DE10015159C2 - Steuervorrichtung und Steuerverfahren für eine Kälteanlage - Google Patents
Steuervorrichtung und Steuerverfahren für eine KälteanlageInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine Kälteanlage, insbesondere für
Kühlräume, sowie ein Verfahren zum Steuern der Kühlraumtemperatur.
Es ist bekannt, bei einer Kälteanlage, mittels der die Temperatur in einem Kühlraum auf
einem vorgegebenen Wert gehalten wird, einen Sensor für die Ermittlung der
Kühlraumtemperatur vorzusehen, der in der Regel im Lufteintritt vor den Verdampfer
angeordnet wird, sowie einen Sensor zur Ermittlung der Temperatur des Kühlers im
Verdampfer vorzusehen, der im allgemeinen auf der Oberfläche des Kühlers angeordnet wird.
Beim Auslegen einer Kälteanlage wird eine Temperaturdifferenz Δt1 in Kelvin zwischen
gewünschter Kühlraumtemperatur und Verdampfertemperatur bzw. der Temperatur
festgelegt, bei der der Kälteträger verdampft. Bei Tiefkühlgut wird beispielsweise eine
Temperaturdifferenz Δt1 von 10 K bei der Auslegung der Anlage festgelegt, beim Kühlen von
Nahrungsmitteln wie Gemüse beispielsweise ein Δt1 von 7 K. Aus dieser von vorne herein
festgelegten Temperaturdifferenz wird die Leistungsberechnung für den Verdampfer
ausgeführt.
Bei einer solchen Kälteanlage steuert der Sensor für die Kühlraumtemperatur über eine
Steuereinheit einen Ventilator für den Luftdurchtritt am Kühler und den Kältekreislauf z. B.
den Verdichter, während der Sensor an der Kühleroberfläche die Abtauendtemperatur für eine
Abtauheizung und dergleichen steuert. Nach Abtauende wird dann zuerst der Verdichter
durch den Sensor zur Ermittlung der Kühlraumtemperatur eingeschaltet und nach Erreichen
einer vorgegebenen Temperatur durch den Sensor an der Kühleroberfläche der Ventilator des
Verdampfers. In den dann folgenden Kühlzyklen werden der Ventilator des Verdampfers und
der Verdichter erneut durch den Sensor für die Kühlraumtemperatur gesteuert.
Aus DE 41 05 880 A1 ist ein Verfahren zur Leistungsoptimierung und zur Ermittlung des
optimalen Abtauzeitpunktes eines Ventilator-Luftkühlers bekannt, wobei der Abtauzeitpunkt
durch vergleichende Überwachung einer Temperaturdifferenz einerseits und einer
zeitbezogenen Überwachung des Kältemitteldurchflusses andererseits ermittelt wird.
Zusätzlich wird durch den Zuluftkühler die Kühlraumtemperatur durch Zu- und Abschalten
der Verdichter geregelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperatursteuerung der eingangs
angegebenen Art so auszubilden, dass sie bei einfachem Aufbau die Kühlraumtemperatur in
zuverlässiger Weise auf dem vorgegebenen Sollwert hält.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 und 3 gelöst.
Dadurch, dass nur ein einzelner Sensor an der Kühleroberfläche vorgesehen wird, mittels dem
über einen Korrekturfaktor die Kühlraumtemperatur ermittelt und auf der Basis der
ermittelten Kühlraumtemperatur die Kälteanlage gesteuert wird, ergibt sich ein einfacherer
Aufbau durch den Wegfall eines zweiten Sensors für die Kühlraumtemperatur. Dadurch, dass
ein einziger Sensor für die Steuerung der Kälteanlage verantwortlich ist, verringern sich die
Investitionskosten, der Installationsaufwand und mögliche Servicekosten. Fehlerquellen
werden dadurch minimiert, dass ein Vertauschen der Sensoren und der
Sensoranschlussleitungen ausgeschlossen ist. Leitungsgebundene Einkopplungen durch
elektromagnetische Störungen, wie sie in Sensoranschlussleitungen eingekoppelt werden
können und dann eine Steuereinheit negativ beeinflussen, werden durch Wegfall eines
Sensors um die Hälfte reduziert. Eine Steuereinheit mit nur einem Sensor ist in ihrer
Funktionssicherheit deutlich besser gegenüber dem Stand der Technik, weil alle Messgrößen
von einem einzigen Sensor ermittelt werden.
Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 schematisch eine Kälteanlage für die Kühlung in einem Kühlraum,
Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Steuerung der Kühlraumtemperatur, und
Fig. 3 ein Diagramm zur Ermittlung des Korrekturwertes.
Fig. 1 zeigt ein Kälteaggregat 12 mit einem Kühler 9 für die Luftkühlung, in dessen Gehäuse
ein Ventilator 3 für den Luftdurchtritt, sowie ein Verdampfer 8 aus einer vom Kälteträger
durchströmten Verrohrung mit Kühllamellen 17 angeordnet ist, die vorzugsweise aus
Aluminium bestehen. Mit 6 ist eine beispielsweise elektrische Abtauheizung bezeichnet,
mittels der der Verdampfer 8 bei Vereisung abgetaut wird. Mit 7 ist ein Expansionsventil
bezeichnet. Anstelle einer elektrischen Abtauheizung kann auch eine andere Form einer
Abtauheizung vorgesehen werden.
Ferner umfasst das Kälteaggregat 12 einen Verdichter 4, einen luftgekühlten Verflüssiger 10
und einen Kälteträgersammler 11. In dem luftgekühlten Verflüssiger 10 ist ein Ventilator 13
und eine Verrohrung mit Kühllamellen 16 angeordnet. Über eine Saugleitung 15 strömt
gasförmiger Kälteträger vom Verdampfer 8 im Kühler 9 zum Verdichter 4 und durch den
Verflüssiger 10 und den Kälteträgersammler 11 strömt flüssiger Kälteträger durch eine
Leitung 14 über ein Magnetventil 5 zum Expansionsventil 7.
Am Verdampfer 8 des Kühlers 9 ist ein Temperatursensor 2 angeordnet, mittels dem die
Oberflächentemperatur tK des Verdampfers 8 ermittelt wird. Bei einer bekannten Kälteanlage
ist ein zweiter, nicht dargestellter Sensor in dem zu kühlenden Raum bzw. im Lufteintritt vor
dem Verdampfer angeordnet, der die Temperatur der Kühlluft misst.
Bei der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Kälteanlage ist nur ein
einzelner Temperatursensor 2 an der Verdampferoberfläche vorzugsweise zwischen den
Kühllamellen 17 vorgesehen, mittels dem die Oberflächentemperatur tK des Verdampfers 8
ermittelt wird.
Mit 1 ist eine Steuereinheit TC bezeichnet, welche den vom Sensor 2 gemessenen
Temperaturwert aufnimmt und über eine elektronische Steuervorrichtung den Ventilator 3,
den Verdichter 4 und die Abtauheizung 6 schaltet.
Ein in der Steuereinheit 1 vorgesehenes Programm registriert die Oberflächentemperatur tK
des Verdampfers 8 und ermittelt über einen Korrekturwert zusätzlich die Temperatur der
Kühlluft bzw. die Kühlraumtemperatur.
Der Korrekturwert wird wie folgt ermittelt. Die Kälteanlage soll beispielsweise zum Kühlen
von Gemüse auf eine Kühlraumtemperatur von +2°C ausgelegt werden. Hierbei ist die
Kälteanlage vom Anlagenbauer derart auszulegen, dass für den Sollwert von +2°C eine
Verdampfungstemperatur t0 von -5°C gewährleistet ist, so dass sich im praktischen Betrieb
ein Δt1 von 7 K einstellt. Das Δt1 wird in bekannter Weise ermittelt als Differenz der
Lufteintrittstemperatur tL1 und der Verdampfungstemperatur t0. Dies ist in den Nonnen DIN
8955 und ENV 328 zur Ermittlung der Kühlerleistung festgelegt. Erfahrungswerte zeigen,
dass einer bestimmten Verdampfungstemperatur t0 des Kälteträgers im Verdampfer ein
bestimmter Wert der Oberflächentemperatur tK des Verdampfers im Kühler zuzuordnen ist.
Fig. 3 zeigt schematisch den Zusammenhang zwischen Verdampfungstemperatur t0 des
Kälteträgers und Oberflächentemperatur tK des Verdampfers. Ein solcher Zusammenhang
kann z. B. in Form einer Tabelle in der elektronischen Steuereinheit 1 gespeichert werden.
Nachdem die Temperaturdifferenz Δt1 von vorne herein festliegt, kann über die Vorgabe der
Solltemperatur von +2°C und die sich daraus ergebende Verdampfungstemperatur des
Kälteträgers von -5°C aus Fig. 3 eine Oberflächentemperatur des Verdampfers tK von -1°C
abgeleitet werden. Dieser Zusammenhang ergibt sich durch den Kühleraufbau und die
Auslegung des Verdampfers. Aus der so ermittelten Oberflächentemperatur tK des
Verdampfers 8 im Kühler 9 wird bei diesem Beispiel ein Korrekturwert von 3 K aus der
Differenz zwischen Sollwert +2°C und Oberflächentemperatur tK von -1°C ermittelt. Mit
anderen Worten wird davon ausgegangen, dass nach der von Δt1 ausgehenden Auslegung der
Kälteanlage die Kühllufttemperatur tL bei diesem Beispiel um den Korrekturwert von 3 K
über der Oberflächentemperatur tK des Verdampfers liegt.
Während zum Kühlen von Gemüse beispielsweise ein Sollwert von +2°C und ein
Korrekturwert von 3 K angesetzt wird, wird beispielsweise für den Tiefkühlbereich ein
Sollwert von -20°C vorgegeben, aus dem sich über den vorgegebenen Wert von Δt1 = 10 K
einen Korrekturwert von 5 K ergibt. Der Wert von Δt1 muss an der Steuereinheit 1 eingestellt
werden. Aus dem eingestellten Δt1 ermittelt die Steuereinheit 1 dann den Korrekturwert
Fig. 2 zeigt den Temperaturverlauf der Kühlraumtemperatur tL und der
Oberflächentemperatur tK am Verdampfer 8 über der Zeit, wobei von einem Sollwert der
Kühlraumtemperatur tL von +2°C ausgegangen wird, wie er beispielsweise für Gemüse als
Kühlgut vorgesehen wird. Ausgehend von einem Abschaltzustand der Kälteanlage, bei dem
sowohl die Verdampferoberflächentemperatur tK als auch die Kühlraumtemperatur tL einen
über +2°C liegenden Wert haben, wird über die Steuereinheit 1 zunächst das Kälteaggregat
12 und der Ventilator 3 im Kühler 9 eingeschaltet, um die Kühlraumtemperatur tL auf den
Sollwert zu bringen. Bei laufendem Kälteaggregat 12 wird durch Zirkulation des Kälteträgers
im Kältekreislauf die Oberflächentemperatur am Verdampfer 8 abgesenkt. Gleichzeitig wird
durch den laufenden Ventilator 3 im Kühler 9 die Kühlraumtemperatur tL abgesenkt. Sobald
der Sensor 2 eine Oberflächentemperatur tK von -1°C feststellt, ermittelt die Steuereinheit 1
durch Hinzurechnen des Korrekturwertes von 3 K das Erreichen des Sollwertes tL von +2°C.
Dies bedeutet, dass die Steuereinheit 1 den Verdichter 4 und den Ventilator 3 abschaltet. Der
Ventilator 3 wird wieder eingeschaltet, wenn vom Sensor 2 über den Korrekturwert eine
Solltemperatur tL am oberen Temperaturwert von +2,5°C eines vorgegebenen
Toleranzbereichs von ±0,5 K um die Solltemperatur +2°C in der Steuereinheit 1 angezeigt
wird.
In Fig. 2 ist der Toleranzbereich um die Solltemperatur +2°C durch strichpunktierte Linien
über und unter der Solltemperatur wiedergegeben. Zweckmäßigerweise wird der Verdichter 4
über die Steuereinheit 1 abgeschaltet, wenn die über den Korrekturwert ermittelte
Kühllufttemperatur tL den unter der Solltemperatur liegenden Toleranzwert erreicht. Hierauf
steigt die Oberflächentemperatur tK am Verdampfer 8 wieder an, die über den Sensor 2
ermittelt wird, worauf zuerst der Ventilator 3 des Kühlers 9 und dann der Verdichter 4 über
die Steuereinheit 1 wieder eingeschaltet wird, wenn die vom Sensor 2 festgestellte
Oberflächentemperatur tK des Verdampfers 8 den über der Solltemperatur liegenden
Toleranzwert von +0,5 K anzeigt.
Diese Zyklen wiederholen sich, bis z. B. durch Vereisung am Verdampfer 8 eine
Oberflächentemperatur tK vom Sensor 2 ermittelt wird, aus der in der Steuereinheit 1 durch
Vergleich mit vorgegebenen Werten bzw. durch ein vorgegebenes Programm eine Vereisung
des Verdampfers 8 abgeleitet werden kann. Hierauf wird über die Steuereinheit 1 der
Verdichter 4 und der Ventilator 3 abgeschaltet und die Abtauheizung 6 eingeschaltet, bis über
den Temperatursensor 2 wieder die vorgegebene Abtauendtemperatur am Verdampfer 8
angezeigt wird. Hierauf wird die Abtauheizung 6 von der Steuereinheit 1 abgeschaltet und das
Kälteaggregat 12 mit dem Verdichter 4 wieder eingeschaltet. Der in Fig. 2 dargestellte
Kühlzyklus beginnt erneut, nachdem der Ventilator 3 des Verdampfers 9 nach einer zuvor
festgelegten Oberflächentemperatur des Verdampfers 8 ebenfalls von der Steuereinheit 1
eingeschaltet wird.
Der im Verdampfer 8 angeordnete Temperatursensor 2 stellt eine neutrale Messstelle dar, die
nicht durch Parameter verfälscht werden kann, wie dies beispielsweise bei einem
Raumtemperatursensor der Fall ist, dessen Messwert z. B. dadurch verfälscht werden kann,
dass der Raumtemperatursensor durch falsch gestapeltes Kühlgut im Kühlraum abgedeckt
wird. Hierdurch ergibt sich aufgrund der beschriebenen Steuerung mit nur einem Sensor 2
über einen Korrekturfaktor ausgehend von dem vorher bestimmten Δt1 eine zuverlässigere
Steuerung als dies bei den bekannten Kälteanlagen mit zwei Sensoren der Fall ist, von denen
der Kühlluftsensor durch verschiedene Parameter verfälscht werden kann und falsche
Kühllufttemperaturen ermittelt werden können. Der Temperatursensor 2 ist zwischen den
Kühllamellen geschützt angeordnet und kann durch Ein- und Auslagern von Kühlgut nicht
beschädigt werden.
Da der Kühler 9 einen Kältespeicher darstellt und die Oberflächentemperatur des
Verdampfers 8 die Kühllufttemperatur im Raum über den Korrekturfaktor nicht immer
zuverlässig wiedergibt, beispielsweise weil durch Transmissionswärme vom Kühlgut die
Kühlraumtemperatur ansteigt, ohne dass sich dies sofort auf die Oberflächentemperatur tK des
Verdampfers 8 auswirkt, wird nach einer vorgegebenen Zeit nach Feststellung durch die
Steuereinheit 1, dass der Sensor 2 einen Sollwert im Toleranzbereich angibt, der Ventilator 3
eingeschaltet, damit Raumluft durch den Verdampfer 8 geleitet wird, um auf diese Weise die
tatsächliche Raumlufttemperatur zu überprüfen. Hierbei ist der Verdichter 4 noch
ausgeschaltet, weil an der Steuereinheit 1 ein Signal vom Sensor 2 anliegt, das die
Kühlraumtemperatur im Toleranzbereich des Sollwertes wiedergibt. Bei wärmerer
Kühllufttemperatur innerhalb des Kühlraumes, in den z. B. noch nicht gekühltes Gut
nachgeladen wurde, steigt die Oberflächentemperatur tK des Verdampfers 8 durch die vom
Ventilator 3 herangeführte wärmere Luft an, bis die Oberflächentemperatur des Verdampfers
die Raumlufttemperatur angenommen hat. Dadurch meldet der Sensor 2 - ohne den
Korrekturfaktor zu berücksichtigen - einen Istwert der Raumtemperatur, der nicht im
Toleranzbereich der Solltemperatur liegt, weshalb die Steuereinheit 1 das Kälteaggregat bzw.
den Verdichter 4 einschaltet, um die Oberflächentemperatur tK des Verdampfers 8 auf einen
Wert zurückzuführen, der mit Korrekturfaktor im Toleranzbereich der Solltemperatur liegt.
Über die Oberflächentemperatur tK des Verdampfers 8 und den Korrekturfaktor wird indirekt
die Raumlufttemperatur mittels des Sensors 2 gemessen. Da sich aber nach Erreichen der
Solltemperatur die Raumlufttemperatur schneller ändern kann als dies durch die nur langsam
folgende Oberflächentemperatur am Verdampfer 8 festgestellt werden kann, muss die
Raumlufttemperatur durch Einschalten des Ventilators 3 auf diese Weise immer wieder bzw.
in bestimmten Zeitabständen überprüft werden, so dass die Steuereinheit 1 über den Sensor 2
die tatsächliche Raumtemperatur messen kann.
Dadurch, dass der Ventilator 3 des Kühlers 9 nach Erreichen der Solltemperatur bei
abgeschaltetem Verdichter 4 zuerst eingeschaltet wird und die Steuereinheit 1 über den
Sensor 2 den Temperaturverlauf ohne Korrekturfaktor verfolgt, und der Verdichter 4 so lange
ausgeschaltet bleibt, bis die Steuereinheit 1 über den Sensor 2 eine Oberflächentemperatur tK
oberhalb des Sollwertes von +2°C feststellt, wobei davon ausgegangen wird, dass die
Oberflächentemperatur tK des Verdampfers 8 die Kühlraumtemperatur angenommen hat, und
erst dann der Verdichter 4 durch die Steuereinheit 1 einschaltet wird, ist durch dieses
Verfahren die Taupunktunterschreitung an der Oberfläche des Verdampfers 8 zum Zeitpunkt
der Verdichtereinschaltung aufgehoben.
Die vorteilhaften Merkmale des zuvor geschilderten Verfahrens sind: Deutlich geringerer
Masseverlust des Kühlgutes durch reduzierte Entfeuchtung der Kühlraumluft. Deutliche
Senkung des Energieverbrauchs und damit Senkung der Betriebskosten durch Nutzung der
Eis-Reifkristalle als Energiespeicher zum Kühlen der Raumluft. Hierdurch ergibt sich ein
verbesserter Wirkungsgrad des Luftkühlers, ein kürzerer Verdichterlauf innerhalb der
Kühlzyklen und somit eine längere Nutzungsdauer (Lebensdauer) des Verdichters.
Abtauintervalle werden durch den Ventilatorvorlauf ausgesetzt bzw. die Abtauzyklen
reduziert.
Die beschriebene Steuerung einer Kälteanlage ist nicht nur für Kühl- und Tiefkühlräume
anwendbar, sondern auch für Kühl- und Tiefkühlmöbel, bei denen der dem Ventilator 3
entsprechende Lüfter dauern in Betrieb ist und die vom Lüfter geförderte Kaltluft der
Raumluft entspricht, deren Temperatur über den Korrekturfaktor mittels des am Verdampfer 8
angebrachten Temperatursensors 2 ermittelt wird. Derartige Kühl- und Tiefkühlmöbel werden
als Verkaufsinseln und Kühltheken in der Gewerbekälte und dergleichen verwendet. Dies gilt
auch insbesondere für raumlufttechnische Anlagen im Klimabereich.
Die beschriebene Steuerung der Raumlufttemperatur mittels eines einzigen Sensors ist nicht
von den jeweils verwendeten Kälteträgern abhängig. So kann der Kühler 9 auch ein
Luftkühler sein, der nicht mit einer Direktexpansion, sondern mit gepumpten Kälteträgern in
Form flüssiger Lösungen, wie beispielsweise NH3, oder Kaltsole in Zweikreiskälteanlagen,
bzw. Flo Ice oder in CO2 Anlagen betrieben wird.
Mittels der Steuereinheit 1 kann auch in an sich bekannter Weise das Magnetventil 5 in
Verbundkälteanlagen angesteuert werden, sei es gleichzeitig mit der Ansteuerung des
Verdichters 4 oder auch getrennt davon.
Claims (6)
1. Verfahren zum Steuern einer Kälteanlage mit einem Kühler (9) zum Kühlen von
Kühlluft, wobei mittels eines einzigen Sensors (2) die Oberflächentemperatur (tK) des
Verdampfers (8) gemessen und über einen Korrekturfaktor aus der
Oberflächentemperatur (tK) des Verdampfers die Kühllufttemperatur (tL) abgeleitet
wird, worauf auf der Basis des gemessenen Temperaturwertes (tK) und des
abgeleiteten Temperaturwertes (tL) die Kälteanlage gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach einer vorgegebenen Zeit nach Feststellung
über den Temperatursensor (2), wonach sich die unter Einbeziehung des
Korrekturfaktors ergebende Kühllufttemperatur im Sollbereich befindet, das
Kälteaggregat abgeschaltet wird oder abgeschaltet bleibt und ein Ventilator (3) am
Verdampfer (8) eingeschaltet wird, um Kühlluft an den Verdampfer (8)
heranzuführen, und die tatsächlich vorhandene Temperatur (tL) der Kühlluft auf diese
Weise durch den Temperatursensor (2) überprüft wird.
3. Steuervorrichtung für eine Kälteanlage mit einem Kühler (9) zum Kühlen von
Kühlluft, insbesondere in einem Kühlraum, mittels der die Kühllufttemperatur (tL) auf
einem vorgegebenen Wert gehalten wird,
umfassend einen einzelnen Sensor (2) zur Ermittlung der Oberflächentemperatur (tK)
am Verdampfer (8) und eine Steuereinheit (1), die aus der gemessenen
Oberflächentemperatur des Verdampfers (8) über einen Korrekturfaktor [K] die
Kühllufttemperatur (tL) ableitet und auf der Basis der so ermittelten
Kühllufttemperatur (tL) in Verbindung mit der gemessenen Oberflächentemperatur (tK)
des Verdampfers (8) die Kälteanlage steuert.
4. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Temperatursensor (2) zwischen den
Kühllamellen (17) des Verdampfers (8) im Kühler (9) der Kälteanlage angeordnet ist.
5. Steuervorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, wobei die Steuereinheit (1) den
Verdichter (4), die Abtauheizung (6) und den Ventilator (3) im Kühler (9) einer
Kälteanlage in Abhängigkeit von dem gemessenen Temperaturwert (tK) an der
Verdampferoberfläche steuert.
6. Steuervorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, wobei die Steuereinheit (1) die über
den Korrekturwert ermittelte Kühllufttemperatur (tL) als Raumlufttemperatur in einem
Display anzeigt und speichert und protokolliert.
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