Nicht selten stellt sich die Frage nach dem besten Verdichterprinzip: Schraube oder Kolben? Beide Prinzipien haben ihre Berechtigung und ihren Platz auf dem Markt mittlerer Kältemaschinen. In diesem Beitrag werden die Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Kolben- und Schraubenverdichtern für Kaltwassermaschinen mit dem natürlichen Kältemittel Ammoniak (NH3) in geschlossenen Kältekreisläufen beleuchtet.
Kolben- und Schraubenverdichter im Vergleich
Kolben- und Schraubenverdichter gehören zu den Verdrängermaschinen. Kolbenverdichter mit ihren zylindrischen Verdichtungsräumen sind einfach abzudichten und wurden bereits Ende des 19. Jahrhunderts auf den Markt gebracht. Schraubenverdichter kamen dagegen erst ein Jahrhundert später auf den Markt. Ammoniak als natürliches Kältemittel findet heute zunehmend Anwendung aufgrund seiner Eigenschaften wie Nachhaltigkeit, geringe Umweltbelastung und hohe Effizienz.
Funktionsprinzipien und Leistungsregelung
Sowohl Schrauben- als auch Kolbenverdichter sind Verdrängermaschinen, die das Gas durch periodische Veränderung eines Volumens ansaugen, verdichten und ausstoßen. Der wesentliche Unterschied liegt in der Steuerung des Ladungswechsels. Beim Kolbenverdichter erfolgt dies durch druckgesteuerte Arbeitsventile, während beim Schraubenverdichter das Gas entlang einer fixen Verdichtungslinie bis zur Auslassöffnung verdichtet wird.
Die Leistungsregelung bei beiden Verdichtertypen kann entweder durch verdichterinterne Maßnahmen zur Änderung des Volumenstroms oder durch die Anpassung der Drehzahl erfolgen. Für Kälteanlagen mit häufigem Betrieb bei geringen Leistungen bietet sich die Drehzahlregelung an.
Chiller mit Schraubenverdichter
Chiller-Anwendungen in der Kältetechnik arbeiten bei kleinen Druckverhältnissen. Für solche Druckverhältnisse eignen sich sowohl Kolben- als auch Schraubenverdichter gut. Die Teillastführung der Chiller gewinnt zunehmend an Bedeutung, um die Energiebilanz zu optimieren. Der “SEER” (Seasonal Energy Efficiency Ratio) wurde eingeführt, um die Maschinen vergleichbar zu machen. Bei Schraubenverdichtern besteht noch Entwicklungspotenzial, um den “ESEER” (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) weiter zu verbessern.
Chiller mit Kolbenverdichter
Auch bei Chiller-Anwendungen mit Kolbenverdichtern erfolgt der Antrieb direkt und mit Drehzahlregelung. Der Kolbenverdichter zeichnet sich durch druckgesteuerte Ventile aus und benötigt aufgrund extrem niedriger Ölverbräuche keinen Ölabscheider. Der “ESEER” des Kolben-Chillers ist noch besser als der der Schraube, was unter anderem mit der niedrigen Drehzahl des Schraubenverdichters zusammenhängt.
Betriebsweisen, Stärken und Notwendigkeiten
Der Kolbenverdichter passt das innere Druckverhältnis an das äußere an, wodurch Über- oder Unterverdichtung vermieden werden. Die Verdichtung verläuft entsprechend polytrop, was die maximale Verdichtungstemperatur begrenzt. Im Gegensatz dazu ist das innere Verdichtungsverhältnis des Schraubenverdichters durch den Auslassquerschnitt begrenzt. Beide Verdichtertypen erfordern regelmäßige Wartung.
Fazit: Kolben oder Schraube?
Moderne Chiller zeichnen sich durch Kompaktheit, hohe Energieeffizienz und geringe Umweltbelastung aus. Bei Kältemaschinen mit Leistungen bis zu etwa 1 MW sind sowohl Kolben- als auch Schraubenverdichter gut geeignet. Bei größeren Leistungen dominieren Schraubenverdichter, gefolgt von Turbomaschinen ab etwa 10 MW. Die Entscheidung zwischen den beiden Verdichtertypen kann auch mithilfe der “Total Cost of Ownership” (TCO) getroffen werden, die Anschaffungspreis, Energiebedarf und Wartungsaufwand über die Laufzeit vergleicht.
Autor: Wolfgang Sandkötter, Leiter Entwicklung bei der GEA Germany Berlin
Bilder: GEA
Quelle: www.gea.com
