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Una nuova generazionedi compressori a vite compattiottimizzati per R134a

A New Generation ofCompact Screw Compressors

Optimised for R134a

edizione speciale 03.2004special edition 03.2004

SV-0401-i-GB

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A New Generation of Compact Screw CompressorsOptimised for R134a

Hermann RenzBitzer Kühlmaschinenbau GmbH

1 Introduction

In the past, most liquid chillers and heat pumps with posi-tive displacement compressors were operated with refriger-ant R22. The safety relevant and thermodynamic propertiesof this refrigerant provide especially favourable conditionsfor a high degree of efficiency and operational reliability.

Due to the early phase-out of R22 in Europe, most newproduct developments favorised R407C. Since this refriger-ant's volumetric cooling capacity, pressure level and massflow were very similar to those of R22, compressors whichhad originally been developed for R22, could easily beadapted. Therefore, less attention was paid to R134a, forinstance, although screw manufacturers had pointed outthe advantages of this alternative at an early stage.Increased compressor costs were used as major argu-ments against the R134a technology.

2 Refrigerant properties –assessment with focus on the compressor

In order to evaluate a refrigerant's suitability for a certaincompressor design, the comparison of their particular ther-modynamic properties is very helpful. Besides the expectedperformance characteristics, the best application rangemay be determined, and the volumetric and isentropic effi-ciency development can be evaluated.

According to different analyses and research programs [1]R134a, R407C and R410A have shown to be particularlysuitable for liquid chillers in air conditioning systems, heatpumps and other high temperature applications. The ther-modynamic properties of these substances, however, showconsiderable deviations which can have various effects onperformance and efficiency characteristics depending oncompressor technology.

2.1 Relative comparison of cooling capacity

The comparison of the volumetric cooling capacity given inFig. 1 shows significant differences between the refriger-ants which derive from the substance's specific thermody-namic data.

R134a is found at the bottom of the scale, whereas whenoperating screw compressors with economiser a consider-able increase can be noticed. The relatively low coolingcapacity of R134a requires a higher displacement which, in

Una nuova generazione di compressori a vite compattiottimizzati per R134a

Hermann RenzBitzer Kühlmaschinenbau GmbH

1 Introduzione

Nel passato refrigeratori di liquido e pompe di calore con com-pressori volumetrici sono stati utilizzati prevalentemente con ilrefrigerante R22. Le caratteristiche termodinamiche ed requisitidi sicurezza di questo refrigerante offrono delle basi particolar-mente buone per un'elevata efficienza e sicurezza di funziona-mento.

In Europa, in ragione dell'anticipato divieto di utilizzo dell'R22, inuovi progetti sono stati adattati all'R407C. Questo refrigeranteè molto simile all'R22 in termini di resa frigorifera volumetrica,livelli di pressione e portata di massa; per questi motivi è statopossibile adattare, con relativa semplicità, i compressori origi-nariamente sviluppati per R22. In questo modo è stato utilizza-to in maniera poco intensiva l'R134a, sebbene fin da subito icostruttori di compressori a vite abbiano messo in evidenza ivantaggi derivanti dall'impiego di questo refrigerante alternati-vo. La motivazione contro la tecnologia dell'R134a è stata prin-cipalmente il maggior costo del compressore.

2 Caratteristiche dei refrigeranti –valutazioni riferite al compressore

Per una valutazione dei refrigeranti, con riferimento alla loroattitudine ad un determinato tipo di compressore, si possonoavere valide informazioni da un confronto delle più importantiproprietà termodinamiche. Accanto al livello di resa atteso èanche possibile studiare il campo di applicazione più favorevo-le, ed anche fare una stima dei rendimenti volumetrico e isoen-tropico (efficienza).

Nell'ambito di varie analisi e programmi di ricerca [1] R134a,R407C ed R410A si sono dimostrati come candidati particolar-mente adatti per refrigeratori in sistemi di climatizzazione,pompe di calore ed altre applicazioni in alta temperatura. Lecaratteristiche termodinamiche di questi fluidi mostrano tuttaviaconsiderevoli differenze che possono concretizzarsi in differentilivelli di prestazione ed efficienza secondo il tipo di compresso-re.

2.1 Comparazione in termini relativi dellapotenza frigorifera

Il confronto rappresentato nella fig.1, riferito alla potenza frigo-rifera volumetrica, mostra degli scostamenti particolarmenteampi tra i singoli refrigeranti. I diversi risultati emergono daglispecifici dati termodinamici.

L'R134a occupa il limite inferiore della scala, dove però per ilfunzionamento di compressori a vite con economizzatore èriconoscibile un incremento evidente. La relativamente ridotta

A New Generation of Compact Screw Compressors Optimised for R134a

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resa frigorifera dell'R134a comporta un equivalente aumentodel volume generato, che nei compressori a vite può essererealizzato in modo tutto sommato semplice attraverso l'adozio-ne di una coppia di rotori di maggiori dimensioni.

L'R407C risulta, come accennato inizialmente, molto vicino alrefrigerante di riferimento R22. Il dimensionamento e la costru-zione del compressore possono pertanto essere, nella sostan-za, mantenuti gli stessi.

L'R410A mostra con evidenza i più elevati valori di resa, daiquali risulta un ridotto volume generato con conseguenti infe-riori dimensioni geometriche. A prima vista questo appare unvantaggio, ma conduce per esempio nei compressori a vite aduna inferiore velocità periferica dei rotori con effetti sfavorevolisui rendimenti volumetrici e isoentropici (COP) – si vedanoanche i paragrafi 2.2 e 3.

case of screw compressors, can be achieved by a largerset of rotors.

As mentioned above, R407C is closely related to the refer-ence refrigerant R22. Therefore the basic design and con-struction of the compressor may be retained.

R410A shows by far the highest performance data, result-ing in a reduced displacement and smaller physical dimen-sions respectively. What seems to be an advantage at firstsight causes a lower rotor tip speed with negative effectson the volumetric efficiency and COP for screw compres-sors – see also sections 2.2 and 3.

Una nuova generazione di compressori a vite compatti ottimizzati per R134a

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30 40 50 60tc [°C]

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R22R134aR407CR410A

[%] to+2°C / ∆ toh 5 K / ∆tcu 2 KR22 = 100%

Fig. 2 Confronto in termini relativi del coefficiente di prestazioneteorico (COP)

Fig. 2 Relative comparison of the theoretic COP

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30 40 50 60tc [°C]

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R22 R134aR134a ECOR407CR410A

to+2°C / ∆toh 5 K / ∆tcu 2 K

R22 = 100%

[%]

Fig. 1 Comparazione in termini relativi della potenza frigoriferavolumetrica

Fig. 1 Relative comparison of the volumetric cooling capacity

to Temperatura di evaporazione∆toh Surriscaldamento in aspirazionetc Temperatura di condensazione∆tcu Sottoraffreddamento del liquido

to Evaporating temperature∆toh Suction gas superheattc Condensing temperature∆tcu Liquid subcooling

COP Coefficiente di prestazione (inglese)

COP Coefficient of performance

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2.2 Relative comparison of the theoretic COP

Contrary to the cooling capacity, the theoretical COPs ofthe considered refrigerants vary rather slightly (Fig. 2).

The noticeable drop of R410A at higher condensing tem-peratures is caused by the low critical temperature (73°C)among others. This disadvantage, however, can partly becompensated by the relatively high heat transfer coeffi-cients and low pressure drops in evaporators and con-densers.

R134a shows most advantageous conditions over theentire application range. Considering the required extensionof the displacement even better results can be achievedusing larger rotors with screw compressors.

With consideration of the displacement, larger rotors leadto reduced sealing lengths with less flow-back losses dur-ing compression. Furthermore, the small pressure differen-tial of R134a (approx. 67% compared to R407C / 45% toR410A) results in additional advantages. These conditionsare crucial for the extremely high isentropic efficiencies andCOP values of optimised R134a screw compressors.

2.3 Refrigerant mass flow / vapour density

In spite of significant differences in the volumetric coolingcapacity, the mass flow for a defined cooling capacityvaries within 10% according to R22 for all three alterna-tives. This can be attributed to the almost proportional rela-tions of vapour density and volume flow rate for these sub-stances.

According to these facts and with respect to the relativelysmall total mass flows and vapour densities, the pressuredrops in compressors, heat exchangers and pipe lines canbe kept at low levels.

2.2 Comparazione in termini relativi del coefficiente di pre-stazione teorico (COP)

Al contrario della resa frigorifera i coefficienti di prestazioneteorici dei refrigeranti considerati si differenziano notevolmentemeno (fig. 2).

Tuttavia risulta evidente la rapida riduzione del COPdell'R410A per elevate temperature di condensazione, che varicondotta alla ridotta temperatura critica (73°C). Grazie a coef-ficienti di scambio termico relativamente elevati e a ridotte per-dite di carico dell'R410A nell'evaporatore e nel condensatore,questo svantaggio può essere in parte compensato.

L'R134a mostra le migliori condizioni sull'intero campo di utiliz-zo. In connessione con il necessario aumento dello sposta-mento volumetrico e delle dimensioni dei rotori dei compresso-ri a vite si ottengono, da un punto di vista reale, addiritturamigliori condizioni.Dalle maggiori dimensioni dei rotori si realizzano dei trafila-menti inferiori – riferiti allo spostamento volumetrico – conminori perdite per riflusso all'indietro durante la compressione.Oltre a questo, la ridotta differenza tra le pressioni di conden-sazione e di evaporazione dell'R134a gioca ulteriormente afavore (circa 67% e 45% rispetto a R407C e R410A rispettiva-mente). Queste condizioni sono decisive per l'ottenimento diefficienze isoentropiche e valori di COP particolarmente elevaticon i compressori a vite ottimizzati per R134a.

2.3 Portata di massa del refrigerante / densità del vapore

Nonostante forti differenze nella resa frigorifera volumetrica, leportate di massa per una definita potenza frigorifera si trovanoin un intervallo di circa il 10% rispetto all'R22. Il motivo di que-sto va visto nei rapporti di proporzionalità tra densità del vapo-re e portata volumetrica per questi fluidi.

Su queste basi e considerando le ridotte portate di massaassolute e densità del vapore si possono ottenere delle perditedi carico di ridotta entità nel compressore, scambiatori di calo-re e tubazioni.


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Portata di massaMass flow

Densità del vaporeVapour density

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R22 = 100% R22 = 100%

R134a

R407C

R410A

R134aR407C

R410A

[%]

Fig. 3 Comparazione in termini relativi delle portate di massa e delledensità del vapore dei refrigeranti

Fig. 3 Relative comparison of refrigerant mass flows and vapourdensities

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3 Passi per lo sviluppo di efficienti compressori a vite perR134a

Come già accennato, esiste in generale la convinzione che icompressori per R134a siano sicuramente efficienti ma piùcostosi rispetto a quelli per gli altri refrigeranti. Questo è spes-so vero, dato che i compressori di media e grossa taglia solita-mente vengono progettati per impiego universale con R134a,R22 e R407C (R404A, R507A). Lo spostamento volumetricoaddizionale necessario con R134a porta a maggiori dimensionigeometriche dell'intero compressore. Il potenziale di riduzionedei costi è circoscritto alla possibilità di utilizzare un motore piùpiccolo ed è per questo basso. Questa "regola" non trova facil-mente eccezioni nei compressori alternativi e scroll, per il fattoche la cilindrata e la trasmissione del moto oppure il diametrodella spirale definiscono in modo sostanziale le dimensionidella carcassa.

3.1 Struttura costruttiva dei compressoria vite compatti CSH

I compressori a vite CSH sono caratterizzati da una costruzio-ne estremamente compatta. Il volume costruttivo specificodella sezione di compressione non viene raggiunto dalle altredue tecnologie.

I compressori contengono un separatore d'olio integrato strut-turato in tre stadi con relativo sistema di gestione dell'olio.Nell'applicazione in refrigeratori di liquido questa soluzionecostruttiva si è rivelata particolarmente vantaggiosa.

3 Development steps for highly efficient R134a screwcompressors

As mentioned earlier, the general opinion is that all com-pressor types designed for R134a are efficient, but compa-rably too expensive. This is true in many cases becausemedium and larger size compressors are usually designedfor universal operations with R134a, R22, and R407C(R404A, R507A). The higher displacement required forR134a widens the entire compressor dimensions. Thepotential for a cost reduction is in a smaller motor and istherefore relatively low. This "rule" can hardly be bypassedwith reciprocating and scroll compressors since their overallsize is mainly determined by displacement and drive gearor spiral diameter.

3.1 Constructional design of CSH compact screwcompressors

CSH screw compressors are already characterised by avery compact design, which in regard to the mechanicalcompressor part cannot be achieved by any of the othertwo technologies.

The compressors contain an integrated 3-stage oil separa-tor with a relevant oil management system. This design isvery favourable for the application in liquid chillers.


Fig. 4 Struttura costruttiva di compressori a vitesemiermetici compatti

Fig. 4 Semi-hermetic compact screw compressor –constructional design

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3.2 Basic design features

• Screw profile: twin rotor design (lobe ratio of 5:6)

• Semi-hermetic design, suction gas cooled

• Basic construction (displacement, motor allocation,mechanical strength, bearing dimensions) designed forR407C and R22 (R404A, R507A)

• Double wall, pressure compensated rotor housing

• Lifetime roller contact bearings with pressure unloading

• Integrated oil separator

3.3 Slider capacity control with integrated economiserconnection (ECO)

The request for an infinite capacity control lead to thedevelopment of a control slider, which matches the profilecontour and is located directly between male and femalerotors.

For capacity control the slider is hydraulically moved inaxial direction (Fig. 5). A special constructional featureensures that for capacity reduction pre-compressed gas isnot blown back to the suction side but rather compressionbegins when the suction gas volume has already beenreduced. By energising the valves CR1 .. CR4 accordinglythe capacity control can be operated in either infinite orstaged mode (100-75-50-25%).

With respect to a high degree of efficiency and operationalreliability part of the discharge port is integrated into thecontrol slider (Fig. 5, Pos. 4 "Contour for Vi adaptation")

3.2 Caratteristiche costruttive fondamentali

• Profilo della vite: Design a doppio rotore (rapporto tra i profili5:6)

• Tipologia costruttiva semiermetica, raffreddamento permezzo dei gas aspirati

• Struttura base (zona del volume spostato, abbinamento deimotori, robustezza meccanica, dimensionamento dei cusci-netti) dimensionata per R407C e R22 (R404A, R507A)

• Carcassa dei rotori a doppia parete, con compensazionedella pressione.

• Cuscinetti a rotolamento a lunga durata con dispositivo diriduzione della pressione

• Separatore dell'olio integrato

3.3 Regolazione di potenza con valvola a cassetto conconnessione economizzatore integrata (ECO)

La richiesta di regolazione di potenza continua ha condottoallo sviluppo di una valvola di regolazione a cassetto adattataalla forma dei profili, disposta direttamente tra rotore principalee secondario.

La valvola a cassetto viene mossa idraulicamente in modoassiale per ottenere la regolazione della potenza (fig. 5). Unaparticolare caratteristica costruttiva di questa esecuzione è chenon viene ricircolato verso l'aspirazione del gas già parzial-mente compresso, la compressione comincia, infatti, solamen-te dopo che il volume di aspirazione è stato ridotto. Attraversoil comando delle valvole CR1 .. CR4 la regolazione di potenzapuò avvenire in modo continuo o a gradini (100-75-50-25%).

Nella presente costruzione, nella ricerca di efficienza e sicu-rezza di funzionamento particolarmente elevate, una parte delcanale di scarico è integrato nella valvola di regolazione a cas-setto (fig. 5, vedasi pos. 4 "Curvatura per adattamento Vi"), in


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Fig. 5 Regolazione con valvola a cassetto dotata di canale integratoper economizzatore

Fig. 5 Slider control with integrated economiser port

1 Gas aspirato2 Porta ECO mobile3 Valvola a cassetto scorrevole4 Curvatura per adattamento Vi5 Gas di mandata6 Molla7 Pistone idraulico8 Camera di pressione9 Pressione dell'olio

1 Suction gas2 Sliding ECO-port3 Control slide4 Contour for Vi-adaption5 Discharge gas6 Spring7 Hydraulic piston8 Pressure chamber9 Oil pressure

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questo modo viene realizzato un controllo del Vi a carico par-ziale. Infatti il rapporto volumetrico intrinseco (Vi) rimane pres-soché costante fino a circa il 70% del carico. Con carico anco-ra minore, il Vi si riduce così come ci si aspetta che sia ridottoil rapporto delle pressioni del sistema.

Un'ulteriore particolarità è la valvola a cassetto dotata di cana-le dell'economizzatore integrato (fig.5, vedasi pos. 2); questoconsente il funzionamento di un circuito di sottoraffreddamentoindipendentemente dalla condizione di carico del compressore.

3.4 Requisiti tecnici per un dimensionamentoottimizzato per R134a

Come discusso, i compressori a vite possono operare inmaniera molto efficiente ed economica con R134a, dove tutta-via il necessario spostamento volumetrico deve essere incre-mentato in funzione della riduzione della resa frigorifera volu-metrica (fig. 1). La sfida consisteva in questo: raggiungere conun compressore a R134a, dotato di ingombri e costo parago-nabili al modello per R407C, la stessa resa ottenibile in prece-denza solo aumentando la taglia del modello scelto tra i com-pressori per R407C ed R22.

Ulteriori prerequisiti per la gamma ottimizzata per R134a:

• Gestione dell'olio, caratteristiche costruttive di base, control-lo della capacità (con canale mobile dell'economizzatore)come nella gamma esistente

• rendimento isoentropico maggiore rispetto agli equivalentimodelli per R407C e R22

• massima temperatura di condensazione per funzionamentocontinuo:65°C per il funzionamento standard / 60°C con economizza-tore

• Vita utile dei cuscinetti – stessi criteri della gamma esistente

• Resistenza alla pressione e dimensionamento in termini disicurezza – stessi criteri della gamma esistente(prEN12693, UL 984)

• Punti di fissaggio, connessioni di aspirazione, mandata edECO – posizione identica alla gamma esistente

3.5 Realizzazione costruttiva dei requisiti tecnici

Gli elementi determinanti per la geometria di base del com-pressore a vite CSH sono il motore, la coppia di rotori e ilseparatore dell'olio.

In ragione dell'assorbimento elettrico circa uguale, tendenzial-mente anche inferiore, della versione ottimizzata per R134a,l'abbinamento dei motori elettrici è identico a quello dei modellidi pari resa per R407C / R22. Con riferimento al raffreddamen-to con gas aspirato ed alla maggiore portata volumetrica sonostati necessari alcuni adeguamenti.

I profili dei rotori dei compressori a vite Bitzer sono completa-mente sviluppati all'interno dell'azienda con tecnologia esclusi-va, con rigidezza ed efficienza particolarmente elevate. Suquesta base si è potuto modificare il profilo in modo che ilmaggiore flusso volumetrico fosse ottenuto solamente con un

providing a Vi control for part-load conditions. The internalvolume ratio (Vi) is kept constant to approx. 70% part-load.If the load is further reduced, it drops according to theexpected smaller system pressure ratio.

The economiser port integrated into the control slider isanother special feature (Fig. 5, Pos. 2: sliding ECO-port); itallows the operation of a subcooling circuit independent ofthe compressor load.

3.4 Requirements for an optimised R134a design

As mentioned before, screw compressors can be operatedvery efficiently with R134a, however the required displace-ment must be increased proportionally to the smaller volu-metric cooling capacity (Fig. 1). The challenge was toachieve an identical cooling capacity with R134a as com-pared to the largest versions of the existing series usingR407C or R22 while keeping comparable compressor sizesand costs.

Additional requirements for an optimised R134a series:

• Same oil management, constructional features, capacitycontrol (with sliding economiser port) like for the existingseries

• Better isentropic efficiencies as comparable R407C andR22 versions

• Maximum condensing temperatures for continuousoperation:65°C for standard application / 60°C with economiser

• Bearing durability – same criteria as for existing series

• Pressure strength and safety relevant design – same cri-teria as for existing series (prEN12693, UL 984)

• Mounting dimensions, suction line, discharge line andECO connections – identical positions as for existingseries

3.5 Constructional realisation of the requirements

Determining factors for the basic geometry of the CSHscrew compressor are motor, rotor set and oil separator.

Due to the almost constant, in tendency even better electri-cal power consumption with the optimised R134a versionthe motor allocation is identical to equal capacity modelsfor R407C / R22. With respect to suction gas cooling andhigher volume flow rate certain modifications have beenmade.

All rotor profiles are proprietary Bitzer developments withan extremely high stability and efficiency. On this basis theprofile was modified in such a way that a higher flow ratecould already be achieved by enlarging the dimensions ofthe rotors by approximately 10%. Thereby the necessary


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constructive modifications were made possible withoutmajor influence on the outer compressor contour.

The well-known solid bearing arrangements of the com-pressors were retained. In consequence of a better torque,less pressure differential and a small pressure level in thebearing chambers, the conditions are even better than withthe basic versions for R407C and R22. Due to the dimen-sional changes in the rotor area modifications of the dis-charge port, the control slider and the bearing flange havebeen adapted as well.

Extensive investigations of the 3-stage oil separators, origi-nally developed for R407C and R22, showed very high sep-aration efficiencies in spite of the higher displacement.Among others effects this can be attributed to the lowervapour density and discharge gas temperature of R134awhich enable an optimal separation. Therefore only slightmodifications had to be made.

3.6 Efficiencies of the optimised R134a compressors

Even with respect to compressor efficiency all requirementswere fully accomplished and thus the goal was reached.

The positive influence of enlarged rotors is confirmed byperformance measurements. As generally known, standardscrews used in refrigeration are oil injected compressorshaving small gaps between the working spaces which aresealed by an additional oil content in the swept volume.This explains that performance and efficiency characteris-tics depend on rotor tip speeds, gap lengths in proportionto the volume flow rate, oil viscosity and pressure differen-tials between the working spaces. All these parametershave positive influences on the new series and account forthe good results.

The following comparison refers to the course of the isen-tropic efficiency dependent on the operation conditions. Bycalculation of efficiency times theoretical COP the actualachievable value can be determined, whereby the differ-ences between the refrigerants (Fig. 2) have to be consid-ered.

Within the main application range of liquid chillers (evapo-ration at 0° to 5°C) the comparison shows an advantage of5 to 7% for the screw compressor over the scroll compres-sor which has generally been defined as being an out-standing performer. If the 2.5 to 4.5% higher COP of R134ais also taken into account, advantages of up to 10% resultin favour of the screw compressor. The often negative influ-ence of the temperature glide of R407C in the condenser,however, has been disregarded which can cause highercondensing temperatures and consequently reduces theCOP even further.

10% circa di incremento degli ingombri fondamentali dei rotori.In questo modo è stato possibile attuare le necessarie modifi-che costruttive alla carcassa dei rotori senza impatto sostan-ziale sulla forma esterna del compressore.

I cuscinetti, notoriamente robusti, sono rimasti gli stessi. Inragione: di una favorevole coppia resistente, di una ridotta dif-ferenza di pressione e di un basso livello di pressioni nellecamere dei cuscinetti si hanno delle condizioni addiritturamigliori che nei modelli base per R407C e R22. Per effettodelle variate dimensioni nella zona dei rotori sono state neces-sarie delle modifiche alla finestra di scarico, alla valvola a cas-setto ed alla flangia dei cuscinetti.

Approfondite analisi dei separatori dell'olio a tre stadi, origina-riamente sviluppati per i modelli a R407C e R22 hanno fornitogradi di separazione molto elevati nonostante l'incrementodella portata volumetrica. I motivi risiedono nella limitata den-sità del vapore e temperatura di scarico dell'R134a, che favori-scono una separazione dell'olio ottimale. Modifiche sono statequindi solo limitatamente necessarie.

3.6 Rendimenti dei compressori ottimizzati per R134a

I requisiti tecnici sono stati realizzati pienamente anche perquanto riguarda i rendimenti del compressore soddisfacendo inquesto modo agli obiettivi iniziali.

Le misure prestazionali confermano anche l'influsso positivodell'aumento della dimensione dei rotori. Notoriamente i com-pressori a vite usati nella tecnica del freddo sono caratterizzatida iniezione d'olio, che ha la funzione di sigillare le piccole fes-sure esistenti tra le diverse camere di compressione. In questomodo si può spiegare la dipendenza della caratteristica di resae di efficienza dalla velocità periferica dei rotori, dalla lunghez-za delle fessure in rapporto alla portata volumetrica, dallaviscosità dell'olio e dalla differenza di pressione tra le cameredi compressione. Tutti i parametri nominati sono di influssopositivo per questa nuova gamma e spiegano così i buonirisultati.

Il seguente confronto si basa sul comportamento del rendi-mento isoentropico in dipendenza delle condizioni di servizio.Con il prodotto tra rendimento isoentropico e coefficiente diprestazione teorico (COP) si possono determinare i valori realiottenibili, dove occorre allo stesso modo anche considerare ledifferenze tra i refrigeranti (fig. 2).

Nel campo di applicazione tipico dei refrigeratori di liquido(evaporazione da 0° a 5°C), il confronto evidenzia un vantag-gio dal 5 al 7% circa per i compressori a vite rispetto ai com-pressori scroll generalmente descritti come superiori. Se siconsidera anche che il coefficiente di prestazione (COP)dell'R134a è dal 2.5 al 4.5% maggiore, si ottengono vantaggi afavore dei vite compatti a R134a fino a circa il 10%. Non èstato inoltre considerata l'influenza spesso negativa del glide ditemperatura dell'R407C nel condensatore, che può portare atemperature di condensazione superiori con la conseguenza diuna ulteriore riduzione del COP.


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4 Comportamento della potenza e dell'efficienzaa carico pieno e parziale

4.1 Regolazione della potenza e caratteristica difunzionamento

I compressori a vite CSH sono dotati di una regolazione dellapotenza particolarmente efficiente – si veda [2] ed il paragrafo3.3 – che può essere azionata in modo continuo oppure aquattro gradini. E' generalmente noto e documentato da anali-si, che il comportamento dinamico e la risultante efficienza diun impianto frigorifero ovvero di un refrigeratore di liquido sonodeterminate in modo fondamentale dalla qualità della regola-zione. Sotto questo profilo il compressore a vite, attraverso lapossibilità di una esatta modulazione della potenza in funzionedel carico reale è superiore a qualsiasi tipo di regolazione ditipo ON/OFF dei singoli compressori.

Se in un ipotetico sistema con due compressori per circuitoviene spento uno dei due compressori (riduzione a circa 50%della potenza) si ha una evidente diminuzione della temperatu-ra di condensazione. Da questo risulta una evaporazione par-ziale del refrigerante liquido (formazione di flash-gas nellalinea del liquido), la cui temperatura è ancora ad un livellosuperiore. Come conseguenza si verificano dei disturbi di rego-lazione nella valvola di espansione nell'alimentare l'evaporato-re, con effetti sfavorevoli in termini di resa e di efficienza. Allostesso modo all'accensione di un compressore (potenza rad-doppiata) si hanno forti pendolazioni nel circuito di regolazione,spesso associate ad insufficiente surriscaldamento ed alleconseguenti deviazioni dalle condizioni di servizio ottimali.

4.2 Valutazione del comportamento prestazionale tramite"Integrated Part Load Values" (IPLV)

Il descritto comportamento dinamico di un sistema ed i suoieffetti vengono spesso sottovalutati o erroneamente quantifica-ti. I confronti (calcolati) dell'efficienza a carico parziale integra-

4 Performance and efficiency characteristics at fulland part load operation

4.1 Capacity control and operating characteristics

CSH screw compressors are equipped with a very efficientcapacity control – see [2] and section 3.3 – which caneither be operated in 4 steps or stepless. It is generallyknown and supported by tests that the dynamic character-istics and the resulting efficiency of a refrigeration plant ora liquid chiller are basically determined by the control quali-ty. In this respect the screw compressor is superior to anyregulation mechanism by individual compressor ON/OFFoperation, since the performance can be adjusted exactlyto the actual requirements.

In a given system with two compressors per circuit the con-densing temperature considerably drops if one of the com-pressors is switched off (to approx. 50% capacity). Thisresults in part evaporation of liquid refrigerant (flash gasformation), while its temperature is still high. Consequencesare malfunctions of the evaporator's injection control andnegative effects on performance and efficiency. Moreover, ifan idle compressor is started (and performance is dou-bled), strong fluctuations in the control circuit, often com-bined with insufficient suction gas superheat, lead to devia-tions from optimal operating conditions.

4.2 Evaluation of performance characteristics by"Integrated Part Load Values" (IPLV)

The dynamic characteristics of a system and its effects asdescribed before are often underestimated or misinterpret-ed. Comparisons by means of (calculated) integrated part


0,55

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-5 0 5 10to [°C]

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CSH 40° R134a

CSH 50° R134a

SCR 40° R407C

SCR 50° R407C

Fig. 6 Rendimento isoentropico – confronto tra un compressore a vitecompatto CSH8591-140Y (R134a) ed un compressore scrollda 25 HP (R407C)

Fig. 6 Isentropic efficiency – comparison between aCSH8591-140Y compact screw compressor (R134a)and a 25 HP scroll compressor (R407C)

CSH Vite compattoSCR Compressore scroll40° Temperatura di condensazione (tc) 40°C50° Temperatura di condensazione (tc) 50°C

CSH Compact screwSCR Scroll compressor40° Condensing temperature (tc) 40°C50° Condensing temperature (tc) 50°C

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load efficiencies (IPLV) are based on quasi-static conditionsin order to simulate a real operation. Therefore, this methodshould only be used with reservation to compare systemsof different dynamic characteristics.

On the other hand, this method is more realistic than acomparison purely by means of energy requirement or effi-ciency at rated full load operation conditions.

The following comparison (Fig. 7) shows that CSH compactscrews offer excellent conditions even without consideringtheir advantages derived from the dynamic operating char-acteristics. This is made very evident at load conditions of100 to 50% which corresponds to around 80% of totaloperating time (according to usual IPLV calculations).

Reference conditions and percentage weight of the differ-ent capacity steps (100/75/50/25%) are based on theEUROVENT [3] proposal. The proposal defines an IPLVevaluation for Europe. Hence there are differences to ARI550/590 as usually applied in the U.S.A.

Additional comparative requirements:

• Liquid chiller with compact screw compressors (R134a)- 2 separate cooling circuits with 1 compressor each- Infinite or 4-step capacity control per circuit

• Liquid chiller with scroll compressors (R407C)- 4 separate cooling circuits with one compressor each- 2-step capacity control (compressor ON/OFF) per cir-

cuit

• Operating conditions at 100% cooling capacity (basis forboth liquid chillers):

- Evaporating temperature (to) +2°C

- Suction gas superheat (∆toh) 5 K

- Condensing temperature (tc) 50°C

- Liquid subcooling (∆tcu) 2 K

ta (IPLV) si basano sostanzialmente su condizioni statiche, concui dovrebbe venire simulato un funzionamento reale. Pertantonon è in realtà corretto confrontare direttamente con questometodo sistemi con caratteristica dinamica differente.

Tuttavia questo tipo di calcolo è più realistico del puro confron-to dei consumi energetici e dell'efficienza a pieno carico incondizioni nominali.

Il seguente confronto (fig. 7) mostra, che i vite compatti CSHoffrono chiaramente condizioni favorevoli anche senza consi-derare i vantaggi derivanti dal comportamento dinamico disevizio. Questo risulta particolarmente evidente nelle condizio-ni di carico da 100 a 50%, che corrispondono ad un peso tota-le di circa 80%.

Le condizioni di riferimento ed i pesi percentuali nei vari gradinidi potenza (da 100 a 25%) si basano sul progetto del gruppoEECCAC [3], che definisce la valutazione di IPLV per l'Europa– differente da 550/590 (norme IPLV in USA).

Altre condizioni per il confronto:

• Refrigeratore con compressori a vite compatti (R134a)- 2 circuiti separati ognuno dotato di 1 compressore- regolazione della potenza a 4 gradini o continua per ogni

circuito

• Refrigeratore con compressori scroll (R407C)- 4 circuiti separati ognuno dotato di 2 compressori- regolazione della potenza a 4 gradini (compressore

ON/OFF) per ogni circuito

• Condizioni operative di riferimento (per ambedue i refrigera-tori) nel gradino di potenza del 100%:

- Temperatura di evaporazione (to) +2°C

- Surriscaldamento in aspirazione (∆toh) 5 K

- Temperatura di condensazione (tc) 50°C

- Sottoraffreddamento del liquido (∆tcu) 2 K


2,53

3,54

4,55

5,56

6,57

25 50 75 100Potenza frigorifera / Cooling capacity

CO

P [-]

CSH R134a

Scroll R407C

Condizione al 100%Conditions at 100%:- to +2°C / ∆ toh 5 K- tc 50°C / ∆ tcu 2 K

[%]

Fig. 7 Confronto dei coefficienti di prestazione dei compressori incondizioni di carico pieno e parziale in condizioni operativetipiche dei refrigeratori di liquido

Fig. 7 Comparison of the compressor COPs at full and part loadoperation with typical operating conditions of liquid chillers

COP Coefficiente di prestazione (inglese)to Temperatura di evaporazione∆toh Surriscaldamento in aspirazionetc Temperatura di condensazione∆tcu Sottoraffreddamento del liquido

COP Coefficient of performanceto Evaporating temperature∆toh Suction gas superheattc Condensing temperature∆tcu Liquid subcooling

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5 Conclusioni

Grazie alle sue caratteristiche termodinamiche l'R134a offredelle condizioni molto favorevoli per un impiego efficiente dicompressori a vite in medie e alte temperature di evaporazio-ne. E' tuttavia svantaggiosa la bassa resa frigorifera volumetri-ca, che conduce ad un elevato costo specifico nel caso diusuali modalità costruttive del compressore.

Con una nuova generazione di vite compatti, ottimizzati perR134a, è stato possibile incrementare in modo sostanziale lospostamento volumetrico senza modificare la geometria ester-na del compressore. In questo modo vengono raggiunte, ad uncosto analogo, rese frigorifere identiche a quelle del modellorispettivamente più grande scelto dalla gamma nata perR407C ed R22. Caratteristica fondamentale sono inoltre i vera-mente elevati rendimenti isoentropici, elemento base per unconsumo energetico estremamente contenuto.

Congiuntamente ad un controllo della capacità particolarmenteefficiente (a 4 gradini o continuo) è possibile raggiungere unaelevata qualità di regolazione e di conseguenza la migliore effi-cienza del sistema. Anche nella cosiddetta valutazione di IPLV,i refrigeratori dotati di compressori a vite compatti ottimizzatiper R134a ottengono risultati di massimo livello.

Indicazioni di letteratura e riferimenti

[1] Bitzer Kältemittel-Report A-500 (tedesco)e Refrigerant Report A-501 (inglese)

[2] H. RenzCompressori a vite dotati di avanzata modulazione dicapacità e porta dell'economizzatore mobileEuropean Conference – Politecnico di Milano 6/2003

[3] EUROVENT-CECOMAF – European Committee of AirHandling and Refrigerating Equipment Manufacturers

5 Conclusion

Due to its thermodynamic properties, R134a offers veryfavourable conditions for the efficient application of screwcompressors at medium and high evaporating tempera-tures. A drawback, however, is the small volumetric capaci-ty, which involves relatively high cost for usual compressorconstructions.

A new generation of compact screws optimised for R134apermitted a considerable increase of the displacement with-out changing the compressor dimensions. Thereby identicalcooling capacities are achieved at similar cost as for thelargest versions of the existing series for R407C or R22.Another major characteristic is an extremely high isentropicefficiency entailing a minimum energy requirement.

In combination with the very efficient capacity control (4-step or stepless) a high performance and thus excellentsystem efficiency is achieved. Moreover, with regard to theIPLV evaluation extraordinary results are achieved for liquidchillers with optimised R134a compact screw compressors.

References

[1] Bitzer Refrigerant Report A-501

[2] H. RenzScrews with Advanced Capacity Modulation andSliding Economiser PortEuropean Conference – Politecnico di Milano 6/2003

[3] EUROVENT-CECOMAF – European Committee of AirHandling and Refrigerating Equipment Manufacturers


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