Главная › Новости

Решения для ЦОД - Digital Scroll - технология регулирования спирального компрессора

Опубликовано: 30.09.2018

Говоря о регулировании систем кондиционирования и холодильных циклов, раньше, как правило, имели в виду работу терморегулирующего вентиля . Других вариантов, по сути, не было.

Несколько лет назад компания Emerson Network Power объявила об использовании в своих кондиционерах новой экономичной технологии регулирования — цифровых спиральных компрессоров Digital Scroll от компании Copeland (серия  ZBD ).Со временем компрессоры стали оснащаться линией байпаса, что позволило расширить пределы регулирования. Однако данный вариант неэкономичен. Куда более выгодным является применение частотных преобразователей, изменяющих частоту вращения вала компрессора. Но с увеличением мощности электродвигателя стоимость таких преобразователей резко возрастает, что заметно повышает цену всей системы.

Digital Scroll

 В процессе эксплуатации компрессор Digital Scroll часть определенного промежутка времени (равного, как правило, 20 секундам) работает под нагрузкой, а оставшуюся часть — без нее. Смена режима работы происходит за счет осевого смещения спиралей: когда они в нормальном положении, компрессор сжимает газ, при смещении же герметичность межспиральных рабочих объемов нарушается и сжатия не происходит.

Регулирование холодопроизводительности достигается вариацией длительностей работы компрессора с нагрузкой и без нее. Так, при 100 % загрузке компрессор весь цикл работает на сжатие. При 50 % загрузке полцикла (10 секунд) — на сжатие, полцикла — без нагрузки, при 80 % загрузке получаем соответственно 16 и 4 секунд.

Технология Digital Scroll позволяет изменять холодопроизводительность в диапазоне от 10 % до 100 %, что является очень хорошим показателем. Согласно данным компании Copeland, коэффициент сезонной эффективности ESEER превышает аналогичный показатель обычных компрессоров и позволяет говорить о годовом снижении энергопотребления на 20 %.

Рис.1 Компрессор Digital Scroll

Конструкция цифрового спирального компрессора

Чисто визуально компрессоры Digital Scroll (рис. 1) отличаются от обычных спиральных компрессоров наличием элемента, похожего на линию байпаса.

В принципе это и есть байпас, оснащенный соленоидным вентилем, но выполняет он несколько необычную функцию.

Как было сказано выше, компрессор работает циклами, каждый цикл делится на два участка — работа под нагрузкой и работа без нее. Максимальная длительность цикла составляет 30 секунд. Работа электродвигателя компрессора и вращение вала происходят постоянно и непрерывно.

Для реализации режима работы без нагрузки верхняя часть компрессора была перепроектирована так, чтобы верхняя спираль могла немного (не более чем на 1 мм) смещаться по вертикали.

Компрессор работает под нагрузкой. Соленоидный клапан закрыт. Пружина прижимает спирали друг к другу — обеспечивается сжатие газа.Процесс регулирования (рис. 3) выглядит следующим образом:

По истечении интервала времени, отведенного на сжатие, на соленоид подается сигнал, клапан открывается. Давление в полости нагнетания падает, а давление под поршнем остается высоким, следовательно, поршень поднимается и поднимает за собой верхнюю спираль. Межспиральные объемы мгновенно объединяются. Несмотря на вращение вала, сжатия уже не происходит, газ с высоким давлением не генерируется. Энергопотребление в холостом режиме составляет 0,5 кВт. По окончании длительности холостой работы подается сигнал на закрытие соленоидного вентиля, и компрессор снова работает на сжатие.

Таким образом, мгновенная производительность компрессора составляет либо 100, либо 0 %, плавное регулирование холодопроизводительности достигается за счет изменения длительности работы на сжатие.

Рис.2 Конструкция компрессоров Digital Scroll 

Обратный клапан в Digital Scroll

Еще одной конструктивной особенностью цифровых спиральных компрессоров является отсутствие обратного клапана на линии нагнетания. Более того, при одиночной эксплуатации компрессора необходимости в нем вовсе нет. В многокомпрессорной установке он монтируется на расстоянии не менее 150 мм от нагнетательного патрубка. Данные меры позволяют избежать байпасирования сжатого газа на сторону всасывания во время холостой работы компрессора.

Рис.3 Процесс регулирования холодопроизводительности компрессора Digital Scroll за счет работы под нагрузкой и без нее.

Некоторые замечания по технологии Digital Scroll

Следует особо отметить, что при открытии соленоида из области высокого давления в область низкого перепускается лишь малая часть сжатого газа, соизмеримая с объемом находящейся над поршнем полости высокого давления.

Вторым видом потерь в данной технологии является работа электродвигателя вхолостую (без нагрузки). Относительно нагруженного режима энергозатраты на холостой режим, очевидно, невелики, но их доля в общем энергопотреблении тем выше, чем больше интервал работы без нагрузки.

Для примера сделаем следующий расчет: энергопотребление компрессора под нагрузкой составляет 5 кВт, без нагрузки — 0,5 кВт. При нагрузке 90 % работа вхолостую длится 10 % времени, и на нее приходится всего 1,1 % от общего энергопотребления (0,5*10/ (0,5*10+5*90)). Однако при нагрузке 10 %, когда работа вхолостую длится 90 % времени, энергопотребление холостой части цикла составит уже 47 % от общего (0,5*90/ (0,5*90+5*10)). Отсюда следует, что при 10 % загрузке КПД процесса регулирования — всего 53 %.

Конечно, КПД в 53 % невелик, но при регулировании байпасированием он составил бы всего 10 % (если бы регулирование при помощи байпаса позволяло обеспечить столь малую нагрузку на компрессор). Наиболее эффективным является применение частотного преобразователя (КПД в этом случае выше 95 %), но и его минимальный предел регулирования выше, чем у Digital Scroll, и составляет 30 %. Стоимость же такого решения возрастает на порядок.

Наконец, в многокомпрессорной установке из нескольких одинаковых компрессоров достаточно иметь всего один компрессор Digital Scroll — именно он будет обеспечивать плавное регулирование в своем диапазоне мощности. Остальные могут работать только на своей номинальной мощности, играя роль фиксированной ступени (рис. 4).

Рис.4 Регулирование холодопроизводительности в оборудовании с несколькими компрессорами

Контроллеры для компрессоров Digital Scroll

Для управления новыми компрессорами предлагаются два контроллера: Alco EC2–552 и Alco EC3–621/EC3–622 (рис. 5).

Все они предназначены для управления одним цифровым компрессором и характеризуются предустановленным циклом в 20 секунд. Управление осуществляется по давлению всасывания. Минимальная достигаемая производительность — 10 % (длительность сжатия 2 секунды).

Рис.5 Контроллеры Alco для управления компрессорами Digital Scroll

Преимущества и недостатки Digital Scroll

Итак, подводя итоги, сформулируем основные преимущества технологии регулирования Digital Scroll:

Широкий диапазон регулирования (10–100 %). Быстрая коррекция холодопроизводительности. Высокая эффективность регулирования по сравнению с другими видами регулирования. Нет проблемы возврата масла, Отсутствие электромагнитного излучения, оказывающего негативное влияние на электросеть и создающего наводки на слаботочные кабельные системы.

Однако еще раз отметим, что технология Digital Scroll не так экономична, как могут заверять производители: при загрузке компрессора в 10 % холостой режим, длящийся 90 % рабочего времени, внесет заметный вклад в энергопотребление компрессора.

Таблица. Сравнение технологии Digital Scroll с инверторным управлением

 

Критерий	Использование компрессоров Digital Scroll	Использование инверторного привода компрессора
Диапазон регулирования	10 – 100 % еременная мощность	35 – 100 % переменная мощность
Байпас горячего газа	Нет байпаса горячего газа (нет потерь)	Есть байпас горячего газа (есть потери)
Возврат масла и смазка	Высокая скорость движения хладагента нет проблем с возвратом масла и нет проблем со смазкой спиралей	У кондиционеров с инверторным приводом на низких оборотах возможны проблемы возврата масла и смазки спиралей

Использование Digital Scroll в кондиционерах

Из таблицы следует, что по сравнению с инверторным управлением технология Digital Scroll обладает рядом преимуществ.

В мультизональных системах Samsung  DVM  Plus 4 также использован компрессор Digital Scroll, однако с модификацией, позволяющей получить эффект двухступенчатого сжатия при использовании одного компрессора. В итоге технология у компании Samsung получила название  DVI  (Digital Vapor Injection).Сфера использования Digital Scroll достаточно велика. Данные компрессоры применены, например, в мультизональных системах Gree  GMV . В России большой популярностью пользуется двухтрубная система серии  GMV-R , известная также под названием  GMV  2. Кроме серии  GMV-R  на базе компрессора Digital Scroll Gree производит мультизональную систему GMV-Rm с модульной компоновкой наружных блоков. Есть у компании и системы с рекуперацией тепла на базе технологии Digital Scroll — серия GMV-Rh.

В области систем прецизионного кондиционирования технология Digital Scroll используется только в оборудовании Emerson Network Power , а именно в шкафных кондиционерах серии  HPM  с приставкой D и во всех внутрирядных фреоновых кондиционерах   CRV .

В определенных режимах работы при использовании Digital Scroll в кондиционерах Emerson Network Power декларируется снижение энергопотребления до 50 %. А при использовании технологии изоляции холодного коридора — до 65 %.

Таким образом, технология Digital Scroll используется в различных системах кондиционирования , как мультизональных, так и прецизионных. Ее использование, безусловно, более выгодно по сравнению с традиционными неинверторными системами и, по заявлению различных компаний, имеет и ряд преимуществ перед обычными инверторными приводами.

Источник