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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Kältemittelverlusts
von Kälteanlagen.
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Die
gegenwärtig
am meisten verwendeten Kältemittel
in der gesamten Kälte-
und Klimatechnik sind die so genannten FKW, fluorierte Kohlenwasserstoffe.
Diese besitzen hervorragende Eigenschaften für die Anwendung in diesem Bereich,
sind aber mit dem Nachteil behaftet, dass sie wegen ihres Treibhauspotentials
zur globalen Erwärmung
der Erdatmosphäre
beitragen. Sie stehen deshalb erheblich in der Kritik und es wird
auch ein Verbot ihrer Anwendung erwogen. Dagegen steht das Argument
der Hersteller und Anwender kälte-
und klimatechnischer Anlagen, dass die Schädigung der Umwelt nicht durch
die Anwendung der FKW-Kältemittel
selbst erfolgt, sondern erst dann eintritt, wenn bei ihrer Anwendung
Gelegenheit besteht, dass die Kältemittel aus
dem geschlossenen System der jeweiligen Kälteanlage unkontrolliert austreten
und dabei in die Atmosphäre
gelangen.
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Es
bestehen deshalb erhebliche Anstrengungen in Wissenschaft und Industrie,
die Anlagendichtheit und die Technologie des Umganges mit den FKW-Kältemitteln
deutlich dahingehend zu verbessern, dass die Dichtheit der Anlagen
erhöht
wird. Im Idealfall verbleibt das gesamte bei der Inbetriebnahme
einer neuen Anlage eingefüllte
Kältemittel
bis zur Beendigung der Lebensdauer der Anlage im System und wird
bei deren Stilllegung kontrolliert entsorgt.
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Tatsächlich ergeben
sich im praktischen Betrieb von derartigen Kälte- und Klimaanlagen, im Weiteren
nur mit Kälteanlagen
bezeichnet, minimalste Lecks, die sich im Laufe der Zeit zu einer
messbaren Größe summieren
können.
In einer Richtlinie (VDMA-Richtlinie 24243-1) sind technisch vertretbare Werte
für Lecks
vorgegeben, bei deren Einhaltung die Anlage als ausreichend dicht
gilt.
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Nicht
betrachtet werden dabei die Fälle,
bei denen durch eine Havarie, z. B. durch einen Rohrleitungsbruch
oder das Versagen einer Dichtung, das gesamte Kältemittel in kurzer Zeit vollständig verloren
geht. Diese Fälle
der Undichtheit müssen
durch konstruktive und betriebstechnische Maßnahmen auf ein Minimum begrenzt
und weitgehend ausgeschlossen werden.
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Um
den Nachweis über
die Einhaltung bzw. Unterbietung der zulässigen Leckwerte für in Betrieb befindliche
Anlagen zu erbringen, ist eine entsprechende Messtechnik erforderlich.
Bei der Herstellung der Komponenten einer Anlage bzw. der kompletten Anlagen
werden dazu bewährte äußere Lecksuchtechniken
angewendet, bei denen das System unter einen inneren Überdruck
mit dem vorgesehenen Kältemittel
oder einem vergleichbaren Stoff gesetzt wird und die vermeintlichen
Leckstellen mittels Lecksuchgeräten „abgeschnüffelt” werden.
Dabei wird aus der unmittelbaren Umgebung der Leckstelle Luft in
einen Ionisator gesaugt, der bei Beladung der Luft mit Fluorionen über einen
Detektor ein akustisches oder optisches Signal abgibt. Eine ähnliche
Methode ist die Lecksuche mittels Heliumdetektoren, die vorwiegend als
integrale Lecksuche kleiner Anlagen durch Überstülpen einer Haube und Analyse
des Gasgemisches in der Haube durchgeführt wird. Die Messgenauigkeit derartiger
Verfahren ist sehr hoch und reicht bis zu wenigen Gramm jährlich.
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Daneben
existieren Groblecksuchverfahren, wie z. B. die Füllung einer
neuen Anlage mit Luft oder Stickstoff und der Beobachtung der Druckkonstanz über einen
angemessenen Zeitraum. Diese Groblecksuchverfahren sind jedoch bei
den hohen Anforderungen an die Dichtheit der Anlagen nur als Vorprüfungen geeignet.
Hier soll deshalb darauf nicht näher
eingegangen werden.
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Während die
Technologie der Dichtheitsprüfung
für neu
errichtete Anlagen auf die genannte Art und Weise weitgehend und
ausreichend beherrscht wird, besteht für den Nachweis der Betriebsdichtheit über einen
längeren
Zeitraum wesentlicher Handlungsbedarf. Die Methoden der Lecksuche
bei der Herstellung der Anlagen sind für in Betrieb befindliche Anlagen
nicht oder nur mit erheblichem Aufwand geeignet.
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In
der kälte-
und klimatechnischen Praxis wird eine Anlage gewöhnlich so lange betrieben,
wie keine Störungen
auftreten. Bei Kältemittelverlust macht
sich eine Störung
meist durch Absinken des Saugdruckes und in der Folge durch Nachlassen
der Kälteleistung
bemerkbar. Bei Anlagen, die an der Leistungsgrenze betrieben werden,
kann das zu einem frühen
Zeitpunkt sein, während
bei Anlagen mit Leistungsreserven oder großer Füllungsreserve schon viel Kältemittel
verloren gegangen sein kann, bevor es am Saugdruck bzw. an den Leistungsdaten bemerkt
wird.
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Mit
der Verschärfung
der Dichtheitsvorschriften sind in letzter Zeit einige Verfahren
bekannt geworden, mit denen versucht wird, eine Aussage zur Dichtheit
einer Anlage während
des laufenden Betriebes zu gewinnen.
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So
wurde eine äußere Überwachungsmethode
bekannt, die der örtlichen
Lecksuchmethode neuer Anlagen nahe kommt (multi Port system von
Parasense, GB). Dabei werden alle potentiellen Leckstellen der Anlage
mit Leckdetektoren ausgestattet und die abgesaugten Luftströme der Messköpfe werden an
einem Gaschromatographen als Mess- und Auswertegerät zusammengeführt und
kontinuierlich analysiert. Tritt an einer überwachten Stelle ein Leck
auf, erfolgt eine Signalisierung und die Anlage kann an dieser Stelle
wieder abgedichtet werden.
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Dieses
Verfahren hat den Vorteil, dass es ein äußeres Verfahren ist, das dem
Lecksuchverfahren bei der Prüfung
einer neuen Anlage in deren Herstellungsprozess nahe kommt und damit
auf bewährter Technik
beruht. Man kann auch unmittelbar diejenige Stelle der Anlage identifizieren,
an der das Leck entstanden ist. Die Schwierigkeit besteht im großen Aufwand
für die
automatische Überwachung
der vielen potentiellen Leckstellen ausgedehnter Anlagen und den
hohen Kosten für
das Analysegerät.
Ein weiteres Problem ergibt sich daraus, dass an den zu prüfenden Stellen
der Anlage die umgebende Luft keine Fremdgase enthalten darf, die
den Leckdetektor zum Ansprechen bringen. Das ist in der industriellen
und gewerblichen Praxis meist kaum zu gewährleisten.
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Schon
früher
wurde ein inneres Verfahren bekannt, das kurz vor dem Erreichen
der Grenze einer Leistungsminderung die Anzeige über einen Kältemittelverlust ermöglicht (
DE 39 13 521 C2 ).
Bei diesem Verfahren werden Saugdruck und Verdichtungstemperatur
der Anlage überwacht
und mathematisch verknüpft.
Es wird eine Relation zu den Werten der Neuanlage gebildet und in
einem Auswertegerät
verarbeitet. Bei Erreichen eines eingestellten Grenzwertes gibt
das Auswertegerät
ein Signal über
den Kältemittelverlust
und die Anlage kann repariert werden, bevor die Kälteleistung
den erwarteten Wert nicht mehr erreicht.
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Dieses
Verfahren hat den Vorteil, dass mit wenigen Messwerten und einfachen
Hard- und Softwarekonfigurationen
für die Überwachungs-
und Auswerteaufgabe ein zuverlässiges
Ergebnis im Sinne der Aufgabenstellung erreicht wird. Wesentlicher Nachteil
dieses Verfahrens ist der späte
Ansprechzeitpunkt für
ein Signal zum eingetretenen Kältemittelverlust.
Bei Anlagen mit Sammler kann man gewöhnlich davon ausgehen, dass
der Sammler eine Kältemittelreserve
enthält
und dass die Veränderung der
genannten Messgrößen Saugdruck
und Verdichtungstemperatur so lange unverändert bleibt, solange das Kältemittel
im Sammler den betriebstechnisch bedingten Minimalwert nicht unterschreitet.
Damit ist im Allgemeinen an der Ansprechschwelle schon ein erheblicher
Kältemittelverlust
zu verzeichnen, bevor das Verfahren den Verlust detektiert. Damit
ist das Verfahren für
die kontinuierliche Leckdetektion vom Zeitpunkt der Inbetriebnahme
an nicht geeignet. Es ist offenbar nur unter dem Gesichtspunkt der
rechtzeitigen Warnung vor Minderleistung entwickelt worden, nicht
vorrangig für
die Lecküberwachung
an sich.
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Aus
der
DE 30 43 221 A1 ist
eine Anordnung zur Überwachung
der Kältemittelmenge
im Kältemittelkreislauf
eines Kälteaggregates
oder einer Wärmepumpe
bekannt, wobei während
des Betriebes der Differenzdruck am Expansionsventil gemessen und
mit einem Referenzwert verglichen wird.
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Weiterhin
offenbart die
DE 40
08 887 C2 eine Kälteanlage
mit einem in Reihe geschalteten Kompressor, Kondensator, Expansionsventil
und Verdampfer. Eine Überwachungseinrichtung
vergleicht den Sollwert des Kältemitteldruckes
im Kondensator mit dem Öffnungsgrad
des Expansionsventils, wobei eine Fehlermeldung dann ausgeben wird,
wenn sowohl der Kältemitteldruck
als auch der Öffnungsgrad länger als
eine vorgegebene Zeitspanne ihren maximalen Wert beibehalten.
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Ein
weiteres inneres Verfahren ist bekannt geworden, das die kontinuierliche Überwachung
ermöglicht
und von Anfang an Verlustwerte anzeigt. Bei diesem Verfahren wird
die Kältemittelfüllmenge
der Anlage durch Umschaltung des Betriebsprozesses der Anlage auf
einen der Fülltechnologie
bei der Anlagenherstellung entsprechenden Prozess ermittelt. Der
aktuelle Füllzustand
wird mit den Daten für
die Neufüllung
verglichen (
JP 2005308393
A ). Bei dieser Lösung
wird die Tatsache genutzt, dass es sich um Geräte handelt, die in großen Stückzahlen
produziert werden und die nach einer automatischen Technologie gefüllt werden.
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Der
Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Leckdetektion
von Anfang an erfolgen kann und im Rahmen der Genauigkeit des Verfahrens
eine gute Empfindlichkeit aufweisen soll. Damit könnten die
in der genannten VDMA-Richtlinie
24243-1 vorgegebenen Nachweiswerte erreicht werden. Nachteilig ist
der hohe Aufwand an zusätzlicher
Instrumentierung für
den einfachen Kälteprozess
durch zusätzlichen
Bedarf für
Umschaltventile und Füllstandsmesser.
Es ist kaum zu erwarten, dass dieses Verfahren wegen der damit verbundenen
Kosten eine praktische Verbreitung finden wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein inneres Leckdetektionsverfahren
zu entwickeln, das die Nachteile der genannten Verfahren vermeidet
und die Möglichkeit
bietet, während
des laufenden Betriebes der Anlage bzw. in einer kurzen Betriebspause
ohne erheblichen Zusatzaufwand in bestimmten Zeitabständen eine
Aussage über
die aktuell in der Anlage befindliche Kältemittelmenge zu gewinnen
und mit der Sollmenge zu vergleichen. Dabei soll eine Genauigkeit
erreicht werden, die mit den Anforderungen der genannten VDMA-Richtlinie korrespondiert.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1, 3 und 5 gelöst.
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Die
erfindungsgemäßen Verfahren
machen sich dabei die Druck-Volumen-Beziehung bei der Verdichtung von Gasen
(also auch von Kältemitteln), bzw.
die benötige
Zeit bei der Verdichtung zu Nutze.
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Bei
einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung
des Kältemittelverlusts
von Kälteanlagen
mit einem Verdichter, einer Absaugschaltung und einem verdampfenden
Kältemittel
erfolgt zunächst
das Absaugen bis zu einem vorgegebenen Druck auf der Saugseite des Verdichters.
Anschließend
wird der sich auf der Druckseite des Verdichters einstellende Hochdruck gemessen
und mit einem sich bei der Sollfüllmenge des
Kältemittels
ergebenen Referenzdruck verglichen und ausgewertet.
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Bei
einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verflüssiger abgeschaltet
und der Druck auf der Druckseite des Verdichters bis zu einem Referenzdruck
gesteigert. Der sich dabei einstellende Saugdruck auf der Saugseite des
Verdichters wird gemessen und mit dem sich bei der Sollfüllmenge
des Kältemittels
ergebenen Referenzsaugdruck verglichen und ausgewertet.
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Bei
einer dritten Ausgestaltung das erfindungsgemäßen Verfahrens wird ebenfalls
der Verflüssiger
abgeschaltet und der Druck auf der Druckseite des Verdichters bis
zu einem Referenzdruck gesteigert, wobei die Zeit bis zum Erreichen
des Referenzdruckes gemessen und mit der Sollzeit, die sich bei
der Sollfüllmenge
des Kältemittels
einstellen würde,
verglichen und ausgewertet wird.
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Alle
drei Ausgestaltungen machen dabei von den ohnehin vorhandenen Bauteilen
Gebrauch. Es ist lediglich noch eine Steuer- und Auswerteeinrichtung
erforderlich.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Differenz zwischen gemessenem Hochdruck und Referenzhochdruck, zwischen
gemessenem Saugdruck und Referenzsaugdruck bzw. zwischen gemessener
Zeit und Sollzeit ermöglicht
die Ermittlung der fehlenden Kältemittelmenge.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand
der Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen
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1 ein
Blockschaltbild einer Kälteanlage,
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2 eine
grafische Darstellung der Beziehung zwischen Druckdifferenz und
fehlender Kältemittelmenge
und
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3 eine
grafische Darstellung der Beziehung zwischen Zeitdifferenz und fehlender
Kältemittelmenge.
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Die
im 1 dargestellte Kälteanlage besteht im Wesentlichen
aus einem Verdichter 1, einem Verflüssiger 2, einem Kältemittelsammler 3,
einem Magnetventil 4, einem Expansionsventil 5 und
einem Verdampfer 6. Weiterhin ist ein Saugdruckwächter 7 vorgesehen,
der das Abschalten des Verdichters 1 bei Erreichen des
eingestellten Absaugdruckes steuert, indem er das Abschaltsignal über die
Verbindung 10 an ein Steuer-/Auswertegerät 9 weiterleitet
und ein entsprechendes Signal vom Steuer-/Auswertegerät über die Verbindung 12 zum
Verdichter 1 gelangt.
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Weiterhin
ist ein Messgerät 8 vorgesehen, dass
den auf der Druckseite des Verdichters 1 entstehenden Hochdruck
misst und über
eine Verbindung 11 an das Steuer-/Auswertegerät 9 weiterleitet.
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Zwischen
dem Steuer-/Auswertegerät 9 und dem
Magnetventil 4 ist ferner eine Verbindung 13 vorgesehen,
so dass das Magnetventil 4 über das Steuer-/Auswertegerät 9 geschlossen
werden kann, wenn ein Absaugvorgang durchgeführt werden soll.
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Für viele
Kälteanlagen
ist es aus betriebstechnischen und Zuverlässigkeitsgesichtspunkten üblich, sie
mit der so genannten Absaugschaltung auszurüsten. Zumindest ist jedoch
für den
Servicefall vorgesehen, das Kältemittel
der Anlage auf die Druckseite des Verdichters 1 zu fördern und
im Kältemittelsammler 3 oder
Verflüssiger 2 zu
speichern. Dabei wird während
des Stillstandes der Anlage das Kältemittel von der Saugseite
abgesaugt und im Kältemittelsammler 3 oder
Verflüssiger 2 gespeichert. Dieser
Absaugprozess wird durchgeführt,
indem bei nicht vorhandenem Kühlbefehl,
meist unmittelbar bei oder nach der Stillsetzung der Anlage bzw.
bei Erreichen eines höchstzulässigen Stillstands-Saugdruckes,
oder im Servicefall durch Hand- oder Automatiksteuerung der Verdichter
gegen das in der Flüssigkeitsleitung
installierte Magnetventil 4 in dessen geschlossen bleibenden
Zustand arbeitet und das Kältemittel
zwischen dem Verdichter 1 und dem Magnetventil 4 in
den Kältemittelsammler 3 oder
bei Anlagen ohne Sammler in den Verflüssiger 2 fördert. Das
Absaugen wird bei Erreichen des Schaltpunktes des Saugdruckwächters 7 beendet.
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Bei
Anlagen mit einem Kältemittelsammler 3 ergibt
sich dann ein Füllstand 3.2,
der sich unter Umständen
vom Sollfüllstand 3.1 unterscheidet.
Zur Bestimmung des Kältemittelverlusts
werden folgende Verfahren vorgeschlagen:
Eine erste Ausgestaltung
der Erfindung kommt für Kälteanlagen
mit Absaugschaltung in Betracht. Dabei erfolgt das Absaugen bis
zu einem vorgegebenen Druck auf der Saugseite des Verdichters, bei
dem der Saugdruckwächter 7 anspricht.
Der sich dabei auf der Druckseite des Verdichters 1 einstellende
Hochdruck wird über
das Messgerät 8 erfasst
und an das Steuer-/Auswertegerät 9 weitergeleitet.
Im Steuer-/Auswertegerät 9 wird
der gemessene Hochdruck mit dem sich bei der Sollfüllmenge
des Kältemittels ergebenen
Referenzhochdruck verglichen und ausgewertet. Die Ermittlung des
Referenzhochdruckes erfolgt zweckmäßigerweise bei Inbetriebnahme
der Anlage.
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Für die Messung
wird die Anlage immer in den gleichen Betriebszustand gebracht,
d. h. die Anlage befindet sich im Absaugbetrieb, bis der Saugdruckwächter abschaltet.
Dieser Abschaltpunkt bleibt während
der gesamten Lebenszyklusdauer der Anlage konstant und bildet dadurch
einen festen Bezugspunkt. Die Druckdifferenz ist dabei ein Maß für die fehlende
Kühlmittelmenge.
Die Beziehung zwischen der Druckdifferenz Δp und der fehlenden Kühlmittelmenge ΔF ist aus 2 zu
ersehen.
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Bei
Anlagen mit oder ohne Absaugschaltung kann das Verfahren auch dahingehend
modifiziert werden, dass die Verflüssigerkühlung, d. h. der Verflüssiger 2,
abgeschaltet wird. Der Verdichter 1 läuft weiter, bis sich auf der
Druckseite des Verdichters am Messgerät 8 ein vorgegebener
Referenzdruck einstellt. Bei Erreichen dieses Referenzdrucks wird
der sich auf der Saugseite des Verdichters einstellende Saugdruck über den
Saugwächter 7 gemessen.
Der dabei gemessene Saugdruck wird dann mit dem sich bei der Sollfüllmenge
des Kältemittels
ergebenen Referenzsaugdruck verglichen und ausgewertet. Auch hier
bietet wiederum die Differenz der beiden Drücke ein Maß für die fehlende Kühlmittelmenge
(siehe 2).
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Bei
Anlagen mit oder ohne Absaugschaltung kann das Verfahren zur Ermittlung
des Kältemittelverlusts
aber auch wie folgt modifiziert werden. Es wird wiederum der Verflüssiger 2 abgeschaltet,
bis sich auf der Hochdruckseite des Verdichters 1 am Messgerät 8 ein
vorgegebener Referenzdruck einstellt. Anstelle der Messung des zugehörigen Saugdrucks
wird hier die Zeit bis zum Erreichen des Referenzdrucks auf der
Hochdruckseite gemessen und mit der Sollzeit, die sich bei der Sollfüllmenge
des Kältemittels
einstellen würde,
verglichen. Auch hier ist wiederum die Zeitdifferenz ein Maß für die fehlende
Kältemittelmenge,
wie das in 3 schematisch dargestellt ist.
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Selbstverständlich können im
Rahmen der Erfindung die Druckdifferenzen bzw. Zeitdifferenzen auch
auf die Sollgrößen bezogen
werden, wobei sich dimensionslose Größen ergeben. Grundsätzlich ist nicht
die absolute Verlustrate von Bedeutung, sondern die Tatsache des
Verlustes an sich. Sobald ein, wenn auch nur geringer, Verlust festgestellt
wird, ist es zweckmäßig, eine
Anlagenwartung mit Suche und Beseitigung der Leckstelle zu veranlassen.
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Die
Messung des Hochdrucks beim Absaugbetrieb kann zum Beispiel bei
jeder Abschaltung der Anlage oder in gewissen festen Zeitabständen erfolgen
und automatisch über
eine Überwachungssoftware
der Anlage gesteuert werden. In der einfachsten Art kann das Bedienpersonal
in regelmäßigen Abständen die
Werte ablesen und mit den Sollwerten vergleichen. Dabei ist es aber
immer erforderlich, den Verdichter im gleichen Leistungszustand
zu betreiben, d. h. bei Drehzahlregelung immer mit der Nenndrehzahl
oder bei Zylinderabschaltung immer mit der vollen Zylinderzahl.
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Die
Auswertung der Vergleichswerte kann dabei präzisiert werden, indem Druckdifferenzen
in der Auswertesoftware mathematisch verknüpft werden. Dies führt zur
signifikanteren Bewertungskriterien als der Druck selbst. Die Kennlinie,
insbesondere die Referenzwerte werden zweckmäßigerweise bei der Erstinbetriebnahme
aufgenommen und im Steuer-/Auswertegerät als Betriebskennlinie hinterlegt. Die
obenbeschriebenen Verfahren zur Bestimmung des Kältemittelverlusts von Kälteanlagen
sind ohne großen
zusätzlichen
Aufwand möglich,
da abgesehen von dem Steuer-/Auswertegerät auf ohnehin vorhandene Bauteile
zurückgegriffen
wird.
