Kompressoren, auch Verdichter genannt, spielen beim Betrieb von Wärmepumpen eine zentrale Rolle. Diese Geräte werden in Wohnhäusern und Gewerbegebäuden immer häufiger eingesetzt und dienen der Wärmeübertragung von einem Ort zum anderen bei minimalem Stromverbrauch. Das Herzstück der Wärmepumpe, der Kompressor, ist für die Verdichtung des Kältemittels zuständig, welche die Wärmeübertragung ermöglicht.
Ein Kompressor ist ein mechanisches Gerät, das den Druck eines Gases durch Verringerung seines Volumens erhöht. Mit anderen Worten: Ein Kompressor nimmt ein Gas (normalerweise Luft) und „komprimiert“ es, wodurch sein Druck erhöht wird. Die komprimierte Luft oder das komprimierte Gas kann dann für verschiedene Zwecke verwendet werden, beispielsweise zum Antrieb von Druckluftwerkzeugen, zum Kühlen und Heizen.
Das Kompressionsverhältnis, auch Verdichtungsverhältnis genannt, ist das Verhältnis von Enddruck zu Anfangsdruck im Kompressor. In der Praxis bedeutet dies, um wie viel der Kompressor den Gasdruck während seines Arbeitszyklus erhöht.
Die Druckhöhe ist einer der wichtigsten Parameter, die die Effizienz und Anwendung des Kompressors bestimmen. Hochkompressionskompressoren werden häufig in der Schwerindustrie eingesetzt, beispielsweise in der Stromerzeugung und der chemischen Industrie, wo große Mengen an unter hohem Druck stehenden Gasen benötigt werden. Kompressoren mit niedrigem Kompressionsverhältnis werden dagegen häufiger in Wohn- und Gewerbeanwendungen wie Klimaanlagen und Kühlanlagen eingesetzt.
Rys. 1 Procesy zachodzące w sprężarce
Die Hauptkomponenten eines Kolbenkompressors sind: eine Arbeitskammer, Zylinder genannt, in der das Gas komprimiert wird, und Ventile: Saug- (Einlass) und Druck- (Auslass) Ventile. Ein weiteres wichtiges Element ist der Kolben, der eine Hin- und Herbewegung entlang der Zylinderachse ausführt.
Abb. 1 Veranschaulicht die im Kompressor ablaufenden Vorgänge.
Wenn sich der Kolben nach rechts bewegt (A-1), wird Gas in den Zylinder gesaugt. Das Saugventil öffnet, wenn der Druck im Zylinder etwas niedriger ist als in der Saugleitung. Wenn der Kolben seine äußerste Position erreicht (Punkt 1 im Diagramm), schließt sich das Saugventil und die Kompressionsphase beginnt – der Kolben bewegt sich nach links (1-2).
Wenn der Druck in der Flasche den gewünschten Wert erreicht (Punkt 2), öffnet sich das Auslassventil und das Gas kann aus der Flasche gedrückt werden (2-B). Nach dieser Phase beginnt der Zyklus von neuem.
Schraubenkompressoren
Schraubenkompressoren bestehen aus zwei Schrauben, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen. Luft wird in den Raum zwischen den Bolzen gesaugt und komprimiert, wenn der Abstand zwischen den Bolzen kleiner wird.Aufgrund ihrer Effizienz und Langlebigkeit werden sie häufig in der Industrie eingesetzt.
Scroll-Kompressoren
Bei Scroll-Kompressoren drehen sich die beiden Scrolls in entgegengesetzte Richtungen. Luft wird in den Raum zwischen den Spiralen gesaugt und komprimiert, wenn der Raum zwischen den Spiralen kleiner wird. Sie werden häufig in Klima- und Kühlsystemen verwendet.
Axialkompressoren
Bei Axialkompressoren wird Luft in ein Ende eines Rotors mit Schaufeln gesaugt. Beim Durchströmen der mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Laufradschaufeln wird die Luft komprimiert. Sie werden häufig in Strahltriebwerken und Gasturbinen verwendet.
Kreiselkompressoren (rotodynamisch)
Bei Kreiselkompressoren wird Luft in die Mitte eines Laufrads gesaugt, das sich mit hoher Geschwindigkeit dreht. Beim Ausstoßen aus dem Laufrad wird die Luft durch die Zentrifugalkraft komprimiert. Sie werden häufig in großen Industrie- und Energiesystemen eingesetzt.
Membrankompressoren
Bei Membrankompressoren wird beim Zurückziehen der Membran Luft in die Kammer gesaugt. Wenn die Membran herausgedrückt wird, wird die Luft komprimiert und in den Behälter gepresst. Sie werden häufig in medizinischen und Laboranwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Luftreinheit erforderlich ist.
Scroll-Kompressoren
In Scroll-Kompressoren rotieren zwei Scrolls relativ zueinander. Luft wird in den Raum zwischen den Spiralen gesaugt und komprimiert, wenn der Raum zwischen den Spiralen kleiner wird. Sie werden häufig in Klima- und Kühlsystemen verwendet.
Bei der einstufigen Kompression findet der gesamte Gaskompressionsprozess in einem Zylinder statt. Gas wird angesaugt, auf den erforderlichen Druck komprimiert und dann aus der Flasche ausgestoßen.Die einstufige Kompression ist einfach in Aufbau und Handhabung und daher ideal für kleine und mittelgroße Anwendungen, bei denen der erforderliche Enddruck nicht sehr hoch ist. Darüber hinaus sind sie sowohl hinsichtlich der Anschaffungskosten als auch der Wartung wirtschaftlicher.Die einstufige Komprimierung hat jedoch ihre Grenzen. Bei höheren Drücken kann die einstufige Kompression zu einer übermäßigen Erhitzung des Gases führen, was gefährlich sein und die Lebensdauer des Kompressors verkürzen kann.
Um die zum Antrieb des Kompressors erforderliche Leistung zu reduzieren, wird häufig eine mehrstufige Kompressionstechnik mit Kältemittelkühlung zwischen den Stufen verwendet. Dieser Ansatz ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Druckverhältnis zwischen Kompressoreinlass und -auslass groß ist. Bei einstufiger Verdichtung könnte es aufgrund des hohen Enddrucks zu einer übermäßigen Erwärmung am Ende des Verdichtungsvorgangs kommen, was wiederum Betriebsprobleme hervorrufen könnte.
Bei mehrstufigen Kompressoren durchströmt das Gas mehrere Zylinder und wird dazwischen in speziellen Kühlern auf die Ausgangstemperatur abgekühlt. Dieser Vorgang findet bei konstantem Druck (isobar) statt. Die Anzahl der Kompressionsstufen kann variieren. Abbildung 2 zeigt einen zweistufigen Kompressor mit einem zwischen den Stufen platzierten Kühler.
Die mehrstufige Kompression ist energieeffizienter, insbesondere bei höheren Enddrücken. Dadurch ist eine bessere Kontrolle der Gastemperatur möglich, was die Sicherheit erhöht und die Lebensdauer des Kompressors verlängert.
Mehrstufige Kompressoren sind jedoch komplexer in Konstruktion und Betrieb, was ihre Anschaffungskosten und Wartung teurer macht. Sie werden typischerweise in großen Industrieanwendungen eingesetzt, bei denen hohe Enddrücke erforderlich sind.
Rys. 2 Dwustopniowa sprężarka z chłodzeniem międzystopniowym
Moderne Technologien streben ständig danach, die Energieeffizienz und den Nutzungskomfort verschiedener Geräte zu verbessern. Eine der innovativsten Lösungen im Heizbereich ist der Einsatz eines Inverterkompressors in einer Wärmepumpe.
Der Inverterkompressor ist ein technologisch fortschrittliches Gerät, das im Gegensatz zu herkömmlichen Kompressoren eine stufenlose Regelung der Betriebsgeschwindigkeit ermöglicht. Dadurch ist eine Anpassung an den aktuellen Wärmebedarf möglich, was zu deutlichen Energieeinsparungen führt.
Das Herzstück des Inverterkompressors ist der Inverter bzw. Frequenzumrichter. Seine Aufgabe besteht darin, die konstante Spannung und Frequenz des Eingangsstroms in einen variablen Wert umzuwandeln, der eine reibungslose Regelung der Kompressormotordrehzahl ermöglicht. Inverterkompressoren verwenden häufig BLDC-Motoren (bürstenlose Gleichstrommotoren). Sie ermöglichen eine präzise Steuerung der Kompressordrehzahl als Reaktion auf Signale vom Wechselrichter.
Bei einem Inverterkompressor läuft die Kältemittelkompression ähnlich ab wie bei herkömmlichen Kompressoren. Der Unterschied besteht darin, dass die Komprimierungsgeschwindigkeit stufenlos eingestellt werden kann. Das Kühlmittel wird durch das Saugventil angesaugt, dann komprimiert und durch das Auslassventil herausgedrückt. Der Inverterkompressor ist mit zahlreichen Sensoren (z. B. Temperatur-, Drucksensoren) ausgestattet, die die Betriebsbedingungen überwachen. Basierend auf diesen Daten passt das Steuerungssystem die Kompressorgeschwindigkeit an, um die Leistung zu optimieren und die Systemanforderungen zu erfüllen.
Dank der stufenlosen Drehzahlregelung kann der Inverter-Kompressor im optimalen Wirkungsgradbereich arbeiten, was die Energieverluste reduziert. Durch die Vermeidung häufigen Ein- und Ausschaltens des Kompressors wird der Verschleiß der Bauteile reduziert und die Lebensdauer des Gerätes verlängert. Durch die schnelle Reaktion auf veränderte Betriebsbedingungen ist eine bessere Stabilisierung von Temperatur und Druck im System möglich. Inverter-Kompressoren eignen sich ideal für Anwendungen, bei denen eine hohe Energieeffizienz und eine präzise Temperaturregelung erforderlich sind, wie etwa moderne Klimaanlagen und Wärmepumpen.
Bei Wärmepumpen hat das Kompressionsverhältnis einen direkten Einfluss auf die Effizienz des Systems. Das Kompressionsverhältnis wird im Zusammenhang mit einer Wärmepumpe als das Verhältnis des Kältemitteldrucks am Kompressorauslass zum Eingangsdruck definiert.
Druckerhöhung 10 kPa: Bei größeren Druckerhöhungen muss die Wärmepumpe mehr Energie aufwenden, um das Kühlmittel auf einen höheren Druck zu komprimieren. Dies kann wiederum zu höheren Betriebskosten und möglicherweise einer geringeren Energieeffizienz führen. Der höhere Kompressorauslassdruck bedeutet jedoch, dass die Wärmepumpe mehr Wärme übertragen kann, was bei hohen Wärmelasten von Vorteil sein kann.
2 kPa Druckanstieg: Andererseits bedeutet ein geringerer Druckanstieg, dass die Wärmepumpe weniger Energie zum Komprimieren des Kühlmittels verbraucht, was zu einer höheren Energieeffizienz und niedrigeren Betriebskosten führen kann. Durch den geringeren Kompressorauslassdruck kann die Wärmepumpe allerdings weniger Wärme übertragen, was bei hohen Wärmelasten möglicherweise nicht ausreicht.
Das optimale Kompressionsverhältnis für eine Wärmepumpe hängt von vielen Faktoren ab. Dabei lohnt es sich, auf die Besonderheiten der Installation, die klimatischen Bedingungen und die Anforderungen an die Wärmelast zu achten. Der Inverter-Kompressor ermöglicht eine stufenlose Betriebsregelung, die eine Anpassung des Verdichtungsverhältnisses an den aktuellen Bedarf ermöglicht und gleichzeitig eine hohe Energieeffizienz der Anlage gewährleistet.
Wenn Sie die oben genannten Informationen berücksichtigen, können Sie besser verstehen, wie wichtig es ist, den Inverterkompressor in Wärmepumpen richtig auszuwählen und zu regeln, um optimale Leistung und Betriebskosten sicherzustellen.
Die Energieeffizienz des Kompressors ist ein Schlüsselfaktor für die Gesamtenergieeffizienz einer Wärmepumpe. Energieeffiziente Kompressoren können den Stromverbrauch erheblich senken, was sich in niedrigeren Energierechnungen niederschlägt. Beispielsweise sind Inverterkompressoren typischerweise energieeffizienter als herkömmliche Kolbenkompressoren, da sie ihre Betriebsgeschwindigkeit an den tatsächlichen Heiz- oder Kühlbedarf anpassen können.
26 września, 2023
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