Der ölfreie, magnetgelagerte und drehzahlgeregelte Turboverdichter Turbocor® ist eine Revolution in der Kältetechnik.
In seinem Einsatzgebiet erreicht der Turboverdichter die derzeit technisch maximal möglichen Leistungszahlen EER (Energy Efficiency Ratio), im Besonderen bei den im Jahresdurchschnitt häufiger vorkommenden Teillastbedingungen und/mit sehr niedrigen Verflüssigungstemperaturen. Durch die berührungslose 3-fache Magnetlagerung arbeitet der Turboverdichter Turbocor völlig schmierölfrei. Standardmäßig wird der Impeller zur Verdichtung des Kältemittels durch einen mit flüssigem Kältemittel gekühlten Motor mit Frequenzumformer und Drehzahlen bis 48.000 U/min angetrieben. Durch die Kombination mit einer Dralldrossel im Ansaug bei Schwachlastbetrieb paßt sich der ölfreie Turboverdichter Turbocor optimal an die unterschiedlichen Lastzustände an und in jedem Betriebspunkt wird der optimale EER zur Senkung Ihrer Energie- und Betriebskosten erreicht. Alle Funktionen und Betriebszustände des Verdichtungsprozesses werden über die am Turbocor Verdichter integrierte Elektronik überwacht und gesteuert.
Bereits seit geraumer Zeit ist der ölfreie Turbocor Turboverdichter auch mit dem HFO Kältemittel R1234ze und R513A verfügbar.
Schematische Darstellung der Welle mit den Magnetlagern des ölfreien Turboverdichters Turbocor TM
Merkmale ölfreier Turboverdichter Turbocor®
Die Merkmale des innovativen ölfreien Turboverdichters Turbocor werden in folgenden Abschnitten näher beschrieben:
Geschichtliches
Zentrifugalverdichter
Baugruppen ölfreier Turboverdichter Turbocor
Magnetlagerung
Stromausfall
Antrieb durch Frequenzumformer
Kältemittel R134a, R513A und R1234ze
Gewicht
Schall
Vorteile / Zusammenfassung
Geschichtliches
Die Entwicklung des ölfreien Turboverdichters Turbocor® dauerte insgesamt 10 Jahre, von 1993 bis 2003. Seit 1998 wurde die Entwicklung mit Forschungsgeldern des Staates of Quebec, Kanada, gefördert. Die Entwicklungskosten betrugen rund 50.000.000 US$. Die Orte an denen in dieser Zeit am Turbocor gearbeitet wurde, lagen über den gesamten Globus verstreut. Der Weg reicht von Australien über Singapur, zurück nach Australien, über China bis nach Kanada.
Seit 2004 besteht ein Joint Venture zwischen dem Entwicklungsunternehmen Turbocor Inc. und der Danfoss A/S, Dänemark. Das neu gegründete Unternehmen heißt Danfoss Turbocor Compressors, Inc.
Der bis heute weltweit einzige Fertigungsstandort des ölfreien Turboverdichters Turbocor ist seit 2007 Tallahassee, Florida (USA). → http://www.turbocor.com/
Seit seiner Markteinführung hat der Turboverdichter Turbocor zahlreiche Auszeichnungen erhalten. Darunter
• Frost & Sullivan Compressor Technology Leadership Award
• U.S. EPAClimate Protection Award
• ASHRAE/AHR Expo “Energy Innovation” Award
• Canadian Energy Efficiency Award
Zentrifugalverdichter
Was ist eigentlich ein Turboverdichter oder Zentrifugalverdichter? Ein Zentrifugalverdichter ist eine Turbine. Das Funktionsprinzip gleich dem des Turboladers in einem Autos.
Das Gas wird axial angesaugt und radial wieder ausgestoßen. Durch die Beschleunigung im Impeller bzw. Laufrad (Foto) des Turbo erfährt das Gas eine dynamische Druckerhöhung, die nach dem Verdichtungsvorgang als statische Druckhöhe am Verdichteraustritt zur Verfügung steht. Die Verdichtung erfolgt dynamisch und nicht nach dem Verdrängungsprinzip wie bei Kolben-, Rollkolben-, Scroll- oder Schraubenverdichtern. Turboverdichter sind daher Strömungsmaschinen, nicht Arbeitsmaschinen, die nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten.
Kennfeld Strömungsmaschine
Aus diesen Gründen unterliegt ein Turboverdichter seinen ganz eigenen typischen Gesetzmäßigkeiten, die eher dem eines Ventilators zuzuordnen sind. So gleicht auch das Kennfeld eines Turbos stark dem eines Ventilators. Der vorgesehene Einsatzbereich eines Turbos ist daher sehr genau zu beachten.
Es gibt stabile und instabile Bereiche. Der häufige Wechsel im instabilen Bereich von links nach rechts und zurück in der folgenden Kurve bezeichnet man bei allen Strömungsmaschinen als “pumpen” und kann zu Störungen und Defekten führen.
Dralldrossel im Turbocor
Durch die integrierte Elektroniksteuerung in Kombination mit einer Dralldrossel (Foto) wird verhindert, daß der Turboverdichter Turbocor in instabile Bereiche gelangt.
Besonders zu beachten ist in diesem Zusammenhang, dass die Auswahl der Komponenten in der Anlage exakt auf den Arbeitsbereich abgestimmt ist. Jeder einzelne Lastbereich ist zu überprüfen und abzustimmen, um einen störungsfreien Betrieb zu sichern.
Baugruppen ölfreier Turboverdichter Turbocor®
Magnetlagerung
Das Prinzip der Magnetlagerung ist vielen bekannt durch den Transrapid in der Zugtechnologie, wobei der Transrapid die Gleise nicht berührt, sondern auf einem Magnetfeld schwebt bzw. gleitet. Beim Turboverdichter Turbocor dreht sich die Rotorwelle völlig berührungslos in einem Magnetfeld. Diese Technologie hat folgende Vorteile:
Völlig ohne hohe mechanische Reibungsverluste
Verhinderung ölbedingter Wärmeübertragungsverluste an den Wärmetauscherflächen
Kosteneinsparung durch Wegfall der Ölmanagementsysteme (Steuerungen und Komponenten)
Umweltschutz und Kosteneinsparung durch Entfall der Ölentsorgung
Keine Oberflächenabnutzung durch Reibung – dadurch erhöhte Lebensdauer
Generell höhere Haltbarkeit als hydrostatische oder Luftlager
Durch das magnetische Lagersystem wird die Rotorwelle in ihrer Position gehalten. Durch 10 getrennt gesteuerte elektro-magnetische Polster, die ständig ihre Feldstärke verändern, wird die Welle in zentraler Ausrichtung belassen. 6.000.000 Messungen pro Minute bei rund 48.000 U/min sorgen dafür, daß die Welle zentriert im Orbit bleibt. Für den Fall einer dramatischen Störung sind Sicherungslager montiert, um Schäden zu verhindern.
Stromausfall
Der Verdichter ist im Fall eines Stromausfalls geschützt. Innerhalb von 0,5 Millisekunden wird der Motor zum Generator, der dann Strom zu den verschiedenen Steuerungen und Lageraktuatoren leitet. Die dafür eingebauten Anlaufkondensatoren haben genug Energie, um das Lagersystem während der Umschaltphase vom Motor- auf den Generatormodus komplett zu versorgen. Wenn der Turbocor Verdichter komplett stoppt, verlässt der Rotor seinen Schwebezustand und wird von Auffanglagern aufgenommen. Diese Lager dienen sowohl als Sicherungssystem als auch als Wiege für den Rotor während der Stillstandszeit
Antrieb durch Frequenzumformer
Die Verdichterdrehzahl des Turbocor wird automatisch so geregelt und angepasst, dass entsprechend der Last- und Betriebsbedingungen die optimalen Energie-Effizienz-Bedingungen gegeben sind.
Je geringer die Verdichterdrehzahl, desto höher ist die Energie-Effizienz. Die Antriebsleistung ändert sich mit der dritten Potenz der Drehzahl. (Pel ~ n3) Die Verdichterdrehzahl des Turbocor Turboverdichters variiert in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen zwischen 18.000 und 48.000
Kältemittel FKW R134a / FKW R513A und HFO R1234ze
R134a wurde ursprünglich als Kältemittel für den ölfreien Turboverdichter Turbocor® ausgewählt wegen:
seiner hohen Effizienz,
seiner Umweltfreundlichkeit,
seiner hohen Akzeptanz am Markt,
seiner hohen Verfügbarkeit,
seiner thermodynamischen Eigenschaft (kein Gleit)
seiner Reinheit
seiner Einsatzmöglichkeit bei überfluteter Verdampfung (max. EER)
inzwischen sind außerdem verfügbar:
FKW Kältemittel R513A (GWP = 631)
HFO Kältemittel R1234ze (GWP = 7)
Gewicht
Das Gewicht des einsatzbereiten ölfreien Turboverdichters Turbocor ® beträgt bei einer Nennleistung von 300 kW nur 130 kg. Ein vergleichbarer herkömmlicher Kompakt-Schraubenverdichter wiegt dagegen über 800 kg. Die Gewichtsbelastung von Kälteanlagen reduziert sich dadurch erheblich. Besonders bei Dachaufstellung hat der Einsatz von Kälteanlagen mit Turbocor Turboverdichtern viele Vorteile. Bei einem eventuell erforderlichen Verdichterwechsel ist ein Kraneinsatz nicht zwingend erforderlich, der Verdichter kann mit zwei Personen ausgewechselt werden.
Schall
Ein besonderer Vorteil der Magnetturboverdichtertechnologie liegt in der Schallabstrahlung des Verdichters. Durch die kontinuierliche Verdichtung entsteht kein Pulsationsgeräusch. Das Ohr nimmt ein monotones Summen als Strömungsgeräusch wahr. Auch hier werden zur Begrenzung von Schallemissionen oft hohe Kosten erforderlich, um eine Anlage schalltechnisch so auszustatten, daß bei angrenzenden Wohn- und Bürogebäuden die zulässigen Werte eingehalten werden. Für zwei Last- bzw. Betriebspunkte des Turbocor-Verdichters sind im Diagramm die A-bewerteten Schalldruckpegel für verschiedene Entfernungen angegeben.
Vorteile / Zusammenfassung
Die wesentlichen Vorteile des ölfreien Turboverdichters Danfoss Turbocor® sind nachstehend aufgeführt:
Niedriger Energieverbrauch
Geringe Schallleistung
< 5 Ampere Anlaufstrom
Geringe Wartungskosten, da kein Öltest oder Ölwechsel
Höhere Betriebssicherheit durch Minimierung der beweglichen Bauteile
Umweltfreundlich, da kein Öl benötigt wird
keine Ölverlagerung oder Verschmutzung durch Öl in dem Wärmeübertragern
keine bautechnischen Umweltschutzmaßnahmen bei Ölaustritt im Leckagefall
Leichtgewicht, mit zwei Mann von Hand zu tragen
Unkritisch beim Einsatz in Splitmaschinen, da keine Ölverlagerung erfolgen kann
Verbundschaltung von mehreren Kompressoren ohne größere Probleme möglich
größtmögliche Nutzung der Wärmeübertragerflächen bei Verbundschaltung im Teillastbereich
Austausch ohne Kran möglich
Geringes Gesamtgewicht bei Einbringung und Aufstellung
Rüttel- und Erdbebenfest
Einsatz auch bei nicht-waagrechten Unterlagen, z.B. auf Schiffen für Marine-Anwendungen