DE102014111946A1

DE102014111946A1 - Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage

Info

Publication number: DE102014111946A1
Application number: DE102014111946.0A
Authority: DE
Inventors: Manuel Saboy
Original assignee: Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
Current assignee: Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
Priority date: 2014-08-21
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2016-02-25
Also published as: US20170159984A1; WO2016026905A1; EP3183516A1; EP3183516B1; US10900698B2

Abstract

Um bei einem Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage, umfassend einen ein Kältemittel führenden Kreislauf, bei welchen zur Steuerung einer Gesamtverdichterleistung der Kälteanlage mindestens eine Zustandsgröße in einem System, die Kälteanlage mit möglichst geringen Schwankungen der Zustandsgröße zu betreiben, wird vorgeschlagen, dass entsprechend dieser mindestens einen Zustandsgröße die Verdichtereinheit entweder in einem ersten Betriebszustand mit einer ersten Gesamtverdichterleistung betrieben wird, bei welcher die Zustandsgröße abnimmt, oder in einem zweiten Betriebszustand mit einer zweiten Gesamtverdichterleistung betrieben wird, bei welcher die Zustandsgröße zunimmt, wobei die ersten und die zweiten Betriebszustände wechselweise unmittelbar aufeinanderfolgen, dass ein Übergang von dem zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand dann erfolgt, wenn die gemessene Zustandsgröße einen ersten Schwellwert erreicht oder überschreitet, dass ein Übergang von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand dann erfolgt, wenn die gemessene Zustandsgröße einen zweiten Schwellwert erreicht oder unterschreitet, und dass eine Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert der größten der Zustandsgrößendifferenzen entspricht, die sich während der jeweiligen Mindestzeitdauer im ersten Betriebszustand oder im zweiten Betriebszustand ergeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage, umfassend einen ein Kältemittel führenden Kreislauf, in welchem das Kältemittel durch mindestens eine Verdichtereinheit verdichtet wird, das verdichtete Kältemittel durch einen hochdruckseitigen Wärmeübertrager gekühlt wird, das gekühlte verdichtete Kältemittel durch ein Expansionsorgan expandiert wird und in einem nachgeordneten Wärmeübertrager Wärme aufnimmt, wobei zur Steuerung einer Gesamtverdichterleistung der Kälteanlage mindestens eine Zustandsgröße in einem System, umfassend die Kälteanlage sowie ein mit dem hochdruckseitigen Wärmeübertrager wechselwirkendes Medium und ein mit dem niederdruckseitigen Wärmeübertrager wechselwirkendes Medium, gemessen wird.
Bei derartigen Kälteanlagen besteht die Aufgabe, die Kälteanlage mit möglichst geringen Schwankungen der Zustandsgröße und möglichst optimal an die Bedingungen in dem System angepasster Gesamtverdichterleistung zu betreiben.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass entsprechend dieser mindestens einen Zustandsgröße die Verdichtereinheit entweder in einem ersten Betriebszustand mit einer ersten Gesamtverdichterleistung betrieben wird, bei welcher die Zustandsgröße abnimmt, oder in einem zweiten Betriebszustand mit einer zweiten Gesamtverdichterleistung betrieben wird, bei welcher die Zustandsgröße zunimmt, wobei die ersten und zweiten Betriebszustände wechselweise unmittelbar aufeinanderfolgen, dass ein Übergang von dem zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand dann erfolgt, wenn die gemessene Zustandsgröße einen ersten Wert erreicht oder überschreitet, dass ein Übergang von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand dann erfolgt, wenn die gemessene Zustandsgröße einen zweiten Wert erreicht oder unterschreitet und dass eine Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert mindestens der Größten der Zustandsgrößendifferenzen entspricht, die sich während der jeweiligen Mindestzeitdauer im ersten Betriebszustand und im zweiten Betriebszustand ergeben.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist somit darin zu sehen, dass bei dieser die Möglichkeit besteht, die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert so zu wählen, dass sie der Größten der Zustandsgrößendifferenzen im ersten Betriebszustand und im zweiten Betriebszustand entspricht und somit stets die Kälteanlage derart betrieben wird, dass beide Betriebszustände während einer Zeitdauer durchgeführt werden, die der Mindestzeitdauer entspricht oder größer als die Mindestzeitdauer ist, so dass damit ein optimaler Betrieb der Kälteanlage möglich ist.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist nicht festgelegt, ob die erste Gesamtverdichterleistung größer ist als die zweite Gesamtverdichterleistung oder die zweite Gesamtverdichterleistung größer ist als die erste Gesamtverdichterleistung.
Prinzipiell könnten der erste Wert und der zweite Wert variieren, wobei ein Sollwert beispielsweise zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert liegen könnte.
Eine besonders günstige Lösung sieht jedoch vor, dass der erste Wert oder der zweite Wert einem festgelegten Sollwert entspricht, der nicht variiert, während der jeweils andere Wert so festgelegt wird, dass eine Differenz zwischen dem einen Wert und dem anderen Wert der Größten der Zustandsgrößendifferenzen entspricht.
Das heißt, dass bei dieser Lösung davon ausgegangen wird, dass üblicherweise ein Sollwert vorgegeben wird und der Sollwert möglichst nicht überschritten oder möglichst nicht unterschritten werden soll.
Unter dem Begriff "möglichst nicht überschreiten des Sollwerts oder möglichst nicht unterschreiten des Sollwerts" ist dabei zu verstehen, dass sich diese Aussage auf die überwiegende Zahl der ersten und zweiten Betriebszustände bezieht, beispielsweise auf mindestens 80% der Betriebszustände, noch besser mindestens 90% der Betriebszustände.
Das Überschreiten oder Unterschreiten des Sollwertes kann je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch bei einzelnen Betriebszuständen auftreten, wenn sehr schnelle Änderungen des Wärmeeintrags, insbesondere während der Mindestzeitdauer auftreten, die bei einzelnen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht innerhalb der Mindestzeitdauer berücksichtigt werden können.
Hinsichtlich der Mindestzeitdauern wurden im Zusammenhang mit den bisherigen einzelnen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht.
Die Mindestzeitdauern können theoretisch im Bereich von Millisekunden bis mehreren Sekunden liegen.
So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die jeweiligen Mindestzeitdauern im Bereich von 1 bis 10 Sekunden liegen.
Noch vorteilhafter ist es, wenn die jeweiligen Mindestzeitdauern in einem Bereich von 2 bis 8 Sekunden liegen.
Prinzipiell könnte die Mindestzeitdauer für den ersten Betriebszustand und die Mindestzeitdauer für den zweiten Betriebszustand unterschiedlich groß sein.
Um jedoch das erfindungsgemäße Verfahren möglichst einfach durchführen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Mindestzeitdauern in beiden Betriebszuständen gleich groß sind.
Hinsichtlich der Ermittlung des Schwellwerts für den variierenden Wert des Übergangs von einem Betriebszustand in den anderen Betriebszustand wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
Beispielsweise könnte der Schwellwert zu verschiedensten Zeitpunkten ermittelt werden.
Eine Möglichkeit wäre, den Schwellwert durch eine Mittelwertbildung zu ermitteln.
Um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch möglichst zeitnah den variablen Schwellwert für den Übergang von einem Betriebszustand in den anderen Betriebszustand ermitteln zu können, wird vorgesehen, dass dieser Schwellwert während des dem einen Betriebszustand vorausgehenden anderen Betriebszustandes ermittelt wird.
Das heißt, dass der für den laufenden Betriebszustand maßgebliche variable Schwellwert für den Übergang von diesem einen Betriebszustand in den anderen Betriebszustand während des vorausgehenden anderen Betriebszustandes ermittelt wird, so dass der Schwellwert bei dem jeweils laufenden und bis zu dem Übergang in den anderen Betriebszustand andauernden Betriebszustand zeitnah zur Verfügung steht, um die Schwankungen des Regelungsbandes möglichst klein zu halten.
Das heißt, dass mit dieser Lösung stets eine Anpassung an die vorliegenden Verhältnisse erfolgt.
Im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde zwar festgelegt, dass die Differenzen zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert mindestens der Größten der Zustandsgrößendifferenz, die während der Mindestzeitdauer auftritt, entsprechen.
Damit ist jedoch nicht zwingend festgelegt, dass stets der jeweilige Betriebszustand während der jeweiligen Mindestzeitdauer betrieben wird.
Prinzipiell ließe sich das erfindungsgemäße Verfahren derart durchführen, dass die Betriebszustände möglichst überwiegend für eine Zeitdauer betrieben werden, welche mindestens der Mindestzeitdauer entspricht, wobei unter der Angabe "möglichst überwiegend" zu verstehen ist, dass dies für mindestens 80% der Betriebszustände, noch besser mindestens 90% der Betriebszustände, zutrifft, dass aber bei besonderen Vorkommnissen, beispielsweise plötzlichen Änderungen des Wärmeeintrags, Betriebszustände auftreten können, bei welchen die Zeitdauer derselben kleiner ist als die Mindestzeitdauer.
Sollte jedoch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Einhaltung der Mindestzeitdauer in dem jeweiligen Betriebszustand für alle Betriebszustände gelten, ist vorzugsweise vorgesehen, dass der erste Betriebszustand stets mindestens während einer Zeitdauer ausgeführt wird, welche der Mindestzeitdauer entspricht.
Darüber hinaus ist vorzugsweise in einem derartigen Fall ebenfalls vorgesehen, dass der zweite Betriebszustand stets mindestens während einer Zeitdauer ausgeführt wird, welche der Mindestzeitdauer entspricht.
Alternativ oder ergänzend zu den bislang beschriebenen Lösungen sieht eine weitere vorteilhafte Lösung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die Kälteanlage mehrere Verdichtereinheiten aufweist und dass die Steuerung der Gesamtverdichterleistung durch Steuerung des Kältemittelstroms durch mindestens eine der Verdichtereinheiten erfolgt.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Kältemittelstrom durch ein Ventil unterbrochen wird.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass in der Verdichtereinheit der Kältemittelstrom durch Einwirkung auf die Verdichtung selbst, beispielsweise im Sinne einer Aufhebung der Verdichtungsfunktion oder durch Bypassleitungen, beeinflusst wird.
Besonders vorteilhaft ist es im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung, wenn die Steuerung der Gesamtverdichterleistung durch Steuerung des Kältemittelstroms durch mehrere der Verdichtereinheiten erfolgt.
Beispielsweise ist es im Rahmen dieser Lösung ebenfalls denkbar, dass die Steuerung der Gesamtverdichterleistung durch Steuerung der Verdichterleistung von mindestens einer der Verdichtereinheiten erfolgt, während andere der Verdichtereinheiten ständig mit konstanter Verdichterleistung einen Kältemittelstrom verdichten oder abgeschaltet sind.
Besonders vorteilhaft ist eine Lösung, bei welcher die Festlegung der Anzahl der im ersten Betriebszustand zur Gesamtverdichterleistung beitragenden Verdichtereinheiten dadurch bestimmt wird, wie groß die Zustandsgrößendifferenz während der Mindestzeitdauer des ersten Betriebszustandes ist.
Ferner ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Zahl der im zweiten Betriebszustand zur Gesamtverdichterleistung beitragenden Verdichtereinheiten dadurch festgelegt wird, wie groß die Zustandsgrößendifferenz während der Mindestzeitdauer des zweiten Betriebszustandes ist.
Mit diesen Lösungen besteht die Möglichkeit, jeden der Betriebszustände zwingend während der Mindestzeitdauer zu betreiben, so dass unabhängig von allen Ereignissen stets die Mindestzeitdauer für den jeweiligen Betriebszustand eingehalten wird.
Darüber hinaus wurde nicht näher darauf eingegangen, wie die Gesamtverdichterleistung in den jeweiligen Betriebszuständen festgelegt wird.
Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung ist lediglich zwingend, dass die Gesamtverdichterleistung während des ersten Betriebszustandes zu einer Abnahme der Zustandsgröße führt und während des zweiten Betriebszustandes zu einer Zunahme der Zustandsgröße führt, wobei die absolute Größe der Gesamtverdichterleistung grundsätzlich frei gewählt werden kann.
Die Gesamtverdichterleistung kann jedoch, wenn diese für den jeweiligen Einsatzfall zu groß und/oder zu klein ist, zu einer Verbreiterung der Bandbreite des Regelungsbandes führen.
Aus diesem Grund liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, die Gesamtverdichterleistung möglichst optimal an die jeweiligen Gegebenheiten anzupassen.
Hierzu ist im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen, dass im jeweiligen Betriebszustand die Gesamtverdichterleistung so festgelegt wird, dass die Zustandsgrößendifferenz während der Mindestzeitdauer im jeweiligen Betriebszustand möglichst klein ist.
Das heißt, dass erfindungsgemäß die Gesamtverdichterleistung so variiert wird, dass im ersten Betriebszustand eine möglichst geringe Abnahme der Zustandsgröße erfolgt und im zweiten Betriebszustand eine möglichst geringe Zunahme der Zustandsgröße erfolgt.
Durch eine derartige Reduzierung der Zustandsgrößendifferenz durch Anpassung der Gesamtverdichterleistung an die Betriebsbedingungen des Systems lässt sich die Bandbreite des Regelungsbandes ebenfalls optimal reduzieren.
Insbesondere lässt sich dieses bei einer vorteilhaften Lösung so realisieren, dass die Zahl der im jeweiligen Betriebszustand zur Gesamtverdichterleistung beitragenden Verdichtereinheiten so festgelegt wird, dass die Zustandsgrößendifferenz während der Mindestzeitdauer im jeweiligen Betriebszustand möglichst klein ist.
Das heißt, dass im ersten Betriebszustand die Gesamtverdichterleistung so festgelegt wird, dass die Abnahme der Zustandsgröße während der Mindestzeitdauer möglichst gering ist.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Zahl der im zweiten Betriebszustand zur Gesamtverdichterleistung beitragenden Verdichtereinheiten so festgelegt wird, dass die Zustandsgrößendifferenz während der Mindestzeitdauer möglichst klein ist, das heißt, dass die Zustandsgröße während der Mindestzeitdauer eine möglichst geringe Änderung aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
1 ein Beispiel einer schematisch dargestellten Kälteanlage;
2 eine Darstellung des Verhaltens der Zustandsgröße X über der Zeit t bei einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens für den Fall, dass die Zustandsgrößendifferenz während der Mindestzeitdauer im ersten Betriebszustand größer ist als im zweiten Betriebszustand;
3 eine Darstellung entsprechend 2 für den Fall, dass die Zustandsgrößendifferenz während der Mindestzeitdauer im ersten Betriebszustand kleiner ist als im zweiten Betriebszustand;
4 eine schematische Darstellung eines Ablaufs des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, welcher beispielsweise zu dem Verlauf der Zustandsgröße X über der Zeit t führt, wie er in 2 und 3 dargestellt ist;
5 eine Darstellung des Verhaltens der Zustandsgröße X über der Zeit entsprechend den 2 und 3 für den Fall einer plötzlichen Änderung eines Wärmeeintrags bei einer ersten Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
6 eine Darstellung des Verhaltens der Zustandsgröße X über der Zeit ähnlich 5 bei einem sich plötzlich ändernden Wärmeeintrag bei einer zweiten Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
7 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ähnlich 4;
8 eine Darstellung eines Verhaltens der Zustandsgröße X über der Zeit t bei einem plötzlichen Wärmeeintrag bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
9 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ähnlich 4;
10 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ähnlich 4 und
11 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ähnlich 4.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, in 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet, umfasst eine als Ganzes mit 12 bezeichnete Verdichtereinheit, welche Kältemittel von einem Saugdruck PS auf einen Hochdruck PH verdichtet.
Das auf Hochdruck PH verdichtete Kältemittel wird von einer Hochdrucksammelleitung 14 zu einem hochdruckseitigen Wärmeübertrager 16 geführt, welcher dem auf Hochdruck verdichteten Kältemittel Wärme mittels eines diesen durchströmenden Mediums MW entzieht.
Danach strömt das Kältemittel zu einem Expansionsventil 18, in welchem eine Expansion vom Hochdruck PH auf einen Niederdruck PN erfolgt, wobei dieses auf den Niederdruck PN expandierte Kältemittel in einen niederdruckseitigen Wärmeübertrager 22 eintritt und in dem niederdruckseitigen Wärmeübertrager 22 in der Lage ist, aus einem diesen durchströmenden Medium MK Wärme aufzunehmen.
Von dem niederdruckseitigen Wärmeübertrager 22 strömt das expandierte Kältemittel dann in einer niederdruckseitigen Sammelleitung 24 zu der Verdichtereinheit 12 und wird beim Saugdruck PS angesaugt.
An jeder Stelle der Kälteanlage oder auch in dem jeweils aus dem entsprechendem Wärmeübertrager 16 oder 22 abströmenden Medium MW bzw. MK lässt sich nun durch Messen einer Zustandsgröße X erfassen, wie stark der Wärmeeintrag ist und somit ableiten, in welchem Maße Verdichterleistung erforderlich ist, um die Zustandsgröße X möglichst nahe bei einem Sollwert zu halten, der entweder konstant vorgegeben ist oder variieren kann, wobei diese Variation auf den gemäß der vorliegenden Lösung zu regelnden Sollwert keinen Einfluss hat.
Beispielsweise erfolgt die Erfassung der Zustandsgröße X im niederdruckseitigen Wärmeübertrager 22.
Die Regelung der für die Aufrechterhaltung des Sollwerts erforderlichen Verdichterleistung erfolgt durch eine Regeleinheit 32, welche die Verdichtereinheit 12 derart ansteuert, dass die Verdichterleistung der Verdichtereinheit 12 an den Wärmeeintrag in den niedertemperaturseitigen Wärmeübertrager 22 angepasst wird.
Hierzu werden die Zustandsgröße X oder mehrere Zustandsgrößen X beispielsweise am niederdruckseitigen Wärmeübertrager 22 erfasst und zur Steuerung der Verdichterleistung der Verdichtereinheit 12 herangezogen.
Derartige Zustandsgrößen X sind beispielsweise die Temperatur T am niederdruckseitigen Wärmeübertrager 22 und/oder ein Duck P des Kältemittels am niederdruckseitigen Wärmeübertrager 22.
Diese werden durch die Regeleinheit 32 erfasst und führen zu einer Ansteuerung der Verdichtereinheit 12 dergestalt, dass deren Verdichterleistung so angepasst wird, dass die gemessene Zustandsgröße X, das heißt beispielsweise die Temperatur T am niederdruckseitigen Wärmeübertrager 22 und/oder der Druck P am niederdruckseitigen Wärmeübertrager 22, erfasst werden und aus dieser Zustandsgröße X oder diesen Zustandsgrößen X der Umfang von Teilabschaltungen der Verdichtereinheit 12 festgelegt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst die Verdichtereinheit 12 beispielsweise vier Verdichter 42 ₁, 42 ₂, 42 ₃ und 42 ₄, wobei jeder dieser Verdichter 42 mindestens eine Zylindereinheit 44 aufweist, und jede der Zylindereinheiten 44 durch ein Abschaltventil 46 von der Sammelleitung 24 abkoppelbar und somit im Hinblick auf die Verdichterleistung abschaltbar ist, so dass trotz weiterlaufendem Antrieb 48 durch das Abschaltventil 46 die Verdichtung von Kältemittel unterbrochen werden kann.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch jede Art von Verdichter eingesetzt werden.
Alternativ zum Vorsehen von Abschaltventilen ist es aber auch denkbar, Verdichter 42 einzusetzen, bei denen durch die Kompression oder die Kältemittelführung beeinflussende Elemente die Verdichterleistung geschaltet werden kann.
Dabei kann jede der Zylindereinheiten 44 entweder einen einzigen Zylinder oder mehrere Zylinder, die jedoch einzeln oder in Gruppen oder gleichzeitig abschaltbar sind, umfassen.
Die Regeleinheit 32 steuert nun die Verdichterleistung der einzelnen Verdichter 42 sowie die Antriebe 48 der einzelnen Verdichter 42 so, dass jeweils für jeden Zustand des niederdruckseitigen Wärmetauschers 22 die geeignete Verdichterleistung zur Verfügung steht, um die Bedingungen in dem niederdruckseitigen Wärmetauscher 22 möglichst konstant zu halten.
Die Funktion der Regeleinheit 32 und die dadurch bedingte Steuerung der Verdichterleistung der Verdichtereinheit 12 soll nachfolgend beschrieben werden.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Regeleinheit 32 wird beispielsweise anhand einzelner Regelszenarien erläutert.
Um die Zustandsgröße X möglichst geringen Schwankungen zu unterwerfen, wird ein Regelungsband RB für die Schwankungen der Zustandsgröße X definiert, welches zwischen einem ersten Wert W1 und einem zweiten Wert W2 liegt, wobei der Sollwert SX innerhalb des Regelungsbandes RB liegt.
Dieses Regelungsband RB soll – um möglichst geringe Schwankungen der Zustandsgröße X zu erhalten – eine möglichst geringe Bandbreite BB für die Zustandsgröße X aufweisen, wobei allerdings die Bandbreite BB für die Zustandsgröße X eine Mindestbreite aufweisen muss, um eine Mindestschaltzeit für das Schalten der Verdichterleistung einhalten zu können, das heißt, dass im Fall des Einsatzes von Abschaltventilen 46 die Abschaltventile 46 während einer Mindestzeitdauer MZ in jedem Schaltzustand, das heißt offen oder geschlossen, verbleiben.
Die Mindestzeitdauer MZ für das Schalten der Verdichterleistung ist beispielsweise notwendig, um geeignete Ansteuerzeiten sicherzustellen.
Für die Erklärung der Arbeitsweise der Regeleinheit 32 der Verdichtereinheit 12 gemäß 1 wird als ein Beispiel einerseits ein Zustand angenommen, bei dem alle Verdichter 42 zur Gesamtverdichterleistung beitragen, so dass insbesondere die Abschaltventile 46 ₁ bis 46 ₄ aller Verdichter 42 gleichzeitig geöffnet sind, so dass die Gesamtverdichterleistung der Verdichtereinheit 12 bei gleichzeitigem Öffnen aller Abschaltventile 46 ₁ bis 46 ₄ der maximalen Verdichterleistung aller Verdichter 42 ₁ bis 42 ₄, das heißt einer hundertprozentigen Gesamtverdichterleistung, entspricht und andererseits ein Zustand, bei dem die Hälfte der Gesamtverdichterleistung vorliegt, das heißt, beispielsweise bei geschlossenen Abschaltventilen 46 ₁ und 46 ₂ und somit nur noch arbeitenden Zylindereinheiten 48 ₃ und 48 ₄, das heißt 50% der maximalen Verdichterleistung der Verdichtereinheit 12, wenn man bei einer beispielhaften Lösung davon ausgeht, dass die Zylindereinheiten 44 ₁ bis 44 ₄ jeweils dieselbe Verdichterleistung aufweisen.
Ausgehend von diesem Szenario hat bei diesem Beispiel nun die Regeleinheit 32 die Möglichkeit zwischen 100% Gesamtverdichterleistung und 50% Gesamtverdichterleistung zu variieren.
Ein derartiges Schalten der Regeleinheit 32 zwischen 100% Gesamtverdichterleistung und 50% Gesamtverdichterleistung ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn der Wärmeeintrag in die niederdruckseitige Wärmetauschereinheit 22 so groß ist, dass die beispielsweise an der Wärmetauschereinheit 22 gemessene Zustandsgröße X bei 100% Gesamtverdichterleistung sinkt, jedoch bei 50% Verdichterleistung ansteigt, das heißt, dass 50% Gesamtverdichterleistung nicht ausreichen, um die in die Wärmetauschereinheit 22 eingetragene Wärmemenge abzuführen, während die Verdichterleistung von 100% eine zu große Wärmemenge abführt, und somit die Zustandsgröße X nicht konstant auf einem erwünschten Wert gehalten werden kann.
Somit wird während eines ersten Betriebszustands B1, in diesem Beispiel bei 100% Gesamtverdichterleistung, die Zustandsgröße X abnehmen, da die in den niederdruckseitigen Wärmetauscher 22 eingetragene Wärmemenge nur eine geringere Gesamtverdichterleistung als 100% erfordern würde, um die Zustandsgröße X konstant zu halten.
Das Fortdauern des ersten Betriebszustandes B1 würde jedoch zu einer ständigen Abnahme der Zustandsgröße X führen, so dass auf den ersten Betriebszustand B1 ein zweiter Betriebszustand B2 erfolgt, in welchem die Gesamtverdichterleistung, beispielsweise eine Gesamtverdichterleistung von 50%, so gering ist, dass die in den niederdruckseitigen Wärmetauscher 22 eingetragene Wärmemenge zu einem Anstieg der Zustandsgröße X führt.
Dadurch, dass ein erster Betriebszustand B1 und ein zweiter Betriebszustand B2 einander ständig abwechseln, besteht nun die Möglichkeit, die Zustandsgröße X mit Schwankungen innerhalb des Regelungsbandes RB und nahe bei dem vorgegebenen Sollwert SX zu halten.
Die Schwankungen der Zustandsgröße X relativ zum Sollwert SX könnten dadurch reduziert werden, dass nach jeder geringen Abweichung von dem Sollwert SX für die Zustandsgröße X ein Wechsel von dem Betriebszustand B1 in den Betriebszustand B2 oder von dem Betriebszustand B2 in den Betriebszustand B1 erfolgt.
Dies hätte jedoch die Konsequenz, dass die Gesamtverdichterleistung im beispielhaften Fall ständig geschaltet würde.
Ein derartiges ständiges Schalten der Gesamtverdichterleistung ist jedoch aus einer Vielzahl von Gründen unerwünscht.
Aus diesem Grund wird die Mindestzeitdauer MZ für den jeweiligen Betriebszustand B1 und B2 eingeführt, die es ermöglicht, zumindest bei konstantem oder gering schwankendem Wärmeeintrag in den Wärmeübertrager 22 den Schaltzustand der Gesamtverdichterleistung während der Mindestzeitdauer MZ aufrecht zu erhalten, so dass die Mindestzeitdauer MZ die höchstmögliche Schaltfrequenz festlegt, mit welcher ein Schalten der Gesamtverdichterleistung erfolgen kann.
Erfindungsgemäß soll mittels der Regeleinheit 32 nun trotz der für die Schaltzustände der Gesamtverdichterleistung vorgegebenen Mindestzeitdauer MZ die Schwankung der Zustandsgröße X minimiert werden.
Dies erfolgt dadurch, dass die erfindungsgemäße Regeleinheit 32 das Regelungsband RB, das zwischen einem ersten Wert W1 und einem zweiten Wert W2 liegt, und innerhalb von welchem die Zustandsgröße X schwanken kann, auf einer möglichst geringen Bandbreite BB, das heißt einem möglichst geringem Abstand zwischen dem ersten Wert W1 und dem zweiten Wert W2 hält, wobei beim ersten Wert W1 ein Wechsel von dem zweiten Betriebszustand B2 in den ersten Betriebszustand B1 erfolgt und bei dem zweiten Wert W2 ein Wechsel von dem ersten Betriebszustand B1 in den zweiten Betriebszustand B2 erfolgt.
Erfindungsgemäß wird das Regelungsband RB zwischen dem ersten Wert W1 und dem zweiten Wert W2 bei einer möglichst geringen Bandbreite BB gehalten, wobei die Bandbreite BB so bemessen werden soll, dass die Differenz zwischen dem ersten Wert W1 und dem zweiten Wert W2 der größten Werteänderung der Zustandsgröße X entspricht, die sich während der Mindestzeitdauer MZ im ersten Betriebszustand B1 oder im zweiten Betriebszustand B2 ergibt.
Diese Dimensionierung der Bandbreite BB gilt einerseits für den Idealfall, in dem die Werteänderung der Zustandsgröße X während der Mindestzeitdauer MZ in beiden Betriebszuständen B1 und B2 gleich groß ist, aber auch für alle anderen Fälle, in denen die Werteänderung der Zustandsgröße X in einen der Betriebszustände B1 oder B2 größer ist als im anderen.
Dieser Vorgehensweise liegt die Überlegung zugrunde, dass mit Ausnahme des Idealfalls bei einem der beiden Betriebszustände B1, B2, das heißt beim ersten Betriebszustand B1 oder beim zweiten Betriebszustand B2, die Änderung der Zustandsgröße X während der Mindestzeitdauer MZ größer sein wird als beim anderen, so dass dann, wenn Voraussetzung ist, dass beide Betriebszustände, das heißt der Betriebszustand B1 und der Betriebszustand B2 möglichst immer während der Mindestzeitdauer MZ betrieben werden sollen, zumindest bei einem dieser Betriebszustände B1, B2 eine größere Änderung der Zustandsgröße X auftritt als beim Anderen, und folglich die Bandbreite BB des Regelungsbandes RB an den Betriebszustand B1, B2 mit der größten Änderung der Zustandsgröße X während der Mindestzeitdauer MZ anzupassen ist. Der andere Betriebszustand wird in diesem Fall dann während einer längeren Zeitdauer vorliegen, wodurch jedoch lediglich die Zeitdauer für diesen Betriebszustand länger wird und somit auch die Verweildauer der Gesamtverdichterleistung in diesem Zustand länger ist.
Damit ist jedoch sichergestellt, dass stets einer der Schaltzustände der Gesamtverdichterleistung während der Mindestzeitdauer MZ vorliegt, wobei der andere der Schaltzustände der Gesamtverdichterleistung während einer längeren Zeitdauer vorliegt.
Die Eingrenzung des Regelungsbands RB zwischen dem ersten Wert W1 und dem zweiten Wert W2 lässt sich durch unterschiedlichste Verfahren realisieren, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, dargestellt in 2 bis 6 sind die Verfahrensschritte so konzipiert, dass der Sollwert SX möglichst nicht überschritten werden soll, das heißt, dass die Schwankung der Zustandsgröße X lediglich im Bereich von Werten der Zustandsgröße X erfolgen soll, die niedriger sind als der Sollwert SX, so dass der erste Wert W1 möglichst immer beim Sollwert SX liegen soll und die Anpassung der Bandbreite BB des Regelungsbereichs RB weitgehend durch Variation des zweiten Werts W2 erfolgt.
Diese Vorgehensweise ist beispielsweise bei allen Kühlanforderungen sinnvoll, bei denen die Temperatur des niederdruckseitigen Wärmeübertragers 22 einen bestimmten Sollwert SX nicht überschreiten soll, bei denen es aber unkritisch ist, wenn der vorgegebene Sollwert SX, der nicht überschritten werden soll, unterschritten wird.
Die Festlegung des variablen zweiten Werts W2 relativ zum ersten Wert W1, welcher konstant gehalten werden soll, kann auf unterschiedlichste Art und Weise erfolgen.
Bei dem in 2 bis 6 beispielhaft dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird beispielsweise ständig oder situationsabhängig während der Dauer des ersten Betriebszustandes B1 und/oder während der Dauer des zweiten Betriebszustandes B2 die jeweilige Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) bzw. ΔXB2 (MZ) ermittelt, die sich jeweils während der Mindestzeitdauer MZ bei dem jeweiligen Betriebszustand B1 bzw. B2 ergibt.
Das Verfahren gemäß 2 bis 6 geht dabei davon aus, dass die Zustandsgröße X bei der Gesamtverdichterleistung von beispielsweise 100% abnimmt und bei einer niedrigeren Gesamtverdichterleistung von beispielsweise 50% zunimmt.
Dies trifft beispielsweise zu, wenn als Zustandsgröße X die Temperatur T im Wärmeübertrager 22 gemessen wird.
Ferner geht das Verfahren gemäß 2 bis 6 davon aus, dass der Wert W1 dem Sollwert SX entsprechen soll.
Je nachdem welche der sich während der Mindestzeitdauer MZ ergebenden Zustandsgrößendifferenzen ΔXB1 (MZ) oder ΔXB2 (MZ) die Größere ist, dient die jeweils Größere der Zustandsgrößendifferenzen ΔXB1 (MZ) oder ΔXB2 (MZ) dazu, den zweiten Wert W2 relativ zum ersten Wert W1 so zu legen, dass der zweite Wert W2 um die Größte der Zustandsgrößendifferenzen ΔXB1 (MZ) bzw. ΔXB2 (MZ) unterhalb des ersten Werts W1 liegt.
Beispielsweise zeigt 2 den Verlauf der Zustandsgröße X bei den zwei aufeinanderfolgenden Betriebszuständen B1 und B2, wobei beim Betriebszustand B1 die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) während der Mindestzeitdauer MZ größer ist als im Betriebszustand B2 die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) während der Mindestzeitdauer MZ, so dass dadurch der Wert W2 durch die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) bestimmt ist.
Das heißt, dass solange, die sich jeweils während der Mindestzeitdauer ergebende Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) größer ist als die sich jeweils während der Mindestzeitdauer (MZ) ergebende Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) der Wert W2 relativ zum Wert W1 letztlich durch die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) bestimmt ist.
Ist jedoch, wie in 3 dargestellt, die sich jeweils während der Mindestzeitdauer MZ einstellende Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) größer als die sich jeweils während der Mindestzeitdauer einstellende Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ), so wird die Lage des Wertes W2 durch die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) bestimmt.
Die Ermittlung des Wertes W2, welcher bei diesem Ausführungsbeispiel bei kleineren Werten der Zustandsgröße X liegen soll als der Wert W1, wobei der Sollwert SX möglichst nicht dauerhaft überschritten werden soll, ist in 4 in einem Schema dargestellt, wobei das in 4 dargestellte Schema nicht zwingend einen Algorithmus ergibt, der einzuhalten ist, um den zweiten Wert W2 zu ermitteln, sondern lediglich darstellen soll, aus welchen Parametern sich der Wert W2 ergibt, so wie dies in den 2 und 3 dargestellt ist.
Das Schema gemäß 4 sieht vor, dass während des ersten Betriebszustandes B1 die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) und während des zweiten Betriebszustandes die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) ermittelt und verglichen werden.
Der größere der Zustandsgrößendifferenzen ΔXB1 (MZ) oder ΔXB2 (MZ) wird gemäß 4 zur Bestimmung des Schwellwertes UB1B2 verwendet oder von dem Sollwert SX einen Abstand aufweisen soll, welcher der größeren der Zustandsgrößendifferenzen ΔXB1 (MZ) oder ΔXB2 (MZ) entspricht.
In dem Verfahrensschritt V1 gemäß 4 wird daher als Schwellwert UB1B2 herangezogen, dessen Erreichen oder Unterschreiten den Übergang vom ersten Betriebszustand B1 zum zweiten Betriebszustand B2 herbeiführt.
Der verwendete Schwellwert UB1B2 stellt in jedem Zustand einen unteren Sollwert des Systems für den Wert W2 dar, bei dessen Erreichen oder Unterschreiten der Übergang vom ersten Betriebszustand B1 zum zweiten Betriebszustand B2 erfolgt.
Somit liegt nach dem Verfahrensschritt V1 als Zustandsgröße X der Wert W2 vor.
Während des zweiten Betriebszustandes B2 wird durch den Verfahrensschritt V2 der Übergang vom zweiten Betriebszustand B2 zum ersten Betriebszustand B1 eingeleitet und zwar durch Vergleich der Zustandsgröße X mit dem Sollwert SX, der bei diesem Ausführungsbeispiel als fester Wert vorgegeben ist, so dass dessen Erreichen oder Überschreiten den Übergang vom zweiten Betriebszustand B2 in den ersten Betriebszustand B1 herbeiführt und daher den ersten Wert W1 führt.
Bei der Vorgehensweise lassen sich all diejenigen Betriebszustände gemäß den in 2 und 3 dargestellten Verhältnissen regeln, bei denen die Änderungen pro Zeiteinheit geringer sind, als die Zustandsgrößendifferenzen ΔXB1 (MZ) und ΔXB2 (MZ) während der Mindestzeitdauer (MZ).
Sehr plötzliche Änderungen, insbesondere plötzliche zusätzliche Wärmeeinträge, können wie in 5 dargestellt, dazu führen, dass im Betriebszustand B2' plötzlich eine Zustandsgrößendifferenz ΔXB2' (MZ) auftritt, die im Gegensatz zu der Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) vor dem zusätzlichen Wärmeeintrag größer ist als die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ).
Dies kann bei einem Verfahren gemäß 4 durch zwei verschiedene Vorgehensweisen beherrscht werden.
Die eine Vorgehensweise sieht vor, dass, wie in 5 gestrichelt dargestellt, der Betriebszustand B2' während der Mindestzeitdauer MZ beibehalten wird, so dass nach der Mindestzeitdauer MZ aufgrund der Zustandsgrößendifferenz ΔXB2' (MZ) die Zustandsgröße X einen Wert aufweist, der über dem Sollwert SX liegt, so dass erst dann ein Umschalten beim Wert W1' vom zweiten Betriebszustand B2' auf den ersten Betriebszustand B1 erfolgt, wobei aufgrund der Tatsache, dass während des Betriebszustands B2' die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2' (MZ) ermittelt wurde, ein neuer Wert UB1B2' festgelegt wird, der dazu führt, dass der nächstfolgende erste Betriebszustand B1 so lange ausgeführt wird, bis der Wert UB1B2' erreicht ist, der um die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2' (MZ) unterhalb des Sollwerts SX liegt, so dass damit beim nächsten Ausführen des zweiten Betriebszustands B2' der Sollwert SX nicht erneut überschritten wird.
Das heißt, dass bei dieser Verfahrensweise das einmalige Überschreiten des Sollwerts SX bis zum Übergang des Betriebszustands B2' zum Betriebszustand B1' in Kauf genommen wird.
Alternativ dazu ist es aber auch möglich, wie in 6 dargestellt, in diesem Fall, den zweiten Betriebszustand B2' nicht während der gesamten Mindestzeitdauer auszuführen, sondern lediglich so lange, bis der Sollwert SX, das heißt der Wert W1, erreicht ist, sondern den Wert ΔXB2' (MZ) aus der Zeitdauer bis zum Erreichen des Sollwerts SX rechnerisch zu ermitteln, und dann den nächstfolgenden ersten Betriebszustand B1' so lange auszuführen, bis der neue ermittelte Wert UB1B2' erreicht wird, der um die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2' (MZ) unterhalb des Schwellwerts SX liegt, so dass nachfolgend dann wieder bei Erreichen oder Unterschreiten dieses Werts UB1B2' ein Übergang in den zweiten Betriebszustand B2' erfolgen kann.
In diesem Fall wurde dann ebenfalls das Regelungsband RB allerdings so verbreitert, so dass der Wert W2', bei welchem ein Übergang vom ersten Betriebszustand B1' zum zweiten Betriebszustand B2' erfolgt, bei niedrigeren Werten liegt, als der Wert W2 davor, wobei allerdings dann die Bandbreite zwischen dem Wert W1 und dem Wert W2' dann wiederum der Zustandsgrößendifferenz ΔXB2' (MZ) entspricht.
Die Vorgehensweise gemäß 4 kann zwar Gegenstand eines in der Regeleinheit 32 ausgeführten Algorithmus sein, der Algorithmus muss jedoch nicht zwingend in dieser Form durchgeführt werden.
Beispielsweise lassen sich die vorstehend beschriebenen Verhältnisse bei einem variablen zweiten Wert W2 relativ zu einem konstant gehaltenen ersten Sollwert SX, der nicht überschritten werden soll, auch mit einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß 7 erreichen.
Das Verfahren gemäß 7 geht dabei davon aus, dass die Zustandsgröße X bei der Gesamtverdichterleistung von beispielsweise 100% abnimmt und bei einer niedrigeren Gesamtverdichterleistung, zum Beispiel der Gesamtverdichterleistung von 50%, zunimmt.
Das Verfahren gemäß 7 sieht im ersten Betriebszustand B1 und im zweiten Betriebszustand B2 jeweils einen Verfahrensschritt Z1 bzw. Z2 vor, der zur Folge hat, dass der jeweilige Betriebszustand B1, B2 unabhängig von den weiteren Verfahrensschritten stets während der Mindestzeitdauer MZ aufrechterhalten wird.
Bei diesem Verfahren wird gemäß dem Verfahrensschritt Z1 der erste Betriebszustand B1 stets solange ausgeführt, bis die Mindestzeitdauer MZ abgelaufen ist.
Danach folgt im ersten Betriebszustand B1 der Verfahrensschritt V1, bei welchem die Zustandsgröße X mit einem bei dem vorangehenden zweiten Betriebszustand B2 ermittelten Wert UB1B2 verglichen wird, der die Zustandsgröße X festlegt, bei welcher der zweite Betriebszustand B2 beginnen soll, das heißt, bei welcher ein Übergang von dem ersten Betriebszustand B1 in den zweiten Betriebszustand B2 stattfinden soll.
Der Wert UB1B2 wird dabei ermittelt aus der sich während der Mindestzeitdauer MZ ergebenden Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) und liegt um diese Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) unter dem Sollwert SX.
Der Verfahrensschritt V1 sorgt dafür, dass der Übergang vom ersten Betriebszustand B1 auf den zweiten Betriebszustand B2 erst dann erfolgen kann, wenn die Zustandsgröße X gleich oder kleiner ist als der Wert UB1B2, der sich aus dem Wert SX abzüglich der Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) ergibt.
Dabei ist der Schwellwert UB1B2 nur dann für den sich ergebenden Wert W2 relevant, wenn die Zustandsgröße X nach dem Verfahrensschritt Z1 größer ist als der Schwellwert UB1B2, denn nur dann hat der Verfahrensschritt V1 eine Auswirkung auf den Wert W2 und führt dazu, dass der erste Betriebszustand B1 so lange aufrecht erhalten wird, bis die Bedingung des Verfahrensschrittes Z1 erfüllt ist.
Ist der Schwellwert UB1B2 größer als die Zustandsgröße X nach dem Verfahrensschritt Z1, ist der Verfahrensschritt V1 ohne Auswirkung auf den sich ergebenden Wert W2.
Bei dem Verfahren gemäß 7 ist im zweiten Betriebszustand B2 der Verfahrensschritt Z2 vorgesehen, welcher sicherstellt, dass der zweite Betriebszustand B2 mindestens während der festgelegten Mindestzeitdauer MZ beibehalten wird.
Das Verfahren gemäß 7 sieht ferner im zweiten Betriebszustand B2 noch den Verfahrensschritt V2 vor, der den Übergang vom zweiten Betriebszustand B2 auf den ersten Betriebszustand B1 einleitet, und zwar dann, wenn die Zustandsgröße X größer/gleich ist als der feststehende Sollwert SX.
Bei dem Verfahren gemäß 7 sind zwei Fälle zu unterscheiden.
Ist im ersten Fall die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) im ersten Betriebszustand B1 größer als die Zustandsdifferenz ΔXB2 (MZ), so entspricht die Zustandsgröße X nach dem Verfahrensschritt Z1 dem Wert W2.
Der Verfahrensschritt V1 gemäß 7, wird zwar nach dem Verfahrensschritt Z1 noch durchgeführt, ist aber für den sich ergebenden Wert W2 in dem beispielhaften Fall ohne Relevanz, da die Zustandsgröße X nach Durchführung des Verfahrensschritts Z1 Werte aufweist, die niedriger sind als der Wert UB1B2, da die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) kleiner ist als die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ).
Das Ergebnis der in 7 dargestellten Verfahrensschritte Z1 und V1 im ersten Fall ist somit der Übergang vom ersten Betriebszustand B1 in den zweiten Betriebszustand B2 bei der dem Wert W2 entsprechenden Zustandsgröße X, wobei der zweite Betriebszustand B2 in diesem ersten Fall ohne Einfluss auf den Wert W2 ist.
Der nachfolgende zweite Betriebszustand B2 dauert stets so lange an, bis der Sollwert SX erreicht wird und dann erfolgt wieder ein Übergang auf den ersten Betriebszustand B1.
Der Verlauf der Zustandsgröße X bei der Vorgehensweise gemäß 7 entspricht im ersten Fall somit genau dem in 2 dargestellten Verlauf.
Ist dagegen in einem zweiten Fall die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) größer als die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ), so ergibt sich beim Verfahrensschritt Z2 in 7, dass nach diesem eine Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) vorliegt, die es erforderlich macht, für den Verfahrensschritt V1 einen Schwellwert UB1B2 vorzusehen, der um ΔXB2 (MZ) unter dem Sollwert SX liegt, wenn der Sollwert SX nicht überschritten werden soll.
Der Verfahrensschritt Z1 während des ersten Betriebszustandes B1 ist irrelevant, da die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) zu Zustandsgrößen X führt, die immer größer sind als der Wert UB1B2.
Somit wird durch den Schwellwert UB1B2 der Wert W2 festgelegt, bei dem ein Übergang vom ersten Betriebszustand B1 auf den zweiten Betriebszustand B2 durch den Verfahrensschritt V1 erfolgt.
Der Übergang vom zweiten Betriebszustand B2 auf den ersten Betriebszustand B1 wird nachfolgend wieder durch den Verfahrensschritt V2 eingeleitet.
Der Verlauf der Zustandsgröße X gemäß 7 entspricht in diesem Fall somit genau dem in 3 dargestellten Verlauf.
Wird die vorstehend bei dem zweiten Ausführungsbeispiel beschriebene Vorgehensweise gemäß 7, das heißt, zwingendes Ausführen der ersten Betriebszustände B1 und B2 während der Mindestzeitdauer MZ, beibehalten, obwohl beispielsweise durch plötzlich auftretende externe Einflüsse die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) während der Mindestzeitdauer MZ größer wird als die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) so überschreitet im zweiten Betriebszustand B2, wie in 8 dargestellt, die Zustandsgröße X den Sollwert SX während der Mindestzeitdauer MZ, so dass ein Übergang zum ersten Betriebszustand B1 bei einer Zustandsgröße X erfolgt, die signifikant über dem ersten Sollwert SX liegt.
In diesem Fall wird die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2' (MZ) ebenfalls gemäß 7 ermittelt und der zweite Schwellwert UB1B2' relativ zum Sollwert SX derart gelegt, dass ein Übergang vom nachfolgenden ersten Betriebszustand B1 in den zweiten Betriebszustand B2' bei dem Wert UB1B2' erfolgt, der um die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2' (MZ) unterhalb des Sollwerts SX liegt.
Mit diesem sich jeweils nach Ablauf eines ersten Betriebszustandes B1 und eines nachfolgenden zweiten Betriebszustandes B2 ergebenden Schwellwert UB1B2 wird dann der nächstfolgende erste Betriebszustand B1' durchgeführt, und zwar solange, bis die Zustandsgröße X den Wert UB1B2' erreicht oder unterschritten hat.
Damit ist – vorausgesetzt, dass sich der Wärmeeintrag nicht wieder geändert hat – sichergestellt, dass bei dem nachfolgenden zweiten Betriebszustand B2' der erste Wert W1 nicht dadurch überschritten wird, dass während der Mindestzeitdauer MZ im zweiten Betriebszustand B2 eine Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) auftritt, die ausgehend von dem festgelegten Schwellwert UB1'B2' zu einem Überschreiten des Sollwerts SX führt.
Somit bewegt sich die Änderung der Zustandsgröße X in beiden Betriebszuständen B1' und B2' erneut wieder unterhalb des Sollwerts SX.
Dies gilt sowohl für den Fall, dass die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) größer ist als die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ), wie in 2 dargestellt, oder für den Fall, dass die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) kleiner ist die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ), wie in 3 dargestellt.
Alternativ ist es aber auch möglich, den zweiten Wert W2 nahe dem Sollwert SX festzulegen und primär den ersten Wert W1 variieren zu lassen, wie dies bei dem beispielhaft dargestellten dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens in 9 dargestellt ist.
Das Verfahren gemäß 9 geht dabei davon aus, dass die Zustandsgröße X bei der Gesamtverdichterleistung von beispielsweise 100% abnimmt und bei einer niedrigeren Gesamtverdichterleistung von beispielsweise 50% zunimmt.
In diesem Fall wird der erste Wert W1 variabel festgelegt, je nachdem welche der Zustandsgrößendifferenzen ΔXB1 (MZ) oder ΔXB2 (MZ) die größere ist und entsprechend der größten Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) oder ΔXB2 (MZ) liegt der erste Wert W1 über dem zweiten Wert W2.
Bei einem beispielhaft dargestellten dritten Ausführungsbeispiel geht man davon aus, dass die Regeleinheit 32 in einem bereits aktiven Zustand arbeitet, so erfolgt ein Wechsel in den ersten Betriebszustand B1 bei dem ersten Wert W1 der Zustandsgröße X.
Während des ersten Betriebszustands B1 liegen beispielsweise 100% der Gesamtverdichterleistung vor, wobei die Zustandsgröße X mit zunehmender Dauer der Zeit t abnimmt.
Während des zweiten Betriebszustandes B2 liegen beispielsweise 50% der Gesamtverdichterleistung vor, wobei die Zustandsgröße X mit zunehmender Dauer der Zeit t zunimmt.
Bei dem Verfahren gemäß 9 wird der erste Betriebszustand B1 so lange betrieben, bis im Verfahrensschritt V1 festgestellt wird, dass die Zustandsgröße X gleich oder kleiner dem Sollwert SX ist. Ist dies der Fall, erfolgt bei dem Wert W1 der Zustandsgröße X ein Übergang zum zweiten Betriebszustand B2.
Der zweite Betriebszustand B2 wird ebenfalls so lange betrieben, bis im Verfahrensschritt V2 festgestellt wird, dass die Zustandsgröße X gleich oder größer einem Schwellwert UB2B1 ist.
Dieser Schwellwert UB2B1 wird ermittelt, indem die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) und die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) miteinander verglichen werden.
Ist die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) größer als die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ), so wird der Schwellwert UB2B1 so festgelegt, dass er dem Sollwert SX zuzüglich der Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) entspricht.
Ist die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) größer als die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ), so wird der Schwellwert UB2B1 derart festgelegt, dass der Schwellwert UB2B1 dem Sollwert SX zuzüglich der Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) entspricht.
Damit wird in dem Verfahrensschritt V2 der Übergang vom zweiten Betriebszustand B2 in den ersten Betriebszustand B1 stets so festgelegt, dass dieser in einem Abstand von dem Sollwert SX erfolgt, der der Größten der Zustandsgrößendifferenzen ΔXB1 (MZ) oder ΔXB2 (MZ) entspricht, so dass die Bandbreite BB des Regelungsbandes RB ebenfalls mindestens der Größten der Zustandsgrößendifferenzen ΔXB1 (MZ) oder ΔXB2 (MZ) entspricht.
Damit wird durch den Verfahrensschritt V2 der Übergang vom zweiten Betriebszustand B2 zum ersten Betriebszustand B1 stets bei Zustandsgrößen X erfolgen, die gleich oder größer dem Schwellwert UB2B1 sind, der gemäß der vorstehend erläuterten Vorgehensweise festgelegt wird.
Das Verfahren gemäß 9 verläuft somit analog dem Verfahren gemäß 4, mit dem Unterschied, dass im Verfahrensschritt V1 ein Vergleich mit dem Sollwert SX erfolgt, im Gegensatz zur Vorgehensweise in 4 und dass im Verfahrensschritt V2 ein Vergleich mit dem Schwellwert UB2B1 erfolgt, im Gegensatz zum Verfahren gemäß 4, welches im Verfahrensschritt V2 ein Vergleich mit dem Sollwert SX vorsieht.
Ausgehend von dem Verfahren gemäß 9 lassen sich ebenfalls bei diesem lediglich hinsichtlich seiner grundsätzlichen Vorgehensweise festgelegten Verfahren weitere Ausführungsvarianten analog zu den Ausführungsvarianten gemäß den 5 bis 8 realisieren.
Die Erfindung erfasst jedoch auch den Fall, dass die Zustandsgröße X bei der Gesamtverdichterleistung von 100% zunimmt und bei niedrigerer Gesamtverdichterleistung von beispielsweise 50% abnimmt.
In diesem Fall wird bei einem vierten Ausführungsbeispiel als Zustandsgröße X beispielsweise die Temperatur T im Wärmeübertrager 16 gemessen.
Ferner wird in diesem Fall beispielsweise der untere Wert W2 als Sollwert SX' definiert.
Bei diesen Vorgaben ist das Verfahren gemäß 4 nicht zutreffend, sondern das der 4 entsprechende Verfahren ist gemäß 10 durchzuführen.
In gleicher Weise wäre bei diesen Vorgaben bei einem fünften Ausführungsbeispiel ein der 9 entsprechendes Verfahren gemäß 11 durchzuführen.
Im Zusammenhang mit den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde lediglich ein Arbeiten der Regeleinheit 32 zwischen zwei Werten der Verdichterleistung, nämlich beispielhaft dem Wert der Gesamtverdichterleistung von 100% und dem Wert der Gesamtverdichterleistung von 50% beschrieben.
Um erfindungsgemäß die Bandbreite BB des Regelungsbandes RB möglichst gering zu halten, sollte die Gesamtverdichterleistung möglichst optimal an den Wärmeeintrag in den niederdruckseitigen Wärmeübertrager 22 angepasst werden.
Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Regeleinheit 32 für den ersten Betriebszustand B1 die Gesamtverdichterleistung sukzessive reduziert, um die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) während der Mindestzeitdauer MZ möglichst gering zu wählen.
Allerdings darf die Gesamtverdichterleistung für den ersten Betriebszustand B1 nicht so stark reduziert werden, dass im ersten Betriebszustand B1 die Zustandsgröße X nicht mehr abnimmt.
Das heißt, dass eine schrittweise Reduktion der Gesamtverdichterleistung durch die Regeleinheit 32 für den ersten Betriebszustand B1 solange vorgenommen wird, bis die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) während der Mindestzeitdauer MZ noch negativ ist, das heißt eine Abnahme der Zustandsgröße X während des ersten Betriebszustandes B1 erfolgt.
Darüber hinaus wird zur Reduktion der Bandbreite BB des Regelungsbandes RB die Gesamtverdichterleistung während des zweiten Betriebszustandes B2 schrittweise gesteigert, jedoch ebenfalls nur so lange, bis die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) während der Mindestzeitdauer MZ immer noch positiv ist, das heißt die Zustandsgröße X während des zweiten Betriebszustandes B2 immer noch zunimmt.
Diese Maßnahmen der Variation der Gesamtverdichterleistung ermöglichen es, das Regelungsband RB hinsichtlich seiner Bandbreite BB zwischen dem ersten Wert W1 und dem zweiten Wert W2 weiter zu reduzieren.
Eine Vorgehensweise zur Anpassung der Gesamtverdichterleistung sieht beispielsweise vor, dass nach Durchlaufen eines ersten Betriebszustandes B1 und eines nächstfolgenden zweiten Betriebszustandes B2 die Zustandsgrößendifferenzen ΔXB1 (MZ) und ΔXB2 (MZ) nach den Mindestzeitdauern MZ miteinander verglichen werden.
Weisen die Zustandsgrößendifferenzen ΔXB1 (MZ) und ΔXB2 (MZ) große Unterschiede auf, so wird zunächst die Gesamtverdichterleistung für den Betriebszustand B1, B2 geändert, die zum größten Wert der Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ), ΔXB2 (MZ) führt.
Die Änderung erfolgt dabei bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 schrittweise entsprechend den durch den Aufbau der Verdichtereinheit 12 vorgegebenen Schritten der Gesamtverdichterleistung, die durch die Verdichtereinheit 12 und die Abschaltventile 46 ₁ bis 46 ₄ möglich sind.
Dabei erfolgt die schrittweise Änderung der Gesamtverdichterleistung solange, bis die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ), ΔXB2 (MZ) des jeweiligen Betriebszustandes B1, B2 kleiner ist als die des anderen Betriebszustandes B2, B1.
Dies heißt beispielsweise, dass für den Fall, dass die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) im ersten Betriebszustand B1 wesentlich größer ist als die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) im zweiten Betriebszustand B2, eine schrittweise Reduktion der Gesamtverdichterleistung für den ersten Betriebszustand B1 durchgeführt wird, solange bis die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1(MZ) im ersten Betriebszustand B1 kleiner ist als die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) im zweiten Betriebszustand B2.
Danach erfolgt im zweiten Betriebszustand B2 eine Erhöhung der Gesamtverdichterleistung ebenfalls schrittweise solange, bis die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) im zweiten Betriebszustand B2 wiederum kleiner ist als die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) im ersten Betriebszustand B1.
Danach kann erneut eine schrittweise Reduktion der Gesamtverdichterleistung im ersten Betriebszustand B1 erfolgen, solange bis die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) im ersten Betriebszustand B1 wiederum kleiner ist als die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) im zweiten Betriebszustand.
Dies kann solange erfolgen, bis die Gesamtverdichterleistung im ersten Betriebszustand B1 nicht mehr reduziert werden kann, da ansonsten die Zustandsgröße X im ersten Betriebszustand B1 nicht mehr abnehmen würde und die Gesamtverdichterleistung im zweiten Betriebszustand B2 nicht mehr erhöht werden kann, da ansonsten die Zustandsgröße X im zweiten Betriebszustand B2 nicht mehr zunehmen würde.
In diesem Fall ist somit eine optimale Anpassung der Gesamtverdichterleistung an den Wärmeeintrag in den niederdruckseitigen Wärmeübertrager 22 erreicht.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage (10), umfassend einen ein Kältemittel führenden Kreislauf, in welchem das Kältemittel durch mindestens eine Verdichtereinheit (12) verdichtet wird, das verdichtete Kältemittel durch einen hochdruckseitigen Wärmeübertrager (16) gekühlt wird, das gekühlte verdichtete Kältemittel durch ein Expansionsorgan (18) expandiert wird und in einem nachgeordneten Wärmeübertrager (22) Wärme aufnimmt, wobei zur Steuerung einer Gesamtverdichterleistung der Kälteanlage mindestens eine Zustandsgröße (X) in einem System, umfassend die Kälteanlage (10) sowie ein mit dem hochdruckseitigen Wärmeübertrager (16) wechselwirkendes Medium (MW) und ein mit dem niederdruckseitigen Wärmeübertrager (22) wechselwirkendes Medium (MK), gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend dieser mindestens einen Zustandsgröße (X) die Verdichtereinheit (12) entweder in einem ersten Betriebszustand (B1) mit einer ersten Gesamtverdichterleistung betrieben wird, bei welcher die Zustandsgröße (X) abnimmt, oder in einem zweiten Betriebszustand (B2) mit einer zweiten Gesamtverdichterleistung betrieben wird, bei welcher die Zustandsgröße (X) zunimmt, wobei die ersten und die zweiten Betriebszustände (B1, B2) wechselweise unmittelbar aufeinanderfolgen, dass ein Übergang von dem zweiten Betriebszustand (B2) in den ersten Betriebszustand (B1) dann erfolgt, wenn die gemessene Zustandsgröße (X) einen ersten Schwellwert (SX, UB2B1) erreicht oder überschreitet, dass ein Übergang von dem ersten Betriebszustand (B1) in den zweiten Betriebszustand (B2) dann erfolgt, wenn die gemessene Zustandsgröße (X) einen zweiten Schwellwert (UB1B2, SX) erreicht oder unterschreitet, und dass eine Differenz zwischen dem ersten Wert (SX, UB2B1) und dem zweiten Wert (UB1B2, SX) der größten der Zustandsgrößendifferenzen ΔXB1 (MZ), ΔXB2 (MZ) entspricht, die sich während der jeweiligen Mindestzeitdauer (MZ) im ersten Betriebszustand (B1) oder im zweiten Betriebszustand (B2) ergeben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wert oder der zweite Wert einem festgelegten Sollwert (SX) entspricht, der nicht variiert, während der jeweils andere Wert (UB2B1, UB1B2) so festgelegt wird, dass eine Differenz zwischen dem einen Wert (SX) und dem anderen Wert (UB2B1, UB1B2) der größten Zustandsgrößendifferenzen (ΔXB1 (MZ), ΔXB2 (MZ)) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Mindestzeitdauern (MZ) in einem Bereich von 1 bis 10 Sekunden liegen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Mindestzeitdauern (MZ) in einem Bereich von 2 bis 8 Sekunden liegen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Mindestzeitdauern (MZ) gleich groß sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der variable Schwellwert (UB2B1, UB1B2) für den Übergang von einem Betriebszustand (B1) in den anderen Betriebszustand (B2) während des dem einen Betriebszustand (B1, B2) vorausgehenden Betriebszustandes (B2, B1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebszustand (B1) stets mindestens während einer Zeitdauer ausgeführt wird, welcher der Mindestzeitdauer (MZ) entspricht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betriebszustand (B2) stets mindestens während einer Zeitdauer ausgeführt wird, welcher der Mindestzeitdauer (MZ) entspricht.
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteanlage (10) mehrere Verdichtereinheiten (42) aufweist und dass die Steuerung der Gesamtverdichterleistung durch Steuerung des Kältemittelstroms durch mindestens eine der Verdichtereinheiten (42) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Gesamtverdichterleistung durch Steuerung des Kältemittelstroms durch mehrere der Verdichtereinheiten (42) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Steuerung der Gesamtverdichterleistung durch Steuerung der Verdichterleistung von mindestens einer der Verdichtereinheiten (42) erfolgt, während andere der Verdichtereinheiten (42) ständig einen Kältemittelstrom verdichten oder abgeschaltet sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festlegung der Anzahl der im ersten Betriebszustand (B1) zur Gesamtverdichterleistung beitragenden Verdichtereinheiten (42) dadurch bestimmt wird, wie groß die Zustandsgrößendifferenz ΔXB1 (MZ) während der Mindestzeitdauer (MZ) des ersten Betriebszustandes (B1) ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der im zweiten Betriebszustand (B2) zur Gesamtverdichterleistung beitragenden Verdichtereinheiten (42) dadurch festgelegt wird, wie groß die Zustandsgrößendifferenz ΔXB2 (MZ) während der Mindestzeitdauer (MZ) des zweiten Betriebszustandes (B1) ist.
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im jeweiligen Betriebszustand (B1, B2) die Gesamtverdichterleistung so festgelegt wird, dass die Zustandsgrößendifferenz (ΔXB1 (MZ), ΔXB2 (MZ)) während der Mindestzeitdauer (MZ) im jeweiligen Betriebszustand (B1, B2) möglichst klein ist.
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der im jeweiligen Betriebszustand (B1, B2) zur Gesamtverdichterleistung beitragenden Verdichtereinheiten (42) so festgelegt wird, dass Zustandsgrößendifferenz (ΔXB1) (MZ) während der Mindestzeitdauer (MZ) im jeweiligen Betriebszustand (B1, B2) möglichst klein ist.