DE102018209769B4 - Method for operating a refrigeration system of a vehicle having a refrigerant circuit - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (10) einer Kälteanlage eines Fahrzeugs mit- einem Chiller-Zweig (1.0), welcher einen Chiller (1), ein erstes Expansionsorgan (AE1) und einen stromabwärts des Chillers (1) nachgeschalteten ersten Druck-Temperatursensor (pT1) aufweist und mit einem Kühlmittelkreislauf (1.1) thermisch gekoppelt ist,- wenigstens einem Innenraum-Verdampferzweig (2.0), welcher einen Innenraum-Verdampfer (2) und ein zweites Expansionsorgan (AE2) aufweist und dem Chiller-Zweig (1.0) parallel geschaltet ist,- einem Kältemittelverdichter (3), und- einem Kondensator oder Gaskühler (4), wobei- in einem Single-Chiller-Modus der Betriebspunkt des Kältemittelkreislaufs (10) am Kältemittelaustritt des Chillers (1) nahe der Taulinie des Kältemittels eingestellt wird,- der Niederdruck und die zugehörige Temperatur des Kältemittels mittels des ersten Druck-Temperatursensors (pT1) des Chillers (1) detektiert wird, und- der Niederdruck durch Steuerung des Kältemittelverdichters (3) auf einen von Umgebungsbedingungen und der benötigten Kühlleistung des Chillers (1) abhängigen maximalen Niederdruckwert beschränkt oder unter Reduzierung der Kühlleistung an dem Chiller (1) abgesenkt wird, wenn eine Drehmomentüberlastung am Kältemittelverdichter (3) oder eine vorgegebene Abweichung der Temperatur von der Taulinie des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers (1) detektiert wird.Method for operating a refrigerant circuit (10) of a refrigeration system of a vehicle with a chiller branch (1.0), which has a chiller (1), a first expansion element (AE1) and a first pressure-temperature sensor (pT1 ) and is thermally coupled to a coolant circuit (1.1),- at least one interior evaporator branch (2.0) which has an interior evaporator (2) and a second expansion element (AE2) and is connected in parallel to the chiller branch (1.0). ,- a refrigerant compressor (3), and- a condenser or gas cooler (4), whereby- in a single chiller mode the operating point of the refrigerant circuit (10) is set at the refrigerant outlet of the chiller (1) close to the dew line of the refrigerant,- the low pressure and the associated temperature of the refrigerant is detected by means of the first pressure-temperature sensor (pT1) of the chiller (1), and- the low pressure by controlling the refrigerant compression chters (3) is limited to a maximum low-pressure value that depends on the ambient conditions and the required cooling capacity of the chiller (1) or is lowered with a reduction in the cooling capacity on the chiller (1) if there is a torque overload on the refrigerant compressor (3) or a specified temperature deviation from the dew line of the refrigerant is detected at the refrigerant outlet of the chiller (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs für ein Fahrzeug mit wenigstens zwei Verdampfern, nämlich wenigstens einem Innenraum-Verdampfer und einem als Chiller ausgebildeten Verdampfer.The invention relates to a method for operating a refrigerant circuit for a vehicle with at least two evaporators, namely at least one interior evaporator and an evaporator designed as a chiller.
Der Innenraum-Verdampfer kann als Frontverdampfer und/oder als Heckverdampfer des Fahrzeuginnenraums ausgeführt werden und dient zur Konditionierung eines in den Fahrzeuginnenraum eintretenden Zuluftstroms.The interior evaporator can be designed as a front evaporator and/or as a rear evaporator of the vehicle interior and is used to condition an inlet air flow entering the vehicle interior.
Elektrifizierte Fahrzeuge benötigen neben dem Innenraum- bzw. Frontverdampfer zur Konditionierung und Temperierung des in der Regel als Hochvoltbatterie realisierten Energiespeichers einen separaten Kühlmittelkreislauf. Ein solcher Kühlmittelkreislauf wird mittels eines Wärmeübertragers mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt, wobei ein solcher Wärmeübertrager seinerseits ebenfalls als Verdampfer zum Kühlen eines Luftstromes bzw. als sogenannter Chiller zum Kühlen eines Kühlmittels ausgebildet ist wie dies bspw. aus der
Die
In ähnlicher Weise beschreibt auch die
Aus der
Die
Aus der
Schließlich sei noch auf die
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer einen Kältemittelkreislauf aufweisenden Kälteanlage eines Fahrzeugs mit wenigstens zwei Verdampfern, nämlich wenigstens einem Innenraum-Verdampfer und einem als Chiller ausgebildeten Verdampfer anzugeben, mit welchem im Single-Chiller-Modus, also bei einem ausschließlichen Betrieb des Chillers ein funktionssicherer und damit fehlerfreier Betrieb des Kältemittelkreislaufs sichergestellt wird.It is the object of the invention to specify a method for operating a refrigeration system of a vehicle having a refrigerant circuit with at least two evaporators, namely at least one interior evaporator and an evaporator designed as a chiller, with which in single chiller mode, i.e. with exclusive operation of the Chillers a functionally reliable and thus error-free operation of the refrigerant circuit is ensured.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.This object is achieved by a method having the features of
Bei diesem Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs einer Kälteanlage eines Fahrzeugs mit
- - einem Chiller-Zweig, welcher einen Chiller, ein erstes Expansionsorgan und einen stromabwärts des Chillers nachgeschalteten Druck-Temperatursensor aufweist und mit einem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt ist,
- - wenigstens einem Innenraum-Verdampferzweig; welcher einen Innenraum-Verdampfer und ein zweites Expansionsorgan aufweist und dem Chiller-Zweig parallel geschaltet ist,
- - einem Kältemittelverdichter, und
- - einem Kondensator oder Gaskühler, wird
- - in einem Single-Chiller-Modus der Betriebspunkt des Kältemittelkreislaufs am Kältemittelaustritt des Chillers nahe der Taulinie des Kältemittels eingestellt,
- - der Niederdruck und die zugehörige Temperatur des Kältemittels mittels des Druck-Temperatursensors des Chillers detektiert, und
- - der Niederdruck durch Steuerung des Kältemittelverdichters auf einen von Umgebungsbedingungen, und der benötigten Kälteleistung des Chillers abhängigen maximalen Niederdruckwert beschränkt oder unter Reduzierung der Kälteleistung an dem Chiller abgesenkt, wenn eine Drehmomentüberlastung am Kältemittelverdichter oder eine vorgegebene Abweichung der Temperatur von der Taulinie des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers detektiert wird.
- - a chiller branch, which has a chiller, a first expansion element and a pressure-temperature sensor downstream of the chiller and is thermally coupled to a coolant circuit,
- - At least one interior evaporator branch; which has an interior evaporator and a second expansion element and is connected in parallel to the chiller branch,
- - a refrigerant compressor, and
- - a condenser or gas cooler
- - in a single chiller mode, the operating point of the refrigerant circuit is set at the refrigerant outlet of the chiller close to the dew line of the refrigerant,
- - detects the low pressure and the associated temperature of the refrigerant by means of the pressure-temperature sensor of the chiller, and
- - the low pressure is limited by controlling the refrigerant compressor to a maximum low pressure value that depends on the ambient conditions and the required cooling capacity of the chiller, or is lowered by reducing the cooling capacity at the chiller if there is a torque overload on the refrigerant compressor or a specified deviation of the temperature from the dew line of the refrigerant at the refrigerant outlet of the chiller is detected.
Um die bei einem hohen Niederdruck im Single-Chiller-Modus und damit bei einer hohen Verdampfungstemperatur des Kältemittels drohenden Nachteile zu vermeiden, wird der mit dem Betreiben des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers nahe an der Taulinie verbundene effiziente Betrieb des Kältemittelkreislaufs, welcher insbesondere für Systeme mit hochdruckseitig angeordnetem Kältemittelspeicher signifikant ist, nur geringfügig verschlechtert, indem bei einer Detektion einer Drehmomentüberlastung am Kältemittelverdichter oder bei einer vorgegebenen Abweichung der Temperatur von der Taulinie des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers entweder der Niederdruck auf einen maximalen zulässigen Niederdruckwert beschränkt oder der Niederdruck bei zumindest gleichbleibender Kälteleistung, jedoch Einbuße in der Systemeffizienz, an dem Chiller abgesenkt wird.In order to avoid the potential disadvantages associated with a high low pressure in the single chiller mode and thus a high evaporation temperature of the refrigerant, the efficient operation of the refrigerant circuit associated with the operation of the refrigerant at the refrigerant outlet of the chiller close to the dew line, which is particularly important for systems with a refrigerant reservoir arranged on the high-pressure side, is only slightly worsened in that when a torque overload is detected on the refrigerant compressor or when there is a specified deviation of the temperature from the dew line of the refrigerant at the refrigerant outlet of the chiller, either the low pressure is limited to a maximum permissible low pressure value or the low pressure is at least constant Cooling capacity, but loss of system efficiency where the chiller is lowered.
Mit dem ansteigenden Niederdruck des Kältemittels, i.d.R. ist dieser auch an eine zunehmende Kühlmitteleintrittstemperatur in den Chiller gekoppelt, steigt auch dessen Dichte an und führt damit zu einem erhöhten Kältemittelbedarf im Niederdruckabschnitt des Kältemittelkreislaufs, d.h. es nimmt die Gefahr einer Kältemittelunterfüllung zu, die letztlich in einer Kältemittelunterfüllung münden kann. Damit kann im Single-Chiller-Modus das Kältemittel am Kältemittelaustritt des Chillers nicht mehr nahe der Taulinie betrieben werden, das Kältemittel überhitzt zunehmend. Idealerweise wird bei einer geforderten Kälteleistung der Niederdruck nur so lange angehoben, bis erstmalig ein Anstieg im Wert der Überhitzung des Kältemittel detektiert wird und von diesem Zeitpunkt an erfolgt tendenziell eher eine geringfügige Absenkung des Niederdrucks. Es ist zu berücksichtigen, dass die gewünschte Kälteleistung aus dem Zusammenspiel Niederdruck über den Kältemittelverdichter und Tauliniennähe über das erste Expansionsorgan eingestellt werden.With the increasing low pressure of the refrigerant, which is usually also linked to an increasing coolant inlet temperature in the chiller, its density also increases and thus leads to an increased refrigerant requirement in the low-pressure section of the refrigerant circuit, i.e. the risk of refrigerant underfilling increases, which ultimately results in a Refrigerant underfill can result. This means that in single chiller mode the refrigerant at the chiller's refrigerant outlet can no longer be operated close to the dew line, and the refrigerant increasingly overheats. Ideally, with a required cooling capacity, the low pressure is only increased until an increase in the value of the overheating of the refrigerant is detected for the first time, and from this point in time the low pressure tends to drop slightly. It must be taken into account that the desired refrigeration output is set from the interaction of low pressure via the refrigerant compressor and proximity to the dew line via the first expansion element.
Mit der Reduktion des Niederdrucks wird auch die Verdampfungstemperatur reduziert. Hierbei wird der Niederdruck mittels einer Regelung des Kältemittelverdichters auf einen solchen Wert reduziert, bei welchem der Anlagenbetriebspunktfür einen effizienten Systembetrieb wiederum nahe der Taulinie eingestellt wird. Da nun die Option im Raum stehen kann, mehr Kälteleistung bereitzustellen, als letztlich systemseitig gefordert ist, wäre ein (hochfrequenter) On-Off-Betrieb oder Zwei-Punkt-Regelbetrieb der Kälteanlage denkbar. Darüber hinaus könnte das System längere Zeit mit Überschusskälteleistung arbeiten, bevor für einen längeren Zeitraum der Kältekreis im Sinne eines niederfrequenten Zwei-Punkt-Regelbetriebs ruht.With the reduction of the low pressure, the evaporation temperature is also reduced. Here, the low pressure is reduced by controlling the refrigerant compressor to a value at which the system operating point is again set close to the dew line for efficient system operation. Since there is now the option of providing more cooling capacity than is ultimately required by the system, (high-frequency) on-off operation or two-point control operation of the refrigeration system would be conceivable. In addition, the system could work with excess cooling capacity for a longer period of time before the cooling circuit is idle for a longer period of time in the sense of a low-frequency two-point control operation.
Ein dritte Option stellt die Einstellung eines typischen maximalen Niederdrucks des Kältemittelkreislaufs dar, bspw. 4,5 bar bei einem R1234yf-System, bei dann zunehmender Überhitzung aufgrund der Reduktion des Kältemittelmassenstroms über das erste Expansionsorgan.A third option is the setting of a typical maximum low pressure of the refrigerant circuit, e.g. 4.5 bar in an R1234yf system, with then increasing overheating due to the reduction of the refrigerant mass flow via the first expansion element.
Der maximale Niederdruckwert wird in Abhängigkeit der Umgebungsbedingung und der aktuellen Kälteleistung des Chillers bestimmt. Die Umgebungsbedingungen betreffen bspw. die Umgebungstemperatur, d.h. als Verdampfungstemperatur sollte bei Anlauf des Kältemittelkreislaufs ein Wert unterhalb der Umgebungstemperatur eingestellt werden, damit mit der Dauer des Betriebs unter Berücksichtigung der Werte am ersten Druck-Temperatursensor wieder der effizienzoptimale Betriebspunkt angefahren werden kann. Die aktuelle Kälteleistung des Chillers bestimmt den maximalen Niederdruckwert derart, dass mit abnehmendem Kälteleistungsbedarf auf der Kühlmittelseite des Chillers tendenziell ein - immer weiter ansteigender Wert des Niederdruckniveaus sich abzeichnet.The maximum low pressure value is determined depending on the ambient conditions and the current cooling capacity of the chiller. The ambient conditions relate, for example, to the ambient temperature, i.e. a value below the ambient temperature should be set as the evaporation temperature when the refrigerant circuit starts up, so that the efficiency-optimal operating point can be approached again over the duration of operation, taking into account the values at the first pressure-temperature sensor. The current refrigerating capacity of the chiller determines the maximum low-pressure value in such a way that with a decreasing refrigerating capacity requirement on the coolant side of the chiller, the value of the low-pressure level tends to keep increasing.
Die Detektion der Drehmomentüberlast an dem Kältemittelverdichter- wird bei einem elektrisch angetriebenen Kältemittelverdichter dadurch realisiert, dass ein solcher Kältemittelverdichter bei einer Drehmomentüberlast ein Fehlersignal erzeugt, welches einer Steuereinheit des Kältemittelkreislaufs, bspw. einem Klimasteuergerät zugeführt wird. Bei einem mechanisch, bspw. durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen Kältemittelverdichter wird eine Drehmomentüberlast dadurch detektiert, dass die kraftschlüssige , Verbindung der Magnetkupplung ins Rutschen versetzt wird.The detection of the torque overload on the refrigerant compressor is thus realized with an electrically driven refrigerant compressor ized that such a refrigerant compressor generates an error signal in the event of a torque overload, which is fed to a control unit of the refrigerant circuit, for example an air conditioning control unit. In the case of a refrigerant compressor which is driven mechanically, for example by an internal combustion engine, a torque overload is detected in that the non-positive connection of the magnetic coupling is caused to slip.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird im Anschlüss an die Absenkung des Niederdrucks die Kälteleistung am Chiller mittels einer Regelung des ersten Expansionsorgans zusammen mit dem Kältemittelverdichter wieder auf die Sollkälteleistungangepasst. Damit wird wieder diejenige Kälteleistung von dem Chiller erzeugt, die von demselben vor der Absenkung des Niederdrucks erzeugt wurde, jedoch in einem Betriebspunkt mit geringerer Effizienz im Vergleich zu dem vor der Absenkung des Niederdrucks eingestellten Betriebspunkt. Systemseitig wird die Druckdifferenz zwischen der Nieder- und Hochdruckseite und damit das Druckverhältnis angehoben.According to an advantageous further development of the invention, after the low pressure has been reduced, the refrigerating capacity at the chiller is adjusted again to the desired refrigerating capacity by means of a control of the first expansion element together with the refrigerant compressor. In this way, the chiller produces that cooling capacity again that was produced by the same before the low pressure was reduced, but at an operating point with lower efficiency compared to the operating point set before the low pressure was reduced. On the system side, the pressure difference between the low and high pressure sides and thus the pressure ratio is increased.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass
- - der Kältemittelkreislauf mit einem Niederdruck-Kältemittelsammler ausgebildet wird, mit welchem definierte Kältemitteldampfgehalte einstellbar sind, und
- - das Kältemittel zur Einstellung auf dessen Taulinie oder nahe der Taulinie im Zwei-Phasen-Gebiet des Kältemittels mittels des Niederdruck-Kältemittelsammlers auf einen Überhitzungsgrad von 0 K eingestellt wird.
- - the refrigerant circuit is designed with a low-pressure refrigerant collector, with which defined refrigerant vapor contents can be adjusted, and
- - the refrigerant is adjusted to a degree of superheat of 0 K for adjustment on its dew line or near the dew line in the two-phase region of the refrigerant by means of the low-pressure refrigerant receiver.
Tritt im Single-Chiller-Modus ein Anstieg des Niederdrucks auf und wird hierbei einer der nachteiligen Folgen (Drehmomentüberlast am Kältemittelverdichter oder zunehmende Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers) detektiert, wird durch entsprechende Steuerung des Kältemittelverdichters der Niederdruck entweder auf den maximalen Niederdruckwert beschränkt oder auf einen Wert unterhalb von diesem maximalen Niederdruckwert abgesenkt. Anschließend wird die Kälteleistung des Chillers wieder auf den vor der Absenkung des Niederdrucks erreichten Wert durch entsprechendes Zusammenwirken von Kältemittelverdichter durch Anstieg von Hub oder Drehzahl und Expansionsorgan i.d.R. durch weiteres Androsseln eingestellt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es zu Situationen kommen kann, in denen der Kältemittelkreislauf als System losgelöst von Unterkühlungsregelung bzw. Regelung des optimalen Hochdrucks arbeiten kann. Hierbei stellt sich ein Betriebspunkt mit, gegenüber dem vor der Absenkung des Niederdrucks erreichten Betriebspunkt, geringeren Effizienz ein.If the low pressure increases in single chiller mode and one of the adverse consequences is detected (torque overload on the refrigerant compressor or increasing overheating of the refrigerant at the refrigerant outlet of the chiller), the low pressure is either limited to the maximum low pressure value or lowered to a value below this maximum low pressure value. The refrigeration capacity of the chiller is then set back to the value reached before the low pressure was reduced by the corresponding interaction of the refrigerant compressor by increasing the stroke or speed and expansion element, usually by further throttling. It must be taken into account that situations can arise in which the refrigerant circuit can work as a system detached from subcooling control or control of the optimum high pressure. In this case, an operating point with lower efficiency is set compared to the operating point reached before the low pressure was reduced.
Damit kann mit steigendem Niederdruck die Chillerleistung bei fester Kühlmittelvorlauftemperatur und gleichzeitig durch eine mittels des ersten Expansionsorgans eingestellter Unterkühlung oder eingestelltem optimalem Hochdruck reduziert werden bis hin zu einem Betriebspunkt an dem mögliche kritische Betriebsgrenzen (Überhitzung, Drehmoment) erreicht werden. Von diesem Zeitpunkt an ist keine weitere Leistungsreduktion mehr möglich, das System hat eine Grenze erreicht.With increasing low pressure, the chiller output can be reduced at a fixed coolant flow temperature and at the same time by means of subcooling set by means of the first expansion element or optimal high pressure set, down to an operating point at which possible critical operating limits (overheating, torque) are reached. From this point on no further power reduction is possible, the system has reached a limit.
Eine alternative und vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass
- - der Kältemittelkreislauf mit einem Hochdruck-Kältemittelsammler ausgebildet wird, und
- - das Kältemittel zur Einstellung auf oder nahe dessen Taulinie mittels des ersten erstes Expansionsorgans auf einen Überhitzungsgrad mit einem Wert zwischen 3 und 5K geregelt wird.
- - the refrigerant circuit is designed with a high-pressure refrigerant collector, and
- - the refrigerant is regulated to a degree of overheating with a value between 3 and 5K for setting at or near its dew line by means of the first first expansion element.
Bei einem solchen Kältemittelkreislauf mit einem hochdruckseitigen Kältemittelsammler wird der Betriebspunkt des Kältemittels am KältemittelaListritt des Chillers auf oder nahe dessen Taulinie dadurch eingestellt, dass mittels des ersten, d.h.dem Chiller zugehörigen Expansionsorgans ein Überhitzungsgrad mit einem Wert zwischen 3 und 5K eingeregelt wird. Die Niederdrucklage wird hierbei mit dem Kältemittelverdichter eingestellt. Sinkt die von dem Chiller zu erbringende Kälteleistung, insbesondere bei gleichbleibender Kühlmittelvorlauftemperatur an, steigt gleichzeitig der Niederdruck an, und zwar nicht unerheblich über Standardbetriebsdruckwerte eines Kälteanlagenbetriebs zur Innenraumklimatisierung, bis entweder eine Drehmomentüberlast des Kältemittelverdichters detektiert wird, oder aufgrund der ansteigende Dichte des Kältemittels und der damit verbundenen. fehlenden Kältemittelfüllmenge der Überhitzungsgrad ansteigt, also nicht mehr auf den Wert zwischen 3 und 5 K regelbar ist und infolgedessen durch entsprechende Steuerung des Kältemittelverdichters der Niederdruck entweder auf den maximalen Niederdruckwert beschränkt oder unter Anhebung der Kälteleistung des Chillers, bei angenommener gleichbleibender Kühlmittelvorlauftemperatur, abgesenkt wird. Anschließend wird die Kälteleistung des Chillers wieder auf den vor der Absenkung des Niederdrucks erreichten Wert durch entsprechendes Zusammenwirken von Kältemittelverdichter durch Anstieg von Hub oder Drehzahl und Expansionsorgan, i.d.R. durch weiteres Androsseln angehoben. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es zu Situationen kommen kann, in denen das System losgelöst von der Einstellung des optimalen Überhitzungsgrades arbeiten kann oder ggf. mehr Kälteleistung bereitstellt als gefordert wird. Hierbei stellt sich ein Betriebspunkt mit gegenüber dem vor der Absenkung des Niederdrucks erreichten Betriebspunkt geringeren Effizienz ein.In such a refrigerant circuit with a high-pressure-side refrigerant collector, the operating point of the refrigerant at the refrigerant inlet of the chiller is set at or near its dew line by using the first expansion element, ie the expansion element associated with the chiller, to regulate a degree of superheating to a value between 3 and 5K. The low-pressure position is set here with the refrigerant compressor. If the cooling capacity to be provided by the chiller decreases, in particular if the coolant flow temperature remains the same, the low pressure increases at the same time, and to be precise not insignificantly above the standard operating pressure values of a refrigeration system operation towards the inside room air conditioning until either a torque overload of the refrigerant compressor is detected, or due to the increasing density of the refrigerant and the associated. If there is no refrigerant charge, the degree of overheating increases, i.e. it can no longer be regulated to a value between 3 and 5 K and, as a result, the low pressure is either limited to the maximum low pressure value by appropriate control of the refrigerant compressor or is reduced by increasing the cooling capacity of the chiller, assuming the coolant flow temperature remains the same. The refrigeration capacity of the chiller is then increased again to the value reached before the low pressure was reduced by the corresponding interaction of the refrigerant compressor by increasing the stroke or speed and expansion element, usually by further throttling. It must be taken into account that situations can arise in which the system can work independently of the setting of the optimum degree of superheating or possibly provide more cooling capacity than is required. In this case, an operating point is set with lower efficiency than the operating point reached before the low pressure was reduced.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird in einem Chiller- und Verdampferbetrieb dem Innenraum-Verdampfer ein drittes Expansionsorgan stromabwärts nachgeschaltet, wobei
- - der Innenraum-Verdampfer auf einem Mitteldruckniveau-Niveau betrieben wird, und
- - der Chiller in Abhängigkeit der angeforderten Kühlleistung durch Regelung des Kältemittelverdichters und des ersten Expansionsorgans auf einem Niederdruck-Niveau betrieben wird.
- - the interior evaporator is operated at a medium-pressure level, and
- - The chiller is operated at a low-pressure level depending on the required cooling capacity by controlling the refrigerant compressor and the first expansion device.
Bei einem solchen Mehrverdampferbetrieb wird der Innenraum-Verdampfer zur Führungsgröße des Kältemittelprozesses und gibt das Niederdruckniveau und damit die geforderte Verdampfungstemperatur vor. Wenn der Kältemittelkreislauf einen Niederdruck-Kältemittelsammler, also einen niederdruckseitigen Akkumulator aufweist, regelt ein solcher Akkumulator den Dampfgehalt des Kältemittels am Austritt desjenigen Verdampfers, welcher die höchste Kühlleistung erzeugt und damit den größten Kältemittelmassenstrom liefert. Der durch diesen niederdruckseitigen Akkumulator aktiv eingestellte Dampfgehalt stellt sich hierbei im eingeschwungenen Zustand des Kältemittelkreislaufs sowohl am Austritt des Verdampfers mit der höchsten Kühlleistung als auch am Kältemittelaustritt des Akkumulators ein.With such a multiple evaporator operation, the interior evaporator becomes the reference variable of the refrigerant process and specifies the low pressure level and thus the required evaporation temperature. If the refrigerant circuit has a low-pressure refrigerant collector, ie an accumulator on the low-pressure side, such an accumulator regulates the vapor content of the refrigerant at the outlet of that evaporator which generates the highest cooling capacity and thus delivers the largest refrigerant mass flow. The vapor content, which is actively set by this accumulator on the low-pressure side, occurs in the steady state of the refrigerant circuit both at the outlet of the evaporator with the highest cooling capacity and at the refrigerant outlet of the accumulator.
Bei einem solchen Dualbetrieb wird dem Innenraum-Verdampfer ein elektrisches oder mechanisch regelbares drittes Expansionsorgan nachgeschaltet, welches dafür sorgt, dass im Innenraum-Verdampferzweig keine Unterschreitung eines zur Vereisung führenden Niederdruckdrucks erfolgt. Mit diesem dritten Expansionsorgan wird im Innenraum-Verdampferzweig ein Mitteldruckniveau eingestellt, während im Chiller ein beliebiges Niederdruckniveau mittels des Verdichters in Abhängigkeit der geforderten Kühlleistung des Chillers eingestellt wird. Mit dem ersten, dem Chiller zugeordneten Expansionsorgan wird der Überhitzungsgrad eingestellt, wobei die Kälteleistung des Chillers in Abhängigkeit des Überhitzungsgrades beim jeweiligen Niederdruck variiert werden kann. Hierbei wird die maximale Kälteleistung des Chillers dann erzielt, wenn das Kältemittel am Kältemittelaustritt des Chillers nahe der Taulinie betrieben wird, indem mittels des Expansionsorgans der Überhitzungsgrad auf einen Wert zwischen 3 und 5 K eingeregelt wird. Tatsächlich wird die maximale Kälteleistung für einen bestimmten Niederdruck dann erzielt, wenn der Austrittszustand des Kältemittels am Chiller eher knapp unterhalb der Taulinie zu liegen kommt, jedoch ist aufgrund der Kopplung von Druck und Temperatur weder dieser Punkt noch die Taulinie an sich präzise einstellbar und daher wird der Systembetrieb auf die erwähnten geringen Überhitzungswerte ausgerichtet.In such a dual operation, the interior evaporator is followed by an electrically or mechanically controllable third expansion element, which ensures that the interior evaporator branch does not fall below a low pressure that leads to icing. With this third expansion element, a medium-pressure level is set in the interior evaporator branch, while any desired low-pressure level is set in the chiller by means of the compressor, depending on the required cooling capacity of the chiller. The degree of overheating is set with the first expansion element assigned to the chiller, with the cooling capacity of the chiller being able to be varied depending on the degree of overheating at the respective low pressure. The maximum cooling capacity of the chiller is achieved when the refrigerant at the refrigerant outlet of the chiller is operated close to the dew line by using the expansion element to regulate the degree of overheating to a value between 3 and 5 K. In fact, the maximum refrigeration capacity for a given low pressure is achieved when the refrigerant outlet condition at the chiller is rather just below the dew line, but due to the coupling of pressure and temperature, neither this point nor the dew line itself can be precisely adjusted and is therefore the system operation is geared towards the mentioned low superheat values.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Mehrverdampferbetriebes wird bei einem gegenüber dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers kleineren Niederdruck des Chillers zur Erhöhung der Kühlleistung des Chillers
- - der Kältemittelzustand am Kältemittelaustritt des Chillers nahe an dessen Taulinie eingestellt, und,
- - der Innenraum-Verdampfer mittels des dritten Expansionsorgans auf einem Mitteldruck-Niveau betrieben.
- - the refrigerant state at the chiller refrigerant outlet is adjusted close to its dew line, and,
- - The interior evaporator operated by means of the third expansion device at a medium-pressure level.
Vorzugsweise wird bei dieser Ausgestaltung der Erfindung zur Reduzierung der Kühlleistung des Chillers durch Regelung des Kältemittelverdichters der Niederdruck des Chillers bis an den Niederdruck des Verdampfers angehoben. Damit wäre dieselbe Betriebssituation gegeben wie ohne des dritten Expansionsorgans.In this embodiment of the invention, the low pressure of the chiller is preferably increased to the low pressure of the evaporator in order to reduce the cooling capacity of the chiller by controlling the refrigerant compressor. This would give the same operating situation as without the third expansion device.
Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird bei einem dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers entsprechenden Niederdruck des Chillers eine maximale Kühlleistung am Chiller erzeugt, wenn der Zustand des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers nahe an dessen Taulinie eingestellt wird. Die maximale Leistung, des Chillers wird also bei minimaler Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers erreicht, tendenziell sogar noch eher in Richtung des Zwei-Phasen-Gebiets des Kältemittels verschoben, jedoch sind diese Punkte systemseitig nicht erfassbar und damit nicht stabil einstellbarAccording to another preferred embodiment of the invention, when the low pressure of the chiller corresponds to the low pressure of the interior evaporator, a maximum cooling capacity is generated at the chiller if the state of the refrigerant at the refrigerant outlet of the chiller is set close to its dew line. The maximum performance of the chiller is therefore achieved with minimal overheating of the refrigerant at the refrigerant outlet of the chiller, tending to shift even more in the direction of the two-phase area of the refrigerant However, these points cannot be recorded by the system and therefore cannot be set stably
Vorzugsweise wird bei dieser Ausgestaltung der Erfindung bei einem dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers entsprechenden Niederdruck des Chillers die Kühlleistung des Chillers durch eine Erhöhung der Überhitzung des Kältemittels mittels des ersten Expansionsorgans bei konstantem Druck im Innenraum-Verdampfer reduziert.In this embodiment of the invention, the cooling capacity of the chiller is preferably reduced by increasing the overheating of the refrigerant by means of the first expansion element at a constant pressure in the interior evaporator when the low pressure of the chiller corresponds to the low pressure of the interior evaporator.
Wird ein System mit hochdruckseitigem Kältemittelsammler eingesetzt ist für den parallelen Betrieb der mindestens zwei .Verdampfer (Innenraum-Verdampfer, Chiller) jeweils ein Druck-Temperatursensor den entsprechenden Verdampfern nachzuschalten, um auf diese Weise getrennt voneinander die jeweiligen Kältemittelzustände erfassen und aktiv beeinflussen zu können. Sollte es ausgeschlossen sein, dass die jeweiligen Verdampfer parallel betrieben werden, so kann auf einen der beiden Druck-Temperatursensoren verzichtet werden und ein verbleibender Druck-Temperatursensor stromabwärts im Bereich des Verbindungspunktes der beiden Verdampferzweige eingebracht werden.If a system with a refrigerant collector on the high-pressure side is used, for the parallel operation of the at least two evaporators (interior evaporator, chiller), a pressure-temperature sensor must be connected downstream of the corresponding evaporator in order to be able to separately record and actively influence the respective refrigerant states in this way. If it is impossible for the respective evaporators to be operated in parallel, one of the two pressure-temperature sensors can be dispensed with and a remaining pressure-temperature sensor can be installed downstream in the area of the connection point of the two evaporator branches.
Beim System mit niederdruckseitigem Kältemittelsammler sind neben dem Druck-Temperatursensor nach dem Kältemittelsammler zur Leckagedetektion jeweils ein weiterer Druck-Temperatursensor nach den mindestens zwei Verdampfern (Innenraum-Verdampfer, Chiller) vorgesehen, jedoch mindestens so viele Druck-Temperatur-Sensoren entsprechend der Anzahl der Verdampfer reduziert um eine Zähleinheit, damit werden in einem Zwei-Verdampfer-System mindestens ein weiterer Druck-Temperatursensor eingesetzt. Ist auch hier ausgeschlossen, dass die mindestens zwei Verdampfer parallel betrieben werden, so kann vorzugsweise allein auf den einen Druck-Temperatursensor stromabwärts des niederdruckseitigen Kältemittelsammlers zurückgegriffen werden. Folglich ist immer nur ein Verdampfer (Chiller oder Innenraum-Verdampfer) aktiv in Betrieb.In the system with a refrigerant collector on the low-pressure side, in addition to the pressure-temperature sensor after the refrigerant collector for leak detection, another pressure-temperature sensor is provided after the at least two evaporators (interior evaporator, chiller), but at least as many pressure-temperature sensors as there are evaporators reduced by one counting unit, so at least one additional pressure-temperature sensor is used in a two-evaporator system. If it is also ruled out here that the at least two evaporators are operated in parallel, then preferably only the one pressure-temperature sensor downstream of the low-pressure-side refrigerant collector can be used. As a result, only one evaporator (chiller or interior evaporator) is active at a time.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 eine Schaltungsanordnung eines Kältemittelkreislaufs zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines niederdruckseitig angeordneten Kältemittelsammlers, -
2 eine zur Schaltungsanordnung nach1 alternative Schal-, tungisanordnung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines hochdruckseitig angeordneten Kältemittelsammlers, und -
3 eine weitere zur Schaltungsanordnung nach1 alternative Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestattet mit einem dritten Expansionsorgan.
-
1 a circuit arrangement of a refrigerant circuit for carrying out an exemplary embodiment of the method according to the invention using a refrigerant collector arranged on the low-pressure side, -
2 one for thecircuit arrangement 1 alternative circuit arrangement for carrying out an exemplary embodiment of the method according to the invention using a refrigerant collector arranged on the high-pressure side, and -
3 another for thecircuit arrangement 1 alternative circuit arrangement for carrying out an embodiment of the method according to the invention equipped with a third expansion element.
Die
Der Kältemittelkreislauf 10 gemäß den
- -
einem Kältemittelverdichter 3, - - einem äußeren Kondensator 4
oder Gaskühler 4, welcher mit dem Hochdruckausgang desKältemittelverdichters 3 fluidverbunden ist, - - einem Chiller-Zweig 1.0 mit einem zur Kühlung einer elektrischen Komponente (bspw. eine Hochvoltbatterie, eine elektrische Antriebskomponente usw.) des Fahrzeugs vorgesehenen
Chiller 1,einem dem Chiller 1 vorgeschalteten und als elektrisches Expansionsventil ausgebildeten ersten Expansionsorgan AE1 und einemdem Chiller 1 nachgeschalteten ersten Druck-Temperatursensor pT1, wobei derChiller 1 mit einem Kühlmittelkreislauf 1.1 zur Kühlung der elektrischen Komponente thermisch gekoppelt ist, - - einem Innenraum-Verdampferzweig 2.0 mit einem Innenraum-
Verdampfer 2 und einem demselben vorgeschalteten und mit einer Absperrfunktion ausgeführten zweiten Expansionsorgan AE2 wobei der Innenraum-Verdampferzweig 2.0 dem Chiller-Zweig 1.0 parallel geschaltet ist, - - einem Kältemittelsammler 6.1 bzw. 6.2, der gemäß
den 1 und3 als Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 mit einem nachgeschalteten zweiten Druck-Temperatursensor pT2 dem Chiller-Zweig 1.0 und dem Innenraum-Verdampferzweig 2.0 stromabwärts nachgeschaltet ist und der gemäß2 als Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2dem äußeren Kondensator 4oder Gaskühler 4 stromabwärts nachgeschaltet ist, - - einem inneren Wärmeübertrager 5, dessen
Hochdruckseite den Kondensator 4oder Gaskühler 4 mit dem Chiller-Zweig 1.0 und dem Innenraum-Verdampferzweig 2.0 fluidverbindet, während dessen niederdruckseitiger Abschnitt gemäßden 1 und3 zwischen dem Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1und dem Kältemittelverdichter 3 inden Kältemittelkreislauf 10 und gemäß2 zwischen dem Chiller-Zweig 1.0und dem Kältemittelverdichter 3 eingebunden ist, - -
einem dem Kondensator 4oder Gaskühler 4 nachgeschalteten dritten Druck-Temperatursensor pT3, - -
einem dem Kältemittelverdichter 3 nachgeschalteten vierten Druck-Temperatursensor pT4, - - einem gemäß
den 2 und3 dem Innenraum-Verdampfer 2 stromabwärts nachgeschalteten fünften Druck-Temperatursensor pT5, und - -
einem gemäß 2 der Parallelschaltung des Chiller-Zweiges 1.0 und des Innenraumverdampfers 2.0 stromabwärts optional in Abhängigkeit der Betriebsstrategie nachgeschalteten sechsten Druck-Temperatursensor pT6.
- - a
refrigerant compressor 3, - - an
external condenser 4 orgas cooler 4, which is fluidly connected to the high-pressure outlet of therefrigerant compressor 3, - - a chiller branch 1.0 with a
chiller 1 provided for cooling an electrical component (e.g. a high-voltage battery, an electric drive component, etc.) of the vehicle, a first expansion element AE1 connected upstream of thechiller 1 and designed as an electric expansion valve, and a first expansion element AE1 connected downstream of thechiller 1 first pressure-temperature sensor pT1, thechiller 1 being thermally coupled to a coolant circuit 1.1 for cooling the electrical component, - - an interior evaporator branch 2.0 with an
interior evaporator 2 and a second expansion element AE2 connected upstream of the same and designed with a shut-off function, the interior evaporator branch 2.0 being connected in parallel with the chiller branch 1.0, - - A refrigerant collector 6.1 or 6.2, which according to the
1 and3 as a low-pressure refrigerant collector 6.1 with a downstream second pressure-temperature sensor pT2 downstream of the chiller branch 1.0 and the interior evaporator branch 2.0 and according to2 is connected downstream of theouter condenser 4 orgas cooler 4 as a high-pressure refrigerant collector 6.2, - - An
internal heat exchanger 5, the high-pressure side of which fluidly connects thecondenser 4 orgas cooler 4 to the chiller branch 1.0 and the interior evaporator branch 2.0, while the low-pressure-side section according to the1 and3 between the low-pressure refrigerant collector 6.1 and therefrigerant compressor 3 in therefrigerant circuit 10 and according to2 is integrated between the chiller branch 1.0 and therefrigerant compressor 3, - - a third pressure-temperature sensor pT3 downstream of the
condenser 4 orgas cooler 4, - - a fourth pressure-temperature sensor pT4 downstream of the
refrigerant compressor 3, - - one according to the
2 and3 fifth pressure-temperature sensor pT5 downstream ofinterior evaporator 2, and - - according to one
2 the parallel connection of the chiller branch 1.0 and the interior evaporator 2.0 downstream, optionally depending on the operating strategy, sixth pressure-temperature sensor pT6.
Ist der Hochdruck-Kältesammler 6.2 in den Kondensator 4 oder Gaskühler 4 integriert ist, so ist der dritte Druck-Temperatursensor pT3 stromabwärts des Kondensators 4 oder Gaskühlers 4 vorzusehen. Da es sich bei solchen An- , lagen jedoch in der Regel um Systeme handelt, die ausschließlich für den unterkritischen Anlagenbetrieb vorgesehen sind, kann der dritte Druck-Temperatursensor pT3 entfallen.If the high-pressure cold collector 6.2 is integrated into the
Schließlich ist für den Kältemittelkreis 10 gemäß den
Der Innenraum-Verdampferzweig 2.0 weist gemäß den
Zunächst wird der Single-Chiller-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 10 gemäß den
In einem solchen Single-Chiller-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 10 gemäß
Der Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 des Kältemittelkreislaufs 10 hat die Aufgabe, die gasförmige und die flüssige Phase des eintretenden Kältemittels voneinander zu trennen und das flüssige Kältemittel im Sinne eines Volumenpuffers zu speichern oder in Umlauf zu bringen, je nach systemseitig benötigter Kältemittelmenge. Das aus dem Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 in den nachgeschalteten niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 5 zum Kältemittelverdichter 3 abgesaugte Kältemittel soll einen möglichst hohen und definierten Dampfgehalt aufweisen. Praxisnahe Werte bewegen sich zwischen 80-95%. Werte darunter bedeuten zu nasses Kältemittel und damit Gefahr der Ölauswaschung am Kältemittelverdichter 3, Werte darüber können den Ölrücktransport zum Kältemittelverdichter 3 beeinträchtigen.The low-pressure refrigerant collector 6.1 of the
Ferner soll mittels des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 das von dem Kältemittelverdichter 3 in den Kältemittelkreislauf 10 eingebrachte und u.a. im Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 eingelagertes Schmieröl wieder zum Kältemittelverdichter 3 zurückgeführt werden. Zu diesem Zweck ist bspw. im Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 ein U-förmiges (Austritts-) Rohr integriert, welches am tiefsten Punkt eine Ölbohrung (auch Schnüffelbohrung genannt) aufweist. Ein offenes Ende des U-Rohres reicht in den über dem flüssigen Kältemittel liegenden Dampfraum des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1, das andere (Eintritts-) Rohr führt stromaufwärts in die Saugleitung zum Chiller 1. Bei ausreichender Strömungsgeschwindigkeit im U-Rohr erfolgt durch die Sogwirkung ein Aufsaugen von Öl bzw. Öl-Kältemittelflüssigkeitsgemisch aus dem unteren Bereich des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1. In Abhängigkeit der Größe der Innenbohrung stellt sich ein Dampfgehalt von bspw. 90% am Ausgang des NiederdruckKältemittelsammlers 6.1 ein. Ist die Ölbohrung zu klein, steigt der Dampfgehalt, verbleibt verstärkt Öl und sammelt sich Öl im unteren Bereich des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 an, während bei einer zu großen Öl-bohrung der Dampfgehalt sinkt und ausgeworfenen Flüssigkeitsanteile ansteigen.Furthermore, the lubricating oil introduced by the
Ein solcher Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 regelt bei einer Inbetriebnahme, des Kältemittelkreislaufs 10 oder bei einem Lastwechsel von einem Dual-Betrieb der Verdampfer (also Chiller 1 und Innenraum-Verdampfer 2) auf den Single-Chiller-Betrieb den Dampfgehalt am Kältemittelaustritt des Chillers 1 auf einen konstanten Wert. Der durch den Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 eingestellte Dampfgehalt stellt sich hierbei im eingeschwungenen Zustand des Kältemittelkreislaufs 10 sowohl am Austritt des Chillers 1 als auch am Kältemittelaustritt des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 ein. Damit wird der Kältemittelzustand am Kältemittelaustritt des Chillers 1 aufgrund der erläuterten Eigenschaft des Niederdruck-Kältemittelsammlers 6.1 auf der Kurve des konstanten Dampfgehalts (bspw. 90%), nahe der Taulinie betrieben. Dies bedeutet gleichzeitig, dass der Wert der Überhitzung bei regulärem Systembetrieb Null ist. Mittels des ersten Expansionsorgans AE1 erfolgt daher entweder eine Unterkühlungsregelung mittels des dritten Druck-Temperatursensors pT3 oder eine Regelung auf einen optimalen Hochdruck, in Abhängigkeit von einem unter- bzw. überkritischen Systembetrieb.Such a low-pressure refrigerant collector 6.1 regulates the vapor content at the refrigerant outlet of the
Die Unterkühlungsregelung erfolgt, derart, dass über den dritten Druck- , Temperatursensor pT3 Druck und Temperatur am Austritt des Kondensators 4 oder Gaskühler 4 erfasst und aus den Werten der Betrag der Unterkühlung ermittelt wird. Bewegt sich der Istwert oberhalb des Sollwertes, so öffnet das erste Expänsionsorgan AE1 bis der Sollwert erreicht wurde. Ist der Istwert kleiner als der Sollwert, so wird das erste Expansionsorgan AE1 geschlossen, bis der Sollwert sich einstellt.Supercooling is controlled in such a way that the pressure and temperature at the outlet of the
Die Regelung auf einen optimalen Hochdruck bedeutet, dass über den dritten Druck-Temperatursensor pT3 Druck und Temperatur am Austritt des Kondensators 4 oder Gaskühler 4 erfasst und aus den Werten der Betrag des Sollhochdruckes ermittelt wird. Bewegt sich der Istwert oberhalb des Sollwertes, so öffnet das erste Expansionsorgan AE1 bis der Sollwert erreicht wird. Ist der Istwert kleiner als der Sollwert, so wird erste Expansionsorgan AE1 geschlossen, bis der Sollwert sich einstellt.Controlling for an optimum high pressure means that the pressure and temperature at the outlet of the
Wird in dem Kältemittelkreislauf 10 gemäß
Im Single-Chiller-Modus stellen sich, insbesondere auch in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur des Kühlmittels in den Chiller 1, bei einer Regelung auf Unterkühlung oder auf einen optimalen Hochdruck deutlich höhere Niederdrücke im Kältemittelkreislauf 10 im Vergleich zu einem Mehrverdampferbetrieb mittels des Chillers 1 und des Innenraum-Verdampfers 2 ein. Speziell bei hohen Vorlauftemperaturen im Kühlwasser des Kühlmittelkreislaufs 1.1 des Chillers 1 werden hohe Werte im Niederdruck erzielt, die mit fallender Vorlauftemperatur oder mit Zunahme des Abkühlwunsches (Differenztemperatur Wasservorlauf zu Rücklauf) sinken. Insbesondere bei zunehmender Vorlauftemperatur des Kühlmittels am Chiller 1 steigt der Niederdruck im Kältemittelkreislauf 10 an.In the single chiller mode, in particular also depending on the flow temperature of the coolant in the
Mit dem ansteigenden Niederdruck des Kältemittels steigt auch dessen Dichte an und führt damit zu einem erhöhten Kältemittelbedarf im Niederdruckabschnitt des Kältemittelkreislaufs 10, d. h. es liegt eine Kältemittelunterfüllung vor. Damit kann im Single-Chiller-Modus das Kältemittel am Kältemittelaustritt des Chillers 1 nicht mehr im Zwei-Phasen-Gebiet des Kältemittels und damit nahe der Taulinie betrieben werden, wenn der NiederdruckKältemittelsammler 6.1 leer, also kein Kältemittel mehr nachliefern kann und dessen Reservoir ausgeschöpft ist. Der Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 leert sich, es kommt zu einer zunehmenden Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers 1,und damit auch am Austritt des NiederdruckKältemittelsammlers 6.1.With the increasing low pressure of the refrigerant, its density also increases and thus leads to an increased requirement for refrigerant in the low-pressure section of the
Mit der ansteigenden Dichte des Kältemittels und damit des Massenstroms, kann auch eine Drehmomentüberlast am Kältemittelverdichter 3 auftreten.With the increasing density of the refrigerant and thus the mass flow, a torque overload on the
Sobald eine solche Drehmomentüberlast des Kältemittelverdichters 3 und/oder eine zunehmende Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers 1 mittels des ersten Druck-Temperatursensors pT1 (oder gegebenenfalls mittels des zweiten Druck-Temperatursensors pT2) detektiert wird, erfolgt durch einen Regeleingriff an dem als elektrischer Verdichter ausgeführten Kältemittelverdichter 3 eine Absenkung des Niederdrucks, indem die Drehzahl, des Kältemittelverdichters 3 und damit die Kühlleistung angepasst wird. Die Absenkung des Niederdrucks erfolgt in Abhängigkeit der, Umgebungsbedingung und des Lastfalles am Chiller 1, d.h. der Niederdruck im System wird so lange reduziert, bis die Überhitzungs- bzw. Drehmomentproblematik nicht mehr detektiert werden. Mit dieser Limitierung des maximal zulässigen Niederdrucks nach oben wird der Freiheitsgrad des Niederdrucks, nämlich in beliebiger Weise anzusteigen, eingeschränkt.As soon as such a torque overload of the
Die Detektion der Drehmomentüberlast des Kältemittelverdichters 3 erfolgt durch eine Eigendiagnose, wenn der Kältemittelverdichter 3 als elektrischer Kältemittelverdichter ausgeführt ist. Hierzu wird von einem solchen elektrischen Kältemittelverdichter ein entsprechendes Diagnosesignal zur Verfügung gestellt, welches von einer Steuereinheit, bspw. einem Klimasteuergerät ausgewertet wird.The torque overload of the
Eine weitere negative Eigenschaft, die in Verbindung mit einer zunehmenden Überhitzung auftreten kann, äußert sich in der Verschlechterung des Ölrücktransports zum Kältemittelverdichter 3, da sich das Öl nun verstärkt im Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 einlagern wird und aufgrund der fehlenden flüssigen Kältemittelphase, mit der das Öl eine Mischung eingeht, das Transportmedium hin zum Kältemittelverdichter 3 nicht mehr zur Verfügung stehtAnother negative property that can occur in connection with increasing overheating is expressed in the worsening of the oil return transport to the
Alternativ wird der Niederdruck durch Steuerung des Kältemittelverdichters 3 auf einen maximalen Niederdruckwert beschränkt, so dass ein weiterer Anstieg des Niederdrucks am Kältemittelausgang des Chillers 1 verhindert wird. Der maximale Niederdruckwert wird in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen und der Kühlleistung des Chillers 1 festgelegt, d. h. die Verdampfungstemperatur sollte bei einem Anlauf des Kältemittelkreislaufs 10 ein Wert unterhalb der Umgebungstemperatur eingestellt werden oder sich anfangs an dieser orientieren und mit Dauer des Betriebs wieder unter Berücksichtigung der Werte am ersten Druck-Temperatursensor pT1 der effizienzoptimale Betriebspunkt angefahren werden.Alternatively, the low pressure is limited to a maximum low pressure value by controlling the
Mit der Reduktion des Niederdrucks wird auch die Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Chiller 1 reduziert. Um die vor der Reduzierung des Niederdrucks erzeugte Kälteleistung des Chillers 1 wiederherzustellen, wird durch ein Zusammenwirken von Kältemittelverdichter 3 und dem ersten Expansionsorgan AE1 diese Kälteleistung wieder eingestellt, indem durch Anstieg von Hub oder Drehzahl und Verfahren des ersten Expansionsorgans AE1, d. h. in der Regel durch weiteres Androsseln auf die neuen Randbedingungen reagiert wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es zu Situationen kommen kann, in denen das System losgelöst von Unterkühlungsregelung oder Regelung des optimalen Hochdrucks arbeiten kann. und muss, da ansonsten ein Kälteleistungsüberschuss nicht vermieden werden kann. Die vor der Absenkung des Niederdrucks durchgeführte effiziente Regelung des Kältemittelkreislaufs 10 mittels der Unterkühlungsregelung oder der Regelung auf den optimalen Hochdruck wird daher ausgesetzt, bis insbesondere aufgrund geänderter, speziell jedoch gesunkener Kühlmittelvorlauftemperaturen am Chiller 1 sich neue Niederdrucklagen einstellen und dadurch die Rückkehr zum effizienten Systembetrieb ermöglicht wird, d.h. der Kältemittelverdichter 3 sorgt für den Hub bzw. den Betrag der Kühlmittelabkühlüng, das erste Expansionsorgan AE1 stellt die Unterkühlung bzw. den optimalen Hochdruck ein.With the reduction of the low pressure, the evaporation temperature of the refrigerant in the
In einem Single-Chiller-Betrieb des Kältemittelkreislaufs, 10 gemäß
Der Kondensator 4 kann auch mit integriertem Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 ausgeführt sein, in der Regel folgt dem Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 stromabwärts noch ein aus wenigen Flachrohren bestehender in den Umgebungswärmeübertrager integrierter Unterkühlungsabschnitt, an dessen Ausgang stromabwärts der hochdruckseitige Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 5 anschließt.The
In diesem Single-Chiller-Modus wird die Überhitzung am Kältemittelausgang des Chillers 1 bei einem Kältemittelkreislauf 10 gemäß
Im Single-Chiller-Modus stellen sich bei einer solchen Regelung deutlich höhere Niederdrücke im Kältemittelkreislauf 10 im Vergleich zu einem Mehrverdampferbetrieb mittels des Chillers 1 und des Innenraum-Verdampfers 2 ein. Insbesondere bei zunehmender Kühlmittelvorlauftemperatur am Eintritt des Chillers 1 steigt der Niederdruck im Kältemittelkreislauf 10 an.In the single chiller mode, significantly higher low pressures occur in the
Mit dem ansteigenden Niederdruck des Kältemittels steigt auch dessen Dichte an und führt damit zu einem erhöhten Kältemittelbedarf im Niederdruckabschnitt des Kältemittelkreislaufs, d.h. es liegt eine Kältemittelunterfüllung vor. Damit kann im Single-Chiller-Modus das Kältemittel am Kältemittelaustritt des Chillers 1 nicht mehr nahe der Taulinie betrieben werden, da wegen der Kältemittelunterfüllung eine zunehmende Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers 1 auftritt.With the increasing low pressure of the refrigerant, its density also increases and thus leads to an increased demand for refrigerant in the low-pressure section of the refrigerant circuit, i.e. there is insufficient refrigerant. Thus, in the single chiller mode, the refrigerant at the refrigerant outlet of the
Mit der ansteigenden Dichte des Kältemittels kann auch eine Drehmoment-überlast am Kältemittelverdichter 3 auftreten.A torque overload on the
Sobald eine solche Drehmomentüberlast des Kältemittelverdichters 3 und/oder eine zunehmende Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers 1 mittels des ersten Druck-Temperatursensors pT1 detektiert wird, erfolgt durch einen Regeleingriff an dem als elektrischer Verdichter ausgeführten Kältemittelverdichter 3 eine Absenkung des Niederdrucks, indem die Drehzahl des Kältemittelverdichters 3 und damit die Kühlleistung reduziert wird. Die Absenkung des Niederdrucks.erfolgt in Abhängigkeit der Umgebungsbedingung und des Lastfalles am Chiller 1, d.h. der Niederdruck im System wird so lange reduziert, bis die Überhitzungserscheinung und/oder die Drehmömentüberlast nicht mehr detektiert werden. Mit der Limitierung des maximal zulässigen Niederdrucks nach oben wird der Freiheitsgrad des Niederdrucks, in beliebiger Weise anzusteigen, eingeschränkt.As soon as such a torque overload of the
Am Austritt des Innenraum-Verdampfers 2 ist der Druck-Temperatursensor pT5 dafür verantwortlich die Überhitzungsregelung des Kältemittels am Austritt des Innenraum-Verdampfers 2 zu überwachen.At the outlet of the
Die Detektion der Drehmomentüberlast des Kältemittelverdichters 3 erfolgt durch eine Eigendiagnose, wenn der Kältemittelverdichter 3 als elektrischer Kältemittelverdichter ausgeführt ist. Hierzu wird von einem solchen elektrischen Kältemittelverdichter ein entsprechendes Diagnosesignal zur Verfügung gestellt, welches von einer Steuereinheit, bspw. einem Klimasteuergerät ausgewertet wird.The torque overload of the
Alternativ wird der Niederdruck durch Steuerung des Kältemittelverdichters 3 auf einen maximalen Niederdruckwert beschränkt, so dass ein weiterer Anstieg des Niederdrucks am Kältemittelausgang des Chillers 1 verhindert wird. Der maximale Niederdruckwert wird in Abhängigkeit von Umgebungsbedingüngen und der Kühlleistung des Chiliers 1 festgelegt, d. h. die Verdampfungstemperatur sollte bei einem Anlauf des Kältemittelkreislaufs 10 ein Wert unterhalb der Umgebungstemperatur eingestellt werden oder sich anfangs an dieser orientieren und mit Dauer des Betriebs wieder unter Berücksichtigung der Werte am ersten Druck-Temperatursensor pT1 der effizienzoptimale Betriebspunkt angefahren werden.Alternatively, the low pressure is limited to a maximum low pressure value by controlling the
Mit der Reduktion des Niederdrucks wird auch die Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Chiller 1 reduziert. Um die vor der Reduzierung des Niederdrucks erzeugte Kälteleistung des Chillers 1 wiederherzustellen, wird durch ein Zusammenwirken von Kältemittelverdichter 3 und dem ersten Expansionsorgan AE1 diese Kälteleistung wieder eingestellt, indem durch Anstieg von Hub oder Drehzahl und Verfahren des ersten Expansionsorgans AE1, d. h. in der Regel durch weiteres Androsseln auf die neuen Randbedingungen reagiert wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es zu Situationen kommen kann, in denen das System losgelöst von Unterkühlungsregelung bzw. Regelung des optimalen Hochdrucks arbeiten kann und muss, da ansonsten ein Kälteleistungsüberschuss nicht vermieden werden kann. Die vor der Absenkung des Niederdrucks durchgeführte effiziente Regelung des Kältemittelkreislaufs 10 mittels der Unterkühlungsregelung oder der Regelung auf den optimalen Hochdruck wird daher ausgesetzt, bis insbesondere aufgrund geänderter, speziell jedoch gesunkener Kühlmittelvorlauftemperaturen am Chiller 1 sich neue Niederdrucklagen einstellen und dadurch die Rückkehr zum effizienten Systembetrieb ermöglicht wird, d.h. der Kältemittelverdichter 3 sorgt für den Hub oder den Betrag der Kühlmittelabkühlung, das erste Expansionsorgan AE1 stellt die Unterkühlung oder den optimalen Hochdruck ein.With the reduction of the low pressure, the evaporation temperature of the refrigerant in the
Es sei ergänzt, dass für den Fall des stets getrennten Betriebs von Chiller 1 und Innenraum-Verdampfer 2, d.h. beide Wärmeübertrager werden nie gleichzeitig betrieben, die beiden Druck-Temperatursensoren pT1 und pT5 entfallen und durch einen Druck-Temperatursensor pT6 stromabwärts des Knotenpunkts des Chiller-Zweiges 1.0 und des Innenraum-Verdampferzweiges 2.0 ersetzt werden können.It should be added that if
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Absenkung des Niederdrucks bei einer Detektion einer Drehmomentüberlast am Kältemittelverdichter 3 und/oder einer zunehmender Überhitzung des Kältemittels am Kältemittelaustritt des Chillers 1 liegt nicht nur in einer Vermeidung des Abschaltens des Kältemittelverdichters 3 bei einer Drehmomentüberlast sondern auch in einer Sicherstellung des Öltransportes und einer ausreichenden Schmierung des Kältemittelverdichters 3 und damit auch einer erhöhten Bauteillebensdauer des Kältemittelverdichters 3.A further advantage of the method according to the invention for reducing the low pressure upon detection of a torque overload on the
Schließlich wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein Betrieb des Kältemittelkreislaufs 10 im Bereich einer kritischen Füllmenge im Sinne einer potentiellen Kältemittelunterfüllung vermieden.Finally, with the method according to the invention, operation of the
Das in den
Im Folgenden wird ein Mehrverdampferbetrieb, also ein paralleler Betrieb des Chillers 1 und des Innenraum-Verdampfers 2 der Kältemittelkreisläufe 10 gemäß den
Bei einem solchen Mehrverdampferbetrieb wird der Innenraum-Verdampfer 2 zur Führungsgröße des Kälteprozesses und gibt das Niveau des Niederdrucks und damit die geforderte Verdampfungstemperatur vor. Bei einem Kältemittelkreislauf 10 gemäß
Auch bei dem Kältemittelkreislauf 10 mit dem Höchdruck-Kältemittelsammfer 6.2 wird über das erste Expansionsorgan AE1 des Chillers 1 eine definierte Abkühlung der Wassertemperatur eingeregelt, die über den den Chiller 1 durchströmenden Kältemittelmassenstrom eingestellt wird.Also in the
Alternativ kann der Kältemittelkreislauf 10 gemäß
Dieses als elektrisch oder mechanisch regelbares Expansionsventil ausgeführte dritte Expansionsorgan AE3 sorgt dafür, dass im Innenraum-Verdampferzweig 2.0 keine Unterschreitung eines zur Vereisung führenden Niederdrucks erfolgt.This third expansion element AE3, which is designed as an electrically or mechanically controllable expansion valve, ensures that the low pressure in the interior evaporator branch 2.0 does not fall below a level that would lead to icing.
Damit kann im Innenraum-Verdampferzweig 2.0 ein Mitteldruckniveau eingestellt werden, während am Chiller 1 ein beliebiges Niederdruckniveau unterhalb des Niederdruckniveaus im Verdampferzweig 2.0 mittels des Kältemittelverdichters 3 in Abhängigkeit der geforderten Kühlleistung des Chillers 1 eingestellt wird. Hierzu wird mittels des ersten Expansionsorgans AE1 die Überhitzung am Kältemittelaustritt des Chillers 1 eingestellt, wodurch die Kälteleistung am Chiller 1 in Abhängigkeit des Überhitzungsgrades am Kältemittelaustritt des Chillers 1 beim jeweiligen herrschenden Niederdruck variierbar wird. Hierbei wird die maximale Kälteleistung des Chillers 1 erzielt, wenn an dessen Kältemittelaustritt das Kältemittel nahe der Taulinie des Kältemittels eingestellt wird.A medium-pressure level can thus be set in the interior evaporator branch 2.0, while any desired low-pressure level below the low-pressure level in the evaporator branch 2.0 is set on the
Bei einem gegenüber dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers 2 kleineren Niederdruck des Chillers 1 wird zur Erhöhung der Kühlleistung des Chillers 1 das Kältemittel am Kältemittelaustritt des Chillers 1 nahe an dessen Taulinie, d. h. mit einer geringen Überhitzung betrieben und der Innenraum-Verdampfer 2 mittels des dritten Expansionsorgans AE3 auf einem Mitteldruck-Niveau betrieben. Zur Reduzierung der Kühlleistung des Chillers 1 wird durch Regelung des Kältemittelverdichters 3 der Niederdruck des Chillers 1 bis an den Niederdruck des Innenraum-Verdampfers 2 angehoben. Durch weiteres Androsseln des ersten Expansionsorgans AE1 kann zusätzlich die Kälteleistung am Chiller 1 reduziert werden.When the low pressure of the
Bei einem dem Niederdruck des Innenraum-Verdampfers 2 entsprechenden Niederdruck des Chillers 1 wird eine maximale Kühlleistung am Chiller 1 erzeugt, wenn das Kältemittel im Kältemittelaustritt des Chillers 1 nahe an dessen Taulinie, also mit minimaler Überhitzung betrieben wird. Die Kühlleistung des Chillers 1 wird durch eine Erhöhung der Überhitzung des Kältemittels mittels des ersten Expansionsorgans AE1 bei konstantem Druck im Innenraum-Verdampfer 2 reduziert.When the low pressure of the
Bei einem Kältemittelkreislauf 10 gemäß den
Bei dem Kältemittelkreislauf 10 gemäß den
Im Zusammenhang mit dem Hochdruck Kältemittelsammler 6.2 sei vermerkt, dass die Sammlerflasche auch in den Kondensator 4 integriert werden kann, bevor stromabwärts die in den Kondensator 4 integrierte Subcoolstrecke durchströmt wird. In dieser Konstellation, die in dieser Aufbauweise nicht einsetzbar ist für die Ausführung als Luftwärmepumpe, kann der dritte Druck-Temperatursensorsensor pT3 entfallen, da mittels des Kondensators 4, in welchem Hochdruck-Kältemittelsammler 6.2 und Subcoolstrecke integriert sind bereits selbständig eine Unterkühlung des Kältemittels eingestellt wird.In connection with the high-pressure refrigerant collector 6.2, it should be noted that the collector bottle can also be integrated into the
Ferner können die beschriebenen Verfahren auch bei einem Kältemittelkreislauf 10 mit Wärmepumpenfunktion realisiert werden.Furthermore, the methods described can also be implemented in a
Schließlich können die beschriebenen Verfahren für alle bekannten Kältemittel, wie R744, R134a, R1234yf usw. eingesetzt werden, wobei speziell für R744-System ausschließlich der Niederdruck-Kältemittelsammler 6.1 Berücksichtigung findet.Finally, the methods described can be used for all known refrigerants, such as R744, R134a, R1234yf, etc., whereby only the low-pressure refrigerant collector 6.1 is taken into account specifically for the R744 system.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
-
Chiller des Kältemittelkreislaufs 10
Refrigerant circuit chiller 10 - 1.01.0
- Chiller-Zweigchiller branch
- 1.11.1
-
Kühlmittelkreislauf des Chillers 1
Chiller coolant circuit 1 - 22
- Innenraum-Verdampferinterior evaporator
- 2.02.0
- Innenräum-Verdampferzweig Interior evaporator branch
- 33
- Kältemittelverdichter refrigerant compressor
- 44
- Kondensator oder Gaskühler condenser or gas cooler
- 55
- innerer Wärmeübertrager internal heat exchanger
- 6.16.1
- Niederdruck-KältemittelsammlerLow pressure refrigerant collector
- 6.26.2
- Hochdruck-Kältemittelsammler High-pressure refrigerant collector
- 77
- Rückschlagventil check valve
- 1010
- Kältemittelkreislauf Refrigerant circulation
- AE1AE1
- erstes Expansionsorganfirst expansion organ
- AE2AE2
- zweites Expansionsorgansecond expansion organ
- AE3AE3
- drittes Expansionsorgan third expansion organ
- pT1pT1
- Druck-Temperatursensorpressure-temperature sensor
- pT2pT2
- Druck-Temperatursensorpressure-temperature sensor
- pT3pT3
- Druck-Temperatursensorpressure-temperature sensor
- pT4pT4
- Druck-Temperatursensorpressure-temperature sensor
- pT5pT5
- Druck-Temperatursensorpressure-temperature sensor
- pT6pT6
- Druck-Temperatursensorpressure-temperature sensor
- TLuftTair
- Lufttemperaturfühlerair temperature sensor
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