DE102019135437B4 - Process for indirectly determining pressure in refrigeration circuits - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Drucks des Kältemittels in einem Kältekreis, wobei der Kältekreis mindestens eine Komponente aufweist, in der ein Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und einem Wärmeträgerfluid stattfindet, umfassend mindestens folgende Verfahrensschritte:a) Messung der Temperaturen des Kältemittels sowie des Wärmeträgerfluids jeweils am Eintritt in eine und am Austritt aus einer Komponente des Kältekreises, in der ein Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Wärmeträgerfluid stattfindet (TR,ein, TR,aus; TW,ein,TW,aus);b) Messung einer Zwischentemperatur des Kältemittels TR,mund einer Zwischentemperatur des Wärmeträgerfluids TW,min der Komponente des Kältekreises so, dass diese Zwischentemperaturen den gleichen bis dorthin vollzogenen Wärmeübertragungsprozess, einmal bezogen auf das Kältemittel und einmal bezogen auf das Wärmeträgerfluid, erfassen;c) Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Druck pRund Enthalpie hRdes Kältemittels bei den gemessenen Temperaturen des Kältemittels (TR,ein, TR,aus, TR,m) zumindest im für den Betrieb des Kältekreises vorgesehenen Druckbereich mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung unter Nutzung einer Stoffdatenbank;d) Ermittlung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Drucks pR* durch Ermittlung der Abhängigkeit des Drucks pRdes Kältemittels von einem aus der Manipulation eines Gleichungssystems mindestens zweier voneinander verschiedener Bilanzgleichungen des Wärmeübertragungsprozesses in der Komponente des Kältekreises, in der ein Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Wärmeträgerfluid stattfindet, resultierenden Zusammenhangs der Enthalpien des Kältemittels bei den in den Verfahrensschritten a) und b) ermittelten Temperaturen des Kältemittels, wobei der zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegende Zusammenhang der Enthalpien aus dem entsprechenden Zusammenhang der in den Verfahrensschritten a) und b) ermittelten Temperaturen des Wärmeträgerfluids bestimmt wird; wobei bei Zuordnung von mehr als einem Druckwert pR* zu dem dem Zusammenhang zwischen den Temperaturen des Wärmeträgerfluids entsprechenden Zusammenhang zwischen den Enthalpien des Kältemittels zur Bestimmung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Drucks des Kältemittels eine Plausibilitätsprüfung der mehr als einen Druckwerte durchgeführt wird.Method for determining the pressure of the refrigerant in a refrigeration circuit, the refrigeration circuit having at least one component in which heat transfer takes place between the refrigerant and a heat transfer fluid, comprising at least the following method steps: a) measuring the temperatures of the refrigerant and of the heat transfer fluid at the inlet one and at the outlet of a component of the refrigeration circuit in which heat transfer takes place between the refrigerant and the heat transfer fluid (TR,in, TR,out; TW,in,TW,out);b) measurement of an intermediate temperature of the refrigerant TR,mand an intermediate temperature of Heat transfer fluid TW,min of the component of the refrigeration circuit in such a way that these intermediate temperatures record the same heat transfer process that has taken place up to there, once in relation to the refrigerant and once in relation to the heat transfer fluid; c) Determination of the relationship between pressure pR and enthalpy hR of the refrigerant at the measured temperatures of refrigerant els (TR,in, TR,out, TR,m) at least in the pressure range provided for the operation of the refrigeration circuit by means of a data processing device using a material database;d) determination of the pressure pR present at the time of the measurements in method steps a) and b). * by determining the dependency of the pressure pR of the refrigerant on a relationship between the enthalpies of the refrigerant resulting from the manipulation of a system of equations of at least two different balance equations of the heat transfer process in the component of the refrigeration circuit in which heat transfer takes place between the refrigerant and the heat transfer fluid in the process steps a) and b) determined temperatures of the refrigerant, the relationship of the enthalpies present at the time of the measurements in method steps a) and b) from the corresponding relationship of the temperatures of the heat transfer fluid determined in method steps a) and b). is determined; where, if more than one pressure value pR* is assigned to the relationship between the temperatures of the heat transfer fluid, which corresponds to the relationship between the enthalpies of the refrigerant, to determine the pressure of the refrigerant present at the time of the measurements in method steps a) and b), a plausibility check is carried out on the more than a pressure value is carried out.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Drucks des Kältemittels in einem Kältekreis, wobei der Kältekreis mindestens eine Komponente aufweist, in der ein Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und einem Wärmeträgerfluid stattfindet. Ferner betrifft die Erfindung die bevorzugte Verwendung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for determining the pressure of the refrigerant in a refrigeration circuit, the refrigeration circuit having at least one component in which heat transfer takes place between the refrigerant and a heat transfer fluid. Furthermore, the invention relates to the preferred use of such a method.

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, welches den Druck aus mehreren Temperaturen in einem Kältekreis bestimmt. Auch wenn die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Folgenden für die Anwendung in einem Kältekreis erfolgt, ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für Kältekreise, sondern gleichermaßen für verschiedene Arten rechts- sowie linkslaufender thermodynamischer Kreisprozesse bzw. Wärmeübertragungsprozesse geeignet.The invention describes a method that determines the pressure from multiple temperatures in a refrigeration cycle. Even though the method according to the invention is described below for use in a refrigeration circuit, the method according to the invention is not only suitable for refrigeration circuits, but equally for various types of clockwise and counterclockwise thermodynamic cycles or heat transfer processes.

Beispielsweise in handelsüblichen Wärmepumpen werden derzeit schon viele der für das erfindungsgemäße Verfahren genutzten Temperaturen für andere Zwecke, z. B. zur Überwachung der Verdichtungsendtemperatur, erfasst. Besonders vorteilhaft kann durch wenige, in vielen Fällen nur zwei, zusätzliche kostengünstige Temperatursensoren auch in transkritischen Kältekreisen der Hochdruck indirekt bestimmt werden. Damit kann über die Kältekreisprozessgrößen eine vom Gesetzgeber zukünftig geforderte Energiebilanzierung kostengünstiger realisiert werden. So kann der Einsatz externer Energieerfassungssysteme bzw. teurer und aufwendig zu installierender Drucksensoren entfallen.For example, in commercially available heat pumps, many of the temperatures used for the process according to the invention are already being used for other purposes, e.g. B. for monitoring the compression end temperature recorded. Particularly advantageously, the high pressure can also be determined indirectly in transcritical refrigeration circuits using a few, in many cases only two, additional cost-effective temperature sensors. This means that energy balancing, which will be required by law in the future, can be implemented more cost-effectively using the refrigeration cycle process variables. In this way, the use of external energy recording systems or pressure sensors that are expensive and difficult to install can be omitted.

Aufgrund des Verbotes bzw. der Reduktion der verkaufbaren erlaubten Menge an F-Gasen geht der Trend in neuen Kälteanlagen bzw. Wärmepumpen zu Kältemitteln mit niedrigem GWP (global warming potential). Dabei kommt CO2 (R744) besondere Bedeutung zu, da es weder brennbar noch toxisch ist, nicht zum Abbau von Ozon in der Atmosphäre führt und nicht gesondert entsorgt oder recycelt werden muss. Da der kritische Punkt von CO2 bei der vergleichsweise niedrigen Temperatur T = 304 K (31 °C) (und einem Druck p = 7,4 MPa = 74 bar) liegt, werden insbesondere Wärmepumpen mit CO2 als Kältemittel im Allgemeinen transkritisch betrieben. Bei einer transkritischen Prozessführung tritt an die Stelle der bei der unterkritischen Prozessführung auftretenden Kondensation des Kältemittels bei konstantem Druck und konstanter Temperatur die isobare Abkühlung des Kältemittels auf der Hochdruckseite bei stark gleitender Temperatur in einem Hochdruckwärmeübertrager, auch Gaskühler genannt.Due to the ban or the reduction in the permitted quantity of F-gases that can be sold, the trend in new refrigeration systems or heat pumps is towards refrigerants with a low GWP (global warming potential). CO 2 (R744) is of particular importance as it is neither flammable nor toxic, does not lead to the depletion of ozone in the atmosphere and does not have to be disposed of separately or recycled. Since the critical point of CO 2 is at the comparatively low temperature T = 304 K (31 °C) (and a pressure p = 7.4 MPa = 74 bar), heat pumps in particular with CO 2 as refrigerant are generally operated transcritically. In a transcritical process, the condensation of the refrigerant at constant pressure and constant temperature that occurs in the subcritical process is replaced by isobaric cooling of the refrigerant on the high-pressure side at a strongly sliding temperature in a high-pressure heat exchanger, also known as a gas cooler.

Im Sinne dieser Anmeldung umfasst der Begriff „transkritisch“ Prozessführungen, bei denen die thermodynamische Zustandsänderung auf der Hochdruckseite des Kältemittels im überkritischen Bereich des Phasendiagramms abläuft, das Nassdampfgebiet also nicht durchlaufen wird; auf der Niederdruckseite kann der Druck allerdings geringer als der kritische Druck des Kältemittels sein und das Nassdampfgebiet durchlaufen werden.For the purposes of this application, the term “transcritical” includes processes in which the thermodynamic change of state on the high-pressure side of the refrigerant takes place in the supercritical area of the phase diagram, i.e. the wet-steam area is not passed through; on the low-pressure side, however, the pressure can be lower than the critical pressure of the refrigerant and the wet vapor region can be passed through.

Um die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpenheizung, also das Verhältnis zwischen zugeführter Energie und der tatsächlich erzeugten Heizungswärme, zu ermitteln, muss entweder teure externe Messtechnik (z. B. ein Wärmemengenzähler) verwendet werden, oder die Jahresarbeitszahl wird über Kreisprozessberechnungen anhand von thermodynamischen Zustandsgrößen (z. B. p und T) an inneren Arbeitspunkten berechnet. Bei rein unterkritisch arbeitenden Anlagen kann aufgrund der i. A. relativ niedrigen Druckniveaus einfache Druckmesstechnik eingesetzt werden. Da bei unterkritisch arbeitenden Wärmepumpen eine Kondensation des Kältemittels stattfindet und im Nassdampfgebiet der Druck eindeutig der zugehörigen Kondensationstemperatur zuzuordnen ist, kann eine Druckbestimmung auf besonders einfache Weise auch nur über die Messung der (Kondensations-)Temperatur erfolgen.In order to determine the annual performance factor of a heat pump heating system, i.e. the ratio between the energy supplied and the heat actually generated, either expensive external measurement technology (e.g. a heat meter) must be used, or the annual performance factor is calculated using cycle processes based on thermodynamic state variables (e.g. B. p and T) calculated at inner working points. In the case of purely subcritical systems, due to the i. A. Relatively low pressure levels simple pressure measurement technology can be used. Since condensation of the refrigerant takes place in subcritical heat pumps and the pressure in the wet steam area can be clearly assigned to the associated condensation temperature, the pressure can also be determined in a particularly simple manner simply by measuring the (condensation) temperature.

EP 2 196 740 B1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Leistungszahl (COP = Coefficient Of Performance) einer Kältemaschine, insbesondere einer Wärmepumpe, die einen ein Kältemittel aufweisenden geschlossenen Kreislauf umfasst, in dem ein Verdampfer, ein Verdichter, ein Verflüssiger und ein Expansionsventil angeordnet sind. Bei dem Verfahren werden mit Hilfe von in dem Kreislauf angeordneten Temperatursensoren wenigstens drei Temperaturen des Kältemittels ermittelt. Alternativ werden mit Hilfe von in dem Kreislauf angeordneten Sensoren wenigstens zwei Temperaturen und wenigstens ein Druck des Kältemittels ermittelt. Aus den ermittelten Kältemitteltemperaturen bzw. -drücken werden Enthalpien des Kreislaufs und hieraus die Heizleistung und die aufgenommene elektrische Leistung der Kältemaschine berechnet, um aus dem Quotienten der berechneten Heizleistung und der berechneten aufgenommenen elektrischen Leistung die Leistungszahl der Kältemaschine zu bestimmen. Die Erfindung betrifft auch eine Kältemaschine zur Durchführung eines solchen Verfahrens. EP 2 196 740 B1 discloses a method for determining the COP (Coefficient Of Performance) of a refrigerating machine, in particular a heat pump, which includes a closed circuit having a refrigerant, in which an evaporator, a compressor, a condenser and an expansion valve are arranged. In the method, at least three temperatures of the refrigerant are determined with the aid of temperature sensors arranged in the circuit. Alternatively, at least two temperatures and at least one pressure of the refrigerant are determined with the aid of sensors arranged in the circuit. The enthalpies of the circuit and from this the heating capacity and the consumed electrical power of the refrigerating machine are calculated from the determined refrigerant temperatures or pressures in order to determine the coefficient of performance of the refrigerating machine from the quotient of the calculated heating capacity and the calculated consumed electrical power. The invention also relates to a refrigeration machine for carrying out such a method.

Das in EP 2 196 740 B1 beschriebene Verfahren bezieht sich auf unterkritische Kältekreise. Es findet also ein Phasenwechsel im Verflüssiger statt, und durch Messung der Temperatur am Ausgang des Verflüssigers kann ein Bezug zum Hochdruck oder gleich zur benötigten Enthalpie des Kältemittels am Ausgang des Verflüssigers hergestellt werden. Diese eineindeutige Zuordnung gilt bei überkritischen Prozessen nicht, so dass eine Ermittlung z. B. der Enthalpie für eine COP-Bestimmung durch eine einfache Temperaturmessung analog zu EP 2 196 740 B1 nicht möglich ist.This in EP 2 196 740 B1 The procedure described relates to subcritical refrigeration circuits. A phase change therefore takes place in the condenser, and by measuring the temperature at the outlet of the condenser, a reference can be made to the high pressure or directly to the required enthalpy of the refrigerant at the outlet of the condenser. This one-to-one assignment does not apply to supercritical processes, so that a determination z. B. the enthalpy for a COP determination a simple temperature measurement analogous to EP 2 196 740 B1 not possible.

Stand der Technik ist es daher, zur Druckmessung auf der Hochdruckseite bei transkritischer Prozessführung Drucksensoren zu verwenden, wobei verschiedene Sensorarten eingesetzt werden können. Alle Sensorprinzipien bestimmen den Druck indirekt darüber, dass ein Messelement dem Druck ausgesetzt wird, welches dann seine spezifischen Eigenschaften entsprechend dem Druck ändert. Diese spezifische Eigenschaft, wie z. B. eine kleine entstehende elektrische Spannung beim Piezoeffekt, wird durch eine Elektronik erfasst und in geeigneter Form an eine Steuerung oder Regelung weitergegeben. In der Druckmesstechnik gibt es bspw. die Varianten induktive, kapazitive, piezoresistive Druckmessung sowie Druckmessung per Dünnschicht- oder Dickschicht-Dehnungsmessstreifen.It is therefore state of the art to use pressure sensors for pressure measurement on the high-pressure side in transcritical process control, with different types of sensors being able to be used. All sensor principles determine the pressure indirectly by exposing a measuring element to the pressure, which then changes its specific properties according to the pressure. This specific property, such as B. a small resulting electrical voltage in the piezo effect is detected by electronics and passed on in a suitable form to a control or regulation. In pressure measurement technology, for example, there are the variants of inductive, capacitive, piezoresistive pressure measurement and pressure measurement using thin-film or thick-film strain gauges.

Drucksensoren, insbesondere für hohe Drücke, sind bedeutend teurer und störanfälliger als Temperatursensoren. Des Weiteren muss bei Montage eines Drucksensors der Kältekreis geöffnet werden.
WO 2006/ 112 924 A2 beschreibt ein Verfahren zur Optimierung des COP einer transkritisch arbeitenden Kompressionskälteanlage mit CO2 als Kältemittel. Dabei wird der COP über die Einstellung eines optimalen Hochdrucks maximiert. Die Ermittlung des optimalen Hochdrucks erfolgt in Abhängigkeit von der Gaskühler-Austrittstemperatur, d. h. zumindest bei Außentemperaturen von unter 37 °C existiert zu jeder Gaskühler-Austrittstemperatur genau ein Hochdruckwert, bei dem der COP der Anlage optimal wird, und dieser Hochdruckwert wird durch Messung der Gaskühler-Austrittstemperatur bestimmt. Allerdings muss die Abhängigkeit des optimalen Hochdruckwerts von der Gaskühler-Austrittstemperatur bei jeder Anlage experimentell bestimmt oder zumindest anhand der Leistungsdaten ihrer Komponenten, insbesondere des Kompressors und des Gaskühlers, berechnet werden. Nachteilig handelt es sich bei diesem Verfahren nicht um eine wirkliche Druckbestimmung, denn von der gemessenen Gaskühler-Austrittstemperatur allein kann zwar auf den optimalen Hochdruckwert geschlossen werden, aber nicht auf den Hochdruck, der real in der Anlage vorliegt.
Pressure sensors, especially for high pressures, are significantly more expensive and more prone to failure than temperature sensors. Furthermore, the cooling circuit must be opened when installing a pressure sensor.
WO 2006/112 924 A2 describes a method for optimizing the COP of a transcritical compression refrigeration system using CO 2 as the refrigerant. The COP is maximized by setting an optimal high pressure. The optimal high pressure is determined as a function of the gas cooler outlet temperature, i.e. at least at outside temperatures below 37 °C, there is exactly one high pressure value for each gas cooler outlet temperature at which the COP of the system is optimal, and this high pressure value is determined by measuring the gas cooler -Outlet temperature determined. However, the dependency of the optimal high pressure value on the gas cooler outlet temperature must be determined experimentally for each system or at least calculated based on the performance data of its components, in particular the compressor and the gas cooler. The disadvantage of this method is that it does not actually determine the pressure, because the optimum high pressure value can be deduced from the measured gas cooler outlet temperature alone, but not the high pressure that actually exists in the system.

In ähnlicher Weise offenbart US 2014 / 0 116 075 A1 ein Verfahren zur Steuerung von transkritisch arbeitenden Kompressionskälteanlagen, das auf Anwendung einer Näherungsformel zur Ermittlung eines Referenzhochdrucks aus dem gemessenen Wert für die Austrittstemperatur des Kältemittels aus dem Gaskühler beruht. Auch hier erfolgt keine Bestimmung des real in der Anlage vorliegenden Hochdrucks.Similarly, US 2014/0 116 075 A1 discloses a method for controlling transcritical compression refrigeration systems, which is based on the use of an approximation formula for determining a reference high pressure from the measured value for the outlet temperature of the refrigerant from the gas cooler. Here, too, the high pressure actually present in the system is not determined.

Im Gegensatz dazu offenbart US 2005 / 0 066 675 A1 tatsächlich ein Verfahren zur Bestimmung des Hochdrucks des Kältemittels in einer transkritisch arbeitenden Kompressionskälteanlage, und zwar dadurch, dass diejenige Temperatur des Kältemittels im Gaskühler ermittelt wird, bei der das Kältemittel seine maximale spezifische Wärme aufweist. Dieser Temperatur wird mittels der Annahme der maximalen spezifischen Wärme ein Druckwert zugewiesen. Dabei weist das Kältemittel die maximale spezifische Wärme dort auf, wo sich seine Temperatur über die Länge des Gaskühlers am wenigsten ändert. Das Messverfahren setzt demnach voraus, dass die Temperatur des Kältemittels an mehreren Stellen entlang des Gaskühlers gemessen wird, um zu ermitteln, zwischen welchen beiden Messstellen die Temperaturänderung am geringsten ist. Als Temperatur der maximalen spezifischen Wärme wird dann der Mittelwert der Temperaturen an diesen beiden Messstellen angenommen. Um das Verfahren mit hinreichender Genauigkeit durchführen zu können, müssen also etliche äquidistante Temperaturmessstellen entlang des Gaskühlers vorgesehen werden, was nachteilig mit erheblichem Messaufwand verbunden ist.In contrast, US 2005/0 066 675 A1 actually discloses a method for determining the high pressure of the refrigerant in a transcritical compression refrigeration system, namely by determining that temperature of the refrigerant in the gas cooler at which the refrigerant has its maximum specific heat. A pressure value is assigned to this temperature using the assumption of maximum specific heat. The refrigerant has the maximum specific heat where its temperature changes least over the length of the gas cooler. The measuring method therefore requires that the temperature of the refrigerant is measured at several points along the gas cooler in order to determine between which two measuring points the temperature change is lowest. The mean value of the temperatures at these two measuring points is then assumed to be the temperature of the maximum specific heat. In order to be able to carry out the method with sufficient accuracy, a number of equidistant temperature measuring points must therefore be provided along the gas cooler, which disadvantageously involves considerable measuring effort.

Für transkritische Kältekreise ist bisher keine Möglichkeit bekannt, den Hochdruck unter Verwendung einiger weniger, günstiger Temperatursensoren zu bestimmen.For transcritical refrigeration circuits, there is no known way to determine the high pressure using a few inexpensive temperature sensors.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein vorteilhaftes Verfahren zur Druckbestimmung in Kältekreisen mit Hilfe von Temperatursensoren bereitzustellen.The object of the invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and to provide an advantageous method for determining the pressure in refrigeration circuits using temperature sensors.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Eine bevorzugte Verwendung des Verfahrens ist in Anspruch 8 angegeben.The object is achieved by a method having the features of claim 1. Developments of the invention are specified in the dependent claims. A preferred use of the method is specified in claim 8.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung des Drucks pR* des Kältemittels in einem Kältekreis gelöst, welches zumindest folgende Schritte umfasst:

  1. a) Messung der Temperaturen des Kältemittels sowie des Wärmeträgerfluids jeweils am Eintritt und am Austritt aus einer Komponente des Kältekreises, in der ein Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Wärmeträgerfluid stattfindet (TR,ein, TR,aus, TW,ein, TW,aus);
  2. b) Messung einer Zwischentemperatur des Kältemittels TR,m und des Wärmeträgerfluids TW,m in der Komponente des Kältekreises so, dass diese Zwischentemperaturen den gleichen bis dorthin vollzogenen Wärmeübertragungsprozess, einmal bezogen auf das Kältemittel und einmal bezogen auf das Wärmeträgerfluid, erfassen;
  3. c) Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Druck pR und Enthalpie hR des Kältemittels, hR(pR, T = konstant), zu den gemessenen Temperaturen des Kältemittels, also T = TR,ein; T = TR,aus, T = TR,m, zumindest im für den Betrieb des Kältekreises vorgesehenen Druckbereich mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung unter Nutzung einer Stoffdatenbank;
  4. d) Ermittlung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Drucks pR* durch Ermittlung der Abhängigkeit des Drucks pR des Kältemittels von einem aus der Manipulation eines Gleichungssystems mindestens zweier voneinander verschiedener Bilanzgleichungen des Wärmeübertragungsprozesses in der Komponente des Kältekreises, in der ein Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Wärmeträgerfluid stattfindet, resultierenden Zusammenhangs der Enthalpien des Kältemittels bei den in den Verfahrensschritten a) und b) ermittelten Temperaturen des Kältemittels, wobei der zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegende Zusammenhang der Enthalpien aus dem entsprechenden Zusammenhang der in den Verfahrensschritten a) und b) ermittelten Temperaturen des Wärmeträgerfluids bestimmt wird;
wobei bei Zuordnung von mehr als einem Druckwert pR* zu dem dem Zusammenhang zwischen den Temperaturen des Wärmeträgerfluids entsprechenden Zusammenhang zwischen den Enthalpien des Kältemittels zur Bestimmung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Drucks des Kältemittels eine Plausibilitätsprüfung der mehr als einen Druckwerte durchgeführt wird.According to the invention, the object is achieved by a method for determining the pressure p R * of the refrigerant in a refrigeration circuit, which comprises at least the following steps:
  1. a) Measurement of the temperatures of the refrigerant and the heat transfer fluid at the inlet and outlet of a component of the refrigeration circuit in which heat transfer takes place between the refrigerant and the heat transfer fluid (T R,in , T R,out , T W,in , T W, off );
  2. b) Measurement of an intermediate temperature of the refrigerant T R,m and of the heat transfer fluid T W,m in the component of the refrigeration circuit so that these intermediate temperatures have the same heat transfer process that has taken place up to there, once based on the refrigerant and once based on the heat transfer fluid, detect;
  3. c) determination of the relationship between pressure p R and enthalpy h R of the refrigerant, h R (p R , T = constant), to the measured temperatures of the refrigerant, ie T = T R,in ; T=T R,out , T=T R,m , at least in the pressure range provided for the operation of the refrigeration circuit by means of a data processing device using a material database;
  4. d) Determination of the pressure p R * present at the time of the measurements in method steps a) and b) by determining the dependency of the pressure p R of the refrigerant on one of at least two different balance equations of the heat transfer process in the component of the refrigeration cycle resulting from the manipulation of a system of equations , in which heat transfer takes place between the refrigerant and the heat transfer fluid, resulting relationship between the enthalpies of the refrigerant at the temperatures of the refrigerant determined in method steps a) and b), the relationship between the enthalpies present at the time of the measurements in method steps a) and b). is determined from the corresponding relationship between the temperatures of the heat transfer fluid determined in method steps a) and b);
where, if more than one pressure value p R * is assigned to the relationship between the enthalpies of the refrigerant, which corresponds to the relationship between the temperatures of the heat transfer fluid, a plausibility check of the more is carried out as a pressure value.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der Verfahrensschritt d) folgende Unterschritte:

  • di) Ermittlung der Abhängigkeit des Drucks pR vom Verhältnis der mittels zweier voneinander verschiedener Bilanzgleichungen des Wärmeübertragungsprozesses ermittelten Enthalpiedifferenzen des Kältemittels bei den in Verfahrensschritten a) und b) ermittelten Temperaturen des Kältemittels unter Nutzung des in Verfahrensschritt c) ermittelten Zusammenhangs zwischen Druck pR und Enthalpie hR des Kältemittels zumindest für den für den Betrieb des Kältekreises vorgesehenen Druckbereich;
  • dii) Ermittlung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Verhältnisses der Enthalpiedifferenzen aus dem über die genannten Bilanzgleichungen ermittelten entsprechenden Verhältnis von Differenzen der Temperaturen des Wärmeträgerfluids und Zuordnung mindestens eines Druckwerts pR* zu diesem Verhältnis der Enthalpiedifferenzen unter Nutzung des in Verfahrensschritt di) ermittelten Zusammenhangs zwischen dem Druck pR und dem Verhältnis der Enthalpiedifferenzen;
wobei bei Zuordnung von mehr als einem Druckwert zu dem dem Verhältnis der Differenzen der Temperaturen des Wärmeträgerfluids entsprechenden Verhältnis der Enthalpiedifferenzen des Kältemittels zur Bestimmung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Drucks des Kältemittels eine Plausibilitätsprüfung der mehr als einen Druckwerte durchgeführt wird.In one embodiment of the method according to the invention, method step d) comprises the following sub-steps:
  • di) Determination of the dependence of the pressure p R on the ratio of the enthalpy differences of the refrigerant determined by means of two different balance equations of the heat transfer process at the temperatures of the refrigerant determined in method steps a) and b) using the relationship between pressure p R and determined in method step c). Enthalpy h R of the refrigerant at least for the pressure range intended for the operation of the refrigeration circuit;
  • dii) Determination of the ratio of the enthalpy differences present at the time of the measurements in method steps a) and b) from the corresponding ratio of differences in the temperatures of the heat transfer fluid determined using the balance equations mentioned and assignment of at least one pressure value p R * to this ratio of the enthalpy differences using use the relationship determined in method step di) between the pressure p R and the ratio of the enthalpy differences;
Where more than one pressure value is assigned to the ratio of the enthalpy differences of the refrigerant, which corresponds to the ratio of the differences in the temperatures of the heat transfer fluid, a plausibility check is carried out on the more than one pressure value to determine the pressure of the refrigerant present at the time of the measurements in method steps a) and b). is carried out.

Die beschriebenen Unterschritte di) und dii) können beispielsweise folgendermaßen durchgeführt werden:

  • di') Ermittlung der Abhängigkeit des Drucks pR vom Verhältnis der Differenz zwischen den Enthalpien bei TR,ein und TR,m und der Differenz zwischen den Enthalpien bei TR,aus und TR,m, unter Nutzung des in Verfahrensschritt c) ermittelten Zusammenhangs zwischen Druck pR und Enthalpie hR des Kältemittels zumindest für den für den Betrieb des Kältekreises vorgesehenen Druckbereich;
  • dii') Ermittlung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Verhältnisses der Enthalpiedifferenzen des Kältemittels aus dem entsprechenden Verhältnis der Differenz zwischen TW,ein und TW,m und der Differenz zwischen TW,aus und 7W,m, und Zuordnung mindestens eines Druckwerts pR* zu diesem Verhältnis der Enthalpiedifferenzen, unter Nutzung der in Verfahrensschritt di') ermittelten Abhängigkeit des Drucks pR von dem Verhältnis der Enthalpiedifferenzen;
wobei bei Zuordnung von mehr als einem Druckwert zu dem dem Verhältnis der Differenzen der Temperaturen des Wärmeträgerfluids entsprechenden Verhältnis der Enthalpiedifferenzen des Kältemittels zur Bestimmung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Drucks des Kältemittels eine Plausibilitätsprüfung der mehr als einen Druckwerte durchgeführt wird.The sub-steps di) and dii) described can be carried out, for example, as follows:
  • di′) determining the dependency of the pressure p R on the ratio of the difference between the enthalpies at T R,in and T R,m and the difference between the enthalpies at T R,out and T R,m , using the method in step c ) determined relationship between pressure p R and enthalpy h R of the refrigerant at least for the pressure range provided for the operation of the refrigeration circuit;
  • dii') Determination of the ratio of the enthalpy differences of the refrigerant at the time of the measurements in method steps a) and b) from the corresponding ratio of the difference between TW,in and TW ,m and the difference between TW ,out and 7 W ,m , and assignment of at least one pressure value p R * to this ratio of the enthalpy differences, using the dependence of the pressure p R on the ratio of the enthalpy differences determined in method step di′);
Where more than one pressure value is assigned to the ratio of the enthalpy differences of the refrigerant, which corresponds to the ratio of the differences in the temperatures of the heat transfer fluid, a plausibility check is carried out on the more than one pressure value to determine the pressure of the refrigerant present at the time of the measurements in method steps a) and b). is carried out.

Dabei ist unter einer Temperaturmessung am Eintritt in eine und am Austritt aus einer Komponente des Kältekreises, in der ein Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Wärmeträgerfluid stattfindet, die Messung der Temperatur an einer Position im Kältekreis zu verstehen, die sich zwischen der letzten kältemitteltemperaturbeeinflussenden Komponente und der Komponente des Kältekreises, in der ein Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Wärmeträgerfluid stattfindet, befindet. Eine kältemitteltemperaturbeeinflussende Komponente ist z. B. der Verdichter. Die Messung der Temperatur kann auf dem Fachmann bekannte Weise mit handelsüblichen Temperatursensoren, z. B. Widerstandsthermometern oder Thermoelementen, durchgeführt werden.A temperature measurement at the entrance to and at the exit from a component of the refrigeration circuit, in which heat transfer takes place between the refrigerant and the heat transfer fluid, is to be understood as measuring the temperature at a position in the refrigeration circuit that is between the last component that influences the temperature of the refrigerant and the component of the refrigeration circuit, in where heat transfer takes place between refrigerant and heat transfer fluid. A refrigerant temperature influencing component is z. B. the compressor. The temperature can be measured in a manner known to those skilled in the art using commercially available temperature sensors, e.g. B. resistance thermometers or thermocouples are carried out.

Die Verfahrensschritte a) und b) können zeitgleich durchgeführt werden.Process steps a) and b) can be carried out simultaneously.

Die Komponente des Kältekreises, in der ein Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Wärmeträgerfluid stattfindet, ist weitestgehend thermisch von der Umgebung isoliert, so dass die vom Kältemittel abgegebene Wärme weitestgehend vollständig vom Wärmeträgerfluid aufgenommen wird. Die Komponente des Kältekreises, in der ein Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Wärmeträgerfluid stattfindet, wird im Folgenden auch als Wärmeübertrager bezeichnet. Der Begriff „Wärmeübertrager“ umfasst im Sinne dieser Erfindung auch eine Reihenschaltung von zwei oder mehr Wärmeübertragerelementen, in denen jeweils ein Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Wärmeträgerfluid stattfindet.The component of the refrigeration circuit in which heat transfer takes place between the refrigerant and the heat transfer fluid is largely thermally insulated from the environment, so that the heat given off by the refrigerant is largely completely absorbed by the heat transfer fluid. The component of the refrigeration circuit in which heat transfer takes place between the refrigerant and the heat transfer fluid is also referred to below as the heat exchanger. In the context of this invention, the term “heat exchanger” also includes a series connection of two or more heat exchanger elements, in each of which heat transfer takes place between refrigerant and heat transfer fluid.

Die Messstelle der Zwischentemperatur des Kältemittels TR,m und die Messstelle der Zwischentemperatur des Wärmeträgerfluids TW,m ist jeweils so zu wählen, dass diese Zwischentemperaturen den gleichen bis dorthin vollzogenen Wärmeübertragungsprozess, einmal bezogen auf das Kältemittel und einmal bezogen auf das Wärmeträgerfluid, erfassen. Das heißt, der vom Eintritt des Kältemittels in den Wärmeübertrager bis zur Messstelle der Zwischentemperatur des Kältemittels an das Wärmeträgerfluid abgegebene Wärmestrom muss gleich sein dem von der Messstelle der Zwischentemperatur des Wärmeträgerfluids bis zum Austritt des Wärmeträgerfluids aus dem Wärmeübertrager aufgenommene Wärmestrom. Analog gilt, dass der von der Messtelle der Zwischentemperatur des Kältemittels bis zum Austritt des Kältemittels aus dem Wärmeübertrager an das Wärmeträgerfluid abgegebene Wärmestrom gleich sein muss dem vom Eintritt des Wärmeträgerfluids in den Wärmeübertrager bis zur Messstelle der Zwischentemperatur des Wärmeträgerfluids aufgenommene Wärmestrom. Die Messung der Zwischentemperatur erlaubt die Bilanzierung der Wärmeübertragung in zwei separaten Teilprozessen mit jeweils eigenem Wärmestrom. Umfasst der Wärmeübertrager z. B. zwei in Reihe geschaltete Wärmeübertragerelemente, kann die Zwischentemperatur vorteilhaft zwischen den beiden Wärmeübertragerelementen gemessen werden.The measuring point for the intermediate temperature of the refrigerant T R,m and the measuring point for the intermediate temperature of the heat transfer fluid T W,m must be selected in such a way that these intermediate temperatures record the same heat transfer process that has taken place up to that point, once in relation to the refrigerant and once in relation to the heat transfer fluid . This means that the heat flow released from the refrigerant entering the heat exchanger to the measuring point of the intermediate temperature of the refrigerant to the heat transfer fluid must be equal to the heat flow absorbed from the measuring point of the intermediate temperature of the heat transfer fluid to the exit of the heat transfer fluid from the heat exchanger. Similarly, the heat flow transferred from the measuring point of the intermediate temperature of the refrigerant to the point at which the refrigerant exits the heat exchanger to the heat transfer fluid must be equal to the heat flow absorbed from the entry of the heat transfer fluid into the heat exchanger to the measuring point of the intermediate temperature of the heat transfer fluid. The measurement of the intermediate temperature allows the heat transfer to be balanced in two separate sub-processes, each with its own heat flow. Does the heat exchanger z. B. two series-connected heat exchanger elements, the intermediate temperature can be advantageously measured between the two heat exchanger elements.

Es müssen also folgende Bedingungen erfüllt sein: Q ˙ R ,1 = Q ˙ W ,2

Figure DE102019135437B4_0001
und Q ˙ R ,2 = Q ˙ W ,1
Figure DE102019135437B4_0002
The following conditions must therefore be met: Q ˙ R ,1 = Q ˙ W ,2
Figure DE102019135437B4_0001
and Q ˙ R ,2 = Q ˙ W ,1
Figure DE102019135437B4_0002

Es gelten die folgenden Bilanzgleichungen des Wärmeübertragungsprozesses: m ˙ R ( h R , ein h R , m ) = m ˙ W c p , W ( T W , aus T W , m )

Figure DE102019135437B4_0003
und m ˙ R ( h R , m h R , aus ) = m ˙ W c p , W ( T W , m T W , ein )
Figure DE102019135437B4_0004
The following balance equations of the heat transfer process apply: m ˙ R ( H R , one H R , m ) = m ˙ W c p , W ( T W , out T W , m )
Figure DE102019135437B4_0003
and m ˙ R ( H R , m H R , out ) = m ˙ W c p , W ( T W , m T W , one )
Figure DE102019135437B4_0004

Dabei ist ṁR der Kältemittelmassenstrom; hR,ein die Enthalpie des Kältemittels bei Eintritt in den Wärmeübertrager; hR,m die Enthalpie des Kältemittels an der Messstelle der Zwischentemperatur des Kältemittels; hR,aus die Enthalpie des Kältemittels bei Austritt aus dem Wärmeübertrager; ṁw der Wärmeträgerfluidmassenstrom; cp,w die spezifische Wärme des Wärmeträgerfluids bei konstantem Druck; TW,aus die Temperatur des Wärmeträgerfluids bei Austritt aus dem Wärmeübertrager; TW,m die Zwischentemperatur des Wärmeträgerfluids und Tw,ein die Temperatur des Wärmeträgerfluids bei Eintritt in den Wärmeübertrager.where ṁ R is the refrigerant mass flow; h R,in is the enthalpy of the refrigerant entering the heat exchanger; h R,m is the enthalpy of the refrigerant at the measuring point of the intermediate temperature of the refrigerant; h R,aus is the enthalpy of the refrigerant when it leaves the heat exchanger; ṁ w is the heat transfer fluid mass flow; c p,w is the specific heat of the heat transfer fluid at constant pressure; T W,out is the temperature of the heat transfer fluid when it leaves the heat exchanger; T W,m is the intermediate temperature of the heat transfer fluid and T w,in is the temperature of the heat transfer fluid entering the heat exchanger.

Durch Dividieren von Gleichung (1') durch Gleichung (2'), wobei Dividend und Divisor auch umgekehrt gewählt werden können, folgt: Δ h R ,1 Δ h R ,2 = Δ T W ,2 Δ T W ,1

Figure DE102019135437B4_0005
wobei gilt ΔhR,1 = hR,ein - hR,m; ΔhR,2 = hR,m - hR,aus; ΔTW,2 = TW,aus - TW,m und ΔTW,1 = TW,m - TW,ein.By dividing equation (1') by equation (2'), where dividend and divisor can also be chosen in reverse, it follows: Δ H R ,1 Δ H R ,2 = Δ T W ,2 Δ T W ,1
Figure DE102019135437B4_0005
where Δh R,1 = h R,in - h R,m; Δh R,2 = h R,m - h R,off ; ΔT W,2 = T W,out - T W,m and ΔT W,1 = T W,m - T W,in .

Das Verhältnis der auf die zwei separaten Teilprozesse der Wärmeübertragung bezogenen Enthalpiedifferenzen des Kältemittels entspricht also dem Verhältnis der jeweils aus den entsprechenden Temperaturmesswerten ermittelten Temperaturdifferenzen des Wärmeträgerfluids.The ratio of the enthalpy differences of the refrigerant related to the two separate sub-processes of heat transfer therefore corresponds to the ratio of the temperature differences of the heat transfer fluid determined from the corresponding measured temperature values.

Es versteht sich von selbst, dass beispielsweise auch die Verwendung anderer Bilanzgleichungen, z. B. ṁR(hR,ein - hR,aus) = ṁWcp,w(TW,aus - TW,ein), anstatt von Gleichung (1') oder (2'), oder einer anderen Vorzeichenkonvention zur Berechnung der Wärmeströme gemäß den Gleichungen (1') und (2') im Sinne der Erfindung möglich ist, sofern diese konsistent angewendet wird, z. B. ΔhR,1 = hR,m - hR,ein und ΔTW,2 = TW,m - TW,aus..It goes without saying that the use of other balance equations, e.g. B. ṁ R (h R,in - h R,out ) = ṁ W c p,w (T W,out - T W,in ), instead of equation (1') or (2'), or another A sign convention for calculating the heat flows according to equations (1') and (2') is possible within the meaning of the invention, provided that it is applied consistently, e.g. Δh R,1 = h R,m - h R,in and ΔT W,2 = T W,m - T W,off ..

Verfahrensschritt c) umfasst die Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Druck pR und Enthalpie hR des Kältemittels zumindest in dem Druckbereich, der für den Betrieb des Kältekreises vorgesehen ist, bei den gemessenen Temperaturen des Kältemittels TR,ein, TR,m, TR,aus, also hR(pR) bei T = TR,ein ; hR(pR) bei T = TR,m; hR(pR) bei T = TR,aus ; unter Zuhilfenahme einer Stoffdatenbank. Geeignete Stoffdatenbanken sind dem Fachmann bekannt, z. B. die Stoffdatenbank des NIST (National Institute of Standards and Technology) unter webbook.nist.gov.Method step c) includes determining the relationship between pressure p R and enthalpy h R of the refrigerant at least in the pressure range that is provided for the operation of the refrigeration circuit, at the measured temperatures of the refrigerant T R , in , T R,m , T R ,off , i.e. h R (p R ) at T = T R, on ; h R (p R ) at T = T R,m ; h R (p R ) at T = T R,off ; with the help of a substance database. Suitable substance databases are known to those skilled in the art, e.g. B. the substance database of the NIST (National Institute of Standards and Technology) at webbook.nist.gov.

Der in Verfahrensschritt c) ermittelte Zusammenhang zwischen Druck pR und Enthalpie hR des Kältemittels bei den gemessenen Temperaturen des Kältemittels wird in Verfahrensschritt d) genutzt, um den Zusammenhang zwischen dem Druck pR und dem Verhältnis der Enthalpiedifferenzen ΔhR,1hR,2 zu berechnen. Das heißt, dass zumindest im für den Betrieb des Kältekreises vorgesehenen Druckbereich aus den in einer Stoffdatenbank für das Kältemittel hinterlegten Werten der Zusammenhang zwischen Druck und ΔhR,1/ΔhR,2, wobei gilt ΔhR,1 = hR(TR,ein) - hR(TR,m) bei einem Druckwert pR und ΔhR,2 = hR(TR,m) - hR(TR,aus) bei demselben Druckwert pR, berechnet wird.The relationship between pressure p R and enthalpy h R of the refrigerant determined in method step c) at the measured temperatures of the refrigerant is used in method step d) to determine the relationship between pressure p R and the ratio of the enthalpy differences Δ hR,1hR ,2 to calculate. This means that at least in the pressure range intended for the operation of the refrigeration circuit, the relationship between pressure and Δh R,1 /Δh R,2 from the values stored in a substance database for the refrigerant, where Δh R,1 = h R (T R , on ) - h R (T R,m ) at a pressure value p R and Δh R,2 = h R (T R,m ) - h R (T R,off ) at the same pressure value p R .

Das zum Zeitpunkt der Temperaturmessungen vorliegende Verhältnis der Enthalpiedifferenzen wird unter Ausnutzung von Gleichung (3) aus den gemessenen Temperaturen des Wärmeträgerfluids berechnet, also ΔhR,1hR,2 = ΔTW,2/ΔTW,1 Aus dem in Verfahrensschritt d) ermittelten Zusammenhang zwischen dem Druck pR und dem Verhältnis der Enthalpiedifferenzen ΔhR,1hR,2 kann nun der zum Zeitpunkt der Temperaturmessungen vorliegende, zu bestimmende Druck pR* des Kältemittels über pR* = pR(ΔhR,1/ΔhR,2 = ΔTW,2/ΔTW,1) ermittelt werden.The ratio of the enthalpy differences at the time of the temperature measurements is calculated using equation (3) from the measured temperatures of the heat transfer fluid, i.e. Δ hR,1hR,2 = ΔT W,2 /ΔT W,1 From the method step d ) determined relationship between the pressure p R and the ratio of the enthalpy differences Δ hR,1hR,2 , the pressure p R * of the refrigerant to be determined at the time of the temperature measurements can now be determined via p R * = p R (Δh R, 1 /Δh R,2 = ΔT W,2 /ΔT W,1 ).

Dabei kann es vorkommen, dass dem Verhältnis der Enthalpiedifferenzen ΔhR,1/Δ/hR,2 = ΔTW,2/ΔTW,1 mehr als ein Druckwert zugeordnet werden kann. Um falsche Druckwerte auszuschließen und den zum Zeitpunkt der Temperaturmessungen tatsächlich im Kältekreis vorliegenden Druck pR*zu bestimmen, wird in diesem Fall eine Plausibilitätsprüfung, z. B. anhand von Kreisprozessbetrachtungen durch Bilanzierung von Energie bzw. Enthalpien, durchgeführt. Eine vorteilhafte Möglichkeit dafür ist der Vergleich der Enthalpiedifferenzen über eine weitere im Kältekreis vorhandene Komponente mit Wärmeübertragung, in dessen eine Seite das Kältemittel mit dem Druck pR* einströmt, beispielsweise einem inneren Wärmeübertrager. So muss in Kältekreisen ohne Aufteilung des Kältemittelmassenstroms die Enthalpieänderung des Kältemittels auf der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers der Enthalpieänderung des Kältemittels auf der Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers entsprechen. Zur Bestimmung der Enthalpieänderung müssen zusätzlich zum zu prüfenden Druck pR* die Temperaturen des Kältemittels am Eintritt und Austritt aus dem inneren Wärmeübertrager sowie der Druck im Kältekreis auf der anderen, nicht pR* aufweisenden, Seite des Wärmeübertragers bekannt sein.It can happen that the ratio of the enthalpy differences Δh R,1 /Δ/h R,2 = ΔT W,2 /ΔT W,1 can be assigned more than one pressure value. In this case, a plausibility check, e.g. B. on the basis of cycle process considerations by balancing energy or enthalpies. An advantageous possibility for this is the comparison of the enthalpy differences over another component present in the refrigeration circuit with heat transfer, into one side of which the refrigerant flows with the pressure p R *, for example an internal heat exchanger. In refrigeration circuits without splitting the refrigerant mass flow, the enthalpy change of the refrigerant on the high-pressure side of the internal heat exchanger must correspond to the enthalpy change of the refrigerant on the low-pressure side of the internal heat exchanger. In order to determine the enthalpy change, in addition to the pressure p R * to be tested, the temperatures of the refrigerant at the inlet and outlet of the internal heat exchanger and the pressure in the refrigeration circuit on the other side of the heat exchanger that does not have p R * must be known.

Auch für Kältekreise mit Varianten wie einer Zwischeneinspritzung oder mehrstufigen Verdichtung des Kältemittels sind dem Fachmann ohne Weiteres geeignete Möglichkeiten für Plausibilitätsbetrachtungen geläufig.The person skilled in the art is also readily familiar with suitable options for plausibility considerations for refrigeration circuits with variants such as an intermediate injection or multi-stage compression of the refrigerant.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt vorteilhaft die Bestimmung des Drucks, besonders vorteilhaft des Hochdrucks, in einem Kältekreis unter Nutzung von handelsüblichen Temperatursensoren, ohne dass teure und anfällige Druckmesstechnik verwendet werden muss.The method according to the invention advantageously allows the pressure, particularly advantageously the high pressure, to be determined in a refrigeration circuit using commercially available temperature sensors without having to use expensive and susceptible pressure measurement technology.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft in einen Algorithmus eingebettet werden, wobei die benötigten Zusammenhänge zwischen Temperatur, Druck und Enthalpie z. B. aus einem mehrdimensionalen Kennfeld abgefragt werden können, so dass das erfindungsgemäße Verfahren auch ohne unmittelbaren Zugriff auf eine Stoffdatenbank ausgeführt werden kann.The method according to the invention can advantageously be embedded in an algorithm, the required relationships between temperature, pressure and enthalpy z. B. can be queried from a multi-dimensional map, so that the inventive method can be performed without direct access to a substance database.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Kältekreis ein Kältekreis mit transkritischer Prozessführung.In one embodiment of the method according to the invention, the refrigeration cycle is a refrigeration cycle with transcritical process management.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet der Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgerfluid ohne Phasenwechsel zumindest des Kältemittels statt. Da in diesem Fall keine eineindeutige Beziehung zwischen Druck und Temperatur herrscht und der Druck nicht mit Hilfe dieser Beziehung aus einem Temperaturmesswert bestimmt werden kann, weist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besondere Vorteile auf.In a further embodiment of the method according to the invention, the heat transfer between the refrigerant and the heat transfer fluid takes place without a phase change of at least the refrigerant. Since in this case there is no one-to-one relationship between pressure and temperature and the pressure cannot be determined from a measured temperature value with the aid of this relationship, the use of the method according to the invention has particular advantages.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Komponente des Kältekreises, in der ein Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgerfluid stattfindet, ein Gaskühler.In a further embodiment of the method according to the invention, the component of the refrigeration circuit in which heat transfer takes place between the refrigerant and the heat transfer fluid is a gas cooler.

Auch in Kältekreisen, in denen die Komponente, in der ein Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgerfluid stattfindet und der Druck auf der Kältemittelseite bestimmt werden soll, insbesondere der Gaskühler oder der Kondensator, nicht für Temperaturmessungen zugänglich ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren z. B. durch Einfügung einer Parallelstrecke im Kältemittelstrom, angewendet werden. Bei dieser Parallelstrecke kann es sich z. B. um einen zweigeteilten Bypasswärmeübertrager handeln, vorteilhaft um einen z. T. standardmäßig vorgesehenen Entmischungsverhinderer.The method according to the invention can also be used in refrigeration circuits in which the component in which heat transfer takes place between the refrigerant and the heat transfer fluid and the pressure on the refrigerant side is to be determined, in particular the gas cooler or the condenser, is not accessible for temperature measurements. B. by inserting a parallel section in the refrigerant flow. At this parallel street cke it can be e.g. B. be a two-part bypass heat exchanger, advantageously a z. T. anti-segregation devices provided as standard.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf Wärmeübertragungsprozesse angewendet werden, bei denen die Komponente, in der ein Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgerfluid stattfindet und der Druck auf der Kältemittelseite bestimmt werden soll, ein Wärmeübertrager aus zwei oder mehr in Reihe geschalteten Wärmeübertragerelementen ist, wobei die Wärmeübertragerelemente mit unterschiedlichem Massestrom arbeiten. Hierbei ist lediglich das entsprechende Verhältnis der Masseströme in Gleichung (3) einzufügen und in den folgenden Verfahrensschritten zu berücksichtigen.The method according to the invention can also be applied to heat transfer processes in which the component in which heat transfer takes place between the refrigerant and the heat transfer fluid and the pressure on the refrigerant side is to be determined is a heat exchanger made up of two or more heat exchanger elements connected in series, the Heat exchanger elements work with different mass flow. Here, only the corresponding ratio of the mass flows has to be inserted into equation (3) and taken into account in the following process steps.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Kältemittel CO2 (R744).In a further embodiment of the method according to the invention, the refrigerant is CO 2 (R744).

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Monitoring, speziell für die Energiebilanzierung, von Kälteanlagen oder Wärmepumpen. Daher betrifft eine bevorzugte Verwendung eines solchen Verfahrens die Verwendung für ein Kälteanlagensystem oder ein Wärmepumpensystem. Bevorzugt kann das erfindungsgemäße Verfahren zum hochdrucksensorfreien Monitoring transkritischer Wärmepumpensysteme verwendet werden.The method according to the invention is particularly suitable for monitoring, specifically for energy balancing, of refrigeration systems or heat pumps. Therefore, a preferred use of such a method relates to use for a refrigeration system or a heat pump system. The method according to the invention can preferably be used for monitoring transcritical heat pump systems without a high-pressure sensor.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich außerdem auch zur Betriebspunktoptimierung von Kälteanlagensystemen oder Wärmepumpensystemen, insbesondere zur Ermittlung des optimalen Hochdrucks in den Anlagen.The method according to the invention is also suitable for optimizing the operating point of refrigeration system systems or heat pump systems, in particular for determining the optimal high pressure in the systems.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.The invention is not limited to the illustrated and described embodiments, but also includes all embodiments that have the same effect within the meaning of the invention. Furthermore, the invention is not limited to the combinations of features specifically described, but can also be defined by any other combination of specific features of all individual features disclosed overall, provided that the individual features are not mutually exclusive, or a specific combination of individual features is not explicitly excluded.

Die Erfindung wird im Folgenden durch Ausführungsbeispiele anhand von Figuren erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.The invention is explained below using exemplary embodiments with reference to figures, without being restricted to these.

Dabei zeigt die

  • 1 das Grundfließschema einer transkritisch arbeitenden Wärmepumpe mit innerem Wärmeübertrager sowie das zugehörige Druck-Enthalpie-Diagramm,
  • 2a die prinzipielle Anordnung der Temperatursensoren an einem Gaskühler,
  • 2b die prinzipielle Anordnung der Temperatursensoren an einem Gaskühler, der zwei in Reihe geschaltete Gaskühlerelemente 1' und 1" umfasst,
  • 3 das Druck-Enthalpie-Diagramm für CO2 mit den Isothermen der Eintrittstemperatur in den Gaskühler, der Zwischentemperatur im Gaskühler und der Austrittstemperatur aus dem Gaskühler für CO2 in einem beispielhaften Kältekreis,
  • 4 die Abhängigkeit des Drucks vom Verhältnis der aus 3 entnommenen Enthalpiedifferenzen,
  • 5 die Anordnung von Temperatursensoren am inneren Wärmeübertrager,
  • 6 einen Ausschnitt des Druck-Enthalpie-Diagramms der 3 zur Erläuterung der Plausibilitätsprüfung.
The
  • 1 the basic flow diagram of a transcritical heat pump with an internal heat exchanger and the associated pressure-enthalpy diagram,
  • 2a the basic arrangement of the temperature sensors on a gas cooler,
  • 2 B the basic arrangement of the temperature sensors on a gas cooler, which comprises two gas cooler elements 1' and 1" connected in series,
  • 3 the pressure-enthalpy diagram for CO 2 with the isotherms of the inlet temperature in the gas cooler, the intermediate temperature in the gas cooler and the outlet temperature from the gas cooler for CO 2 in an exemplary refrigeration cycle,
  • 4 the dependence of the pressure on the ratio of the out 3 extracted enthalpy differences,
  • 5 the arrangement of temperature sensors on the internal heat exchanger,
  • 6 a section of the pressure-enthalpy diagram 3 to explain the plausibility check.

1 zeigt das Grundfließschema einer Wärmepumpe mit innerem Wärmeübertrager und das dazugehörige idealisierte Druck-Enthalpie-Diagramm (logp,h-Diagramm) bei transkritischer Prozessführung. Die wärmeabgebende Komponente im Grundfließschema wird im Vergleich zum Standard-Wärmepumpen-Kreisprozess nicht als Kondensator, sondern als Gaskühler 1 bezeichnet, da die dazugehörige Zustandsänderung von β nach γ nicht durch das Nassdampfgebiet 6 verläuft. Es findet demzufolge keine Kondensation, sondern eine reine Gaskühlung statt. Durch den inneren Wärmeübertrager 2 wird das Kältemittel bei gleichbleibendem Hochdruck pHD vom Zustand γ anschließend weiter zum Zustand δ gekühlt. Die anschließende Expansion vom Punkt δ zu ε auf den Niederdruck pND mittels des Expansionsventils 3 und die darauffolgende Verdampfung bis zum Zustandspunkt ζ im Verdampfer 4 sind äquivalent zum Standard-Kaltdampfkreisprozess einer Wärmepumpe. Im Vergleich dazu wird jedoch danach das Kältemittel durch den inneren Wärmeübertrager 2 vom Zustand ζ auf den Zustand α erhitzt. Der innere Wärmeübertrager 2 dient unter anderem zur effektiveren Nutzung des Verdampfers 4 und zur Erreichung höherer Verdichtungsendtemperaturen im Verdichter 5. Anschließend durchläuft das Kältemittel den Kreisprozess erneut. 1 shows the basic flow diagram of a heat pump with an internal heat exchanger and the associated idealized pressure-enthalpy diagram (logp,h diagram) for transcritical process control. In comparison to the standard heat pump cycle, the heat-emitting component in the basic flow diagram is not referred to as a condenser, but as a gas cooler 1, since the associated change of state from β to γ does not run through the wet-steam region 6. As a result, there is no condensation, but pure gas cooling. The coolant is then further cooled from state γ to state δ by the internal heat exchanger 2 with the high pressure p HD remaining the same. The subsequent expansion from point δ to ε to the low pressure p ND by means of the expansion valve 3 and the subsequent evaporation up to the state point ζ in the evaporator 4 are equivalent to the standard cold steam cycle of a heat pump. In comparison, however, the refrigerant is then heated by the internal heat exchanger 2 from the ζ state to the α state. The internal heat exchanger 2 is used, among other things, to use the evaporator 4 more effectively and to achieve higher compression end temperatures in the compressor 5. The refrigerant then runs through the cycle process again.

Die 2a und 2b zeigen die Anordnung von Temperatursensoren an der Komponente des Kältekreises, in der ein Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und den Wärmeträgerfluid stattfindet und der Druck auf der Kältemittelseite 7 durch Messung von Temperaturen ermittelt werden soll. In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dieser Komponente um den Gaskühler 1, wobei in 2b der Gaskühler 1 zwei in Reihe geschaltete Gaskühlerelemente 1' und 1" umfasst. Gesucht ist der im Gaskühler 1 auf Kältemittelseite 7 vorliegende Hochdruck. Das Kältemittel strömt auf der Kältemittelseite 7 mit hoher Temperatur TR,ein in den Gaskühler 1 ein und mit niedriger Temperatur TR,aus aus dem Gaskühler 1 aus und gibt im Gaskühler 1 seine Wärme an das Wärmeträgerfluid ab, das auf der Wärmeträgerfluidseite 8 mit niedriger Temperatur TW,ein in den Gaskühler 1 ein- und mit hoher Temperatur TW,aus aus dem Gaskühler 1 ausströmt. Die Strömungsrichtung der Fluide auf beiden Seiten des Gaskühlers 1 ist mit Pfeilen angegeben. Am Gaskühler 1 sind Temperatursensoren zur Messung folgender Temperaturen angeordnet:

  • - der Eintrittstemperatur des Wärmeträgerfluids in den Gaskühler 1, TW,ein;
  • - der Zwischentemperatur des Wärmeträgerfluids im Gaskühler 1, Tw,m;
  • - der Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids aus dem Gaskühler 1, TW,aus;
  • - der Eintrittstemperatur des Kältemittels in den Gaskühler 1, TR,ein;
  • - der Zwischentemperatur des Kältemittels im Gaskühler 1, TR,m,
  • - der Austrittstemperatur des Kältemittels aus dem Gaskühler 1, TR,aus .
the 2a and 2 B show the arrangement of temperature sensors on the component of the refrigeration circuit in which heat transfer takes place between the refrigerant and the heat transfer fluid and the pressure on the refrigerant side 7 is determined by measuring temperatures target. In the exemplary embodiments described here, this component is the gas cooler 1, with 2 B the gas cooler 1 comprises two gas cooler elements 1' and 1" connected in series. The search is for the high pressure present in the gas cooler 1 on the refrigerant side 7. The refrigerant flows into the gas cooler 1 on the refrigerant side 7 at a high temperature T R, in and at a low temperature T R,out from the gas cooler 1 and in the gas cooler 1 gives off its heat to the heat transfer fluid which, on the heat transfer fluid side 8, enters the gas cooler 1 with a low temperature T W, in and out of the gas cooler with a high temperature T W,out 1. The direction of flow of the fluids is indicated by arrows on both sides of the gas cooler 1. Temperature sensors for measuring the following temperatures are arranged on the gas cooler 1:
  • - The inlet temperature of the heat transfer fluid in the gas cooler 1, T W, ein ;
  • - the intermediate temperature of the heat transfer fluid in the gas cooler 1, T w,m ;
  • - The outlet temperature of the heat transfer fluid from the gas cooler 1, T W, from ;
  • - the inlet temperature of the refrigerant in the gas cooler 1, T R,in ;
  • - the intermediate temperature of the refrigerant in gas cooler 1, T R,m ,
  • - The outlet temperature of the refrigerant from the gas cooler 1, T R,aus .

Vorteilhaft können in 2b die Zwischentemperaturen TR,m auf der Kältemittelseite 7 und TW,m auf der Wärmeträgerfluidseite 8 zwischen den beiden Gaskühlerelementen 1' und 1" gemessen werden.Advantageously can in 2 B the intermediate temperatures T R,m on the refrigerant side 7 and T W,m on the heat transfer fluid side 8 between the two gas cooler elements 1' and 1'' are measured.

3 zeigt das Druck-Enthalpie-Diagramm für CO2 mit Isothermen verschiedener beispielhafter Temperaturen (gestrichelte Linien) sowie dem Nassdampfgebiet 6. Die zur Generierung des Druck-Enthalpie-Diagramms mittels einer Datenverarbeitungseinheit verwendeten Stoffdaten wurden der Stoffdatenbank „NIST Standard Reference Database 23, Version 9.1“ entnommen. In 3 sind als durchgezogene Linien auch die Isothermen der Eintrittstemperatur in den Gaskühler, TR,ein, der Zwischentemperatur im Gaskühler, TR,m, und der Austrittstemperatur aus dem Gaskühler, TR,aus, die beispielhaft für CO2 in einem Kältekreis gemessen wurden, eingezeichnet. Die Messwerte der Temperaturen betragen: T R , e i n = 349,15 K ( 76 ° C ) ;

Figure DE102019135437B4_0006
T R , m = 317,15 K ( 44 ° C ) ;
Figure DE102019135437B4_0007
T R , a u s = 313,15 K ( 76 ° C ) .
Figure DE102019135437B4_0008
Die in 3 aufgetragenen Stoffdaten werden dazu genutzt, im zum Betrieb von CO2-Wärmepumpen relevanten Druckbereich zwischen 1 und 15 MPa die Abhängigkeit des Drucks vom Verhältnis der Enthalpiedifferenz ΔhR,1 bei Temperaturänderung von TR,ein = 349,15 K auf TR,m = 317,15 K zur Enthalpiedifferenz ΔhR,2 bei Temperaturänderung von TR,m = 317,15 K auf TR,aus = 313,15 K zu berechnen. Die Werte für ΔhR,1 und ΔhR,2 bei einem beispielhaften Druck p = 9,48 MPa sind in 3 als Doppelpfeile eingezeichnet. 3 shows the pressure-enthalpy diagram for CO 2 with isotherms of various exemplary temperatures (dashed lines) and the wet steam region 6. The material data used to generate the pressure-enthalpy diagram using a data processing unit were taken from the material database “NIST Standard Reference Database 23, Version 9.1 “ taken. In 3 are also the isotherms of the inlet temperature into the gas cooler, T R,in , the intermediate temperature in the gas cooler, T R,m , and the outlet temperature from the gas cooler, T R,out , as solid lines, which were measured for CO 2 in a refrigeration circuit as an example , drawn. The temperature readings are: T R , e i n = 349.15 K ( 76 ° C ) ;
Figure DE102019135437B4_0006
T R , m = 317.15 K ( 44 ° C ) ;
Figure DE102019135437B4_0007
T R , a and s = 313.15 K ( 76 ° C ) .
Figure DE102019135437B4_0008
In the 3 The material data applied are used to determine the dependence of the pressure on the ratio of the enthalpy difference Δh R,1 with a temperature change from T R,in = 349.15 K to T R,m in the pressure range between 1 and 15 MPa relevant to the operation of CO 2 heat pumps = 317.15 K to the enthalpy difference Δh R,2 with a temperature change from T R,m = 317.15 K to T R,aus = 313.15 K. The values for Δh R,1 and Δh R,2 at an exemplary pressure p = 9.48 MPa are in 3 marked as double arrows.

4 zeigt die aus den in 3 aufgetragenen Daten ermittelte Abhängigkeit des Drucks pR vom Verhältnis der Enthalpiedifferenzen ΔhR,1/ΔhR,2. Aus den Messwerten der Temperaturen des Wärmeträgerfluids: T W , ein = 312,05 K ( 38,9 ° C ) ;

Figure DE102019135437B4_0009
T W , m = 315,45 K ( 42,3 ° C ) ;
Figure DE102019135437B4_0010
T W , aus = 325,25 K ( 52,1 ° C ) ,
Figure DE102019135437B4_0011
kann über Gleichung (3) das zum Zeitpunkt der Temperaturmessungen vorliegende Verhältnis der Enthalpiedifferenzen ΔhR,1hR,2 bestimmt werden, das im Ausführungsbeispiel 2,88 beträgt. 4 shows those from the in 3 plotted data determined as a function of the pressure p R on the ratio of the enthalpy differences Δh R,1 /Δh R,2 . From the measured values of the temperatures of the heat transfer fluid: T W , one = 312.05 K ( 38.9 ° C ) ;
Figure DE102019135437B4_0009
T W , m = 315.45 K ( 42.3 ° C ) ;
Figure DE102019135437B4_0010
T W , out = 325.25 K ( 52.1 ° C ) ,
Figure DE102019135437B4_0011
Equation (3) can be used to determine the ratio of the enthalpy differences Δ hR,1hR,2 present at the time of the temperature measurements, which is 2.88 in the exemplary embodiment.

Wie 4 zu entnehmen ist, entsprechen dem Verhältnis ΔhR,1hR,2 = 2,88 zwei mögliche Druckwerte, nämlich pR' = 9,48 MPa und pR''= 8,56 MPa. Der zum Zeitpunkt der Temperaturmessungen auf der CO2-Seite wirklich vorliegende Druck muss also über eine mittels 5 und 6 erläuterte Plausibilitätsprüfung ermittelt werden.As 4 it can be seen that the ratio Δ hR,1hR,2 = 2.88 corresponds to two possible pressure values, namely p R '= 9.48 MPa and p R ''= 8.56 MPa. The pressure actually present on the CO 2 side at the time of the temperature measurements must therefore have a means 5 and 6 explained plausibility check are determined.

Die Plausibilitätsprüfung wird am Beispiel einer Wärmepumpe mit innerem Wärmeübertrager durch Vergleich der Enthalpieänderungen auf den zwei Seiten des inneren Wärmeüberträgers durchgeführt. Die Erläuterung der Plausibilitätsprüfung erfolgt anhand des zugehörigen, in 1 dargestellten Kreisprozesses. Um die Enthalpieänderungen bestimmen zu können, müssen die Werte für die Eintrittstemperaturen in und die Austrittstemperaturen aus dem inneren Wärmeübertrager für beide Seiten des inneren Wärmeübertragers sowie der Wert des Niederdrucks vorliegen, wobei der Niederdruckwert pND in den meisten Kältekreisanlagen standardmäßig erfasst wird, z. B. zur Regelung der Überhitzung am Verdampfer.The plausibility check is carried out using the example of a heat pump with an internal heat exchanger by comparing the enthalpy changes on the two sides of the internal heat exchanger. The explanation of the plausibility check is based on the associated, in 1 cycle process shown. In order to be able to determine the enthalpy changes, the values for the inlet temperatures into and the outlet temperatures from the internal heat exchanger for both sides of the internal heat exchanger as well as the value of the low pressure must be available, whereby the low pressure value p LP is recorded as standard in most refrigeration circuit systems, e.g. B. to regulate the superheat on the evaporator.

5 zeigt die Anordnung von Temperatursensoren am inneren Wärmeübertrager 2. Die Strömungsrichtung des Kältemittels auf beiden Seiten des inneren Wärmeübertragers 2, auf der Hochdruckseite 9 und der Niederdruckseite 10, ist mit Pfeilen angegeben. Neben der Austrittstemperatur des Kältemittels aus dem Gaskühler TR,aus sind folgende Temperaturen zu messen:

  • - die der Eintrittstemperatur des Kältemittels in das Expansionsventil entsprechende Temperatur TEx,ein;
  • - die der Austrittstemperatur des Kältemittels aus dem Verdampfer entsprechende Temperatur To,aus;
  • - die der Eintrittstemperatur des Kältemittels in den Verdichter entsprechende Temperatur TV,ein.
5 shows the arrangement of temperature sensors on the internal heat exchanger 2. The direction of flow of the refrigerant on both sides of the internal heat exchanger 2, on the high-pressure side 9 and the low-pressure side 10, is indicated by arrows. In addition to the outlet temperature of the refrigerant from the gas cooler T R,out the following temperatures are to be measured:
  • - the temperature T Ex, in corresponding to the temperature at which the refrigerant enters the expansion valve;
  • - the temperature T o,out corresponding to the outlet temperature of the refrigerant from the evaporator;
  • - the temperature T V, in corresponding to the inlet temperature of the refrigerant into the compressor.

6 zeigt einen Ausschnitt des Druck-Enthalpie-Diagramms der 3. Neben den Isothermen für TR,ein = 349,15 K (76°C); TR,m = 317,15 K (44°C); TR,aus = 313,15 K (40°C) sind die Zustandsänderungen des Kreisprozesses unter Nutzung folgender Messwerte eingetragen, und zwar sowohl für einen Hochdruckwert pR' = 9,48 MPa als auch für einen Hochdruckwert pR''= 8,56 MPa: T Ex , ein = 310,95 K ( 37,8 ° C )

Figure DE102019135437B4_0012
T o , aus = 294,25 K ( 21,1 ° C )
Figure DE102019135437B4_0013
T V , ein = 299,35 K ( 26,2 ° C )
Figure DE102019135437B4_0014
p ND = 5,5 MPa
Figure DE102019135437B4_0015
6 shows a section of the pressure-enthalpy diagram 3 . In addition to the isotherms for T R,in = 349.15 K (76°C); T R,m = 317.15K (44°C); T R,off = 313.15 K (40°C), the state changes of the cyclic process are entered using the following measured values, both for a high pressure value p R ' = 9.48 MPa and for a high pressure value p R '' = 8 .56 MPa: T Ex , one = 310.95 K ( 37.8 ° C )
Figure DE102019135437B4_0012
T O , out = 294.25 K ( 21:1 ° C )
Figure DE102019135437B4_0013
T V , one = 299.35 K ( 26.2 ° C )
Figure DE102019135437B4_0014
p ND = 5.5 MPa
Figure DE102019135437B4_0015

Für den zum Zeitpunkt der Temperaturmessungen vorliegenden Hochdruck müssen die Enthalpieänderungen auf der Hochdruckseite 9 und auf der Niederdruckseite 10 des inneren Wärmeübertragers 2 gleich sein. Wie 6 zu entnehmen ist, ist die Enthalpieänderung ΔhHD'' zwischen dem Eintritt des Kältemittels in den inneren Wärmeübertrager mit TR,aus und dem Austritt aus diesem mit To,aus für den niedrigeren Hochdruckwert pR''= 8,56 MPa aber deutlich größer als die Enthalpieänderung ΔhND auf der Niederdruckseite 10 des inneren Wärmeübertragers 2. Die Enthalpieänderung ΔhHD' für den höheren Hochdruckwert pR' = 9,48 MPa zwischen dem Eintritt des Kältemittels in den inneren Wärmeübertrager mit TR,aus und dem Austritt aus diesem mit To,aus für den höheren Hochdruckwert pR' = 9,48 MPa ist hingegen gleich der Enthalpieänderung ΔhND auf der Niederdruckseite 10 des inneren Wärmeübertragers 2. Als Ergebnis der Plausibilitätsprüfung kann also pR* = 9,48 MPa als der zum Zeitpunkt der Temperaturmessungen wirklich vorliegende Hochdruckwert identifiziert werden.For the high pressure present at the time of the temperature measurements, the enthalpy changes on the high-pressure side 9 and on the low-pressure side 10 of the internal heat exchanger 2 must be the same. As 6 can be seen, the enthalpy change Δh HD '' between the entry of the refrigerant into the internal heat exchanger with T R,off and the exit from this with T o,off for the lower high pressure value p R ''= 8.56 MPa is clear greater than the enthalpy change Δh ND on the low-pressure side 10 of the internal heat exchanger 2. The enthalpy change Δh HD' for the higher high-pressure value p R ' = 9.48 MPa between the entry of the refrigerant into the internal heat exchanger with T R,out and the exit out this with T o,aus for the higher high-pressure value p R '=9.48 MPa, however, is equal to the enthalpy change Δh ND on the low-pressure side 10 of the internal heat exchanger 2. As a result of the plausibility check, p R * = 9.48 MPa than the The high pressure value that was actually present at the time of the temperature measurements can be identified.

BezugszeichenlisteReference List

11
Gaskühlergas cooler
1', 1"1', 1"
Gaskühlerelementegas cooler elements
22
Innerer WärmeübertragerInternal heat exchanger
33
Expansionsventilexpansion valve
44
VerdampferEvaporator
55
Verdichtercompressor
66
Nassdampfgebietwet steam area
77
Kältemittelseiterefrigerant side
88th
Wärmeträgerfluidseiteheat transfer fluid side
99
Hochdruckseitehigh pressure side
1010
Niederdruckseitelow pressure side
α, β, γ, δ, ε, ζα, β, γ, δ, ε, ζ
Zustände im KältekreisConditions in the refrigeration circuit
TW,einTW, a
Eintrittstemperatur des Wärmeträgerfluids in den GaskühlerInlet temperature of the heat transfer fluid in the gas cooler
TW,mTW, w
Zwischentemperatur des Wärmeträgerfluids im GaskühlerIntermediate temperature of the heat transfer fluid in the gas cooler
TW,ausTW, off
Austrittstemperatur des Wärmeträgerfluids aus dem GaskühlerOutlet temperature of the heat transfer fluid from the gas cooler
TR,einTR,a
Eintrittstemperatur des Kältemittels in des GaskühlerInlet temperature of the refrigerant in the gas cooler
TR,mTR, w
Zwischentemperatur des Kältemittels im GaskühlerIntermediate temperature of the refrigerant in the gas cooler
TR,ausTR, out
Austrittstemperatur des Kältemittels aus dem GaskühlerOutlet temperature of the refrigerant from the gas cooler
7'Ex,ein7'Ex,a
Eintrittstemperatur des Kältemittels in das ExpansionsventilInlet temperature of the refrigerant in the expansion valve
To,ausHey, off
Austrittstemperatur des Kältemittels aus dem VerdampferOutlet temperature of the refrigerant from the evaporator
TV,einTV, a
Eintrittstemperatur des Kältemittels in den VerdichterInlet temperature of the refrigerant in the compressor
pHDpHD
Hochdruck des Kältemittelshigh pressure of the refrigerant
pNDpND
Niederdruck des Kältemittelslow pressure of the refrigerant
pRPR
Druck des Kältemittelspressure of the refrigerant
pR'pR'
Erster Wert für den Hochdruck des KältemittelsFirst value for the high pressure of the refrigerant
pR''pR''
Zweiter Wert für den Hochdruck des KältemittelsSecond value for the high pressure of the refrigerant
pR*PR*
Zu bestimmender Druck des KältemittelsRefrigerant pressure to be determined
hRMr
Enthalpie des Kältemittelsenthalpy of the refrigerant
ΔhNDΔhND
Enthalpie auf der Niederdruckseite des inneren WärmeübertragersEnthalpy on the low-pressure side of the internal heat exchanger
ΔhHD'ΔhHD'
Enthalpie auf der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers bei pR'Enthalpy on the high-pressure side of the internal heat exchanger at p R '
ΔhHD''ΔhHD''
Enthalpie auf der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers bei pR''Enthalpy on the high-pressure side of the internal heat exchanger at p R ''
ΔhR,1ΔhR,1
Enthalpiedifferenz bei Temperaturänderung von TR,ein auf TR,m bei pR Enthalpy difference with temperature change from T R, in to T R,m at p R
ΔhR,2ΔhR,2
Enthalpiedifferenz bei Temperaturänderung von TR,m auf TR,aus bei pR Enthalpy difference with temperature change from T R,m to T R,off at p R

Claims (10)

Verfahren zur Bestimmung des Drucks des Kältemittels in einem Kältekreis, wobei der Kältekreis mindestens eine Komponente aufweist, in der ein Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und einem Wärmeträgerfluid stattfindet, umfassend mindestens folgende Verfahrensschritte: a) Messung der Temperaturen des Kältemittels sowie des Wärmeträgerfluids jeweils am Eintritt in eine und am Austritt aus einer Komponente des Kältekreises, in der ein Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Wärmeträgerfluid stattfindet (TR,ein, TR,aus; TW,ein, TW,aus); b) Messung einer Zwischentemperatur des Kältemittels TR,m und einer Zwischentemperatur des Wärmeträgerfluids TW,m in der Komponente des Kältekreises so, dass diese Zwischentemperaturen den gleichen bis dorthin vollzogenen Wärmeübertragungsprozess, einmal bezogen auf das Kältemittel und einmal bezogen auf das Wärmeträgerfluid, erfassen; c) Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Druck pR und Enthalpie hR des Kältemittels bei den gemessenen Temperaturen des Kältemittels (TR,ein, TR,aus, TR,m) zumindest im für den Betrieb des Kältekreises vorgesehenen Druckbereich mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung unter Nutzung einer Stoffdatenbank; d) Ermittlung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Drucks pR* durch Ermittlung der Abhängigkeit des Drucks pR des Kältemittels von einem aus der Manipulation eines Gleichungssystems mindestens zweier voneinander verschiedener Bilanzgleichungen des Wärmeübertragungsprozesses in der Komponente des Kältekreises, in der ein Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Wärmeträgerfluid stattfindet, resultierenden Zusammenhangs der Enthalpien des Kältemittels bei den in den Verfahrensschritten a) und b) ermittelten Temperaturen des Kältemittels, wobei der zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegende Zusammenhang der Enthalpien aus dem entsprechenden Zusammenhang der in den Verfahrensschritten a) und b) ermittelten Temperaturen des Wärmeträgerfluids bestimmt wird; wobei bei Zuordnung von mehr als einem Druckwert pR* zu dem dem Zusammenhang zwischen den Temperaturen des Wärmeträgerfluids entsprechenden Zusammenhang zwischen den Enthalpien des Kältemittels zur Bestimmung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Drucks des Kältemittels eine Plausibilitätsprüfung der mehr als einen Druckwerte durchgeführt wird.Method for determining the pressure of the refrigerant in a refrigeration circuit, the refrigeration circuit having at least one component in which heat transfer takes place between the refrigerant and a heat transfer fluid, comprising at least the following method steps: a) measuring the temperatures of the refrigerant and of the heat transfer fluid at the inlet one and at the exit from a component of the refrigeration circuit in which heat transfer takes place between the refrigerant and the heat transfer fluid (T R,in , T R,out ; T W,in , T W,out ); b) Measurement of an intermediate temperature of the refrigerant T R,m and an intermediate temperature of the heat transfer fluid T W,m in the component of the refrigeration circuit in such a way that these intermediate temperatures capture the same heat transfer process that has taken place up to there, once in relation to the refrigerant and once in relation to the heat transfer fluid ; c) Determination of the relationship between pressure p R and enthalpy h R of the refrigerant at the measured temperatures of the refrigerant (T R,in , T R,out , T R,m ) at least in the pressure range provided for the operation of the refrigeration circuit using a data processing device Use of a substance database; d) Determination of the pressure p R * present at the time of the measurements in method steps a) and b) by determining the dependency of the pressure p R of the refrigerant on one of at least two different balance equations of the heat transfer process in the component of the refrigeration cycle resulting from the manipulation of a system of equations , in which heat transfer takes place between the refrigerant and the heat transfer fluid, resulting relationship between the enthalpies of the refrigerant at the temperatures of the refrigerant determined in method steps a) and b), the relationship between the enthalpies present at the time of the measurements in method steps a) and b). is determined from the corresponding relationship between the temperatures of the heat transfer fluid determined in method steps a) and b); where, if more than one pressure value p R * is assigned to the relationship between the enthalpies of the refrigerant, which corresponds to the relationship between the temperatures of the heat transfer fluid, a plausibility check of the more is carried out as a pressure value. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt d) zumindest folgende Unterschritte umfasst: di) Ermittlung der Abhängigkeit des Drucks pR vom Verhältnis der mittels zweier voneinander verschiedener Bilanzgleichungen des Wärmeübertragungsprozesses ermittelten Enthalpiedifferenzen des Kältemittels bei den in Verfahrensschritten a) und b) ermittelten Temperaturen des Kältemittels unter Nutzung des in Verfahrensschritt c) ermittelten Zusammenhangs zwischen Druck pR und Enthalpie hR des Kältemittels zumindest für den für den Betrieb des Kältekreises vorgesehenen Druckbereich; dii) Ermittlung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Verhältnisses der Enthalpiedifferenzen des Kältemittels aus dem über die genannten Bilanzgleichungen ermittelten entsprechenden Verhältnis von Differenzen der Temperaturen des Wärmeträgerfluids und Zuordnung mindestens eines Druckwerts pR* zu dem Verhältnis der Enthalpiedifferenzen unter Nutzung des in Verfahrensschritt di) ermittelten Zusammenhangs zwischen dem Druck pR und dem Verhältnis der Enthalpiedifferenzen; wobei bei Zuordnung von mehr als einem Druckwert pR* zu dem dem Verhältnis der Differenzen der Temperaturen des Wärmeträgerfluids entsprechenden Verhältnis der Enthalpiedifferenzen des Kältemittels zur Bestimmung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Drucks des Kältemittels eine Plausibilitätsprüfung der mehr als einen Druckwerte durchgeführt wird.procedure after claim 1 , characterized in that method step d) comprises at least the following sub-steps: di) determination of the dependence of the pressure p R on the ratio of the enthalpy differences of the refrigerant determined by means of two different balance equations of the heat transfer process at the temperatures of the refrigerant determined in method steps a) and b). Use of the relationship between pressure p R and enthalpy h R of the refrigerant determined in method step c) at least for the pressure range provided for the operation of the refrigeration circuit; dii) Determination of the ratio of the enthalpy differences of the refrigerant at the time of the measurements in method steps a) and b) from the corresponding ratio of differences in the temperatures of the heat transfer fluid determined using the balance equations mentioned and assignment of at least one pressure value p R * to the ratio of the enthalpy differences using the relationship between the pressure p R and the ratio of the enthalpy differences determined in method step di); where when more than one pressure value p R * is assigned to the ratio of the differences in temperatures of the heat transfer fluid corresponding ratio of the enthalpy differences of the refrigerant to determine the pressure of the refrigerant present at the time of the measurements in method steps a) and b) a plausibility check of more than one pressure value is carried out. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterschritte di) und dii) folgendes Vorgehen umfassen: di') Ermittlung der Abhängigkeit des Drucks pR vom Verhältnis der Differenz zwischen den Enthalpien bei TR,ein und TR,m und der Differenz zwischen den Enthalpien bei TR,aus und TR,m, unter Nutzung des in Verfahrensschritt c) ermittelten Zusammenhangs zwischen Druck pR und Enthalpie hR des Kältemittels zumindest für den für den Betrieb des Kältekreises vorgesehenen Druckbereich; dii') Ermittlung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Verhältnisses der Enthalpiedifferenzen aus dem entsprechenden Verhältnis der Differenz zwischen TW,ein und TW,m und der Differenz zwischen TW,aus und TW,m und Zuordnung mindestens eines Druckwerts pR* zu dem Verhältnis der Enthalpiedifferenzen, unter Nutzung der in Verfahrensschritt di') ermittelten Abhängigkeit des Drucks pR von dem Verhältnis der Enthalpiedifferenzen; wobei bei Zuordnung von mehr als einem Druckwert pR* zu dem dem Verhältnis der Differenzen der Temperaturen des Wärmeträgerfluids entsprechenden Verhältnis der Enthalpiedifferenzen des Kältemittels zur Bestimmung des zum Zeitpunkt der Messungen in den Verfahrensschritten a) und b) vorliegenden Drucks des Kältemittels eine Plausibilitätsprüfung der mehr als einen Druckwerte durchgeführt wird.procedure after claim 2 , characterized in that the sub-steps di) and dii) comprise the following procedure: di') determining the dependence of the pressure p R on the ratio of the difference between the enthalpies at T R,in and T R,m and the difference between the enthalpies at T R,off and T R,m , using the relationship between pressure p R and enthalpy h R of the refrigerant determined in method step c), at least for the pressure range provided for the operation of the refrigeration circuit; dii ') determination of the ratio of the enthalpy differences present at the time of the measurements in method steps a) and b) from the corresponding ratio of the difference between TW,in and TW ,m and the difference between TW,out and TW,m and assignment of at least one pressure value p R * to the ratio of the enthalpy differences, using the dependence of the pressure p R on the ratio of the enthalpy differences determined in method step di′); where, if more than one pressure value p R * is assigned to the ratio of the enthalpy differences of the refrigerant, which corresponds to the ratio of the differences in the temperatures of the heat transfer fluid, a plausibility check of the more is carried out as a pressure value. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältekreis ein Kältekreis mit transkritischer Prozessführung oder mit überkritischer Prozessführung ist.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the refrigeration cycle is a refrigeration cycle with transcritical process management or with supercritical process management. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgerfluid ohne Phasenwechsel zumindest des Kältemittels stattfindet.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the heat transfer between the refrigerant and the heat transfer fluid takes place without phase change at least the refrigerant. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente des Kältekreises, in der ein Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgerfluid stattfindet, ein Gaskühler (1) ist.procedure after claim 5 , characterized in that the component of the refrigeration circuit, in which a heat transfer between the refrigerant and the heat transfer fluid takes place, is a gas cooler (1). Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel CO2 (R744) ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the refrigerant is CO 2 (R744). Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche für ein Kältemaschinensystem oder ein Wärmepumpensystem.Use of a method according to one of the preceding claims for a refrigerating machine system or a heat pump system. Verwendung nach Anspruch 8 zum hochdrucksensorfreien Monitoring transkritischer Wärmepumpensysteme.use after claim 8 for high-pressure sensor-free monitoring of transcritical heat pump systems. Verwendung nach Anspruch 8 zur Betriebspunktoptimierung von Kälteanlagensystemen oder Wärmepumpensystemen, insbesondere zur Ermittlung des optimalen Hochdrucks.use after claim 8 for optimizing the operating point of refrigeration systems or heat pump systems, in particular for determining the optimum high pressure.
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