DE102014019856B3 - Method and device for monitoring a fill quantity of a refrigerant - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Füllmenge eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf (46) einer Kälteanlage (10), mit einem Kompressor (12), einem Kondensator oder einem Gaskühler (14), einer Entspannungsvorrichtung (16) und einer Verdampfereinrichtung (18). Bei eingeschaltetem Kompressor (12) umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: Messen mindestens einer Temperatur des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf (46) am Ausgang des Kondensators oder des Gaskühlers (14); Messen eines Drucks des Kältemittels am Ausgang des Kondensators oder des Gaskühlers (14); Ermitteln einer Kältemittelfehlfüllung, insbesondere einer Unterfüllung an Kältemittel, wenn der gemessene Druck außerhalb eines Solldruckbereichs liegt, wobei ein Solldruck des Kältemittels, ausgehend von der gemessenen Temperatur, bestimmt wird, und der Solldruckbereich Druckwerte umfasst, welche von dem Solldruck höchstens um eine vorgegebene Toleranz abweichen, wobei der Solldruck der Verdampfungsdruck des Kältemittels ist, oder wobei der Solldruck der über einen kritischen Punkt (PC) des Kältemittels hinaus extrapolierte Verdampfungsdruck des Kältemittels ist, wobei zur Ermittlung des Solldrucks die gemessene Temperatur um einen vorgegebenen Wert erhöht wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner einen ein Kältemittel bevorratenden Vorratsbehälter (22) und ein betriebspunktabhängig im transkritischen Bereich betriebenes Kältemittel, insbesondere CO2, wobei mindestens ein Kältemitteltemperatursensor (32) und mindestens ein Kältemitteldrucksensor (34) zur Messung von Temperatur und Druck des Kältemittels vorgesehen sind, wobei Temperatur und Druck des Kältemittels in einer Steuereinheit (30) derart auswertbar sind, dass eine Kältemittelfehlfüllung detektierbar ist, und die Steuereinheit (30) durch Steuereingriffe am Kältemittelkreislauf (46) eine Befüllung bei detektierter Unterfüllung veranlasst. Der Kältemitteltemperatursensor (32) und der Kältemitteldrucksensor (34) sind dabei an einer Ausgangsseite (35) des Gaskühlers (14) vorgesehen.The invention relates to a method and a device for monitoring a fill quantity of a refrigerant in a refrigerant circuit (46) of a refrigeration system (10), with a compressor (12), a condenser or a gas cooler (14), an expansion device (16) and an evaporator device (18). With the compressor (12) switched on, the method comprises the following steps: measuring at least one temperature of the refrigerant in the refrigerant circuit (46) at the outlet of the condenser or the gas cooler (14); Measuring a pressure of the refrigerant at the outlet of the condenser or the gas cooler (14); Determination of an underfilling of refrigerant, in particular an underfilling of refrigerant, if the measured pressure is outside a setpoint pressure range, a setpoint pressure of the refrigerant being determined based on the measured temperature, and the setpoint pressure range comprising pressure values which deviate from the setpoint pressure by at most a specified tolerance , the target pressure being the evaporation pressure of the refrigerant, or the target pressure being the evaporation pressure of the refrigerant extrapolated beyond a critical point (PC) of the refrigerant, the measured temperature being increased by a predetermined value to determine the target pressure. The device according to the invention further comprises a reservoir (22) storing a refrigerant and a refrigerant operated in the transcritical range as a function of the operating point, in particular CO2, at least one refrigerant temperature sensor (32) and at least one refrigerant pressure sensor (34) being provided for measuring the temperature and pressure of the refrigerant, wherein the temperature and pressure of the refrigerant can be evaluated in a control unit (30) in such a way that an underfilling of refrigerant can be detected, and the control unit (30) initiates filling by means of control interventions on the refrigerant circuit (46) if underfilling is detected. The refrigerant temperature sensor (32) and the refrigerant pressure sensor (34) are provided on an output side (35) of the gas cooler (14).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung einer Kältemittelfüllmenge eines Kältemittelkreislaufs einer Kälteanlage, auf eine Befüllung einer derartigen Kälteanlage mittels eines Kältemittels sowie auf eine Vorrichtung zur Überwachung einer Kältemittelfüllmenge einer Kälteanlage, insbesondere für ein Fahrzeug.The invention relates to a method for monitoring a refrigerant charge of a refrigerant circuit of a refrigeration system, to filling such a refrigeration system by means of a refrigerant, and to a device for monitoring a refrigerant charge of a refrigeration system, in particular for a vehicle.
Kompressionskälteanlagen, bzw. Klimatisierungssysteme, werden beispielsweise zur Klimatisierung von Fahrzeugen wie Personenkraftwagen oder Bussen als Klimaanlagen eingesetzt, um die Temperatur im Innenraum des Fahrzeugs herabzusetzen. Eine gattungsgemäße Kompressionskälteanlage umfasst ein kältemittelführendes System mit einer Kondensatoreinheit, die mindestens einen Kondensator oder mindestens einen Gaskühler umfasst, ferner eine Entspannungsvorrichtung, eine Verdampfereinheit sowie einen Kompressor, die über kältemittelführende Leitungen miteinander verbunden sind. In diesem geschlossenen Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel.Compression refrigeration systems or air conditioning systems are used, for example, for air conditioning vehicles such as passenger cars or buses as air conditioning systems in order to reduce the temperature in the interior of the vehicle. A generic compression refrigeration system comprises a refrigerant-carrying system with a condenser unit, which comprises at least one condenser or at least one gas cooler, furthermore an expansion device, an evaporator unit and a compressor, which are connected to one another via refrigerant-carrying lines. A refrigerant circulates in this closed circuit.
Unter dem Gesichtspunkt der Umweltverträglichkeit wird als Alternativmedium für Kompressionskälteanlagen Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel eingesetzt. Das natürlich vorkommende Kohlendioxid weist im Vergleich zu anderen Kältemitteln ein sehr geringes klimaschädigendes Treibhauspotenzial auf. Ein Nachteil von CO2 liegt in seiner niedrigen kritischen Temperatur von nur 31°C, weshalb die Wärmeabgabe oberhalb des kritischen Druckes und ohne Kondensation/Verflüssigung erfolgen muss. Der kritische Druck von CO2 beträgt etwa 74 bar. In bekannten Kompressionskälteanlagen mit CO2 als Kältemittel liegt die Anlagenfüllung bezogen auf das Anlagenvolumen, auch als Füllgrad bezeichnet, zwischen 50 % und 100% der kritischen Dichte. Kondensation tritt im Hochdruckteil nicht auf, da ein Hochdruck über dem kritischen Druck liegt.From the point of view of environmental compatibility, carbon dioxide (CO 2 ) is used as an alternative medium for compression refrigeration systems. The naturally occurring carbon dioxide has a very low climate-damaging global warming potential compared to other refrigerants. A disadvantage of CO 2 is its low critical temperature of only 31 ° C, which is why the heat release must take place above the critical pressure and without condensation / liquefaction. The critical pressure of CO 2 is about 74 bar. In known compression refrigeration systems with CO 2 as the refrigerant, the system filling in relation to the system volume, also referred to as the degree of filling, is between 50% and 100% of the critical density. Condensation does not occur in the high pressure part because the high pressure is above the critical pressure.
Im Betrieb einer derartigen Kompressionskälteanlage herrscht stromab des Kompressors ein verhältnismäßig hoher Betriebsdruck, und stromauf des Kompressors herrscht ein verhältnismäßig geringer Druck. Im Stillstand findet ein Druckausgleich statt, und es stellt sich ein immer noch verhältnismäßig hoher Stillstanddruck in dem Kreislauf der Kompressionskälteanlage ein. Der Kompressor muss dabei für den verhältnismäßig hohen Stillstanddruck ausgelegt und entsprechend abgesichert sein. Bei einer Systemtemperatur von 40°C und einem Füllgrad von etwa 50% der kritischen Dichte des Kältemittels Kohlendioxid liegt der Anlagendruck bei etwa 75 bar, bei einem Füllgrad im Bereich der kritischen Dichte des Kältemittels bei etwa 89 bar. Bei einer Systemtemperatur von 60°C und einem Füllgrad von 50% der kritischen Dichte des Kältemittels beträgt der Anlagendruck etwa 89 bar und bei einem Füllgrad von 100% der kritischen Dichte des Kältemittels etwa 124 bar.When such a compression refrigeration system is in operation, there is a relatively high operating pressure downstream of the compressor, and a relatively low pressure prevails upstream of the compressor. At standstill, pressure equalization takes place, and there is still a relatively high standstill pressure in the circuit of the compression refrigeration system. The compressor must be designed for the relatively high standstill pressure and protected accordingly. At a system temperature of 40 ° C and a filling level of around 50% of the critical density of the refrigerant carbon dioxide, the system pressure is around 75 bar, and at a filling level in the range of the critical density of the refrigerant it is around 89 bar. With a system temperature of 60 ° C and a degree of filling of 50% of the critical density of the refrigerant, the system pressure is around 89 bar and with a degree of filling of 100% of the critical density of the refrigerant, around 124 bar.
In dem Kältemittelkreislauf ist es notwendig, den Füllgrad des Kältemittelkreislaufs, d.h. die in dem Kältemittelkreislauf befindliche Kältemittelmenge, zuverlässig zu ermitteln, um insbesondere eine Kältemittelunterfüllung zu erkennen. Die für eine jeweilige Klimaanlage bzw. eine Kälteanlage festgelegte Füllmenge an Kältemittel ist in sehr engen Toleranzen einzuhalten, da eine Über- oder Unterfüllung der Anlage zu Verlusten an Kälteleistung, bis hin zu Schädigungen derselben führen kann. Insbesondere kann es bei einer Unterfüllung zu instabilen Verhältnissen kommen, wobei es auch zu teilweise kurzzeitigem Zusammenbruch des Kreislaufes kommen kann. Der Füllgrad von Kompressionskälteanlagen wird im Allgemeinen im Rahmen von Ruhezustandsanalysen ermittelt, wobei mittels eines Drucksensors der Druck des Kältemittels gemessen und mit einer Temperatur des Kältemittels in Relation gesetzt wird.In the refrigerant circuit, it is necessary to reliably determine the fill level of the refrigerant circuit, i.e. the amount of refrigerant in the refrigerant circuit, in order to detect, in particular, an underfilling of the refrigerant. The amount of refrigerant specified for a particular air conditioning system or refrigeration system must be adhered to within very narrow tolerances, since overfilling or underfilling the system can lead to losses in refrigeration capacity and even damage to the same. In particular, underfilling can lead to unstable conditions, which can also lead to a short-term breakdown of the circuit. The degree of filling of compression refrigeration systems is generally determined in the context of idle state analyzes, with the pressure of the refrigerant being measured by means of a pressure sensor and being related to a temperature of the refrigerant.
In einer Weiterbildung bekannter Kompressionskältemittelanlagen mit Kohlendioxid als Kältemittel, welches ein nicht-brennbares, bei einer Verbrennung inertes, ungiftiges Medium und unter Normalbedingungen in gasförmigem Aggregatzustand unbedenklich ist, kann Kohlendioxid der Kompressionskälteanlage als Löschmedium in entsprechenden Löschanlagen von Fahrzeugen genutzt werden. So hat sich das Kältemittel CO2 als ein geeignetes Feuerlöschmittel erwiesen, um eventuell auftretende und/oder durch Verkehrsunfälle verursachte Brandherde zu löschen. Das Löschmedium CO2 zeigt gegenüber in vergleichbarer Weise eingesetztem Kühlwasser Vorteile.In a further development of known compression refrigeration systems with carbon dioxide as the refrigerant, which is a non-flammable, inert, non-toxic medium and is harmless under normal conditions in a gaseous state, carbon dioxide from the compression refrigeration system can be used as an extinguishing medium in corresponding extinguishing systems of vehicles. The refrigerant CO 2 has proven to be a suitable fire extinguishing agent to extinguish any sources of fire that may arise and / or are caused by traffic accidents. The extinguishing medium CO 2 shows advantages over cooling water used in a comparable way.
Aus
Die aus
Aus
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Überwachung einer Kältemittelfüllmenge eines Kältemittelkreislaufs einer Kälteanlage und eine Befüllung einer derartigen Kälteanlage mittels eines Kältemittels, sowie eine Vorrichtung zur Überwachung einer Kältemittelfüllmenge einer Kälteanlage vorgeschlagen, wobei das Kältemittel als Löschmedium verwendet werden kann. Insbesondere wird durch die Erfindung während des laufenden Betriebs der Kälteanlage eine zuverlässige Überwachung ermöglicht. Das Verfahren zur Überwachung der Kältemittelfüllmenge in dem Kältemittelkreislauf wird für eine Kälteanlage in Form einer Kompressionskälteanlage vorgeschlagen.According to the invention, a method for monitoring a refrigerant charge of a refrigerant circuit of a refrigeration system and a filling of such a refrigeration system by means of a refrigerant, as well as a device for monitoring a refrigerant charge of a refrigeration system are proposed, wherein the refrigerant can be used as an extinguishing medium. In particular, the invention enables reliable monitoring during ongoing operation of the refrigeration system. The method for monitoring the refrigerant charge in the refrigerant circuit is proposed for a refrigeration system in the form of a compression refrigeration system.
Eine zu überwachende Kompressionskälteanlage, welche zum Temperieren von Luft in Fahrzeugen eingesetzt wird, umfasst ein kältemittelführendes System mit einer Kondensatoreinheit, die mindestens einen Kondensator oder mindestens einen Gaskühler umfasst, eine Entspannungsvorrichtung, eine Verdampfereinheit und einen Kompressor, die über kältemittelführende Leitungen miteinander verbunden sind. Ein separates Expansionsgefäß kann über ein Ventil mit dem Kältemittelkreislauf verbunden sein, wobei insbesondere das Expansionsgefäß stromab der Entspannungsvorrichtung auf der Niederdruckseite angeordnet ist. Zur Überwachung der Zustände innerhalb des Kreislaufes werden beispielsweise Temperatursensoren zur Erfassung der Temperatur und des Drucks benötigt. In diesem geschlossenen Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel. Eine derartige Anlage ist als transkritische Anlage ausgebildet, d.h. sie ist transkritisch ausgelegt, wobei als Kältemittel Kohlendioxid eingesetzt ist.A compression refrigeration system to be monitored, which is used to control the temperature of air in vehicles, comprises a refrigerant-carrying system with a condenser unit, which includes at least one condenser or at least one gas cooler, an expansion device, an evaporator unit and a compressor, which are connected to one another via refrigerant-carrying lines. A separate expansion vessel can be connected to the refrigerant circuit via a valve, the expansion vessel in particular being arranged downstream of the expansion device on the low-pressure side. To monitor the conditions within the circuit, for example, temperature sensors are required to record the temperature and the pressure. A refrigerant circulates in this closed circuit. Such a system is designed as a transcritical system, i.e. it is designed to be transcritical, with carbon dioxide being used as the refrigerant.
Bei einer Veränderung der im Kältemittelkreislauf befindlichen Kältemittelfüllmenge ändern sich an unterschiedlichen Positionen im Kältemittelkreislauf Werte diverser Parameter, wobei derartige Parameter füllmengensensitive Messgrößen darstellen. Bei transkritischen Kompressionskälteanlagen steht eine Änderung der Kältemittelfüllmenge in Beziehung zu einer Änderung des Drucks an vorgegebenen Positionen des Kältemittelkreislaufs, sodass der Druck als füllmengensensitiver Parameter betrachtet werden kann. Auch eine Änderung der Kältemitteltemperatur an vorgegebenen Positionen im Kältemittelkreislauf steht in Zusammenhang mit einer Änderung der Kältemittelfüllmenge. Auch kann eine Änderung der Unterkühlung des Kältemittels am Ausgang der Kondensatoreinheit ebenfalls als ein füllmengensensitiver Parameter angesehen werden. Zum Erfassen des Drucks wird ein entsprechend positionierter Drucksensor und zum Erfassen der Temperatur ein entsprechend positionierter Temperatursensor in der Kälteanlage angeordnet. Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, kann ein Temperatursensor innerhalb der Kälteanlage zwischen dem Ausgang des Kondensators bzw. des Gaskühlers und dem Eingang des Expansionsorganes angeordnet sein.When the refrigerant charge in the refrigerant circuit changes, values of various parameters change at different positions in the refrigerant circuit, such parameters representing measured quantities that are sensitive to the amount of liquid. In transcritical compression refrigeration systems, a change in the refrigerant charge is related to a change in the pressure at predetermined positions in the refrigerant circuit, so that the pressure can be viewed as a charge-sensitive parameter. A change in the refrigerant temperature at predetermined positions in the refrigerant circuit is also related to a change in the refrigerant charge. A change in the subcooling of the refrigerant at the outlet of the condenser unit can also be viewed as a level-sensitive parameter. A correspondingly positioned pressure sensor is arranged in the refrigeration system to detect the pressure and a correspondingly positioned temperature sensor is arranged in the refrigeration system to detect the temperature. Following the solution proposed according to the invention, a temperature sensor can be arranged within the refrigeration system between the outlet of the condenser or the gas cooler and the inlet of the expansion element.
Für eine eindeutige Feststellung einer Unterfüllung ist die Ermittlung des Zustandes des Füllgrads auf der Hochdruckseite vorteilhaft. Besonders vorteilhaft ist, wenn beide Zustände, d.h. auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite, in Betracht gezogen werden, insbesondere in Kombination mit dem in der
Die jeweiligen Werte der füllmengensensitiven Parameter ermöglichen eine Bewertung der in dem Kältemittelkreislauf befindlichen Kältemittelfüllmenge. Um eine gute Kälteleistung zu erzielen, sollte die Kältemittelfüllmenge, auch in Form eines Füllgrads darstellbar, sich innerhalb enger Grenzen bewegen. Der Füllgrad des Kältemittels ist definiert als der Quotient aus Kältemittelfüllmenge zum Gesamtvolumen der Anlage.The respective values of the fill-quantity-sensitive parameters enable the refrigerant fill quantity in the refrigerant circuit to be evaluated. In order to achieve a good cooling capacity, the refrigerant charge, which can also be represented in the form of a degree of charge, should be within narrow limits. The fill level of the refrigerant is defined as the quotient of the refrigerant charge to the total volume of the system.
Die Füllmengenüberwachung kann bei ausgeschaltetem Kompressor erfolgen. Der ausgeglichene Anlagendruck folgt dann dem Verdampfungsdruck, so lange noch flüssiges Kältemittel nicht verdampft ist. Bezugstemperatur ist die niedrigste Temperatur im System.
Wenn man für das Kältemittel CO2 entsprechenden Werte einsetzt ergibt sich:
Dabei ist T in °C einzusetzen, und p ergibt sich in barabsolut.T should be entered in ° C, and p is absolute in bar.
Nach vollständiger Verdampfung folgt der Druck bei steigender Temperatur der dem Füllgrad entsprechenden Isochore. Hierzu ist der entsprechende Wert in die thermische Zustandsgleichung einzusetzen. Dieser Druck ist niedriger als der Verdampfungsdruck bei gleicher Temperatur. Einfache thermische Zustandsgleichungen sind beispielsweise die von van-der-Waals-Gleichung sowie die von Redlich-Kwong-Gleichung.After complete evaporation, the pressure follows the isochore corresponding to the degree of filling as the temperature rises. To do this, insert the corresponding value in the thermal equation of state. This pressure is lower than the evaporation pressure at the same temperature. Simple thermal equations of state are, for example, the von van der Waals equation and the von Redlich-Kwong equation.
Die van-der-Waals-Gleichung lautet:
Setzt man die Werte von CO2 und einen Füllgrad von 260kg/m3 ein, erhält man:
Die Redlich-Kwong-Gleichung lautet:
Setzt man die Werte von CO2 und einen Füllgrad von 260kg/m3 ein, erhält man:
Als Bezugstemperatur kann eine Temperatur außerhalb des Kältemittelkreislaufs verwendet werden, beispielsweise eine Innentemperatur des Fahrzeugs oder eine Außentemperatur. Aber auch eine in dem Kältemittelkreislauf gemessene Temperatur, wie beispielsweise eine über einen Vereisungssensor gemessene Verdampfertemperatur, kann verwendet werden. Werden mehrere Temperaturen gemessen, so wird vorteilhaft die niedrigste der gemessenen Temperaturen verwendet.A temperature outside the refrigerant circuit, for example an internal temperature of the vehicle or an external temperature, can be used as the reference temperature. However, a temperature measured in the refrigerant circuit, such as an evaporator temperature measured via an icing sensor, can also be used. If several temperatures are measured, the lowest of the measured temperatures is advantageously used.
Insbesondere erfolgt die Füllmengenüberwachung bei eingeschaltetem Kompressor, d.h. im laufenden Betrieb, mittels entsprechender Sensoreinrichtungen, wobei von der Kältemittelfüllmenge abhängige Messgrößen ermittelt werden. Hierbei werden auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs, d.h. stromab eines Kompressors und einer Kondensatoreinheit, insbesondere eines Gaskühlers, und stromauf einer Entspannungsvorrichtung, der Druck und die Temperatur des Kältemittels von einem entsprechend positionierten Drucksensor und einem Temperatursensor erfasst. Die erfassten Werte werden dahingehend ausgewertet, dass auf eine Fehlfüllung geschlossen wird, wenn der gemessene Druck des Kältemittels außerhalb eines der erfassten Temperatur zugeordneten, vorgegebenen Solldruckbereichs liegt. Unterschreitet der gemessene Druck den vorgegebenen Solldruckbereich, bzw. einen basierend auf den Solldruck vorgebbaren Mindestdruck, der einer vorgegebenen Mindestdichte und folglich einer vorgegebenen Mindestfüllmenge des Kältemittels entspricht und von der aktuellen Kältemitteltemperatur abhängig ist, wird auf eine Unterfüllung von Kältemittel in dem System geschlossen und ein entsprechendes Signal generiert, welches weitere Schritte in Gang setzt. Beispielsweise erfolgt die Ausgabe eines Warnsignals, welches als eine Service-Meldung in akustischer und/oder optischer Form ausgegeben werden kann.In particular, when the compressor is switched on, i.e. during operation, the charge level is monitored by means of appropriate sensor devices, with measured variables that are dependent on the refrigerant charge level being determined. Here, on the high pressure side of the refrigerant circuit, i.e. downstream of a compressor and a condenser unit, in particular a gas cooler, and upstream of an expansion device, the pressure and the temperature of the refrigerant are recorded by an appropriately positioned pressure sensor and a temperature sensor. The recorded values are evaluated in such a way that an incorrect filling is inferred if the measured pressure of the refrigerant lies outside a predetermined setpoint pressure range assigned to the recorded temperature. If the measured pressure falls below the specified setpoint pressure range or a minimum pressure that can be specified based on the setpoint pressure, which corresponds to a specified minimum density and consequently a specified minimum fill quantity of the refrigerant and is dependent on the current refrigerant temperature, an underfilling of refrigerant in the system is concluded and a corresponding signal is generated, which sets further steps in motion. For example, a warning signal is output which can be output as a service message in acoustic and / or optical form.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst ein weiterer Schritt des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens eine automatische Befüllung der Kältemittelanlage mit Kältemittel, wobei beispielsweise in einem in dem System integriertem Vorratsbehälter Kältemittel bevorratet ist und mittels einer gesteuerten Dosiereinrichtung zugeführt wird. Die Dosiereinrichtung umfasst unter anderem eine gesteuerte Ventileinheit mit einem Magnetventil und einem Rückschlagventil, die solange geöffnet sind, bis der nach der Kondensatoreinheit bzw. dem Gaskühler oder Kondensator angeordnete Drucksensor einen Druck des Kältemittels detektiert, der innerhalb des Solldruckbereichs liegt, welcher zu dem zur detektierten Temperatur am Ausgang der Kondensatoreinheit basierenden Solldruck korrespondiert.In a preferred embodiment, a further step of the method proposed according to the invention comprises an automatic filling of the refrigerant system with refrigerant, for example refrigerant being stored in a storage container integrated in the system and being supplied by means of a controlled metering device. The metering device includes, among other things, a controlled valve unit with a solenoid valve and a non-return valve, which are open until the pressure sensor arranged after the condenser unit or the gas cooler or condenser detects a pressure of the refrigerant that is within the setpoint pressure range that is to be detected Temperature at the output of the condenser unit-based setpoint pressure corresponds.
Im Sinne der Erfindung wird unter dem Begriff Solldruckbereich derjenige Druckbereich verstanden, welcher Druckwerte umfasst, die um höchstens eine Toleranz von beispielsweise +/- 10% von demjenigen Solldruck abweichen, bzw. auch als Grenzdruckwert bezeichnet, der basierend auf der Temperatur bestimmt wird, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Dieser Solldruck ergibt sich aus einer Optimierung der Kühlkapazität in Zusammenhang mit einer Kompressorwellenleistung. Ein Parameter der Optimierung ist die Kältemitteltemperatur am Ausgang des wärmeabführenden Gaskühlers, wobei aus den thermodynamischen Daten des eingesetzten Kältemittels oder durch entsprechende Messungen der Solldruck bestimmt wird, der zum Erzielen des maximalen Wirkungsgrades erforderlich ist.In the context of the invention, the term target pressure range is understood to mean that pressure range which includes pressure values that deviate from that target pressure by a maximum of a tolerance of, for example, +/- 10%, or also referred to as the limit pressure value that is determined based on the temperature by to achieve maximum efficiency. This target pressure results from an optimization of the cooling capacity in connection with a compressor shaft power. One parameter of the optimization is the refrigerant temperature at the outlet of the heat-dissipating gas cooler, whereby from the thermodynamic Data of the refrigerant used or the target pressure is determined by corresponding measurements, which is required to achieve maximum efficiency.
Ausgehend von der ermittelten Temperatur am Ausgang des Kondensators oder des Gaskühlers wird ein Solldruck des Kältemittels näherungsweise bestimmt. Dieser kann beispielsweise im einfachsten Falle aus einer Geradengleichung oder einer abschnittsweisen Geradengleichung bestimmt werden, gemäß den folgenden Zusammenhängen:
Beim Einsetzen des kritischen Druckes von 74 bar, der kritischen Temperatur 31°C und einer Unterkühlung von angenommenen 5°C erhält man etwas höhere Solldrücke.At the onset of the critical pressure of 74 bar, the critical temperature of 31 ° C and an assumed subcooling of 5 ° C, slightly higher target pressures are obtained.
Eine Alternative für eine bessere Ergebnisse herbeiführende Bestimmung liegt in der Verwendung der Dampfdruckkurve und deren Extrapolation über die kritische Temperatur hinaus, wobei eine bestimmte Unterkühlung, beispielsweise in der Größenordnung von 5 K, vorgegeben wird. Eine praktische Beziehung für den Dampfdruck ist:
Für das Kältemittel CO2 setzt man die entsprechenden Werte ein und erhält:
Dabei ist T in °C einzusetzen und p ergibt sich in barabsolut. Bei 5°C Unterkühlung erhält man als Solldruck:
Eine exakte Bestimmung des optimalen Solldrucks würde eine Bestimmung der erzielten Kälteleistung und der dafür aufgewendeten Verdichterleistung erfordern. Dazu wären jedoch weitere Druck- und Temperatursensoren an Ein- und Ausgang des Verdichters notwendig, welches mit einem erheblichen Mehraufwand verbunden ist. Aus den genannten Gründen wird eine einfache, näherungsweise Bestimmung über eine Geradengleichung oder über eine Dampfdruckextrapolation im vorliegenden Falle bevorzugt. Auf der Hochdruckseite einer transkritischen Kompressionskälteanlage kann der Dampfdruck bei 5 K Unterkühlung nach dem Gaskühler gut extrapoliert werden. Bei einer Temperatur von 30°C herrscht ein Druck von etwa 80 bar, bei einer Temperatur von 35°C herrscht ein Druck von etwa 90 bar und bei einer Temperatur von 40°C herrscht etwa ein Druck von 100 bar.An exact determination of the optimal setpoint pressure would require a determination of the cooling capacity achieved and the compressor capacity used for it. However, this would require additional pressure and temperature sensors at the inlet and outlet of the compressor, which is associated with considerable additional effort. For the reasons mentioned, a simple, approximate determination using a straight line equation or using vapor pressure extrapolation is preferred in the present case. On the high pressure side of a transcritical compression refrigeration system, the vapor pressure can be extrapolated well with 5 K subcooling after the gas cooler. At a temperature of 30 ° C there is a pressure of about 80 bar, at a temperature of 35 ° C there is a pressure of about 90 bar and at a temperature of 40 ° C there is a pressure of about 100 bar.
Anhand des ermittelten Temperaturwerts und einer in einem Temperaturdruckdiagramm festgelegten Grenzdruckkurve kann der Wert des Solldrucks festgelegt werden, mit welchem der gemessene Druck vergleichbar ist. Durch den Vergleich des gemessenen Druckes mit dem Solldruck wird auf eine Fehlfüllung des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf geschlossen. Insbesondere kann auf eine Unterfüllung geschlossen werden, wenn der gemessene Druck außerhalb eines vorgegebenen Solldruckbereichs liegt, welcher sich bestimmt aus dem Solldruck und einer vorgebbaren Toleranz bei der erfassten Temperatur.On the basis of the determined temperature value and a limit pressure curve established in a temperature pressure diagram, the value of the setpoint pressure can be established with which the measured pressure is comparable. By comparing the measured pressure with the setpoint pressure, it is concluded that the refrigerant in the refrigerant circuit is incorrectly filled. In particular, it is possible to conclude that there is underfilling if the measured pressure lies outside a predefined setpoint pressure range, which is determined from the setpoint pressure and a predefinable tolerance for the detected temperature.
Bei einer detektierten Unterfüllung kann bei einer im Betrieb befindlichen Kompressionskälteanlage eine gesteuerte Befüllung auf der Saugseite des Kompressors aus einem Vorratsbehälter über einen vorgesehenen Füllanschluss erfolgen. In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Befüllung der Kältemittelanlage über eine externe Quelle, beispielsweise im Rahmen eines Werkstattaufenthalts.If underfilling is detected, in a compression refrigeration system that is in operation, controlled filling can take place on the suction side of the compressor from a storage container via a filling connection provided. In an alternative embodiment, the refrigerant system is filled via an external source, for example during a visit to the workshop.
Der in das System integrierte Vorratsbehälter, zum Beispiel als Nachfüllflasche ausgestaltet, ist in einer Ausführungsform ortsfest in einem Fahrzeug angeordnet, beispielsweise im Kofferraum oder im Tank eines Fahrzeugs und damit nicht im Bereich des Motorraums, wo erhöhte Temperaturen herrschen. Insbesondere kann ein Füllanschluss mit einem Magnetventil und einem Rückschlagventil auf der Saugseite des Kompressors vorgesehen sein, über welchen eine definierte Kältemittelmenge in den Kältemittelkreislauf eingebracht wird. Die Position des Füllanschlusses des Vorratsbehälters auf der Niederdruckseite liegt bei Zuführung von gasförmigem Kältemittel vor oder nach der Verdampfereinrichtung. Wird jedoch ein flüssiges Kältemittel zugeführt, liegt die Position des Füllanschlusses vor der Verdampfereinrichtung.The storage container integrated into the system, for example designed as a refill bottle, is in one embodiment fixedly arranged in a vehicle, for example in the trunk or in the tank of a vehicle and thus not in the area of the engine compartment, where elevated temperatures prevail. In particular, a filling connection with a solenoid valve and a check valve can be provided on the suction side of the compressor, via which a defined amount of refrigerant is introduced into the refrigerant circuit. The position of the filling connection of the storage container on the low-pressure side is before or after the evaporator device when gaseous refrigerant is supplied. However, if a liquid refrigerant is supplied, the position of the filling connection is in front of the evaporator device.
Bei einer detektierten Unterfüllung der Kältemittelanlage ist der Druck des Kältemittels zu niedrig und es wird eine Auffüllung der Kältemittelanlage mit Kältemittel vorgenommen, wobei beispielsweise bei eingeschaltetem Kompressor bis zu einem vorbestimmten Solldruck aufgefüllt wird.If underfilling of the refrigerant system is detected, the pressure of the refrigerant is too low and the refrigerant system is topped up with refrigerant, for example, when the compressor is switched on, topping up to a predetermined target pressure takes place.
Allerdings könnte auch der Fall eintreten, dass der Druck innerhalb der Kältemittelanlage so niedrig ist, dass der Kompressor über den Niederdruckschalter ausgeschaltet wurde. Bei Stillstand der Kompressionskälteanlage findet nun ein Druckausgleich zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Kälteanlage statt, welche den Bereich von der Entspannungsvorrichtung, der Verdampfereinrichtung bis zum Eingang des Kompressors umfasst, und es stellt sich ein Ausgleichsdruck in dem Kältemittelkreislauf des Systems ein. In diesem Fallen erfolgt zunächst ein Auffüllen der Kältemittelanlage aus dem Vorratsbehälter mit Kältemittel, ohne dass der Kompressor eingeschaltet ist, bis zum Erreichen des Ausgleichsdrucks zwischen Anlage und Vorratsbehälter oder bis zum Einschaltdruck des Niederdruckschalters des Kompressors und ferner ein weiteres Befüllen bei eingeschaltetem Kompressor bis der Druck innerhalb des Solldruckbereichs liegt.However, it could also happen that the pressure inside the refrigerant system is so low that the compressor was switched off via the low-pressure switch. When the compression refrigeration system comes to a standstill, pressure equalization takes place between the high-pressure side and the low-pressure side of the refrigeration system, which includes the area from the expansion device, the evaporator device to the inlet of the compressor, and an equalization pressure is established in the refrigerant circuit of the system. In this case, the refrigerant system is first filled with refrigerant from the storage tank without the compressor being switched on, until the equalization pressure is reached between the system and the storage tank or until the switch-on pressure of the low-pressure switch of the compressor and further filling with the compressor switched on until the pressure is reached is within the target pressure range.
Über die Beziehung zwischen dem Druck des Kältemittels und der Temperatur des Kältemittels oder einer vergleichbaren Temperatur, erfolgt eine Bewertung des Füllgrads des Kältemittelkreislaufs derart, dass eine Fehlfüllmenge ermittelt wird. Die Beurteilung der Füllmenge basiert auf den Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur und Füllmenge. Das Ergebnis der Bewertung der Fehlfüllmenge kann als Auslöseereignis für die Befüllung des Kältemittelkreislaufs aus einem integrierten Vorratsbehälter eingesetzt werden, wobei eine Überprüfung der Befüllung möglich ist. Die Befüllung und damit der Ausgleich einer Fehlfüllmenge erfolgt bei eingeschaltetem Kompressor über eine mittels einer Ventileinheit geregelte Leitung, wobei die füllmengensensitiven Parameter Druck und Temperatur mit den entsprechenden Sensoren gemessen werden. Liegen die füllmengensensitiven Parameter Druck und Temperatur wieder innerhalb der vorgegebenen Solldruckbereiche, wird die Zufuhr an Kältemittel aus dem Vorratsbehälter beendet, beispielsweise durch ein entsprechendes Steuersignal an die Ventileinheit und ein eventuell ausgegebener Warnhinweis gelöscht. Somit ist ein Einhalten einer vorgeschriebenen Füllmenge möglich, welche eine Voraussetzung für eine möglichst verlustfreie Kälteleistung der Kälteanlage ist.The relationship between the pressure of the refrigerant and the temperature of the refrigerant or a comparable temperature is used to evaluate the degree of filling of the refrigerant circuit in such a way that an incorrect filling quantity is determined. The assessment of the filling quantity is based on the relationship between pressure, temperature and filling quantity. The result of the evaluation of the incorrect filling quantity can be used as a triggering event for the filling of the refrigerant circuit from an integrated storage container, whereby the filling can be checked. When the compressor is switched on, the filling and thus the compensation of an incorrect filling quantity takes place via a line regulated by means of a valve unit, the filling quantity-sensitive parameters pressure and temperature being measured with the corresponding sensors. If the volume-sensitive parameters of pressure and temperature are again within the specified target pressure ranges, the supply of refrigerant from the storage container is terminated, for example by a corresponding control signal to the valve unit and any warning that may be issued. It is thus possible to adhere to a prescribed filling quantity, which is a prerequisite for the refrigeration system to have the most loss-free refrigeration capacity possible.
Der Vorratsbehälter ist an den Kältemittelkreislauf angeschlossen, wobei er an der Niederdruckseite der Kompressionskälteanlage an der Leitung stromab der Verdampfereinrichtung und stromauf der Saugseite des Kompressors über die Ventileinheit angeordnet ist. Der das Kältemittel bevorratende Vorratsbehälter umfasst in einer Ausführungsform eine Heizeinrichtung, um im Vorratsbehälter die Temperatur und damit auch den Druck zu erhöhen, so dass der Füllvorgang der Kältemittelanlage erheblich beschleunigt und verkürzt werden kann.The storage container is connected to the refrigerant circuit, it being arranged on the low-pressure side of the compression refrigeration system on the line downstream of the evaporator device and upstream of the suction side of the compressor via the valve unit. In one embodiment, the storage container storing the refrigerant comprises a heating device in order to increase the temperature and thus also the pressure in the storage container, so that the filling process of the refrigerant system can be considerably accelerated and shortened.
Ferner kann das im Vorratsbehälter bevorratete Kältemittel, insbesondere CO2, als Löschmedium für eine Löschanlage des Fahrzeuges verwendet werden. Für an einem Fahrzeug eventuell auftretende bzw. durch einen Verkehrsunfall verursachte Brandherde, insbesondere in einem Motorraum, sind Löscheinrichtungen vorgesehen, welche im Bedarfsfall das Kältemittel CO2 als Löschmedium bereitstellen. Dieses Kältemittel kann erfindungsgemäß in dem Vorratsbehälter bevorratet sein und sowohl zur Befüllung der Kälteanlage als auch der Löscheinrichtungen zur Verfügung stehen. Die Löscheinrichtung umfasst Löschmittelleitungen sowie Düsen, die an möglichen Brandherden in sensiblen Bereichen des Fahrzeugs enden. Im Crash- und/oder Feuerfall kann über eine entsprechende Sensorik ein automatischer Löschvorgang erfolgen, wobei das bevorratete CO2, welches insbesondere ölfrei ist, den Luftsauerstoff derart aus den feuergefährdeten Bereichen verdrängt, dass eine präventive Maßnahme zur Vermeidung eines Brandes erreicht wird. Insbesondere ist das in dem Vorratsbehälter bevorratete Kohlendioxid ölfrei im Gegensatz zu dem im Kältemittelkreislauf geführten Kältemittel, welches bedingt durch die hohe Löslichkeit des im Kompressor eingesetzten Schmieröls auf der Hochdruckseite Öl mitführt.Furthermore, the refrigerant stored in the storage container, in particular CO 2 , can be used as an extinguishing medium for an extinguishing system of the vehicle. For sources of fire that may occur on a vehicle or are caused by a traffic accident, in particular in an engine compartment, extinguishing devices are provided which, if necessary, provide the refrigerant CO 2 as an extinguishing medium. According to the invention, this refrigerant can be stored in the storage container and be available both for filling the refrigeration system and the extinguishing devices. The extinguishing system includes extinguishing agent lines and nozzles that end at possible sources of fire in sensitive areas of the vehicle. In the event of a crash and / or fire, an automatic extinguishing process can take place via a corresponding sensor system, with the stored CO 2 , which is in particular oil-free, displaces the atmospheric oxygen from the fire-endangered areas in such a way that a preventive measure to avoid a fire is achieved. In particular, the carbon dioxide stored in the storage container is oil-free in contrast to the refrigerant carried in the refrigerant circuit, which, due to the high solubility of the lubricating oil used in the compressor, carries oil with it on the high pressure side.
Im Crash- und/oder Feuerfall erfolgt die Auslösung eines automatischen Löschvorganges, wobei das austretende Kältemittel den Luftsauerstoff verdrängt, der an der Brandentstehung beteiligt ist, ohne dass zusätzlich brandgefährdendes Öl an die überhitzte Stelle transportiert wird.In the event of a crash and / or fire, an automatic extinguishing process is triggered, whereby the escaping refrigerant displaces the atmospheric oxygen that is involved in the development of the fire, without any additional fire-endangering oil being transported to the overheated area.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing.
Es zeigen:
-
1 ein schematisches Blockdiagramm einer Kälteanlage mit dem Kältemittel CO2 und eine Überwachung der Kältemittelfüllmenge sowie einer Löscheinrichtung; -
2 ein Flussdiagramm einer Überwachung der Kältemittelfüllmenge der Kälteanlage von1 im laufenden Betrieb mit einer geregelten Befüllung, -
3 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und zugehörigem Solldruck des Kältemittels nach Austritt aus dem Gaskühler bei verschiedenen Verdampfungstemperaturen, -
4 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Druck des Kältemittels nach Austritt aus dem Gaskühler bei einer Unterkühlung von 5 K im Vergleich zu einer über den kritischen Punkt des Kältemittels hinaus extrapolierten Dampfdruckkurve, -
5 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Kälteleistungszahl des Kältemittels nach Austritt aus dem Gaskühler bei einer Unterkühlung von 5 K bei verschiedenen Verdampfungstemperaturen, -
6 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Füllgrad des Kältemittels nach Austritt aus dem Gaskühler bei optimaler Kälteleistungszahl, -
7 eine Skala eines Manometers mit Temperaturskala zur Messung von Druck und Temperatur des Kältemittels bei ausgeschaltetem Kompressor und -
8 eine Skala eines Manometers mit Temperaturskala zur Messung von Druck und Temperatur des Kältemittels bei eingeschaltetem Kompressor.
-
1 a schematic block diagram of a refrigeration system with the refrigerant CO 2 and a monitoring of the refrigerant charge and an extinguishing device; -
2 a flow chart of a monitoring of the refrigerant charge of the refrigeration system from1 during operation with a regulated filling, -
3 a graphical representation of the relationship between the temperature and the associated target pressure of the refrigerant after exiting the gas cooler at different evaporation temperatures, -
4th a graphical representation of the relationship between temperature and pressure of the refrigerant after exiting the gas cooler with a subcooling of 5 K compared to a vapor pressure curve extrapolated beyond the critical point of the refrigerant, -
5 a graphical representation of the relationship between the temperature and the refrigerant coefficient of performance after exiting the gas cooler with a subcooling of 5 K at different evaporation temperatures, -
6th a graphical representation of the relationship between the temperature and the degree of filling of the refrigerant after it has left the gas cooler with the optimal refrigeration capacity, -
7th a scale of a pressure gauge with a temperature scale for measuring the pressure and temperature of the refrigerant when the compressor is switched off and -
8th a scale of a manometer with a temperature scale for measuring the pressure and temperature of the refrigerant when the compressor is switched on.
AusführungsvariantenDesign variants
An der Saugseite
Über die Verdampfereinrichtung
Der
Die Erfassungsmittel umfassen einen Kältemitteltemperatursensor
In
Bei Start der Überwachung der Kältemittelfüllung der Kälteanlage
Ist der Kompressor
Bei eingeschaltetem Kompressor
In einem Schritt
Im Falle, dass der gemessene Druck pKMmess innerhalb des aufgespannten Toleranzbereichs liegt, ist der Vorgang der Überwachung beendet. Wenn der gemessene Kältemitteldruck pKMmess den unteren vorgebbaren Mindestdruck pmin unterschreitet, erkennt die Steuereinheit
Ein weiterer Schritt
Die Steuereinheit
In
Der Zusammenhang zwischen der gemessenen Kältemitteltemperatur TKMmess und dem Druck p des Kältemittels Kohlendioxid nach Austritt aus dem Gaskühler
In
Eine Skala eines Manometers mit einer Temperaturskala zur Messung des Kältemitteldrucks pKMmess und der Kältemitteltemperatur TKMmess des Kältemittels Kohlendioxid bei ausgeschaltetem Kompressor
Eine Skala eines Manometers mit einer Temperaturskala zur Messung des Kältemitteldrucks pKMmess und der Kältemitteltemperatur TKMmess des Kältemittels Kohlendioxid bei eingeschaltetem Kompressor
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.
Claims (14)
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