DE4010770C1 - - Google Patents

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DE4010770C1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für eine Kälteanlage, welche mehrere Kühlräume versorgt und eine Verdichteranordnung mit veränderlicher Leistung, einen Kondensator und eine Mehrzahl von parallel geschal­ teten Verdampfern mit einer jeweils vorgeschalteten Expansionseinrichtung aufweist, wobei einem jeden Ver­ dampfer ein eigener Kühlraumthermostat zugeordnet ist, welcher ein in Reihe mit dem jeweiligen Verdampfer und der jeweiligen Expansionseinrichtung geschaltetes, den Kältemitteldurchfluß durch diesen Verdampfer steuerndes und damit dessen Belastungszustand festlegendes Ventil ansteuert, und wobei ein Steuergerät vorgesehen ist, das in Abhängigkeit vom Belastungszustand des jeweils am stärksten belasteten Verdampfers die Leistung der Verdichteranordnung ändert.
Bei einer bekannten Steuereinrichtung dieser Art (US 40 84 388) sind vier Verdichter vorhanden, die von einem gemeinsamen Steuergerät ein- und ausgeschaltet werden können. Sie speisen drei parallel geschaltete Verdampfer, denen saugseitig je ein vom Temperaturfühler beeinflußtes Ventil nachgeschaltet ist. Die Ventilstellung ist ein Maß für den Saugdruck im Verdampfer und daher für dessen Belastung. Belastungszustandsmelder geben der Ventilstel­ lung entsprechende Belastungssignale ab, von denen das jeweils größte mittels einer Diodenschaltung ausgewählt und dem Steuergerät zugeführt wird. Dieses vergleicht den maximalen Belastungswert mit drei Schwellwerten von 125%, 90% und 80% und legt in Abhängigkeit von diesem Vergleich die Zahl der in Betrieb befindlichen Verdichter fest.
Nachteilig ist hierbei, daß die Ventilstellung den Be­ lastungszustand nur sehr ungenau angibt. Dies gilt insbe­ sondere für den oberen Grenzbereich, wo erhebliche Ven­ tilverstellungen kaum mehr Durchflußänderungen bewirken. Außerdem führt der Druckabfall am Ventil bei den weniger stark belasteten Verdampfern zu einem erhöhten Ausgangs­ druck des Verdampfers und damit zu einem schlechten Wirkungsgrad.
Es ist ferner bekannt (Kühlstellenregler AK10 der Danfoss A/S), dem Verdampfer druckseitig ein Magnetventil mit eingebauter Expansionsdüse vorzuschalten, das abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird. Es kann nach dem Prinzip der Impulsbreitenmodulation mit festgelegter Periodenzeit geregelt werden. Dieser Betriebsweise kann noch die Funktion eines dem Verdampfer zugeordneten Thermostat­ schalters überlagert werden.
US 45 10 767 offenbart eine Steuereinrichtung für eine Kälteanlage, welche mehrere Kühlräume versorgt und eine Verdichteranordnung mit mehreren Kompressoren und veränderlicher Leistung, einen Kondensator und eine Mehrzahl von parallelgeschalteten Verdampfern mit einer jeweils vorgeschalteten Expansionseinrichtung aufweist, wobei einem jeden Verdampfer ein eigener Kühlraumther­ mostat zugeordnet ist, welcher ein in Reihe mit dem jeweiligen Verdampfer und der jeweiligen Expansionsein­ richtung geschaltetes, den Kältemitteldurchfluß durch diesen Verdampfer steuerndes und damit dessen Belastungs­ zustand festlegendes Ventil ansteuert und wobei ein Steuergerät vorgesehen ist. Dieses Steuergerät ändert die Leistung der Verdichteranordnung jedoch nicht in Abhängigkeit vom Belastungszustand des am stärksten belasteten Verdampfers, sondern in Abhängigkeit vom Belastungszustand aller Verdampfer.
DE 28 37 262 C2 zeigt ein Verfahren zur Heiz- und/oder Kühlkostenverteilung von Wohneinheiten in einem Wohn­ block, mit einer Kälteanlage, bei der der Durchschnitt der Belastungswerte auf einem vorbestimmten konstanten Wert, vorzugsweise 0,5 bis 0,8 gehalten werden soll, während in höchstens einem Zimmer der maximale Be­ lastungswert von 1 auftreten soll. In diesem Zimmer wird eine Unterversorgung in Kauf genommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerein­ richtung der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß die Kälteanlage bei jeder Belastung mit einer mög­ lichst geringen Leistung betrieben wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein jedes Ventil als vollständig öffnendes oder schließendes Magnetventil ausgebildet und dem jeweils zugeordneten Verdampfer vorgeschaltet ist, wobei jeder Kühlraumthermostat für jedes zugeordnete Magnetventil dessen relatives Einschaltverhältnis festgelegt und an eine Auswerteschaltung des Steuergeräts ausgibt, welche die Leistung der Verdichteranordnung so einstellt, daß das größte aller relativen Einschaltverhältnisse nahe bei 1 liegt, so daß einerseits der am stärksten belastete Verdampfer mit der größten Kältemittelmenge beschickt wird und andererseits ein Ansprechen des Steuergeräts bei einer zu geringen Verdichterleistung, bei der das Magnetventil ständig geöffnet ist, zuverläs­ sig gewährleistet ist.
Mit anderen Worten sind die Ventile den Verdampfern vorgeschaltete Magnetventile mit vom zugehörigen Tempera­ turfühler beeinflußten Verhältnis vom Einschaltwert "on" und Ausschaltwert "off", wobei die Belastungszu­ standsmelder "on" und "off" entsprechende Signale abgeben und das Steuergerät eine Auswerteschaltung aufweist, die für jeden Verdampfer als Belastungswert B das re­ lative Einschaltverhältnis
berechnet, und die Leistung der Verdichteranordnung so einstellt, daß der größte Belastungswert Bmax nahe bei 1 liegt.
Das vom Temperaturfühler beeinflußte Einschaltverhältnis der Magnetventile ist ein sehr genaues Maß für die je­ weilige Belastung der Verdampfer. Es läßt sich leicht berechnen, weil die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit beim Betrieb automatisch anfallen. Die Genauigkeit gilt über den gesamten Belastungsbereich, also auch im oberen Grenzgebiet. Arbeitet man daher bei Werten von Bmax nahe bei 1, ist einerseits gewährleistet, daß der am stärksten belastete Verdampfer nahezu ständig mit voller Kältemittelmenge beschickt wird, daß aber andererseits ein Ansprechen des Steuergeräts noch möglich ist, wenn infolge zu geringer Verdichterleistung das Magnetventil ständig oder nahezu ständig geöffnet ist. Infolgedessen kann die Verdichteranordnung mit gerade derjenigen Leistung betrieben werden, bei der der Saugdruck den unter den gegebenen Umständen höchsten Wert hat. Demzu­ folge ergibt sich das kleinstmögliche Druckverhältnis (Kondensierungsdruck/Saugdruck) an der Verdichteranord­ nung, so daß diese mit sehr geringer Leistung betrieben werden kann. Außerdem ist die logarithmische Temperatur­ differenz LMTD für die Verdampfer vergleichsweise klein, was ein reduziertes Austrocknen der gekühlten Waren bewirkt. Die Saugseiten der Verdampfer können unmittel­ bar mit der Saugseite der Verdichteranordnung verbunden werden, so daß keine Verdichterleistung auf Grund von saugseitigen Druckabfällen verlorengeht. Durch Zu- und Abschalten von Verdichterleistung kann das Steuergerät den Saugdruck vermindern oder erhöhen und auf diese Weise dafür sorgen, daß der maximal belastete Verdampfer nahezu kontinuierlich mit Kältemittel beschickt wird. Insgesamt kann daher die Kälteanlage mit einer für die jeweilige Belastung sehr kleinen Leistung betrieben werden.
Günstig ist es, daß die Kühlraumthermostate Thermostat­ schalter aufweisen, die die zugehörigen Magnetventile beim Unterschreiten ihres unteren Temperaturgrenzwerts schließen und beim Überschreiten ihres oberen Temperatur­ grenzwerts öffnen. Eine solche direkte Steuerung ergibt einen besonders einfachen Aufbau.
Des weiteren empfiehlt es sich, daß die Magnetventile jeweils mit der Expansionsvorrichtung zu einer Einheit verbunden sind. Dies erleichtert den konstruktiven Auf­ bau.
Im einzelnen sollte dafür gesorgt sein, daß das Steuerge­ rät die Leistung der Verdichteranordnung vermindert, wenn das größte aller relativen Einschaltverhältnisse einen unteren Grenzwert unterschreitet, welcher oberhalb von 0,85 liegt. Insbesondere kann der untere Grenzwert 0,90 bis 0,95 betragen. Je weiter man diesen Grenzwert nach oben legt, um so mehr kann der Verdichter bis zu seiner vollen Kälteabgabeleistung genutzt werden.
Demgegenüber sollte das Steuergerät die Leistung der Verdichteranordnung erhöhen, wenn das größte aller rela­ tiven Einschaltverhältnisse einen oberen Grenzwert, der kleiner als 1 ist, überschreitet. Insbesondere kann der obere Grenzwert um 0,01 bis 0,05 über dem unteren Grenzwert liegen. Es reichen verhältnismäßig kleine Abstände vom Wert 1, damit das Steuergerät zwischen dem Dauerbetrieb und einem Noch-nicht- Dauerbetrieb unter­ scheiden kann, um bei Bedarf Verdichterleistung zuzu­ schalten.
Der zur Steuerung herangezogene größte Belastungswert Bmax muß nicht der momentane Belastungswert sein. In vielen Fällen ist es günstig, daß das Steuergerät einen Mittelwertbildner aufweist, der das größte aller relati­ ven Einschaltverhältnisse aus über eine Zeitperiode gesammelten momentanen Belastungswerten B ermittelt. Auf diese Weise können kurzzeitige Schwankungen unberück­ sichtigt gelassen werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß das Steuergerät einen Trendanalysator aufweist, der das größte aller relativen Einschaltverhältnisse aus der Änderung der momentanen Belastungswerte B ermittelt. Auf diese Weise kann erkennbaren Änderungen schon frühzeitig gegenge­ steuert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß das Steuergerät den Sollwert des Saugdrucks abhängig von dem größten aller relativen Einschaltverhältnisse vorgibt, und daß der Verdichteranordnung ein Regler zugeordnet ist, welcher die Leistung der Verdichteranord­ nung abhängig von der Abweichung zwischen Ist- und Soll­ wert des Saugdrucks regelt. Bei dieser Leistungsregelung wird der Saugdruck unmittelbar überwacht. Dies trägt dazu bei, daß sich mit großer Sicherheit der gewünschte, möglichst hohe Saugdruck einstellt.
In weiterer Ausgestaltung kann die vom Steuergerät be­ wirkte Sollwertänderung um so größer sein, je weiter das größte aller relativen Einschaltverhältnisse bei Leistungsverminderung von dem unteren Grenzwert und/oder je weiter das größte aller relativen Einschaltverhält­ nisse bei Leistungserhöhung von dem oberen Grenzwert entfernt ist. Dies führt zu schnelleren Anpassungen an die jeweiligen Verhältnisse.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungs­ gemäßen Kälteanlage und
Fig. 2 ein Stromdiagramm für die Betätigung der Magnet­ ventile.
Eine Verdichteranordnung 1 weist beispielsweise drei Verdichter 11, 12 und 13 auf, die eine gemeinsame Druck­ leitung 14 und eine gemeinsame Saugleitung 15 besitzen. Die Leistung dieser Verdichteranordnung kann durch die Zahl der in Betrieb genommenen Verdichter sowie durch individuelle Regelung eines Verdichters, beispielsweise durch taktmäßigen Betrieb, geregelt werden. Die Druck­ leitung 14 führt zu einem Kondensator 2, dem ein Saugge­ bläse 21 zur Förderung eines Kühlluftstromes 22 zugeordnet ist. Es folgt ein Sammler 3, aus welchem flüssiges Kältemittel 31 über eine Speiseleitung 32 abgegeben werden kann.
Die Kälteanlage besitzt mehrere Kühlräume, von denen hier als Beispiel drei Kühlräume 4, 5 und 6 gezeigt sind. Diese Kühlräume können gleiche oder unterschied­ liche Kühlraumtemperatur haben. Jeder Kühlraum ist mit einem Verdampfer 41, 51, 61 mit vorgeschaltetem Magnet­ ventil 42, 52, 62 versehen. Diese Reihenschaltungen sind parallel zueinander an die Speiseleitung 32 ange­ schlossen. Jedes Magnetventil liegt mit einem Expansions­ ventil 43, 53, 63 in Reihe und bildet mit diesem eine Baueinheit 44, 54, 64. Jedem Verdampfer ist ein Gebläse 45, 55, 65 zugeordnet. Im Kühlraum und vorzugsweise im Kühlluftstrom befindet sich der Temperaturfühler 46, 56, 66 eines Thermostatschalters 47, 57, 67, der das zugehörige Magnetventil 42, 52, 62 während tempera­ turabhängiger Einschaltperioden "on" mit Erregerstrom I versorgt und dadurch öffnet sowie während der Aus­ schaltperioden "off" stromlos macht und dadurch schließt. Dies ist in Fig. 2 veranschaulicht. Die Perioden des Stromflusses entsprechen den Perioden der Kältemittelein­ spritzung. Jeder Thermostatschalter 47, 57, 67 ist auf die für den zugehörigen Kühlraum erwünschte Solltempera­ tur eingestellt.
Die Thermostatschalter 47, 57, 67 dienen gleichzeitig als Belastungszustandsmelder, die einem Steuergerät 7 über die Signalleitungen S1, S2 und S3 als Belastungs­ zustandssignale die Werte "on" und "off" übermitteln. Das Steuergerät 7 enthält eine Auswerteschaltung 71 mit einem Rechenteil, der für jeden Verdampfer als Be­ lastungswert das momentane Einschaltverhältnis berechnet:
Es folgt ein Mittelwertbildner bzw. Trendanalysator 72, der die Belastungswerte B eines jeden Verdampfers über eine gewisse Zeitperiode hinweg auswertet und ent­ weder einen Mittelwert oder einen Trendwert ausgibt. In einem Vergleicher 73 wird aus den so ermittelten Belastungswerten B der größte Belastungswert Bmax ausge­ wählt. In einem Zuordnungsteil 74 schließlich wird der größte Belastungswert Bmax mit oberen und unteren Grenz­ werten verglichen, die über einen Eingang 75 eingegeben werden können. In Abhängigkeit von diesem Vergleich wird zeitverzögert ein Signal A an einen Regler 8 gelei­ tet, der die Leistung der Verdichteranordnung 1 regelt, also die Zahl der in Betrieb befindlichen Verdichter 11, 12, 13 festlegt und vorzugsweise auch die Momentan­ leistung wenigstens eines Verdichters steuert. Die Lei­ stungsregelung erfolgt durch einen Vergleich des über einen Eingang 81 zugeführten Istwerts des Saugdrucks mit dem im Reglerteil 82 unter dem Einfluß des Signals A gebildeten Sollwert des Saugdrucks.
Die Kapazität eines Verdampfers kann wie folgt ausgedrückt werden:
QO = k × F × LMTD
Wobei
k die Wärmedurchgangszahl beim Wärmeübergang von dem gekühlten zum kühlenden Medium ist,
F die Fläche darstellt, über die der Wärmeüber­ gang erfolgt, und
LMTD der logarithmische Temperaturunterschied zwischen dem kühlenden und dem gekühlten Medium ist, wobei sich in Abhängigkeit davon, ob es sich um einen gleichlaufenden Strom, einen Gegenstrom oder einen Kreuzstrom han­ delt, unterschiedliche Werte ergeben.
Die durchschnittliche Belastung Q eines Verdampfers kann mit guter Annäherung wie folgt beschrieben werden
Hierbei sind, wie schon erwähnt, "on" und "off" die Einschalt- und Ausschalt-Perioden des Thermostaten. Der Belastungswert
gibt den Teil der Zykluszeit an, in welcher die Einspritzung des Kältemit­ tels in den Verdampfer stattfindet. Man erkennt, daß man die gleiche durchschnittliche Belastung des Ver­ dampfers auch mit geringerer Kapazität QO, nämlich mit erhöhtem Saugdruck und daher geringerer LMTD erreichen kann, wenn der Belastungswert B noch gesteigert werden kann. Es ist daher möglich, aus dem Belastungswert Bmax des am stärksten belasteten Verdampfers einen Korrektur­ wert A herzuleiten, mit dessen Hilfe der Sollwert des Saugdrucks erhöht wird, bis Bmax die vorgewählte Grenze erreicht.
Im einzelnen erfolgt die Auswertung so, daß der Momentan­ wert, der Mittelwert oder der Trendwert von B für jeden Verdampfer ermittelt und im Vergleicher 73 der größte dieser Werte ausgewählt wird. Liegt Bmax unter dem am Eingang 75 eingestellten unteren Grenzwert, der vorzugs­ weise im Bereich von 0,90 bis 0,95 liegt, kann der Saug­ druck der Verdichteranordnung 1 angehoben, also Verdich­ terleistung vermindert werden. Überschreitet Bmax einen oberen Grenzwert, der geringfügig über dem unteren Grenz­ wert, auf jeden Fall aber unter 1,0 liegt, wird der Saugdruck gesenkt, also die Verdichterleistung erhöht.
Im erstgenannten Fall wird also ein Signal A vom Steuer­ gerät 7 zum Regler 8 gesandt, das eine Erhöhung des Sollwerts des Saugdrucks bewirkt. Im zweitgenannten Fall sorgt das Signal A dafür, daß der Sollwert des Saugdrucks gesenkt wird. Hierbei kann der Korrekturein­ fluß um so größer sein, je stärker Bmax vom unteren bzw. vom oberen Grenzwert abweicht.
Die Erfindung kann in Verbindung mit beliebigen Verdich­ tern, also Kolbenverdichtern, Rotationsverdichtern, Schraubenverdichtern u. dgl. angewendet werden. Das Prin­ zip läßt sich sowohl bei einem einzigen Verdichter als auch bei mehreren Verdichtern, auch wenn diese unter­ schiedliche Kapazität haben, anwenden. Die Leistungsrege­ lung kann stufenweise oder stufenlos erfolgen, sei es durch Ein-Aus-Taktung des Verdichters oder durch Verwen­ dung einer variablen Drehzahl.

Claims (11)

1. Steuereinrichtung für eine Kälteanlage, welche mehrere Kühlräume versorgt und eine Verdichteranordnung mit veränderlicher Leistung, einen Kondensator und eine Mehrzahl von parallel geschalteten Verdampfern mit einer jeweils vorgeschalteten Expansionseinrichtung aufweist, wobei einem jeden Verdampfer ein eigener Kühlraumthermostat zugeordnet ist, welcher ein in Reihe mit dem jeweiligen Verdampfer und der jeweiligen Expansionseinrichtung geschaltetes, den Kältmittel­ durchfluß durch diesen Verdampfer steuerndes und damit dessen Belastungszustand festlegendes Ventil ansteuert, und wobei ein Steuergerät vorgesehen ist, das in Abhängigkeit vom Belastungszustand des jeweils am stärksten belasteten Verdampfers die Leistung der Verdichteranordnung ändert, dadurch gekennzeich­ net, daß ein jedes Ventil als vollständig öffnendes oder schließendes Magnetventil (42, 52, 62) ausgebil­ det und dem jeweils zugeordneten Verdampfer (41, 51, 61) vorgeschaltet ist, wobei jeder Kühlraumthermostat (47, 57, 67) für jedes zugeordnete Magnetventil (42, 52, 62) dessen relatives Einschaltverhältnis festge­ legt und an eine Auswerteschaltung (71) des Steuerge­ räts (7) ausgibt, welche die Leistung der Verdichter­ anordnung (1) so einstellt, daß das größte aller relativen Einschaltverhältnisse (Bmax) nahe bei 1 liegt, so daß einerseits der am stärksten belastete Verdampfer (41, 51, 61) mit der größten Kältemittel­ menge beschickt wird und andererseits ein Ansprechen des Steuergerätes (7) bei einer zu geringen Verdich­ terleistung, bei der das Magnetventil (42, 52, 62) ständig geöffnet ist, zuverlässig gewährleistet ist.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kühlraumthermostate (46, 47; 56, 57; 66, 67) Thermostatschalter (47, 57, 67) aufweisen, die die zugehörigen Magnetventile (42, 52, 62) beim Unterschreiten ihres unteren Temperaturgrenzwerts schließen und beim Überschreiten ihres oberen Tempera­ turgrenzwerts öffnen.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Magnetventil (42, 52, 62) mit der zugehörigen Expansionseinrichtung (43, 53, 63) zu einer Einheit (44, 54, 64) verbunden ist.
4. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (7) die Leistung der Verdichteranordnung (1) vermindert, wenn das größte aller relativen Einschaltverhältnisse (Bmax) einen unteren Grenzwert unterschreitet, welcher oberhalb von 0,85 liegt.
5. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der untere Grenzwert zwischen 0,90 und 0,95 liegt.
6. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (7) die Leistung der Verdichteranordnung (1) erhöht, wenn das größte aller relativen Einschaltverhältnisse (Bmax) einen oberen Grenzwert überschreitet, welcher kleiner als 1 ist.
7. Steuereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der obere Grenzwert um 0,01 bis 0,05 über dem unteren Grenzwert liegt.
8. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (7) einen Mittelwertbildner (72) aufweist, welcher das größte aller relativen Einschaltverhältnisse aus über eine Zeitperiode gesammelten momentanen Ein­ schaltverhältnissen (B) ermittelt.
9. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (7) einen Trendanalysator (73) aufweist, welcher das größte aller relativen Einschaltverhältnisse (Bmax) aus der Änderung der momentanen Einschaltverhältnisse ermittelt.
10. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (7) den Sollwert des Saugdrucks abhängig von dem größten aller relativen Einschaltverhältnisse (Bmax) vorgibt, und daß der Verdichteranordnung (1) ein Regler (8) zugeordnet ist, welcher die Leistung der Verdichter­ anordnung (1) abhängig von der Abweichung zwischen Ist- und Sollwert des Saugdrucks regelt.
11. Steuereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vom Steuergerät (7) bewirkte Soll­ wertänderung um so größer ist, je weiter das größte aller relativen Einschaltverhältnisse bei Leistungs­ verminderung von dem unteren Grenzwert entfernt ist und/oder je weiter das größte aller relativen Einschaltverhältnisse bei Leistungserhöhung von dem oberen Grenzwert entfernt ist.
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