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
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