DE102020115264A1 - Method for operating a compression refrigeration system and associated compression refrigeration system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Kompressionskälteanlage (200) sowie eine zugehörige Kompressionskälteanlage (200). Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Erfassung einer Temperatur, die für eine Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises, die im Betrieb des Kältekreises eine Taupunkttemperatur der den Kältekreis umgebenden Luft mit Wasserdampfanteil unterschreiten kann, repräsentativ ist, Berechnung einer Mindesttemperatur zur Sicherstellung einer Taupunktüberschreitung der Oberflächentemperatur der Komponente auf Basis eines erfassten Umgebungsparameters, Berechnung eines Mindestwertes der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels aus a) der Mindesttemperatur zur Sicherstellung der Taupunktüberschreitung und b) einer korrespondierenden für die Überhitzungsberechnung zugrundeliegenden Verdampfungstemperatur des Kältemittels, welche eine Taupunktüberschreitung der Oberflächen niederdruckseitig betriebener Komponenten des Kältekreises zur Folge hätte, Bestimmung des Maximums aus a) einem bereitgestellten Sollwert der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels für einen regulären Betrieb der Kompressionskälteanlage (200) und b) des berechneten Mindestwertes der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels, und Regelung des Drosselorgans (230) auf den als Maximum bestimmten Wert der Überhitzung des Kältemittels.The present invention relates to a method for regulating a compression refrigeration system (200) and an associated compression refrigeration system (200). The method comprises the following steps: Acquisition of a temperature that is representative of a surface temperature of a component of the refrigeration circuit which, when the refrigeration circuit is in operation, can fall below a dew point temperature of the air surrounding the refrigeration circuit with a water vapor content, calculation of a minimum temperature to ensure that the surface temperature of the dew point is exceeded Component based on a recorded environmental parameter, calculation of a minimum value of superheating (dTÜE) of the refrigerant from a) the minimum temperature to ensure that the dew point is exceeded and b) a corresponding evaporation temperature of the refrigerant on which the overheating calculation is based, which exceeds the dew point of the surfaces of the components of the cooling circuit operated on the low pressure side The consequence would be to determine the maximum from a) a provided setpoint value for superheating (dTÜE) of the refrigerant for regular operation of the Compression refrigeration system (200) and b) of the calculated minimum superheating value (dTÜE) of the refrigerant, and regulation of the throttle element (230) to the superheating value of the refrigerant determined as the maximum.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kompressionskälteanlage sowie eine zugehörige Kompressionskälteanlage mit einem Kältemittel, einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Drosselorgan, einem internen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter, und einer Steuereinheit zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter, wobei die Überhitzung als eine Differenz einer Taupunkttemperatur zu einer Temperatur des Kältemittels definiert ist, und einer Regelung des Drosselorgans basierend auf der Überhitzung.The invention relates to a method for operating a compression refrigeration system and an associated compression refrigeration system with a refrigerant, an evaporator, a compressor, a condenser, a throttle element, an internal heat exchanger for transferring thermal energy of the refrigerant before it enters the throttle element to the refrigerant before it enters the Compressor, and a control unit for detecting overheating of the refrigerant when it enters the compressor, the overheating being defined as a difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant, and a regulation of the throttle element based on the overheating.
Derartige Kompressionskälteanlagen, beispielsweise in Form von Wärmepumpen, mit einem Dampfkompressionssystem in welchem ein gasförmiges Kältemittel von einem mittels der Steuereinheit, die beispielsweise einen Regler aufweist, gesteuerten Verdichter von einem Niederdruck auf einen Hochdruck verdichtet wird, sind bekannt.Such compression refrigeration systems, for example in the form of heat pumps, with a vapor compression system in which a gaseous refrigerant is compressed from a low pressure to a high pressure by a compressor controlled by means of the control unit, which for example has a regulator, are known.
Das Kältemittel wird durch den Verflüssiger getrieben, in dem es eine Heizwärme an ein in einem Wärmesenkensystem befindliches Heizmedium abgibt. Eine innere Wärme wird in einem inneren Wärmeübertrager, beispielsweise in Form eines Rekuperators, zwischen dem unter dem Hochdruck vom Verflüssiger zum Expansionsventil strömenden Kältemittel und dem vom Verdampfer zum Verdichter unter dem Niederdruck strömende Kältemittel übertragen.The refrigerant is driven through the condenser, in which it gives off heat to a heating medium located in a heat sink system. Internal heat is transferred in an internal heat exchanger, for example in the form of a recuperator, between the refrigerant flowing under high pressure from the condenser to the expansion valve and the refrigerant flowing from the evaporator to the compressor under low pressure.
Das Kältemittel wird weiter in einer Hochdruckströmungsrichtung zu einem vom Regler gesteuerten Expansionsventil geführt, in dem das Kältemittel vom Hochdruck auf den Niederdruck abhängig von einem Regelwert entspannt wird. Das auf dem Niederdruck befindliche Kältemittel verdampft in dem Verdampfer bei Aufnahme von Quellwärme.The refrigerant is guided further in a high-pressure flow direction to an expansion valve controlled by the regulator, in which the refrigerant is expanded from high pressure to low pressure as a function of a control value. The refrigerant at the low pressure evaporates in the evaporator when it absorbs source heat.
Aus
Eine Wärmepumpenanlage mit einem Kältemittelkreislauf ist aus
Im Betrieb kann es nun im Bereich des Kältemittelpfades zwischen innerem Wärmeübertrager und Verdichtereintritt aufgrund der dem Kältemittel entzogenen Wärme zu einer Taupunktunterschreitung der in der Umgebungsluft enthaltenen Feuchtigkeit kommen, so dass Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft kondensieren und sich an den Komponenten absetzen kann.During operation, the moisture contained in the ambient air can fall below the dew point in the area of the refrigerant path between the internal heat exchanger and the compressor inlet due to the heat extracted from the refrigerant, so that moisture from the ambient air can condense and settle on the components.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Regelverfahren für die eingangs genannte Kompressionskälteanlage vorzuschlagen, mit welchem ein Ausfallen von Kondensat wirksam verhindert wird.The object of the invention is to propose a control method for the compression refrigeration system mentioned at the outset, with which the precipitation of condensate is effectively prevented.
Gelöst wir die Aufgabe durch die Verfahrensmerkmale des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtungsmerkmale des Anspruchs 7.We solved the problem by the method features of
Demnach wird gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Regeln einer Kompressionskälteanlage mit
- - einem Kältemittel,
- - einem Verdampfer,
- - einem Verdichter,
- - einem Verflüssiger,
- - einem Drosselorgan,
- - einem internen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter, und
- - einer Steuereinheit
- a) zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter, wobei die Überhitzung als eine Differenz einer Taupunkttemperatur zu einer Temperatur des Kältemittels definiert ist, und
- b) zur Regelung des Drosselorgans basierend auf der Überhitzung, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Erfassung einer Temperatur, die für eine Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises, die im Betrieb des Kältekreises eine Taupunkttemperatur der den Kältekreis umgebenden Luft mit Wasserdampfanteil unterschreiten kann, repräsentativ ist,
- - Berechnung einer Mindesttemperatur zur Sicherstellung einer Taupunktüberschreitung der Oberflächentemperatur der Komponente auf Basis eines erfassten Umgebungsparameters,
- - Berechnung eines Mindestwertes der Überhitzung des Kältemittels aus
- a) der Mindesttemperatur zur Sicherstellung der Taupunktüberschreitung und
- b) einer korrespondierenden für die Überhitzungsberechnung zugrundeliegenden Verdampfungstemperatur des Kältemittels, welche eine Taupunktüberschreitung der Oberflächen niederdruckseitig betriebener Komponenten des Kältekreises zur Folge hätte,
- - Bestimmung des Maximums aus
- a) einem bereitgestellten Sollwert der Überhitzung des Kältemittels für einen regulären Betrieb der Kompressionskälteanlage und
- b) des berechneten Mindestwertes der Überhitzung des Kältemittels, und
- - Regelung des Drosselorgans auf den als Maximum bestimmten Wert der Überhitzung des Kältemittels.
- - a refrigerant,
- - an evaporator,
- - a compressor,
- - a condenser,
- - a throttle device,
- - An internal heat exchanger for the transfer of thermal energy of the refrigerant before entry into the throttle element to the refrigerant before entry into the compressor, and
- - a control unit
- a) for detecting overheating of the refrigerant upon entry into the compressor, the overheating being defined as a difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant, and
- b) proposed to regulate the throttle device based on overheating. The procedure consists of the following steps:
- - Detection of a temperature which is representative of a surface temperature of a component of the refrigeration circuit which, when the refrigeration circuit is in operation, can fall below a dew point temperature of the air surrounding the refrigeration circuit with a water vapor content,
- - Calculation of a minimum temperature to ensure that the surface temperature of the component is exceeded on the basis of a recorded environmental parameter,
- - Calculation of a minimum value for superheating of the refrigerant
- a) the minimum temperature to ensure that the dew point is exceeded and
- b) a corresponding evaporation temperature of the refrigerant on which the overheating calculation is based, which would result in the surfaces of the components of the refrigeration circuit operated on the low-pressure side being exceeded,
- - Determination of the maximum
- a) a setpoint value provided for the superheating of the refrigerant for regular operation of the compression refrigeration system and
- b) the calculated minimum value of superheating of the refrigerant, and
- - Regulation of the throttle element to the value of the superheating of the refrigerant determined as the maximum.
Die Überhitzungsregelung entspricht also einer Regelung auf die Überhitzung, insbesondere am Verdichtereingang, die als Differenz der Taupunkttemperatur zu einer Temperatur des Kältemittels definiert ist. Regelung heißt hier, dass das Drosselorgan mit Hilfe eines Überhitzungssollwertes derart angesteuert wird, dass eine Differenz zwischen einem Überhitzungsistwert und dem Überhitzungssollwert gegen Null geht.The overheating control thus corresponds to a control for overheating, in particular at the compressor inlet, which is defined as the difference between the dew point temperature and a temperature of the refrigerant. Regulation means here that the throttle element is controlled with the aid of a setpoint overheating value in such a way that a difference between an actual overheating value and the setpoint overheating value approaches zero.
Beispielsweise kann für den Verdichter die Überhitzung in einem Bereich zwischen knapp über 0K bis 30-40K zulässig sein, wobei für die optimale Leistungszahl in Abhängigkeit des Betriebspunkts zwischen 0K und 30K beträgt, so dass für einen regulären Betrieb vorzugsweise eine Zielüberhitzung auf diesen Betrieb eingestellt wird.For example, overheating in a range between just over 0K to 30-40K can be permissible for the compressor, with the optimum coefficient of performance depending on the operating point being between 0K and 30K, so that a target overheating is preferably set to this operation for regular operation .
Bei Regelungen nach diesem Zielwert kann sich für einen regulären Betrieb eine Kältemitteltemperatur, insbesondere zwischen innerem Wärmetauscher und Verdichtereintritt, ergeben, die unterhalb der Kondensationstemperatur der Umgebung liegt. Demnach kann Luftfeuchtigkeit auskondensieren, ggf. gefrieren, an dem Kältekreis herunterlaufen, etc. und für Korrosion sorgen.When regulating according to this target value, a refrigerant temperature, in particular between the internal heat exchanger and the compressor inlet, can result for regular operation that is below the condensation temperature of the environment. Accordingly, humidity can condense out, possibly freeze, run down on the refrigeration circuit, etc. and cause corrosion.
Die vorliegende Anmeldung entgegnet diesem unerwünschten Effekt dadurch, dass die Oberflächen des Kältekreises auch in dem Bereich zwischen innerem Wärmetauscher und Verdichtereintritt warm genug gehalten werden, damit keine Umgebungsluft auskondensiert. Dies wird durch eine bestimmte Art der Überhitzungsregelung gelöst.The present application counteracts this undesirable effect by keeping the surfaces of the refrigeration circuit warm enough in the area between the inner heat exchanger and the compressor inlet so that no ambient air condenses out. This is solved by a certain type of superheat control.
Zunächst ist also zu bestimmen, wie die Überhitzung zu steuern ist, damit die Temperatur der Oberflächen diese Bedingung einhält. Die Überhitzungsregelung wird insbesondere durch die Öffnungsstellung des Drosselorgans, beispielsweise eines Drosselventils, implementiert und existiert neben einer Leistungsregelung, die üblicherweise über eine Verdichterdrehzahlregelung implementiert ist. Wie bereits erwähnt kann vom Verdichter angesaugtes Kältemittel mit Nassdampf-Anteil den Verdichter beschädigen, was einer zu niedrigen Überhitzung entspricht, oder auch eine zu hohe Überhitzung des vom Verdichter angesaugten Kältemittels, d.h. eine zu hohe Verdichtereintrittstemperatur führt gegebenenfalls zu einer zu hohen Verdichteraustrittstemperatur und kann so zu einem Schaden am Öl und/oder thermischen Schäden an Verdichterkomponenten führen. Für jeden Arbeitspunkt gibt es eine wirkungsgradoptimierte Überhitzung, die sich durchaus zwischen den Arbeitspunkten unterscheiden.First of all, it is necessary to determine how the overheating is to be controlled so that the temperature of the surfaces complies with this condition. The overheating control is implemented in particular by the opening position of the throttle element, for example a throttle valve, and exists in addition to a power control, which is usually implemented via a compressor speed control. As already mentioned, refrigerant with wet steam that is sucked in by the compressor can damage the compressor, which corresponds to overheating that is too low, or too much overheating of the refrigerant sucked in by the compressor, i.e. too high a compressor inlet temperature may lead to an excessively high compressor outlet temperature and can so damage to the oil and / or thermal damage to compressor components to lead. For each working point there is an efficiency-optimized overheating, which definitely differs between the working points.
Die Erfassung einer Temperatur, die für eine Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises, die im Betrieb des Kältekreises eine Taupunkttemperatur der den Kältekreis umgebenden Luft mit Wasserdampfanteil unterschreiten kann, repräsentativ ist, ist vorzugsweise die Verdichtereintrittstemperatur des Kältemittels. Die Oberflächentemperatur, für die diese Temperatur repräsentativ ist, sind demnach die mit dieser Temperatur beaufschlagten Kältekreiskomponenten wie Kältemittelrohre, interne Wärmeübertrager oder auch Kältemittelabscheider. Die thermische Leitfähigkeit derartiger Komponenten ist ausreichend, um die Temperatur des Kältemittels näherungsweise auch auf der Oberfläche der zugehörigen Komponenten zu erhalten.The detection of a temperature that is representative of a surface temperature of a component of the refrigeration circuit, which can fall below a dew point temperature of the air surrounding the refrigeration circuit with water vapor when the refrigeration circuit is in operation, is preferably the compressor inlet temperature of the refrigerant. The surface temperature for which this temperature is representative are therefore the refrigerant circuit components such as refrigerant pipes, internal heat exchangers or refrigerant separators that are exposed to this temperature. The thermal conductivity of such components is sufficient to approximately maintain the temperature of the refrigerant on the surface of the associated components.
Die Mindesttemperatur zur Sicherstellung einer Taupunktüberschreitung wird vorzugsweise auf die Taupunkttemperatur des Wasserdampfanteils der den Kältekreis umgebenden Luft zuzüglich eines Puffers gesetzt, um beispielsweise Ungenauigkeiten bei der Erfassung des Umgebungsparameters zu berücksichtigen. Beispielsweise kann der Puffer im Bereich von wenigstens 2-3K, insbesondere im Bereich von 2-3K, betragen.The minimum temperature to ensure that the dew point is exceeded is preferably set to the dew point temperature of the water vapor portion of the air surrounding the refrigeration circuit plus a buffer in order to take into account, for example, inaccuracies in the detection of the environmental parameter. For example, the buffer can be in the range of at least 2-3K, in particular in the range of 2-3K.
Der erfasste Umgebungsparameter umfasst vorzugsweise eine Raumtemperatur, die mittels eines Raumtemperatursensors erfasst wird, und/oder eine Raumfeuchte, die mittels eines Raumfeuchtesensors erfasst wird. Für den Fall, dass kein Raumfeuchtesensor verfügbar ist, muss eine relative Raumfeuchte von 100% angenommen werden, d.h. erfasste Raumtemperatur wird als Kondensationstemperatur angenommen. Raumtemperatur und/oder Raumfeuchte sind besonders für innen aufgestellte Wärmepumpen geeignet.The captured ambient parameter preferably includes a room temperature, which is captured by means of a room temperature sensor, and / or a room humidity, which is captured by means of a room humidity sensor. In the event that no room humidity sensor is available, a relative room humidity of 100% must be assumed, i.e. the recorded room temperature is assumed to be the condensation temperature. Room temperature and / or room humidity are particularly suitable for heat pumps installed indoors.
Im Fall von außen aufgestellten Wärmepumpen ist besonders eine Außentemperatur und/oder eine Außenluftfeuchte von Vorteil.In the case of heat pumps installed externally, an outside temperature and / or outside air humidity is particularly advantageous.
Alternativ oder zusätzlich kann der Umgebungsparameter eine Temperatur im Gehäuse, beispielsweise mittels eines Luftsensors, umfassen. Vorzugsweise ist der Sensor, der die Temperatur im Gehäuse bestimmt, nicht in Kontakt mit Komponenten, wie beispielsweise Komponenten des Kältekreises. Besonders vorteilhaft kann hierfür ein im Bereich des Verdichtereintritts angeordneter Temperatursensor sein.Alternatively or additionally, the environmental parameter can include a temperature in the housing, for example by means of an air sensor. The sensor, which determines the temperature in the housing, is preferably not in contact with components, such as, for example, components of the refrigeration circuit. A temperature sensor arranged in the area of the compressor inlet can be particularly advantageous for this.
In Gehäuse herrscht „Überwärmung“ der Luft, d.h. wenn im Gehäuse eine Temperatur gemessen wird, ist besonders vorteilhaft, dass die relative Feuchte miterfasst wird, weil sonst aufgrund der Überwärmung im Gehäuse eine deutlich zu hohe Überhitzung eingeregelt würde. Um ein Zahlenbeispiel zu geben: wenn 21°C und 60% rel. Feuchte angenommen würden, kann die Luft in der Wärmepumpe beispielsweise auf 50°C erwärmt werden. Dadurch sinkt die rel. Feuchte auf beispielsweise 30%. Würden nun 100% rel. Feuchte angenommen, da beispielsweise die Luftfeuchte nicht mittels eines Sensors bestimmt wird, resultiert eine sehr große Überhitzung.In the housing there is "overheating" of the air, i.e. if a temperature is measured in the housing, it is particularly advantageous that the relative humidity is also recorded, because otherwise the overheating in the housing would result in significantly too high overheating. To give a numerical example: if 21 ° C and 60% rel. Humidity, the air in the heat pump can be heated to 50 ° C, for example. As a result, the rel. Humidity to 30%, for example. If 100% rel. Assuming humidity, since the air humidity is not determined by means of a sensor, for example, the result is a very high level of overheating.
Vorzugsweise erfolgt die Regelung des Drosselorgans auf den als Maximum bestimmten Wert der Überhitzung des Kältemittels zumindest in zugeordneten Betriebsarten der Kompressionskälteanlage. Beispielsweise können gewisse Temperaturschwellwerte zur Aktivierung des Kondensationsschutzes eingerichtet sein. Auch kann der Kondensationsschutz beispielsweise in einem Abtaubetrieb oder einem Anlaufzustand deaktiviert sein. Grundsätzlich ist das Vorsehen des Kondensationsschutzes aber in einem überwiegenden Teil der Betriebsarten vorteilhaft.The throttle element is preferably regulated to the value of the overheating of the refrigerant determined as the maximum, at least in assigned operating modes of the compression refrigeration system. For example, certain temperature threshold values can be set up to activate the condensation protection. The condensation protection can also be deactivated, for example, in a defrosting mode or in a start-up state. In principle, however, the provision of condensation protection is advantageous in a predominant part of the operating modes.
Vorzugsweise wird die Temperatur, die für die Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises repräsentativ ist, an wenigstens einem aus einem Kältemittelrohr, dem internen Wärmeübertrager, oder einem Kältemittel-Abscheider erfasst.The temperature, which is representative of the surface temperature of a component of the refrigeration circuit, is preferably detected on at least one of a refrigerant pipe, the internal heat exchanger, or a refrigerant separator.
Vorzugsweise wird die Mindesttemperatur zur Sicherstellung der Taupunktüberschreitung auf Basis eines Raumtemperatursensors und eines Raumfeuchtesensors zur Erfassung des Umgebungsparameters berechnet.The minimum temperature to ensure that the dew point is exceeded is preferably calculated on the basis of a room temperature sensor and a room humidity sensor for detecting the environmental parameter.
Vorzugsweise ist die Kompressionskälteanlage eine im Inneren eines Gebäudes aufgestellte Kompressionskälteanlage.The compression refrigeration system is preferably a compression refrigeration system installed inside a building.
Vorzugsweise wird der zur Regelung des Drosselorgans eingesetzte Wert der Überhitzung innerhalb eines für den Verdichter zulässigen Überhitzungsbereiches gehalten. Erfindungsgemäß wird ermöglicht, dass ein Wirkungsgrad des Kältekreises nahe oder am optimalen Bereich ist und gleichzeitig ein Schutz der Komponenten sichergestellt ist, da die Überhitzung derart geregelt wird, dass sie jedenfalls im für den Verdichter zulässigen Bereich ist.The overheating value used to regulate the throttle element is preferably kept within an overheating range permissible for the compressor. According to the invention it is made possible that an efficiency of the refrigeration circuit is close to or at the optimal range and at the same time a protection of the Components is ensured, since the overheating is regulated in such a way that it is in any case in the range permissible for the compressor.
In einem anderen Aspekt wird eine Kompressionskälteanlage vorgeschlagen mit
- - einem Kältemittel,
- - einem Verdampfer,
- - einem Verdichter,
- - einem Verflüssiger,
- - einem Drosselorgan,
- - einem internen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter, und
- - einer Steuereinheit
- a) zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter, wobei die Überhitzung als eine Differenz einer Taupunkttemperatur zu einer Temperatur des Kältemittels definiert ist, und
- b) zur Regelung des Drosselorgans basierend auf der Überhitzung, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Kompressionskälteanlage gemäß den folgenden Schritten zu steuern:
- - Erfassung einer Temperatur, die für eine Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises, die im Betrieb des Kältekreises eine Taupunkttemperatur der den Kältekreis umgebenden Luft mit Wasserdampfanteil unterschreiten kann, repräsentativ ist,
- - Berechnung einer Mindesttemperatur zur Sicherstellung einer Taupunktüberschreitung der Oberflächentemperatur der Komponente auf Basis eines erfassten Umgebungsparameters,
- - Berechnung eines Mindestwertes der Überhitzung des Kältemittels aus
- a) der Mindesttemperatur zur Sicherstellung der Taupunktüberschreitung und
- b) einer korrespondierenden für die Überhitzungsberechnung zugrundeliegenden Verdampfungstemperatur des Kältemittels, welche eine Taupunktüberschreitung der Oberflächen niederdruckseitig betriebener Komponenten des Kältekreises zur Folge hätte,
- - Bestimmung des Maximums aus
- a) einem bereitgestellten Sollwert der Überhitzung des Kältemittels für einen regulären Betrieb der Kompressionskälteanlage und
- b) des berechneten Mindestwertes der Überhitzung des Kältemittels, und
- - Regelung des Drosselorgans auf den als Maximum bestimmten Wert der Überhitzung des Kältemittels.
- - a refrigerant,
- - an evaporator,
- - a compressor,
- - a condenser,
- - a throttle device,
- - An internal heat exchanger for the transfer of thermal energy of the refrigerant before entry into the throttle element to the refrigerant before entry into the compressor, and
- - a control unit
- a) for detecting overheating of the refrigerant upon entry into the compressor, the overheating being defined as a difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant, and
- b) for regulating the throttle element based on the overheating, the control unit being set up to control the compression refrigeration system in accordance with the following steps:
- - Detection of a temperature which is representative of a surface temperature of a component of the refrigeration circuit which, when the refrigeration circuit is in operation, can fall below a dew point temperature of the air surrounding the refrigeration circuit with a water vapor content,
- - Calculation of a minimum temperature to ensure that the surface temperature of the component is exceeded on the basis of a recorded environmental parameter,
- - Calculation of a minimum value for superheating of the refrigerant
- a) the minimum temperature to ensure that the dew point is exceeded and
- b) a corresponding evaporation temperature of the refrigerant on which the overheating calculation is based, which would result in the surfaces of the components of the refrigeration circuit operated on the low-pressure side being exceeded,
- - Determination of the maximum
- a) a setpoint value provided for the superheating of the refrigerant for regular operation of the compression refrigeration system and
- b) the calculated minimum value of superheating of the refrigerant, and
- - Regulation of the throttle element to the value of the superheating of the refrigerant determined as the maximum.
Die erfindungsgemäße Kompressionskälteanlage ermöglicht das Erreichen der gleichen Vorteile wie das erfindungsgemäße Verfahren. Ebenso ist eine Kombination mit sämtlichen als bevorzugt ausgeführten Ausgestaltungen des Verfahrens mit Vorteil möglich.The compression refrigeration system according to the invention enables the same advantages to be achieved as the method according to the invention. A combination with all of the preferred embodiments of the method is also advantageously possible.
Vorzugsweise weist das Kältemittel einen Temperaturglide auf, wobei das Kältemittel insbesondere R454C aufweist oder daraus besteht. Darüber hinaus findet das Verfahren auch für Kältemittel ohne Temperaturglide Anwendung.The refrigerant preferably has a temperature glide, the refrigerant in particular having or consisting of R454C. In addition, the process is also used for refrigerants without temperature glide.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Wärmepumpe, insbesondere eine im Inneren eines Gebäude aufgestellte Wärmepumpe, mit einer erfindungsgemäßen Kompressionskälteanlage vorgeschlagen.According to a further aspect, a heat pump, in particular a heat pump installed inside a building, with a compression refrigeration system according to the invention is proposed.
Gemäß weiteren bevorzugten Ausgestaltungen, die mit sämtlichen der erfindungsgemäßen Aspekte kombiniert werden können, sind Details der Regelstrategie wie folgt umgesetzt. Ein Regelwert wird in einer Inbetriebnahmephase der Kompressionskälteanlage abhängig von einer Regelabweichung einer Verdampferaustrittsüberhitzung beeinflusst, womit das Drosselorgan geregelt wird. Der Regelwert wird weiterhin nach der Inbetriebnahmephase, während eines eingefahrenen Betriebszustands der Kompressionskälteanlage, abhängig von einer Verdichtereintrittsüberhitzung bestimmt wird und das Drosselorgan wird nach der Inbetriebnahmephase vorzugsweise abhängig von der ermittelten Verdampferaustrittsüberhitzung und der Verdichtereintrittsüberhitzung geregelt.According to further preferred refinements, which can be combined with all of the aspects according to the invention, details of the control strategy are implemented as follows. In a commissioning phase of the compression refrigeration system, a control value is influenced as a function of a control deviation of an evaporator outlet overheating, with which the throttle element is controlled. The control value is still determined after the commissioning phase, during a retracted operating state of the compression refrigeration system, depending on a compressor inlet overheating and the throttle element is determined after The commissioning phase is preferably regulated as a function of the determined evaporator outlet overheating and the compressor inlet overheating.
Eine Regelgröße der Verdampferaustrittsüberhitzung wird vorzugsweise berechnet. Mit einem Zielwert für eine Verdampferaustrittsüberhitzung wird vorzugsweise eine Regelabweichung Verdampferaustrittsüberhitzung berechnet. Ferner wird vorzugsweise eine Regelgröße Verdichtereintrittsüberhitzung berechnet. Mit einem Zielwert für eine Verdichtereintrittsüberhitzung wird vorzugsweise eine Regelabweichung Verdichtereintrittsüberhitzung berechnet. Der Regelwert R wird dann vorzugsweise aus einem gewichteten Einfluss der Regelabweichung Verdampferaustrittsüberhitzung und einem gewichteten Einfluss der Regelabweichung Verdichtereintrittsüberhitzung berechnet. Das Expansionsventil wird vorzugsweise mit dem Regelwert geregelt.A controlled variable for the superheating of the evaporator outlet is preferably calculated. With a target value for evaporator outlet overheating, a control deviation of evaporator outlet overheating is preferably calculated. Furthermore, a controlled variable compressor inlet overheating is preferably calculated. A control deviation for compressor inlet overheating is preferably calculated with a target value for compressor inlet overheating. The control value R is then preferably calculated from a weighted influence of the control deviation evaporator outlet overheating and a weighted influence of the control deviation compressor inlet overheating. The expansion valve is preferably controlled with the control value.
Eine weitere vorteilhafte Methode ist es, die Subtraktion „invers“ zu vollziehen, wobei zur Bildung der Regelabweichungen vom Sollwert der Istwert subtrahiert wird. Die Regelabweichung wird vorteilhaft durch Berechnung oder Bildung einer Differenz zwischen einem „Istwert“ und einem „Sollwert“ berechnet.Another advantageous method is to carry out the subtraction "inversely", with the actual value being subtracted to form the control deviations from the setpoint. The control deviation is advantageously calculated by calculating or creating a difference between an “actual value” and a “setpoint”.
Gemäß einem vorteilhaften Verfahrensschritt wird die Verdampferaustrittsüberhitzung gegenüber der Verdichtereintrittsüberhitzung zur Ermittlung des Regelwertes mit einem Parameter gewichtet. Besonders vorteilhaft werden die Regelabweichungen einer Verdampferaustrittsüberhitzung oder der Verdichtereintrittsüberhitzung von einem Sollwert gewichtet.According to an advantageous method step, the superheating of the evaporator outlet is weighted with a parameter in relation to the superheating of the compressor in order to determine the control value. The control deviations of an evaporator outlet overheating or the compressor inlet overheating from a setpoint value are particularly advantageously weighted.
In einem anderen vorteilhaften Verfahrensschritt erfolgt eine Gewichtung der Verdampferaustrittsüberhitzung gegenüber einer Gewichtung der Verdichtereintrittsüberhitzung zur Ermittlung der Regelgröße mittels eines Parameters. Besonders vorteilhaft werden die Regelabweichungen einer Verdampferaustrittsüberhitzung oder einer Verdichtereintrittsüberhitzung mit einem Sollwert gewichtet.In another advantageous method step, the evaporator outlet overheating is weighted against a weighting of the compressor inlet overheating in order to determine the controlled variable by means of a parameter. The control deviations of an evaporator outlet overheating or a compressor inlet overheating are weighted with a setpoint value in a particularly advantageous manner.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Verdampferaustrittsüberhitzung aus einem Verdampferaustrittstemperaturmesswert, der mit einem Verdampferaustrittstemperatursensor gemessen wird, und aus einem Niederdruck, der mit einem Niederdrucksensor gemessen wird, ermittelt.In a further advantageous embodiment of the method, the evaporator outlet overheating is determined from a measured evaporator outlet temperature value, which is measured with an evaporator outlet temperature sensor, and from a low pressure, which is measured with a low pressure sensor.
In einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt wird die Verdichtereintrittsüberhitzung aus einer Verdichtereintrittstemperatur, gemessen mit einem Verdichtereintrittstemperatursensor, und einem Niederdruck, der mit einem Niederdrucksensor gemessen wird, ermittelt.In a further preferred method step, the compressor inlet overheating is determined from a compressor inlet temperature, measured with a compressor inlet temperature sensor, and a low pressure, which is measured with a low pressure sensor.
In einem vorteilhaften Verfahrensschritt wird im Regler eine erste Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung mit einer zweiten Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung zu einer Gesamt-Regelabweichung berechnet und die gesamt Regelabweichung zur Einstellung des Drosselorgans verwendet.In an advantageous method step, a first control deviation of the compressor inlet superheating is calculated in the controller with a second control deviation of the evaporator outlet superheating to form a total control deviation and the total control deviation is used to set the throttle element.
Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel:
-
1 Wärmepumpe 100 mit einem Dampfkompressionskreislauf 200 -
2 log p / h - Diagramm desDampfkompressionsprozesses mit Rekuperator 250 -
3 zeigt schematisch und exemplarisch ein Flussdiagramm eines Verfahrens.
-
1 Heat pump 100 with a vapor compression circuit 200 -
2 log p / h - diagram of the vapor compression process withrecuperator 250 -
3 shows schematically and by way of example a flow diagram of a method.
- •
Einen Verdichter 210 zum Verdichten des überhitzten Kältemittels, - •
einen Verflüssiger 220 , mit einem kältemittelseitigem Verflüssigereintritt221 und einemVerflüssigeraustritt 222 zur Übertragung von WärmeenergieQH aus dem Dampfkompressionssystem200 an ein Heizmedium eines Heizsystems400 ,mit einem Heizmediumeintritt 401 ,einem Heizmediumaustritt 402 und einerHeizmediumpumpe 410 , zu einer Gebäudeheizung oder ein System zur Warmwassererhitzung, - •
vorteilhaft einen Kältemittelsammler 260 , welcher als Kältemittelreservoir zum Ausgleich von betriebsbedingungsabhängig unterschiedlich hohen Kältemittelmengenbedarfen verwendet wird, - • ein als
Expansionsventil ausgebildetes Drosselorgan 230 zum Expandieren des Kältemittels, - •
einen Verdampfer 240 ,mit einem Verdampfereinlass 241 , zur Übertragung von QuellenenergieQQ aus einem Wärmequellensystem300 ,mit einem Wärmequelleinlass 320 und einemWärmequellauslass 310 , wobei das Wärmequellsystem300 insbesondere ein Solesystem sein kann, welches WärmeenergieQQ aus dem Erdreich aufnimmt oder ein Luftsystem, welches WärmeenergieQQ aus der Umgebungsluft aufnimmt und an das Dampfkompressionssystem200 abgibt oder eine beliebige andere Wärmequelle, - • einen Rekuperator als Beispiel eines internen Wärmeübertragers
250 , welcher dazu bestimmt ist, innere WärmeenergieQi zwischendem vom Verflüssiger 220 zum Expansionsventil 230 strömenden Kältemittel aufdas vom Verdampfer 240 zum Verdichter 210 strömende Kältemittel zu übertragen und - • ein Kältemittel, insbesondere ein Kältemittelgemisch aus wenigsten zwei Stoffen oder zwei Kältemitteln welches in einer Strömungsrichtung
SHD undSND durch den Dampfkompressionskreis200 strömt, wobei im Dampfkompressionskreislauf200 Kältemitteldampfdurch den Verdichter 210 auf einen HochdruckHD gebracht wird und zu einem Verflüssiger220 geführt ist, wobei ein Hochdruckpfad mit der HochdruckströmungsrichtungSHD vom Verdichter210 bis zum Expansionsventil 230 gebildet ist.Nach dem Expansionsventil 230 bis zum Verdichter 210 ist ein Niederdruckpfad mit einer NiederdruckströmungsrichtungSND des Kältemittels gebildet, indem der Verdampfer 240 liegt.
- • A
compressor 210 to compress the superheated refrigerant, - • a
condenser 220 , with a refrigerant-side condenser inlet 221 and acondenser outlet 222 for the transfer of thermal energyQ H from the vapor compression system200 to a heating medium of a heating system400 , with aheating medium inlet 401 , aheating medium outlet 402 and aheating medium pump 410 , to a building heating system or a system for hot water heating, - • advantageously a
refrigerant collector 260 , which is used as a refrigerant reservoir to compensate for different refrigerant quantities depending on the operating conditions, - • a throttle device designed as an
expansion valve 230 to expand the refrigerant, - • an
evaporator 240 , with anevaporator inlet 241 , for the transmission of source energyQ Q from a heat source system300 , with aheat source inlet 320 and aheat source outlet 310 , being the heat source system300 in particular can be a brine system, which heat energyQ Q from the ground or an air system that absorbs heat energyQ Q from the ambient air and to the vapor compression system200 emits or any other heat source, - • a recuperator as an example of an
internal heat exchanger 250 which is intended to be internal heat energyQ i between that of thecondenser 220 to theexpansion valve 230 flowing refrigerant to that from theevaporator 240 to thecompressor 210 transferring flowing refrigerant and - • a refrigerant, in particular a refrigerant mixture of at least two substances or two refrigerants which in one flow direction
S HD andS ND through the vapor compression circuit200 flows, being in the vapor compression cycle200 Refrigerant vapor through thecompressor 210 on a high pressureHD is brought and to aliquefier 220 is guided, wherein a high pressure path with the high pressure flow directionS HD from thecompressor 210 to theexpansion valve 230 is formed. After theexpansion valve 230 to thecompressor 210 is a low pressure path with a low pressure flow directionS ND of the refrigerant formed in which theevaporator 240 located.
Die folgend aufgelisteten Aktoren sind vorteilhaft zumindest teilweise mit dem Regler über eine Datenverbindung
In dem in
Der Verdichter
Im Verflüssiger
Nach der Enthitzung des Kältemitteldampfes erfolgt vorteilhaft im Verflüssiger
Der sich im Verflüssiger
Das Heizmedium, insbesondere Wasser, wird mittels einer Heizmediumpumpe
Im nachfolgenden Sammler
Im nachfolgenden Rekuperator
Zunächst strömt das Kältemittel durch einen Expansionsventileintritt
Ein Öffnungsgrad des Expansionsventils
Im Verdampfer erfolgt eine Übertragung von Verdampfungswärmeenergie Qv vom Wärmequellenfluid des Wärmequellensystems
Das in den Verdampfer
Im Rekuperator
Dieses überhitzte Kältemittel, welches mit einer Überhitzungstemperatur
Der Rekuperator
Zu diesem Zweck wird dem Kältemittel, welches im Verflüssiger
Der innere Energiezustand des Kältemittels beim Eintritt in den Verdampfer
Anschließend wird dem Kältemittel, nach dem Verdampferaustritt
Des Weiteren sind zur Erfassung des Betriebszustandes des Dampfkompressionssystems
Einerseits erfolgt vorteilhaft mit Hilfe der durch Sensoren erfassten Prozesswerte eine Absicherungen bezüglich zulässiger Arbeitsbereiche der Komponenten wie insbesondere dem Verdichter
- •
Ein Hochdrucksensor 503 vorteilhaft zur Erfassung des HochdrucksHD desKältemittels am Verdichteraustritt 212 oder zwischendem Verdichteraustritt 212 und dem Expansionsventileintritt 231 , - •
ein Heißgastemperatursensor 504 vorteilhaft zur Erfassung einer Heißgastemperatur THG desKältemittels am Verdichteraustritt 212 , oder im Kältekreisabschnittzwischen dem Verdichteraustritt 212 und dem Verflüssigereintritt 221 , - •
ein Innentemperatursensor 506 vorteilhaft zur Erfassung der Innentemperatur Tle des Kältemittels zwischen dem hochdruckseitigem internen Rekuperatorauslass252 des Kältemittels ausdem Rekuperator 250 und dem Expansionsventileitritt 231 . Die Innentemperatur ist vorteilhaft auch als „Rekuperatoraustrittstemperatur Hochdruckpfad“ benannt und - •
vorteilhaft ein Rekuperatorinnentemperatursensor 505 .Der Rekuperatorinnentemperatursensor 505 erfasst vorteilhaft VerflüssigeraustrittstemperaturTFA des Kältemittels in der Strömungsrichtung am Verflüssigeraustritt oder dem hochdruckseitigen Rekuperatoreintritt und daher wird vorteilhaft die VerflüssigeraustrittstemperaturTFA vom Rekuperatorinnentemperatursensor505 gemessen.
- • A
high pressure sensor 503 advantageous for detecting the high pressureHD of the refrigerant at thecompressor outlet 212 or between thecompressor outlet 212 and theexpansion valve inlet 231 , - • a hot
gas temperature sensor 504 advantageous for detecting a hot gas temperature T HG of the refrigerant at thecompressor outlet 212 , or in the refrigeration circuit section between thecompressor outlet 212 and thecondenser inlet 221 , - • an
indoor temperature sensor 506 advantageous for recording the internal temperature T le of the refrigerant between the internal recuperator outlet on the high-pressure side 252 of the refrigerant from therecuperator 250 and theexpansion valve entry 231 . The internal temperature is advantageously also known as the "recuperator outlet temperature high-pressure path" and - • Advantageously, a recuperator
internal temperature sensor 505 . The internalrecuperator temperature sensor 505 advantageously detects the condenser outlet temperatureT FA of the refrigerant in the flow direction at the condenser outlet or the high-pressure side recuperator inlet and therefore the condenser outlet temperature is advantageousT FA from the internalrecuperator temperature sensor 505 measured.
Die folgenden Sensoren sind insbesondere für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft:
- •
Ein Niederdrucksensor 502 zur Erfassung des NiederdrucksND desKältemittels am Verdichtereintritt 211 , oder zwischendem Expansionsventil 230 und dem Verdichtereintritt 211 , - •
ein Verdampferaustrittstemperatursensor 508 zur Erfassung der VerdampferaustrittstemperaturTVa desKältemittels am Verdampferaustritt 242 oder zwischendem Verdampferaustritt 242 und dem niederdruckseitigen Eintritt des Kältemittels inden Rekuperatoreinlass 251 desRekuperators 250 und - •
ein Niederdrucktemperatursensor 501 misst vorteilhaft eine Verdichtereintrittstemperatur oder dient vorteilhaft zur Erfassung der Kältemittelniederdrucktemperatur TND oder vorteilhaft einer VerdichtereintrittstemperaturTKE am Verdichtereintritt211 , oder zwischendem niederdruckseitigem Rekuperatorauslass 252 des Kältemittels ausdem Rekuperator 250 und dem Verdichtereintritt 211 .
- • A
low pressure sensor 502 for recording the low pressureND of the refrigerant at thecompressor inlet 211 , or between theexpansion valve 230 and thecompressor inlet 211 , - • an evaporator
outlet temperature sensor 508 for recording the evaporator outlet temperatureT Va of the refrigerant at theevaporator outlet 242 or between theevaporator outlet 242 and the low-pressure side entry of the refrigerant into therecuperator inlet 251 of therecuperator 250 and - • a low
pressure temperature sensor 501 advantageously measures a compressor inlet temperature or advantageously serves to detect the low-pressure refrigerant temperature T ND or advantageously a compressor inlet temperatureT KE at thecompressor inlet 211 , or between the recuperator outlet on thelow pressure side 252 of the refrigerant from therecuperator 250 and thecompressor inlet 211 .
Die Prozessgröße, welche einen maßgeblichen Einfluss auf den Gesamt - Wirkungsgrad des Dampfkompressionskreises
Die Überhitzung beschreibt die Temperaturdifferenz zwischen der erfassten Verdichtereintrittstemperatur
Erfindungsgemäß wird vorzugsweise die Verdichtereintrittsüberhitzung derart geregelt, dass kein Kondensat durch eine Taupunktunterschreitung des in der Umgebungsluft enthaltenden Wasserdampfanteils an Komponenten des Kältekreises insbesondere im Abschnitt zwischen Kältemittelaustritt des Rekuperators
Wenn - zum Zwecke eines Zahlenbeispiels - ein Verdampfungstemperaturniveau von ca. -10°C angenommen wird und die Temperatur am Soleeintritt
Vorteilhaft sind bei vielen Anlagen Raumtemperatursensor und Raumfeuchtesensor, die eine genaue Bestimmung der Auskondensierungsbedingungen der Luft ermöglicht, bspw. liegt bei 21 °C und 60% rel. Feuchte die Kondensationstemperatur im Bereich von 13°C. Unter diesen Bedingungen findet also, so lange die Rohrtemperatur über 13°C zuzüglich gegebenenfalls einen Puffer, bspw. 1K, keine Kondensation statt.In many systems, room temperature sensors and room humidity sensors are advantageous, since they enable precise determination of the condensation conditions of the air, for example at 21 ° C and 60% rel. Moisture the condensation temperature in the range of 13 ° C. Under these conditions, no condensation takes place as long as the pipe temperature is above 13 ° C plus, if necessary, a buffer, e.g. 1K.
An dem selbstverständlich nicht einschränkenden Zahlenbeispiel festgehalten wird nun die Erzielung einer Überhitzung von 15K bei einer Verdichtereintrittstemperatur von 5°C erreicht. Diese Temperatur liegt unter den 13°C, die für die aktuellen Umgebungsbedingungen als Kondensationstemperatur des in der Umgebungsluft befindlichen Wasserdampfanteils bestimmt ist. Demnach findet Kondensation statt. Soll die Verdichtereintrittstemperatur wenigstens 14°C, d.h. Kondensationstemperatur plus Puffer, betragen, muss die Überhitzung um 9K größer werden, d.h. eine Überhitzung von 24K eingehalten werden.The numerical example, which is of course non-restrictive, is now used to achieve overheating of 15K at a compressor inlet temperature of 5 ° C. This temperature is below 13 ° C, which is determined for the current ambient conditions as the condensation temperature of the water vapor in the ambient air. Accordingly, condensation takes place. If the compressor inlet temperature is to be at least 14 ° C, i.e. the condensation temperature plus buffer, the overheating must be 9K greater, i.e. an overheating of 24K must be maintained.
Grenzwerte, insbesondere für die Überhitzung, legen arbeitspunktabhängig den zulässigen Überhitzungsbereich der Komponenten am Verdichtereintritt
Zur Berücksichtigung all dieser Anforderungen werden vorteilhaft in Abhängigkeit des Arbeitspunktes des Dampfkompressionskreises
Es wird eine Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und eine Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA miteinander gewichtet kombiniert, woraus im Regler
- • Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE = Messwert Verdichtereintrittsüberhitzung - Zielwert Verdichtereintrittsüberhitzung ZTÜE
- • Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA = Messwert Verdampferaustrittsüberhitzung - Zielwert Verdampferaustrittsüberhitzung ZTÜA
- • Control deviation of the compressor inlet superheat dT U ̈ E = measured value compressor inlet superheat - target value compressor inlet superheat Z TÜE
- • Control deviation of the evaporator outlet superheat dT ÜA = measured value evaporator outlet superheat - target value evaporator outlet superheat Z TÜA
Dann wird vorteilhaft aus dem gewichteten Einfluss von der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und dem gewichteten Einfluss der Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA im Regler
Beim Dampfkompressionskreis
Im Verdampfer
In dem in Kältemittel Hochdruck-Strömungsrichtung
Diese Verschaltung des Verdampfers
Der Regelwert R ist vorteilhaft die gewichtete Verknüpfung der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE mit der Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung.The control value R is advantageously the weighted link between the control deviation of the compressor inlet superheat dT U ̈ E and the control deviation of the evaporator outlet superheat.
Aktor-Betriebszustandsgrößen mit einem Einfluss auf den Regelwert R, insbesondere der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE, sind im betreffenden Dampfkompressionskreis
Besonders vorteilhaft haben Aktoren Einfluss auf den Regelwert R, insbesondere auf die gewichtete Verknüpfung der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung mit der Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung. Im betreffenden Dampfkompressionskreis
Hierbei sind nicht alle Einflüsse gewünscht. So verändert beispielsweise eine Änderung der Verdichterdrehzahl zur Einregelung der gewünschten Heizleistung ohne weitere kompensatorische Änderungen des Öffnungsgrades des Expansionsventils den Regelwert R in unerwünschte Bereiche, sodass eine mit der Verdichterdrehzahländerung einhergehende modellbasiert unterstützte Öffnungsgradänderung des Expansionsventils zur Einregelung von R vorteilhaft, gegebenenfalls sogar erforderlich ist.Not all influences are desired here. For example, a change in the compressor speed to regulate the desired heating output without further compensatory changes in the degree of opening of the expansion valve changes the control value R into undesired ranges, so that a model-based, supported change in the degree of opening of the expansion valve to regulate R is advantageous, if necessary, even necessary.
Vorteilhaft wird im Dampfkompressionskreis
Vorteilhaft wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils
Das Expansionsventil 230 agiert als Düse mit elektromotorisch verstellbarem Düsenquerschnitt, bei welchem üblicherweise mittels eines Schrittmotors eine nadelförmige Düsennadel per Gewinde in einen Düsensitz gefahren wird.
- The
expansion valve 230 acts as a nozzle with an electromotive adjustable nozzle cross-section, in which a needle-shaped nozzle needle is usually threaded into a nozzle seat by means of a stepper motor.
Der Kältemitteldurchsatz durch das Expansionsventil ist bei Betrieb mit flüssigem Kältemittel am Expansionsventileintritt
Da bei einer in einem Arbeitspunkt mit einer als konstant angenommenen Verdichterdrehzahl und einer als konstant angenommenen Heizmediumtemperatur Tws auch der korrespondierende Hochdruck
Wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils
Da es sich bei Kältemitteldampf um ein kompressibles Medium handelt, sinkt dann der Niederdruck
Wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils
Der Niederdruck
Der Wärmeübergangswiderstand zwischen Wärmequellenmedienpfad des Verdampfers und Kältemittelpfad des Verdampfers ist in einem jeweiligen Dampfkompressionskreis
Um ein hinreichendes Maß von Wärmeenergie
Ist der Aggregatzustand des Kältemittels beim Durchströmen des Verdampfers
Die Wärmeenergie
Der Nassdampfanteil im gesättigten Kältemitteldampf nimmt bei konstantem Niederdruck bei Wärmeübertragung an das Kältemittel ab. Bei einer unvollständigen Verdampfung ist der Nassdampfanteil und damit auch der innere Energiezustand des Kältemittels beim Austritt aus dem Wärmeübertrager eine Funktion vom:
- • Nassdampfanteil bei Eintritt in
den Verdampfer 240 , - • Kältemittelmassenstrom,
- • Übertragener Wärmeleistung
QQ , und von einer - • Enthalpiedifferenz im Nassdampfgebiet beim jeweiligen Niederdruck
ND , welche das Kältemittel als Stoffkonstante als Funktion des Drucks aufweist.
- • Wet steam content when entering the
evaporator 240 , - • refrigerant mass flow,
- • Transferred heat output
Q Q , and from one - • Enthalpy difference in the wet steam area at the respective low pressure
ND , which the refrigerant has as a material constant as a function of pressure.
Zur vollständigen Verdampfung erfolgt eine zusätzliche Energiezuführung im Rekuperator
Mit dem Verfahren wird bei gegebenen Betriebsbedingungen des Dampfkompressionskreises
Im eingeschwungenen Zustand ergibt sich hinsichtlich einer Regeltreckensteilheit der „isolierten“ Regelstrecke „Verdampfer
Vorteilhaft wird ein Kältemittel, insbesondere als Kältemittel ein Kältemittelgemisch verwendet, welches einen „Temperaturglide“ aufweist, insbesondere wird vorteilhaft R454C verwendet. Vorteilhaft wird bei einem Kältemittelgemisch mit einem Temperaturglide, sich bei einer relativen Öffnungsgradänderung des Stellorgans Expansionsventil von 1 % rel. am Austritt des Kältemittels aus dem Verdampfer üblicherweise eine Überhitzungsänderung von etwa kleiner 1 K eingestellen.A refrigerant is advantageously used, in particular a refrigerant mixture as the refrigerant, which has a “temperature glide”, in particular R454C is advantageously used. In the case of a refrigerant mixture with a temperature glide, it is advantageous if the relative degree of opening of the actuator expansion valve changes by 1% rel. a change in superheating of approximately less than 1 K is usually set at the outlet of the refrigerant from the evaporator.
Die Einstellung dieses Zustandes erfolgt vorteilhaft auch durch eine regelungstechnische Beeinflussung wenigstens einer oder mehrerer der verschiedenen folgenden Zeitkonstanten; die letztendlich die Prozessgröße Kältemittelüberhitzung am Verdampferaustritt
- • Eine erste Zeitkonstante bewirkt vorteilhaft eine Verzögerung der mechanischen Öffnungsgradänderung des
Expansionsventils 230 durch die Begrenzung der Verfahrgeschwindigkeit durch den Regler500 , der Regelwert R wird in dieser ersten Zeitkonstante Z in der Verfahrgeschwindigkeit durch einen Bremswert reduziert. Der Bremswert kann beispielsweise die reglertechnische Zykluszeit, in welcher einVerfahrensschritt des Expansionsventils 230 gesteuert wird, umfassen. - • Eine zweite Zeitkonstante wirkt durch den Regler
500 vorgegeben vorteilhaft auf eine verzögerte Einstellung eines korrespondierenden Niederdruckes bei Öffnungsgradänderungen desExpansionsventils 230 aufgrund der Kompressibilität des Kältemitteldampfes bei NiederdruckND im Niederdruckpfad. - • Eine dritte Zeitkonstante ist vorteilhaft eine thermische Zeitkonstante der Wärmeübertragungsschicht des
Verdampfers 240 , wobei eine Änderung des Verdampfungsdruckes und damit der Verdampfungstemperatur eine verzögerte Temperaturänderung der Wärmeübertragungsschicht des Verdampfers, welcher oft mehrere Kilogramm Metall hat und des Wärmequellenmediums. - • Eine vierte Zeitkonstante ergibt sich vorteilhaft aus verzögerten Aggregatzustandsänderungen des Kältemittels bei Verdampfungstemperaturänderungen.
- • Eine fünfte Zeitkonstante ergibt sich vorteilhaft aus dem Transport des Kältemittels durch
den Verdampfer 240 mit einer endlichen Strömungsgeschwindigkeit.
- A first time constant advantageously causes a delay in the mechanical change in the degree of opening of the
expansion valve 230 by limiting the travel speed by the controller500 , the control value R is reduced in the travel speed in this first time constant Z by a braking value. The braking value can, for example, be the controller cycle time in which a method step of theexpansion valve 230 is controlled, include. - • A second time constant acts through the controller
500 predetermined advantageously to a delayed setting of a corresponding low pressure in the case of changes in the degree of opening of theexpansion valve 230 due to the compressibility of the refrigerant vapor at low pressureND in the low pressure path. - A third time constant is advantageously a thermal time constant of the heat transfer layer of the
evaporator 240 , whereby a change in the evaporation pressure and thus the evaporation temperature is a delayed change in temperature of the heat transfer layer of the evaporator, which often has several kilograms of metal, and of the heat source medium. - • A fourth time constant results advantageously from delayed changes in the physical state of the refrigerant in the event of changes in the evaporation temperature.
- • A fifth time constant results advantageously from the transport of the refrigerant through the
evaporator 240 with a finite flow velocity.
Es stellt sich also vorteilhaft nach Änderung der Stellgröße „Öffnungsgrad des Expansionsventils 230“ eine Verzögerung der korrespondierenden Kältemittelzustandsänderung beim Austritt aus dem Verdampferaustritt
Nach Durchströmung des Verdampfers
Der Aggregatzustand des Kältemittels beim Einströmen in den Rekuperators
Bei vorteilhaft gesättigtem Dampf stellt sich eine Kältemitteltemperatur ein, welche durch die Sättigungsdampfkennlinie des Kältemittels eine Funktion des Kältemitteldruckes ist. Bei Eintritt von überhitztem Kältemittel wird die Kältemitteltemperatur maximal eine Größe annehmen, welche der Eintrittstemperatur des Wärmequellenmediums entspricht. In diesem Fall entspricht die Größe vorzugsweise der Eintrittstemperatur des Kältemittels in den Hochdruckpfad des Rekuperators
Um ein hinreichendes Maß von Wärmeenergie vom Kältemittel des hochdruckseitigen Kältemittelpfad an das Kältemittel des niederdruckseitigen Kältemittelpfad im Rekuperator
Die korrespondierenden Temperaturen des Heizsystems
Die Wärmeenergie
Der innere Energiezustand des Kältemittels, beim Austritt aus dem niederdruckseitigen Pfad des Rekuperators, wird vorteilhaft abhängig von einem oder mehreren der folgenden Faktoren beeinflusst. Hierbei sollte beachtet werden, dass die Energiezustandsänderung ausschließlich auf physikalischen Abhängigkeiten beruht, wobei der Regler die Steuerung der Aktoren beeinflusst, was dann natürlich auch die physikalischen Größen wie den Kältemittelmassenstrom beeinflusst:
- • Nassdampfanteil bei Eintritt in
den Rekuperator 250 , - • Kältemittelmassenstrom,
- • übertragene Wärmeleistung
Qi , womit vorteilhaft abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Kältemittels bei HochdruckHD im hochdruckseitigen Kältemittelpfad und der Temperatur des Kältemittels des niederdruckseitigen Kältemittelpfades bei NiederdruckND geregelt wird, und/oder - • eine Enthalpiedifferenz im Nassdampfgebiet beim jeweiligen Niederdruck
ND .
- • Wet steam content when entering the
recuperator 250 , - • refrigerant mass flow,
- • transferred heat output
Q i , which advantageously depends on the temperature difference between the temperature of the refrigerant at high pressureHD in the high-pressure side refrigerant path and the temperature of the refrigerant of the low-pressure side refrigerant path at low pressureND is regulated, and / or - • an enthalpy difference in the wet steam area at the respective low pressure
ND .
Vorteilhaft wird somit bewirkt, dass sich in Abhängigkeit der gegebenen Betriebsbedingungen des Dampfkompressionskreises
Im eingeschwungenen Zustand ergibt sich hinsichtlich Regeltreckensteilheit der „isolierten“ Regelstrecke beim Niederdruck
Gegenüber dem Rekuperator
So wird im Verdampfer
Die Einstellung dieses Zustandes erfolgt hierbei vorteilhaft unter Verwendung wenigstens einer der folgenden Zeitkonstanten Z:
- • Mit einer elften Zeitkonstante Z11 wird vorteilhaft eine Verzögerung der mechanischen Öffnungsgradänderung des
Expansionsventils 230 durch die Begrenzung einer Verfahrgeschwindigkeit vorgegeben. - • Eine zwölfte Zeitkonstante Z12 wirkt vorteilhaft auf die verzögerte Einstellung eines korrespondierenden Niederdruckes
ND bei Öffnungsgradänderungen desExpansionsventils 230 aufgrund der Kompressibilität des Kältemitteldampfes im NiederdruckpfadND . - • Eine
13 . Zeitkonstante Z13 ist eine thermische Zeitkonstante der Wärmeübertragungsschicht des Verdampfers. Somit bewirkt eine Änderung des Verdampfungsdruckes und damit der Verdampfungstemperatur eine verzögerte Temperaturänderung der Wärmeübertrageschicht, welche oft mehrere Kilogramm Metall beinhaltet, und des Kältemittels im Niederdruckpfad desVerdampfers 240 . - • Eine
14 . Zeitkonstante Z14 wird vorteilhaft aus verzögerten Aggregatzustandsänderungen des Kältemittels bei Verdampfungstemperaturänderungen ermittelt oder vorgegeben. - • Eine
15 . Zeitkonstante Z15 ergibt sich vorteilhaft aus dem Transport des Kältemittels durchden Verdampfer 240 mit einer endlichen Strömungsgeschwindigkeit und wird berücksichtigt.
- • With an eleventh time constant Z 11 , a delay in the mechanical change in the degree of opening of the expansion valve is advantageous
230 specified by the limitation of a travel speed. - • A twelfth time constant Z 12 has an advantageous effect on the delayed setting of a corresponding low pressure
ND when the opening degree of the expansion valve changes230 due to the compressibility of the refrigerant vapor in the low pressure pathND . - • One
13th . Time constant Z 13 is a thermal time constant of the heat transfer layer of the evaporator. A change in the evaporation pressure and thus the evaporation temperature thus causes a delayed change in temperature of the heat transfer layer, which often contains several kilograms of metal, and of the refrigerant in the low-pressure path of theevaporator 240 . - • One
14th . Time constant Z 14 is advantageously determined or specified from delayed changes in the physical state of the refrigerant in the event of changes in the evaporation temperature. - • One
15th . Time constant Z 15 results advantageously from the transport of the refrigerant through theevaporator 240 with a finite flow velocity and is taken into account.
Der niederdruckseitige Kältemittelpfad des Rekuperators
Nach Änderung der Stellgröße „Öffnungsgrad Expansionsventil 230“ stellt sich dann eine weitere Verzögerung der korrespondierenden Kältemittelzustandsänderung durch das Zeitverhalten des Rekuperators
Das Zeitverhalten des Rekuperators
Es erfolgt vorteilhaft eine gewichtete Kombination Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und der der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA, indem insbesondere mittels einer gewichteten Kombination der Regelabweichung der Verdichterüberhitzung und der Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA die Gesamtregelabweichung berechnet wird, welche im Regler
Die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE wird vorteilhaft als Haupt - Regelgröße verwendet und die korrespondierenden Signalflüsse und Signalverarbeitungen erfolgt insbesondere in den folgenden Verfahrensschritten:The compressor inlet overheating dT U ̈ E is advantageously used as the main control variable and the corresponding signal flows and signal processing takes place in particular in the following process steps:
Schritt 1
Zunächst werden die Prozessgrößen Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE vorteilhaft als Hauptregelgröße und die Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA vorteilhaft als Hilfsgröße in einem ersten Verfahrensschritt messtechnisch erfasst.First, the process variables compressor inlet superheating dT ÜE are advantageously recorded as the main control variable and the evaporator outlet superheating dT̈ U ̈ A advantageously as an auxiliary variable in a first process step.
Dazu wird jeweils eine Verdampfungstemperatur des Kältemittels am jeweiligen Erfassungspunkt entweder
- • direkt messtechnisch ermittelt, mit einem Temperatursensor, welcher so positioniert ist, dass er eine der Kältemitteltemperatur im Nassdampfgebiet entsprechende Temperatur erfasst oder
- • indirekt messtechnisch ermittelt, mit einem Drucksensor, welcher einen Kältemitteldruck des im Nassdampfgebiet verdampfenden Kältemittels erfasst und aus der kältemittelspezifischen Abhängigkeit zwischen Druck und Temperatur im Nassdampfgebiet dann die Verdampfungstemperatur berechnet wird.
- • determined directly by measurement, with a temperature sensor which is positioned in such a way that it detects a temperature corresponding to the refrigerant temperature in the wet steam area or
- • Determined indirectly by measurement, with a pressure sensor which detects the refrigerant pressure of the refrigerant evaporating in the wet steam area and then calculates the evaporation temperature from the refrigerant-specific dependency between pressure and temperature in the wet steam area.
Des Weiteren wird am jeweiligen dem Überhitzungsmesspunkt, insbesondere am Verdampferausgang
Ausgangsgrößen der Berechnung in Schritt
Schritt 2step 2
Die Prozessgrößen Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA werden zur Bildung zugeordneter Regelabweichungen mit jeweils zugeordneten Sollwerten in einem zweiten Schritt vorteilhaft verrechnet:
- Der Sollwert für die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE wird vorteilhaft zur Sicherstellung des zulässigen Verdichtersbetriebsbereiches und eines möglichst hohen Wirkungsgrades des Kältekreises im Bereich zwischen ca. 5 K bis 20 K variiert.
- The nominal value for the compressor inlet superheating dT U ̈ E is advantageously varied in the range between approx. 5 K to 20 K in order to ensure the permissible compressor operating range and the highest possible efficiency of the refrigeration circuit.
Der Sollwert für die Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA am Verdampferaustritt
Es wird dann die Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE berechnet, indem vom Prozesswert der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE der Sollwert der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE subtrahiert wird.The control deviation of the compressor inlet superheat dT ÜE is then calculated by subtracting the setpoint of the compressor inlet superheat dT U ̈ E from the process value of the compressor inlet superheat dT U ̈ E.
Es wird dann die Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA berechnet, indem vom Prozesswert der Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA der Sollwert der Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA subtrahiert wird.It will then calculate the difference of the evaporator outlet superheat dT ÜA by setting the target value of the evaporator outlet superheat dt U ̈ A is subtracted from the process value of the evaporator outlet superheat dt U ̈ A.
Schritt 3step 3
In einem dritten Verfahrensschritt werden die Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und die Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA vorteilhaft zu einer Gesamtregelabweichung-Überhitzung kombiniert.In a third method step, the control deviation of the compressor inlet superheating dT ÜE and the control deviation of the evaporator outlet superheating dT̈ U ̈ A are advantageously combined to form an overall control deviation superheating.
Die Kombination erfolgt insbesondere mittels einer gewichteten Addition der Einzel - Regelabweichungen.The combination takes place in particular by means of a weighted addition of the individual control deviations.
Der Gewichtungseinfluss ist ein Maß für die anteilige Kombination der Einzel - Regelabweichungen und kann im Extremfall die ausschließliche Einbeziehung nur einer Einzel - Regelabweichung, aber üblicherweise die gewichtete Einbeziehung beider Einzel - Regelabweichungen bewirken.The weighting influence is a measure of the proportional combination of the individual system deviations and, in extreme cases, can result in the exclusive inclusion of only one individual system deviation, but usually the weighted inclusion of both individual system deviations.
Vorteilhaft wird der Gewichtungseinfluss als Wert zwischen 0 bis 1, also 0 bis 100 % veranschlagt und dieser Wert wird auf den Grad der Einbeziehung der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE in die Gesamt - Regelabweichung einbezogen, womit sich für die Berechnung der Gesamt - Regelabweichung folgende Abhängigkeit ergibt:
Der Wert des Gewichtungseinflusses kann vorteilhaft von der Betriebsart und/oder dem Arbeitspunkt der Wärmepumpe
- • Beim Betriebsartübergang zwischen Betriebsart = Betrieb
mit ausgeschaltetem Verdichter 210 und Betriebsart = Betriebmit eingeschaltetem Verdichter 210 im Heizbetrieb wird aufgrund der dynamischen Prozesswerteänderungen beim Anfahren des Dampfkompressionssystems200 vorteilhaft ausschließlich zunächst die Regelabweichung Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA in die Gesamt - Regelabweichung einbezogen, insbesondere ist der Wert eines Gewichtungseinflusses dann zunächst = 0 oder ein Wert vorteilhaft unter 20 %. - • Nach einer Stabilisierungsphase des Dampfkompressionssystems
200 ist es vorteilhaft, nicht spontan auf den für den Regelbetrieb ausgelegten Wert des Gewichtungseinflusses umzuschalten, sondern den Übergang rampenförmig zu gestalten. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass der Wert vom Gewichtungseinfluss vom Startwert = 0, oder einem Wert insbesondere unter 20%, vorteilhaft rampenförmig auf den vorgesehenen Zielwert angehoben werden. Hiermit wird insbesondere eine Werteunstetigkeit bei einem spontanen Umschalten vermieden und somit Regelschwingungen vermieden. - • Der Zielwert des Gewichtungseinflusses wird vorteilhaft an die jeweilige Betriebsart und den Arbeitspunkt angepasst. Betriebspunkte, welche sich durch erhöhte Schwingneigung auszeichnen bedürfen vorteilhaft einer geringeren Gewichtung der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE, insbesondere wird hiermit ein regeltechnisch kritisches Signalverhalten der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE aufgrund der gegenüber der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA größeren Signalverzögerung und größeren Streckensteilheit eine Schwingneigung vermieden.
- • When the operating mode is changed between operating mode = operation with the compressor switched off
210 and operating mode = operation with the compressor switched on210 in heating mode, due to the dynamic process value changes when starting up the vapor compression system200 Advantageously, initially only the control deviation evaporator outlet superheating dT̈ U ̈ A in the total control deviation included, in particular the value of a weighting influence is then initially = 0 or a value advantageously below 20%. - • After a stabilization phase of the vapor compression system
200 it is advantageous not to switch spontaneously to the value of the weighting influence designed for regular operation, but to design the transition in a ramp-shaped manner. In this case, it is advantageous that the value of the weighting influence from the starting value = 0, or a value in particular below 20%, is advantageously increased in the form of a ramp to the intended target value. This in particular avoids a value discontinuity in the event of a spontaneous switchover and thus avoids control fluctuations. - • The target value of the weighting influence is advantageously adapted to the respective operating mode and the operating point. Operating points which are characterized by an increased tendency to oscillate advantageously require a lower weighting of the control deviation of the compressor inlet overheating dT U ̈ E , in particular a control-technically critical signal behavior of the compressor inlet overheating dT U ̈ E due to the greater signal delay compared to the evaporator outlet overheating tendency dT ÜA is avoided and a greater signal delay dT ÜA .
Schritt 4:Step 4:
In einem vierten Verfahrensschritt wird die berechnete Gesamt - Regelabweichung der Überhitzung dann im Regler
Dabei kann ein P, I, PI, PID - Regler eingesetzt werden, wobei die Regelanteile an die jeweilige Betriebsart und den Arbeitspunkt vorteilhaft dynamisch angepasst werden.A P, I, PI, PID controller can be used, the control components being advantageously dynamically adapted to the respective operating mode and the operating point.
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 10159892 A1 [0005]DE 10159892 A1 [0005]
- DE 102005061480 B3 [0006]DE 102005061480 B3 [0006]
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