DE102021211280B4 - Method and device for monitoring a refrigerant system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Überwachung einer Kältemittel-Anlage (2) mit einem Kreislauf, in dem ein Kältemittel mittels eines Verdichters (4) umgewälzt wird, wobei der Verdichter (4) eine momentane elektrische Leistungsaufnahme (Pel) aufweist und einen momentanen Massenstrom (n) der Kältemittels fördert, wobei weiterhin das Kältemittel an einer Saugseite des Verdichters (4) einen Niederdruck (pein) und eine Sauggastemperatur (Tein) und an einer Druckseite einen Hochdruck (paus) und eine Heißgastemperatur (Taus) aufweist, und Leistungsaufnahme (Pel), Massenstrom (m), Niederdruck (pein), Sauggastemperatur (Tein), Hochdruck (paus) und Heißgastemperatur (Taus) Betriebsparameter darstellen und zumindest einige dieser Betriebsparameter während des Betriebs erfasst werden. Aus den gemessenen Werten dieser Betriebsparameter wird der momentane isentrope Ist-Wirkungsgrad (ηis) des Verdichters (4) ermittelt und hieraus oder aus einer hieraus abgeleiteten Ist-Größe wird auf einen momentanen Ist-Zustand des Verdichters (4) geschlossen. Hierdurch ist mit einem geringen Aufwand eine Ermittlung des Ist-Zustands des Verdichters (4) ermöglicht.The invention relates to a method and a device for monitoring a refrigerant system (2) with a circuit in which a refrigerant is circulated by means of a compressor (4), the compressor (4) having an instantaneous electrical power consumption (Pel) and a momentary mass flow (n) of the refrigerant, the refrigerant also having a low pressure (pein) and a suction gas temperature (Tein) on a suction side of the compressor (4) and a high pressure (poff) and a hot gas temperature (Toff) on a pressure side, and Power consumption (Pel), mass flow (m), low pressure (pein), suction gas temperature (Tein), high pressure (paus) and hot gas temperature (Toff) represent operating parameters and at least some of these operating parameters are recorded during operation. The momentary isentropic actual efficiency (ηis) of the compressor (4) is determined from the measured values of these operating parameters and a momentary actual state of the compressor (4) is concluded from this or from an actual variable derived therefrom. This makes it possible to determine the actual state of the compressor (4) with little effort.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Überwachung einer Kältemittel-Anlage mit einem Kreislauf, in dem ein Kältemittel mittels eines Verdichters gefördert wird.The invention relates to a method and a device for monitoring a refrigerant system with a circuit in which a refrigerant is conveyed by means of a compressor.
Der Verdichter ist bei einer Kältemittel-Anlage eine der zentralen Komponenten und bestimmt maßgeblich die Effizienz der Kältemittel-Anlage. Aufgrund seiner beweglichen Komponenten unterliegt er insbesondere auch einem Verschleiß. Es besteht daher grundsätzlich ein Bedarf, den Verdichter im Hinblick auf seine Effizienz und Funktionsfähigkeit zu überprüfen.The compressor is one of the central components in a refrigeration system and largely determines the efficiency of the refrigeration system. Due to its moving components, it is also subject to wear and tear. There is therefore a fundamental need to check the compressor with regard to its efficiency and functionality.
Aus der
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Überwachung einer Kältemittel-Anlage, speziell eines Verdichters einer solchen Kältemittel-Anlage in einfacher Weise zu ermöglichen.Proceeding from this, the invention is based on the object of enabling monitoring of a refrigeration system, specifically a compressor of such a refrigeration system, in a simple manner.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren sowie durch eine Vorrichtung zur Überwachung einer Kältemittel-Anlage, welche einen Kreislauf aufweist, in dem im Betrieb ein Kältemittel mittels eines Verdichters gefördert wird. Der Verdichter weist im Betrieb eine momentane elektrische Leistungsaufnahme sowie eine momentane Drehzahl auf und fördert einen momentanen Massenstrom. Das Kältemittel weist weiterhin an einer Einlass- oder Saugseite des Verdichters einen Niederdruck sowie eine Sauggastemperatur und an einer Auslass- oder Druckseite einen Hochdruck und eine Heißgastemperatur auf. Diese Parameter, nämlich Leistungsaufnahme, Drehzahl, Massenstrom, Niederdruck, Hochdruck, Sauggastemperatur und Heißgastemperatur bilden Betriebsparameter des Verdichters. Zumindest einige dieser Betriebsparameter werden während des Betriebes erfasst. Entweder sie werden direkt gemessen oder sie werden aus Messwerten abgeleitet. Speziell werden die Drücke und die Temperaturen mittels Drucksensoren und Temperatursensoren direkt gemessen. Die elektrische Leistungsaufnahme wird - sofern sie herangezogen wird - typischerweise aus einem Strom-Messwert und gegebenenfalls ergänzt um einen Spannungs-Messwert ermittelt. Alternativ wird sie aus - z.B. vom Hersteller des Verdichters - hinterlegten Tabellen oder Kurven in Abhängigkeit von Drücken, Temperaturen und / oder der Drehzahl ermittelt. Für den Massenstrom, sofern dieser herangezogen wird, wird typischerweise ein Massenstrom-Zähler eingesetzt. Bevorzugt wird jedoch kein Massenstrom gemessen. Vielmehr wird dieser im Bedarfsfall anderweitig bestimmt.The object is achieved according to the invention by a method and by a device for monitoring a refrigerant system which has a circuit in which a refrigerant is conveyed by means of a compressor during operation. During operation, the compressor has an instantaneous electrical power consumption and an instantaneous speed and delivers an instantaneous mass flow. The refrigerant also has a low pressure and a suction gas temperature on an inlet or suction side of the compressor and a high pressure and a hot gas temperature on an outlet or pressure side. These parameters, namely power consumption, speed, mass flow, low pressure, high pressure, suction gas temperature and hot gas temperature form the operating parameters of the compressor. At least some of these operating parameters are recorded during operation. Either they are measured directly or they are derived from measured values. In particular, the pressures and the temperatures are directly measured by means of pressure sensors and temperature sensors. The electrical power consumption—insofar as it is used—is typically determined from a measured current value and optionally supplemented by a measured voltage value. Alternatively, it is determined from tables or curves stored - e.g. by the manufacturer of the compressor - depending on pressures, temperatures and / or the speed. A mass flow meter is typically used for the mass flow, if this is used. However, no mass flow is preferably measured. Rather, this is determined otherwise if necessary.
Aus den während des Betriebs erfassten Werten für die Betriebsparameter wird der isentrope Ist-Wirkungsgrad des Verdichters ermittelt. Hieraus oder aus einer daraus abgeleiteten Ist-Größe wird auf einen momentanen Ist-Zustand des Verdichters geschlossen. Im einfachsten Fall wird der Ist-Wirkungsgrad des Verdichters unmittelbar als Maß für den Ist-Zustand herangezogen.The isentropic actual efficiency of the compressor is determined from the values recorded during operation for the operating parameters. From this or from an actual variable derived therefrom, a current actual state of the compressor is inferred. In the simplest case, the actual efficiency of the compressor is used directly as a measure of the actual state.
Der Begriff „momentan“ bezeichnet eine jeweils aktuelle Betriebssituation. Die entsprechenden momentanen Parameter / Parameterwerte / Größen werden auch als Ist-Parameter / Ist-Parameterwerte oder Ist-Größen bezeichnet.The term "currently" refers to a current operating situation. The corresponding instantaneous parameters/parameter values/variables are also referred to as actual parameters/actual parameter values or actual variables.
Der Ist-Zustand wird allgemein in Relation zu einem Soll-Zustand gesetzt und mit diesem verglichen. Der Soll-Zustand, speziell der Wert des isentropen Soll-Wirkungsgrads ist typischerweise in Abhängigkeit von den momentanen Betriebsbedingungen bekannt und ist beispielsweise für den eingesetzten Verdichter vorgegeben, speziell vom Hersteller des Verdichters. Alternativ wird der Soll-Zustand aus den z.B. herstellerseitig mitgeteilten oder berechneten Werten zu Massenstrom und Leistungsaufnahme sowie den Druck-/ und Temperaturwerten ermittelt. Aus diesem Vergleich werden Rückschlüsse auf den allgemeinen Zustand des Verdichters gezogen. Bei einer unzulässigen Abweichung erfolgt ein Hinweis, beispielsweise eine Handlungsempfehlung.The actual state is generally set in relation to a target state and compared with it. The target state, specifically the value of the isentropic target efficiency, is typically known as a function of the current operating conditions and is specified, for example, for the compressor used, specifically by the manufacturer of the compressor. Alternatively, the target state is determined from the values for mass flow and power consumption provided or calculated by the manufacturer, for example, as well as the pressure and temperature values. This comparison is used to draw conclusions about the general condition of the compressor. In the event of an impermissible deviation, a note is issued, for example a recommendation for action.
Der besondere Vorteil der Ermittlung des isentropen Ist-Wirkungsgrades, speziell im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Gegenüberstellung zwischen der aus den Betriebsparametern errechneten Heißgastemperatur und einer theoretischen Heißgastemperatur, ist darin zu sehen, dass die Heißgastemperatur einer hohen Schwankungsbreite unterliegt sowie eine hohe Sensitivität in Abhängigkeit der gemessenen Druck- und Temperaturwerte aufweist und somit insgesamt fehleranfällig ist. Demgegenüber ist eine Ableitung des Verdichterzustandes auf Basis des ermittelten isentropen Wirkungsgrades weniger sensitiv und bietet daher für unterschiedliche Randbedingungen eine gleichermaßen einsetzbare Vergleichsgröße. Insgesamt gestaltet sich der Aufwand für die Berechnung und Auswertung einfacher.The particular advantage of determining the isentropic actual efficiency, especially in comparison to that known from the prior art A comparison between the hot-gas temperature calculated from the operating parameters and a theoretical hot-gas temperature shows that the hot-gas temperature is subject to a wide range of fluctuation and is highly sensitive as a function of the measured pressure and temperature values, making it error-prone overall. In contrast, a derivation of the compressor status based on the determined isentropic efficiency is less sensitive and therefore offers a comparable value that can be used in the same way for different boundary conditions. Overall, the effort for the calculation and evaluation is simpler.
Der isentrope Wirkungsgrad gibt das Verhältnis an zwischen der realen Ist-Verdichterarbeit und einer theoretischen Verdichterarbeit unter isentropen Bedingungen. Für den Wirkungsgrad gilt folgende Beziehung:
mit
ηis = isentroper Wirkungsgrad des Verdichters (des Verdichtungsprozesses)
his = spezifische Enthalpie des Kältemittels ausgangsseitig eines isentropen Verdichtungsprozesses,
hein = spezifische momentane Enthalpie des Kältemittels am Eingang des Verdichters im Betrieb,
haus = spezifische momentane Enthalpie des Kältemittels am Ausgang des Verdichters im Betrieb.The isentropic efficiency indicates the relationship between the real actual compressor work and a theoretical compressor work under isentropic conditions. The following relationship applies to the efficiency:
with
η is = isentropic efficiency of the compressor (of the compression process)
h is = specific enthalpy of the refrigerant on the outlet side of an isentropic compression process,
h in = specific instantaneous enthalpy of the refrigerant at the compressor inlet during operation,
h out = specific momentary enthalpy of the refrigerant at the outlet of the compressor during operation.
In bevorzugter Ausgestaltung wird der Ist-Wirkungsgrad aus den ermittelten momentanen Werten für den Niederdruck, den Hochdruck, der Sauggastemperatur und der Heißgastemperatur ermittelt. Aus diesen ermittelten Werten werden für die Bestimmung des Ist-Wirkungsgrades gemäß obiger Formel die spezifische momentane Enthalpie des Kältemittels am Eingang und am Ausgang des Verdichters sowie die spezifische Enthalpie des eingesetzten Kältemittels ausgangsseitig eines isentropen Verdichtungsprozesses ermittelt. Hierzu werden aus den momentanen (gemessenen) Werten für den Niederdruck, Hochdruck sowie für die Sauggastemperatur und für die Heißgastemperatur die entsprechenden spezifischen Enthalpien mit Hilfe von Tabellen oder bekannten Funktionen ermittelt. Die spezifischen Enthalpie ist dabei eine von dem Druck und der Temperatur abhängige Größe. Die spezifische Enthalpie hängt insbesondere auch von dem eingesetzten Kältemittel ab. So wird die spezifische Enthalpie beispielsweise anhand von für das eingesetzte Kältemittel bekannten p, h-Diagrammen / Tabellen ermittelt. Für die Ermittlung der spezifischen Enthalpien werden look-up Tabellen oder eine geeignete Berechnungsfunktion hinterlegt.In a preferred embodiment, the actual efficiency is determined from the instantaneous values determined for the low pressure, the high pressure, the suction gas temperature and the hot gas temperature. From these determined values, the specific instantaneous enthalpy of the refrigerant at the inlet and outlet of the compressor and the specific enthalpy of the refrigerant used on the outlet side of an isentropic compression process are determined for determining the actual efficiency according to the above formula. For this purpose, the corresponding specific enthalpies are determined from the instantaneous (measured) values for the low pressure, high pressure as well as for the suction gas temperature and for the hot gas temperature with the help of tables or known functions. The specific enthalpy is a variable dependent on pressure and temperature. The specific enthalpy also depends in particular on the refrigerant used. For example, the specific enthalpy is determined using p, h diagrams/tables known for the refrigerant used. Look-up tables or a suitable calculation function are stored to determine the specific enthalpies.
Die Bestimmung des Ist-Wirkungsgrades auf Basis der eingangs- sowie ausgangsseitigen Temperaturwerte sowie Druckwerte ist die bevorzugte Variante, da diese Werte typischerweise regelmäßig auch bereits bei bestehenden Anlagen erfasst werden. Insofern kann das hier vorgeschlagene Verfahren problemlos auch bei bestehenden Anlagen beispielsweise durch ein geeignetes Software-Update nachgerüstet werden.Determining the actual efficiency on the basis of the temperature values and pressure values on the input and output side is the preferred variant, since these values are typically also regularly recorded in existing systems. In this respect, the method proposed here can also be easily retrofitted to existing systems, for example by means of a suitable software update.
In zweckdienlicher Ausgestaltung wird der Ist-Wirkungsgrad, wie er insbesondere gemäß obiger Gleichung (1) bestimmt wird, mit einem Soll-Wirkungsgrad verglichen. Bei einer Abweichung des Ist-Wirkungsgrades von dem Soll-Wirkungsgrad um einen vorgegebenen Schwellwert wird auf einen unzulässigen, mangelhaften Zustand des Verdichters, im Folgenden als „Schlecht-Zustand“ bezeichnet, geschlossen und es wird eine Fehlerwarnung ausgegeben. Der Schwellwert ist entweder herstellerseitig fest vorgegeben oder durch den Nutzer parametrisierbar. So wird beispielsweise eine Fehlerwarnung bei einer Abweichung von mehr als 5 % oder auch von mehr als 10 % abgegeben.In an expedient embodiment, the actual efficiency, as determined in particular according to equation (1) above, is compared with a target efficiency. If the actual efficiency deviates from the setpoint efficiency by a predetermined threshold value, an impermissible, defective condition of the compressor, hereinafter referred to as “bad condition”, is concluded and an error warning is issued. The threshold value is either fixed by the manufacturer or can be parameterized by the user. For example, an error warning is issued if there is a deviation of more than 5% or more than 10%.
Für den Soll-Wirkungsgrad wird gemäß einer ersten Variante auf bekannte Werte für den eingesetzten Verdichter zurückgegriffen. Häufig wird der Soll-Wirkungsgrad vom Hersteller des Verdichters z.B. in Form von Tabellen, Diagrammen angegeben.According to a first variant, known values for the compressor used are used for the setpoint efficiency. The target efficiency is often specified by the compressor manufacturer, e.g. in the form of tables or diagrams.
Insbesondere falls solche Werte nicht vorliegen, wird gemäß einer bevorzugten Variante der Soll-Wirkungsgrad speziell rechnerisch ermittelt. Dies erfolgt insbesondere mit Hilfe der nachfolgenden Formeln und auf Basis eines Massenstroms und einer elektrischen Leistungsaufnahme. Der Massenstrom und die Leistungsaufnahme werden dabei vorzugsweise nicht gemessen. Die erforderlichen Daten für den Massenstrom und der elektrischen Leistungsaufnahme werden bevorzugt aus Tabellen, z.B. des Herstellers des Verdichters berechnet oder entnommen und sind damit Verdichter-spezifisch. Sie sind typischerweise unter anderem abhängig von den momentanen eingangsseitigen Druck- und Temperaturwerten des Kältemittels. Für die Bestimmung (Berechnung) des Soll-Wirkungsgrades wird in guter Näherung von einem adiabatischen Verdichter ausgegangen.In particular, if such values are not available, according to a preferred variant, the target efficiency is determined specifically by calculation. This is done in particular with the help of the following formulas and on the basis of a mass flow and an electrical power consumption. The mass flow and the power consumption are preferably not measured. The required data for the mass flow and the electrical power consumption are preferably calculated or taken from tables, e.g. from the manufacturer of the compressor, and are therefore compressor-specific. They are typically dependent, among other things, on the instantaneous pressure and temperature values of the refrigerant on the inlet side. An adiabatic compressor is used as a good approximation to determine (calculate) the target efficiency.
Der Soll-Wirkungsgrad wird insbesondere gemäß folgenden Formeln bestimmt:
Hierbei sind:
- haus, soll = die ermittelte / berechnete spezifische momentane Soll-Enthalpie am Ausgang des Verdichters,
- hein = die spezifische momentane Enthalpie des Kältemittels am Eingang des Verdichters im Betrieb,
- his = die spezifische Enthalpie des Kältemittels ausgangsseitig eines isentropen Verdichtungsprozesses,
- ηis,soll = der isentrope Soll-Wirkungsgrad des Verdichters (des Verdichtungsprozesses)
- Pel. ber = der aus den (Hersteller-) Angaben ermittelte / berechnete elektrische Wirkungsgrad,
- mber = der aus den (Hersteller-) Angaben ermittelte / berechnete Massenstrom.
- h out, target = the determined / calculated specific instantaneous target enthalpy at the outlet of the compressor,
- h on = the specific instantaneous enthalpy of the refrigerant at the inlet of the compressor during operation,
- h is = the specific enthalpy of the refrigerant on the outlet side of an isentropic compression process,
- η is,soll = the isentropic desired efficiency of the compressor (of the compression process)
- P el. ber = the electrical efficiency determined / calculated from the (manufacturer) information,
- m ber = the mass flow determined / calculated from the (manufacturer) information.
Die Werte für die elektrische Leistungsaufnahme und für den Massenstrom können alternativ auch gemessen werden. Dies ist jedoch aufwändig. Daher werden die Werte - wie oben ausgeführt - bevorzugt nicht gemessen, sondern insbesondere anhand von Angaben vom Hersteller des Verdichters - in Abhängigkeit der momentanen Drücke / Temperaturen / Verdichterdrehzahl - ermittelt, beispielsweise anhand von Tabellen / Diagrammen / Funktionen entnommen und/oder z.B. durch Interpolation oder Extrapolation berechnet.Alternatively, the values for the electrical power consumption and for the mass flow can also be measured. However, this is laborious. Therefore, the values - as explained above - are preferably not measured, but determined in particular using information from the manufacturer of the compressor - depending on the current pressures / temperatures / compressor speed - taken, for example, using tables / diagrams / functions and/or e.g. by interpolation or extrapolation calculated.
Alternativ zur Bestimmung eines Verdichter-spezifischen Soll-Wirkungsgrades ist der Soll-Wirkungsgrad unabhängig von dem tatsächlich in der Kältemittel-Anlage eingesetzten Verdichter definierbar. Speziell ist daher der Soll-Wirkungsgrad unabhängig von spezifischen Soll-Daten des real eingesetzten Verdichters. Bei dieser Ausgestaltung wird daher von einem fixen Soll-Wirkungsgrad von z.B. zumindest 55 % ausgegangen. Eine Berechnung und/oder ein Rückgriff auf z.B. Herstellerangaben ist daher nicht erforderlich.As an alternative to determining a compressor-specific setpoint efficiency, the setpoint efficiency can be defined independently of the compressor actually used in the refrigerant system. In particular, the target efficiency is therefore independent of specific target data of the compressor actually used. In this embodiment, a fixed target efficiency of at least 55%, for example, is assumed. A calculation and/or recourse to e.g. manufacturer information is therefore not necessary.
Dies beruht auf der Überlegung, dass die heutzutage eingesetzten Verdichter regelmäßig eine ausreichend hohe Qualität aufweisen und zumindest im Ausgangszustand einen isentropen Wirkungsgrad aufweisen, welcher verdichterunabhängig in einem engen Wirkungsgrad-Fenster liegt. Weiterhin geht dieser Ansatz davon aus, dass bei einem Unterschreiten des unabhängig von dem Verdichter vorgegebenen Wertes für den Wirkungsgrad der Verdichter nicht akzeptabel ist und allgemein zu einem zu hohen Energieverbrauch führt.This is based on the consideration that the compressors used today regularly have a sufficiently high quality and, at least in the initial state, have an isentropic efficiency which, independent of the compressor, lies within a narrow efficiency window. Furthermore, this approach assumes that if the value for the efficiency of the compressor falls below the value specified independently of the compressor, this is unacceptable and generally leads to excessive energy consumption.
Auf diese Weise können beispielsweise auch mangelhafte Verdichter, die bereits im Ausgangszustand - ggf. nach einer Einlaufzeit nach der Inbetriebnahme - einen zu geringen Wirkungsgrad zeigen, erkannt und ausgetauscht werden. Das Identifizieren eines bereits im Ausgangszustand mangelhaften Verdichters ist allgemein möglich und nicht auf diese Variante mit dem fest vorgegebenen Wert für den Wirkungsgrad beschränkt.In this way, for example, defective compressors that already show insufficient efficiency in the initial state - possibly after a run-in period after commissioning - can be identified and replaced. It is generally possible to identify a compressor that is already defective in the initial state and is not limited to this variant with the fixed value for the efficiency.
Erfindungsgemäß wird aus dem ermittelten Ist-Wirkungsgrad auf den momentanen elektrischen Ist-Leistungsbedarf zurückgeschlossen. Durch Vergleich mit einer elektrischen Soll-Leistungsaufnahme wird dann auf den Ist-Zustand zurückgeschlossen. Bei dem Ist-Leistungsbedarf handelt sich daher um eine abgeleitete Ist-Größe. Durch diese Maßnahme kann daher direkt ein erhöhter Energiebedarf identifiziert werden. Ein erhöhter Energiebedarf deutet dabei auf Verschleiß und/oder mangelnde Funktionsfähigkeit oder sonstige Fehler hin. Aus dem Ist-Leistungsbedarf, insbesondere aus einer zeitlichen Veränderung wird insbesondere auch eine Prognose für eine Rest-Lebensdauer abgeleitet und als Information ausgegeben oder abgespeichert. Alternativ erfolgt eine Handlungsempfehlung direkt auf Basis des ermittelten Ist-Leistungsbedarfs, ohne dass eine Rest-Lebensdauer ermittelt wird.According to the invention, the instantaneous actual electrical power requirement is inferred from the determined actual efficiency. The actual state is then deduced from a comparison with a target electrical power consumption. The actual power requirement is therefore a derived actual variable. This measure can therefore directly identify an increased energy requirement. An increased energy requirement indicates wear and/or a lack of functionality or other errors. In particular, a prognosis for a remaining service life is also derived from the actual power requirement, in particular from a change over time, and is output or stored as information. Alternatively, a recommendation for action is made directly on the basis of the determined actual power requirement, without a remaining service life being determined.
Die Ermittlung des Ist-Leistungsbedarfs erfolgt insbesondere gemäß folgender Formel:
Durch Umstellen der obigen Gleichung (2)
In bevorzugter Ausgestaltung ist das hier vorgestellte Verfahren im Rahmen eines Condition Monitoring Systems eingesetzt und dient insbesondere auch zur Abschätzung oder Ermittlung einer Restlebensdauer des Verdichters. Hierzu wird allgemein insbesondere der zeitliche Verlauf der ermittelten Ist-Wirkungsgrade oder der zeitliche Ablauf der hieraus abgeleiteten Ist-Größe, wie beispielsweise der Ist-Leistungsbedarf ausgewertet.In a preferred embodiment, the method presented here is used as part of a condition monitoring system and is also used in particular to estimate or determine a remaining service life of the compressor. For this purpose, in particular the time profile of the determined actual efficiencies or the time profile of the actual variable derived therefrom, such as the actual power requirement, is generally evaluated.
Alternativ hierzu wird in bevorzugter Ausgestaltung auf die Ermittlung einer Rest-Lebensdauer verzichtet und eine Handlungsanweisung ergeht unmittelbar.As an alternative to this, in a preferred embodiment, the remaining service life is not determined and instructions for action are issued immediately.
Die Ermittlung des Ist-Wirkungsgrades sowie des Ist-Zustands des Verdichters werden in bevorzugter Ausgestaltung mittels einer dezentralen Auswerteeinheit ausgeführt, die Teil der Kältemittel-Anlage ist. Die Auswertung erfolgt daher unmittelbar innerhalb der Kältemittel-Anlage selbst. Die Auswerteeinheit ist dabei beispielsweise in einer Steuereinheit integriert, die den Betrieb und insbesondere den Kreislauf der Kältemittel-Anlage steuert.In a preferred embodiment, the actual efficiency and the actual state of the compressor are determined by means of a decentralized evaluation unit that is part of the refrigerant system. The evaluation therefore takes place directly within the refrigeration system itself. The evaluation unit is integrated, for example, in a control unit that controls the operation and in particular the circuit of the refrigeration system.
Alternativ hierzu erfolgt die Ermittlung des Ist-Zustands des Verdichters sowie bei Bedarf ergänzend auch die Ermittlung des Ist-Wirkungsgrades in einer bezüglich der Kältemittel-Anlage entfernten zentralen Auswerteeinheit. Diese zentrale Auswerteeinheit befindet sich beispielsweise an einem anderen Ort als die Kältemittel-Anlage und ist beispielsweise Teil einer Cloud-Lösung und / oder Teil eines zentralen Servers des Kälteanlagen-Herstellers. Alternativ ist die zentrale Auswerteeinheit für mehrere Anlagen/Kältemittel-Anlagen innerhalb eines Gebäudes zuständig. Sie ist beispielsweise Teil eines Smart-Home Systems.As an alternative to this, the actual state of the compressor is determined and, if necessary, the actual efficiency is also determined in a central evaluation unit that is remote from the refrigerant system. This central evaluation unit is, for example, at a different location than the refrigerant system and is, for example, part of a cloud solution and/or part of a central server of the refrigeration system manufacturer. Alternatively, the central evaluation unit is responsible for several systems/refrigerant systems within a building. For example, it is part of a smart home system.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt aus einer Kältemittel-Anlage.An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the single figure. This shows a section of a refrigerant system in a greatly simplified representation.
Die ausschnittsweise dargestellte Kältemittel-Anlage 2 weist einen Verdichter 4 auf, welcher in einem Kältemittel-Kreislauf 6 angeordnet ist und in diesem zur Verdichtung und Umwälzung eines Kältemittels dient. Ein solcher Kältemittel-Kreislauf 6 ist grundsätzlich bekannt und umfasst neben dem Verdichter 4 als weitere Hauptkomponenten, die vorliegend nicht dargestellt sind, einen Kondensator, ein Drosselorgan sowie einen Verdampfer, die in Strömungsrichtung des Kältemittels in dieser Reihenfolge dem Verdichter nachgeschaltet sind.The
Die Kältemittel-Anlage 2 umfasst weiterhin Drucksensoren 8 sowie Temperatursensoren 10, die jeweils saugseitig und druckseitig am Einlass sowie am Auslass des Verdichters 4 angeordnet sind. Über diese Sensoren 8,10 wird einlassseitig eine momentane Sauggastemperatur Tein sowie ein Niederdruck pein und auslassseitig eine momentane Heißgastemperatur Taus sowie ein Hochdruck paus vorzugsweise durch Messen ermittelt. Die gemessenen momentanen Werte (= Ist-Werte) dieser Betriebsparameter werden an eine Auswerteeinheit 12 übermittelt, welche beispielsweise Teil der Kältemittel-Anlage 2 ist und in dieser als dezentrale Auswerteeinheit integriert ist. Alternativ ist sie außerhalb der Kältemittel-Anlage 2 ausgebildet und steht mit dieser lediglich in Kommunikationsverbindung und ist als eine zentrale Auswerteeinheit ausgebildet.The
Innerhalb der Auswerteeinheit 12 ist eine Recheneinheit 14 enthalten, die aus den momentanen Werten der Betriebsparameter den isentropen Ist-Wirkungsgrad ηis ermittelt. Weiterhin ist eine Vergleichseinheit 16 integriert, innerhalb derer der Ist-Wirkungsgrad ηis mit einem Soll-Wirkungsgrad ηsoll abgeglichen wird. In Abhängigkeit des Vergleiches werden bevorzugt weitere Aktionen veranlasst, wie beispielsweise die Herausgabe einer Meldung zum Ist-Zustand des Verdichters 4 oder auch eine Handlungsempfehlung, wie beispielsweise für eine Wartung oder Austausch des Verdichters 4.The
Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausgestaltung die Auswerteeinheit 12 auf Basis des ermittelten Ist-Zustands auch zur Vorhersage einer verbleibenden Rest-Lebensdauer des Verdichters 4 ausgebildet. Hierzu werden insbesondere auch die im Laufe der Zeit ermittelten Ist-Wirkungsgrade ηis sowie gegebenenfalls hieraus abgeleitete Ist-Größen mit ihrem zeitlichen Verlauf gespeichert und ausgewertet.Furthermore, in a preferred embodiment, the
Die Überprüfung des Verdichters 4 durch die Berechnung oder Ermittlung des Ist-Wirkungsgrades ηis erfolgt beispielsweise in vorgegebenen zeitlichen Intervallen und damit quasi laufend während des Betriebs. Speziell erfolgt die Durchführung der Überprüfung zumindest immer dann, wenn der Verdichter 4 aktiviert wird und sich insbesondere in einem näherungsweise stationären Betriebszustand befindet.The
Alternativ zu der Auswertung der angegebenen Temperaturen T und Drücke p besteht auch die Möglichkeit, einen Massenstrom m des Kältemittels sowie eine momentane elektrische Leistungsaufnahme Pel zu ermitteln und hieraus den Ist-Wirkungsgrad ηis zu ermitteln. Die momentane elektrische Leistungsaufnahme Pel definiert zugleich den momentanen elektrischen Leistungsbedarf. Der Massenstrom wird an einer geeigneten Stelle im Kreisprozess gemessen, beispielsweise nach dem Kondensator, da dort gute Voraussetzungen für eine Messung des Massenstroms m vorliegen. Alternativ wird der Massenstrom m im Bereich des Verdichters, speziell am Eintritt des Verdichters gemessen.As an alternative to evaluating the specified temperatures T and pressures p, there is also the possibility of determining a mass flow m of the refrigerant and an instantaneous electrical power consumption P el and of determining the actual efficiency η is from this. The instantaneous electrical power consumption P el also defines the instantaneous electrical power requirement. The mass flow is measured at a suitable point in the cycle, for example after the condenser, since there are good conditions for measuring the mass flow m. Alternatively, the mass flow m is measured in the area of the compressor, specifically at the compressor inlet.
Für die Vergleichseinheit 16 werden ergänzend von einer Dateneinheit 18 Daten zur Verfügung gestellt, die entweder unmittelbar die Soll-Daten sind, wie beispielsweise ein Soll-Daten für einen eingesetzten Verdichtertyp, speziell ein Typ-spezifischer Soll-Wirkungsgrad ηis,soll. Hierbei kann vorgesehen sein, dass derartige Soll-Wirkungsgrade ηis,soll in einer Tabelle oder durch Polynome vorgehalten sind und zwar für unterschiedliche eingangsseitige sowie ausgangseitige Temperaturen und Drücke und / oder in Tabellen bzw. Polynomen für unterschiedliche Drehzahlen des Verdichters.A
Alternativ oder ergänzend enthält die Dateneinheit 18 auch Daten über den tatsächlich eingesetzten Verdichter 4, beispielsweise Leistungsdaten, wie einen vom Hersteller angegebenen isentropen Wirkungsgrad.Alternatively or additionally, the
Der Soll-Wirkungsgrad ηis, soll kann ergänzend oder alternativ auch ermittelt werden aus dem momentanen Massenstrom m und einer theoretischen Verdichterleistung, wie sie beispielsweise seitens des Herstellers des Verdichters 4 angegeben ist.The setpoint efficiency η is, soll can additionally or alternatively also be determined from the instantaneous mass flow m and a theoretical compressor output, as specified, for example, by the manufacturer of the
Ergibt der Abgleich zwischen dem ermittelten Ist-Wirkungsgrad ηis und dem theoretischen Soll-Wirkungsgrad ηis, soll eine Abweichung, die beispielsweise über einen festgelegten Grenzwert g liegt (ηis, soll - ηis > g) so wird auf eine mangelnde Funktionsfähigkeit als Ist-Zustand des Verdichters 4 zurückgeschlossen und es besteht die Gefahr, dass der Verdichter 4 künftig ausfallen kann. Über eine entsprechende Fehlermitteilung kann dann ein präventiver Austausch des Verdichters 4 vorgeschlagen werden, um einen Ausfall der Kältemittel-Anlage 2 zu vermeiden.If the comparison between the determined actual efficiency η is and the theoretical target efficiency η is shows a deviation that is, for example, above a specified limit value g (η is, target - η is > g), then a lack of functionality is considered to be Actual state of the
Ein besonderer Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens und der hier beschriebenen Anlage ist darin zu sehen, dass nur eine geringe Anzahl an Sensoren erforderlich ist, welche typischerweise sowieso bereits zur Verfügung stehen (Druck- und Temperatursensor 8,10). Auch reicht eine nur geringe Rechenkapazität aus, da im Wesentlichen nur die momentanen Werte oder auch nur wenige Werte betrachtet werden, wobei die wenigen Werte bevorzugt nicht fortlaufend, sondern nur in regelmäßigen Zeitabständen erfasst werden. Die Berücksichtigung von (weiteren) Umgebungsparametern ist nicht erforderlich und bevorzugt auch nicht vorgesehen.A particular advantage of the method described here and the system described here can be seen in the fact that only a small number of sensors are required, which are typically already available anyway (pressure and
Im Vergleich zu dem Konzept, bei dem aufgrund eines Heißgas-Temperaturvergleichs zwischen einer errechneten und einer theoretischen Heißgastemperatur auf einen Ist-Zustand des Verdichters 4 zurückgeschlossen wird, ergeben sich mehrere wesentliche Vorteile. Zum einen ist bei der hier beschriebenen Variante eine Abschätzung und Ermittlung des Ist-Zustands des Verdichters ohne spezielle Kenntnis über Leistungsparameter des eingesetzten Verdichters möglich und damit insbesondere ohne spezifische Herstellerangaben möglich. Der ermittelte Ist-Wirkungsgrad ηis weist vielmehr unmittelbar auf den Ist-Zustand des Verdichters 4 hin.In comparison to the concept in which an actual state of the
Die Auswertung auf Grundlage der Heißgastemperatur ist grundsätzlich auch deutlich schwieriger, da diese im Betrieb in Abhängigkeit der aktuellen Betriebssituation deutlichen Schwankungen unterliegt. So kann die Heißgastemperatur beispielsweise - je nach Bauart des Verdichters, der Drehzahl und des eingesetzten Kältemittels - bei einer Anlage zwischen 65 °C und 120 °C variieren. Demgegenüber ist bei dem Wirkungsgrad ηis allenfalls mit einer Varianz im Bereich von beispielsweise 60 %-74 % zu rechnen. Allgemein wird davon ausgegangen, dass der Ist-Wirkungsgrad ηis allgemein über 65 % sein soll.The evaluation based on the hot gas temperature is also fundamentally much more difficult, as this is subject to significant fluctuations during operation depending on the current operating situation. For example, the hot gas temperature in a system can vary between 65 °C and 120 °C, depending on the design of the compressor, the speed and the refrigerant used. In contrast, a variance in the range of, for example, 60%-74% can be expected for the efficiency η is at most. It is generally assumed that the actual efficiency η is should generally be over 65%.
Ein weiterer Vorteil der Ermittlung des Ist-Wirkungsgrads ηis ist schließlich darin zu sehen, dass dieser direkt einen Rückschluss auf den elektrischen Leistungsbedarf des Verdichters 4 insbesondere in Relation zu einem optimalen Zustand des Verdichters 4 gibt. Bevorzugt wird daher aus dem Ist-Wirkungsgrad ηis auch direkt der momentane elektrischen Leistungsbedarf des Verdichters 4 ermittelt. Hierzu sind keine speziellen, aufwendigen Berechnungen erforderlich. Zwischen dem Ist-Wirkungsgrad ηis und der elektrischen momentanen Leistungsaufnahme besteht eine vorgegebene Korrelation, sodass also aus einem Abfall des Ist-Wirkungsgrades ηis gleichzeitig auf einen höheren Leistungsbedarf geschlossen werden kann. Finally, a further advantage of determining the actual efficiency η is is that it gives a direct indication of the electrical power requirement of the
Speziell ist auch keine direkte Messung der Leistungsaufnahme des Verdichters vorgesehen. Hierzu wären entsprechende Messgeräte, beispielsweise zur Strommessung des eingangsseitigen Verdichter-Stroms erforderlich. Bei einigen Anlagen, speziell bei Anlagen mit geringerer Leistung z.B. bis 6 kW oder bis 9 kW Heizleistung der Kältemittel-Anlage, sind solche Messgeräte nicht vorgesehen und würden zu zusätzlichen Kosten führen.In particular, no direct measurement of the power consumption of the compressor is provided. Appropriate measuring devices would be required for this purpose, for example for measuring the current of the compressor current on the input side. In some systems, especially in systems with a lower capacity, e.g. up to 6 kW or up to 9 kW heating capacity of the refrigerant system, such measuring devices are not provided and would lead to additional costs.
Die Bestimmung des momentanen Leistungsbedarfs erlaubt eine unmittelbare Aussage, ob ein Austausch des Verdichters 4 erfolgen sollte. Eine Kenntnis oder eine Korrelation zu einer Restlebensdauer, die erst ermittelt werden müsste, ist nicht erforderlich und wird vorzugsweise nicht ausgeführt. Vielmehr wird anhand des ermittelten elektrischen Leistungsbedarfs direkt abgeschätzt, ob der eingesetzte Verdichter 4 ungenügend ist und beispielsweise zu einem nicht zumutbaren hohen Verbrauch führen würde.Determining the instantaneous power requirement allows an immediate statement as to whether the
Insgesamt ist durch das hier beschriebene Verfahren eine einfache Bestimmung des Ist-Zustands des Verdichters 4 erreicht und es wird hieraus eine Handlungsempfehlung abgeleitet, falls sich zeigt, dass der Verdichter 4 eine mangelnde Leistung aufweist.Overall, the method described here achieves a simple determination of the actual state of the
BezugszeichenlisteReference List
- 22
- Kältemittel-Anlagerefrigerant system
- 44
- Verdichtercompressor
- 66
- Kreislaufcycle
- 88th
- Drucksensorpressure sensor
- 1010
- Temperatursensortemperature sensor
- 1212
- Auswerteeinheitevaluation unit
- 1414
- Recheneinheitunit of account
- 1616
- Vergleichseinheitcomparison unit
- 1818
- Dateneinheit data unit
- Teinthein
- Sauggastemperatursuction gas temperature
- Tausdew
- Heißgastemperaturhot gas temperature
- peinpain
- Niederdrucklow pressure
- pauspause
- Hochdruckhigh pressure
- mm
- Massenstrommass flow
- PelPel
- elektrische Leistungsaufnahmeelectric power consumption
- ηisηis
- isentroper Ist-Wirkungsgradisentropic actual efficiency
- ηis,sollηis,should
- isentroper Soll-Wirkungsgradisentropic target efficiency
- gG
- Schwellwertthreshold
Claims (10)
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DE102021211280.3A DE102021211280B4 (en) | 2021-10-06 | 2021-10-06 | Method and device for monitoring a refrigerant system |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021211280.3A DE102021211280B4 (en) | 2021-10-06 | 2021-10-06 | Method and device for monitoring a refrigerant system |
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DE102021211280A1 DE102021211280A1 (en) | 2023-04-06 |
DE102021211280B4 true DE102021211280B4 (en) | 2023-05-04 |
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004099683A2 (en) | 2003-04-30 | 2004-11-18 | Emerson Retail Services Inc. | Predictive maintainance and equipment monitoring for a refrigeration system |
JP2012172957A (en) | 2011-02-24 | 2012-09-10 | Yanmar Co Ltd | Refrigerant circuit with anomaly detection function for compressor |
EP3450880B1 (en) | 2017-09-05 | 2020-02-12 | ALSTOM Transport Technologies | Method for supervising an air-conditioning system for a railway vehicle and railway vehicle comprising an air-conditioning system implementing this method |
-
2021
- 2021-10-06 DE DE102021211280.3A patent/DE102021211280B4/en active Active
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EP3450880B1 (en) | 2017-09-05 | 2020-02-12 | ALSTOM Transport Technologies | Method for supervising an air-conditioning system for a railway vehicle and railway vehicle comprising an air-conditioning system implementing this method |
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