AT515455B1 - Automatische Erkennung von Kältemittelfüllmengen in Kältekreisläufen - Google Patents

Automatische Erkennung von Kältemittelfüllmengen in Kältekreisläufen Download PDF

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Abstract

Bei Verfahren zur automatischen Erkennung von Kältemittelfüllmengen in Kältekreisläufen (8), vorzugsweise einer Wärmepumpe, mit einem Kompressor (1), einem Kondensator (2), einem Expansionsventil (4) mit variablem Querschnitt sowie Erfassung des Öffnungsgrades, einem Verdampfer (3), einem ersten Drucksensor (10) zwischen Kompressor (1) und Expansionsventil (4), einem ersten Temperatursensor (11) zwischen Kondensator (2) und Expansionsventil (4), einem zweiten Drucksensor (12) sowie einem zweiten Temperatursensor (13) zwischen Verdampfer (3) und Kompressor (1), wird aus dem mittels des zweiten Drucksensors (12) bestimmten Drucks sowie der Temperaturen des zweiten Temperatursensors (13) die Überhitzung ΔTO bestimmt, der variable Querschnitt des Expansionsventils (4) verändert wird, bis sich eine vorgegebene Überhitzung ΔTo,soll einstellt, woraufhin eine oder beide der folgenden Überprüfungen vorgenommen wird: a) der Öffnungsgrad des Expansionsventils (4) wird bei vorgegebener Überhitzung ΔTO,soll bestimmt, aus einem hinterlegten Kennfeld oder Algorithmus wird zu der Überhitzung ΔTo,soll ein Sollöffnungsgrad des Expansionsventils (4) bestimmt, die Differenz zwischen gemessenem Öffnungsgrad und Sollöffnungsgrad des Expansionsventils (4) wird bestimmt, b) aus dem mittels des ersten Drucksensors (10) bestimmten Drucks sowie der Temperaturen des ersten Temperatursensors (11) die wird Unterkühlung ΔTU bestimmt, aus einem hinterlegten Kennfeld oder Algorithmus wird zu der Überhitzung ΔTo,soll ein Soll-Unterkühlung ΔTU,soll bestimmt, die Differenz zwischen gemessenem Unterkühlung ΔTU und Soll-Unterkühlung ΔTU,soll wird bestimmt, wobei bei einer vorgegebenen Abweichung zwischen erfasstem Öffnungsgrad und dem Sollöffnungsgrad des Expansionsventils (4) und / oder bei einer vorgegebenen Abweichung zwischen der gemessenen Unterkühlung ΔTU und der Soll-Unterkühlung ΔTU,soll ein Kältemittelmangel oder Kältemittelüberschuss vorliegt.

Description

Beschreibung
AUTOMATISCHE ERKENNUNG VON KÄLTEMITTELFÜLLMENGEN IN KÄLTEKREISLÄU¬FEN
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen Erkennung von Kältemit¬telfüllmengen in Kältekreisläufen.
[0002] Beim Befüllen des Kältekreislaufs kann es zu einem Überfüllen oder Kältemittelmangelkommen. Durch Leckagen kann es danach zu einem Kältemittelverlust kommen. Für einenoptimalen Betrieb des Kältekreislaufs ist es von größter Bedeutung, dass die korrekte Kältemit¬telmenge zur Verfügung steht. Häufig wird eine Abweichung erst bei einer Wartung oder Stö¬rung festgestellt, so dass der Kältekreislauf über einen längeren Zeitraum zumindest mit redu¬zierter Effizienz betrieben wird. In ungünstigen Fällen kann es zu Schädigungen der Anlageführen.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kältemittelmangel oder -Überfüllung automa¬tisch festzustellen.
[0004] Dies wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 dadurch gelöst, dassbei einem Kältemittelkreislaufs einer Wärmepumpe mit einem Expansionsventil mit variablenQuerschnitt zunächst die Unterkühlung stromab des Kondensators bestimmt wird, zu dieserUnterkühlung wird aus einem hinterlegten Kennfeld oder Algorithmus ein Sollöffnungsgrad desExpansionsventils bestimmt. Der Querschnitt des Expansionsventils des Kältemittelkreislaufswird verändert, bis sich stromab des Verdampfers eine vorgegebene Überhitzung einstellt. Indiesem Betriebszustand wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils mit dem Sollöffnungs¬grad verglichen. Liegt eine signifikante Abweichung vor, so muss ein Kältemittelmangel oderKältemittelüberschuss vorliegen.
[0005] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der ab¬hängigen Ansprüche.
[0006] So muss, wenn der erfasste Öffnungsgrad des Expansionsventils um eine vorgegebeneAbweichung größer ist als der Sollöffnungsgrad, ein Kältemittelmangel vorliegen, währendwenn der erfasste Öffnungsgrad des Expansionsventils um eine vorgegebene Abweichungkleiner als der Sollöffnungsgrad ist, ein Kältemittelüberschuss vorliegen muss.
[0007] Die vorgegebenen Abweichungen bei Kältemittelmangel und Kältemittelüberschusskönnen hierbei unterschiedlich sein.
[0008] Als Resultat kann bei Überschreitung der Abweichung der Kältemittelkreislauf abge¬schaltet und / oder ein Warnsignal ausgegeben werden. Hierbei ist es möglich, bei Überschrei¬tung einer ersten, vorgegebenen Abweichung ein Frühwarnsignal auszugeben und / oder beiÜberschreitung einer zweiten, vorgegebenen Abweichung der Kältemittelkreislauf abzuschalten.
[0009] Die Erfindung wird nun anhand der Figur detailliert erläutert.
[0010] Figur 1 zeigt einen Kältekreislauf 8 einer Wärmepumpe mit einem Kompressor 1, einemKondensator 2, einem elektronischen Expansionsventil 4 mit variablem Querschnitt sowie ei¬nem Schrittmotor 14 als Antrieb und zur Erfassung des Öffnungsgrades, einem Verdampfer 3,einem ersten Temperatursensor 11 zwischen Kondensator 2 und Expansionsventil 4, einemersten Drucksensor 10 zwischen Kompressor 1 und Kondensator 2, einem zweiten Tempera¬tursensor 13 sowie einem zweiten Drucksensor 12 zwischen Verdampfer 3 und Kompressor 1und einem dritten Temperatursensor 9 zwischen Kompressor 1 und Kondensator 2. Der Kon¬densator 2 ist mit einem Heizkreislauf mit einer Heizkreispumpe 6 sowie einem Volumen¬stromsensor 5 verbunden. Der Verdampfer 3 ist mit einem Solekreislauf mit Solekreispumpe 7verbunden. Eine Regelung 15 dient der Regelung der Wärmepumpe.
[0011] Der Kompressor 1 in dem Kältekreis 8 hat die Aufgabe, das aus dem Verdampfer 3strömende, überhitzte Kältemittel mit der Temperatur Ts von Verdampfungsdruck p0 auf Verflüs- sigungsdrucks pc anzuheben. Der weiter überhitzte Kältemitteldampf tritt am Druckstutzen desKompressors 1 mit der Heißgastemperatur Td aus, und durchströmt die Heißgasleitung zumKondensator 2. Der Kondensator 2 hat die Aufgabe, den vom Kompressor 1 strömenden, über¬hitzten Kältemitteldampf zu enthitzen (abzukühlen), zu verflüssigen und dabei die Enthalpie andas Heizwasser zu übergeben, sowie anschließend das Kältemittel zu unterkühlen. Nach demKondensator 2 strömt das Kältemittel in flüssiger Form und immer noch unter Verflüssigungs¬druck pc durch die Flüssigkeitsleitung zum elektronischen Expansionsventil 4. Das Unterkühlendes Kältemittels ist notwendig, um einen ordnungsgemäßen Betrieb des Expansionsventils 4 zugewährleisten, da Gasblasen den einwandfreien Betrieb des Expansionsventils 4 stören wür¬den. Eine falsch eingespritzte Kältemittelmenge in den Verdampfer 3 würde wiederum demKompressor 1 schaden. Darüber hinaus wirkt eine Unterkühlung ΔΤυ leistungssteigernd, da mitwachsender Unterkühlung mehr Enthalpie aus der Quelle gezogen wird.
[0012] Das elektronische Expansionsventil 4 hat die Aufgabe, das unterkühlte Kältemittel mitder Eintrittstemperatur TEi von Verflüssigungsdruck pc wieder auf Verdampfungsdruck p0 zuentspannen, damit dieses über die Einspritzleitung in den Verdampfer 3 gelangen kann. Dieeingespritzte Kältemittelmenge wird über den Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 bestimmt.Der Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 wird im Falle eines elektronischen Expansionsventils4 mit Schrittmotor 14 von einer Regelung 15 über die Anzahl der Schritte des Schrittmotors 14eingestellt. Als Regelgröße dient dabei die sogenannte Überhitzung ΔΤ0, die Differenz ausVerdampfungstemperatur T0 und Kompressorsaugstutzentemperatur, der Saugtemperatur Ts.Die Verdampfungstemperatur T0 wird über den Verdampfungsdruck p0, der vom dem zweitenDrucksensor 12 gemessen wird, ermittelt und entspricht der Temperatur, bei welcher das ge¬samte Kältemittel verdampft ist. Im Verdampfer 3 wird das vom Expansionsventil 4 kommendeflüssige Kältemittel verdampft. Die nötige Verdampfungsenthalpie wird dem auf der Primärseitedes Verdampfers 3 angeschlossenem Solekreis entzogen. Die Regelung 15 sorgt dafür, dassvom elektronischen Expansionsventil 4 nur so viel Kältemittel eingespritzt wird, dass es imVerdampfer 3 komplett verdampft und mit einer vorgegebenen Überhitzung ΔΤ0 über die Saug¬leitung mit Saugtemperatur Ts den Kompressor 1 zugeführt wird.
[0013] Figur 2 zeigt den Betrieb des Kältekreislaufs im log p - h - Diagramm. Zum Vergleichsind bestimmte Betriebspunkte mit römischen Ziffern I bis IV sowohl in der Vorrichtung gemäßFigur 1, als auch im Diagramm gemäß Figur 2 dargestellt.
[0014] IV stellt den Zustand stromab des Verdampfers 3 stromauf des Kompressors 1 dar. DasKältemittel liegt dampfförmig mit der Saugtemperatur Ts sowie dem Verdampfungsdruck p0 vor.Im Kompressor 1 wird das Kältemittel komprimiert, wodurch der Druck auf den Verflüssigungs¬druck pc steigt. Zugleich steigt die Temperatur auf die Heißgastemperatur Td. Das Kältemittel istnun im Zustand I. Im Kondensator 2 wird das Kältemittel isobar abgekühlt, wodurch das Kälte¬mittel das Nassdampfgebiet durchläuft und dabei auskondensiert. Nach dem Durchschreitendes Nassdampfgebiets wird das flüssige Kältemittel noch etwas unterkühlt, so dass sich dieTemperatur TEi einstellt (Zustand II). Im Expansionsventil 4 wird das Kältemittel auf Verdamp¬fungsdruck po entspannt und kühlt sich dabei auf die Temperatur TE0 ab (Zustand III). Im Ver¬dampfer 3 nimmt das Kältemittel isobar Wärme auf, so dass das Kältemittel verdampft. Nach¬dem bei der Verdampfungstemperatur T0 das Naßdampfgebiet durchschritten ist und das ge¬samte Kältemittel dampfförmig vorliegt, stellt sich bei der Überhitzung ΔΤ0 = Ts - T0 die Saug¬temperatur Ts ein (Zustand IV).
[0015] Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die Überhitzung ΔΤ0 eine wichtige Größe zurErkennung des Kältemittelmangels.
[0016] Hierzu wird mittels des zweiten Drucksensors 12 zwischen Verdampfer 3 und Kompres¬sor 1 der Verdampfungsdruck p0 bestimmt. Hieraus lässt sich die Temperatur T0, bei der dasNaßdampfgebiet verlassen wird, bestimmen. Aus der Temperatur T0 beim VerdampfungsdruckPo sowie der Temperatur des zweiten Temperatursensors 13 zwischen Verdampfer 3 und Kom¬pressor 1 wird als Differenz die Überhitzung ΔΤ0 bestimmt. Der variable Querschnitt des Expan¬sionsventils 4 wird mittels des Schrittmotors 14 verändert, bis sich eine vorgegebene Überhit- zung ΔΤ0,3ομ einstellt.
[0017] Der Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 wird bei vorgegebener Überhitzung ΔΤ0,5ομbestimmt und festgehalten. Zugleich wird aus einem hinterlegten Kennfeld oder Algorithmus zuder Überhitzung AT0,S0n und dem Hochdruck pc sowie der Heißgastemperatur Td ein Sollöff¬nungsgrad des Expansionsventils 4 bestimmt; dies ist in Figur 3 dargestellt. Nun wird die Diffe¬renz zwischen dem gemessenen Öffnungsgrad und dem Sollöffnungsgrad des Expansionsven¬tils 4 bestimmt.
[0018] Mittels des ersten Drucksensors 10 zwischen Kompressor 1 und Kondensator 2 wird derVerflüssigungsdruck pc bestimmt. Hieraus lässt sich die Siedetemperatur, bei der das Na߬dampfgebiet verlassen wird, bestimmen. Aus der Siedetemperatur beim Verflüssigungsdruck pcsowie der Temperatur des ersten Temperatursensors 11 zwischen Kondensator 2 und Expansi¬onsventil 4 wird als Differenz die Unterkühlung ΔΤυ bestimmt.
[0019] Aus einem hinterlegten Kennfeld oder Algorithmus wird zu der Überhitzung ATosou unddem Hochdruck pc sowie der Heißgastemperatur Td ein Soll-Unterkühlung ΔΤu.soii bestimmt. Nunwird die Differenz zwischen gemessenem Unterkühlung ΔΤυ und Soll-Unterkühlung ΔΤu,Soiibestimmt.
[0020] Bei einer vorgegebenen Abweichung zwischen dem erfasstem Öffnungsgrad und demSollöffnungsgrad des Expansionsventils 4 und / oder bei einer vorgegebenen Abweichungzwischen der gemessenen Unterkühlung ΔΤυ und der Soll-Unterkühlung ATu,SOii liegt ein Kälte¬mittelmangel oder Kältemittelüberschuss vor. Erfindungsgemäß reicht optional das Vorleigeneiner Differenz aus oder müssen beide Abweichungen gegeben sein.
[0021] Wenn der erfasste Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 um eine vorgegebene Abwei¬chung größer als der Sollöffnungsgrad ist, liegt ein Kältemittelmangel vor, während wenn dererfasste Öffnungsgrad des Expansionsventils 4 um eine vorgegebene Abweichung kleiner alsder Sollöffnungsgrad ist, ein Kältemittelüberschuss vorliegt. Hierbei können die vorgegebenenAbweichungen bei Kältemittelmangel und Kältemittelüberschuss unterschiedlich sein. Bei einerAbweichung um einen ersten, vorgegebenen Betrag wird zunächst ein Warnsignal ausgegeben.Ist ein zweiter, größerer, vorgegebener Betrag überschritten, so wird der Kältemittelkreislaufabgeschaltet. BEZUGSZEICHENLISTEKompressor (1),
Kondensator (2),
Verdampfer (3),Expansionsventil (4)Kältekreislauf (8)dritten Temperatursensor 9erster Drucksensor (10)erster Temperatursensor (11)zweiten Drucksensor (12)zweiten Temperatursensor (13)Schrittmotor 14Regelung 15

Claims (5)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur automatischen Erkennung von Kältemittelfüllmengen in Kältekreisläufen (8),vorzugsweise einer Wärmepumpe, mit einem Kompressor (1), einem Kondensator (2), ei¬nem Expansionsventil (4) mit variablem Querschnitt sowie Erfassung des Öffnungsgrades,einem Verdampfer (3), einem ersten Drucksensor (10) zwischen Kompressor (1) und Ex¬pansionsventil (4), einem ersten Temperatursensor (11) zwischen Kondensator (2) undExpansionsventil (4), einem zweiten Drucksensor (12) sowie einem zweiten Temperatur¬sensor (13) zwischen Verdampfer (3) und Kompressor (1), dadurch gekennzeichnet, dass aus dem mittels des zweiten Drucksensors (12) bestimm¬ten Drucks sowie der Temperaturen des zweiten Temperatursensors (13) die ÜberhitzungΔΤ0 bestimmt wird, der variable Querschnitt des Expansionsventils (4) verändert wird, bis sich eine vorgege¬bene Überhitzung ΔΤ0,30Ν einstellt, woraufhin eine oder beide der folgenden Überprüfungen vorgenommen wird: a) der Öffnungsgrad des Expansionsventils (4) wird bei vorgegebener Überhitzung ΔΤ0,50ιιbestimmt, aus einem hinterlegten Kennfeld oder Algorithmus wird zu der Überhitzung ΔΤ0,30Ν ein Soll¬öffnungsgrad des Expansionsventils (4) bestimmt, die Differenz zwischen gemessenem Offnungsgrad und Sollöffnungsgrad des Expansions¬ventils (4) wird bestimmt, b) aus dem mittels des ersten Drucksensors (10) bestimmten Drucks sowie der Temperatu¬ren des ersten Temperatursensors (11) die wird Unterkühlung ΔΤυ bestimmt, aus einem hinterlegten Kennfeld oder Algorithmus wird zu der Überhitzung ATosoh ein Soll-Unterkühlung ΔΤυ,son bestimmt, die Differenz zwischen gemessenem Unterkühlung ΔΤυ und Soll-Unterkühlung ΔΤu,son wirdbestimmt, wobei bei einer vorgegebenen Abweichung zwischen erfasstem Öffnungsgrad und demSollöffnungsgrad des Expansionsventils (4) und / oder bei einer vorgegebenen Abwei¬chung zwischen der gemessenen Unterkühlung ΔΤυ und der Soll-Unterkühlung ΔΤυ,εοΐι einKältemittelmangel oder Kältemittelüberschuss vorliegt.
  2. 2. Verfahren zur automatischen Erkennung von Kältemittelfüllmengen nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass wenn der erfasste Öffnungsgrad des Expansionsventils (4) um eine vorgegebene Abweichung größer ist als der Sollöffnungsgrad ein Kältemittel¬mangel vorliegt, während wenn der erfasste Öffnungsgrad des Expansionsventils (4) um eine vorgegebeneAbweichung kleiner ist als der Sollöffnungsgrad ein Kältemittelüberschuss vorliegt.
  3. 3. Verfahren zur automatischen Erkennung von Kältemittelfüllmengen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Abweichungen bei Kältemittelmangelund Kältemittelüberschuss unterschiedlich sind.
  4. 4. Verfahren zur automatischen Erkennung von Kältemittelfüllmengen nach einem der An¬sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung der Abweichung der Kältemittelkreis¬lauf abgeschaltet wird.
  5. 5. Verfahren zur automatischen Erkennung von Kältemittelfüllmengen nach einem der An¬sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung einer ersten, vorgegebenen Abwei¬chung ein Frühwarnsignal ausgegeben wird und / oder bei Überschreitung einer zweiten,vorgegebenen Abweichung der Kältemittelkreislauf abgeschaltet wird. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
ATA50064/2014A 2014-01-31 2014-01-31 Automatische Erkennung von Kältemittelfüllmengen in Kältekreisläufen AT515455B1 (de)

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