DE102020115276A1 - Method for regulating a compression refrigeration system and a 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: Bestimmen einer für den Betrieb des Verdichters kritischen Ölsumpftemperatursituation als Funktion eines Arbeitspunktes der Kompressionskälteanlage und Durchführen einer Ölsumpfschnellaufheizung durch zeitlich begrenzte oder dauerhafte Erhöhung eines Sollwertes der Überhitzung (TÜE) des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter (210) und/oder einer Drehzahl des Verdichters im Falle einer kritischen Ölsumpftemperatursituation.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: determining an oil sump temperature situation that is critical for the operation of the compressor as a function of an operating point of the compression refrigeration system and performing rapid oil sump heating by temporarily or permanently increasing a setpoint value for overheating (TÜE) of the refrigerant upon entry into the compressor (210) and / or a speed of the compressor in the event of a critical oil sump temperature situation.
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 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 zur 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 and a control unit for detecting overheating of the refrigerant when it enters the compressor, the overheating being a difference of a Dew point temperature is defined for a temperature of the refrigerant, and for regulating 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 Kältemittelkreislauf, auch als Kältekreis bezeichnet, wird bauseitig Öl vorgesehen, das typischerweise bereits im Verdichter enthalten ist. Üblicherweise befindet sich hierbei ein Ölreservoir an einer tief gelegenen Position (Schwerkraft) des Verdichters. Das Öl wird beispielsweise über eine Verdränger- oder Zentrifugalpumpe an die zu schmierenden Komponenten des Verdichters gefördert und schmiert beispielsweise die Kompressionskammern.Oil, which is typically already contained in the compressor, is provided on site in the refrigerant circuit, also known as the refrigeration circuit. Usually an oil reservoir is located at a low position (gravity) of the compressor. The oil is conveyed to the compressor components to be lubricated, for example via a displacement or centrifugal pump, and lubricates the compression chambers, for example.
Wird die Kompressionskälteanlage eine längere Zeit nicht betrieben, sinkt die Temperatur des Verdichters auf die Umgebungstemperatur ab. Beim Starten des Kompressors kann wärmeres Kältemittel auf das Öl, das sich ebenfalls auf Umgebungstemperatur befindet, treffen und kondensieren.If the compression refrigeration system is not operated for a longer period of time, the temperature of the compressor drops to the ambient temperature. When the compressor is started, warmer refrigerant can hit the oil, which is also at ambient temperature, and condense.
Wenn das Öl mit auskondensierendem Kältemittel gesättigt wird, verliert es die technischen Schmiereigenschaften. Aus diesem Grund muss bei einem Verdichterstart gewährleistet sein, dass die Menge an auskondensiertem Kältemittel vernachlässigbar bzw. unschädlich ist.If the oil becomes saturated with condensing refrigerant, it loses its technical lubricating properties. For this reason, when the compressor is started, it must be ensured that the amount of refrigerant that has condensed out is negligible or harmless.
Bekannt ist, eine elektrische Vorheizung, beispielsweise ein Wärmeband, zur Vorwärmung von außen, um den Verdichter zu wickeln. Der signifikante elektrische Aufwand zur Vorheizung des Öls sind hierbei kostenintensiv und schmälern die Leistungszahl der Kompressionskälteanlage.It is known to have an electrical preheating, for example a heating tape, for preheating from the outside in order to wind the compressor. The significant electrical effort required to preheat the oil is costly and reduces the coefficient of performance of the compression refrigeration system.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Sicherstellung der Schmiereigenschaften des Öls beim Verdichterstart zu schaffen.Against this background, it was an object of the present invention to create an improved method for ensuring the lubricating properties of the oil when the compressor is started.
Gelöst wir die Aufgabe durch die Verfahrensmerkmale des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtungsmerkmale des Anspruchs 8.We solved the problem by the method features of claim 1 and the device features of claim 8.
In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Regeln einer Kompressionskälteanlage mit einem Kältekreis vorgeschlagen. Der Kältekreis enthält ein Kältemittel, einen Verdampfer, einen Verdichter mit einem Ölsumpf, einen Verflüssiger, ein Drosselorgan und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist eingerichtet 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, zur Regelung des Drosselorgans basierend auf der Überhitzung, und zur Überwachung und Steuerung einer Ölaufheizung des Ölsumpfes des Verdichters. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bestimmen einer für den Betrieb des Verdichters kritischen Ölsumpftemperatursituation als Funktion eines Arbeitspunktes der Kompressionskälteanlage und Durchführen einer Ölsumpfschnellaufheizung durch zeitlich begrenzte oder dauerhafte Erhöhung eines Sollwertes der Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter und/oder einer Drehzahl des Verdichters im Falle einer kritischen Ölsumpftemperatursituation. In a first aspect, a method for regulating a compression refrigeration system with a refrigeration circuit is proposed. The refrigeration circuit contains a refrigerant, an evaporator, a compressor with an oil sump, a condenser, a throttle element and a control unit. The control unit is set up to detect 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, for regulating the throttle element based on the overheating, and for monitoring and controlling oil heating of the oil sump of the compressor . The method comprises the following steps: determining an oil sump temperature situation that is critical for the operation of the compressor as a function of an operating point of the compression refrigeration system and performing rapid oil sump heating by temporarily or permanently increasing a setpoint value for superheating of the refrigerant when entering the compressor and / or a speed of the compressor in the event of a critical oil sump temperature situation.
Erfindungsgemäß wird demnach ein Verfahren vorgeschlagen, dass eine zusätzliche Reglerfunktion zur Überwachung und Steuerung einer Ölschnellaufheizung bei Betriebsbedingungsänderungen implementiert.According to the invention, a method is therefore proposed that implements an additional regulator function for monitoring and controlling rapid oil heating in the event of changes in operating conditions.
Der Verdichter kann hierbei sowohl ein sauggasgekapselter Verdichter, bei dem sich die Verdichterkapsel und damit auch das Öl auf Niederdruck bzw. Verdichtereintrittsdruck befinden, oder ein druckgasgekapselter Verdichter, bei dem sich die Verdichterkapsel und das Öl auf Hochdruck befinden, sein.The compressor can be either a suction gas-encapsulated compressor in which the compressor capsule and thus also the oil are at low pressure or compressor inlet pressure, or a compressed gas-encapsulated compressor in which the compressor capsule and the oil are at high pressure.
Die Ölsumpfschnellaufheizung stellt sicher, dass beispielsweise bei einem Verdichterstart die Menge des auskondensierten Kältemittels vernachlässigbar bzw. unschädlich gering ist. Anstelle eines beispielsweise elektrischen Wärmebandes zur Vorwärmung wird erfindungsgemäß demnach eine effizientere Ölaufheizung vorgeschlagen.The rapid heating of the oil sump ensures that, for example, when the compressor starts, the amount of refrigerant that has condensed out is negligible or harmless. Instead of, for example, an electrical heating band for preheating, a more efficient oil heating system is accordingly proposed according to the invention.
Zur Bestimmung der kritischen Ölsumpftemperatursituation kann beispielsweise ein an der Verdichterdruckkapsel (außen) angeordneter Sensor vorgesehen sein.To determine the critical oil sump temperature situation, a sensor arranged on the compressor pressure capsule (outside) can be provided, for example.
Vorteilhaft umfasst die Ölsumpfschnellaufheizung ein Betreiben des Verdichters mit einer Mindestdrehzahl.The rapid oil sump heating advantageously includes operating the compressor at a minimum speed.
Je höher die Drehzahl des Verdichters, desto besser ist ein Gleiten auf dem Ölfilm des Lagers gewährleistet. Die höhere Drehzahl senkt demnach das Risiko eines abreißenden Ölfilms. Zudem reduziert sich die Aufheizzeit mit einer Potenz größer 1 in Abhängigkeit von der Drehzahl. Eine erhöhte Drehzahl sorgt demnach für eine überproportional reduzierte Aufheizzeit.The higher the speed of the compressor, the better the sliding on the oil film of the bearing is guaranteed. The higher speed therefore reduces the risk of an oil film tearing off. In addition, the heating-up time is reduced by a power greater than 1, depending on the speed. An increased speed accordingly ensures a disproportionately reduced heating-up time.
Vorzugsweise wird der Verdichter bis zum Erreichen einer Mindesttemperatur des Öls des Verdichters mit wenigstens der Mindestdrehzahl betrieben.The compressor is preferably operated at at least the minimum speed until the oil in the compressor reaches a minimum temperature.
Zusätzlich oder alternativ kann auch eine elektrische Vorwärmung vorgesehen sein. Diese kann verglichen mit bekannten Lösungen geringer ausgelegt sein und demnach bereits zu einer Steigerung der Leistungszahl führen. Besonders bevorzugt ist überhaupt keine elektrische Vorwärmung nötig.In addition or as an alternative, electrical preheating can also be provided. Compared to known solutions, this can be designed to be lower and therefore already lead to an increase in the coefficient of performance. It is particularly preferred that no electrical preheating at all is necessary.
Gemäß diesem Aspekt wird demnach der Verdichter mit Mindestdrehzahl so lange betrieben, bis die für einen sicheren Betrieb ohne übermäßigen Kältemitteleintrag in das Öl geforderte Temperatur erreicht ist. Im Vergleich mit einem (elektrischen) Heizband ist ein wesentlich effizienteres Austreiben des Kältemittels ermöglicht.According to this aspect, the compressor is operated at minimum speed until the temperature required for safe operation without excessive refrigerant entry into the oil is reached. In comparison with an (electrical) heating tape, a much more efficient expulsion of the refrigerant is made possible.
Vorzugsweise wird eine Drehzahl des Verdichters während der Ölsumpfschnellaufheizung in Abhängigkeit der Öltemperatur eingestellt.A speed of the compressor is preferably set as a function of the oil temperature during the rapid heating of the oil sump.
Vorzugsweise steigt die Drehzahl des Verdichters mit sinkender Öltemperatur an.The speed of the compressor preferably increases as the oil temperature falls.
Beispielsweise kann ein Regler mit Proportionalitätsanteil zwischen Öltemperatur und Verdichterdrehzahl regeln. Entsprechend steigt die Verdichterleistung bei niedrigeren ÖltemperaturenFor example, a controller can regulate with a proportional component between the oil temperature and the compressor speed. The compressor output increases accordingly at lower oil temperatures
Vorzugsweise ist eine Ölsumpftemperaturüberhitzung als Differenz zwischen einer Temperatur des Öls in dem Ölsumpf und einer Taupunkttemperatur des Kältemittels definiert, wobei die kritische Ölsumpftemperatursituation auf Grundlage der Ölsumpftemperaturüberhitzung bestimmt wird.An oil sump temperature overheating is preferably defined as the difference between a temperature of the oil in the oil sump and a dew point temperature of the refrigerant, the critical oil sump temperature situation being determined on the basis of the oil sump temperature overheating.
Die Ölsumpftemperaturüberhitzung stellt sicher, dass höchstens ein bestimmter Anteil, beispielsweise 30%, Kältemittel in dem Öl gelöst sind, so dass die Schmiereigenschaften gewährleistet werden. Die geforderte Ölsumpftemperaturüberhitzung steigt insbesondere mit höherem Taupunktniveau an, kann also als Funktion des Taupunktniveaus dargestellt werden.The oil sump temperature overheating ensures that at most a certain proportion, for example 30%, of refrigerant are dissolved in the oil, so that the lubricating properties are guaranteed. The required oil sump temperature overheating increases in particular with a higher dew point level, so it can be represented as a function of the dew point level.
Vorzugsweise wird die kritische Ölsumpftemperatursituation bei Unterschreiten eines Mindestwertes für die Ölsumpftemperaturüberhitzung bestimmt, insbesondere bei Unterschreiten von 2 K.The critical oil sump temperature situation is preferably determined when the oil sump temperature overheating falls below a minimum value, in particular when it falls below 2 K.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Kompressionskälteanlage mit einem Kältemittel, einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Drosselorgan und einer Steuereinheit gelöst. Die Steuereinheit ist 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, zur Regelung des Drosselorgans basierend auf der Überhitzung, und zur Überwachung und Steuerung einer Ölaufheizung des Ölsumpfes des Verdichters, ausgebildet. Die Steuerung ist ferner ausgebildet zum Bestimmen einer für den Betrieb des Verdichters kritischen Ölsumpftemperatursituation als Funktion eines Arbeitspunktes der Kompressionskälteanlage und Durchführen einer Ölsumpfschnellaufheizung durch zeitlich begrenzte oder dauerhafte Erhöhung eines Sollwertes der Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter und/oder einer Drehzahl des Verdichters im Falle einer kritischen Ölsumpftemperatursituation.The object is also achieved by a compression refrigeration system with a refrigerant, an evaporator, a compressor, a condenser, a throttle element and a control unit. The control unit is used to detect 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, for regulating the throttle element based on the overheating, and for monitoring and controlling oil heating of the oil sump of the compressor. The control is also designed to determine an oil sump temperature situation that is critical for the operation of the compressor as a function of an operating point of the compression refrigeration system and to carry out rapid oil sump heating by temporarily or permanently increasing a setpoint value for overheating of the refrigerant when entering the compressor and / or a speed of the compressor in In the event of a critical oil sump temperature situation.
Vorzugsweise weist das Kältemittel einen Temperaturglide auf, wobei als Kältemittel insbesondere eine Mischung aus im Wesentlichen
Vorzugsweise weist die Kompressionskälteanlage einen internen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter auf.The compression refrigeration system preferably has 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.
Ferner wird die Aufgabe durch eine Wärmepumpe, insbesondere eine im Inneren eines Gebäudes Wärmepumpe, mit einer erfindungsgemäßen Kompressionskälteanlage gelöst.Furthermore, the object is achieved by a heat pump, in particular a heat pump inside a building, with a compression refrigeration system according to the invention.
Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel:
-
1 Wärmepumpe 100 mit einem Dampfkompressionskreislauf 200 -
2 log p / h - Diagramm des Dampfkompressionsprozesses mitRekuperator 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 und SND durch den Dampfkompressionskreis
200 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 Hochdruckströmungsrichtung SHD vom Verdichter210 bis zum Expansionsventil 230 gebildet ist.Nach dem Expansionsventil 230 bis zum Verdichter 210 ist ein Niederdruckpfad mit einer Niederdruckströmungsrichtung SND 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 a flow direction S HD and SND through the vapor compression circuit
200 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 direction S HD from thecompressor 210 to theexpansion valve 230 is formed. After theexpansion valve 230 to the compressor210 a low-pressure path is formed with a low-pressure flow direction SND of the refrigerant 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 TKe aus dem Rekuperator
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 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 Kältemittel 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 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 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 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 T 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 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, which enable precise determination of the condensation conditions of the air, are advantageous, 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 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 SHD nachfolgenden Rekuperator
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 desired heating output without further compensatory changes in the degree of opening of the expansion valve advantageously 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, which accompanies the change in the compressor speed, is advantageous and may even be 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 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 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 has as an assigned 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 240“ ein Regelstreckenverhalten mit moderater Steilheit. Das Regelstreckenverhalten ist insbesondere gekennzeichnet durch Regelstreckenausgangswertes Verdampferaustrittsüberhitzung als Funktion des Regelstreckeneingangswertes Expansionsventilöffnungsgrad.In the steady state, a controlled system behavior with moderate steepness results with regard to a control path steepness of the "isolated" controlled system "
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 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 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 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 Regeltreckensteilheit 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:The compressor inlet overheating dT ÜE 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 1Step 1
Zunächst werden die Prozessgrößen Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE am Verdampferaustritt
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 dTÜA 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 setpoint value for the compressor inlet superheat dT ÜE 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 dTÜA 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 UA by the target value of the evaporator outlet overheat dT UA is subtracted from the process value of the evaporator outlet overheat dT UA.
Schritt 3step 3
In einem dritten Verfahrensschritt werden die Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und die Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA 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 dT ÜA 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:
- 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 over 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 a ramp-shaped manner 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 ÜE, in particular a control-technically critical signal behavior of the compressor inlet overheating dT ÜE due to the higher signal delay compared to the evaporator outlet overheating dT ÜA, a higher signal delay and greater route steepness is avoided.
Schritt
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.
Zur Bestimmung der Ölsumpftemperatur ist vorzugsweise ein geeigneter Sensor vorgesehen, beispielsweise an der Verdichterdruckkapsel angeordnet.To determine the oil sump temperature, a suitable sensor is preferably provided, for example arranged on the compressor pressure capsule.
In einem Schritt
Der Schritt
Der Schritt
In einem Schritt
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 102005061480 B3 [0006]DE 102005061480 B3 [0006]
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2021
- 2021-06-03 EP EP21177579.6A patent/EP3922933A1/en active Pending
Patent Citations (7)
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3922933A1 (en) | 2021-12-15 |
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