DE102005048967B4

DE102005048967B4 - Verfahren zum Betreiben einer Kompressionskälteanlage

Info

Publication number: DE102005048967B4
Application number: DE102005048967.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Herrs; Sebastian Ott
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2025-10-14
Also published as: DE102005048967A1

Abstract

Verfahren zum Regeln einer Kompressionskälteanlage mit einem Kältemittel, einem Verdampfer (11), einem Verdichter (12), einem Verflüssiger (13) und einem Drosselorgan (15) mit den Schritten:
a) Bestimmen eines ersten Stellwertes für das Drosselorgan (15) in Abhängigkeit von der Abweichung einer Ist-Überhitzung des Kältemittels von einer Soll-Überhitzung,
b) Ermitteln des Verflüssigerdrucks,
c) Messen des Verdampferdrucks,
d) Bilden eines den Kältemittelmassenstrom am Verdampfereingang mit dem Kältemittelmassenstrom am Verdampferausgang vergleichenden Modells,
e) Berechnen eines zweiten Stellwerts für das Drosselorgan (15) anhand des Modells aus dem Verdampferdruck, dem Verflüssigerdruck und kältekreisspezifischen Größen,
f) Bestimmen eines dritten Stellwertes für das Drosselorgan (15) durch Verknüpfung des ersten Stellwerts mit dem zweiten Stellwert und
g) Einstellen des Drosselorgans (15) auf den dritten Stellwert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Kompressionskälteanlage mit einem Kältemittel, einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger und einem Drosselorgan.
Bei einer Kompressionskälteanlage wird prinzipiell das im Kältekreis der Kompressionskälteanlage befindliche Kältemittel im Verdampfer durch Wärmeentzug des zu kühlenden Mediums verdampft. Im Verdichter erfolgt eine Druck- und damit Temperaturerhöhung. Anschließend wird das Kältemittel im Verflüssiger unter Wärmeabgabe wieder verflüssigt. Durch das Drosselorgan wird das Kältemittel auf den Verdampfungsdruck entspannt.
Derartige Kompressionskälteanlagen werden z. B. für die Beheizung von Räumen und die Bereitung von Brauchwasser eingesetzt; beides wird folgend als Wärmesenke bezeichnet.
Die Regelung der Wärmesenkentemperatur erfolgt üblicherweise durch Ein- und Ausschalten des Verdichters bzw. durch Modulation der Verdichterdrehzahl. Solche Verfahren sind beispielsweise aus der EP 1 355 207 A1 oder DE 43 03 533 A1 bekannt. Weiterhin ist es Aufgabe der Regelung, den Wirkungsgrad des Verdampfers und damit des Kältekreises zu optimieren. Der Wirkungsgrad des Verdampfers hängt u. a. von seinem Befüllungsgrad ab, also davon, welcher Teil des Verdampfers mit Nassdampf und welcher Teil des Verdampfers mit überhitztem Kältemedium gefüllt ist. Je höher der Nassdampfanteil ist, desto geringer ist die Überhitzung und desto besser ist der Wirkungsgrad.
Ist jedoch der gesamte Verdampfer mit Nassdampf gefüllt und gelangt nicht überhitzter Nassdampf in den Verdichter, kann dies zu Verdichterschäden führen. Aber auch eine zu geringe Füllmenge von Kältemittel im Kältekreis kann den Wirkungsgrad des Kältekreises ungünstig beeinflussen, so daß ein wirkungsgradoptimierter Füllgrad des Verdampfers mit Nassdampf dann nicht mehr gewährleistet sein kann.
Als Regelgröße für die Verdampferregelung wird bevorzugt die Überhitzung des Kältemittels am Verdampferausgang verwendet. Diese Überhitzung des Kältemittels lässt sich bevorzugt aus dem Verdampferdruck p₀ und der Temperatur T_0h des überhitzten Kältemittels am Verdampferausgang bestimmen. Temperatur und Druck lassen sich durch geeignete Messaufnehmer problemlos messen. Die Differenz aus Verdampferausgangstemperatur T_0h und Verdampfungstemperatur T₀, die die Temperatur des Kältemittels während der Verdampfung ohne Überhitzung ist, wird berechnet und ist die Ist-Überhitzung ΔT_0h-ist des Kältemittels.
Der Sollwert für die Verdampferüberhitzung kann als Fixwert für die Kälteanlage festgelegt werden. Es ist jedoch vorteilhaft, diesen dem Betriebspunkt der Kälteanlage anzupassen. Dies kann über ein Kennlinienfeld bzw. eine automatische Adaption in Abhängigkeit von dynamisch veränderlichen Größen im Kältekreis erfolgen. So kann beispielsweise bei auftretender Schwingneigung im Regelkreis der Überhitzungssollwert erhöht werden.
Ein Überhitzungsregler ermittelt dann die Differenz von Überhitzungs-Ist- und Sollwert. In Abhängigkeit der Regelabweichung wird die Stellgröße, hier das Drosselorgan, eingestellt.
Es hat sich gezeigt, dass im praktischen Betrieb, insbesondere bei einem großen Bereich zulässiger Verdampfer- und Verflüssigertemperaturen, der Kältekreis stark unterschiedlichen Arbeitsbedingungen ausgesetzt ist. Regelungstechnisch gesehen variiert in Abhängigkeit des jeweiligen Arbeitspunktes die zu regelnde Strecke, der Kältekreis, stark in Verstärkung und Offset. Zur Einstellung der Soll-Überhitzung variiert dann auch das Steuersignal entsprechend in einem großen Bereich.
Wird ein solcher Kältekreis beispielsweise mit einem konventionellen Regler mit voreingestellten Reglerparametern geregelt, ist eine exakte Regelung unabhängig vom jeweiligen Kältekreisarbeitspunkt nicht möglich, da sich der Regler an die arbeitspunktabhängig variierende Strecke nicht anpasst. Weiterhin ist es in diesem Fall nicht möglich, bei Verdichterstart und zu diesem Zeitpunkt noch nicht vorliegenden überhitzungsrelevanten Prozessdaten ein geschätztes Steuersignal auszugeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem die Nachteile der oben genannten Regelungsverfahren vermieden und die Überhitzung des Kältemittels am Verdampferausgang optimal geregelt und damit eine Optimierung des Wirkungsgrads erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten:

a) Bestimmen eines ersten Stellwertes für das Drosselorgan in Abhängigkeit von der Abweichung einer Ist-Überhitzung des Kältemittels von einer Soll-Überhitzung,
b) Ermitteln des Verflüssigerdrucks,
c) Messen des Verdampferdrucks,
d) Bilden eines den Kältemittelmassenstrom am Verdampfereingang mit dem Kältemittelmassenstrom am Verdampferausgang vergleichenden Modells,
e) Berechnen eines zweiten Stellwerts für das Drosselorgan anhand des Modells aus dem Verdampferdruck, dem Verflüssigerdruck und kältekreisspezifischen Größen,
f) Bestimmen eines dritten Stellwertes für das Drosselorgan durch Verknüpfung des ersten Stellwerts mit dem zweiten Stellwert und
g) Einstellen des Drosselorgans auf den dritten Stellwert.

Der Verdampferdruck ist eine für den Kältekreislauf charakteristische Größe, aus der sich, ebenso wie aus dem Verflüssigerdruck, Rückschlüsse auf den Zustand des Kältekreises ziehen lassen. Anhand von Grundgleichungen, die den Kältemittelmassenstrom am Verdampferausgang und Verdampfereingang beschreiben, wird erfindungsgemäß ein Modell entwickelt, welches einen zweiten Stellwert für das Drosselorgan generiert. Wird der erste Stellwert, der aus direkten Messgrößen des Kreislaufes ermittelt wird, mit dem zweiten Stellwert verknüpft, ergibt sich ein dritter Stellwert zur Ansteuerung des Drosselorgans, der das Drosselorgan optimal regelt.
Die Erfindung geht somit von der Annahme aus, dass sich mit Hilfe vereinfachter physikalischer Beschreibungsformeln die Funktionen der im Kältekreis befindlichen Komponenten Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Drosselorgan angenähert beschreiben lassen.
Aus wenigen leicht messbaren Prozesswerten lassen sich dann anhand des Modells weitere schwieriger ermittelbare Prozessgrößen berechnen, insbesondere der zweite Stellwert des Drosselorgans. Fließt dieser erfindungsgemäße zweite Wert als Grundlage in die erfindungsgemäße Berechnung des erfindungsgemäßen dritten Stellwertes durch den Überhitzungsregler mit ein, ergeben sich vorteilhaft der vorausberechnete Wert als ein gut angenäherter Startwert für das Stellsignal des Drosselorgans bei Verdichterstart.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein Expansionsventil, eine Kolbenmaschine oder eine Turbine als Drosselorgan umfassen.
Statt der Prozessgröße des Verdampferdrucks kann auch die Prozessgröße der Verdampfereintrittstemperatur für die Modellbildung verwendet werden, wenn sie mittels der Kältemittelkennlinie in den Verdampferdruck umgerechnet wird.
Bei schnellen Störgrößen im System (schnelle Arbeitspunktänderungen des Kältekreises z. B. durch Temperatursprünge) reagiert das zweite Stellsignal unverzüglich. Durch die Vorausberechnung des Stellwertes ist die Regelkreisverstärkung definiert, der Regler kann daran angepasst werden.
Die Vorteile dieses erfindungsgemäßen zweiten Stellwertes liegen darin, daß er schnell auf Änderungen der Umgebungsbedingungen reagiert, er einen guten Anhaltspunkt beim Start der Kompressionskälteanlage darstellt und als Referenz für eine Kältemittelmangel-Erkennung dient.
Anhand der im Verfahren ermittelten Größen ist es möglich, einen Kältemittelmangel festzustellen. Dieser wird festgestellt, falls während des Regelbetriebs der erste Stellwert für eine parametrisierte Zeitdauer einen Grenzwert überschreitet. Entsprechende Maßnahmen können daraufhin unverzüglich eingeleitet werden, um den optimalen Betrieb der Kompressionskälteanlage möglichst schnell wiederherzustellen.
Beim Start der Anlage, während des Zeitfensters danach und während des Notbetriebs kann das Drosselorgan auf den zweiten Stellwert eingestellt werden. Unmittelbar beim Start liegt noch kein geeigneter erster Stellwert – abgeleitet von der Regelabweichung der Überhitzung – vor, deshalb wird der dritte Stellwert ausschließlich aus dem zweiten Stellwert gebildet.
Ein Offset des Drosselorgans, eine kältekreisspezifische Konstante und ein Exponent gehen als kältekreisspezifische Größen in die Modellbildung ein. Sie sind für einen Kreislauf jeweils vorgegeben und charakteristisch, was eine Einbindung in das Modell einfach macht, da sie nur einmalig eingegeben werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden der erste Stellwert und der zweite Stellwert durch Multiplikation verknüpft. Die multiplikative Verknüpfung führt zu einer Vereinfachung der arbeitspunktabhängigen Auswertung der Kältemittelmangel-Erkennung. Weiterhin trägt die multiplikative Verknüpfung der arbeitspunktabhängigen Streckenverstärkung Rechnung und ergibt eine in etwa gleichbleibende Verstärkung im gesamten Regelkreis.
Für Sonderbetriebsarten, wie zum Beispiel der Abtaubetrieb oder Standby, kann das Drosselorgan auf einen festen Wert eingestellt werden. Eine Einstellung des Drosselorgans auf vorbestimmte Werte in den Sonderbetriebsarten ist kältetechnisch sinnvoll, um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten und den Kältekreis für die Wiederaufnahme des Regelbetriebs zu konditionieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Verflüssigertemperatur der Kompressionskälteanlage gemessen und daraus der Verflüssigerdruck berechnet. Die weiteren Verfahrensschritte sind identisch mit den Schritten a) und c) bis g).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Verflüssigerdruck gemessen.
Die kältekreisspezifische Konstante geht als kennzeichnende Größe in die Modellbildung ein. Sie kann in Laborversuchen für die jeweilige Anlage oder den Anlagentyp ermittelt werden oder vorzugsweise im Regelbetrieb angepasst werden.
Die Verfahrensschritte werden immer dann ausgeführt, wenn der Kältekreis im Hinblick auf eine optimale Überhitzung geregelt wird. Dies erfolgt vorzugsweise regelmäßig, insbesondere kontinuierlich, während des Betriebs der Kompressionskälteanlage.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Wärmepumpe als Kompressionskälteanlage verwendet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Kompressionskälteanlage gemäß der Erfindung,
2 eine Darstellung des Ablaufschemas des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
3 eine weitere Darstellung des Ablaufschemas des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Kompressionskälteanlage ist in 1 dargestellt. Eine Kälteanlage besteht aus den Komponenten Verdampfer 11, Verdichter 12, Verflüssiger 13 und Drosselorgan 15, welche verbunden sind durch ein Leitungssystem, durch welches das Kältemittel geleitet wird.
In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Expansionsventil 15 als Drosselorgan 15 verwendet.
Durch Wärmezufuhr auf niedrigem Temperaturniveau wird ein Medium mit tiefem Siedepunkt (”Kältemittel”, heute meist Ozon-unschädliche FCKWs oder natürliche Stoffe) im Verdampfer 11 verdampft, die gasförmige Phase dann in einem Verdichter 12 verdichtet und dadurch erhitzt. Unter hohem Druck stehend gibt das Arbeitsmittel seine Wärme zur Nutzung am Verflüssiger 13 ab (Heizungswasser, Luftstrom) und kondensiert dabei. Durch ein Expansionsventil 15 tritt das Arbeitsmittel wieder in den Teilkreislauf mit geringem Druck ein und wird wiederum dem Verdampfer 11 zugeführt, an dessen Ausgang der Verdampferdruck mit der Messeinheit 16 bestimmt wird.
Die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Kältemittel ermöglicht einen Wärmestrom zum Verdampfer 11. Anschließend wird der Kältemitteldampf vom Verdichter 12 angesaugt und komprimiert. Die Temperatur des Kältemittels wird dabei über das Temperaturniveau der Wärmeverteilung „gepumpt”. Am Verflüssiger 13 liegt wieder eine Temperaturdifferenz vor, und es kommt zu einem Wärmestrom, zur Wärmeverteilung. Das unter Hochdruck stehende Kältemittel kühlt wieder ab, kondensiert und wird über ein Expansionsventil 15 entspannt. Der gesamte Vorgang erfolgt erneut und befindet sich dadurch in einem Kreisprozess.
Die Kältemaschine weist erfindungsgemäß zusätzlich eine Bestimmungseinheit 21 zum Bestimmen eines ersten Stellwertes W₁ für das Expansionsventil 15 in Abhängigkeit von der Abweichung einer Ist-Überhitzung des Kältemittels von einer Soll-Überhitzung auf. Ferner wird eine Einheit 14 zum Ermitteln des Verflüssigerdrucks und eine Messeinheit 16 zum Messen des Verdampferdrucks vorgesehen. Eine Einheit 17 zum Bilden eines Modells, welches den Kältemittelmassenstrom am Verdampfereingang vergleicht mit dem Kältemittelmassenstrom am Verdampferausgang, eine Recheneinheit 18 zum Berechnen eines zweiten Stellwerts W₂ für das Expansionsventil 15 anhand des Modells aus dem Verdampferdruck, dem Verflüssigerdruck und kältekreisspezifischen Größen, eine Bestimmungseinheit 19 zum Bestimmen eines dritten Stellwertes W₃ für das Expansionsventil 15 durch Verknüpfung des ersten Stellwerts W₁ mit dem zweiten Stellwert W₂ und eine Stelleinheit 20 zum Einstellen des Expansionsventils 15 auf den dritten Stellwert W₃ wird ebenfalls vorgesehen.
Während des Verfahrens zum Regeln einer Kompressionskälteanlage ermittelt die Einheit 14 den Verflüssigerdruck und die Messeinheit 16 misst den Verdampferdruck am Verdampferausgang. Aus dem Verdampfungsdruck wird die Verdampfungstemperatur ermittelt. Die Formel zur Berechnung ist eine formelmäßige Näherung an durch Messungen gefundene Abhängigkeiten bei dem jeweils verwendeten Kältemittel.
Aus der Verdampfungstemperatur und der Verdampferausgangstemperatur lässt sich die momentane Ist-Überhitzung des Kältemittels ableiten. Aus dem Vergleich der Ist-Überhitzung mit der Soll-Überhitzung wird mittels eines Reglers ein erster Stellwert W₁ für das Expansionsventil 15 bestimmt, auf den der Öffnungswinkel des Expansionsventils 15 eingestellt und somit der Kältemittellauf im Kreislauf reguliert wird. Ist die Ist-Überhitzung größer als die Soll-Überhitzung, so soll das Stellorgan auffahren, das heißt das erste Stellsignal wird größer. Ist die Ist-Überhitzung kleiner als die Soll-Überhitzung, so soll das Stellorgan zufahren, das heißt das erste Stellsignal wird kleiner. Der Regler kann dabei als P, PI, I oder PID-Regler ausgeführt sein.
Während des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich zu dem ersten Stellwert W₁ noch ein zweiter Stellwert W₂ und dritter Stellwert W₃ ermittelt. Dazu wird in der Einheit 17 ein Modell gebildet, welches den Kältemittelmassenstrom am Verdampfereingang mit dem Kältemittelmassenstrom am Verdampferausgang vergleicht. In der Recheneinheit 18 wird ein zweiter Stellwert W₂ für das Expansionsventil 15 anhand des Modells aus dem Verdampferdruck, dem Verflüssigerdruck und kältekreisspezifischen Größen berechnet.
Die Bestimmungseinheit 19 verknüpft den ersten Stellwert W₁ mit dem zweiten Stellwert W₂ und bestimmt auf diese Weise einen dritten Stellwert W₃, auf dessen Wert das Expansionsventil 15 mittels der Stelleinheit 20 eingestellt wird.
In 2 ist dargestellt, wie ein Regelkreis für die Verdampferüberhitzung unter Einbeziehung der vorausberechneten Stellsignalgröße betrieben werden kann.
In Block B1 erfolgt die Vorbehandlung und Auswertung der Sensorsignale aus dem Kältekreis. Die Sensorsignale werden mittels Tiefpass von Störsignalen (beispielsweise 50 Hz Brumm) befreit, die Fühlerzeitkonstanten werden kompensiert. Weiterhin erfolgt die Berechnung der Ist-Überhitzung aus Verdampferausgangstemperatur und Verdampferdruck sowie die Berechnung des Verflüssigerdrucks aus der Verflüssigertemperatur.
Die Eingangssignale des Blocks B1 sind der Verdampferdruck p₀, die Verdichtereingangstemperatur t_v1, die Verdampferausgangstemperatur t₀₂ und die Verflüssigerausgangstemperatur t_c2.
Wenn im Kältekreis kein Rekuperator eingebaut ist, sind beide Temperaturen (Verdichtereingangstemperatur t_v1 und Verdampferausgangstemperatur t₀₂) gleich, weil der Verdampferausgang unmittelbar an den Verdichtereingang geschaltet ist. Wird ein Rekuperator dazwischengeschaltet, erhöht er durch Wärmeabgabe die Kältemitteltemperatur beim Durchgang, und die Überhitzung kann entweder vor oder nach dem Rekuperator geregelt werden, je nach Design des Kältekreisregelung.
In Block B3 erfolgt dann mit Hilfe der Prozesswerte aus Block B1 die Vorausberechnung des zweiten Stellsignals für das Expansionsventil mit Hilfe des kältetechnischen Modells.
In Block B2 wird eine Pendelerkennung des Signals durchgeführt, und zusammen mit Block B5 wird mittels der Prozesswerte aus Block B1 der Arbeitspunkt des Kältekreises bewertet und eine entsprechende Soll-Überhitzung festgelegt.
In Block B4, einem Regler, wird die Regelabweichung der Überhitzung (Differenzbildung von Ist-Überhitzung ΔT_Ist und Soll-Überhitzung ΔT_Soll) zugeführt und ein von der Regelabweichung beeinflusstes Stellsignal ausgegeben. In diesem Verfahrensschritt berechnet sich der erste Stellwert.
Anschließend wird das zweite Stellsignal mit Hilfe des kältetechnischen Modells mit dem von der Regelabweichung beeinflussten ersten Stellsignal zu einem Gesamtstellsignal verknüpft. In vorteilhafter Weise geschieht dies durch Multiplikation. In diesem Fall ist der durch den Reglerausgang gebildete Faktor = 1, insofern keine Regelabweichung vorliegt.
Ergibt sich eine Regelabweichung der Überhitzung, ist der durch den Reglerausgang gebildete Faktor ungleich 1, und das vorausberechnete Stellsignal wird mit Hilfe des kältetechnischen Modells entsprechend korrigiert. Es sind jedoch auch andere mathematische Verknüpfungen wie Addition oder Wichtung möglich.
Das vorausberechnete Stellsignal durchläuft Block B6 zur Weiterbehandlung. Hier wird das dritte Stellsignal beispielsweise an die Steuerbereichsgrenzen des Expansionsventils angepasst, und es erfolgt auch eine Begrenzung des Steuersignalanstiegs, um die Zeitkonstante des Kältekreises nicht zu „überfordern”. Damit ist gemeint, daß es regelungstechnisch nicht erforderlich ist, wenn die Stellgeschwindigkeit des Stellorgans die Zeitkonstante des Kältekreises um ein Vielfaches (zum Beispiel um einen Faktor von 100) übersteigt. In diesem Fall würde bei sehr kurzfristigen Störeinflüssen (EMV, Messsignalschwankungen etc.) ein sehr kurzfristig schwankendes Stellsignal berechnet werden, welches durch die Zeitkonstante des Kältekreises völlig weggedämpft würde, aber das Stellorgan belastet.
Dies ist besonders vorteilhaft, da das Ventil nicht unendlich schnell verstellt werden kann und der Kälteprozess nicht beliebig schnell reagiert. Weiterhin begrenzt Block 6 das Stellsignal auf den physikalischen Stellbereich des Ventils.
In Block B7 wird in Abhängigkeit des Betriebszustandes ausgewählt, welches Signal als Steuersignal an das Stellorgan weitergeleitet wird. Im Regelbetrieb wird das mathematisch verknüpfte und begrenzte Steuersignal weitergeleitet, wie bereits dargelegt. Weitere Betriebsarten sind der pump-down Betrieb, eine vorliegende Störung oder der Abtaubetrieb.
Bei einer festgelegten Zeitspanne nach Verdichteranlauf kann es erforderlich sein, dass nur das vorausberechnete Steuersignal an das Stellorgan weitergeleitet wird, weil der Regler aufgrund der stark dynamischen Vorgänge im Kältekreis kein sinnvolles Reglerausgangssignal liefern kann.
Bei Sonderbetriebsarten wie Abtaubetrieb oder Standby wird vorteilhafterweise ein Festwert an das Stellorgan weitergeleitet.
Block 8 ist eine Auswerteeinheit, mit deren Hilfe das erste Stellsignal bewertet wird. Im Falle einer Kältemittelmangelerkennung wird bewertet, ob das erste Stellsignal in der Betriebsart Regelbetrieb für eine Mindestzeitspanne einen parametrisierten Wert (hier einen Wert >> 1) überschreitet. In diesem Fall wird ein Kältemittelmangel erkannt, dies zur Anzeige gebracht und gegebenenfalls in Block 7 eine veränderte Verarbeitung des dritten Stellsignals bewirkt, zum Beispiel Notbetrieb.
Mit M ist der Stellmotor des Expansionsventils bezeichnet, der mit diesem gekoppelt ist.
In 3 ist das Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Als Prozessgrößen fließen in die Berechnungen der Verdampferdruck p₀, der Verflüssigerdruck p_c und die zugehörigen Temperaturgrößen ein.
Beispielhaft sind im folgenden vereinfachte Abhängigkeiten für die Vorausberechnung des Stellsignals für ein Expansionsventil eines Kältekreises einer Kompressionskältemaschine beschrieben.
Das Modell basiert auf dem physikalischen Hintergrund, dass in einem Kältekreis im eingeschwungenen Zustand bei konstanten Umgebungsbedingungen der Kältemittelmassenstrom am Verdampfereingang (vom Expansionsventil in den Verdampfer) gleich dem Kältemittelmassenstrom am Verdampferausgang (vom Verdampfer zum Verdichter) ist.
Zu der Modellbildung werden hierzu die beiden Kältemittelmassenströme mit ihren jeweiligen Einflussgrößen, die im Kältekreis gemessen werden, gleichgesetzt. Weiterhin fließen physikalische Abhängigkeiten in Verdichter und Expansionsventil in die Modellbildung mit ein.
Der Massenstrom am Verdampferausgang ist vom Förderverhalten des Verdichters abhängig. Dieser wird maßgeblich von den Kältemitteldrücken auf der Hochdruck- und Niederdruckseite des Kältekreislaufs sowie vom dadurch beeinflussten Liefergrad bestimmt. Im Faktor const₁ ist die bauartbedingte Förderleistung für das verwendete Kältemittel des Verdichters parametrisiert. Dies bezieht sich auf einen charakteristischen Arbeitspunkt, für andere Arbeitspunkte werden Abweichungen toleriert, die üblicherweise einem Verdichterdatenblatt zu entnehmen bzw. durch Labormessungen zu ermitteln sind.
Als Formel zur Berechnung des Ansaugmassenstroms des Verdichters aus dem Verdampferdruck p₀ und dem Verflüssigerdruck p_c unter Einbeziehung des Liefergradverlaufs (fiktive liniearisierte Liefergradkurve) gilt:
wobei
gilt.
Der Massenstrom am Verdampfereingang ist vom Massendurchsatz am Expansionsventil abhängig. Dieser wird maßgeblich von den Kältemitteldrücken auf der Hochdruck- und Niederdruckseite sowie vom mittleren Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils bestimmt. Der Öffnungsquerschnitt wird bei elektronischen Expansionsventilen über eine Steuerung oder Regelung angesteuert. Im Faktor const₂ ist der Massendurchsatz des Expansionsventils für das verwendete Kältemittel parametrisiert. Dies bezieht sich auf einen charakteristischen Arbeitspunkt, für andere Arbeitspunkte werden Abweichungen toleriert.
Als Formel zur Berechnung des Massenstroms an der Düse aus dem Verdampferdruck p₀, dem Verflüssigerdruck p_c und dem Düsenquerschnitt des Expansionsventils gilt:
In einem Kältekreis ist im eingeschwungenen Zustand bei konstanten Umgebungsbedingungen der Kältemittelmassenstrom am Verdampfereingang gleich dem Kältemittelmassenstrom am Verdampferausgang. Daraus folgt: Massenstrom_Düse = Ansaugmasse_Verdichter
Gleichsetzen der Formeln für die Massenströme und Auflösung nach dem Düsenquerschnitt als Stellgröße ergibt:
Der Zusammenhang zwischen Düsenquerschnitt und Steuersignal für ein Expansionsventil mit konischer Düsennadel besteht in:
Im folgenden ist beschrieben, wie in Abhängigkeit einer beispielhaften Ventilkennlinie mit Offset der Düsenquerschnitt durch einen Stellschritt ersetzt werden kann.
Der Faktor des Verdichterliefergrads und der Zusammenhang zwischen Düsenquerschnitt und Steuersignal für ein Expansionsventil lässt sich näherungsweise in Exp_{Ventilkennlinie} und in const integrieren:
Der Verdampferdruck und der Verflüssigerdruck werden als Prozessgrößen im Kältekreis gemessen. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform lässt sich der Verflüssigerdruck mittels Kältemitteldaten aus der Verflüssigertemperatur berechnen.
Als Fixgrößen gehen in das Modell ein: der Exponent Exp, der Offset und die kältekreisspezifische Konstante const, wobei diese Fixgrößen von den jeweiligen Komponenten eines Kältekreises abhängig sind. Als feste Größe geht der Offset des Expansionsventils ein, der die Anzahl der Stellschritte bis zum ersten Öffnen beschreibt. Der Exponent bildet sowohl die Funktion des Düsenquerschnitts über den Stellgrad als auch die Funktion des Liefergrades des Verdichters ab. Durch die durch den Exponenten gebildete Exponentialfunktion werden die kältekreiskomponenten-spezifischen Funktionen angenähert.
Die Parametrisierung des Modells erfolgt dabei über eine einzige kältekreisabhängige Konstante const. Diese Kenngröße bildet die Summe der Parameter in Verdichter, Verflüssiger, Expansionsventil und Verdampfer, welche durch Labormessungen oder Berechnung bestimmt wird. Als weitere vorteilhafte Ausführungsform kann die kältekreisspezifische Konstante const im Betrieb des Kältekreises so adaptiert werden, dass die Berechnung der Expansionsventilschritte aufgrund des Kältekreismodells immer genauer wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist es, die beispielsweise in Laborversuchen ermittelte kältekreisspezifische Konstante const im Laufe des Betriebes so zu adaptieren, dass das mit Hilfe des kältetechnischen Modells unter Einbeziehung der Konstante const gewonnene Steuersignal sich optimal an den Kälteprozess anpasst. In diesem Fall sind die durch eine Regelabweichung nötigen Korrekturen des Reglers in Block B4 minimal, die Regelung erfolgt sehr exakt.
Weiterhin kann aus dem Verhalten des geschlossenen Regelkreises ein Rückschluss auf vorliegenden Kältemittelmangel gezogen werden. Die im kältetechnischen Modell beschriebenen Zusammenhänge basieren auf der Annahme, dass eine zum Betrieb des Kältekreises ausreichende Menge an Kältemittel vorhanden ist. Entweicht Kältemittel z. B. durch Leckagen oder ist der Kältekreis vor Inbetriebnahme oder nach Komponentenwechsel unzureichend gefüllt, ist zur Einstellung der Überhitzung in bestimmten Betriebspunkten eine vom kältetechnischen Modell abweichende Stellgröße des Expansionsventils erforderlich.
Dies äußert sich im Betrieb darin, dass das durch das kältetechnische Modell vorgegebene Steuersignal (Block B3) durch den Regler (Block B4) in stärkerem Maße korrigiert werden muss. Dies wiederum hat zur Folge, dass zur Einstellung der Soll-Überhitzung ein weit größeres Stellsignal erforderlich ist als vorausberechnet, d. h. bei multiplikativer Verknüpfung der Steuersignale ist das Reglerausgangssignal bei eingeschwungenem Regelkreis wesentlich größer als 1.
Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der ein Kältemittelmangel erkannt und entsprechende Maßnahmen ausgelöst werden, wenn im eingeschwungenen Zustand des Regelkreises im Regelbetrieb das Stellsignal, welches das Ausgangssignal des Überhitzungsreglers ist, für eine festgelegte Zeit über einen festgelegten Wert erkannt wird.
Das Expansionsventil in einer bevorzugten Ausführungsform kann je nach Betriebsmodus auf jeden der drei Stellwerte angepasst werden, um die Funktionsweise dem jeweiligen Betrieb optimal anzupassen.

Claims

Verfahren zum Regeln einer Kompressionskälteanlage mit einem Kältemittel, einem Verdampfer (11), einem Verdichter (12), einem Verflüssiger (13) und einem Drosselorgan (15) mit den Schritten: a) Bestimmen eines ersten Stellwertes für das Drosselorgan (15) in Abhängigkeit von der Abweichung einer Ist-Überhitzung des Kältemittels von einer Soll-Überhitzung, b) Ermitteln des Verflüssigerdrucks, c) Messen des Verdampferdrucks, d) Bilden eines den Kältemittelmassenstrom am Verdampfereingang mit dem Kältemittelmassenstrom am Verdampferausgang vergleichenden Modells, e) Berechnen eines zweiten Stellwerts für das Drosselorgan (15) anhand des Modells aus dem Verdampferdruck, dem Verflüssigerdruck und kältekreisspezifischen Größen, f) Bestimmen eines dritten Stellwertes für das Drosselorgan (15) durch Verknüpfung des ersten Stellwerts mit dem zweiten Stellwert und g) Einstellen des Drosselorgans (15) auf den dritten Stellwert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) folgende Teilschritte umfasst: – Messen des Verdampferdrucks und der Kältemitteltemperatur am Verdampferausgang – Berechnen der Verdampfungstemperatur aus dem Verdampferdruck und kältemittelspezifischen Daten, – Bestimmung einer Ist-Überhitzung des Kältemittels am Verdampferausgang aus der Differenz der Kältemitteltemperatur und der Verdampfungstemperatur, – Bestimmen der Abweichung der Ist-Überhitzung von einer Soll-Überhitzung, und – Bestimmen eines ersten Stellwertes für das Drosselorgan in Abhängigkeit von der Abweichung der Ist-Überhitzung von der Soll-Überhitzung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan (15) ein Expansionsventil, eine Kolbenmaschine oder eine Turbine ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Modell der Verdampferdruck und der Verflüssigerdruck als Prozessgrößen und ein Offset des Drosselorgans, eine kältekreisspezifische Konstante und ein Exponent als kältekreisspezifische Größen eingehen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Modell statt der Prozessgröße des Verdampferdrucks die Prozessgröße der Verdampfereintrittstemperatur eingeht, wobei sie mittels der Kältemittelkennlinie in den Verdampferdruck umgerechnet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kältemittelmangel festgestellt wird, falls während des Regelbetriebs der erste Stellwert für eine parametrisierte Zeitdauer einen Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Stellwert durch Multiplikation des ersten Stellwerts mit dem zweiten Stellwert bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan (15) bei Sonderbetriebsarten auf einen Festwert eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselorgan beim Abtaubetrieb oder Standby auf einen Festwert eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verflüssigertemperatur gemessen und der Verflüssigerdruck aus der Verflüssigertemperatur berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verflüssigerdruck gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kältekreisspezifische Konstante im Laufe des Betriebes den Stellwert optimal an den Kälteprozess anpasst.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kältekreisspezifische Konstante in Laborversuchen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis g) regelmäßig ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis g) kontinuierlich ausgeführt werden.