DE102020115275A1 - Method for operating a compression refrigeration system and compression refrigeration system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kompressionskälteanlage (200) und eine zugehörige Kompressionskälteanlage (200). Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Berechnen einer Temperaturdifferenz zwischen Taupunkttemperatur und Siedepunkttemperatur, genannt Temperaturgleit, des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt der Kompressionskälteanlage auf Grundlage eines erfassten Niederdruckes (ND) des Kältemittels, Berechnen eines Temperaturdifferenz-Grenzwertes relativ zum berechneten Temperaturgleit des erfassten Niederdrucks (ND) des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt, Bewerten der aktuellen Verdampferaustrittsüberhitzung auf Unterschreitung des Temperaturdifferenz-Grenzwertes, Bereitstellen eines Sollwertes einer Überhitzung, die als eine Differenz zwischen Temperatur des Kältemittels und Taupunkttemperatur definiert ist, bei Eintritt in den Verdichter (210), genannt Verdichtereintrittsüberhitzung, Bewerten der aktuellen Verdichtereintrittsüberhitzung auf Überschreitung des Sollwertes der Verdichtereintrittsüberhitzung, Erkennen einer Kältemittelmangelsituation, wenn beide Ergebnisse der Schritte des Bewertens für eine festgelegte Zeit ununterbrochen erfüllt sind.The present invention relates to a method for operating a compression refrigeration system (200) and an associated compression refrigeration system (200). The method comprises the following steps: Calculating a temperature difference between dew point temperature and boiling point temperature, called temperature glide, of the refrigerant at the current operating point of the compression refrigeration system on the basis of a detected low pressure (LP) of the refrigerant, calculating a temperature difference limit value relative to the calculated temperature glide of the detected low pressure ( ND) of the refrigerant at the current operating point, evaluation of the current evaporator outlet overheating to determine whether the temperature difference limit value is undershot, provision of a setpoint value for superheating, which is defined as a difference between the temperature of the refrigerant and the dew point temperature, when entering the compressor (210), called compressor inlet superheating , Evaluation of the current compressor inlet overheating for exceeding the setpoint for the compressor inlet overheating, detection of a refrigerant shortage situation if both results of the Steps of evaluating are fulfilled continuously for a specified time.
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 und einer Steuereinheit.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 and a control unit.
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 optionalen 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 optional 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
Die Regelung der Kompressionskälteanlage muss verschiedene Anforderungen erfüllen, so wird beispielsweise gefordert, dass eine Leistungszahl möglichst hoch ist, um einen möglichst energieeffizienten Betrieb zu erlauben. Zentral ist aber auch, dass die Betriebsgrenzen der Komponenten eingehalten werden.The regulation of the compression refrigeration system has to meet various requirements, for example it is required that a coefficient of performance is as high as possible in order to allow the most energy-efficient operation possible. But it is also crucial that the operating limits of the components are observed.
Die Leistungszahl hängt maßgeblich von der richtigen Menge an Kältemittel ab, die durch den Kältekreis zirkuliert. Überschüssiges Kältemittel kann beispielsweise in einem Kältemittelsammler gesammelt werden, so dass die richtige Menge an Kältemittel zirkuliert. Ist zu wenig Kältemittel vorhanden, das durch den Kältekreis zirkulieren kann, so ergibt sich ein schlechter Wirkungsgrad der Kompressionskälteanlage. Eine solche Kältemittelmangelsituation kann verschiedene Ursachen haben, die unterschiedliche Reaktionen erfordern.The coefficient of performance depends largely on the correct amount of refrigerant that circulates through the refrigeration circuit. For example, excess refrigerant can be collected in a refrigerant collector so that the correct amount of refrigerant circulates. If there is too little refrigerant that can circulate through the refrigeration circuit, the efficiency of the compression refrigeration system is poor. Such a refrigerant shortage situation can have various causes that require different reactions.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben der eingangs genannten Kompressionskälteanlage vorzuschlagen, dass eine Kältemittelmangelsituation und dessen Ursache zuverlässig erkennen kann.Against this background, it is an object of the present invention to propose a method for operating the compression refrigeration system mentioned at the beginning, which can reliably detect a refrigerant deficiency situation and its cause.
Gelöst wir die Aufgabe durch die Verfahrensmerkmale des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtungsmerkmale des Anspruchs 6.We solved the problem by the method features of claim 1 and the device features of claim 6.
Demnach wird ein Verfahren zum Betreiben einer Kompressionskälteanlage vorgeschlagen mit einem Kältemittel, das einen Temperaturgleit aufweist, einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Drosselorgan, einem internen Wärmeübertrager, wobei der interne Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter ausgebildet ist, und einer Steuereinheit, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist a) zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels nach Austritt aus dem Verdampfer sowie zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter und b) zur Regelung des Drosselorgans ausgebildet ist, wobei die Regelung des Drosselorgans mit Hilfe einer auf beiden Überhitzungen basierenden Regelgröße und c) zur Detektion eines Kältemittelmangels zumindest im Verflüssiger ausgebildet ist.Accordingly, a method for operating a compression refrigeration system is proposed with a refrigerant that has a temperature glide, an evaporator, a compressor, a condenser, a throttle element, an internal heat exchanger, the internal heat exchanger for transferring thermal energy of the refrigerant before it enters the throttle element the refrigerant is formed before entering the compressor, and a control unit, wherein the control unit is designed a) to detect overheating of the refrigerant after exiting the evaporator and to detect overheating of the refrigerant when entering the compressor and b) to regulate the Throttle member is formed, wherein the regulation of the throttle member with the aid of a control variable based on both overheating and c) for detecting a lack of refrigerant is formed at least in the condenser.
Das Verfahren umfasst ein Berechnen einer Temperaturdifferenz zwischen Taupunkttemperatur und Siedepunkttemperatur, genannt Temperaturgleit, des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt der Kompressionskälteanlage auf Grundlage eines erfassten Niederdruckes des Kältemittels.The method includes calculating a temperature difference between the dew point temperature and the boiling point temperature, called a temperature glide, of the refrigerant at the current operating point of the compression refrigeration system on the basis of a detected low pressure of the refrigerant.
Der Temperaturgleit ist vom aktuellen Druck, auf den man ihn bezieht, abhängig. Erfindungsgemäß ist der im Niederdruckpfad des Kältemittels relevant. Hierbei kann der Temperaturgleit anhand einer für das verwendete Kältemittel bekannten Kennlinie bestimmt werden. Kältemittel, die einen Temperaturgleit aufweisen, sind üblicherweise Mischungen von zwei oder mehreren Kältemittelkomponenten. Besonders bevorzugt wird in diesem Fall eine Korrektur der bekannten Kennlinie aufgrund von Abweichungen des Mischungsverhältnisses vorgesehen.The temperature glide depends on the current pressure to which it is related. According to the invention, the one in the low-pressure path of the refrigerant is relevant. Here, the temperature glide can be determined on the basis of a characteristic curve known for the refrigerant used. Refrigerants that have a temperature glide are usually mixtures of two or more refrigerant components. In this case, a correction of the known characteristic curve based on deviations in the mixing ratio is particularly preferably provided.
Das Verfahren umfasst ferner ein Berechnen eines Temperaturdifferenz-Grenzwertes relativ zum berechneten Temperaturgleit des erfassten Niederdrucks des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt.The method further comprises calculating a temperature difference limit value relative to the calculated temperature glide of the detected low pressure of the refrigerant at the current operating point.
Das Verfahren umfasst ferner ein Bewerten der aktuellen Verdampferaustrittsüberhitzung auf Unterschreitung des Temperaturdifferenz-Grenzwertes.The method further includes evaluating the current evaporator outlet overheating for undershooting the temperature difference limit value.
Beispielsweise und nicht einschränkend kann der Temperaturgleit in typischen Arbeitsbereichen bei typischen Kältemitteln, wie beispielsweise R454C, in einem Bereich von 5 K bis 15 K, insbesondere zwischen 7 und 8 K liegen. Das Kältemittel tritt aus dem Verdampfer mit einer Verdampferaustrittsüberhitzung von -2 oder -2,5 K aus, das heißt, die Temperatur des Kältemittels am Verdampferaustritt ist geringer als die Temperatur, bei dem die Verdampfung abgeschlossen ist. Der Temperaturdifferenz-Grenzwert kann nun festlegen, dass die Voraussetzung zum Vorliegen einer Kältemittelmangelsituation erfüllt ist, wenn das Kältemittel mit einer niedrigeren Temperatur als -4 bzw. -5 K Abstand zum Abschluss der Verdampfung aus dem Verdampfer austritt.For example and not by way of limitation, the temperature glide in typical working ranges for typical refrigerants such as R454C, for example, can be in a range from 5 K to 15 K, in particular between 7 and 8 K. The refrigerant exits the evaporator with an evaporator outlet superheat of -2 or -2.5 K, that is, the temperature of the refrigerant at the evaporator outlet is lower than the temperature at which the evaporation is complete. The temperature difference limit value can now stipulate that the prerequisite for the presence of a refrigerant shortage situation is fulfilled if the refrigerant exits the evaporator at a temperature lower than -4 or -5 K after the evaporation has ended.
Das Verfahren umfasst ferner ein Bereitstellen eines Sollwertes einer Überhitzung, die als eine Differenz zwischen Temperatur des Kältemittels und Taupunkttemperatur definiert ist, bei Eintritt in den Verdichter, genannt Verdichtereintrittsüberhitzung,The method further comprises providing a setpoint value for superheating, which is defined as a difference between the temperature of the refrigerant and the dew point temperature, when entering the compressor, called compressor inlet superheating,
Das Verfahren umfasst ferner ein Bewerten der aktuellen Verdichtereintrittsüberhitzung auf Überschreitung des Sollwertes der Verdichtereintrittsüberhitzung,The method further comprises evaluating the current compressor inlet overheating to determine whether the setpoint value of the compressor inlet overheating is exceeded,
Das Verfahren umfasst schließlich ein Erkennen einer Kältemittelmangelsituation, wenn beide Ergebnisse der Schritte des Bewertens für eine festgelegte Zeit ununterbrochen erfüllt sind.The method finally includes a recognition of a refrigerant shortage situation when both results of the evaluation steps are met without interruption for a specified time.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher, in Kompressionskälteanlagen mit internem Wärmeübertrager anhand zweier Überhitzungswerte des Kältemittels im Niederdruckpfad, nämlich bei Austritt aus dem Verdampfer und bei Eintritt in den Verdichter, zuverlässig eine bestehende Kältemittelmangelsituation zu erkennen.The method according to the invention therefore enables an existing refrigerant deficiency situation to be reliably detected in compression refrigeration systems with internal heat exchangers based on two superheating values of the refrigerant in the low-pressure path, namely when it exits the evaporator and when it enters the compressor.
Die festgelegte Zeit ist vorzugsweise wenigstens eine Minute, besonders bevorzugt 10 Minuten. Damit wird dem Regelkreis die Gelegenheit gegeben, stabil in den gewünschten Zustand zurückzukehren, was eine gewisse Zeit erfordert.The set time is preferably at least one minute, particularly preferably 10 minutes. This gives the control loop the opportunity to return to the desired state in a stable manner, which requires a certain amount of time.
Erst nach Stabilisierungszeit lohnt es sich, einen Kältemittelmangel zu bewerten. Wenn tatsächlich Kältemittelmangel vorliegt, wird dieser beispielsweise über Tage/Monate/Jahre durch kleine Leckagen hervorgerufen; es tritt kein kritischer Schaden auf, sondern die Leistungszahl sinkt ab.It is only worthwhile to assess a lack of refrigerant after the stabilization period has elapsed. If there is actually a lack of refrigerant, this is caused by small leaks, for example over days / months / years; there is no critical damage, but the performance figure drops.
Vorzugsweise weist das Kältemittel einen Temperaturglide auf, wobei das Kältemittel insbesondere R454C aufweist oder daraus besteht, und wobei die Kompressionskälteanlage insbesondere einem internen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter enthält. Dies ist insbesondere deshalb einschlägig, da bei Kältekreisen mit R454C regelmäßig leistungsstarke interne Wärmeübertrager zum Einsatz kommen.The refrigerant preferably has a temperature glide, the refrigerant in particular having or consisting of R454C, and where the compression refrigeration system contains in particular an internal heat exchanger for transferring thermal energy of the refrigerant to the refrigerant before it enters the throttle element before it enters the compressor. This is particularly relevant because high-performance internal heat exchangers are regularly used in refrigeration circuits with R454C.
Vorzugsweise weist das Verfahren weiter den folgenden Schritt aufweist: Durchführung eines Versuchs einer Kältemittelrückführung in den Verflüssiger durch zeitlich begrenzte Erhöhung des Sollwertes der Verdichterdrehzahl und / oder zeitlich begrenzte Erhöhung des Sollwertes der Verdampferaustrittsüberhitzung.The method preferably also has the following step: Carrying out an attempt to recirculate refrigerant into the condenser by increasing the setpoint value of the compressor speed for a limited time and / or increasing the setpoint value for the evaporator outlet superheating for a limited time.
In dieser bevorzugten Ausführung wird die erkannte Kältemittelmangelsituation versucht aufzulösen. Es muss zwischen zwei grundsätzlich unterschiedlichen Mechanismen, die zu Kältemittelmangel im Verflüssiger führen, unterschieden werden. Bei dem ersten Mechanismus ist durch Leckagen, Undichtigkeiten, etc. in dem System zu wenig Kältemittel vorhanden. Diese Situation kann lediglich über einen händischen Eingriff, das heißt das Wiederbefüllen des Kältekreises mit der benötigten Kältemittelmenge und ein Abdichten des Kältekreises behoben werden.In this preferred embodiment, an attempt is made to resolve the identified refrigerant shortage situation. A distinction must be made between two fundamentally different mechanisms that lead to a lack of refrigerant in the condenser. With the first mechanism, there is too little refrigerant in the system due to leaks, leaks, etc. This situation can only be remedied by manual intervention, i.e. refilling the refrigeration circuit with the required amount of refrigerant and sealing the refrigeration circuit.
Die zweite Situation eines Kältemittelmangels im Verflüssiger wird durch in Komponenten des Kältekreises auskondensiertes Kältemittel hervorgerufen. In bestimmten Arbeitspunkten kann Kältemittel, beispielsweise an tiefliegenden Positionen im Verdampfer, ausfallen und aufgrund geringer Strömungsgeschwindigkeiten sowie der Gravitation nicht mit dem gasförmigen Kältemittel zusammen aus dem Verdampfer austreten. Das Kältemittel bleibt anders ausgedrückt in der Komponente gefangen und steht für den Kreislauf nicht zur Verfügung. Er wurde herausgefunden, dass besonders bei flächenmäßig großen Verdampfern sowie Betriebspunkten mit geringen Leistungsanforderungen, beispielsweise geringen Verdichterdrehzahlen, die Gefahr der Akkumulation von Kältemittel in Komponenten des Kältekreises ansteigt. Bei derartigen Kältemittelmangelsituationen besteht die Möglichkeit, durch die Verlagerung des Arbeitspunktes eine erfolgreiche Rückführung des Kältemittels anzustoßen.The second situation of a lack of refrigerant in the condenser is caused by refrigerant that has condensed out in components of the refrigeration circuit. At certain operating points, refrigerant can fail, for example at low positions in the evaporator, and due to low flow velocities and gravity, it cannot escape from the evaporator together with the gaseous refrigerant. In other words, the refrigerant remains trapped in the component and is not available for the cycle. It was found that the risk of refrigerant accumulation in components of the refrigeration circuit increases, particularly in the case of evaporators with a large area and operating points with low performance requirements, for example low compressor speeds. In such situations where there is a lack of refrigerant, it is possible to initiate a successful return of the refrigerant by shifting the operating point.
Vorzugsweise weist das Verfahren weiter den folgenden Schritt aufweist: Generierung eines Fehlerzustandes bei erfolglosem Versuch der Kältemittelrückführung, insbesondere bei mehrfachem erfolglosem Versuch der Kältemittelrückführung, in einer festgelegten Zeitspanne.The method preferably also has the following step: generating an error state in the event of an unsuccessful attempt to recirculate the refrigerant, in particular in the case of multiple unsuccessful attempts to recirculate the refrigerant, in a specified period of time.
Verläuft der Versuch der Kältemittelrückführung ohne Erfolg, ist mit größerer Wahrscheinlichkeit von einer Leckage und einer tatsächlich zu geringen Menge an Kältemittel auszugehen. Lediglich ein manueller Eingriff, der wie oben beschrieben ein Auffüllen von Kältemittel und Abdichten des Kältekreises enthält, ist dann geeignet, den effizienzoptimierten Betrieb wiederherzustellen.If the attempt to recirculate the refrigerant is unsuccessful, it is more likely that there is a leak and that the amount of refrigerant is actually too low. Only a manual intervention, which, as described above, includes topping up the refrigerant and sealing the refrigeration circuit, is then suitable for restoring the efficiency-optimized operation.
Der Fehlerzustand kann vorzugsweise auf einem Gehäuse der Kompressionskälteanlage, beispielsweise in einem Display, angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Fehlerzustand samt weitergehender Diagnoseinformationen an einen Server übertragen und/oder in einer App angezeigt werden. Die Diagnoseinformationen können bei einer Reparatur unterstützen.The fault status can preferably be displayed on a housing of the compression refrigeration system, for example in a display. As an alternative or in addition, the error status including further diagnostic information can be transmitted to a server and / or displayed in an app. The diagnostic information can help with a repair.
In einer Ausführung kann eine feste Zeitdauer und ein fester Wert relativ zum Temperaturgleit eingestellt werden, der angibt, dass in dem Verdampfer eine signifikant zu geringe Energie übertragen wird, was auf eine Kältemittelverlagerung hindeutet. In verschiedenen Arbeitspunkten wird von einem regulärem Überhitzungswert ausgegangen, der auch ins Negative geht, insbesondere basierend auf bekannten, modellbasierte Vorsteuerkennlinien. Basierend auf diesem regulären Überhitzungswert kann erfindungsgemäß bestimmt werden, dass eine Grenze für Kältemittelmangel immer dann erreicht ist, wenn ein Abstand davon einen gewissen Schwellwert, den Temperaturdifferenz-Grenzwert, beispielsweise 1 K oder 2 K, besonders bevorzugt 1,5 K, erreicht ist.In one embodiment, a fixed period of time and a fixed value can be set relative to the temperature glide, which indicates that the energy being transferred in the evaporator is significantly too little, which indicates a shift in refrigerant. At various operating points, a regular overheating value is assumed, which is also negative, in particular based on known, model-based pre-control characteristics. Based on this regular overheating value, it can be determined according to the invention that a limit for refrigerant shortage is always reached when a certain threshold value, the temperature difference limit value, for example 1 K or 2 K, particularly preferably 1.5 K, is reached.
Vorzugsweise erfolgt das Berechnen des Temperaturdifferenz-Grenzwertes relativ zum berechneten Temperaturgleit des erfassten Niederdrucks des Kältemittels abhängig von dem aktuellen Arbeitspunkt der Kompressionskälteanlage.The temperature difference limit value is preferably calculated relative to the calculated temperature glide of the detected low pressure of the refrigerant as a function of the current operating point of the compression refrigeration system.
Vorzugsweise wird der Temperaturdifferenz-Grenzwert relativ zum berechneten Temperaturgleit proportional zu einer Differenz zwischen Wärmesenkentemperatur und Wärmequellentemperatur eingestellt.The temperature difference limit value is preferably set relative to the calculated temperature glide proportionally to a difference between the heat sink temperature and the heat source temperature.
In dieser Ausführungsform kann der Temperaturdifferenz-Grenzwert demnach auch modellbasiert korrigiert werden, womit die Diagnose eines Kältemittelmangels noch genauer abhängiger von der Betriebssituation bestimmt werden kann. Im regulären Betrieb stattfindende Überhitzungsreduktion in negative Bereiche - die spätestens bei Eintritt in den Verdichter ausgeschlossen werden muss - ist durch die Verwendung eines Rekuperators möglich und geht nah an Bereiche ran, in denen Kältemittelmangel detektiert wird.In this embodiment, the temperature difference limit value can accordingly also be corrected on the basis of a model, with which the diagnosis of a refrigerant deficiency can be determined even more precisely as a function of the operating situation. Overheating reduction in negative areas that takes place in normal operation - which must be excluded at the latest when entering the compressor - is possible through the use of a recuperator and comes close to areas in which a lack of refrigerant is detected.
Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, den Temperaturdifferenz-Grenzwert zusätzlich zum Gleit, der eine physikalische Eigenschaft des Kältemittels ist, auch vom Betriebspunkt des Verdampfers, also der Temperaturkonstellation der Medientemperaturen, abhängig zu gestalten. Liegt eine geringe treibende Temperaturdifferenz vor, wird nur eine geringe negative Überhitzung erwartet, so dass der Temperaturdifferenz-Grenzwert nah an den geringen negativen Überhitzungswert heran gelegt werden kann. Für eine große treibende Temperaturdifferenz, beispielsweise bei hohen Vorlauftemperaturen und/oder niedrigen Wärmequellentemperaturen, ist demnach vorteilhaft, einen größeren Temperaturdifferenz-Grenzwert zu implementierenFor this reason, it is advantageous to make the temperature difference limit value, in addition to sliding, which is a physical property of the refrigerant, also dependent on the operating point of the evaporator, i.e. the temperature constellation of the media temperatures. If there is a small driving temperature difference, only a slight negative overheating is expected, so that the temperature difference limit value can be set close to the low negative overheating value. For a large driving temperature difference, for example at high flow temperatures and / or low heat source temperatures, it is therefore advantageous to implement a larger temperature difference limit value
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch eine Kompressionskälteanlage mit einem Kältemittel, das einen Temperaturgleit aufweist, einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Drosselorgan, einem internen Wärmeübertrager, wobei der interne Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels im Hochdruckpfad vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel im Niederdruckpfad vor Eintritt in den Verdichter ausgebildet ist, und einer Steuereinheit gelöst. Die Steuereinheit ist ausgebildet a) zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels nach Austritt aus dem Verdampfer sowie zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter b) zur Regelung des Drosselorgans mit Hilfe einer auf beiden Überhitzungen basierenden Regelgröße und c) zur Detektion eines Kältemittelmangels zumindest im Verflüssiger.According to the invention, the object is also achieved by a compression refrigeration system with a refrigerant that has a temperature glide, an evaporator, a compressor, a condenser, a throttle element, an internal heat exchanger, the internal heat exchanger for transferring thermal energy of the refrigerant in the high-pressure path before it enters the throttle element is formed on the refrigerant in the low-pressure path before entering the compressor, and released a control unit. The control unit is designed a) to detect overheating of the refrigerant after it leaves the evaporator and to detect overheating of the refrigerant when entering the compressor b) to regulate the throttle element with the aid of a control variable based on both overheating and c) to detect a lack of refrigerant at least in the condenser.
Die Steuereinheit ist ferner ausgebildet zum: Berechnen einer Temperaturdifferenz zwischen Taupunkttemperatur und Siedepunkttemperatur, genannt Temperaturgleit, des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt der Kompressionskälteanlage auf Grundlage eines erfassten Niederdruckes des Kältemittels, Berechnen eines Temperaturdifferenz-Grenzwertes relativ zum berechneten Temperaturgleit des erfassten Niederdrucks des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt, Bewerten der aktuellen Verdampferaustrittsüberhitzung auf Unterschreitung des Temperaturdifferenz-Grenzwertes, Bereitstellen eines Sollwertes einer Überhitzung, die als eine Differenz zwischen Temperatur des Kältemittels und Taupunkttemperatur definiert ist, bei Eintritt in den Verdichter, genannt Verdichtereintrittsüberhitzung, Bewerten der aktuellen Verdichtereintrittsüberhitzung auf Überschreitung des Sollwertes der Verdichtereintrittsüberhitzung, Erkennen einer Kältemittelmangelsituation, wenn beide Ergebnisse der Schritte des Bewertens für eine festgelegte Zeit ununterbrochen erfüllt sind.The control unit is also designed to: calculate a temperature difference between dew point temperature and boiling point temperature, called temperature glide, of the refrigerant at the current operating point of the compression refrigeration system on the basis of a detected low pressure of the refrigerant, calculate a temperature difference limit value relative to the calculated temperature glide of the detected low pressure of the refrigerant in the current operating point, evaluation of the current evaporator outlet overheating for falling below the temperature difference limit value, provision of a target value for overheating, which is defined as a difference between the temperature of the refrigerant and dew point temperature, when entering the compressor, called compressor inlet overheating, evaluation of the current compressor inlet overheating for exceeding the target value the compressor inlet overheating, detection of a refrigerant shortage situation if both results of the steps of loading are met without interruption for a specified period of time.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch eine Wärmepumpe mit einer erfindungsgemäßen Kompressionskälteanlage gelöst.The object is also achieved according to the invention by a heat pump with a compression refrigeration system according to the invention.
Bevorzugte Ausgestaltungen und damit verknüpfte Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ebenso auf die erfindungsgemäße Kompressionskälteanlage sowie die erfindungsgemäße Wärmepumpe anwendbar.Preferred embodiments and associated advantages of the method according to the invention can also be applied to the compression refrigeration system according to the invention and the heat pump according to the invention.
Die erfindungsgemäße Kompressionskälteanlage eignet sich unabhängig von der Art der Wärmepumpe, beispielsweise Luft-/Wasser-, Sole-/Wasser-Wärmepumpen, und unabhängig von dem Ort der Aufstellung.The compression refrigeration system according to the invention is suitable regardless of the type of heat pump, for example air / water, brine / water heat pumps, and regardless of the location of the installation.
Weitere Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen werden nachfolgend mit Verweis auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigen:
-
1 Wärmepumpe 100 mit einem Dampfkompressionskreislauf200 -
2 log p / h - Diagramm desDampfkompressionsprozesses mit Rekuperator 250 -
3 das log p / h - Diagramm der2 ohne Kältemittelmangel und -
4 ein log p / h - Diagramm mit Kältemittelmangel.
-
1 Heat pump 100 with a vapor compression cycle 200 -
2 log p / h - diagram of the vapor compression process withrecuperator 250 -
3 the log p / h diagram of the2 without lack of refrigerant and -
4th a log p / h diagram with insufficient refrigerant.
- •
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 optionalen 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 Hochdruck HD 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 optional
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 is brought to a high pressure HD and to acondenser 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 Hochdrucks HD desKältemittels am Verdichteraustritt 212 oder zwischendem Verdichteraustritt 212 und dem Expansionsventileintritt 231 , - •
ein Heißgastemperatursensor 504 vorteilhaft zur Erfassung einer HeißgastemperaturTHG desKältemittels am Verdichteraustritt 212 , oder im Kältekreisabschnittzwischen dem Verdichteraustritt 212 und dem Verflüssigereintritt 221 , - •
ein Innentemperatursensor 506 vorteilhaft zur Erfassung der Innentemperatur TIe 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 Verflüssigeraustrittstemperatur TFA des Kältemittel in der Strömungsrichtung am Verflüssigeraustritt oder dem hochdruckseitigen Rekuperatoreintritt und daher wird vorteilhaft die Verflüssigeraustrittstemperatur TFA vom Rekuperatorinnentemperatursensor505 gemessen.
- • A
high pressure sensor 503 advantageous for recording the high pressure HD 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 recording a hot gas temperatureT 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 detecting the internal temperature T Ie 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 temperature T 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 T FA from the recuperator internal temperature sensor is advantageous505 measured.
Die folgenden Sensoren sind insbesondere für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft:
- •
Ein Niederdrucksensor 502 zur Erfassung des Niederdrucks ND desKältemittels am Verdichtereintritt 211 , oder zwischendem Expansionsventil 230 und dem Verdichtereintritt 211 , - •
ein Verdampferaustrittstemperatursensor 508 zur Erfassung der Verdampferaustrittstemperatur Tva 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 Verdichtereintrittstemperatur TKE 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 pressure LP 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 temperature Tva 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 temperature T 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 TKE des Kältemittels und der Verdampfungstemperatur des Kältemittels bei gesättigtem Dampf.The overheating describes the temperature difference between the recorded compressor inlet temperature T KE of the refrigerant and the evaporation temperature of the refrigerant in the case of saturated steam.
Erfindungsgemäß wird vorzugsweise die Verdichtereintrittsüberhitzung derart geregelt, dass kein Kondensat durch 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 fürdie 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 dTÜA 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 ÜE = 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 dTÜA 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 ÜE 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 vorteilhaft 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 changes advantageously desired heating output without further compensatory changes in the degree of opening of the expansion valve, the control value R into undesired ranges, so that a model-based, supported change in the degree of opening of the expansion valve for regulating R is advantageous, possibly even necessary, with the change in compressor speed.
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 Schrittmotor eine nadelförmige Düsennadel per Gewinde in einen Düsensitz gefahren wird.
- The
expansion valve 230 acts as a nozzle with an electrically 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 HD des Kältemittels beim Eintritt in das Expansionsventil
Wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils
Da es sich bei Kältemitteldampf um ein kompressibles Medium handelt, sinkt dann der Niederdruck ND auf der Niederdruckseite des Dampfkompressionskreises
Wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils
Der Niederdruck ND wiederum beeinflusst maßgeblich die Wärmeübertragung zwischen Wärmequellenmedium und Kältemittel im Verdampfer
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 eine zugeordnete 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 LP, which the refrigerant exhibits as an assigned function of the 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 240“ ein Regelstreckenverhalten mit moderater Steilheit. In the steady state, a controlled system behavior with moderate steepness results with regard to a control path steepness of the "isolated" controlled system "
Das Regelstreckenverhalten ist insbesondere gekennzeichnet durch Regelstreckenausgangswertes Verdampferaustrittsüberhitzung als Funktion des Regelstreckeneingangswertes Expansionsventilöffnungsgrad.The control system behavior is characterized in particular by the control system output value of the evaporator outlet overheating as a function of the control system input value of the expansion valve opening degree.
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 eingestellt.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 einVerfahrschritt 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 Niederdruck ND 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 travel 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 pressure LP 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 Hochdruck HD im hochdruckseitigen Kältemittelpfad und der Temperatur des Kältemittels des niederdruckseitigen Kältemittelpfades bei Niederdruck ND 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 is advantageously regulated depending on the temperature difference between the temperature of the refrigerant at high pressure HD in the high-pressure side refrigerant path and the temperature of the refrigerant of the low-pressure side refrigerant path at low pressure LP, and / or - • an enthalpy difference in the wet steam area at the respective low pressure LP.
Vorteilhaft wird somit bewirkt, dass sich in Abhängigkeit der gegebenen Betriebsbedingungen des Dampfkompressionskreises
Im eingeschwungenen Zustand ergibt sich hinsichtlich Regelstreckensteilheit der „isolierten“ Regelstrecke beim Niederdruck ND des Kältemittels im niederdruckseitiger Pfad des Rekuperators
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 des
Expansionsventils 230 aufgrund der Kompressibilität des Kältemitteldampfes im Niederdruckpfad ND. - • 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 changes
230 due to the compressibility of the refrigerant vapor in the low pressure path LP. - • 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:
- Schritt
1 : Zunächst werden die Prozessgrößen Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE vorteilhaft als Hauptregelgröße und die Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA vorteilhaft als Hilfsgröße in einem ersten Verfahrensschritt messtechnisch erfasst.
- step
1 : First, the process variables compressor inlet superheating dT ÜE are advantageously recorded as the main control variable and the evaporator outlet superheating dT ÜA 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
- Der Sollwert für die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE am Verdampferaustritt
242 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 setpoint for the compressor inlet superheat dT ÜE at the
evaporator outlet 242 is advantageously varied in the range between approx. 5 K to 20 K to ensure the permissible compressor operating range and the highest possible degree of efficiency of the refrigeration circuit.
Der Sollwert für die Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA wird dann in Abhängigkeit der Kältekreis-Betriebsart und des Kältekreis-Arbeitspunktes so variiert, dass die Verdampferüberhitzung im eingeschwungenen Regelfall in etwa dem sich einstellenden Prozesswert der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA entspricht. Dieser Sollwert für die Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA kann modellbasiert in Abhängigkeit von einer Betriebsart oder einem Arbeitspunkt abhängig von der Verdampfungstemperatur, der Kondensationstemperatur, der Verdichterleistung, einem Sollwert der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE 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 ÜE from the process value of the compressor inlet superheat dT ÜE.
Es wird dann die Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA berechnet, indem vom Prozesswert der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA der Sollwert der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA subtrahiert wird.It will then calculate the difference of the evaporator outlet overheat dT ÜA by the target value of the evaporator outlet overheat dT ÜA is subtracted from the process value of the evaporator outlet overheat dT Prob.
Schritt
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:
- Gesamt - Regelabweichung Überhitzung =
- (Gewichtungseinfluss * Regelabweichung Verdichtereintrittsüberhitzung) +
- ((1 - Gewichtungseinfluss) * Regelabweichung Verdampferaustrittsüberhitzung)
- Overall control deviation overheating =
- (Weighting influence * system deviation, compressor inlet overheating) +
- ((1 - weighting influence) * control deviation evaporator outlet overheating)
Der Wert des Gewichtungseinfluss 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 dTÜA 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 overheating dT ÜA is included in the total control deviation, 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. In particular, this 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 that are characterized by an increased tendency to oscillate advantageously require a lower weighting of the control deviation of the compressor inlet overheating dT ÜE, in particular a control-technically critical signal behavior of the compressor inlet overheating dT ÜE due to the tendency towards the evaporator outlet overheating dT ÜA greater signal delay and greater signal gradient delay and greater signal gradient.
Schritt
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 dem Verflüssiger
Bei nachfolgendem Durchtritt durch den Rekuperator
In Schritt
Das überhitzte Kältemittel wird dann wieder in Schritt
Im Unterschied dazu wird ein log p / h Diagramm eines Arbeitspunktes mit Kältemittelmangel in
Der erste Unterschied tritt in Schritt
Entsprechend wird in Schritt
Deutlich sichtbar ist der größere ausgefüllt gezeichnete Pfeil, der den Wärmeübertragungsbetrag in dem Rekuperator
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 102005061480 B3 [0006]DE 102005061480 B3 [0006]
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URL: https://www.chillventa.de/CDB/download/c4adcdd7-a0c2-4c0b-b531-f0e1790472e6? [abgerufen am 24.02.2021] Güntner GmbH & Co. KG - Kältemittel mit glide–Aspekte bei der Wärmeübertrager-Auslegung • Peter Roth • 16.10.2018Chillventa Specialist Forums 2018 - Chillventa Fachforen 2018 |
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