KOELATLAS  
Cool and Comfort 99 – november 2023

Compressoren, het hart van koelinstallaties

Maité Goderis (UGent), Xander Van Heule (UGent), Erik Duvellié (Bitzer), Steven Lecompte (UGent)

Inleiding

Bij dampcompressiekoeling wordt een koelmiddel gecirculeerd door middel van een compressor. Het koelmiddel onttrekt en geeft warmte af door de verschillende drukken in het systeem, gecreëerd met de compressor en expansieklep. Op lage druk zal het koelmiddel verdampen en zo warmte onttrekken aan de ruimte die moet gekoeld worden (verdamper). Op hoge druk zal het condenseren en warmte afgeven (condensor). In een dergelijk systeem is de compressor de enige component waarbij er energieconversie gebeurt tussen mechanische arbeid (via de aandrijfas) en de stroming. Naast afstelling op kleppen is dit eveneens de enige component die actieve regeling mogelijk maakt. Het is duidelijk dat de compressor een essentieel onderdeel is van een dampcompressie koelingscyclus. Het is dan ook niet toevallig dat de eerste commerciële machines in de 19de eeuw gebaseerd waren op principes van de zuigercompressor op basis van ervaring met stoommachines. Alvorens over te gaan op huidige ontwikkelingen en de uitdagingen voor de toekomst, worden een aantal basisconcepten opgefrist.

Types compressoren en toepassingen

Compressoren kunnen worden opgesplitst in twee categorieën: turbocompressoren en volumetrische compressoren. Deze laatste categorie omvat o.a. de welgekende schroef-, scroll-, zuiger- en schottencompressoren. Elk type compressor heeft specifieke kenmerken en typische toepassingen. Deze worden hieronder verder kort toegelicht.

Turbocompressoren

In turbocompressoren beweegt de stroming zich gewoonlijk radiaal naar buiten door het schoepenwiel. De druk wordt dynamisch verhoogd door de draaiing die tijdens het doorstromen optreedt. Turbocompressoren worden vanwege hun grote volumetrische debieten vooral gebruikt in systemen met een zeer hoog koelvermogen (grote airconditioningsystemen en chillers). Er bestaan globaal twee verschillende types. Het axiale type is voornamelijk voor grote debieten, terwijl de centrifugale turbocompressoren voornamelijk voor toepassingen op hoge druk bestemd zijn.

Turbocompressoren kunnen hoge energetische efficiëntie bereiken en zijn compact voor grote doorstroomsnelheden. Ze zijn olievrij en hebben geen kleppen (minder onderhoud), hebben een stille werking en goede toerentalregeling. Er is echter enkel een lage drukverhouding mogelijk per compressietrap, en turbocompressoren zijn gevoelig voor de aanzuiging van vloeistofdruppels (i.e. te lage oververhitting). Turbocompressoren zijn geschikt om te gebruiken met water als koudemiddel.

Volumetrische compressoren

Naast turbocompressoren, bestaan ook volumetrische compressoren. In turbocompressoren wordt een koelmiddel gecompresseerd door toename van zijn snelheid, in volumetrische compressoren gebeurt dit door een verkleining van het volume van een gesloten geometrische ruimte. Hieronder worden enkele types van volumetrische compressoren verder toegelicht.

Scrollcompressor

De “scroll” maakt gebruik van een verdichtingsconcept dat voor het eerst werd gepatenteerd in 1905. Een “scroll” is een evolvente spiraal die, gecombineerd met een “tegen” scroll, een reeks sikkelvormige “pockets” tussen de twee elementen vormt. Tijdens de compressie blijft één spiraal stationair (vaste scroll), terwijl de andere scroll (circulerende scroll) zich rond de stationaire spiraal beweegt (in een baan, maar niet roterend). Tijdens deze beweging worden de kamers tussen de beide spiralen van de rand naar het midden verplaatst, waarbij tegelijkertijd het volume afneemt. Wanneer de kamer het middelpunt bereikt, wordt het samengeperste gas afgevoerd via de daar aanwezige uitgang. Omdat gas in verschillende kamers tegelijk wordt samengeperst, verloopt het proces zeer gelijkmatig. Zowel het aanzuigproces (aan het buitenste gedeelte van de scrollelementen), als het afvoerproces (aan het binnenste gedeelte) vinden nagenoeg continu plaats.

Omdat de scrollcompressor ook een uitstekende gasexpansiemotor is, kan hij na uitschakeling teruglopen als de interne druk wordt opgeheven. Om dit te voorkomen, wordt aan de hogedrukzijde een terugslagventiel geïnstalleerd. Scrollcompressoren worden vaak gebruikt in warmtepompen, airconditioning en water/glycol koelers.

Scrollcompressoren worden typisch toegepast voor applicaties met kleinere koelvermogens tot 40 kW. Hoge COP’s kunnen behaald worden bij lage tot middelhoge drukverhoudingen. Bovendien zijn er voor deze toepassingen geen kleppen nodig. Scrolls voor diepvriestoepassingen kunnen worden uitgerust met een persklep. Scrollcompressoren zorgen voor een gelijkmatige compressie met lage gaspulsaties en hebben een stille werking. Door het (gedeeltelijk) ontbreken van kleppen en, in sommige uitvoeringen, de mogelijkheid tot axiale en radiale aanpassing van de spiraal, is dit type compressor relatief ongevoelig voor lage oververhitting.

Schroefcompressor

Schroefcompressoren (twin rotor design) bestaan uit een behuizing met daarin twee draaiende spiraalvormige rotoren. Tijdens het draaien verplaatst het koudemiddel zich van de intrede- naar de uittredezijde. De ruimte tussen de spiralen wordt verkleind, waarbij het koudemiddel wordt gecomprimeerd. Een schroefcompressor heeft een vast ingebouwde volumeverhouding V_i (kan variabel zijn door een ingebouwde schuif). Verder is er een terugslagklep vereist, om teruglopen na het uitschakelen te vermijden.

De schroefcompressor is licht, compact, heeft slechts een gering aantal bewegende delen, geen kleppen en is geschikt voor zeer hoge vermogens. De compressor heeft een goede grondbalans en zorgt voor weinig trillingen. Hoge snelheden kunnen bereikt worden en een breed toerentalbereik is beschikbaar via traploze overbrenging. Schroefcompressors zijn ongevoelig voor lage oververhitting. De hoogste COP wordt behaald bij de optimale drukverhouding.

Er is afdichting vereist tussen de rotors door olie-injectie. Oliekoeling kan eveneens zorgen voor mogelijke uitbreiding van het toepassingsgebied. Voor de olie is een interne of externe olieafscheider noodzakelijk.

Naast schroefcompressoren met dubbele rotor worden ook modellen aangeboden met één rotor, voorzien van een zijdelings ineengrijpende roterende tandschijven (gate rotors). Deze worden voornamelijk gebruikt voor water/glycol koelers.

Zuigercompressor

Zuigercompressoren (reciprocating design) bestaan uit een cilinderkamer met daarin een beweegbare zuiger. De kamer is verbonden met zowel de lage- als hoge drukzijde a.d.h.v. kleppen. Bij aanzuigen is de inlaatklep open en vergroot het cilindervolume. Bij verkleining van het cilindervolume wordt het koudemiddel gecomprimeerd. Wanneer de gewenste condities bereikt zijn, wordt de uitlaatklep geopend en kan het koudemiddel de compressor verlaten. Zuigercompressoren zijn geschikt voor grote vermogens, waar 8 tot 24 cilinders per machine kunnen gecombineerd worden.

Bij zuigercompressoren is de aanwezigheid van kleppen dus vereist; deze kunnen ook gebruikt worden voor de vermogensregeling. Indien het zuiger-krukas mechanisme gebruikt wordt is er een vast ingebouwde volumeverhouding, bij de lineaire / vrije zuiger variant is er een regelbaar volume. Verder bestaan er ook varianten met dubbelwerkende zuiger.

Schottencompressor

Een schottencompressor bestaat uit een cilindrische stator, waarin een rotor draait die in het midden (excentrisch) gelagerd is. Deze rotor is het enige bewegende deel van de compressor en bevat schotten die radiaal in- en uitschuiven. Tijdens het rotoren van de rotor, vliegen de schotten tegen de binnenwand van de stator. Zo worden volumes gevormd: tussen twee schotten, de stator wand, en de rotor. Naarmate de rotor verder rond draait, wordt deze ruimte kleiner en vindt compressie plaats.

De schottencompressor vereist oliesmering, om contact van de schotten met de rotor uit te sluiten. Typisch voor een schottencompressor is het lage toerental, bijvoorbeeld i.v.m. een schroefcompressor. Schottencompressoren zijn geschikt om langdurig te blijven functioneren, en worden daardoor ook vaak ingezet voor continue toepassingen, o.a. in de papier-, voedings- en petrochemische sector. Dankzij hun robuuste bouw zijn deze compressoren ook minder gevoelig voor vervuiling.

Prestatie en karakteristieke grootheden

Koelvermogen

De prestatie van een compressor werd en wordt vaak gekarakteriseerd aan de hand van systeem georiënteerde variabelen zoals het koelvermogen of de coefficient of performance (COP). Deze zijn relatief eenvoudig op te meten en hun belang is direct kenbaar. Deze parameters zijn echter vaak niet enkel afhankelijk van de compressor, maar worden ook beïnvloed door andere componenten. De optimale of correcte werking van de compressor kan hier niet direct uit afgeleid worden. Daarom wordt tegenwoordig meer gefocust op grootheden die enkel afhangen van de werking van de compressor zelf.

Volumetrische efficiëntie

Een belangrijke grootheid is de volumetrische efficiëntie of de vullingsgraad. Deze grootheid is de verhouding tussen het werkelijk massadebiet gecomprimeerd tot het maximale massadebiet waarbij verliezen niet in rekening gebracht worden. Dit kan rechtsreeks bepaald worden uit het verplaatsingsvolume en de rotatiesnelheid. Het is duidelijk dat deze karakteristiek enkel kan gebruikt worden bij volumetrische machines en niet bij turbocompressoren.

Energetische prestatie

Daarnaast kan de energetische prestatie van de compressor vergeleken worden met een referentieproces. Een voorbeeld hiervan is het isentroop rendement waar het werkelijk opgenomen vermogen van de compressor wordt vergeleken met het vermogen van een reversibel, adiabaat compressieproces. Als kanttekening hierbij op te merken dat de meeste compressoren niet adiabaat zijn. Daarnaast zijn er ook andere opties om te beschouwen als referentieproces, zoals bijvoorbeeld een isotherm proces. Energetisch het meest gunstig referentiescenario maar in de praktijk moeilijk te bereiken. Een polytroop proces kan dan een inschatting geven als tussenliggend scenario. Hiervoor moet echter een polytrope exponent bepaald worden. Deze exponent hangt ook sterk af van het gebruikte koudemiddel, bijgevolg kan met deze parameter de prestatie van een compressor met verschillende koudemiddelen, niet geëvalueerd worden.

Thermische prestatie

Verder kunnen ook de warmteverliezen beoordeeld worden. Dit kan bijvoorbeeld door een warmteverliesfactor te definiëren: de verhouding van de warmteverliezen tot de totale vermogensconsumptie. Bij kleine hermetische compressoren kunnen de warmteverliezen bestaan uit 70% van het totale vermogen. Voor grotere compressoren met actieve koeling ligt dit eerder rond de 10  à 20%.

Europese standaard

In Europa worden compressoren gekarakteriseerd op basis van de EN 13771-1 standaard. Hierin worden procedures voor het testen van compressoren voorgesteld o.b.v. drie parameters: de verdampingsdruk, de condenseringsdruk, en de oververhitting aan de compressor inlaat. Hiervoor worden het massadebiet en energieverbruik gemeten. De standaard vereist twee verschillende instrumenten om het massadebiet te meten. De maximale afwijking tussen deze twee metingen is gelimiteerd tot 4%.

Onzekerheden

Belangrijk om in gedachten te houden is dat wanneer bovenstaande parameters bepaald worden er onzekerheden aanwezig zijn. Deze onzekerheden kunnen verschillende oorzaken hebben. Als eerste zullen de fouten op de resultaten van de gebruikte meettoestellen een grote rol spelen. Verder speelt ook de reproduceerbaarheid van de experimenten een rol. Hetzelfde experiment kan verschillende resultaten geven op een andere locatie. Dit wordt beïnvloed door de kwaliteit van de installatie, meet- en kalibratiemethode, koudemiddeleigenschappen... Ook op het design van de compressor zitten onzekerheden, o.a. op het dood volume, efficiëntie van de motor, interne lekken, lager uitlijning…

Prestatiekaarten van compressoren zijn vaak opgesteld o.b.v. een beperkt aantal meetpunten, naast deze operatiepunten kan de werkelijke waarde dus afwijken. Gemiddelde afwijking op waarden voor het massadebiet en vermogen zijn respectievelijk 4 en 5%. Maximale absolute fouten kunnen tot wel 9 en 17% zijn.

Sturing en onderhoud

Capaciteitscontrole

Capaciteitscontrole kan op meerdere manieren gebeuren. De meest voorkomende methodes zijn: aan/uit controle, parallelschakeling van meerdere compressoren, een bypass toevoegen, en toerentalregeling. Deze worden hieronder kort besproken, en aangevuld met enkele compressor-specifieke capaciteitscontrolemethodes.

Aan/uit controle: De meest eenvoudige manier is de compressor aan- en uitschakelen om zo het gevraagde vermogen te leveren. Dit geeft door de sterk variërende operationele condities typisch aanleiding tot slechte prestatie. Deze techniek is enkel geschikt als er een voldoende grote thermische buffer voorhanden is of als de last nagenoeg constant is.

Parallelschakeling: Hier kunnen verscheidene compressoren in parallel staan. Een goede controle is mogelijk naargelang welke compressoren in werking zijn of afgeschakeld zijn. Deze methode kan handig zijn indien de vraag een wijd bereik heeft. Deze capaciteitscontrole kan ook worden toegepast samen met extra controles per compressor.

Bypass: Een andere methode is het voorzien van een bypass. Dit kan intern in de compressor of extern in het systeem. Het voordeel is dat de compressor steeds in zijn meest gunstige werkingspunt kan opereren. Het nadeel is dat de compressorarbeid niet of slechts weinig vermindert voor een gereduceerde capaciteit.

Toerentalregeling: Toerentalregeling wordt voornamelijk gedaan met behulp van een inverter op een asynchrone motor waar zodoende de snelheid gemoduleerd kan worden. Door de snelheid te veranderen kan men rechtstreeks de capaciteit aanpassen bij volumetrische compressoren, veronderstellend dat de geometrie en indien van toepassing de kleppentiming gelijk blijft. Bij turbocompressoren zal men een nieuwe karakteristieke curve verkrijgen die het verband geeft tussen druk en debiet.

Klepsturing: Bij zuigercompressoren kan de capaciteit geregeld worden door het openen en sluiten van de in- en uitlaatkleppen te regelen. Hierbij kan de hoeveelheid koelmiddel dat aangezogen wordt, verminderd worden door de inlaatklep later te sluiten zodat er een gecontroleerde terugstroom is.

Controle van het dood volume: Bij zuigercompressoren is er typisch een ongebruikt volume met koelmiddel dat niet uitgedreven wordt. Zo wordt er voorkomen dat de zuiger de zuigerkleppen of de cilinderkop zou raken. Het her-expanderen van dit dood volume zorgt er voor dat er minder ruimte overblijft voor de aanzuigslag. Het dood volume zorgt dus voor een capaciteitsreductie. Het dood volume kan vergroot worden door extra volumes te integreren die kunnen opengesteld worden.

Sturing van de slaglengte: Deze methode is enkel mogelijk voor zuigercompressoren met lineaire aandrijving. Bij een zuiger-krukas mechanisme kan dit enkel door de positie van de krukpen te veranderen.

Schuifregelaar: De schuifregelaar bij een schroefcompressor kan gebruikt worden om de timing van de aanzuiging te veranderen, gelijkaardig als bij de klepsturing.

Scrolls optillen: Bij een scrollcompressor is het mogelijk om tijdelijk een scroll op te tillen. Hierdoor wordt het aanzuig- en compressieproces stilgelegd en werkt de compressor onbelast. Doormiddel van een periodieke aansturing hiervan kan de capaciteit gecontroleerd worden.

Smering

In compressoren is er smeerolie aanwezig om wrijving te beperking. Naast deze smeerfunctie zorgt de olie ook voor koeling van de compressor. Dit is vooral belangrijk bij werkingsmiddelen zoals NH3 en CO₂, minder bij HFC’s. Verder zorgt de olie er ook voor dat vuildeeltjes, ontstaan door abrasie, kunnen worden weggevoerd. De olie zal ook de compressiekamers afdichten en kan het geluid geproduceerd door de compressor verlagen.

De olie kan van synthetische of niet-synthetische oorsprong zijn en bevat vaak additieven, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden. O.a. additieven tegen oxidatie, om schuimen tegen te gaan of om te zorgen dat water en olie gescheiden blijven, kunnen worden toegevoegd. Voor elk type compressor, wordt een specifiek smeermiddel aangeraden. Bij de smeermiddel-keuze worden best de aanbevelingen van de fabrikant gevolgd.

Huidige ontwikkelingen en uitdagingen

Natuurlijke koelmiddelen

Natuurlijke koelmiddelen zoals ammoniak, CO₂, glycol, mengsels van butaan en propaan (koolwaterstoffen), en water, worden steeds vaker toegepast, dankzij hun voordelige GWP waarden. Echter, kunnen natuurlijke koelmiddelen ook enkele nadelen hebben: toxiciteit (ammoniak), ontvlambaarheid (butaan en propaan) en hoge druk (CO₂). Deze problemen kunnen vermeden worden door het installeren van een indirecte installatie waar twee koudedragers worden gebruikt. Het veiligheidsrisico wordt zo beperkt, terwijl de thermofysische voordelen toch kunnen worden benut.

Betere prestaties

Vloeistof/damp injectie

Een compressor kan zeer hoge temperaturen bereiken tijdens zijn werking. Om de compressor af te koelen kan vloeistof geïnjecteerd worden. Er kan ook damp geïnjecteerd worden om de efficiëntie te verhogen. Damp injectie verdeelt de compressie in twee fasen, waarbij de compressorarbeid gereduceerd wordt. De kwaliteit van het koudemiddel aan de inlaat van de verdamper wordt verlaagt, bijgevolg worden een hogere capaciteit en COP gehaald.

Permanent magneet motoren bij (semi-)hermetische compressoren

Dankzij het gebruik van permanent magneet motoren bij compressoren kan de efficiëntie verhoogd worden. Bij het opstarten zal de rotor synchroniseren met het roterende veld van de motor, waardoor de rotor op synchrone snelheid werkt. Hierdoor zijn er geen verliezen door de rotor en de inductie. Bijgevolg kan een hoger rendement gehaald worden. Naast de verhoogde efficiëntie, kan ook een groter massadebiet gecomprimeerd worden, vergelijk met wanneer een asynchrone motor wordt gebruikt. Bij een asynchrone motor is het toerental sterk afhankelijk van het vereiste koppel.

Verhogen van levensduur met AI

Artificial Intelligence (AI) zal in de nabije toekomst worden ingezet om de levensduur van compressoren en de volledige installatie te verbeteren. Dankzij de huidige technologieën is het mogelijk alles te loggen en monitoren. Dit wordt vandaag al veelvuldig gedaan. Helaas wordt met de beschikbare data weinig gedaan. De data wordt vaak pas geanalyseerd wanneer de compressor reeds defect is: als het dus al te laat is.

Een eerste stap is om dergelijke beschikbare data door AI te laten analyseren en samengevat te laten rapporteren. De AI kan complexe wijzigen snel opmerken en deze aankaarten, zodat tijdig de nodige maatregelen kunnen genomen worden. Dergelijk AI systemen zijn reeds beschikbaar, maar worden nog niet standaard toegepast.

Een mooi voorbeeld is de commerciële koeling (supermarkten). Hier wordt zeer veel gelogd en op elk ogenblik kunnen de drukken en temperaturen van elk koelmeubel en compressor teruggevonden worden. Indien een temperatuur in een koelmeubel buiten de tolerantie valt, zal meteen een alarm gesignaleerd worden. Indien er echter om een of andere reden een compressor staat te pendelen maar de temperatuur in de koelmeubelen nog binnen de toleranties valt, zal men hier geen alarm van ontvangen. De compressor zal uiteindelijk “bezwijken”. Op basis van enkel de temperaturen, kan een correcte werking van de compressoren niet gegarandeerd worden.

Ook in termen van energieverbruik is veel winst te behalen met analyseren van deze data. Een koelsysteem ontwerpen (koellast berekening) berust op aannames. In de realiteit draait de installatie niet altijd zoals ze ontworpen is. Door de reële draaicondities te gaan analyseren en optimaliseren kan men de energie-efficiëntie optimaliseren, de betrouwbaarheid van de installatie verhogen en de life cycle cost verminderen.