Digital Scroll – новая технология регулирования компрессора

Когда говорят о регулировке холодильных циклов систем кондиционирования, обычно имеют в виду работу специального терморегулирующего вентиля. Других вариантов просто не было, и быть не могло.

С течением времени компрессоры стали оснащать линией байпаса, благодаря чему пределы регулирования можно было расширить. Но этот вариант не является экономичным. Более выгодный вариант – использование частотных преобразователей, которые «умеют» изменять частоту вращения вала, расположенного в компрессоре. Здесь столкнулись с другой проблемой – чем выше мощность электродвигателя, тем цена на преобразователи возрастает очень резко, и это повышает стоимость всей системы в целом.

Внешний вид компрессора Digital Scroll

Несколько лет тому назад фирма Emerson Network Power разработала новую экономичную технологию регулирования и сообщила об использовании этой технологии в своих моделях. Речь идет о спиральных цифровых компрессорах Digital Scroll от компании Copeland.

Digital Scroll

Идея технологии Digital Scroll следующая: часть конкретного времени устройство работает под нагрузкой, оставшуюся часть – без нее (в сумме 20 секунд). Возможность автоматической смены режима работы достигается благодаря смещению спиралей. Если спирали в нормальном положении, компрессор сжимает газ, однако когда они смещаются, нарушается герметичность меж спиральных объемов, и сжатие не происходит.

Работа спиралей компрессора Digital Scroll

В свою очередь, регулирование производительности достигается за счет вариаций длительностей периодов работы компрессора без нагрузки и с нагрузкой. Если установить 100% нагрузку на компрессор, то весь цикл он будет работать на сжатие. Если нагрузка будет равна 50%, то 10 секунд компрессор будет работать без нагрузки, 10 секунд – с нагрузкой и т.д.

Digital Scroll позволяет менять холодопроизводительность от 10 до 100%, что является отменным показателем. По сравнению с показателем обычных кондиционеров, коэффициент эффективности ESEER значительно выше, и в целом он предполагает снижение энергопотребления на 20 в год. Об этом свидетельствуют данные компании Copeland.

Спиральный цифровой компрессор и его конструкция

Компрессоры Digital Scroll визуально отличаются от спиральных обычных компрессоров. Отличие – наличие элемента, который внешне напоминает линию байпаса.

Компрессор Digital Scroll в разрезе

По сути, это и есть байпас, оснащенный специальным соленоидным вентилем, но функция его несколько иная.

Как было оговорено выше, работа компрессора поделена на циклы – работа под нагрузкой и без нагрузки. Максимальная длительность цикла составляет 30 секунд. Электродвигатель компрессора и вращение вала осуществляются непрерывно.

Чтобы реализовать работу без нагрузки верхняя часть компрессора проектируется таким образом, чтобы верхняя спираль могла смещаться по вертикали (не более чем на 1 мм).

Порядок осуществления регулировки:

1. Компрессор работает под нагрузкой. Спирали прижаты друг к другу, в результате чего обеспечивается сжатие газа, Соленоидный клапан при этом закрыт.
2. Как только время, отведенное на сжатие, заканчивается, клапан открывается. В результате давление падает в полости нагнетателя, но давление под поршнем, как и прежде, высокое. Следовательно, поршень поднимается сам и при этом поднимает верхнюю спираль. Вал по прежнему вращается, однако сжатие газа не происходит. По сути, система работает вхолостую, и в этом режиме энергопотребление составляет всего 0.5 кВт.
3. Через конкретное время режим холостой работы прекращается. Подается сигнал за закрытие соленоидного вентиля, и компрессор опять начинает работать на сжатие.

Производительность компрессора составляет либо 0, либо 100%. Плавная регулировка производительности возможна благодаря изменению длительности работы устройства на сжатие.

Процесс регулирования производительности компрессора Digital Scroll

Обратный клапан в компрессорах Digital Scroll

Цифровые спиральные компрессоры отличаются еще одной конструктивной особенностью – отсутствием обратного клапана на линии нагнетателя. Необходимости в нем нет даже при одиночном использовании компрессора. В многокомпрессорной установке он устанавливается от нагнетательного патрубка на расстоянии не менее 150 мм. Это позволяет исключить байпасирование сжатого газа на время работы компрессора вхолостую.

Замечания по технологии DigitalScroll

Важно отметить, что при открытии соленоида в область низкого давления из области высокого давления попадает малая часть сжатого газа, соизмеримая с объемом, который находится над поршнем полости большого давления.

Другой вид потерь в этой технологии – работа электродвигателя без нагрузки. Конечно, энергозатраты на холостую работу двигателя невелики, но чем больший период работы двигателя без нагрузки, тем эти затраты выше.

Для примера можно привести следующий простой расчет: допустим, энергопотребление под нагрузкой составляет 5 кВт; без нагрузки – 0.5 кВт. Если нагрузка будет составлять 90%, то период работы вхолостую длится всего 10% времени от всей работы. На холостую работу приходится 1.1% от всего энергопотребления (0,5*10/ (0,5*10+5*90)). В данном случае энергопотери будут небольшими. Однако если работа вхолостую будет занимать 90% времени от общего времени работы, то энергопотребление этой части цикла составит 47% (0,5*90/ (0,5*90+5*10)). Таким образом, если период производительной работы длится всего 10% от общего времени, то КПД его работы будет составлять всего 53%.

По сути, показатель КПД 53% очень мал, но если сравнивать с КПД работы при регулировке байпасированием (10%), то он весьма впечатляет (если бы регулирование с использованием байпаса обеспечивало бы столь низкую нагрузку на компрессор). Самым эффективным является использование частотного преобразователя, который предполагает КПД 95%. Но его минимальный предел регулирования выше, чем у компрессоров Digital Scroll – 30%. Цена данного решения на порядок выше.

Если установка многокомпрессорная, то вовсе необязательно применять все компрессоры Digital Scroll – достаточного одного. Именно он и будет обеспечивать регулирование в своем диапазоне мощности, а остальные будут работать на номинальной мощности и играть при этом роль фиксированной ступени.

Холодопроизводительность оборудования с несколькими компрессорами

Контроллеры для цифровых спиральных компрессоров Digital Scroll

Для управления компрессорами были разработаны специальные контролеры:

• Alco EC3–621/ 622
• Alco EC2–552

Они предназначаются для управления одним компрессором, и их предустановленный цикл составляет 20 секунд. Осуществляется управление по давлению всасывания. При длительности сжатия 2 секунды достигается минимальная производительность – 10%.

Контроллер Copeland для компрессоров Digital Scroll

Недостатки и преимущества компрессоров Digital Scroll

Технология регулирования Digital Scroll обладает следующими преимуществами:

• Отсутствие проблем возврата масла;
• Большой диапазон регулирования (от 10 до 100%);
• Высокая эффективность регулировки (если сравнивать с другими видами);
• Нет электромагнитного изучения, которое оказывает негативное воздействие на электросеть.

Недостаток – это в первую очередь неэкономичность. При загрузке компрессора всего на 10%, холостой режим будет длиться 90% времени, и это предполагает затраты электроэнергии, которых можно было бы избежать.

Для сравнения технологии Digital Scroll с моделями инверторного управления можно привести следующую таблицу:

Достаточно легко по таблице определить, что компрессоры с технологией Digital Scroll являются более эффективными и экономичными, нежели модели с инверторным управлением.

Применение Digital Scroll в кондиционерах

Сфера применения Digital Scroll обширна. Используются они, к примеру, и в мультизональных системах Gree GMV. Особенной популярностью в России пользуются системы серии GMV-R, которая также называется GMV 2. Кроме GMV-R, технологию Digital Scroll применяют в мультизональных системах GMV-Rm с возможностью модульной компоновки внешних блоков. Также предусмотрена и система рекуперации тепла (серия GMV-Rh) на базе Digital Scroll.

Мультизональные системы Samsung DVM Plus 4 также предполагают использование этих компрессоров, но с модификацией для получения эффекта двухступенчатого сжатия при применении всего одного компрессора. Отсюда и название технологии фирмы Samsung Digital Vapor Injection.

Если речь идет о системах прецизионного кондиционирования, то компрессоры Digital Scroll применяются в оборудовании Emerson Network Power, в частности, в кондиционерах HPM (шкафных моделях) и во всех фреоновых внутрирядных моделях CRV.

В некоторых режимах работы в кондиционерах Emerson Network Power использование Digital Scroll сулит значительное снижение энергопотребление – до 50%. Если в дополнении будет применяться технология изоляции холодного коридора, то можно добиться экономии в 65%.

Отсюда следует, что Digital Scroll – эта универсальная технология, которая может использоваться в прецизионных и мультизональных системах кондиционирования. По сравнению с традиционными неинверторными системами, ее использование более выгодно. Она предполагает ряд преимуществ и перед инверторными приводами, как заявляют различные компании.