Excellence in

Performance

A New Generation of Frequency

Controlled Screw Compressors for

Liquid Chillers and Heat Pumps

Una nuova generazione di

compressori a vite a velocità di

rotazione variabile per refrigeratori

di liquido e pompe di calore

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2 SV-0801-I-GB

Una nuova generazione di compressori a vite a velocitàdi rotazione variabile per refrigeratori di liquido e pompedi calore

1. Introduzione 3

2. Indici per la comparazione dell'efficienza del sistema 3

3. Modalità di regolazione della potenza delcompressore 4

4. Refrigeratori di liquido e pompe di calore concompressori a vite compatti 5

5. Una nuova generazione di compressori a vite HSK a regolazione di frequenza 6

6. Conclusioni 12

A new generation of frequency-controlled (VSD) screwcompressors for liquid chillers and heat pumps

1. Introduction 3

2. Characteristic numbers for comparing system efficiencies 3

3. Methods of compressor capacity control 4

4. Liquid chillers packages and heat pumps with compact screw compressors 5

5. A new generation of frequency-controlled HSK screw compressors 6

6. Summary 12

Compressori a vite a velocità variabile– universale e flessibile grazie ad un kit modulare– tecnologia innovativa ed affidabile

Frequency-controlled Screw compressors– universal and flexible by modular assembly– innovative and proven technology

Compressore HSK modificato per uncampo di frequenza 20– 90 Hz

Adapted HSK screw compressor fora frequency range of 20–90 Hz

Separatore d'olio compatto ad alta efficienzaper ampi intervalli di portata volumetrica

Compact high performance oil separator forwide volume flow range

Gamma di potenza / Dati tecnici vedi pag. 7

Capacity ranges / Technical data see page 7

Speciale inverter di frequenzaadattato al motore del compressore

Frequency inverter especially tunedto the compressor motor

3SV-0801-I-GB

Fig. 1 Condizioni di riferimento per gli indici ESEER e IPLV Fig.1 Reference conditions for ESEER and IPLV data

1. Introduzione

Il fabbisogno di climatizzazione di edifici privati e commercialicome pure il raffreddamento di processi e di impianti industrialiè in continuo aumento in tutto il mondo. Lo spettro di potenzava dai pochi watt del raffreddamento del microprocessorefino ai diversi megawatt della climatizzazione centralizzatadei complessi edilizi. Negli ultimi anni accanto ai processi diraffreddamento, il centro dell'attenzione si è spostato anchesulla produzione di calore (per applicazioni di processo e perriscaldamento) tramite le pompe di calore.

Data la molteplicità di applicazioni con le loro specifiche esi-genze e l'ampio spettro di potenza, vengono utilizzati diversimetodi di raffreddamento e di riscaldamento. In considera-zione dei crescenti costi energetici e degli adempimenti dilegge, acquista sempre più importanza l'efficienza dei sistemiutilizzati. In particolare l'effettivo adeguamento della potenzafrigorifera e termica al fabbisogno dello specifico del pro-cesso sia quotidiano che stagionale consente di minimizzareil fabbisogno energetico.

In seguito sono comparate le attuali possibilità di adegua-mento della potenza dei compressori in refrigeratori di liquidoe di pompe di calore e la concezione così come l'applica-zione di una nuova generazione di compressori a vite avelocità di rotazione variabile.

2. Indici per la comparazione dell'efficienza delsistema

In passato, per valutare l'efficienza di un impianto, si consi-derava in primo luogo il coefficiente di prestazione (COP /EER) a pieno carico in condizioni di progetto. Solitamentenon veniva considerato né il profilo della temperatura nelluogo di installazione dell'impianto né il profilo del caricodell'applicazione specifica. Sono tuttavia questi due para-metri i fattori determinanti per la potenza erogata da refri-geratori di liquido e da pompe di calore nel ciclo annuo.

1. Introduction

The demand for air-conditioning in private and commercialbuildings as well as refrigeration for industrial processesand plants is increasing continuously worldwide. The cap-acity ranges from a few watts for microprocessor coolingup to several megawatts for centralized aircon systems inbuilding complexes. During the past years, and apart fromrefrigeration, the efficient generation of heat (process heat,heating) by means of heat pumps has become a centralissue.

Due to the many different applications with their specificrequirements and a wide capacity range, several coolingand heating methods are used. Due to increasing energycosts as well as legal regulations, the efficiency of theemployed systems is becoming ever more important. Inparticular, the efficient adaptation of cooling/heating cap-acity to the process-specific demands, and to daily andseasonal cycles, results in minimized energy requirements.

This article compares the currently available possibilitiesfor adapting compressor capacities for liquid chillers andheat pumps, and describes the concept and application ofa new generation of frequency-controlled screw compres-sors.

2. Characteristic numbers for comparing systemefficiencies

Previously, a plant's efficiency was assessed mainly con-sidering the coefficient of performance (COP / EER) underfull load at the design point. But frequently, neither the tem-perature profile at the operating site, nor the load profile ofthe specific application were taken into account. However,both of these parameters are major influencing factors forthe installed cooling capacity of liquid chillers and heatpumps during the yearly cycle.

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Gradini di potenzaCapacity steps

Parametri per ESEER / parameters (Eurovent)

Gradini di potenza Pesi

Capacity steps Weighting coefficients

[%] [%]

100 3 (1)

75 33 (42)

50 41 (45)

25 23 (12)

Valori tra parentesi /values in brackets �ARI550/590

Calcolo ESEER / calculation

ESEER = 0.03 x EER100% + 0.33 x EER75%

+ 0,41 x EER50% + 0.23 x EER25%

4 SV-0801-I-GB

Poiché la determinazione di questi fattori individuali è com-plessa, sono stati definiti dei parametri specifici per la valu-tazione di sistemi per la climatizzazione civile.

In Europa è stato per esempio definito per i refrigeratori diliquido l'ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio– secondo EUROVENT) e negli USA l'IPLV (Integrated PartLoad Value – secondo ARI 550/590). I parametri descrivonol'efficienza media complessiva o il fabbisogno medio dienergia di un sistema in rapporto alla potenza frigorifera.Entrambi si riferiscono ad una definita frequenza oraria(media pesata) delle diverse condizioni di carico in dipen-denza della temperatura ambiente.

Questi parametri sono pertanto "idealizzati" e non descrivonoin modo sufficiente il comportamento dinamico dell'impianto,inoltre non vengono prese in considerazione le effettivecondizioni di carico ed i profili di temperatura delle diversezone climatiche. Tuttavia questo metodo di comparazionesemplificato è più adatto per la valutazione di un sistemarispetto alla valutazione nelle sole condizioni di progetto.

Si deve inoltre tener conto del fatto che fra dati di ESEERe di IPLV (ARI) vi sono differenze abbastanza grandi inragione delle diverse condizioni di riferimento e che per-tanto non è possibile una comparazione diretta (vediFig. 1). Analogamente le comparazioni di efficienza fratecnologie di compressori con caratteristiche di funziona-mento molto differenti (per esempio quelli a vite rispettoai turbo) sono possibili solo con grandi riserve. Piccoledifferenze nel profilo effettivo di carico possono portarea grosse variazioni dei parametri ESEER-/IPLV e in questomodo condurre ad un'interpretazione errata.

3. Modalità di regolazione della potenza del compressore

I diversi procedimenti per la regolazione della potenzasono descritti dettagliatamente nella brochure BITZER"Competence in capacity control" [1] (Competenza nellaregolazione della potenza). Qui di seguito viene indicatoun elenco dei metodi usati più frequentemente nei refrige-ratori di liquido e nelle pompe di calore:

a. Collegamento in parallelo di compressori con funziona-mento ON/OFF

b. Compressori a vite con regolazione della valvola acassetto (a gradini o continua)

c. Compressori con numero di giri variabile (inverter difrequenza)

d. Compressori scroll con sollevamento intermittentedelle spirali

e. Compressori a pistoni con testata parzializzata –agradini o intermittente.

Nella descrizione che segue sono considerati in primo luogoi metodi utilizzati nei compressori a vite ed anche il loro com-portamento prestazionale e di efficienza nei refrigeratori diliquido. Con questa tecnologia viene utilizzata soprattuttola regolazione della valvola a cassetto, che consente unutilizzo semplice, universale ed efficiente [2]. In aggiuntaa questo vengono offerti compressori di recente creazionecon inverter di frequenza per la regolazione continua dellapotenza (vedi Paragrafo 5).

Since the determination of these individual factors is difficult,corresponding characteristic numbers have been definedfor the assessment of comfort air conditioning systems:

For example, for liquid chillers the ESEER (EuropeanSeasonal Energy Efficiency Ratio – acc. to EUROVENT)was agreed in Europe, and the IPLV (Integrated Part LoadValue – acc. to ARI 550/590) in the USA. These numbersdescribe a relative overall energy efficiency ratio or theaverage energy requirements of a system in relation to thecooling capacity. Both values are referred to a definedoccurrence frequency (weighting) of the load status asa function of the ambient temperature.

These characteristic numbers are "idealized", and do notadequately describe the plant's dynamic behaviour. More-over, real load conditions as well as temperature profiles ofdifferent climatic zones are not considered. Nonetheless,this simplified comparison method for assessing a systemis better suited than an evaluation only based on maximumdesign conditions.

Hereby, it must be remembered that due to different ref-erence conditions, there are considerable differences be-tween ESEER and IPLV data (ARI), so that a direct com-parison is not possible (see Fig. 1). Similarly, efficiencycomparisons between compressor technologies withcompletely different operating characteristics (e.g. screwvs. turbo) are possible only with great reservations. Here,only slight differences in the actual load profile can lead tolarge changes in the ESEER/IPLV certifications, and cantherefore result in misinterpretations.

3. Methods of compressor capacity control

The different methods for capacity control are described indetail in the BITZER brochure "Competence in CapacityControl" [1]. Listed below are the most widely used controlmethods for liquid chillers and heat pumps:

a. Parallel operation of compressors with On/Off controlb. Screw compressors with slider control (stepped or

infinite)c. Variable-speed compressors (frequency inverter)d. Scroll compressors with intermittent lifting of the

spiralse. Reciprocating compressors with blocked suction

(stepped or intermittent).

The following description deals primarily with the methodsused for screw compressors, as well as their capacity andefficiency behaviour in liquid chiller applications. This tech-nology is mostly equipped with slider control since thismethod can be applied as a simple, universal and efficientsolution [2]. In addition, newly developed compressors withfrequency inverters for infinite capacity control are available(see section 5).

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Fig. 2 Schematizzazione di un refrigeratore di liquido concompressore a vite compatto CSH e condensatoreraffreddato ad aria

Fig. 2 Schematic diagram of a liquid chiller with CSH compactscrew and air-cooled condenser

4. Refrigeratori di liquido e pompe di calore concompressori a vite compatti

Nel campo delle medie potenze (fino a 1500 kW) oggi ven-gono utilizzati in prevalenza compressori a vite con refriger-ante R134a. Inoltre i compressori a vite compatti si sonoaffermati grazie al loro semplice utilizzo, alta affidabilità,economicità in un ampio campo di applicazione e la rego-lazione della potenza a piccoli gradini o continua in gruppirefrigeranti di liquido e in pompe di calore.

La regolazione di potenza a gradini o continua avviene tra-mite la variazione del volume di aspirazione modificando lageometria di aspirazione utilizzando la valvola a cassetto.Nel compressore sono integrati il separatore e la gestionedell'olio, che non richiedono nessuna spesa aggiuntiva diinstallazione. Con il collegamento di un'iniezione di liquidoo di un raffreddatore esterno dell'olio, i compressori possonoessere usati anche in zone climatiche molto calde e in appli-cazioni in pompa di calore con alte temperature di conden-sazione. Questo rende i compressori a vite compatti piùflessibili e universali per esempio rispetto a quelli turbo, chenel funzionamento con carico parziale possono essere uti-lizzati efficientemente solo con bassi rapporti di pressione(per esempio lungo la linea caratteristica teorica di ESEER /IPLV). Poiché i profili effettivi di temperatura e di caricomolto spesso si discostano dai valori standard idealizzati,nel funzionamento pratico risultano per lo più vantaggi diefficienza per i compressori a vite compatti. La connessionedi economizzatore integrata nella valvola a cassetto con-sente inoltre in tutte le condizioni di carico un ulteriore mig-lioramento dell'efficienza energetica.

4. Liquid chillers packages and heat pumps withcompact screw compressors

Nowadays, screw compressors are predominantly used inthe mid-capacity range (up to 1500 kW), with R134a asrefrigerant. Hereby, compact screw compressors havebecome the preferred choice for liquid chiller and heatpump applications due to their simple use, high reliability,efficiency over a wide working range, and finely steppedor infinite capacity control.

Stepped or infinite capacity control is achieved by shiftingthe suction port edge with a slider which varies the suctionvolume. Oil separator and oil management are integratedin the compressor, and do not require any additional in-stallation work. By means of liquid injection or an externaloil cooler, it is also possible to use the compressors inhot climatic zones, and heat pump applications with highcondensing temperatures. This makes compact screwcompressors more flexible and universal than e.g. turbocompressors, which can only be used efficiently with lowpressure ratios under part-load conditions (e.g. along therather theoretical ESEER / IPLV curve). As the actual tem-perature and load profiles often deviate from the idealizedstandard values, compact screw compressors are usuallymore efficient in practical operation. Hereby, the econo-miser connection integrated in the slider provides evenfurther energy efficiency improvement under all load con-ditions.

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Il costo di installazione dei vite compatti è modesto grazieal separatore dell'olio integrato, anche il controllo elettricopuò essere eseguito in modo relativamente semplice. Lacontrollo a cassetto consente una regolazione della potenzacon semplici sequenze di comando. Non sono necessaritempi di interruzione fra i singoli stadi di potenza e anchel'avvio dopo il normale spegnimento del compressore èpossibile senza logiche particolari e senza ritardi. Questoconsente un rapido adattamento della potenza del com-pressore alle esigenze dell'impianto e con ciò una gestioneottimale della temperatura.

5. Una nuova generazione di compressori a vite HSKa regolazione di frequenza

I primi impianti con i compressori a vite BITZER e regola-zione a frequenza variabile furono realizzati già a metàdegli anni '80. Da allora sono in uso molte migliaia di com-pressori, per cui si sono potute raccogliere vaste esperienzesia riguardo alla tecnologia del compressore che dell'in-verter [1].

Con la nuova serie di compressori qui presentata per refri-geratori di liquido e pompe di calore, è stato compiuto unulteriore passo avanti, ponendo in risalto, oltre all'elevataefficienza ed alla nota affidabilità dei compressori BITZER,anche l'universale applicabilità e flessibilità.

I compressori a vite HSK a regolazione di frequenza com-pletano l'offerta dei compressori a vite compatti CSH. Conquesta tecnologia si possono raggiungere ulteriori migliora-menti di efficienza in sistemi caratterizzati da lunghi periodidi funzionamento con basso carico e basse temperaturedi condensazione.

Thanks to the integrated oil separator, the installation workfor compact screws is limited, and also the electrical controlcircuits are comparatively simple. The slider control permitscapacity to be varied with simple control sequences. Thereis no need for pauses between individual capacity steps,and starting the compressor after a normal shut-off is alsopossible without any special start-up logic or delays. Thisensures fast adjustment of the compressor's capacity to thedemands from the plant, and therefore optimum tempera-ture control.

5. A new generation of frequency-controlledHSK screw compressors

The first plants with BITZER screw compressors andvariable-frequency drive were introduced back in the mid-1980's. Since then, thousands of compressors havegone into operation, whereby extensive experience hasbeen gathered both in compressor and inverter tech-nology [1].

A further innovative step in development was completedwith the introduction of the new compressor series for liquidchillers and heat pumps as described here, whereby spe-cial emphasis was placed on high efficiency, the pro-verbialreliability of BITZER compressors, plus universal applicationand flexibility.

The frequency-controlled HSK screw compressors supple-ment the range of CSH compact screws. By means of thistechnology, it is possible to achieve even further efficiencyimprovements in systems with particularly long operatingperiods at low part loads and low condensating tempera-tures.

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Fig. 3 Schematizzazione del kit modulare compressore / inverter /separatore

Fig. 3 Schematic diagram of the modular assembly –Compressor / frequency inverter / oil separator

CompressoreCompressor

Inverter di frequenzaFrequency Inverter

Separatore d'olioOil Separator

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Il progetto si basa su un gruppo modulare (Fig. 3), che sipuò combinare secondo le esigenze:– Compressore semiermetico derivato da serie collaudate,

in esecuzione specificatamente adattata per un ampiocampo di frequenze (20 – 90 Hz),

– inverter di frequenza adattato alla caratteristica delmotore e del compressore,

– separatore dell'olio compatto orizzontale a più stadi.

The concept is based on a modular assembly (Fig. 3),which can be combined according to the requirements:– Semi-hermetic compressor based on proven models in

specifically adapted versions for extended speed range(20 – 90 Hz),

– frequency inverters specially matched to motor andcompressor characteristics,

– horizontal, compact multi-stage oil separator.

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Coo

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Intervalli di potenza Capacity ranges

Fig. 4 Intervalli di potenza e dati tecnici del kit modulare – Abbi-namento standard per refrigeratori di liquido e pompe dicalore con condensatore ad aria e espansione secca

Fig. 4 Capacity ranges and technical data of the modularassembly – standard layout for chillers with air-cooledcondensers and DX coolers

Dati tecnici Technical data

Compressore tipo

Compressortype

Spostamentovolumetricomin 20 Hz

Displace-ment min.20 Hz

m3/h

Spostamentovolumetricomax 90 Hz

Displace-ment max.90 Hz

m3/h

Separatoreolio perSistema DX

Oil separatorDX systems

Caricaolio

Oil charge

l

Invertertipo

Invertertype

Massimacorrente diservizio

max.workingcurrent

A

Tensioneinverter

Invertervoltage

Pipe connections

Connessioni

HSK7471-70VS 99 446 54 2 1/8 76 3 5/8 OAH 2888 28 BTZ1 190

HSK8551-80VS 126 567 76 3 1/8 DN 100 OAH 2888 28 BTZ2 230

HSK8561-90VS 144 574 76 3 1/8 DN 100 OAH 2888 28 BTZ4 275

HSK8561-90VS 144 646 76 3 1/8 DN 100 OAH 2888 28 BTZ4 275

HSK8571-110VS 164 738 76 3 1/8 DN 100 OAH 2888 28 BTZ4 305

Lineaaspirazione

Discharge line

mm inch

Linea scarico

Suction line

mm inch

400

..48

0 V

/3/5

0 H

z

� HSK8561-90VS per campo di frequenze da 20 a 80 Hz – in alternativa a HSK8551-80VS (da 20 a 90 Hz)� HSK8561-90VS for frequency range 20 to 80 Hz – alternative to HSK8551-80VS (20 to 90 Hz)

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* to 5°C / tc 50°C / R134a

8 SV-0801-I-GB

5.1 Esecuzione del compressore e caratteristicadi potenza

Diversamente dalla regolazione a cassetto dei vite compattiCSH, la regolazione della potenza in questa versione dicompressori con variazione del numero dei giri avvienetramite un convertitore di frequenza esterno. In virtù di unaregolare erogazione di portata, dell'alta stabilità del numerodei giri e di un uniforme andamento della coppia motrice,i compressori a vite sono particolarmente adatti per questotipo di azionamento. Caratteristica tipica di questa nuovaserie di costruzione è il campo di velocità straordinaria-mente ampio con uno spettro di frequenza da 20 fino a90 Hz. Rispetto al funzionamento sincrono a 50 Hz la po-tenza frigorifera del compressore può essere aumentata inquesto modo di circa 80% e realizzare un campo di rego-lazione di 1:4,5. Grazie alle elevate prestazioni specificherisultano inoltre dimensioni ridotte e pesi più bassi rispettoai compressori con numero di giri fisso.

Per ottenere massima flessibilità il convertitore di frequenzae il separatore d'olio non sono stati integrati nel compres-sore (vedi anche fig. 3 ed i paragrafi successivi).

I compressori presentano un livello di rendimento volume-trico e di compressione costantemente alto in tutto il campodi frequenze. (Fig. 5). La caduta di rendimento tipica deicompressori standard a basso ed alto numero di giri hapotuto essere evitata con una speciale adattamento delmotore e dell'inverter di frequenza come pure con l'otti-mizzazione del rapporto volumetrico "intrinseco" (Vi) e dellesezioni fluidodinamiche.

5.1 Compressor version and performancecharacteristics

Contrary to the slider control of CSH compact screws, cap-acity control of this compressor version is achieved bymeans of an external frequency inverter. Due to the uniformdischarge characteristics, excellent speed stability, and asmooth torque curve, screw compressors are particularlysuited for this type of drive. A distinctive feature of the newseries is the exceptionally wide speed range with a frequen-cy spectrum of 20 – 90 Hz. Compared with synchronousoperation at 50 Hz, this enables the compressor's coolingcapacity to be increased by about 80%, with a controlrange of 1:4,5. Moreover, because of the high power den-sity, this leads to smaller overall dimensions and a lowerweight compared to fixed-speed compressors.

In order to obtain maximum flexibility, the frequency inverterand oil separator were not integrated in the compressor(see Fig. 3 and the following sections).

The compressors exhibit uniformly high volumetric andisentropic efficiencies across the entire frequency range(Fig. 5). By means of special matching of motor andfrequency inverter, as well as the "built-in" volume ratio (Vi)and the flow cross sections, it was possible to prevent thetypical efficiency losses of standard compressors at lowand high speeds.

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Gradini di potenzaCapacity steps

Rendimento volumetricoVolumetric efficiency

Rendimento isoentropico (incluso inverter)Total efficiency (incl. inverter)

Fig. 5 Rendimento volumetrico e rendimento isoentropico al variaredella frequenza nelle condizioni di riferimento ESEER

Fig. 5 Development of volumetric and isentropic efficienciesacross the frequency range for ESEER reference conditions

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Con queste soluzioni si possono raggiungere alle condizionidi sistema precedentemente descritte (prevalente funziona-mento a carico parziale e bassa temperatura di condensazi-one) aumenti nell'ESEER del 10% e più. La fig. 6 mostra unacomparazione relativa con i vite compatti, in cui risulta evi-dente, che nel funzionamento a pieno carico risultano deglisvantaggi – principalmente dovuti alle perdite del converti-tore – e dei vantaggi in condizioni di parzializzazione.

Le spese aggiuntive risultanti per il convertitore di frequenzapossono essere in parte compensate con la ridotta taglia delcompressore. Vanno inoltre considerati anche i potenziali ris-parmi nella componentistica elettrica, nei controlli e nel sistemadi rifasamento, per cui le spese di investimento aumentanosolo moderatamente.

5.2 Inverter di frequenza

L'inverter di frequenza è un'unità specificatamente adattataalla caratteristica del compressore e del motore, la para-metrizzazione viene impostata in fabbrica. L'inverter vaintegrato nel quadro elettrico, in questo modo vibrazionio agenti atmosferici non possono influire sull'elettronica.L'impostazione modulare consente anche una combina-zione individuale adattata alle condizioni di funzionamentodel compressore e del convertitore di frequenza, per esem-pio con l'utilizzo di un modello di inverter più piccolo neigruppi refrigeranti con condensatore raffreddato ad acqua.

Oltre alla regolazione continua della potenza, questo tipodi azionamento consente anche un avviamento dolce delmotore, con valori di corrente di avviamento (Fig. 7) sensi-bilmente ridotti unitamente alla compensazione dellapotenza reattiva.

Thanks to these measures, and under the system con-ditions described above (mainly part-load operation andlow condensing temperatures), increases of 10% andmore in ESEER can be achieved. Fig. 6 shows a relativecomparison with compact screws, which illustrates thatdisadvantages occur under full load – mainly due to in-verter losses – and conversely, advantages arise with lowpart-loads.

The additional costs incurred for the frequency inverter arepartly offset by the reduced compressor size. Furthermore,savings are possible in electrical equipment, controls, andpower factor correction, so that investment costs for theentire system only increase moderately.

5.2 Frequency inverter

The frequency inverter has been specially matched tothe compressor and motor characteristics, whereby theparameters have already been set in the factory. It ismounted in the control cabinet, so that vibrations andweather influences have no effect on the electronics.Similarly, the modular concept also permits an individualcombination of compressor and frequency inverter forprecise matching to the operating conditions – e.g. byusing smaller units for chillers with water-cooled condenser.

Apart from the infinite capacity control, this drive conceptalso offers a soft-start function for the motor, with sig-nificantly reduced starting current (Fig. 7) as well as powerfactor correction.

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Gradini di potenzaCapacity steps

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* riferito alla potenza frigorifera* related to cooling capacity

* riferito alla potenza frigorifera* related to cooling capacity

Fig. 6 Caratteristica di efficienza in dipendenza del profilo dicarico e della temperatura ambiente

Fig. 6 Efficiency characteristic in reference to load profile andambient temperature

10 SV-0801-I-GB

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Tempo / Time [s]

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Fig. 7 Andamento della corrente durante l'avviamento Fig. 7 Current characteristics at compressor start

5.3 Separatore dell'olio

In ragione dall'ampia gamma di frequenze di regolazione e dipossibili applicazioni, per questa serie di compressori sonostati sviluppati separatori d'olio compatti di alte prestazioni titipo orizzontale. Anche in questo caso si sono dimostratideterminanti i vantaggi derivanti da un sistema modulare.

L'abbinamento standard (Fig. 4) dei separatori dell'olio coni compressori è ottimizzata per i refrigeratori di liquido eper le pompe di calore ad espansione secca (Fig. 8). Per isistemi allagati (Fig. 9) il separatore d'olio può essere scelto,se necessario, con un maggiore efficienza di separazione,rendendo superfluo l'utilizzo di un separatore secondarioaddizionale. A seconda del dimensionamento si può sem-plificare il dispositivo di recupero dell'olio dall'evaporatoreallagato. Un altro vantaggio del separatore esterno è lapossibilità di una disposizione ottimale dei componenti conconseguente risparmio di spazio all'interno del refrigeratore.E' anche possibile un funzionamento parallelo di più com-pressori su un separatore dell'olio comune.

5.4 Struttura del sistema

L'alta flessibilità di questa impostazione modulare consenteuna costruzione del sistema simile a quella dei compatti avite. Diverso è solo il montaggio del separatore dell'olio. Lefigure qui sotto mostrano rispettivamente un esempio diesecuzione per refrigeratori con espansione diretta e conevaporatore allagato.

5.3 Oil separator

Due to the large bandwidth of control range and applica-tions, extremely compact, high-performance horizontal oilseparators were developed for this compressor series. Alsohere, the advantages of a modular design proved to betrend setting.

The standard arrangement (Fig. 4) of oil separator andcompressors has been optimized for liquid chillers andheat pumps with DX design (Fig. 8). For flooded systems(Fig. 9), an oil separator with improved separation efficiencycan be selected, whereby an additional secondary sepa-rator is unnecessary. Depending on design, it might alsobe possible to simplify the required oil rectifier from theevaporator. A further advantage of an external oil separatoris the possibility for an individual and space-saving locationin the chiller. Moreover, parallel operation of several com-pressors with a common oil separator is also possible.

5.4 System layout

The high flexibility of this modular assembly permits asimilar system layout as for compact screws. The onlydifference is the inclusion of an oil separator. The figuresbelow show one example each for chillers with directexpansion and flooded operation.

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Fig. 8 Schematizzazione di un refrigeratore di liquido con com-pressore con regolazione di frequenza, condensatoreraffreddato ad aria e evaporatore ad espansione secca

Fig. 8 Schematic diagram of a liquid chiller with frequency-controlled compressor, air-cooled condenser, and directexpansion evaporator

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Fig. 9 Schematizzazione di un refrigeratore di liquido con com-pressore con regolazione di frequenza, condensatoreraffreddato ad acqua ed evaporatore allagato

Fig. 9 Schematic diagram of a liquid chiller with frequency-controlled compressor, water-cooled condenser, andflooded evaporator

Bitzer Kühlmaschinenbau GmbHEschenbrünnlestraße 15 � 71065 Sindelfingen, Germanytel +49 (0)7031 932-0 � fax +49 (0)7031 932-147www.bitzer.de � bitzer@bitzer.de S

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I refrigeratori di liquido di media potenza vengono eseguiti,per necessità di ridondanza, con due circuiti frigoriferi sepa-rati e un circuito secondario comune. Considerando la tecno-logia qui presentata, è possibile realizzare nuove soluzionitecniche come per esempio la combinazione di un compres-sore a velocità variabile con uno di tipo compatto CSH, alposto di compressori identici. A seconda del reale profilo dicarico, questa esecuzione, dotata di opportuna logica diregolazione, potrebbe rappresentare la soluzione ottimaleda un punto di vista energetico.

Un potenziale ulteriore miglioramento può in generale essereottenuto, con i sistemi bi-circuito, con una modificata circui-tazione delle due batterie condensanti [3]. Con questa parti-colare esecuzione, nel funzionamento a carico parziale, si haa disposizione una superficie di scambio termico maggiore,per cui la differenza di temperatura nel condensatore siriduce, migliorando l'efficienza.

6. Conclusioni

Nei refrigeratori di liquido e nelle pompe di calore nel campodi potenza medio vengono oggi preferibilmente utilizzati icompressori a vite compatti con il refrigerante R134a. Questicompressori si contraddistinguono per l'alta affidabilità, eco-nomicità in un ampio campo di utilizzo e una regolazioneefficiente di potenza.

Una nuova generazione di compressori a vite con regola-zione di frequenza completa la gamma dei vite compattiCSH. Con questa tecnologia innovativa si possono raggi-ungere ulteriori miglioramenti di efficienza in sistemi conlunghi periodi di funzionamento a ridotto carico e bassetemperature di condensazione. Il progetto comprende unkit modulare composto da compressore, convertitore difrequenza e separatore d'olio, con il quale è consentitamassima flessibilità ed universalità d'impiego.

Note bibliografiche e riferimenti

[1] BITZER Sonderausgabe (Edizione speciale) 09.2004:Eine neue Generation optimierter Kompakt-Schraubenverdichter für R134a(Una nuova generazione di compressori a vitecompatti ottimizzati per R134a)

[2] BITZER Broschüre A-600:Kompetenz in Leistungsregelung(Brochure A-600: Competenza nella regolazione dipotenza)

[3] E. Fornaseri, M. Corradi, L. Cecchinato (University ofPadova), P. Trevisan (Bitzer Italia) –Presentazione al Politecnico di Milano, Giugno 2007:

"Seasonal energy efficiency (ESEER) of differentinstallation solutions of chillers using screwcompressors for R134a"

For redundancy reasons, medium-capacity liquid chillersare mainly built with two separate refrigerant circuits anda common secondary circuit. In conjunction with the tech-nology described above new technical solutions can berealised such as combining a speed-controlled compressorwith a CSH compact screw instead of identical two com-pressors. Depending on the load profile and with optimumcontrol, this solution may be advantageous in energydemand.

Additional scope for improvement with dual-circuit chillerscan be achieved by means of a modified piping arrange-ment between the two condenser coils [3]. Under part-loadoperation, this option provides a considerably larger heattransfer surface, which reduces the temperature differencein the condenser and thereby improves efficiency.

6. Summary

Today, compact screw compressors with refrigerant R134aare the preferred choice for medium-capacity liquid chillersand heat pumps. They are distinguished by outstandingreliability, economic operation over a wide working range,and highly efficient capacity control.

A new generation of frequency-controlled screw compres-sors supplements the range of CSH compact screws. Withthis innovative technology, further efficiency improvementsare achievable in systems with particularly long operatingperiods at low part loads and low condensing tempera-tures. The concept consists of a modular assembly withcompressor, frequency inverter, and oil separator, whichensures utmost flexibility for universal application possi-bilities.

References

[1] BITZER Special Edition 09.2004:A new generation of optimized compact screwcompressors for R134a

[2] BITZER brochure A-600:Competence in Capacity Control

[3] E. Fornaseri, M. Corradi, L. Cecchinato (University ofPadua), P. Trevisan (Bitzer Italia) –Presentation at the Polytechnic Milan, in June 2007:"Seasonal energy efficiency (ESEER) of differentinstallation solutions of chillers using screwcompressors for R134a"