DE102014100093A1

DE102014100093A1 - Kälteanlage und Verfahren zur Regelung der Überhitzung eines Kältemittels einer Kälteanlage

Info

Publication number: DE102014100093A1
Application number: DE102014100093.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Ellwein
Original assignee: Kriwan Industrie Elektronik GmbH
Current assignee: Kriwan Industrie Elektronik GmbH
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2015-07-09

Abstract

Die erfindungsgemäße Kälteanlage enthält einen Verdichter, einen Verflüssiger, ein Expansionsventil und einen Verdampfer sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, die mit dem Expansionsventil zur Regelung der Überhitzung eines Kältemittels in Abhängigkeit eines Temperatursignals wenigstens eines angeschlossenen Temperatursensors in Wirkverbindung steht, wobei der Temperatursensor an oder innerhalb eines Gehäuses des Verdichters angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage und ein Verfahren zur Regelung der Überhitzung eines Kältemittels einer Kälteanlage.
Eine Kälteanlage besteht im Wesentlichen aus einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Expansionsventil und einem Verdampfer, wobei der Verdichter über einen Regeler in Abhängigkeit des Bedarfs der Kühlstellen meist über den Druck in der Saugleitung geregelt wird. Neben der Regelung des Verdichters wird auch das Expansionsventil im Kältekreis durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung geregelt. Das Expansionsventil stellt die in den Verdampfer einzuspeisende Menge des flüssigen Kühlmittels ein. Die Regelung des Expansionsventils soll dabei sicherstellen, dass im Verdampfer ein Kältemitteldampf mit einer gewünschten Überhitzung erzeugt wird, die so groß bemessen ist, dass keine Flüssigkeit, sondern nur Dampf in den Verdichter gelangt, da Flüssigkeit während der Verdichtung durch so genannte „Flüssigkeitsschläge“ zur Beschädigung des Verdichters führen kann.
Zur Regelung des Expansionsventils ist es daher bekannt, die (Verdampfungs-)Temperatur t₀ am Verdampfereingang und die (Sauggas-)Temperatur t₂ am Verdampferausgang zu erfassen, wobei die Überhitzung Δt durch die Differenz der beiden Temperaturen (t₂ – t₀) gebildet wird. Eine entsprechende Kälteanlage ist beispielsweise aus der DD 155 016 bekannt.
Einerseits muss sichergestellt werden, dass es nicht zu einem Flüssigkeitseintrag in den Verdichter kommt, was durch eine ausreichend hohe Überhitzung gewährleistet ist, anderseits verringert sich der Wirkungsgrad der Kälteanlage je größer die Überhitzung ist. Man ist daher bestrebt, die Überhitzung nicht unnötig hoch einzustellen.
In der DE 43 30 522 A1 wird festgestellt, dass eine variierende Stellarbeit des Expansionsventils zu einem ständig störenden „Pendeln“ des Verdampfungsprozesses im Verdampfer führt und daher zum Schutz des Verdichters eine relative hohe Überhitzungstemperatur eingestellt werden muss. Um einerseits die Überhitzungstemperatur zu senken und gleichzeitig das Pendeln des Verdampfungsprozesses zu verringern, schlägt die DE 43 30 522 A1 vor eine elektrische Heizung für den Temperaturfühler am Verdampferausgang vorzusehen. Dadurch wird dem Temperaturfühler ein gegenüber der tatsächlichen Temperatur höheres Temperatursignal zugeführt, was ein stärkeres Öffnen des Expansionsventils bewirkt. Dies hat wiederum eine verbesserte Durchströmung des Verdampfers mit Kältemittel zur Folge und der Zustand des aus dem Verdampfer austretenden Dampfes unterliegt geringeren Variationen, sodass das genannte „Pendeln“ vermieden bzw. reduziert wird. Gleichzeitig wird auch die Überhitzungstemperatur gesenkt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer Kälteanlage durch Reduzierung der Überhitzungstemperatur weiter zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst.
Die erfindungsgemäße Kälteanlage enthält einen Verdichter, einen Verflüssiger, ein Expansionsventil und einen Verdampfer sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, die mit dem Expansionsventil zur Regelung der Überhitzung eines Kältemittels in Abhängigkeit eines Temperatursignals wenigstens eines angeschlossenen Temperatursensors in Wirkverbindung steht, wobei der Temperatursensor an oder innerhalb eines Gehäuses des Verdichters angeordnet ist.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung der Überhitzung eines Kältemittels einer Kälteanlage mit einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Expansionsventil und einem Verdampfer, wird das Expansionsventil in Abhängigkeit wenigstens eines Temperatursignals wenigstens eines angeschlossenen Temperatursensors angesteuert, wobei zur Ansteuerung des Expansionsventils wenigstens ein Temperatursignal verwendet wird, das an oder innerhalb eines Gehäuses des Verdichters gemessen wird.
Da jede Reduzierung der Überhitzungstemperatur um ein Kelvin den Wirkungsgrad eine Kälteanlage um ca. 3% erhöht, ist man bestrebt, die Überhitzung möglichst klein und gleichzeitig groß genug zu halten, damit der Verdichter nicht durch Flüssigkeit geschädigt wird.
Bisher hat man die Überhitzung aber nur durch Messung der Temperaturen am Ein- und Ausgang des Verdampfers geregelt. Der Einfluss der Saugleitung und insbesondere der Einfluss des Verdichters blieben unberücksichtigt. Bei den der Erfindung zugrunde liegenden Versuchen wurde aber festgestellt, dass sich der Kältemitteldampf auf seiner Strecke vom Verdampfer bis zum Verdichtungszylinder im Verdichter weiter erwärmt. Vor allem die Motorwicklung des Verdichtermotors erzeugt im Betrieb eine große Wärmemenge, welche die Temperatur des Kältemitteldampfes (= Sauggas) um 2K bis 15K erhöhen kann. Hieraus wird ersichtlich, dass die Überhitzung durch eine Berücksichtigung der zusätzlichen Erwärmung des Sauggases durch den Verdichter deutlich reduziert werden kann, wodurch der Wirkungsgrad der Kälteanlage gesteigert wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Temperatursensor in einer Motorwicklung eines Motors des Verdichters angeordnet ist. Um die Temperatursignal direkt umsetzen zu können wird als Expansionsventil ein elektronisches Expansionsventil bevorzugt.
Weiterhin kann am Eingang des Verdampfers ein Verdampfungs-Temperatursensor zur Erfassung einer Verdampfungstemperatur (t₀) vorgesehen ist, der mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung in Wirkverbindung steht. Am Ausgang des Verdampfers und/oder in einer den Verdampfer mit dem Verdichter verbindenden Sauggasleitung kann ein Sauggas-Temperatursensor zur Erfassung einer Sauggastemperatur (t₂) vorgesehen werden, der ebenfalls mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung in Wirkverbindung steht.
Die erfindungsgemäße Regelung kann dadurch erfolgen, dass in Abhängigkeit des an oder innerhalb des Gehäuses des Verdichters gemessenen Temperatursignals ein Sollwert für die Überhitzung festgelegt wird. Dabei können insbesondere wenigstens zwei unterschiedliche Sollwerte für die Überhitzung zur Ansteuerung des Expansionsventils verwendet werden, wobei tendenziell ein niedrigerer Sollwert für die Überhitzung verwendet wird, wenn die Temperatur an oder innerhalb des Gehäuses des Verdichters hoch ist und ein höherer Sollwert für die Überhitzung verwendet wird, wenn die Temperatur an oder innerhalb des Gehäuses des Verdichters niedrig ist. So wird man in der Anlaufphase des Verdichterbetriebs, in welcher der Verdichter noch verhältnismäßig kalt ist, ein höhere Überhitzung über das Expansionsventil einstellen. Die zunehmende Erwärmung des Verdichters wird durch den Temperatursensor erfasst und führt dann ab einer vorgegebenen Temperaturschwelle zu einem Regeleingriff am Expansionsventil, um die durch den Verdampfer erzeugte Überhitzung zu reduzieren. Prinzipiell können mehrere Temperaturschwellen definiert werden, die zu einer Veränderung der Überhitzung durch Regelung des Expansionsventils führen. Auch eine kontinuierliche Regelung ist vorstellbar. Im einfachsten Fall wird jedoch lediglich eine Temperaturschwelle definiert, wobei das Expansionsventil unterhalb dieser Temperaturschwelle zur Realisierung eines ersten Sollwerts für die Überhitzung und oberhalb dieser Temperaturschwelle zur Realisierung eines zweiten Sollwerts für die Überhitzung angesteuert wird, wobei der erste Sollwert höher als der zweite Sollwert ist.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt in 1 ein Blockschaltbild einer Kälteanlage mit einem Verdichter 1, einem Verflüssiger 2, einem Expansionsventil 3 und einem Verdampfer 4. Die Anpassung der Kälteleistung des Verdichters erfolgt mittels eines Reglers 5 auf herkömmliche Art und Weise in Abhängigkeit des Bedarfs der Kühlstelle(n) im Bereich des Verdampfers 4.
Für die Regelung der Überhitzung eines Kältemittels ist eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 6 vorgesehen, die mit dem Expansionsventil 3 in Verbindung steht, das als elektronisches Expansionsventil ausgebildet ist. Am Eingang des Verdampfers 4 ist ein Verdampfungs-Temperatursensor 7 zur Erfassung einer Verdampfungstemperatur t₀ vorgesehen. Am Ausgang des Verdampfers 4 und/oder in einer den Verdampfer 4 mit dem Verdichter 1 verbindenden Sauggasleitung 8 ist ferner ein Sauggas-Temperatursensor 9 zur Erfassung einer Sauggastemperatur t₂ vorgesehen ist. Beide Temperatursensoren sind mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 6 verbunden. Die Überhitzung (t₂ – t₀) wird dabei durch die Differenz der Sauggastemperatur t₂ und der Verdampfungstemperatur t₀ gebildet.
Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 6 steht weiterhin mit einem an oder innerhalb eines Gehäuses des Verdichters 1 angeordneten Verdichter-Temperatursensors 10 in Wirkverbindung.
Mit einer Verstellung des Expansionsventil 3 im Sinne eines Öffnens bzw. Schließens wird die Menge des durch das Expansionsventil strömenden Kältemittels und damit auch die in den Verdampfer 4 einströmende Menge an Kältemittel beeinflusst. Die Durchsatzmenge des Kältemittels im Verdampfer beeinflusst unmittelbar die sich ergebende Überhitzung des Kältemittels. Einer Reduzierung der Kältemittelmenge bewirkt dabei eine Erhöhung der Überhitzung und eine Erhöhung der Kältemittelmenge eine Reduzierung der Überhitzung. Durch das zusätzliche Temperatursignal des Verdichter-Temperatursensors 10 kann nun auch die weitere Erwärmung des Kältemittels auf der Strecke zwischen dem Verdampfer 4 und dem Verdichter 1 und insbesondere innerhalb des Verdichters berücksichtigt werden.
Der Verdichter wird mit einem nicht näher dargestellten Motor betrieben, dessen Motorwicklung sich im Betrieb erwärmt und das Sauggas signifikant erwärmt. Der Temperatursensor ist daher zweckmäßigerweise in oder in unmittelbarer Nähe der Motorwicklung anzuordnen. Es ist aber auch jeder andere Ort an oder im Verdichter denkbar, der die durch den Verdichter bedingte Erhöhung des Wärmeeintrags in geeigneter Weise abbildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 155016 [0003]
DE 4330522 A1 [0005, 0005]

Claims

Kälteanlage mit einem Verdichter (1), einem Verflüssiger (2), einem Expansionsventil (3) und einem Verdampfer (4) sowie einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (6), die mit dem Expansionsventil (3) zur Regelung der Überhitzung eines Kältemittels in Abhängigkeit eines Temperatursignals wenigstens eines angeschlossenen Temperatursensors (10) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (10) an oder innerhalb eines Gehäuses des Verdichters angeordnet ist.
Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (10) in einer Motorwicklung eines Motors des Verdichters (1) angeordnet ist.
Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (3) durch ein elektronisches Expansionsventil gebildet wird.
Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Verdampfer (4) ein Verdampfungs-Temperatursensor (7) zur Erfassung einer Verdampfungstemperatur (t₀) vorgesehen ist, der mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (6) in Wirkverbindung steht.
Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des Verdampfers (4) und/oder in einer den Verdampfer mit dem Verdichter (1) verbindenden Sauggasleitung (8) ein Sauggas-Temperatursensor (9) zur Erfassung einer Sauggastemperatur (t₂) vorgesehen ist, der mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (6) in Wirkverbindung steht.
Verfahren zur Regelung der Überhitzung eines Kältemittels einer Kälteanlage mit einem Verdichter (1), einem Verflüssiger (2), einem Expansionsventil (3) und einem Verdampfer (4), wobei das Expansionsventil in Abhängigkeit wenigstens eines Temperatursignals wenigstens eines angeschlossenen Temperatursensors (10) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Expansionsventils (3) wenigstens ein Temperatursignal verwendet wird, das an oder innerhalb eines Gehäuses des Verdichters (1) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) mit einem eine Motorwicklung aufweisenden Motor betrieben wird und als Temperatursignal die Temperatur dieser Motorwicklung ermittelt und zur Ansteuerung des Expansionsventils (3) zur Regelung der Überhitzung des Kältemittels verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (4) mit einer Verdampfungstemperatur (t₀) arbeitet und die Verdampfungstemperatur ermittelt und zur Ansteuerung des Expansionsventils (3) mitberücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer den Verdampfer (4) mit dem Verdichter (1) verbindenden Sauggasleitung (8) eine Sauggastemperatur (t₂) ermittelt und zur Ansteuerung des Expansionsventils mitberücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des an oder innerhalb des Gehäuses des Verdichters (1) gemessenen Temperatursignals ein Sollwert für die Überhitzung festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei unterschiedliche Sollwerte für die Überhitzung zur Ansteuerung des Expansionsventils (3) verwendet werden, wobei tendenziell ein niedrigerer Sollwert für die Überhitzung verwendet wird, wenn die Temperatur an oder innerhalb des Gehäuses des Verdichters (1) hoch ist und ein höherer Sollwert für die Überhitzung verwendet wird, wenn die Temperatur an oder innerhalb des Gehäuses des Verdichters niedrig ist.