Verdichter können durch kritische Betriebszustände beschädigt werden. Deswegen ist es wichtig, die Wicklungs- und Heißgastemperatur sowie den Ölstand im Verdichter oder den Druck der Ölpumpe zu messen. Nur so kann ein langjähriger zuverlässiger Betrieb des Verdichters garantiert werden. Gleichzeitig sollen Verdichter einsatzbereit sein und laufen, wenn der Regler Kälte anfordert. Wie können ein sicherer Schutz und hohe Verfügbarkeit gleichzeitig erreicht werden? Heute ergeben sich durch IoT und die Nutzung von Daten ganz neue Möglichkeiten.
Bild: Kriwan
Bild: Kriwan
Neue Herausforderung: Frequenzumrichter
Um beim Betrieb von Kälte- und Klimaanlagen Energie zu sparen, werden zunehmend mehr Frequenzumrichter eingesetzt. Das ist ein technisch sehr sinnvolles Vorgehen, allerdings wird der oben beschriebene Konflikt dadurch noch weiter verschärft: Frequenzumrichter haben einen erheblichen Einfluss auf den Verdichterschutz: Die Ölwurfrate eines Verdichters ändert sich mit der Drehzahl des Motors unter Umständen erheblich, und auch die Temperaturen von Motor und verdichtetem Kältemittel haben eine große Abhängigkeit vom Betriebspunkt.
In den Bildern ist die Abhängigkeit von Heißgas- und Motortemperatur von der Drehzahl des Verdichters dargestellt. Der Anstieg der Wicklungstemperatur bei kleinen Frequenzen hängt bei dem dargestellten sauggasgekühlten Verdichter mit dem reduzierten Massestrom des kühlenden Kältemittels zusammen. Es zeigt sich, dass bei Frequenzen sowohl unter als auch über der Netzfrequenz von 50 Hz das Risiko einer Abschaltung ansteigt.
Neue Temperatursensoren
Nun lässt sich insbesondere die Wicklungstemperatur bei fast allen Verdichtern aber nicht mit Zwischenwerten auslesen: Bei Verdichtern werden fast immer PTCs als Sensoren für die Motortemperatur eingesetzt, die sich wie ein „Schalter“ mit einem sprunghaft erhöhten Widerstandswert verhalten, sobald der Motor zu heiß wird und abgeschaltet werden muss.
Innovative Temperatursensoren, die zum Beispiel von Frascold in vielen Verdichtern eingesetzt werden, liefern nicht nur zwei Temperaturwerte, sondern auch Zwischenwerte. 30 °C unterhalb der Abschalttemperatur können bei diesen Verdichtern schon kontinuierliche Temperaturwerte ausgelesen werden, und die oben beschriebenen Probleme können rechtzeitig erkannt werden.
Ölwurfrate als Ursache für Abschaltungen
Auch die Ölwurfrate eines Verdichters ändert sich mit der Drehzahl des Motors. So kann sie bei höheren Drehzahlen erheblich ansteigen, und bei geringen Drehzahlen kann es zu Problemen bei der Rückführung des Öls in den Verdichter kommen. In einem modernen Ölmanagement werden häufig elektronische Ölspiegelregulatoren eingesetzt. Diese Komponenten messen den Ölstand im Verdichter und füllen aus dem Sammler bei Ölmangel automatisch nach.
Wenn aber der Ölwurf des Verdichters größer ist als die maximale Nachfüllgeschwindigkeit oder wenn der Sammler wegen Problemen bei der Rückführung des Öls leer wird, kann es zu einer Abschaltung des Verdichters wegen Ölmangels kommen. Hier wäre es hilfreich, wenn die aktuelle Ölwurfrate jedes Verdichters zumindest abgeschätzt werden könnte.
Die Menge des aus dem Verdichter geförderten Öls lässt sich nicht messen. Mit dem Ölspiegelregulator INT280 Diagnose von Kriwan kann aber zumindest die Menge des nachgefüllten Öls abgeschätzt werden. Dadurch wird transparent, ob in den Verdichter sehr viel Öl nachgefüllt werden muss, vielleicht schon kritisch nahe an der maximal möglichen Nachfüllgrenze. Ebenso kann aus diesen Daten abgelesen werden, ob der Ölwurf eines Verdichters zu- oder abnimmt und ob in einer Verbundanlage der Ölwurf der Verdichter annähernd gleich oder aber unterschiedlich ist.
Im Ölspiegelregulator befindet sich ein Magnetventil, dass den Ölfluss öffnet und unterbricht.
Der Volumenstrom durch das Ventil ergibt als:
Q ∙ TVentil
mit
TVentil als der Öffungszeit des Ventils und

Dabei sind:
∆p der Differenzdruck über dem Ventilsitz und
ρ die Dichte des Öls.
Der Massestrom des Öls durch den Ölspiegelregulator kann also als proportional zur Öffnungszeit des Ventils abgeschätzt werden, wenn diese Werte bei einer Anlage als annähernd konstant angesehen werden können oder aber der Differenzdruck bekannt ist. Die Öffnungszeit des Ventils wird vom Ölspiegelregulator INT280 über die Datenschnittstelle übertragen und kann am Smartphone oder im Regler der Verbundanlage ausgewertet werden.
Wie kann Abschalten verhindert werden?
Der wichtige erste Schritt ist also zunächst einmal, nicht nur einfache Schutzfunktionen im Verdichter, sondern echte, kontinuierliche Daten zu Motor- und Heißgastemperatur und zur Ölwurfrate zu haben, den drei Hauptgründen, aus denen Verdichterschutz eine Anlage abschaltet.
Mit diesen Daten kann dann ein Verbundregler verschiedene Gegenmaßnahmen einleiten: beispielweise kann ein Kopflüfter oder die Flüssigkeitseinspritzung aktiviert werden. Eine andere Option kann auch sein, die Drehzahl des Verdichters so anzupassen, dass Ölwurf und Temperaturen wieder in unkritische Bereiche kommen.
Durch einen Frequenzumrichter kann zwar Energie eingespart werden, je nach Anlage und Applikation ist es aber unter Umständen sinnvoller, den Verdichter bei Nenndrehzahl ein- und auszuschalten und so die Prozessparameter im zulässigen Bereich und die Verbundanlage am Laufen zu halten.
Das Verdichterschutzgerät INT69 Diagnose und der Ölspiegelregulator INT280 Diagnose von Kriwan können einfach über Gateways (Bluetooth, USB oder Modbus) mit dem Smartphone oder einem Regler verbunden werden. Viele Hersteller von Reglern haben inzwischen die Modbus-Protokolle von Kriwan implementiert, sodass die Inbetriebnahme im Feld einfach durchzuführen ist.
Bild: Kriwan
Kriwan / Ellwein