Regulace otáček snižuje spotřebu energie v chladicích zařízeních

Danfoss, s. r. o.

Abdelhak Dhabi diskutuje o výhodách používání měničů frekvence k ovládání
kompresorů v chladicích zařízeních

Teorie a případové studie ukazují, že regulace otáček v chladicích zařízeních zaručuje nejlepší pružnost a efektivitu při řízení spotřeby energie. Chladicí systémy většinu provozní doby pracují se sníženým výkonem. Šroubové kompresory se zpětnými šoupátky, s pístovými elektromagnetickými ventily a další typy kompresorů se řídí zapínáním a vypínáním. Tento způsob ovládání neumožňuje dosáhnout maximální úspory energie, protože účinnost chlazení se zhoršuje.

Řízení měničem frekvence
Při standardní konstrukci chladicího systému jsou elektromotory určeny k provozu při konstantních otáčkách. Tyto otáčky jsou dány frekvencí elektrického proudu dodávaného ze sítě a konstrukcí motoru (počtem pólů). Zátěž na hřídeli elektromotoru je dána součinem otáček hřídele a točivého momentu. Při konstantních otáčkách je výkon motoru určen točivým momentem zátěže. Při změně otáček se bude výkon motoru měnit jednak vlivem změny otáček a jednak vlivem změny momentu zařízení při změně jeho otáček podle momentové charakteristiky. Existují dva typy zatížení motoru: konstantní točivý moment a proměnný točivý moment.

Objemové kompresory
Objemové kompresory (např. šroubové, pístové, lopatkové) jsou zařízení s konstantním točivým momentem. Znamená to, že točivý moment potřebný k otáčení hřídele je konstantní bez ohledu na otáčky. Proto je výkon na hřídeli určen provozními podmínkami (tlaky) a způsobem regulace výkonu, které mají společně vliv na točivý moment. Obecně platí, že snížení otáček o 50 % zajistí odpovídající 50% snížení výkonu na hřídeli (obr. 1).
Použití měničů frekvence k ovládání chladicího výkonu poskytne lepší ovládání a větší účinnost ať už jde o kompresory, ventilátory nebo čerpadla.

Existuje několik důvodů pro použití regulace otáček u šroubových kompresorů: 

• řízení pohonu sníží ztráty výkonu spojené s ovládáním šoupátka, talířového ventilu nebo s regulací škrticího výko- nu; u kompresorů bez regulace výkonu odstraní ovládání otáček další nedostatky
  systému řízení, 
• řízení pohonu sníží opotřebení a vznik trhlin, které souvisejí s činností šoupátkového
  ventilu, 
• řízení pohonu umožní zachování přesného sacího tlaku; u šoupátka je často udržováno široké pásmo necitlivosti, aby se zabránilo nadměrnému opotřebení, 
• regulace hnacích otáček umožní zmenšení rozměrů kompresoru při stejném výkonu.
  
  Pohon šroubového kompresoru měničem frekvence
  
  Téměř každý rotační šroubový kompresor používá šoupátko pro odlehčení. Šoupátko se pohybuje po celé délce rotorů, a tak zmenšuje kompresní délku rotorů. Přestože je tento způsob ovládání plynule nastavitelný a poskytuje přiměřenou regulaci sacího tlaku, mohou se vyskytovat značné ztráty výkonu spojené s ovládáním šoupátka. Když se kompresor odlehčí, neexistuje proporcionální snížení výkonu. Typická křivka částečného zatížení šroubového kompresoru je znázorněna na obr. 2. Obecně platí, že ovládání při částečném zatížení se zhoršuje s menším sacím nebo větším výstupním tlakem. Účinné kompresory obvykle pracují hospodárně do přibližně 75% pozice šoupátka. Pod touto polohou kompresor pracuje neekonomicky. Většina šroubových kompresorů může podle údajů výrobců pracovat při otáčkách snížených až na 50 %. Při poklesu pod 50 % otáček musí být pro další snížení výkonu použito šoupátko. Vylepšená křivka výkonu při částečném zatížení je znázorněna na obr. 3. Je zjevné podstatné zlepšení výkonu kompresoru v celém rozsahu zatížení.
  Soustava několika paralelně připojených kompresorů s jedním regulovaným hlavním kompresorem a několika kompresory připojenými přímo k síti je založena na inteligentních měničích frekvence. Tyto typy měničů frekvence mohou zvládat regulační úkoly při otevřené i uzavřené smyčce v modulu kompresoru. Hlavní funkcí inteligentních měničů frekvence je udržovat konstantní sací tlak neustálým přizpůsobováním otáček kompresoru s proměnnými otáčkami. Přínosem použití kompresorů s kaskádovým řízením je zmenšení rozměrů, snížení nákladů a zachování stejného nebo dosažení lepšího výkonu. Použití pohonů k regulaci otáček zvyšuje COP (součinitel výkonu) systému a snižuje spotřebu energie. Srovnání je zobrazeno na obr. 4.
  Srovnání úspor nákladů mezi řízením pohonu a šoupátkovým ovládáním šroubových kompresorů Šroubové kompresory používané v chladicích zařízeních se rozdělují do dvou typů: a) se šoupátkem pro řízení výkonu, b) bez jakéhokoliv režimu řízení výkonu. Přestože regulace šoupátkem umožňuje dostatečnou regulaci sacího tlaku, existuje určitá spotřeba energie vynaložená na ovládání šoupátka. Na grafu spotřeby energie (obr. 5) lze vidět, že způsob ovládání šoupátkem nesleduje regulaci výkonu. V případě 60% výkonu kompresoru při ovládání šoupátkem spotřebuje přibližně 80 % výkonu. Při regulaci měničem je při 60% výkonu kompresoru spotřeba elektrické energie přibližně 60 %.
  
  Zkušenosti společnosti Danfoss se zákazníkem v Kanadě při použití šroubového kompresoru značky Mycom (údaje motoru kompresoru: 315 kW, 560 A, 380 V, cos φ = 0,91) přinesly tyto výsledky: 
  
•  šoupátko na 68 % => 438 A => 260 kW, 
• šoupátko na 80 % => 450 => 267 kW, 
• šoupátko na 100 % => 400 A => 291 kW
(na základě skutečných měření).

Za předpokladu, že průměrná roční kapacita je 80 % instalované kapacity při dvaceti provozních hodinách denně a 365 dnech provozu, je srovnání spotřeby elektrické energie mezi šoupátkovým ovládáním a řízením měničem takovéto: 

se šoupátkem: 267 (kW) × 365 × 20 = 1 949 100 kW·h,
– s regulací měničem: spotřeba energie je o 15 % nižší = 1 656 735 kW·h,
– úspora = 292 365 kW·h,
– úspora nákladů na provoz (0,12 eur/kW·h): 35 000 eur,
– průměrné náklady na instalaci měniče o výkonu 315kW: 32 700 eur,
– doba návratnosti: 1 rok.

Společnost Danfoss VLT Drives působí jako dodavatel pohonů do soustav HVAC a chladicích zařízení, v průmyslu výroby potravin a nápojů a v mnoha dalších průmyslových odvětvích. Jako světový dodavatel má tato společnost dodavatelská, výzkumná a vývojová centra v Číně, Dánsku, USA a Německu a světovou síť prodejců, kteří nabízejí svým zákazníkům velmi kvalitní elektronická řešení s velkou energetickou účinností. Adelhak Dhabi je ředitelem světového obchodního vývojového centra chladírenské techniky společnosti Danfoss VLT Drives se sídlem v Graastenu v Dánsku.

http://www.danfoss.cz/VLT 

Obr. 1. Závislosti točivého momentu a otáček (konstantní moment)
Obr. 2. Typické částečné zatížení šroubového kompresoru
Obr. 3. Zlepšené částečné zatížení šroubového kompresoru
Obr. 4. Regulace chladicího výkonu
Obr. 5. Skutečná měření spotřeby energie u šoupátkového ventilu a VFD