Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur elektronischen, kontinuierlichen Leistungsregelung von Kältemaschinen oder Wärmepumpen gemäss dem Patentanspruch 1. Die Einrichtung umfasst je Verdampfer ein elektronisch ansteuerbares Regelventil in der Flüssigkeitsleitung zwischen Verflüssiger und Verdampfer, Mess-Sonden, elektronische Regelgeräte und Einstellmöglichkeiten für Führungswerte (Sollwerte) gemäss Fig. 3.
Im Gegensatz zu schaltenden Regeleinrichtungen führt die kontinuierliche Regelung zu einem steten, ausgeglichenen Verlauf der Regelgrössen (Temperatur, Feuchte usf.). Die kontinuierliche, bzw. stetige Leistungsregelung findet deshalb dort Anwendung, wo Führungsgrössen genau eingehalten werden müssen. Typische Anwendungen dieser Regelart finden sich in Humanklimaanlagen mit stark wechselnden Kühllasten, in Klimakammern, in Transport-, Lager- und Verkaufseinrichtungen für Kühl- und Gefriergüter.
Zwei Verfahren zur stetigen Leistungsregelung sind bekannt:
a) Die Saugdrosselregelung
b) Die Heissgasbypassregelung
Saugdrosselregelungen weisen ein Regelventil in der Saugleitung zwischen Verdampfer und Verdichter auf. Sie drosseln bei sinkendem Kühlbedarf den umlaufenden Kältemittelfluss durch Schliessen des Regelventils. Es sinkt dadurch die Kühlleistung der Kältemaschine. Um den minimalen Gasfluss zum Verdichter sicherzustellen, muss über dem Regelventil entweder ein Bypass vorgesehen werden, oder durch Heissgasbeimischung und Nachspritzung in die Saugleitung die notwendige Ersatzgasmenge bereitgestellt werden.
Saugdrosselregelungen weisen jedoch wesentliche Nachteile auf:
- Um eine gute Regelbarkeit zu erreichen, muss das Saugdrosselventil einen möglichst grossen Drosselwiderstand aufweisen. Dieser zusätzliche Widerstand muss durch höhere Verdichterleistung und -arbeit überwunden werden.
- Der Minimalbypass über das Regelventil schränkt den stetig regelbaren Leistungsbereich stark ein.
- Heissgasbypass-, Nachspritz- und Expansionsventile sind in der Regel selbsttätige Regelorgane. Ihre Eigendynamik führt zu zusätzlichen Störgrössen, was die genaue Regelung erheblich erschweren kann.
- Die durch das Regelventil erzeugte Drosselung führt zu sinkender Gasgeschwindigkeit in der Saugleitung und kann dadurch die \lrückführung in den Verdichter beeinträchtigen.
Heissgasbypass-Regelungen verfügen über ein Regelventil in der Kurzschluss-Leitung zwischen der Druckseite nach dem Verdichter und der Niederdruckseite. Bei der direkten Heissgasbypass-Regelung mündet der Kurzschluss vor dem Verdichter, saugseitig ein, während bei der indirekten Heissgasbypass-Regelung der Kurzschluss zwischen Expansionsventil und Verdampfer in die Flüssigkeitsleitung einmündet.
Heissgasbypass-Regelungen weisen in der Regel folgende Nachteile auf:
- Durch die Heissgasbeimischung sinkt die Druckdifferenz über dem Verdichter. Dies führt im Teillastbereich zu gleichbleibendem oder sogar steigendem Leistungsbedarf des Verdichters. Diese Art der Regelung ist daher für grössere Anlagen unwirtschaftlich.
- Bei der direkten Heissgasbeimischung ist in der Regel ein Nachspritzventil erforderlich. Ausserdem ist die freie Plazierung des Verdampfers gegenüber dem Verdichter eingeschränkt.
Das hier vorgeschlagene Regelverfahren hebt sich vom bisher Bekannten durch folgende Punkte ab:
- Anstelle eines Expansionsventils (thermisch oder elektronisch gesteuert) wird ein elektronisch betätigtes Regelventil (Pos. 1, Fig. 1) vorgeschlagen, das durch eine Vielzahl von Regelgrössen positioniert werden kann. Es regelt primär bedarfsabhängig die Kälteleistung.
- Die Überhitzung wird nicht auf einen konstanten Wert geregelt, sondern variiert lastabhängig.
- Im Vollastfall wird die Leistung der Kältemaschine optimiert, indem der Verdampfer mit Kältemittel soweit gefüllt wird, bis ein elektronischer Differenzregler bei Unterschreiten der einstellbaren, minimalen Überhitzung die Kältemittelzufuhr drosselt.
- Teillastfall wird ein möglichst tiefer Saugdruck angestrebt und durch einen Heissgasbypassregler aufrechterhalten.
Es lassen sich dadurch im Teillastbetrieb erhebliche Energieeinsparungen am Verdichter erzielen.
Es wird hiermit vorgeschlagen, für die Regelung der Kühlleistung die umlaufende Kältemittelmenge durch ein elektronisches Drosselorgan (Pos. 1. Fig. 1) zu beeinflussen. Es wird anstelle des Expansionsventils, in der Flüssigkeitsleitung zwischen Verflüssiger (Pos. 2. Fig. 1) und Verdampfer (Pos. 3. Fig. 1), vorgesehen. In Funktion der Anwendung zwischen der Regelgrösse x und der Führungsgrösse w erzeugt der Regler (RR Fig. 1) ein Stellsignal yR, welches das Ventil positioniert. Steigende Abweichungen (x - w) führen zum \ffnen des Regelventils. Als Folge fliesst mehr Kältemittel, die Kühlleistung steigt entsprechend. Sinkt der Kühlbedarf, drosselt das Regelventil den Kältemittelfluss. Schliesst das Ventil, würde der Verdichter (Pos. 5. Fig. 1) den Verdampfer leersaugen und durch den Niederdruckpressostaten (NP Fig. 2) abgestellt.
Um die für den Verdichter im Teillastbetrieb minimal notwendige Gasmenge sicherzustellen, ist zwischen der Hoch- und Niederdruckseite eine Kurzschlussleitung (Pos. 6. Fig 2) vom Verdichter zum Verdampfer vorgesehen.
Diese Kurzschlussleitung ist durch ein selbsttätiges Heissgasbypassventil (Pos. 7. Fig. 2) oberhalb eines bestimmten Saugdruckes ps dicht geschlossen. Sinkt hingegen der Saugdruck ps unter einen am Heissgasbypassventil mechanisch eingestellten Wert, so öffnet es die Kurzschlussleitung. Der Saugdruck ps stabilisiert sich damit auf dem eingestellten Druckniveau, unabhängig von der Regelventilstellung.
Um den Verdampfer vor Überflutung und den Verdichter vor Flüssigkeitsschlägen zu schützen, wird durch einen weiteren Regelkreis, bestehend aus den Temperaturfühlern to (Verdampfungstemperatur) und ts (Sauggastemperatur) (to, ts Fig. 2) eine minimale Temperaturdifferenz DELTA t (ts - to) aufrechterhalten. Diese Differenz wird mit dem Sollwert DELTA tw laufend verglichen und durch den Differenzregler (DR Fig. 2) in ein Stellsignal y DELTA t umgesetzt. Das Stellsignal verstärkt sich bei steigender Temperaturdifferenz DELTA t (auch Überhitzung genannt) und schwächt sich bei abnehmender Überhitzung entsprechend ab. Das Regelventil drosselt dann die Kältemittelzufuhr in den Verdampfer so lange, bis die gewünschte minimale Überhitzung erreicht ist. Die Überhitzung sinkt in der Regel bei voller Kühlleistung, weil das Regelventil (Pos. 1. Fig. 1) voll öffnet.
Durch eine genaue, knappe Überhitzungsregelung kann die Kühlleistung einer Kältemaschine erheblich optimiert werden. Je knapper die Überhitzung gewählt wird, desto besser wird der Füllgrad des Verdampfers. Entsprechend steigt die vom Verdampfer abgegebene Kühlleistung.
Ein Logikmodul (LM Fig. 2) vergleicht laufend die Stellsignale der Leistungsregelung yR und der Überhitzungsregelung y DELTA t. Es wählt zwischen den zwei Stellsignalen immer das kleinere aus. Ist das Stellsignal yR grösser oder gleich y DELTA t so wird y DELTA t auf das Regelventil (Pos. 1. Fig. 1, 2, 3) geführt. In aller Regel liegt dann der maximale Lastfall vor.
Es wirkt somit aussschliesslich der Überhitzungsregler auf das Regelventil. Verändern sich hingegen die Stellsignale zu yR kleiner als y DELTA t, wählt das Logikmodul (LM Fig. 2, 3) das Stellsignal yR. Es liegt dann Teillast vor, der Verdampferfüllgrad sinkt und die Überhitzung nimmt zu. Es steigt damit das Stellsignal y DELTA t, während das Stellsignal yR sich abschwächt, wenn der Kühlbedarf sinkt. Das Regelventil beginnt dann den Kältemittelfluss zu drosseln. Als Folge sinkt auch der Verdampfungs- und Saugdruck ps. Sinkt der Verdampfungsdruck unter einen bestimmten Wert ps, öffnet das selbsttätige Heissgasbypassventil und liefert dem Verdichter das notwendige Ersatzgas.
Wird ein Leersaugen des Verdampfers ("pump-down") während der Stillstandszeiten gewünscht, so kann zwischen der Druckseite und dem Heissgasbypass ein dichtschliessendes "auf-zu"- Ventil vorgesehen werden. Es sperrt während dem Pump-down den Durchfluss in der Kurzschlussleitung.
Muss der Verdichter vor zu hohen Sauggastemperaturen geschützt werden, kann das Fühlersignal ts (Fig. 3) als Teil eines zusätzlichen Regelkreises für deren Überwachung Verwendung finden. Der Sauggasregler (RS Fig. 3) generiert ein Stellsignal yS, das unmittelbar und unbedingt auf das Regelventil wirkt, sobald ts über den Sollwert ws steigt. Durch dessen \ffnen fliesst flüssiges Kältemittel in den Verdampfer und kühlt das einströmende Heissgas, bis die Sauggastemperatur wieder der Solltemperatur entspricht.
The invention relates to a device for the electronic, continuous power control of chillers or heat pumps according to claim 1. The device includes an electronically controllable control valve in the liquid line between the condenser and evaporator, measuring probes, electronic control devices and setting options for guide values (setpoints) according to each evaporator Fig. 3.
In contrast to switching control devices, continuous control leads to a constant, balanced course of the controlled variables (temperature, humidity, etc.). The continuous, or steady, power regulation is therefore used where reference parameters have to be strictly observed. Typical applications of this type of control can be found in human air conditioning systems with rapidly changing cooling loads, in climatic chambers, in transport, storage and sales facilities for refrigerated and frozen goods.
Two methods for continuous power control are known:
a) The suction throttle control
b) The hot gas bypass control
Suction throttle controls have a control valve in the suction line between the evaporator and the compressor. If the cooling requirement drops, they throttle the circulating refrigerant flow by closing the control valve. This reduces the cooling capacity of the chiller. In order to ensure the minimum gas flow to the compressor, either a bypass must be provided above the control valve or the necessary amount of replacement gas must be provided by adding hot gas and spraying it into the suction line.
However, suction throttle controls have significant disadvantages:
- In order to achieve good controllability, the suction throttle valve must have the greatest possible throttle resistance. This additional resistance must be overcome by higher compressor performance and work.
- The minimum bypass via the control valve severely limits the continuously adjustable performance range.
- Hot gas bypass, post-injection and expansion valves are usually automatic regulators. Their own dynamics lead to additional disturbance variables, which can make the precise regulation considerably more difficult.
- The throttling generated by the control valve leads to a falling gas velocity in the suction line and can thereby impair the return of the oil to the compressor.
Hot gas bypass controls have a control valve in the short-circuit line between the pressure side after the compressor and the low pressure side. In direct hot gas bypass control, the short circuit in front of the compressor opens on the suction side, while in indirect hot gas bypass control, the short circuit between expansion valve and evaporator opens into the liquid line.
Hot gas bypass regulations generally have the following disadvantages:
- The hot gas admixture reduces the pressure difference across the compressor. This leads to a constant or even increasing power requirement of the compressor in the partial load range. This type of regulation is therefore uneconomical for larger systems.
- As a rule, a post-injection valve is required for direct hot gas admixture. In addition, the free placement of the evaporator relative to the compressor is restricted.
The control procedure proposed here stands out from the previously known by the following points:
- Instead of an expansion valve (thermally or electronically controlled), an electronically operated control valve (item 1, Fig. 1) is proposed, which can be positioned using a large number of control variables. It primarily regulates the cooling capacity as required.
- The overheating is not regulated to a constant value, but varies depending on the load.
- In full load, the performance of the refrigeration machine is optimized by filling the evaporator with refrigerant until an electronic differential controller throttles the refrigerant supply when the adjustable, minimal overheating is undershot.
- At partial load, the lowest possible suction pressure is aimed for and maintained by a hot gas bypass regulator.
This enables considerable energy savings to be achieved on the compressor in partial load operation.
It is hereby proposed to influence the circulating amount of refrigerant by means of an electronic throttle element (item 1, FIG. 1) for regulating the cooling capacity. Instead of the expansion valve, it is provided in the liquid line between the condenser (item 2. Fig. 1) and the evaporator (item 3. Fig. 1). As a function of the application between the controlled variable x and the reference variable w, the controller (RR Fig. 1) generates an actuating signal yR which positions the valve. Increasing deviations (x - w) lead to the control valve opening. As a result, more refrigerant flows and the cooling capacity increases accordingly. If the cooling requirement drops, the control valve throttles the refrigerant flow. If the valve closes, the compressor (item 5. Fig. 1) would empty the evaporator and be switched off by the low-pressure pressostat (NP Fig. 2).
In order to ensure the minimum amount of gas required for the compressor in part-load operation, a short-circuit line (item 6. Fig. 2) from the compressor to the evaporator is provided between the high and low pressure sides.
This short-circuit line is tightly closed by an automatic hot gas bypass valve (item 7. Fig. 2) above a certain suction pressure ps. On the other hand, if the suction pressure ps falls below a value mechanically set on the hot gas bypass valve, it opens the short-circuit line. The suction pressure ps thus stabilizes at the set pressure level, regardless of the control valve position.
In order to protect the evaporator from flooding and the compressor from liquid hammer, a minimum temperature difference DELTA t (ts - to) is created by a further control circuit consisting of the temperature sensors to (evaporation temperature) and ts (suction gas temperature) (to, ts Fig. 2) maintain. This difference is continuously compared with the setpoint DELTA tw and converted into a control signal y DELTA t by the differential controller (DR Fig. 2). The control signal increases with increasing temperature difference DELTA t (also called overheating) and weakens accordingly with decreasing overheating. The control valve then throttles the refrigerant supply into the evaporator until the desired minimum overheating is reached. The overheating generally drops at full cooling capacity because the control valve (item 1. Fig. 1) opens fully.
The cooling capacity of a chiller can be significantly optimized through precise, brief overheating control. The less the overheating is chosen, the better the degree of filling of the evaporator. The cooling capacity emitted by the evaporator increases accordingly.
A logic module (LM Fig. 2) continuously compares the control signals of the power control yR and the superheat control y DELTA t. It always selects the smaller one between the two control signals. If the control signal yR is greater than or equal to y DELTA t, y DELTA t is fed to the control valve (item 1. Fig. 1, 2, 3). As a rule, the maximum load case is then available.
This means that only the overheating controller acts on the control valve. In contrast, if the control signals change to yR less than y DELTA t, the logic module (LM Fig. 2, 3) selects the control signal yR. Then there is partial load, the evaporator fill level drops and the overheating increases. The control signal y DELTA t thus rises, while the control signal yR weakens when the cooling requirement drops. The control valve then begins to throttle the refrigerant flow. As a result, the evaporation and suction pressure ps also decrease. If the evaporation pressure falls below a certain value ps, the automatic hot gas bypass valve opens and supplies the compressor with the necessary replacement gas.
If it is desired to empty the evaporator ("pump-down") during the downtimes, a tightly closing "open-close" valve can be provided between the pressure side and the hot gas bypass. It blocks the flow in the short-circuit line during pump-down.
If the compressor has to be protected against suction gas temperatures that are too high, the sensor signal ts (FIG. 3) can be used as part of an additional control circuit for monitoring it. The suction gas regulator (RS Fig. 3) generates a control signal yS which acts directly and absolutely on the control valve as soon as ts rises above the setpoint ws. When it is opened, liquid refrigerant flows into the evaporator and cools the inflowing hot gas until the suction gas temperature again corresponds to the target temperature.