DE102004005802A1 - A refrigeration system has an expansion valve by which the refrigerant flow rate is controlled according to the temperature difference between the inlet and outlet of the evaporator - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Kältemaschine nach dem Verdampferprinzip gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for controlling a refrigerating machine according to the evaporator principle according to the preamble of claim 1.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine zur Ausübung des Verfahrens geeignete Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.One Another aspect of the invention relates to an exercise for the Method suitable arrangement according to the preamble of the claim 14th
Zum Stand der Technik gehört bereits ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14 mit einem elektronischen Einspritzsystem aus Regler, elektronischem Expansionsventil und zwei Meßwertaufnehmern bzw. Sensoren, mit denen eine Kältemittel-Mengenregelung abhängig von einer Temperaturdifferenz des Kältemitteis zwischen einem Verdampfereintritt und -austritt verbessert wird (Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 18. Auflage, Seite M 65.) Mit diesem elektronischen Einspritzsystem soll ein stetiger, kühllastangepaßter Verlauf des Verdampfungsdrucks erreicht werden, wobei ein höherer Verdampfungsdruck infolge geringerer Überhitzung eintreten soll. Als weitere Vorteile werden höhere Leistungszahlen für die Kälteerzeugung, geringere Verdichterlaufzeiten und eine größere Regelgenauigkeit auch bei Laständerungen genannt.To the State of the art belongs already a method according to the preamble of claim 1 or an arrangement according to the preamble of claim 14 with an electronic Injection system consisting of regulator, electronic expansion valve and two transducers or sensors with which a refrigerant flow control dependent from a temperature difference of the refrigerant between an evaporator inlet and leakage (Dubbel, Paperback for Mechanical Engineering, 18th edition, page M 65.) With this electronic injection system should a steady, cool load-adapted course the evaporation pressure can be achieved, with a higher evaporation pressure due to less overheating should enter. As further advantages are higher performance figures for the refrigeration, lower compressor run times and greater control accuracy, too with load changes called.
Um einen hohen Wirkungsgrad bzw. höhere Leistungszahlen bei Kältema schinen mit einem Verdampfer zu erreichen, ist man generell bestrebt, die Temperaturdifferenz zwischen Verdampferausgang und Verdampfereingang, auch Überhitzung genannt, möglichst gering zu halten. Werden die Regelparameter aber auf eine zu kleine Überhitzung eingestellt, wird die Regelung instabil. Deswegen wird in der Praxis der Verdampfer mit einer mindest so großen Überhitzung wie die kleinste stabile Überhitzung MSS (Minimum Stable Signal) betrieben.Around a high efficiency or higher Performance figures for refrigeration machines With an evaporator to achieve, one is generally anxious, the Temperature difference between evaporator outlet and evaporator inlet, also overheating called, if possible to keep low. But are the control parameters too small overheating set, the control becomes unstable. That's why in practice the evaporator with at least as much overheating as the smallest stable overheating MSS (minimum stable signal) operated.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung einer Kältemaschine nach dem Verdampferprinzip der eingangs genannten Gattung bzw. eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, mit der der Wirkungsgrad der Kältemaschine bei stabilem Betriebsverhalten weiter gesteigert wird.Of the The present invention is based on the object, a method for controlling a chiller according to the evaporator principle of the type mentioned or a to create appropriate device with the efficiency the chiller is further increased with stable performance.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.These The object is achieved by the method with the specified in claim 1 Characteristics solved.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird erreicht, daß der Naßdampfbereich in dem Verdampfer nur kurzzeitig bis zu dem Verdampferausgang und darüber hinaus ausgedehnt wird, also ein Überhitzungsbereich, in dem expandiertes, gasförmiges Kältemittel nur überhitzt wird, weitgehend vermieden ist. Gleichwohl ist die Regelung der Kältemittelzufuhr in den Verdampfer stabil.With the solution according to the invention is achieved that the wet vapor in the evaporator only briefly up to the evaporator outlet and about that is extended, so an overheating area in which expanded, gaseous refrigerant just overheated is largely avoided. Nevertheless, the regulation is the Refrigerant supply stable in the evaporator.
Dazu wird in Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz des Kältemittels auf einer Verdampferseite des Verdampferausgangs einerseits und an dem Verdampfereingang andererseits – und gegebenenfalls weiteren Größen, insbesondere der Temperatur einer Temperierflüssigkeit, siehe Anspruch 3 – in dem Regler gemäß einer speziellen Charakteristik, die weiter unten definiert ist, ein Sollwert der Temperatur am Verdampfereingang bzw. eine SOLL- Temperatur gebildet und einem dem Regler untergeordneten Regler vorgegeben, der diese SOLL-Temperatur mit einem Istwert dieser Temperatur bzw. IST-Temperatur am Verdampfereingang vergleicht, wonach abhängig von dem Vergleichsergebnis das Kältemittel über das steuerbare Expansionsorgan, einem Einspritzventil, in den Verdampfer eingespeist wird. Die oben genannte Temperaturdifferenz als Kriterium der Sollwertbildung der Temperatur am Verdampfereingang geht vorzugsweise, wie unten erläutert wird, nicht von der Temperatur des Kältemittels direkt am Verdampferausgang, also der herkömmlich definierten Überhitzung, aus.To becomes dependent from a temperature difference of the refrigerant on an evaporator side of the Evaporator output on the one hand and at the evaporator inlet on the other - and optionally other sizes, in particular the temperature of a bath liquid, see claim 3 - in the controller according to a special characteristic, which is defined below, a setpoint the temperature at the evaporator inlet or a desired temperature formed and a regulator subordinate to the controller, which controls this Target temperature with an actual value of this temperature or actual temperature at the evaporator entrance, which depends on the comparison result the refrigerant over the controllable expansion element, an injection valve, into the evaporator is fed. The above temperature difference as a criterion the setpoint formation of the temperature at the evaporator inlet is preferably, as explained below not from the temperature of the refrigerant directly at the evaporator outlet, So the conventional defined overheating, out.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wertet der erste Regler die Temperaturdifferenz des Kältemittels auf der Verdampferseite des Verdampferausgangs einerseits und des Verdampfereingangs andererseits nach dem Kriterium aus, ob diese in einem Bereich über einem ersten vorgegebenen Wert, einem Toleranzwert von z.B. 3 K liegt oder in einem tieferen Bereich. Nur im erstgenannten Fall wird der Sollwert der Temperatur am Verdampfereingang zeitabhängig kontinuierlich erhöht, wodurch über den untergeordneten Regler und das von ihm gesteuerte Expansionsorgan die Kältemitteleinspritzung in den Verdampfer verstärkt wird, sonst aber in den tieferen Bereich der besagten Temperaturdifferenz unabhängig von dieser konstant gehalten wird und gegebenenfalls bei Übergang in einen noch tieferen Bereich unterhalb eines zweiten vorgegebenen Werts der besagten Temperaturdifferenz, der höchstens so hoch wie der erste vorgegebene Wert ist und vorzugsweise bis etwa zu 2 Kelvin niedriger als dieser ist, in definierter Weise verringert wird, wie weiter unten ausgeführt wird.According to the inventive method, the first controller evaluates the temperature difference of the refrigerant on the evaporator side of the evaporator outlet on the one hand and the evaporator inlet on the other hand according to the criterion of whether it is in a range above a first predetermined value, a tolerance value of, for example, 3 K or in a lower range , Only in the former case, the target value of the temperature at the evaporator inlet is increased time-dependent continuously, which is the refrigerant injection is amplified in the evaporator via the lower controller and controlled by him expansion, but otherwise kept constant in the lower region of said temperature difference regardless of this and optionally at transition to an even deeper area below a second predetermined Value of the said temperature difference, which is at most as high as the first predetermined value and is preferably up to about 2 Kelvin lower than this, is reduced in a defined manner, as will be explained below.
Bei Start des Verdampfens und Beginn eines ersten Regelzyklus ist an dem untergeordneten Regler die SOLL-Temperatur des Kältemittels am Verdampfereingang auf einen tiefen Wert voreingestellt, was zur Folge hat, daß wenig Kältemittel in den Verdampfer eingespritzt wird, durch dessen Überhit zung im Bereich des Verdampferausgangs eine große Temperaturdifferenz des Kältemittels auf der Verdampferseite des Verdampferausgangs einerseits und des Verdampfereingangs andererseits über dem ersten vorgegebenen Wert entsteht. Deshalb wird an dem untergeordneten Regler die SOLL-Temperatur des Kältemittels am Verdampfereingang kontinuierlich erhöht, wodurch mehr Kältemittel in den Verdampfer strömt, bis die Temperatur des Kältemittels auf der Verdampferseite des Verdampferausgangs im wesentlichen auf die Temperatur am Verdampfereingang abfällt, was den Überlauf des Verdampfers mit nicht vollständig verdampftem Kältemittel anzeigt, wobei ein rascher Temperaturabfall charakteristisch ist. – Wenn dabei der erste voreingestellte Wert der besagten Temperaturdifferenz erreicht und unterschritten wird, erfolgt keine weitere Erhöhung der SOLL-Temperatur des Kältemittels am Verdampfereingang mehr, sondern aufgrund dieser Temperaturdifferenz zunächst eine Konstanthaltung und gegebenenfalls unterhalb des zweiten vorgegebenen Werts der besagten Temperaturdifferenz sogar eine definierte Absenkung. Die somit konstant gehaltene oder sogar verminderte Kühlmittelzufuhr hat zeitlich verzögert wieder einen den Verdampfer nicht mehr vollständig ausfüllenden Naßdampfbereich zur Folge. – Ein neuer zeitabhängig gesteuerter Regelzyklus beginnt, in dem die besagte Temperaturdifferenz des Kältemittels ansteigt und die SOLL-Temperatur des Kältemittels am Verdampfereingang bzw. Einspritztemperatur wieder selbsttätig kontinuierlich erhöht wird.at Start of evaporation and start of a first control cycle is on the lower controller the target temperature of the refrigerant at the evaporator input preset to a low value, which results has that little refrigerant is injected into the evaporator, by its Überhit tion in the area of the evaporator outlet a large temperature difference of refrigerant on the evaporator side of the evaporator outlet on the one hand and the On the other hand the first predetermined value arises. Therefore, at the subordinate Controller the DESIRED temperature of the refrigerant at the evaporator inlet increases continuously, creating more refrigerant flows into the evaporator, until the temperature of the refrigerant on the evaporator side of the evaporator outlet substantially the temperature at the evaporator inlet drops, causing the overflow the evaporator with not complete vaporized refrigerant indicating a rapid drop in temperature is characteristic. - If there the first preset value of said temperature difference reached and fallen below, there is no further increase in SET temperature of the refrigerant at the evaporator input more, but because of this temperature difference first one Constant attitude and optionally below the second predetermined Value of said temperature difference even a defined reduction. The thus kept constant or even reduced coolant supply has delayed again a no longer completely filling the evaporator wet steam area result. - A new time-dependent controlled control cycle begins in which said temperature difference of the refrigerant rises and the target temperature of the refrigerant at the evaporator inlet or injection again automatically continuously elevated becomes.
Dieser Vorgang wiederholt sich ereignisabhängig, nämlich von der besagten Temperaturdifferenz abhängig in Regelzyklen fortlaufend.This The process is repeated depending on the event, namely on the said temperature difference dependent in control cycles continuously.
Die oben erwähnte Absenkung der SOLL-Temperatur des Kältemittels am Verdampfereingang erfolgt zunächst bei jedem Übergang der besagten Temperaturdifferenz des Kältemittels unter den zweiten vorgegebenen Wert mit einem einmaligen Temperatursprung (Δ SOLL_to 1– Offset) vorgegebe ner Größe, die insbesondere gemäß Anspruch 2 in einem Wertebereich der Temperatur der Temperierflüssigkeit je einer Temperatur der Temperierflüssigkeit fest zugeordnet ist. Der Temperatursprung liegt abhängig von mehreren Parametern typisch bei -1 K für eine Temperatur von 0°C der Temperierflüssigkeit und fällt mit kleiner werdenden Temperaturen der Temperierflüssigkeit ab. Statt von der Temperatur der Temperierflüssigkeit kann für die Bemessung des Temperatursprungs auch von der SOLL-Temperatur des Kältemittels am Verdampfereingang ausgegangen werden. Zusätzlich, aber in der Praxis nicht immer notwendig kann die SOLL-Temperatur gemäß Anspruch 5 zeitabhängig bezogen auf den Zeitpunkt abgesenkt werden, bei dem die besagte Temperaturdifferenz (to 2 – to 1) des Kältemittels den zweiten vorgegebenen Wert für eine vorgegebene Zeit von z.B. 40 sec unterschreitet. Diese Verkleinerung kann gemäß Anspruch 6 zunächst als weiterer Sprung erfolgen und nach einer weiteren vorgegebenen Zeit von z.B. 40 sec kontinuierlich, insbesondere linear abfallen.The mentioned above Lowering the target temperature of the refrigerant at the evaporator inlet takes place first at every transition said temperature difference of the refrigerant among the second predetermined value with a single temperature jump (Δ SOLL_to 1- offset) given size, the in particular according to claim 2 in a range of values of the temperature of the bath liquid each one temperature of the bath is permanently assigned. The temperature jump is dependent of several parameters typically at -1 K for a temperature of 0 ° C of the bath liquid and falls with decreasing temperatures of the bath liquid from. Instead of the temperature of the bath liquid can be used for the design the temperature jump also from the target temperature of the refrigerant be assumed at the evaporator inlet. In addition, but in practice Not always necessary, the target temperature according to claim 5 time-dependent be lowered relative to the time at which the said Temperature difference (to 2 - to 1) of the refrigerant the second predetermined value for a predetermined time of e.g. 40 seconds below. This reduction can according to claim 6 first as another jump and after another predetermined Time of e.g. 40 sec continuously, in particular fall off linearly.
Das Absenken der SOLL-Temperatur wird jedenfalls beendet, wenn die besagte Temperaturdifferenz den zweiten vorgegebenen Wert der besagten Temperaturdifferenz wieder überschreitet, bzw. jeweils zum Ende eines Regelzyklus.The Lowering the target temperature is in any case terminated when the said Temperature difference the second predetermined value of said temperature difference again, or respectively at the end of a control cycle.
Der
Regelung liegt mit dem eingesetzten Kältemittel (z.B. R404A) folgender
Zusammenhang zugrunde:
Einspritzventil weit geöffnet hat
zur Folge:
- – großen Kältemitteldurchsatz,
- – hohen Verdampfungsdruck Po 1 (z.B. Kältemittel R404A: 5.0 bar),
- – hohe Einspritztemperatur to 1 (z.B. -6°C; aus Kältemitteltabelle),
- – hohe Kühlleistung (z.B. 1700W);
- – geringen Kältemitteldurchsatz,
- – kleinen Verdampfungsdruck Po 1 (z.B. Kältemittel R404A; 0.85 bar),
- – tiefe Einspritztemperatur to 1(z.B. -50°C; aus Kältemitteltabelle),
- – geringe Kühlleistung (z.B. 150 W).
Injector valve wide open results in:
- - large refrigerant flow rate,
- - high evaporation pressure Po 1 (eg refrigerant R404A: 5.0 bar),
- - high injection temperature to 1 (eg -6 ° C, from refrigerant table),
- - high cooling capacity (eg 1700W);
- Low refrigerant flow rate,
- - small evaporation pressure Po 1 (eg refrigerant R404A, 0.85 bar),
- - low injection temperature to 1 (eg -50 ° C, from refrigerant table),
- - low cooling capacity (eg 150 W).
Die vor Start des Verdampfers tief voreingestellte SOLL-Temperatur am Verdampfereingang ist tiefer als die gewünschte Temperatur tb eines Bads eines mit dem Kälte-Thermostaten gekühlten Temperiermediums angesetzt, so daß die Temperatur der Temperierflüssigkeit bzw. Badtemperatur tb sicher erreicht wird, z.B, für tb = – 40°C auf – 50 °C.The pre-set SOLL temperature at the evaporator inlet before starting the evaporator is lower than the desired temperature tb of a bath of a tempering medium cooled with the refrigerated circulator set to, so that the temperature of the bath liquid or bath temperature tb is safely reached, for example, for tb = - 40 ° C to - 50 ° C.
Mehr im einzelnen wird zu Beginn des Verdampfens die SOLL-Temperatur am Verdampfereingang ausgehend von dem tief voreingestellten Wert abhängig von einer Reihe Parametern, kontinuierlich bzw. quasi-kontinuierlich erhöht. Wenn die erfaßte Temperaturdifferenz des Kältemittels beidseitig des Verdampfers den zweiten vorgegebenen Wert unterschreitet, senkt der Regler an dem untergeordneten Regler die SOLL-Temperatur an dem Verdampfereingang geringfügig, d.h. wiederum abhängig von mehreren Parametern, ab, beispielsweise um weniger als 1 K, wie oben angegeben.More Specifically, at the beginning of evaporation, the target temperature at the evaporator inlet starting from the low preset value dependent from a series of parameters, continuous or quasi-continuous elevated. If the detected Temperature difference of the refrigerant on both sides of the evaporator falls below the second predetermined value, the controller lowers the setpoint temperature at the subordinate controller at the evaporator entrance slightly, i.e. in turn dependent of several parameters, from, for example, less than 1 K, as you can read above.
Der Regler, d.h. Hauptregler, der im Verlauf der zyklischen Regelung an dem untergeordneten Regler die SOLL-Temperatur des Kältemittels am Verdampfereingang in der beschriebenen Weise bildet, regelt somit den Füllstand des Verdampfers mit nicht vollständig verdampftem Kältemittel bis zu dessen Ausgang und kurzzeitig darüber hinaus in der Art einer Zweipunkt- bzw. Dreipunktregelung rasch und genau. Die Ausdehnung des Naßdampfbereichs in dem Verdampfer erfolgt gezielt zeitweise bis zu dessen Ausdehnung an den Verdampferausgang und darüber hinaus, wobei jedoch nicht vollständig verdampftes Kältemittel aus dem Verdampfer nur kurzzeitig austreten kann, weil in dieser Situation die Füllung des Verdampfers mit nicht vollständig verdampftem Kältemittel selbsttätig bis vor den Verdampferaus lauf zurückgefahren wird. Danach steigt die Füllung mit nicht vollständig verdampftem Kältemittel wiederum bis zum Erreichen des Verdampferausgangs kontinuierlich an. Somit schwankt die Füllung des Verdampfers mit dem Kältemittel durch die Regelung in Regelzyklen ständig um einen Wert, der nahe einer vollständigen Füllung liegt. Der Wirkungsgrad der Kältemaschine ist optimiert.Of the Regulators, i. Main controller, in the course of cyclic control at the subordinate controller the target temperature of the refrigerant forms at the evaporator inlet in the manner described, thus regulating the level the evaporator with not complete vaporized refrigerant up to its output and briefly beyond that in the manner of a Two-point or three-step control quickly and accurately. The extent of the Naßdampfbereichs in the evaporator takes place deliberately temporarily until its expansion to the evaporator outlet and above but not completely vaporized refrigerant from the evaporator can escape only briefly, because in this Situation the filling the evaporator with not complete vaporized refrigerant automatic is moved back to the evaporator outlet before running. After that rises the filling with not complete vaporized refrigerant again until reaching the evaporator outlet continuously at. Thus, the filling varies of the evaporator with the refrigerant by regulation in control cycles constantly by a value close to a complete filling lies. The efficiency of the chiller is optimized.
Die Einspritztemperatur to 1 bzw. IST-Temperatur am Verdampfereingang wird der Temperatur des Temperiermediums, insbesondere einer Temperierflüssigkeit eines Bads eines Flüssigkeitsthermostaten nachgeführt, wobei die SOLL-Temperatur des Kältemittels am Verdampfereingang entsprechend beeinflußt wird.The Injection temperature to 1 or actual temperature at the evaporator inlet is the temperature of the temperature control, in particular a Temperierflüssigkeit a bath of a liquid thermostat tracked where the DESIRED temperature of the refrigerant at the evaporator input is affected accordingly.
Nach dem oben beschriebenen Anfangs-Modus der Regelung, bei der auf maximale Kälteleistung geregelt wird, kann die Regelung auf einen anderen Modus übergehen, in dem die Temperatur der Temperierflüssigkeit bzw. die Badtemperatur auf einem eingestellten Sollwert weitgehend konstant gehalten wird.To the above-described initial mode of regulation, in which maximum Cooling capacity the scheme can go to another mode, in which the temperature of the bath liquid or the bath temperature is kept substantially constant at a set value.
Das dynamische Verhalten dieser Nachführung in dem Anfangs-Modus wird durch die in Anspruch 3 angegebene Maßnahme verbessert, wonach die Temperatur der Temperierflüssigkeit erfaßt und zeitlich differenziert auf die SOLL-Temperatur am Verdampfereingang additiv aufgeschaltet wird.The dynamic behavior of this tracking in the initial mode is improved by the measure specified in claim 3, after which the Temperature of the bath liquid detected and differentiated in time to the nominal temperature at the evaporator inlet is added additive.
Die oben definierte Bildung der SOLL-Temperatur des Kältemittels am Verdampfereingang, d.h. der Sollwert erfolgt in dem übergeordneten Regler nicht unbedingt zeitlich völlig kontinuierlich in der Art einer Analogregelung, sondern zweckmäßig mit digitalen Mitteln in aufeinanderfolgenden fest zeitgesteuerten Reglerdurchläufen, die jeweils kurz gegenüber einem typischen Regelzyklus sind.The above defined formation of the target temperature of the refrigerant at the evaporator entrance, i. the setpoint takes place in the parent Regulator not necessarily completely continuous in time Type of analog control, but expedient with digital means in successive fixed timed regulator passes, the each briefly opposite a typical control cycle.
Dazu hat sich für typische Kältemaschinen ein Takt der Reglerdurchläufe um 1 Hz als zweckmäßig erwiesen. Mit jedem Reglerdurchlauf wird ein neuer Sollwert SOLL_to 1 des Kältemittels an dem Verdampfereingang gemäß dem in Anspruch 9 angegebenen Regelalgorithmus gebildet.To has for typical chillers a clock of controller passes proved to be appropriate by 1 Hz. With each controller cycle a new setpoint SOLL_to 1 of the refrigerant at the evaporator inlet according to the in Claim 9 specified control algorithm formed.
Zur vereinfachten präzisen Auswertung eines Temperaturhubs, der sich auf der Verdampferseite des Verdampferausgangs abhängig von dessen Füllung einstellt, ist besonders zweckmäßig die Maßnahme nach Anspruch 10 vorgegeben, womit der resultierende Temperaturhub einfach auswertbare 4 – 10 K betragen kann. Dieser große Temperaturhub beruht darauf, daß in dem Betriebsfall, in dem kein flüssiges Kältemittel aus dem Verdampferausgang austritt, sich die Temperatur an der Meßstelle infolge des zusätzlich zugeführten Wärmestromes verhältnismäßig stark erhöht, weil durch das aus dem Verdampferausgang austretende gasförmige Kältemittel wenig Wärme abgeleitet wird, aber in dem Betriebsfall, in dem nicht vollständig verdampftes flüssiges Kältemittel aus dem Verdampferausgang austritt, ein größerer Teil des der Meßstelle zusätzlich zugeführten Wärmestroms abgeleitet wird, wodurch die Temperatur der Meßstelle signifikant weniger hoch ist.to simplified precise Evaluation of a temperature lift, located on the evaporator side dependent on the evaporator output of its filling is particularly useful the measure specified according to claim 10, whereby the resulting temperature easy to evaluate 4 - 10 K can be. This big one Temperaturhub is based on that in the operating case, in which no liquid Refrigerant off the evaporator outlet exits, the temperature at the measuring point as a result of the addition supplied heat flow relatively strong elevated, because by the exiting from the evaporator gaseous refrigerant little heat is derived, but in the operating case, in the not fully evaporated liquid refrigerant exits the evaporator outlet, a larger part of the measuring point additionally supplied heat flow is derived, causing the temperature of the measuring point significantly less is high.
Die von dem Zustand des Kältemittels von dem Verdampferausgang abhängige Erhöhung der Temperatur an der Meßstelle kann durch Wärmeleitung zu der Meßstelle von einer separaten Heizung erreicht werden und besonders vorteilhaft gemäß Anspruch 12 durch Wärmeleitung von einem inneren Wärmetauscher zu der Meßstelle. – Das mit dem inneren Wärmetauscher gemäß Anspruch 11 durchgeführte Verfahren hat den Hauptzweck, daß in dem inneren Wärmetauscher aus dem Verdampferauslaß zeitweise austretende flüssige Kältemittelanteile nachverdampft werden, so daß der Verdichter stets nur mit gasförmigem Kältemittel gespeist wird und Flüssigkeitsschläge in dem Verdichter vermieden werden, die ihn sonst auf Dauer zerstören können.The dependent on the state of the refrigerant from the evaporator output increase the temperature at the measuring point can be achieved by heat conduction to the measuring point of a separate heater and particularly advantageous according to claim 12 by heat conduction from an inner heat exchanger to the measuring point. - The process performed with the inner heat exchanger according to claim 11 has the main purpose that in the inner heat exchanger from the evaporator outlet temporarily leaking liquid refrigerant components are re-evaporated, so that the compressor is always fed only with gaseous refrigerant and liquid hammering in the compressor can be avoided, which can otherwise destroy it permanently.
Anspruch 13 beinhaltet eine an sich bekannte zweckmäßige Methode der Temperaturerfassung – Istwert – an dem Verdampfereingang.claim 13 includes a known convenient method of temperature detection - actual value - at the Evaporator inlet.
Die Merkmale einer Anordnung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens sind in Anspruch 14 angegeben. Danach umfaßt die Anordnung zwei Regler. In einem ersten Regler, der auch als äußerer Regler oder Hauptregler bezeichnet werden kann, wird aus der IST-Temperaturdifferenz des Kältemittels jeweils auf einer Verdampferseite eines Verdampferausgangs einerseits und an einem Verdampfereingang andererseits, ein Sollwert der Einspritztemperatur bzw. eine SOLL-Temperatur des Kältemittels am Verdampfereingang errechnet bzw. gebildet, die in einen dem Hauptregler untergeordneten Regler oder Hilfsregler eingespeist wird, um darin mit der IST-Temperatur des Kältemittels am Verdampfereingang verglichen zu werden. An den Ausgang des untergeordneten Reglers ist das steuerbare Expansionsorgan angeschlossen, das mit dem Eingang des Verdampfers in Verbindung steht.The Features of an exercise arrangement of the control method according to the invention are specified in claim 14. Thereafter, the arrangement comprises two controllers. In a first controller, which also acts as an external controller or main controller can be designated, from the actual temperature difference of the refrigerant respectively on the evaporator side of an evaporator outlet on the one hand and on the other hand, at a vaporizer input, a set value of the injection temperature or a nominal temperature of the refrigerant at the evaporator input calculated or formed, in a the main controller subordinate regulator or auxiliary regulator is fed to it with the actual temperature of the refrigerant to be compared at the evaporator entrance. To the output of the subordinate Reglers is connected to the controllable expansion organ that works with the Input of the evaporator is in communication.
Der untergeordnete Regler ist somit in einem dem Hauptregler, der den Sollwert bildet, unterlagerten oder inneren Regelkreis angeordnet, dessen Regelstrecke der Verdampfereingang ist; er regelt die Temperatur des Kältemittels an dem Verdampfereingang, d.h. die Einspritztemperatur, auf den Sollwert dieser Temperatur. Wie weiter oben für das Verfahren im einzelnen angegeben bestimmt die Temperatur am Verdampfereingang bzw. die Einspritztemperatur die Rate expandierten Kältemittels, die in den Verdampfer gelangt und diesen durchströmt, und zwar ergibt für ein typisches Kältemittel eine kleine, d.h. tiefe Temperatur am Verdampfereingang einen geringen Kältemitteldurchsatz durch den Verdampfer und eine große, d.h. relativ hohe Temperatur am Verdampfereingang einen hohen Kältemitteldurchsatz.Of the subordinate controller is thus in a the main controller, the Nominal value forms, subordinate or inner control loop arranged, whose controlled system is the evaporator inlet; he regulates the temperature of the refrigerant at the evaporator entrance, i. the injection temperature, on the Setpoint of this temperature. As above for the process in detail specified determines the temperature at the evaporator inlet or the Injection temperature the rate of expanded refrigerant entering the evaporator passes and flows through it, and that gives for a typical refrigerant a small, i. low temperature at the evaporator inlet a low Refrigerant flow rate through the evaporator and a large, i. relatively high temperature at Evaporator input a high refrigerant flow rate.
Der unterlagerte oder innere Regelkreis ist Teil eines äußeren Regelkreises, der auch als Hauptregelkreis bezeichnet werden kann, und der den Hauptregler, den ihm untergeordneten Regler, das Expansionsorgan und den Verdampfer mit Temperaturmeßstelle an der Verdampferseite des Verdampferausgangs einschließt.Of the subordinate or inner loop is part of an outer loop, which can also be referred to as the main control loop, and the Main regulator, the subordinate regulator, the expansion organ and the evaporator with Temperaturmeßstelle on the evaporator side includes the evaporator outlet.
Das mit dieser Anordnung ausgeübte Regelungsverfahren, auf dem die Besonderheiten der Anordnung beruhen, ist oben im Zusammenhang mit Anspruch 1 beschrieben.The exercised with this arrangement Regulatory procedure on which the particularities of the order are based, is described above in connection with claim 1.
Zusammenfassend zeigt die Regleranordnung dabei annähernd Zweipunktverhalten für die Regelung des Naßdampfbereichs im Verdampfer. Zweipunktverhalten liegt insbesondere vor, wenn mit dem Regler nur um den ersten vorgegebenen Wert und nicht um den zweiten vorgegebenen Wert der Temperaturdifferenz des Kältemittels auf der Verdampferseite des Verdampferausgangs einerseits und des Verdampfereingangs andererseits geregelt wird. Der Regler ist dann nur für die in Anspruch 14 genannten Bereiche (A) und (B) eingerichtet. – Soweit außer dem ersten vorgegebenen Wert auch der zweite vorgegebene Wert der besagten Temperaturdifferenz die Regelung bestimmt, ist der übergeordnete Regler für eine Dreipunktregelung ausgelegt, bei der die SOLL-Temperatur an dem Eingang des untergeordneten Reglers nicht verändert wird, wenn die ermittelte Temperaturdifferenz des Kältemittels auf der Verdampferseite des Verdampferausgangs und an dem Verdampfereingang zwischen dem ersten und dem zweiten vorgegebenen Wert liegt, jedoch definiert abgesenkt wird, wenn der zweite vorgegebene Wert unterschritten wird, um auch in diesem Fall die SOLL-Temperatur des Kältemittels am Verdampfereingang und damit der Kältemitteldurchsatz so zu ändern, daß der Naßdampfbereich um einen Maximalwert an dem Verdampferausgang nur wenig schwankt.In summary shows the controller arrangement thereby approximately two-point behavior for the control of Naßdampfbereichs in the evaporator. Two-point behavior is especially present when with the controller only by the first predetermined value and not by the second predetermined value of the temperature difference of the refrigerant on the evaporator side of the evaporator outlet on the one hand and the On the other hand, evaporator input is regulated. The regulator is then only for set forth in claim 14 areas (A) and (B) set. - So far except the first predetermined value and the second predetermined value of the said temperature difference determines the scheme is the parent Regulator for designed a three-step control, at which the target temperature on the input of the slave controller is not changed, if the determined temperature difference of the refrigerant on the evaporator side the evaporator outlet and at the evaporator inlet between the first and second predetermined values, but defined is lowered when the second predetermined value falls short is, in this case, too, the target temperature of the refrigerant at the evaporator inlet and thus the refrigerant flow rate to change so that the wet steam fluctuates only slightly over a maximum value at the evaporator outlet.
Durch die Regleranordnung wird der Verdampfer im zeitlichen Mittel weitestgehend mit Naßdampf gefüllt, womit der Wirkungsgrad der Kältemaschine optimiert ist. Trotzdem ist die Regelung nicht instabil.By the controller arrangement, the evaporator as much as possible over time with wet steam filled, what the efficiency of the chiller is optimized. Nevertheless, the regulation is not unstable.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Anordnung sind in den Ansprüchen 15 – 24 angegeben.Further advantageous features of the arrangement are specified in claims 15 - 24.
Wie oben erwähnt, kommt es auf Grund des vorliegenden Regelkonzepts regelmäßig zu einem kurzzeitigen Austritt nicht vollständig verdampften Kältemittels aus dem Verdampfer, wodurch ein dem Verdampfer direkt nachgeschalteter Verdichter störend belastet würde, in dem Flüssigkeitsschläge auftreten können. Um diese zu vermeiden, ist gemäß Anspruch 18 zwischen dem Ausgang des Verdampfers und dem Verdichter ein innerer Wärmetauscher angeordnet, der das Kältemittel vor seinem Eintritt in den Verdichter vollständig gasförmig verdampft und hierzu durch das verdichtete und verflüssigte Kältemittel, welches dem steuerbaren Expansionsorgan zugeführt wird, erwärmt wird. – Außerdem kann der Wärmetauscher in besonders vorteilhafter Weise dazu herangezogen werden, den mit dem Temperatursensor an dem Verdampferausgang erfaßbaren Temperaturhub um einige Kelvin zu erhöhen, indem der Wärmetauscher mit der Temperaturmeßstelle in einem wärmeleitenden Leitungsabschnitt zwischen dem Wärmetauscher und dem Verdampferausgang in Verbindung steht. Der Wärmetauscher kann also verschiedene Funktionen in der Regelanordnung und der damit geregelten Kältemaschine ausüben.As mentioned above, it comes on the basis of the present control concept regularly to a short-term leakage not completely evaporated refrigerant from the evaporator, whereby a directly downstream of the evaporator compressor would be disturbed, in which liquid shocks can occur. In order to avoid this, an internal heat exchanger is arranged between the outlet of the evaporator and the compressor according to claim 18, which vaporizes the refrigerant completely gaseous before its entry into the compressor and for this purpose by the compressed and liquefied refrigerant, which is supplied to the controllable expansion element, is heated. - In addition, the heat exchanger can be used in a particularly advantageous manner to increase detectable with the temperature sensor at the evaporator output temperature elevation by a few Kelvin by the heat exchanger with the temperature measuring in a thermally conductive line section between the heat exchanger and the evaporator outlet is in communication. The heat exchanger can thus perform various functions in the control system and the refrigeration machine controlled thereby.
Um störende Schwankungen der Temperatur des Temperiermediums, d.h. der Badtemperatur im Falle eines Badthermostats rasch auszuregeln, wird die Temperatur tb der Temperierflüssigkeit bzw. die Badtemperatur direkt erfaßt und in dem Hauptregler zeitlich differenziert auf den in dem Haupt regler gebildeten Wert der SOLL-Temperatur am Verdampfereingang aufaddiert, mit der der Sollwerteingang des untergeordneten Reglers beaufschlagt wird. Dadurch wird die Einspritztemperatur bzw. die Temperatur am Verdampfereingang der Temperatur der Temperierflüssigkeit rasch nachgeführt.Around disturbing Fluctuations in the temperature of the tempering medium, i. the bath temperature in the case of a bath thermostat quickly regulate, the temperature tb of the bath liquid or the bath temperature detected directly and in time in the main controller differentiated to the value formed in the main controller of the target temperature added to the evaporator input, with which the setpoint input of the subordinate regulator is applied. This will change the injection temperature or the temperature at the evaporator inlet of the temperature of the bath liquid quickly tracked.
Der
dynamisch stabile und unkomplizierte Regler bzw. Hauptregler ist
mit festem Takt zeitgesteuert, wobei der Regler geeignet ist, nach
jedem zeitgesteuerten Regleraufruf einen Reglerdurchlauf zu absolvieren und
bei jedem Reglerdurchlauf die Sollwerttemperatur (SOLL to 1 ) des
Kältemittels
an dem Verdampfereingang gemäß folgendem
Regelalgorithmus einschließlich
der Generierung der Temperatursprünge der SOLL-Temperatur zu
bilden:
- SOLL_to 1alt
- der Wert der SOLL-Temperatur am Ende eines vorangegangenen Reglerdurchlaufs,
- Δ SOLL_to 1
- der bis zum Ende des aktuellen Regelzyklus Reglerdurchlaufs nach Maßgabe der besagten Temperaturdifferenz gebildete Differenzwert der SOLL-Temperatur,
- Gradienttb
- der Gradient bzw. das zeitliche Differential der Badtemperatur tb.
- SOLL_to 1 old
- the value of the DESIRED temperature at the end of a previous controller cycle,
- Δ SOLL_to 1
- the differential value of the DESIRED temperature formed up to the end of the current control cycle controller cycle in accordance with the said temperature difference,
- Gradienttb
- the gradient or the time differential of the bath temperature tb.
Die Erfindung wird im folgenden exemplarisch anhand einer Zeichnung mit sieben Figuren beschrieben. Es zeigen:The The invention will be described below by way of example with reference to a drawing described with seven figures. Show it:
In
Stromaufwärts eines
Verdampfereingangs
Zwischen
dem Expansionsorgan
Ein
weiterer Temperatursensor
Im
weiteren Kreislauf des Kältemittels
folgen auf den Wärmetauscher
Zur
Regelung der Kältemittelzufuhrrate,
die über
das Expansionsorgan
In
einem äußeren Regelkreis
wird der Hauptregler
In
dem mit festem Takt von 1 Hz zeitgesteuerten Regler
Der
resultierende Sollwert der Temperatur to 1 an dem Verdampfereingang
In
der Kennlinie gemäß
Gemäß
- C. für to 2 – to 1 größer als 3K,
- B. für to 2 – to 1 zwischen 3K und 1,5 K und
- A. für to 2 – to 1 kleiner als 1, 5.
- C. for to 2 - to 1 greater than 3K,
- For example, for to 2 - to 1 between 3K and 1.5K and
- A. for to 2 - to 1 less than 1, 5.
Dabei betragen der oben genannte erste vorgegebene Wert 3 K und der oben genannte zweite vorgegebene Wert 1.5 K.there the above first predetermined value is 3 K and the above said second predetermined value 1.5 K.
In
dem oberen Bereich C vergrößert der
Regler
An
dem Regler
Ausgehend
von diesem Startzustand der Kältemaschine,
der gleichzeitig den Beginn eines ersten Regelzyklus ist, wird an
dem untergeordneten Regler
Das
periodisch an dem Ausgang des Verdampfers austretende, noch nicht
vollständig
verdampfte Kältemittel
wird in dem inneren Wärmetauscher
In
einem anderen Beispiel der Regelung ergeben sich im eingeschwungenen
Zustand folgende typische Betriebszustände:
Verdampfer teilweise
mit vollständig
verdampftem Kältemittel
gefüllt: In another example of the control, the following typical operating states result in the steady state:
Evaporator partially filled with fully vaporized refrigerant:
Verdampfer bis zum Verdampferausgang vollständig mit naßdampfförmigem Kältemittel gefüllt: Evaporator to the evaporator outlet completely filled with wet steam refrigerant:
Der
Temperatursensor
Es hat sich herausgestellt, daß mit dem oben beschriebenen Regelungsverfahren, das als Füllstandsregelung für den Verdampfer mit naßdampfförmigem Kältemittel aufgefaßt werden kann, im Vergleich zu bisherigen Überhitzungsregelungen der Wirkungsgrad des Verdampfers und damit der Kältemaschine deutlich erhöht wird. Damit geht eine Erhöhung der Kühlleistung der Kältemaschine einher. In Badthermostaten wird eine deutlich tiefere Endtemperatur des Temperiermediums erzielt. – Das Regelungsverfahren läßt sich aber auch für andere Kühlsysteme als Badthermostate vorteilhaft einsetzen.It it turned out that with the control method described above, the level control for the Evaporator with wet steam refrigerant conceived can be compared to previous overheating regulations the efficiency the evaporator and thus the chiller clearly increased becomes. This is an increase the cooling capacity the chiller associated. In bath thermostats, a significantly lower final temperature of the tempering achieved. - The Regulatory procedure can be but also for other cooling systems Use as a bath thermostat advantageous.
- 11
- VerdampferEvaporator
- 22
- Badbath
- 33
- Temperatursensortemperature sensor
- 44
- Verdampfereingangevaporator inlet
- 55
- Expansionsorganexpansion element
- 66
- Temperatursensortemperature sensor
- 77
- Drucksensorpressure sensor
- 88th
- Temperatursensortemperature sensor
- 99
- Verdampferausgangevaporator outlet
- 1010
- innerer Wärmetauscher (Zwischenwärmetauscher)internal heat exchangers (Intermediate heat exchanger)
- 1111
- Leitungsabschnittline section
- 1212
- Verdichtercompressor
- 1313
- Verflüssigercondenser
- 1414
- KältemittelsammlerRefrigerant collector
- 1515
- Trocknerdryer
- 1616
- Regler (Hauptregler)regulator (Main controller)
- 1717
- untergeordneter Reglerminor regulator
- 1818
- Eingangentrance
- 1919
- weiterer EingangAnother entrance
- 2020
- Druckleitungpressure line
Claims (24)
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