DE102021211222A1

DE102021211222A1 - Process and refrigeration circuit with cascade control

Info

Publication number: DE102021211222A1
Application number: DE102021211222.6A
Authority: DE
Inventors: Manuel Gräber
Original assignee: Tlk Energy GmbH
Current assignee: Tlk Energy GmbH
Priority date: 2021-10-05
Filing date: 2021-10-05
Publication date: 2023-04-06

Abstract

Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Regelung eines Kältekreislaufs, wobei der Kältekreislauf wenigstens einen Verdichter (10), einen Verflüssiger (11), ein Expansionsventil (12), einen Verdampfer (13), und einen zwischen dem Verdampfer (13) und dem Verdichter (10) angeordneten Abscheider (14) umfasst, und eine Stellung des Expansionsventils (14) auf Basis einer Unterkühlung nach dem Verflüssiger (11) geregelt wird. Hierbei wird die Unterkühlung nach dem Verflüssiger (11) als Führungsregelgröße einer Kaskadenregelung (2) genutzt, die als Folgeregelgröße eine Überhitzung zwischen dem Verdampfer (13) und dem Abscheider (14) verwendet.The proposed solution relates in particular to a method for controlling a refrigeration circuit, the refrigeration circuit having at least one compressor (10), a condenser (11), an expansion valve (12), an evaporator (13), and one between the evaporator (13) and the Compressor (10) arranged separator (14) comprises, and a position of the expansion valve (14) on the basis of subcooling after the condenser (11) is regulated. In this case, subcooling downstream of the condenser (11) is used as the reference control variable of a cascade control (2), which uses overheating between the evaporator (13) and the separator (14) as the follow-up control variable.

Description

Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage und hierbei insbesondere zur Regelung eines Kältekreislaufs in einer solchen Anlage.The proposed solution relates in particular to a method for operating a system and here in particular for controlling a refrigeration circuit in such a system.

Der grundsätzliche Aufbau eines Kältekreislaufs mit wenigstens einem Verdichter, einem Verflüssiger (auch Kondensator genannt), einem Expansionsventil, einem Verdampfer und einem zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter angeordneten Abscheider ist weithin bekannt. In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise üblich, die Stellung des Expansionsventils auf Basis einer Unterkühlung an einem Austritt des Verflüssigers elektronisch zu regeln. Hierbei wird dann beispielsweise die Unterkühlung am Austritt des Verflüssigers auf einen konstanten Sollwert geregelt. Eine derartige Konfiguration gestattet eine automatische und im Vergleich sehr energieeffiziente Einstellung stationärer Kreislaufzustände, jedoch ist hier die Dynamik der Unterkühlung regelmäßig sehr träge. Die Einstellung eines neuen Betriebspunktes benötigt in der Praxis regelmäßig bis zu einer Stunde. Der Regelkreis reagiert folglich vergleichsweise träge auf Störgrößen oder Sollwertänderungen.The basic structure of a refrigeration circuit with at least one compressor, a condenser (also called a condenser), an expansion valve, an evaporator and a separator arranged between the evaporator and the compressor is widely known. In this context, it is common, for example, to electronically control the position of the expansion valve on the basis of subcooling at an outlet of the condenser. In this case, for example, the supercooling at the outlet of the condenser is controlled to a constant setpoint. Such a configuration permits an automatic and, in comparison, very energy-efficient setting of stationary circuit states, but here the dynamics of the supercooling are regularly very sluggish. In practice, it regularly takes up to an hour to set a new operating point. As a result, the control circuit reacts comparatively slowly to disturbance variables or setpoint changes.

Problematisch ist in diesem Zusammenhang auch unter Umständen, dass bei einer Auslagerung des Arbeitsfluids, also des Kältemittels, aus dem Abscheider (beispielsweise aufgrund einer Änderung einer externen Rückkühltemperatur) der Saugdruck absingt und sich dann unter Umständen eine Überhitzung am Austritt des Verdampfers einstellt. Aufgrund der auf der Unterkühlung am Austritt des Verflüssigers basierenden Regelung kann eine solche Überhitzung indirekt und damit unkontrolliert aufgetreten. Hiermit können ein unerwünschtes Abschalten des Verdichters (aufgrund eines als zu niedrig betrachtete Saugdrucks) und/oder die unerwünschte Auslösung eines Enteisungsprozesses des eigentlich nicht vereisten Verdampfers verbunden sein.In this context, it is also problematic under certain circumstances that when the working fluid, i.e. the refrigerant, is removed from the separator (e.g. due to a change in an external recooling temperature), the suction pressure drops and then, under certain circumstances, overheating occurs at the outlet of the evaporator. Due to the control based on the subcooling at the condenser outlet, such overheating can occur indirectly and thus uncontrolled. This can be associated with an undesired switch-off of the compressor (because the suction pressure is considered to be too low) and/or the undesired triggering of a de-icing process for the evaporator which is actually not iced up.

Aus der WO 2012/000501 A1 ist ferner eine Anlage bekannt, bei der ein vermeintlich stabilerer Betrieb einer Anlage dadurch erreicht werden soll, dass Messwerte für eine Überhitzung und Messwerte für eine Unterkühlung zum Steuern eines Expansionsventils herangezogen werden. Die WO 2012/000501 A1 geht hierbei jedoch von einer abscheiderfreien Konfiguration aus. Die Überhitzung wird hierbei an einem Austritt des internen Wärmetauschers gemessen und dabei insbesondere auf Basis einer Temperatur des in Richtung des Verdichters strömenden Arbeitsfluids. Die Unterkühlung wird ferner am Austritt des internen Wärmetauschers erfasst. Die vorstehend genannten Schwierigkeiten im Zusammenhang mit einer einen Abscheider aufweisenden Anlage lassen sich hiermit nicht adressieren.From the WO 2012/000501 A1 a system is also known in which an allegedly more stable operation of a system is to be achieved in that measured values for overheating and measured values for subcooling are used to control an expansion valve. The WO 2012/000501 A1 assumes a separator-free configuration. In this case, the overheating is measured at an outlet of the internal heat exchanger and in particular on the basis of a temperature of the working fluid flowing in the direction of the compressor. Subcooling is also detected at the outlet of the internal heat exchanger. The difficulties mentioned above in connection with a plant having a separator cannot be addressed here.

Der vorgeschlagenen Lösung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Regelung eines Kältekreislaufs und eine verbesserte Anlage mit einem Kältekreislauf, insbesondere eine verbesserte Kältemaschine oder Wärmepumpe bereitzustellen.The proposed solution is therefore based on the object of providing an improved method for controlling a refrigeration circuit and an improved system with a refrigeration circuit, in particular an improved refrigeration machine or heat pump.

Diese Aufgabe ist sowohl mit einem Verfahren des Anspruchs 1 oder 8 als auch mit einer Anlage des Anspruchs 9 oder 16 gelöst.This object is achieved both with a method of claim 1 or 8 and with a system of claim 9 or 16.

Bei einem vorgeschlagenen Regelungsverfahren gemäß einem ersten Aspekt wird eine Kaskadenregelung genutzt, bei der als Führungsregelgröße die Unterkühlung nach dem Verflüssiger, mithin am Austritt des Verflüssigers, und als Folgeregelgröße eine Überhitzung zwischen dem Verdampfer und dem Abscheider, mithin an einem Ausgang des Verdampfers, verwendet wird.In a proposed control method according to a first aspect, a cascade control is used, in which subcooling after the condenser, i.e. at the outlet of the condenser, is used as the reference control variable, and superheating between the evaporator and the separator, i.e. at an outlet of the evaporator, is used as the follow-up control variable .

Die vorgeschlagene Lösung geht damit von dem Grundgedanken aus zwei verschachtelte Regelkreise für die Regelung einer Stellung des Expansionsventils vorzusehen und hierbei als Folgeregelgröße respektive Zwischenregelgröße die Überhitzung vor dem Abscheider zu nutzen. Die hiermit vorgeschlagene Regelstrategie kann schneller auf Störgrößen reagieren und ist daher im Vergleich - insbesondere bei dynamischen Randbedingen - zu bisher üblichen Regelungsverfahren energieeffizienter. Mit der vorgesehenen - im Vergleich zu einer ausschließlich unterkühlungsbasierten Regelung - schnelleren Regelung der Überhitzung lassen sich unkontrollierte Systemzustände vermeiden, bei denen sich ein Saugdruck und eine Überhitzung unvorhersehbar einstellen.The proposed solution is based on the basic idea of providing two nested control loops for controlling a position of the expansion valve and using the overheating upstream of the separator as a secondary controlled variable or intermediate controlled variable. The control strategy proposed here can react more quickly to disturbance variables and is therefore more energy-efficient in comparison to previously used control methods, particularly in the case of dynamic boundary conditions. With the intended - in comparison to an exclusively undercooling-based control - faster control of the overheating, uncontrolled system states can be avoided in which an unpredictable suction pressure and overheating occur.

In einer Ausführungsvariante der vorgeschlagenen Lösung wird die Unterkühlung über wenigstens eine an einem ersten Messpunkt gemessene Messgröße erfasst. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Temperatur handeln. Alternativ ist aber beispielsweise auch die Messung eines Drucks möglich, um auf Unterkühlung und hier insbesondere das Maß der Unterkühlung zu schließen.In an embodiment variant of the proposed solution, the supercooling is detected via at least one measured variable measured at a first measuring point. This can be a temperature, for example. Alternatively, however, it is also possible to measure a pressure, for example, in order to infer subcooling and here in particular the extent of the subcooling.

Alternativ oder ergänzend wird die Überhitzung über eine an einem zweiten Messpunkt gemessene Messgröße erfasst, beispielsweise über eine an dem zweiten Messpunkt gemessene Temperatur oder einen an dem zweiten Messpunkt gemessenen Druck.Alternatively or additionally, the overheating is detected using a measured variable measured at a second measuring point, for example using a temperature measured at the second measuring point or a pressure measured at the second measuring point.

Mit Blick auf eine effiziente Kaskadenregelung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, für einen Führungsregler und einen Folgeregler der Kaskadenregelung eine Kombination von P- und PI-Reglern, von PI- und PI-Reglern oder von PI- und PID-Reglern zu verwenden. Beispielsweise ist dann in der Kaskadenregelung für den Führungsregler ein P-Regler und für den Folgeregler ein PI-Regler verwendet.With a view to efficient cascade control, it has proven advantageous to use a combination of P and PI controls for a master controller and a slave controller of the cascade control learn to use from PI and PI controllers or from PI and PID controllers. For example, in the cascade control, a P controller is used for the master controller and a PI controller for the slave controller.

In einer Ausführungsvariante wird in dem Kältekreislauf zusätzlich eine Drehzahl des Verdichters (elektronisch) geregelt. Für diese Regelung ist folglich die Drehzahl des Verdichters die maßgebliche Stellgröße. Mit Blick darauf, dass das Expansionsventil und der Verdichter in einer Anlage stark thermisch miteinander gekoppelt sind, sieht eine Ausführungsvariante vor, in der Kaskadenregelung für das Expansionsventil die Stellgröße für den Verdichter - hier in Form der Verdichterdrehzahl - zur Verfügung zu stellen. Es kann mithin eine Mehrgrößenregelung vorgesehen sein, die auch die Drehzahl des Verdichters berücksichtigt, also insbesondere eine Störgrößenaufschaltung mit der Verdichterdrehzahl.In one embodiment variant, a speed of the compressor is (electronically) regulated in addition in the refrigeration circuit. Consequently, the speed of the compressor is the decisive manipulated variable for this regulation. With a view to the fact that the expansion valve and the compressor in a system are strongly thermally coupled to one another, one variant provides for the control variable for the compressor - here in the form of the compressor speed - to be made available in the cascade control for the expansion valve. A multi-variable control can therefore be provided, which also takes into account the speed of the compressor, ie in particular a disturbance variable feed-in with the compressor speed.

Grundsätzlich kann einer Kaskadenregelung eine zeitlich veränderliche Führungsgröße vorgegeben werden. Mit Blick auf eine effiziente Regelung in einer Kältemaschine oder Wärmepumpe wird jedoch die Vorgabe eines festen Temperatur-Sollwerts bevorzugt.In principle, a reference variable that changes over time can be specified for a cascade control. With a view to efficient control in a chiller or heat pump, however, the specification of a fixed temperature setpoint is preferred.

Die vorgeschlagene Lösung betrifft ferner eine Anlage, die einen Kältekreislauf mit wenigstens einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Expansionsventil, einem Verdampfer und einen zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter angeordneten Abscheider umfasst sowie eine elektronische Regelungseinrichtung, über die eine Stellung des Expansionsventils auf Basis einer Unterkühlung nach dem Verflüssiger regelbar ist. Die elektronische Regelungseinrichtung der vorgeschlagenen Anlage, insbesondere einer Kältemaschine oder einer Wärmepumpe, integriert hierbei eine Kaskadenregelung, die die Unterkühlung nach dem Verflüssiger als Führungsregelgröße und eine Überhitzung zwischen dem Verdampfer und dem Abscheider als Folgeregelgröße nutzt.The proposed solution also relates to a system that includes a refrigeration circuit with at least one compressor, a condenser, an expansion valve, an evaporator and a separator arranged between the evaporator and the compressor, as well as an electronic control device via which a position of the expansion valve is based on supercooling after the condenser can be regulated. The electronic control device of the proposed system, in particular a refrigeration machine or a heat pump, integrates a cascade control that uses the undercooling after the condenser as a reference control variable and overheating between the evaporator and the separator as a follow-up control variable.

Bei einer vorgeschlagenen Anlagen sieht somit die elektronische Regelungseinrichtung eine Kaskadenregelung mit der Unterkühlung am Austritt des Verflüssigers als Führungsregelgröße und mit der Überhitzung vor dem Abscheider als Folgeregelgröße vor, um eine Stellung des Expansionsventils und damit einen Öffnungsgrad des Expansionsventils zu regeln. Die Regelung ist damit zunächst scheinbar nicht intuitiv aufgebaut, da konventionell nur entweder die Unterkühlung oder die Überhitzung geregelt werden. Jedoch erlaubt die vorgeschlagene Regelungseinrichtung nicht nur eine vergleichsweise einfache Integration in eine Anlage, sondern ermöglich auch eine höhere Energieeffizienz.In one of the proposed systems, the electronic control device provides cascade control with supercooling at the condenser outlet as the reference controlled variable and with superheating upstream of the separator as the slave controlled variable, in order to regulate the position of the expansion valve and thus the degree of opening of the expansion valve. At first glance, the control system does not appear to be set up intuitively, since conventionally only either subcooling or overheating is controlled. However, the proposed control device not only allows for comparatively simple integration into a system, but also enables greater energy efficiency.

Eine Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Anlage eignet sich insbesondere zur Ausführung einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Regelungsverfahrens. Vorstehend und nachfolgend erläuterte Merkmale für Ausführungsvarianten eines vorgeschlagenen Verfahrens gelten somit auch für Ausführungsvarianten einer vorgeschlagenen Anlage und umgekehrt.An embodiment variant of a proposed installation is particularly suitable for executing an embodiment variant of a proposed control method. Features explained above and below for embodiment variants of a proposed method thus also apply to embodiment variants of a proposed system and vice versa.

So kann eine Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Anlage beispielsweise wenigstens einen ersten Messpunkt für die Messung wenigstens einer für die Unterkühlung repräsentativen ersten Messgröße vorsehen. Dieser erste Messpunkt ist dann mit der elektronischen Regelungseinrichtung verbunden, um Messwerte für die erste Messgröße an die elektronische Regelungseinrichtung zu übertragen. Beispielsweise wird über den ersten Messpunkt eine Temperatur oder ein Druck des Arbeitsfluids gemessen.For example, an embodiment variant of a proposed system can provide at least one first measuring point for measuring at least one first measured variable that is representative of supercooling. This first measuring point is then connected to the electronic control device in order to transmit measured values for the first measured variable to the electronic control device. For example, a temperature or a pressure of the working fluid is measured via the first measuring point.

Alternativ oder ergänzend kann die Anlage wenigstens einen zweiten Messpunkt für die Messung wenigstens einer für die Überhitzung repräsentativen zweiten Messgröße vorsehen. Der zweite Messpunkt ist dann (ebenfalls) mit der elektronischen Regelungseinrichtung verbunden, um Messwerte für die zweite Messgröße an die elektronische Regelungseinrichtung zu übertragen. Der zweite Messpunkt für die Bereitstellung von für die Überhitzung repräsentativen Messwerten ist vorliegend in einem Bereich zwischen dem Verdampfer und dem Abscheider vorgesehen.Alternatively or additionally, the system can provide at least one second measuring point for measuring at least one second measured variable that is representative of the overheating. The second measuring point is then (likewise) connected to the electronic control device in order to transmit measured values for the second measured variable to the electronic control device. In the present case, the second measuring point for providing measured values that are representative of the overheating is provided in an area between the evaporator and the separator.

Beispielsweise wird über den zweiten Messpunkt eine Temperatur oder ein Druck des an dem Ausgang des Verdampfers austretenden Arbeitsfluids gemessen, bevor dieses Arbeitsfluid in den Abscheider gelangt. Grundlage für die Folgeregelgröße der Kaskadenregelung ist somit hier insbesondere nicht eine Temperatur oder ein Druck am Ausgang des Abscheiders und damit eine Temperatur des Arbeitsfluids vor dem Eintritt in den Verdichter, sondern gerade die Temperatur oder der Druck des Arbeitsfluids vor dem Abscheider.For example, a temperature or a pressure of the working fluid exiting at the outlet of the evaporator is measured via the second measuring point before this working fluid reaches the separator. The basis for the subsequent controlled variable of the cascade control is therefore not a temperature or pressure at the outlet of the separator and thus a temperature of the working fluid before it enters the compressor, but rather the temperature or pressure of the working fluid before the separator.

Analog zu einer vorstehende erläuterten Variante eines vorgeschlagenen Verfahrens kann die Kaskadenregelung auch bei einer Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Anlage für einen Führungsregler und einen Folgeregler eine Kombination von P-und PI-Reglern, von PI- und PI-Reglern oder von Pl- und PID-Reglern aufweisen. Beispielsweise kann folglich die Kaskadenregelung für den Führungsregler einen P-Regler und für den Folgeregler einen PI-Regler aufweisen.Analogously to a variant of a proposed method explained above, the cascade control can also be a combination of P and PI controllers, PI and PI controllers or PI and PID controllers in a variant of a proposed system for a master controller and a slave controller exhibit. For example, the cascade control can consequently have a P controller for the master controller and a PI controller for the slave controller.

Umfasst die Anlage eine zusätzliche Regelung für eine Drehzahl des Verdichters, kann die Kaskadenregelung für das Expansionsventil eingerichtet sein, die Stellung des Expansionsventils insbesondere auf Basis einer Stellgröße für die Regelung der Drehzahl des Verdichters zu regeln. Die Kaskadenregelung berücksichtigt somit in einer solchen Ausführungsvariante auch eine Stellgröße der Regelung für den Verdichter, um der engen Kopplung zwischen Expansionsventil und Verdichter im Betrieb der Anlage zusätzlich Rechnung zu tragen.If the system includes an additional control for a speed of the compressor, the cascade control for the expansion valve can be set up be to control the position of the expansion valve, in particular on the basis of a manipulated variable for controlling the speed of the compressor. In such an embodiment variant, the cascade control thus also takes into account a manipulated variable of the control for the compressor in order to additionally take into account the close coupling between the expansion valve and the compressor during operation of the system.

Für die Vorgabe eines Temperatur-Sollwerts kann die Kaskadenregelung ferner einen Sollwertgeber umfassen. Über einen solchen Sollwertgeber ist dann beispielsweise ein Temperatur-Sollwert für die Kaskadenregelung im Bereich von 2 K bis 4 K vorgesehen.The cascade control can also include a setpoint generator for specifying a temperature setpoint. A temperature setpoint for the cascade control in the range of 2 K to 4 K is then provided, for example, via such a setpoint generator.

Es hat sich im Übrigen gezeigt, dass die Regelung eines Kältekreislaufs für eine Kältemaschine oder Wärmepumpe auf Basis einer Überhitzung vor einem Abscheider auch unabhängig von einer Kaskadenregelung von Vorteil sein kann. Dementsprechend sieht ein weiterer Aspekt der vorgeschlagenen Lösung eine Regelung eines Kältekreislaufs vor, bei der eine Stellung eines Expansionsventils auf Basis einer Überhitzung zwischen dem Verdampfer und dem Abscheider geregelt wird.It has also been shown that controlling a refrigeration circuit for a refrigeration machine or heat pump based on overheating upstream of a separator can also be advantageous independently of cascade control. Accordingly, a further aspect of the proposed solution provides for regulation of a refrigeration cycle, in which a position of an expansion valve is regulated on the basis of overheating between the evaporator and the separator.

Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.The attached figures illustrate exemplary possible embodiment variants of the proposed solution.

Hierbei zeigen:

1 ein Schaltbild einer Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Anlage, die eine Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Regelungsverfahrens umsetzt.

Here show:

1 a circuit diagram of an embodiment variant of a proposed plant that implements an embodiment variant of a proposed control method.

Die 1 zeigt ein Schaltbild einer Anlage 1, die als Kältemaschine oder Wärmepumpe nutzbar ist. Die Anlage 1 umfasst einen Verdichter (Kompressor) 10, über den das Arbeitsfluid (Kältemittel) dampfförmig angesaugt wird. Über den Verdichter 10 wird das Arbeitsfluid auf einen höheren Druck gebracht und einem Verflüssiger (Kondensator) 11 der Anlage 1 zugeführt. In dem Verflüssiger 11 wird das Arbeitsfluid unter gleich bleibendem Druck abgekühlt und gibt damit Wärme ab, zum Beispiel an eine Umgebung des Verflüssigers 11 oder ein Sekundärmedium. Mit dem Wärmeentzug verflüssigt sich das Arbeitsfluid und gelangt ausgehend von einem Austritt des Verflüssigers 11 zu einem Expansionsventil 12 der Anlage 1. Dieses Expansionsventil 12 wirkt als Drosselorgan, über das das Arbeitsfluid auf einen niedrigeren Druck entspannt wird.The 1 shows a circuit diagram of a system 1, which can be used as a refrigerator or heat pump. The system 1 includes a compressor (compressor) 10, through which the working fluid (refrigerant) is sucked in vapor form. The working fluid is brought to a higher pressure via the compressor 10 and fed to a liquefier (condenser) 11 of the system 1 . In the condenser 11, the working fluid is cooled under constant pressure and thus emits heat, for example to an area surrounding the condenser 11 or to a secondary medium. With the extraction of heat, the working fluid liquefies and, starting from an outlet of the condenser 11, reaches an expansion valve 12 of the system 1. This expansion valve 12 acts as a throttle element, via which the working fluid is expanded to a lower pressure.

Über einen in Strömungsrichtung dem Expansionsventil 12 nachfolgenden Verdampfer 13 wird das wieder flüssige Arbeitsfluid verdampft und hierüber Wärme aufgenommen. Die Wärme kann hierbei aus Umgebung oder von einem - zu einem Sekundärmedium für den Verflüssiger 11 identischen oder anderen - Sekundärmedium stammen. Aus dem Ausgang des Verdampfers 13 strömt dann das Arbeitsfluid in einen Abscheider 14 der Anlage 1. Der Abscheider 14, der auch als „Sammler“ bezeichnet werden kann, dient hierbei als Puffergefäß, um nicht benötigtes Arbeitsfluid zu speichern und bei Bedarf wieder freizugeben (Letzteres zum Beispiel bei sich ändernder Umgebungstemperatur und/oder eines am Verflüssiger 11 oder am Verdampfer 13 eingesetzten Sekundärmediums).Via an evaporator 13 following the expansion valve 12 in the direction of flow, the liquid working fluid is evaporated and heat is thereby absorbed. The heat can come from the environment or from a secondary medium which is identical to or different from a secondary medium for the condenser 11 . The working fluid then flows from the outlet of the evaporator 13 into a separator 14 of the system 1. The separator 14, which can also be referred to as a "collector", serves as a buffer vessel in order to store working fluid that is not required and release it again if necessary (the latter for example when the ambient temperature changes and/or a secondary medium used on the condenser 11 or on the evaporator 13).

Für die Regelung der Stellung und damit des Öffnungsgrads des Expansionsventils 12 ist bei der Anlage 1 der 1 eine Kaskadenregelung 2 vorgesehen. Diese Kaskadenregelung 2 weist einen Sollwertgeber 20 für die Vorgabe eines Temperatur-Sollwerts, hier zum Beispiel von 2 K bis 4 K und insbesondere von 3 K auf. Zusätzlich weist die Kaskadenregelung 2 einen Führungsregler 21 und einen Folgeregler 22 auf. Dem Folgeregler 22 wird dementsprechend eine Reglerausgangsgröße des Führungsreglers 21 als Führungsgröße vorgegeben. Der Führungsregler 21 ist vorliegend als P-Regler ausgebildet, während der Folgeregler 22 als PI-Regler ausgebildet ist.For the control of the position and thus the degree of opening of the expansion valve 12 is in the system 1 of 1 a cascade control 2 is provided. This cascade control 2 has a setpoint generator 20 for specifying a temperature setpoint, here for example from 2K to 4K and in particular from 3K. In addition, the cascade control 2 has a master controller 21 and a slave controller 22 . Accordingly, a controller output variable of the master controller 21 is specified as a reference variable for the slave controller 22 . In the present case, the master controller 21 is designed as a P controller, while the slave controller 22 is designed as a PI controller.

Die Führungsregelgröße für den Führungsregler 21 der Kaskadenregelung 2 ist vorliegend die Unterkühlung nach dem Verflüssiger und damit z.B. am Austritt des Verflüssigers 11. Hierfür wird beispielsweise an einem ersten Messpunkt M₁₁ der Anlage 1 eine Temperatur des aus dem Verflüssiger 11 kommenden Arbeitsfluids gemessen. Für die innere Regelung wird ferner die Überhitzung vor dem Abscheider 14 und damit z.B. am Ausgang des Verdampfers 11 verwendet. Dem Folgeregler 22 wird folglich ein für die Überhitzung vor dem Abscheider 14 repräsentativer Messwert (zum Bespiel gemessen am Ausgang des Verdampfers 13) als Folgeregelgröße zugeführt. Die Anlage 1 der 1 verfügt hierfür über einen zweiten Messpunkt M₁₃, über den eine Temperatur des Arbeitsfluids am Ausgang des Verdampfers 13 vor dem Eintritt in den Abscheider 14 erfasst wird.The master control variable for the master controller 21 of the cascade controller 2 is the supercooling downstream of the condenser and thus, for example, at the outlet of the condenser 11. For this purpose, a temperature of the working fluid coming out of the condenser 11 is measured at a first measuring point M ₁₁ of the system 1, for example. Furthermore, the overheating in front of the separator 14 and thus, for example, at the outlet of the evaporator 11 is used for the internal regulation. Consequently, a measured value that is representative of the overheating upstream of the separator 14 (measured at the outlet of the evaporator 13, for example) is fed to the slave controller 22 as a slave control variable. Appendix 1 of 1 has a second measuring point M ₁₃ for this purpose, via which a temperature of the working fluid at the outlet of the evaporator 13 before it enters the separator 14 is recorded.

Anstelle einer an einem Messpunkt M₁₁ oder M₁₃ gemessenen Temperatur kann selbstverständlich auch eine andere Messgröße erfasst werden, die für eine Unterkühlung respektive eine Überhitzung und das jeweilige Maß an Unterkühlung respektive Überhitzung repräsentativ ist. Hierfür kommt beispielsweise jeweils auch ein erfasster Druck infrage.Instead of a temperature measured at a measuring point M ₁₁ or M ₁₃ , another measured variable can of course also be recorded, which is representative of undercooling or overheating and the respective degree of undercooling or overheating. For this purpose, for example, a recorded pressure is also considered.

Mit den verschachtelten Regelkreisen der Kaskadenregelung 2 und hier insbesondere der Nutzung der Überhitzung am Ausgang des Verdampfers 13 als Folge- oder Zwischenregelgröße ergibt sich eine besonders effiziente Regelstrategie, die schneller auf Störgrößen reagiert. Auch lassen sich hiermit unkontrollierte Systemzustände vermeiden, bei denen Saugdruck und Überhitzung nicht eingestellt sind.With the nested control circuits of the cascade control 2 and here in particular the use of overheating at the outlet of the evaporator 13 as a follow-up or intermediate control variable, a particularly efficient control strategy results that quickly ler reacts to disturbances. Uncontrolled system states in which the suction pressure and overheating are not set can also be avoided in this way.

In der 1 ist ferner eine optionale Kopplung zwischen der Kaskadenregelung 2 und einer in der 1 nicht näher dargestellten Regelung für den Verdichter 10 veranschaulicht. So kann der Verdichter 10 beispielsweise über mindestens einen weiteren separaten Regelkreis hinsichtlich seiner Verdichterdrehzahl geregelt sein. Die Kaskadenregelung 2 für das Expansionsventil 12 berücksichtigt hier dann beispielsweise über eine Störgrößenaufschaltung die Stellgröße für die Drehzahl des Verdichters 10, um der thermodynamisch engen Kopplung zwischen dem Expansionsventil 12 und dem Verdichter 10 zusätzlich Rechnung zu tragen.In the 1 is also an optional coupling between the cascade control 2 and one in the 1 Control for the compressor 10, not shown in detail, is illustrated. For example, the compressor 10 can be regulated with regard to its compressor speed via at least one further separate control loop. The cascade control 2 for the expansion valve 12 then takes into account the manipulated variable for the speed of the compressor 10, for example via a feedforward control, in order to additionally take into account the thermodynamically close coupling between the expansion valve 12 and the compressor 10.

Grundsätzlich kann die Anlage 1 der 1 selbstverständlich auch mit weiteren, in der 1 nicht dargestellten Komponenten weitergebildet werden, z.B. mit einem oder mehreren Wärmetauschern, insbesondere mit wenigstens einem Wärmetauscher, der zwischen dem Verdampfer 13 und dem Abscheider 14 vorgesehen ist.In principle, Annex 1 of 1 of course also with others, in the 1 Components not shown are further developed, for example with one or more heat exchangers, in particular with at least one heat exchanger which is provided between the evaporator 13 and the separator 14 .

BezugszeichenlisteReference List

11: AnlageAttachment
1010: Verdichtercompressor
1111: Verflüssigercondenser
1212: Expansionsventilexpansion valve
1313: VerdampferEvaporator
1414: Sammlercollector
22: Kaskadenregelungcascade control
2020: Sollwertgebersetpoint adjuster
2121: Führungsreglermaster controller
2222: Folgereglerslave controller
M11, M13M11, M13: Messpunktmeasuring point

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

WO 2012000501 A1 [0004]

Claims

Method for controlling a refrigeration circuit, the refrigeration circuit having at least one compressor (10), a condenser (11), an expansion valve (12), an evaporator (13) and a separator ( 14), and a position of the expansion valve (14) is controlled on the basis of supercooling downstream of the condenser (11), characterized in that the supercooling downstream of the condenser (11) is used as the master controlled variable of a cascade controller (2), which is used as the slave controlled variable superheating between the evaporator (13) and the separator (14) is used.

procedure after claim 1 , characterized in that the supercooling is detected via at least one measured variable measured at a first measuring point (M ₁₁ ), in particular via a temperature measured at the first measuring point (M ₁₁ ).

procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the overheating is detected via a measured variable measured at a second measuring point (M ₁₃ ), in particular via a temperature measured at the second measuring point (M ₁₃ ).

Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the cascade control (2) for a master controller (21) and a slave controller (22) uses a combination of P and PI controllers, PI and PI controllers or P and PID controllers.

procedure after claim 4 , characterized in that in the cascade control (2) a P controller is used for the master controller (21) and a PI controller is used for the slave controller (22).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a speed of the compressor (10) is additionally controlled and a manipulated variable for controlling the speed of the compressor (10) of the cascade control (2) for the expansion valve (12) is made available.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cascade control (2) is preset with a desired temperature value.

Method for controlling a refrigeration circuit, the refrigeration circuit having at least one compressor (10), a condenser (11), an expansion valve (12), an evaporator (13) and a separator ( 14), and a position of the expansion valve (14)) is regulated, characterized in that overheating between the evaporator (13) and the separator (14) is used for the regulation.

System comprising a refrigeration circuit with at least one compressor (10), a condenser (11), an expansion valve (12), an evaporator (13) and a separator (14) arranged between the evaporator (13) and the compressor (10). and an electronic control device via which a position of the expansion valve (14) can be controlled on the basis of supercooling after the condenser (11), characterized in that the electronic control device integrates a cascade control (2) which controls the supercooling after the condenser (11) as a reference control variable and superheating between the evaporator (13) and the separator (14) as a follow-up control variable.

plant after claim 9 , characterized in that in the system (1) at least one first measuring point (M ₁₁ ) is provided for measuring at least one first measured variable representative of the supercooling and the first measuring point (M ₁₁ ) is connected to the electronic control device in order to obtain measured values for to transmit the first measured variable to the electronic control device.

plant after claim 9 or 10 , characterized in that in the system (1) at least one second measuring point (M ₁₃ ) is provided for measuring at least one second measured variable representative of the overheating and the second measuring point (M ₁₃ ) is connected to the electronic control device in order to obtain measured values for to transmit the second measured variable to the electronic control device.

Plant after one of claims 9 until 11 , characterized in that the cascade control (2) for a master controller (21) and a slave controller (22) has a combination of P and PI controllers, PI and PI controllers or P and PID controllers.

plant after claim 12 , characterized in that the cascade control (2) has a P controller for the master controller (21) and a PI controller for the slave controller (22).

Plant after one of claims 9 until 13 , characterized in that the system (1) comprises an additional control for a speed of the compressor (10) and the cascade control (2) for the expansion valve (12) is set up to control the position of the expansion valve (12) on the basis of a manipulated variable for controlling the speed of the compressor (10).

Plant after one of claims 9 until 14 , characterized in that the cascade control (2) comprises a setpoint generator (20) for specifying a temperature setpoint.

System comprising a refrigeration circuit with at least one compressor (10), a condenser (11), an expansion valve (12), an evaporator (13) and a separator (14) arranged between the evaporator (13) and the compressor (10). and an electronic control device via which a position of the expansion valve (14) can be controlled, characterized in that the electronic control device integrates a control (2) which uses overheating between the evaporator (13) and the separator (14) as a controlled variable.