfers, womit die akuten Probleme sicher gelöst wurden. Schon damals wurde schnell erkannt, dass sich hier die Chance einer Neuentwicklung ergab, die mehrere Zielsetzungen zusätzlich umfassen konnte, wie z.B: With the introduction of chlorine-free refrigerants at the beginning of the 90s the demands on compressors changed. In cases where satisfactory compressor operation was possible with R22 and its relatively favourable vapour density and pressure levels, the same technology suddenly led to an increased failure rate with the application of R404A. Frequent vibration problems and increased sound levels were found which implied system failures. Hence Bitzer could have contented themselves with some quickly-found remedies: these could have been a mechanically improved installation of the compressor as well as the integration of pulsation mufflers into the cylinder heads, with which the urgent problems could certainly have been solved. In those days, it was already clear that this was the chance of a new development that could comprise several additional objectives, e.g.: • Verringerung der Baugröße • Reduction of dimensions • Verringerung des Gewichtes • Reduction of weight • Verbesserung der Laufruhe • Improvement of running smoothness • Robustere Gehäusegestaltung mit erhöhter Druckfestigkeit • Robust housing design with higher pressure strength • Verbesserung des Wirkungsgrades • Improvement of efficiency • Senkung der Herstellkosten • Reduction of manufacturing costs 2 Octagon® – die Verdichter-Innovation • Minimierung der Lebenszyklus-Kosten und damit der Umweltbeeinträchtigung durch: - Verwendung möglichst einfacher Materialien - Beachtung der Recycling-Fähigkeit - Höchste Zuverlässigkeit im Kundeneinsatz - Beste, gleich bleibende Wirkungsgrade auch nach langen Betriebszeiten - Optimale Anpassung an verschiedene Betriebszustände - Minimal mögliche thermische und mechanische Einflüsse (z.B. Schwingungen) auf die Anlage – damit minimale Störungsrisiken • Minimization of life-cycle costs and thus also of environmental impact through: - Use of simple materials - Considration of recycling capability - Highest reliability in customer application - Highest and constant efficiencies even after long operation periods - Optimum adaptation to different operating conditions - Minimum possible thermal and mechanical influences (e.g. vibrations) on the system – thus minimum failure risks. 3 Octagon® Baureihen 3 Octagon® Series Es wurde schnell klar, dass sich die Anforderungen in der Kältetechnik mit Druckverhältnissen zwischen etwa 5 und 15 (Normal- und Tiefkühlbereich) am besten auf Basis des bewährten Hubkolbenprinzips mit seinen druckgesteuerten Arbeitsventilen realisieren ließ. Daher wurden auf dieser Basis die Octagon®-Baureihen C1 bis C4 entwickelt (Bild 1). Allen gemeinsam sind folgende bestimmenden Parameter: It quickly became clear that the requirements in refrigeration with pressure ratios between 5 and 15 (medium and low temperature cooling) can be implemented best on the basis of the proven reciprocating principle with its pressure controlled working valves. That is why the Octagon® series C1 up to C4 were developed on this basis (figure 1). The following determining parameters are common to all of them: • Einteiliges, druckfestes Gehäuse ohne Bodenplatte • One-piece, compression-proof housing without bottom plate • Triebwerke mit kurzen Hüben und Exzenterwelle • Einfache und robuste (überlastbare) Ventilauslegung mit Lamellenventilen – bei gleichzeitiger Optimierung für hohe Liefer- und Gütegrade sowie einem großen Drehzahlbereich • 4-Zylinderbauart bereits ab Baureihe C3 mit 18m3/h Hubvolumen (verbesserte Laufruhe) • Drives with short strokes and eccentric shaft • Simple and robust (overload capable) valve design with reed valves – with concurrent optimization for high volumetric and isentropic efficiencies as well as for a wide speed range • Leistungsregelung bei den 4-Zylinderverdichtern • 4 cylinder design already from series C3 with 18 m3/h displacement (improved running smoothness) • Breitbandige Drehzahlregelbarkeit für Betrieb mit Frequenzumrichter • Capacity control in the case of 4 cylinder compressors • Neuentwickeltes Zentrifugalschmiersystem [1] • Broadband speed range for operation with frequency inverter • Pulsationsdämpfer in die Zylinderköpfe eingegossen (Bild 2) • Newly developed centrifugal lubrication system [1] m C 8 2 5 0 3 / h 2 0 0 B 6 1 5 0 1 0 0 5 0 C 4 C 2 C 3 C 1 C C C C C 4 4 4 4 2 K 2 J 2 H 2 G 2 F 2 E 2 D 2 C 4 F 4 E 4 D 4 C V C T C P C N C C C C C C C C S S S 0 B 5 S 4 J 4 H 4 G 6 J 6 H 6 G 6 F 8 G C 8 F C H u b v o lu m e n / D is p la c e m e n t ( 5 0 H z ) • Cast-in pulsation mufflers in the cylinder heads (figure 2) Abb. 1 Übersicht der halbhermetischen HubkolbenVerdichterbaureihen Fig. 1 Overview of semi-hermetic reciprocating piston compressor series Octagon® – the Compressor Innovation Abb. 2 Konventioneller Zylinderkopf im Vergleich zum patentierten Zylinderkopf mit integriertem Muffler (Bitzer-Standard) Fig. 2 Conventional cylinder head in comparison with the patented cylinder head with integrated muffler (Bitzer standard) 3 • Direktantrieb durch integrierten, 4-poligen Motor mit robuster Auslegung, hohem Wirkungsgrad und PTCÜberwachung Mit diesen Parametern ergeben sich hervorragende Eigenschaften für die Basisanwendung und interessante Weiterentwicklungsmöglichkeiten, die mittlerweile sowohl die betriebssichere Anwendung in unterkritischen CO2-Kaskaden umfassen wie inzwischen auch eine erste Ausführung von Verdichtern für transkritischen Einsatz mit zulässigen Betriebsdrücken von 130 bar und höher (siehe Abschnitt 5). Auch diese konnten auf Basis des Octagon®-Konzepts ausgeführt werden; ein weiterer Beweis für dessen universelle Stärke. Doch wenden wir uns zunächst wieder dem üblichen Einsatz mit HFKW-Kältemitteln zu und schauen uns dort einige Grundeigenschaften im Vergleich zu Scroll-Kälteverdichtern an. • Direct drive by means of integrated 4 pole motor with a robust design, high efficiency and PTC monitoring With these parameters excellent features for basic application and interesting further development possibilities emerged, which in the meantime comprised both the safe operation in subcritical CO2 cascades as well as a first version of compressors for trans-critical application with permissible operation pressures of 130 bar and above (see chapter 5). These could also be designed on the basis of the Octagon® concept, a further proof for its universal strength. However, let us first return to the usual application with HFC refrigerants and look at several basic features in comparison to scroll compressors. 3.1 Characteristic features 3.1 Charakteristische Merkmale Compression process in reciprocating compressors Verdichtungsvorgang Hubkolbenverdichter Dieser ist ganz einfach: Jeder Zylinder saugt pro Umdrehung einmal an und stößt auch das Druckgas einmal aus, so dass sich die Grundfrequenz der Förderung aus Zylinderzahl mal Drehzahl ergibt. It is very easy: Each cylinder draws in suction gas once per revolution and expels the discharge gas once so that the basic discharge frequency results from the number of cylinders multiplied by the speed. Verdichtungsvorgang Scrollverdichter Compression process in scroll compressors Man kann den Scroll mit beliebig vielen Spiralumdrehungen ausführen: Er saugt pro Umdrehung einmal an und stößt das Druckgas auch nur einmal pro Umdrehung aus, was sein Betriebs- und Geräuschverhalten charakterisiert. Übliche Spiralen haben oft 2,5 oder 3 "Windungen", was dazu führt, dass mehrere Verdichtungsvorgänge entsprechend langsam parallel ausgeführt werden. Dies trägt zur Gleichmäßigkeit des Drehmoments bei, verändert jedoch nicht die Anzahl der Fördervorgänge pro Zeit. Die Grundfrequenz der Druckgaspulsation ergibt sich also direkt aus der Antriebsfrequenz; der Verdichter ist vom Druckgasausstoß her quasi ein "Einzylinder". One can design a scroll compressor with an arbitrary number of spiral revolutions: It draws in gas only once per revolution and expels the discharge gas only once per revolution, which characterizes its operation and noise behavior. Normally, spirals often have 2.5 or 3 "windings", leading to the effect that several adequately slow parallel compression processes take place. This leads to an equalization of torque, but does not change the number of discharge processes per time interval. The main frequency of discharge gas pulsation directly results from the working frequency; with regard to discharge gas volume the compressor acts as if it were a "single-cylinder". Steuerung des Ladungswechsels Controlling the gas exchange process Alle mechanischen Verdrängerverdichter verdichten das Gas, indem sie das eingeschlossene Gasvolumen verkleinern. Beim Hubkolbenverdichter geschieht dies durch den auf und ab gehenden Kolben, wobei der Ladungswechsel durch Druck gesteuerte Ventile erfolgt, so dass sich der innere Verdichtungsvorgang verschiedenen Arbeitsdrücken anpassen kann. All mechanical positive displacement compressors compress the gas by reducing the enclosed gas volume. With reciprocating compressors this happens by means of the up and down moving piston, whereby the gas exchange occurs through pressure-controlled valves, so that the internal compression process can adjust to different working pressures. Beim Scrollverdichter geschieht dies durch die zirkulare Verkleinerung des spiralförmigen Verdichtungsraums, wobei der Ladungswechsel durch eine vorgegebene Drucköffnung gesteuert wird. Der Verdichtungsvorgang ist daher nur beim sog. "eingebauten Volumenverhältnis" ideal. Bei hiervon abweichenden Betriebsbedingungen (Druckverhältnis) ist der Arbeitsprozess von Über- oder Unterverdichtung gekennzeichnet. With the scroll compressors this happens by means of the spiral-shaped compression space that reduces in a circular manner, whereby the gas exchange is controlled by a predetermined discharge port. The compression process is therefore only ideal in the case of the so-called "built-in volume ratio". In case of operating conditions deviating from this (pressure ratio) the working process is characterized by over or under compression. 4 Octagon® – die Verdichter-Innovation Achievable internal compression ratios Bei einstufigen Hubkolbenverdichtern werden bei üblicher Bauweise Grenzdruckverhältnisse von etwa 40 erreicht, dabei wird der durchgesetzte Massenstrom dann zu 0. In case of single-stage reciprocating compressors in usual design the pressure ratio limits of about 40 are achieved, whereby the conveyed mass flow will become zero. Bei Scrollverdichtern werden üblicherweise innere Druckverhältnisse von etwa 3,5 erreicht. Bei konstruktiver Auslegung auf höhere Druckverhältnisse werden die verfügbaren Auslassquerschnitte immer kleiner, führen dadurch zu entsprechenden Druckverlusten und je nach Betriebsbedingungen auch zu innerer Überkompression. Wird ein Scrollverdichter bei einem höheren als dem inneren Druckverhältnis betrieben (Beispiel: Tiefkühleinsatz), so spricht man von "Unterverdichtung". Die restliche Verdichtung, die nicht bei abgeschlossenem Verdichtungsraum stattfindet, erfolgt energetisch ungünstig als Gleichraumverdichtung (isochor). Durch modifizierte Spiralgeometrie und Einsatz eines Arbeitsventils im Auslassbereich lassen sich die Verluste zwar reduzieren, der prinzipbedingte Wirkungsgradabfall ist aber dennoch stark ausgeprägt. Das Auslassventil kann die innere Rückströmung in der Spirale beim hochdruckseitigen Öffnen gegen die Mitteldruckkammer nicht verhindern. Scroll compressors normally achieve internal pressure ratios of about 3.5. In case of design configuration for higher pressure ratios the available discharge cross-sections gradually become smaller, leading to corresponding pressure losses and dependent on operating conditions also to internal over compression. In case a scroll compressor is operated at a pressure ratio higher than the internal one (example: low temperature application), then one speaks of "under-compression". The rest of the compression that does not take place in an enclosed compression chamber, occurs energetically adverse as a constant volume compression (isochoric). The losses can be reduced through modified spiral geometry and application of a working valve in the discharge area; but the efficiency drop caused by the principle is nonetheless strongly distinctive. The discharge valve cannot prevent the internal flowback in the spiral when the high-pressure side is opened towards the intermediate pressure chamber. Liefergrad über dem Druckverhältnis Volumetric efficiency versus pressure ratio Betrachtet man die Liefergrade über dem Druckverhältnis (Bild 3), so erkennt man den flachen Verlauf des Scrollverdichters gegenüber dem steiler abfallenden Liefergrad des Hubkolbenverdichters, der insgesamt auch auf niedrigerem Niveau liegt. Der in diesem Bild gezeigte Liefergradverlauf des Scrollverdichters – aus Wettbewerbsdokumentation rückgerechnet – ist übrigens nicht charakteristisch: Ein Anstieg des Liefergrades mit zunehmendem Druckverhältnis ist bei Verdrängerverdichtern nicht möglich. Ein 2-stufiger Kolbenverdichter hätte einen ähnlich flachen Verlauf wie der Scrollverdichter. Beim Hubkolbenverdichter ergibt sich jedoch ein Großteil des Liefergradverlustes aus der Rückexpansion des nicht ausgeschobenen Restgases im Zylinder. Allerdings leistet dieses Restgas bei abwärts gehendem Kolben nützliche Arbeit an der Exzenter- bzw. Kurbelwelle (und kühlt sich dabei ab), so dass dieses sich kaum schädlich auf Gütegrad und Leistungszahl auswirkt. Considering the volumetric efficiency versus the pressure ratio (figure 3) one recognizes the flat characteristic of the scroll compressor in contrast to the steeper decreasing volumetric efficiency of the reciprocating compressor being in overall at a lower level. The volumetric efficiency characteristic of the scroll compressor shown in this figure – re-calculated from a competitor's documentation – is not characteristic: An increase of the volumetric efficiency with increasing pressure ratio is not possible in the case of positive displacement compressors. A 2stage piston compressor would have a similarly flat characteristic curve like the scroll compressor. In case of reciprocating compressors a great amount of the volumetric efficiency loss comes from the re-expansion of non-discharged gas in the cylinder. Nevertheless, this residual gas performs useful work on the eccentric shaft or crankshaft during the downward movement of the piston (and cools down in the process) so that it hardly affects the isentropic efficiency and coefficient of performance. L ie fe r g r a d V o lu m e tr ic E ffic ie n c y Erreichbare innere Verdichtungsverhältnisse 1 ,0 0 ,9 0 ,8 0 ,7 0 ,6 0 ,5 0 ,4 0 ,3 0 ,2 0 ,1 0 ,0 S c r o ll S c r o ll & E c o n o m is e r C 3 O c ta g o n 0 2 4 6 8 R 4 0 4 A tc = 4 0 ° C toh = 2 0 ° C 1 0 1 2 1 4 1 6 D r u c k v e r h ä ltn is / P r e s s u r e R a tio Abb. 3 Liefergradverläufe von Scroll- und Octagon®-Verdichtern, basierend auf dokumentierten Leistungsdaten Octagon® – the Compressor Innovation Fig. 3 Volumetric efficiency characteristics of scroll and Octagon® compressors based on published performance data 5 3.2 Vergleich Octagon® mit Scrollverdichtern für Kälteanwendungen 3.2 Comparison between Octagon® and scroll compressors for refrigeration applications Geräusche und Schwingungen Noise and vibrations Es zeigt sich, dass der "Einzylinder" Scroll bei hohen Druckverhältnissen, also speziell in Kälteanwendungen, oft erhöhte Betriebsgeräusche und Schwingungen aufweist. Moderne Hubkolbenverdichter laufen erheblich ruhiger. In Bild 4 ist der Schall-Leistungspegel zweier aktueller Verdichter gleicher Kälteleistung verglichen: Hier zeigt sich, dass der Octagon®Verdichter deutlich leiser ist. Der Pegelunterschied entspricht etwa einer Verdoppelung des Geräusches. It is apparent that the "single cylinder" scroll often exhibits increased operating sound and vibrations in the case of high pressure ratios, especially in low temperature applications. Modern reciprocating compressors run substantially more smoothly. In figure 4 the sound power level of two current compressors of the same cooling capacity is compared: Here it is obvious that the Octagon® compressor is significantly quieter. The sound level difference approximately corresponds to twice the sound level. Kosten / Aufwand Costs / Effort Scrolls werden mit dem Argument geringerer Kosten angeboten. In einfachen Klimaanwendungen, bei denen die Verdichter ohne Zubehör wie Kältemitteleinspritzung oder EconomiserUnterkühlung eingesetzt werden können, mag dies zutreffen. In einer Tiefkühlanlage, wo Scrolls dem Betrieb ohne Zusatzkühlung aufgrund ihrer Prinzip bedingten höheren thermischen Belastung (s.o: Verdichtungsvorgang) nicht gewachsen sind, ergibt sich ein erheblicher Installationsaufwand (Bild 5). Scrolls are offered with the argument of lower costs. In simple air-conditioning applications in which the compressors can be used without accessories such as liquid injection or economiser subcooling, this may be true. In a low temperature plant, where scrolls are not suitable for the operation without additional cooling due to higher thermal load based on their principle (see section compression process), significant installation effort is required (figure 5). Hier müssen die relativ kleinen Verdichter mit Flüssigkeitseinspritzung und/oder Unterkühlungskreisläufen versehen werden, um die Verdichter thermisch zu entlasten bzw. die unzureichende Leistungszahl anzuheben. Die erforderlichen Komponenten, wie Flüssigkeitsunterkühler, Expansions- und Magnetventil, Verrohrung, Isolierung von Unterkühler und Flüssigkeitsleitung, sowie Elektrik stellen eine kosten- und fehlerträchtigen Zusatzaufwand dar. Here, the relatively small compressors must be equipped with liquid injection and/or subcooling circuits in order to relieve the compressors thermally or to raise the insufficient coefficient of performance. The required components such as liquid subcooler, expansion and solenoid valves, pipework, insulation of subcooler and liquid line, as well as the electrical system lead to failures risks and additional expenses. E C O 9 0 5 K 8 0 [d B (A )] 7 0 O c ta g o n C 3 [7 4 d B (A )] S c r o ll [7 8 d B (A )] S c r o ll C o m p re s s o r 6 0 5 0 L W A 4 0 3 0 T X V 2 0 5 K 1 0 5 K 0 F re q u e n z / F re q u e n c y [H z ] T X V Abb. 4 Vergleich der Schallemissionen von Scroll- und Octagon®Verdichtern (Terzband-Analyse) Fig. 4 Comparison of noise emission from scroll and Octagon® compressors (one-third octave band) 6 Abb. 5 Das Kreislaufprinzip eines Scrollverdichters mit Economiser Fig. 5 The principle circuit of a scroll compressor with economiser Octagon® – die Verdichter-Innovation Energieeffizienz / Leistungszahl Energy efficiency / Coefficient of performance (COP) Octagon®- Vergleicht man z.B. die Dokumentation eines C3 Verdichters mit einem etwa leistungsgleichen Scroll, dann zeigt sich bei Referenzbedingungen ohne Flüssigkeitsunterkühlung (-35/40/toh20°C/R404A) entsprechend EN12900 eine deutliche Überlegenheit des Octagon®-Verdichters (Bild 6). Im Falle realer Anlagen stellen sich bekanntlich andere Überhitzungs- und Unterkühlungsbedingungen ein, die je nach Systemkonfiguration sehr unterschiedlich sein können. Bei klassischer Betriebsweise von Octagon®-Verdichtern mit reichlich dimensioniertem inneren Wärmeaustauscher (IWT) direkt beim Verdampfer (bzw. den Verdampfern) lässt sich die Sauggasüberhitzung nutzbringend auf die Flüssigkeitsunterkühlung übertragen [3]. Damit sind trotz unvermeidbarer Systemverluste sowohl die nutzbare Kälteleistung am Verdampfer als auch die Leistungszahl nur unwesentlich geringer als bei o.g. Referenzbedingungen (Bild 7). Scrollverdichtern werden inzwischen ebenfalls mit Economiser (Dampfeinspritzung) angeboten, um die zuvor beschriebenen thermischen und energetischen Nachteile auszugleichen. Im praktischen Betrieb ist aber bei diesem Konzept der effiziente Einsatz eines zusätzlichen IWT zwischen Sauggas und kalter Flüssigkeit (nach dem Unterkühler) nahezu nutzlos. Darüber hinaus wird die Flüssigkeitstemperatur (nach dem Unterkühler) trotz Isolierung der Leitung auf dem Weg zum Verdampfer durch Wärmeeintrag ansteigen und dadurch zu einer weiteren Leistungs- und Effizienzminderung führen. Deshalb wird der Scroll in einer realen Kälteanlage trotz des komplexen Systemaufbaus mit Econmiser bestenfalls die Leistungzahl des Octagon®-Verdichters bei einfachster Systemtechnik erreichen (Bild 7). When comparing the documentation of a C3 Octagon® compressor with a scroll compressor of equal capacity, then it becomes obvious that under reference conditions without liquid subcooling (-35/40/20°C return gas temp./R404A) according to EN12900 the Octagon® compressor shows significant superiority (figure 6). In case of real systems, it is known that other superheating and subcooling conditions set in, which can be very different depending upon system configuration. In case of classic operation of Octagon® compressors with a generously dimensioned liquid/suction line heat exchanger (IHX) located close to the evaporator (or evaporators) the suction gas superheat can efficiently be transferred to the liquid subcooling process [3]. Therefore, regardless of unavoidable system losses, both the useful cooling capacity of the evaporator and the COP are only insignificantly lower than in the case of the above mentioned reference conditions (figure 7). Today, scroll compressors are also offered with economisers (vapour injection) to compensate for the previously described thermal and energetic disadvantages. In practical operation, the efficient application of an additional IHX between the suction gas and cold liquid (after the subcooler), however, is useless with this concept. Furthermore, through heat transfer the liquid temperature (after the subcooler) will increase on the way to the evaporator, despite the insulation of the piping, and hence lead to further capacity and efficiency reduction. Thus, in a real refrigeration system in spite of its complex system setup with economiser, the scroll compressor will at best attain the COP of the Octagon® compressor with the simplest system setup (figure 7). 1 ,3 0 1 ,3 5 1 ,3 0 1 ,2 5 1 ,2 5 1 ,2 0 C O P C O P 1 ,2 0 1 ,1 5 1 ,1 5 R to tc to 4 0 = = h = E N 1 1 ,1 0 1 ,0 5 4 A -3 5 °C 4 0 ° C 2 0 ° C 2 9 0 0 1 ,0 0 S c r o ll O c ta g o n C 3 Abb. 6 Vergleich der Leistungszahlen eines Scroll- und Octagon®Verdichters Fig. 6 Comparison of the coefficients of performance of a scroll and Octagon® compressor Octagon® – the Compressor Innovation 1 ,1 0 R 4 to = tc = 7 K 1 ,0 5 1 ,0 0 S c r o ll S y s te m + E C O O c ta g o n C 3 + IH X 0 4 A -3 5 °C 4 0 °C (2 ) O c ta g o n C 3 + (1 ) Abb. 7 Vergleich der Leistungszahlen eines Scrollsystems mit klassischen Octagon®-Systemen (1) mit Unterkühlung aus Normalkühl-Kreislauf (2) nutzbare Überhitzung im Verdampfer Fig. 7 Comparison of the coefficients of performance of a scroll system with classical Octagon® systems (1) with subcooling from medium temperature circuit (2) useful superheat in evaporator 7 Octagon®-Verdichter bieten noch weiteres Potential für eine Effizienzsteigerung. So lässt sich z.B. in Supermarktsystemen auch eine Lösung mit zusätzlichem Economiser (Bild 8) durch einen zentralen Flüssigkeitsunterkühler realisieren. Diese Ausführung ist heute weitgehend Stand der Technik. In dieser Anwendung kommt dann der energetische Vorteil des Octagon®-Verdichters in gleicher Relation zum Tragen wie beim Vergleich unter den eingangs erwähnten Referenzbedingungen (Abb. 7, rechter Balken). Octagon® compressors offer further potential for efficiency increase. In supermarket systems, for instance, a solution with additional economiser (figure 8) can be implemented through a central liquid subcooler. To a large extent, this configuration is today’s state of the art. In this application the efficiency advantage of the Octagon® compressor becomes noticeable in the same relation as in the comparison under the reference conditions mentioned at the beginning (Fig. 7, right bar). Leistungsregelung Capacity control Octagon® Hubkolbenverdichter bereits ab Hier bieten die 18 m3/h Hubvolumen die bewährte und energetisch günstige Zylinderabschaltung, z.B. auf 50% beim 4-Zylinder (Bild 9). Scrollverdichter für Kälteanwendungen haben typischerweise keine Leistungsregelung. Here, the Octagon® reciprocating compressors already offer the approved and efficient blocked suction system from 18 m3/h displacement on, e.g. to 50% for the 4 cylinder model (figure 9). Scroll compressors for low temperature applications typically have no capacity control. Drehzahlbereich Speed range Moderne kurzhubige Hubkolbenverdichter sind ohne weiteres in einem breiten Band drehzahlregelbar (Bild 10). Siehe auch KT-420. Modern short-stroke reciprocating compressors can easily be operated via a broad speed range (figure 10). See also KT-420. Scrollverdichter sind in der klassischen Bauform nur eingeschränkt mit Drehzahlregelung einsetzbar, da sich die Radialkräfte an den Spiralwänden mit dem Quadrat der Drehzahl verändern. Bei geringeren als der Nenndrehzahl drohen so interne Leckagen, bei höheren dagegen Spiralbrüche. Scroll compressors in classical design are only applicable with speed control to a limited extent because the radial forces on spiral walls change proportionally with the square of the speed. At lower speeds than nominal there is the threat of internal leakages; at higher speeds on the contrary there is danger of spiral fracture. R 4 0 4 A N K -S y s te m / M T s y s te m Abb. 8 Das Kreislaufprinzip in einer typischen Supermarktanwendung 8 R 4 0 4 A T K -S y s te m / L T s y s te m Fig. 8 The circuit principle in a typical supermarket application Octagon® – die Verdichter-Innovation 5 0 6 0 S c r o ll 4 0 7 0 H z 2 C y l. 3 0 4 C y l. 8 0 2 5 Abb. 9 Fig. 9 Leistungsregelung durch Zylinderabschaltung bei Bitzer-Kolbenverdichtern Capacity control through blocked suction system with Bitzer reciprocating compressors Abb. 10 Fig. 10 Übersicht der möglichen Drehzahlbereiche von Kolbenverdichtern im Vergleich zum Scroll Overview of possible speed ranges of piston compressors in comparison with the scroll compressors Anwendungsbereiche Application ranges Beim Vergleich der dokumentierten Anwendungsgebiete ist zu sehen, dass die Octagon®-Verdichter ohne Innen- und Zusatzkühlung deutlich niedriger in der Verdampfung betrieben werden können, was sich aus dem oben erwähnten thermodynamisch günstigeren Verdichtungsvorgang mit den druckgesteuerten Ventilen ergibt. Die Begrenzung in der maximalen Verflüssigungstemperatur ist durch die Motorzuordnung gegeben und entspricht den üblichen Markterfordernissen. When comparing published application ranges it is obvious that Octagon® compressors can be operated at substantially lower evaporation without internal and additional cooling. This results from the above mentioned thermodynamically more favourable compression process with the pressure controlled working valves. The limit in maximum condensing temperature is determined by the motor size and corresponds to usual market requirements. 4 Zuverlässigkeit 4 Reliability Aufgrund der prozessbedingt notwendigen Kühlung des Verdichtungsvorgangs bei Scrollverdichtern und dem damit verbundenen höheren Einzelaufwand bei der Installation sind auch die Versagensrisiken höher zu bewerten als bei einem "simplen" Hubkolbenverdichter. Dies gilt um so mehr, wenn die Verdichter bei tiefen Verdampfungstemperaturen eingesetzt werden. Irreführend ist hier die in der Werbung vorkommende Aussage, ein Scroll sei allein dadurch zuverlässiger, dass er weniger bewegte Teile habe. Dies würde übertragen auf eine Hubkolbenmaschine bedeuten, dass ein Einzylinder zuverlässiger als ein Sechszylinder wäre. Hier ist wohl jeder Kommentar überflüssig. Due to the necessary process-related cooling of the compression process in case of scroll compressors and higher installation efforts associated with it, also increased failure risks have to be assessed with higher priority than in the case of a "simple" reciprocating compressor. This is valid even more when the compressor is used at low evaporation temperatures. The inference drawn in advertisements that a scroll compressor is more reliable because it has fewer moving parts is misleading. If this is applied to a reciprocating machine, it would mean that a single cylinder is more reliable than a six cylinder compressor. Here every comment is unnecessary. Octagon® – the Compressor Innovation 9 5 Weitere Anwendungen 5 Further applications CO2-Kaskaden CO2 cascade systems In Tiefkühlanwendungen lassen sich mit CO2 als Kältemittel hervorragende Leistungsdaten erzielen, wenn das CO2 unterkritisch auf der Verdampfungsseite des Normalkühlkreislaufs kondensiert werden kann (Bild 11). In low-temperature applications, excellent performance data are achieved with CO2 as refrigerant when CO2 can be condensed sub-critically on the evaporation side of the medium temperature circuit (figure 11). Aufgrund ihrer guten Druckbelastbarkeit sind die Octagon®Baureihen von Haus aus auch für Anwendungen bei höheren Betriebsdrücken prädestiniert. Bereits seit 1998 werden Verdichter in unterkritischen CO2-Anwendungen als Kaskadenverdichter eingesetzt (Bild 12). Die dabei notwendigen Modifikationen betreffen den max. Betriebsdruck von 42 bar und das Lager- und Schmierungssystem des Verdichters, welches aufgrund der hohen Kältemittellöslichkeit der POE-Öle mit CO2 hier besondere Anforderungen stellt. Due to their good pressure strength the Octagon® series is also predestined for applications at higher operating pressures. Since 1998 the compressors are already used as cascade compressors in sub-critical CO2 applications (figure 12). Necessary modifications here involve the maximum operating pressure of 42 bar, and compressor's bearing and lubrication system that imposes special requirements due to the high solubility of CO2 in POE oils. Transkritische Anwendungen Trans-critical applications Auch für transkritische Anwendungen des Kältemittels CO2 ist das Octagon®-Konzept gut geeignet. In Supermarktanwendungen [2] werden hierzu Betriebsdrücke bis 120 bar erforderlich. Die notwendigen Entwicklungsmaßnahmen am Verdichter betrafen hier Gehäuse-Konstruktion und -Material sowie eine Neuauslegung des Triebwerks, Hubraums und HubBohrungsverhältnisses entsprechend den Drucklagen und Druckverhältnissen von CO2. The Octagon® concept is well suited also for trans-critical applications of CO2 as refrigerant. In supermarket applications [2] operating pressures of up to 120 bar are required. Necessary development measures on the compressor in this case involved a new housing design and material as well as a new design of crank gear, displacement and cylinder stroke bore ratio according to pressure levels and ratios of CO2. H F K W (N H 3 / K W ) H F C (N H 3 / H C ) Abb. 11 Fig. 11 10 C O 2 Konventionelle Kälteanlage kombiniert mit CO2 Tiefkühlkaskade Conventional refrigeration system combined with CO2 low temperature cascade Abb. 12 Fig. 12 Octagon®-Verdichter für Tiefkühlkaskaden-Kreisläufe mit CO2 Octagon® compressor for low-temperature cascade cir cuits with CO2 Octagon® – die Verdichter-Innovation 6 Zusammenfassung 6 Summary Die seit 1998 auf den Markt gebrachten Octagon®-Verdichter haben sich besonders in Kälteanwendungen durch ihre solide Konstruktion, Laufruhe, Leistungsfähigkeit und kompakte Bauweise einen Namen gemacht. Nach Vorstellung der C3Baureihe im Jahre 2000 mit bis dato erstmals im Bereich kleinerer Verdichter angewandter 4-Zylindertechnik und turbinenhafter Laufruhe bekam die Entwicklung eine erhebliche Eigendynamik. Octagon® compressors brought to the market since 1998 have become popular especially in low temperature applications due to their solid design, smooth running, performance and compact design. After the presentation of the C3 series in the year 2000 with the application of 4 cylinder technology for the first time ever in the range of smaller compressors and turbine-like running smoothness the development got its own momentum. Aus Massenherstellung von Scrollverdichtern für die Klimaanwendung abgeleitete Kältescrolls sind eine fragwürdige Lösung, die trotz eines relativ hohen Zusatzaufwands die Effizienz gängiger Systemausführungen mit Octagon®Verdichtern nicht erreicht. Unterm Strich bleiben deshalb neu entwickelte Hubkolbenverdichter, wie sie z.B. mit den Octagon®-Baureihen verfügbar sind, für Anwendungen in Kälteanlagen die sinnvollere Lösung. Low temperature application scroll compressors derived from mass production of scrolls for air-conditioning application is a questionable solution, which, in spite of a relatively high additional expense, still does not attain the efficiency of conventional systems with Octagon® compressors. At the end of the day, the newly developed reciprocating compressors, as available for instance with the Octagon® series, therefore remain the more reasonable solution for applications in refrigeration systems. Literaturhinweise und Referenzen Literature sources and references [1] Bitzer Sonderausgabe und Veröffentlichung (09/2004): Ein verbessertes Zentrifugal-Schmiersystem für Kältemittelverdichter [1] Bitzer special edition and publication(09/2004): An Enhanced Centrifugal Lubrication System for Refrigeration Compressors [2] Linde Veröffentlichung (KK 2/2005): Erste CO2-Kälteanlage für Normal- und Tiefkühlung in einem Schweizer Hypermarkt [2] Linde special edition and publication (02/2005): First CO2 Refrigeration System for Medium and Low Temperature Refrigeration at a Swiss Megastore [3] Info Tour 1 – Thema: Überhitzung – Unterkühlung [3] Info Tour 1 – Topic: Superheat – Subcooling Octagon® – the Compressor Innovation 11 www.bitzer.de • [email protected] Änderungen vorbehalten / Subject to change 09.06 Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH Eschenbrünnlestraße 15 71065 Sindelfingen, Germany fon +49 (0) 70 31 932-0 fax +49 (0) 70 31 932-146 & -147