DE102022123516B4

DE102022123516B4 - Verfahren zum ermitteln des phasenzustands oder des unterkühlungszustands

Info

Publication number: DE102022123516B4
Application number: DE102022123516.5A
Authority: DE
Inventors: Neeraj S. Shidore; Min Sun; Ryan D Hopper; Cameron Paul Smith
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2042-09-15
Also published as: US20230168014A1; DE102022123516A1; CN116203063A; US11933528B2

Abstract

Verfahren und Systeme zur Ermittlung eines Phasenzustandes und/oder des Grades der Unterkühlung in einem Fluid. Ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben eines Kältekreisprozesses umfasst das Durchströmen eines Kältemittels über eine Messvorrichtung und das Berechnen einer Druckdifferenz des Kältemittels über dieselbe. Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln, ob das Kältemittel auf Grundlage der Druckdifferenz eine gesättigte Flüssigkeit ist. Das Verfahren umfasst, wenn das Kältemittel keine gesättigte Flüssigkeit ist, die Kühlung des Kältemittels stromaufwärts der Messvorrichtung.

Description

EINLEITUNG
Das technische Gebiet bezieht sich im Allgemeinen auf den Phasenzustand eines Fluids nahe und an der Siedelinie und im Besonderen auf die Ermittlung des Phasenzustands und/oder des Unterkühlungszustands eines Fluids.
Das Phasenzustandsverhalten von Fluiden bei verschiedenen Drücken und Enthalpien ist gut bekannt. Bestimmte Verfahren nutzen die latente Verdampfungswärme für den Wärmeaustausch, um selektiv nach Wunsch zu heizen oder zu kühlen. Beispielsweise verwenden Kühlsysteme in der Regel ein Wärmepumpenschema, das ein Kältemittel auf einen Dampfzustand mit relativ hoher Temperatur/hohem Druck verdichtet, das Kältemittel auf einen Flüssigkeitszustand mit relativ mittlerer Temperatur/hohem Druck kondensiert, das Kältemittel auf einen gemischten Dampf-/Flüssigkeitszustand mit relativ niedriger Temperatur/niedrigem Druck ausdehnt und das Kältemittel auf einen Dampfzustand mit relativ mittlerer Temperatur/niedrigem Druck verdampft, bevor der Zyklus wiederholt wird. Die Wärme kann während der Kondensation aus dem Kreisprozess abgegeben und/oder während der Verdampfung aus dem Kreisprozess aufgenommen werden.
Idealerweise ist das Kältemittel bei der Einleitung in das Expansionsgerät zunächst eine gesättigte Flüssigkeit, d. h. eine einphasige Flüssigkeit ohne Dampf. Aufgrund der Prozessbedingungen kann das Kältemittel nach dem Verflüssigen jedoch in einem Zweiphasenzustand (Flüssigkeit und Dampf) verbleiben. Anders gesagt, das Kältemittel wird möglicherweise nicht vollständig vom Verflüssiger verflüssigt. Dies kann durch die Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit verursacht werden. Der Expansionsprozess funktioniert jedoch nicht so effektiv, wenn sich das Kältemittel im Zweiphasenzustand befindet.
Daher wäre es vorteilhaft, den Zustand des Kältemittels beim Eintritt in das Expansionsgerät zu ermitteln. Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, zu wissen, ob und in welchem Maße ein Fluid unterkühlt ist. Zum Beispiel kann Unterkühlung in bestimmten Systemen den Kühleffekt erhöhen, indem sie den Drosselungsverlust ohne zusätzlichen spezifischen Arbeitsaufwand verringert. Außerdem kann eine Unterkühlung sicherstellen, dass nur Flüssigkeit in das Expansionsgerät gelangt, was zu dessen effizientem Betrieb führt. Ein praktischer Vorteil der Unterkühlung besteht darin, dass am Eintritt in den Verdampfer weniger Dampf vorhanden ist, was zu einem geringeren Druckverlust im Verdampfer führt.
Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Verfahren und ein System zur Ermittlung des Phasenzustands eines Fluids und/oder des Grads der Unterkühlung des Fluids, d. h. des Abstands von der Siedelinie eines Fluids, bereitzustellen. Darüber hinaus ist es wünschenswert, ein Verfahren und ein System zur Ermittlung des Grades der Unterkühlung eines Fluids bereitzustellen, d. h. wie weit das Fluid über die Siedelinie hinaus abgekühlt ist. Darüber hinaus werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und dem vorstehenden technischen Gebiet und Hintergrund betrachtet werden.
Ein Kühlsystem mit einem Kompressor zum Verdichten eines gasförmigen Kältemittels, einem Kondensator zum Kühlen und Verflüssigen des gasförmigen Kältemittels, einem Expansionsventil zum Expandieren des durch das vom Kondensator verflüssigten Kältemittels, um ein zerstäubtes Kältemittel zu bilden ist in JP H06-117 736 A beschrieben.
KURZDARSTELLUNG
Verfahren und Systeme zur Ermittlung eines Phasenzustandes und/oder des Grades der Unterkühlung in einem Fluid.
Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Kältekreisprozesses bereitgestellt. Bei einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Durchströmen einer Messvorrichtung mit einem Kältemittel und das Berechnen einer Druckdifferenz des Kältemittels über die Messvorrichtung. Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln, ob das Kältemittel auf Grundlage der Druckdifferenz eine gesättigte Flüssigkeit ist. Das Verfahren umfasst, wenn das Kältemittel keine gesättigte Flüssigkeit ist, die Kühlung des Kältemittels stromaufwärts der Messvorrichtung.
Bei bestimmten Ausgestaltungen ist die Messvorrichtung ein Expansionsventil mit einem Einlass und einem Auslass. Bei diesen Ausgestaltungen umfasst die Berechnung der Druckdifferenz des Kältemittels über die Messvorrichtung die Messung eines Einlassdrucks des Kältemittels am Einlass und die Messung eines Auslassdrucks des Kältemittels am Auslass. Bei solchen Ausgestaltungen umfasst die Ermittlung, ob das Kältemittel auf Grundlage der Druckdifferenz eine gesättigte Flüssigkeit ist, auch die Schätzung eines Dichtekorrekturfaktors Δ aus Gleichung (1): $m = A \sqrt (2 (1 + Δ) ρ (Pin - Pout))$
wobei: m der Massenstrom des Expansionsventils ist; A der effektive Strömungsquerschnitt des Expansionsventils ist; ρ die Dichte des flüssigen Kältemittels im Sättigungszustand ist; Pin der Druck am Einlass des Expansionsventils und Pout der Druck am Auslass des Expansionsventils ist.
Bei bestimmten Ausgestaltungen kann das Ermitteln, ob das Kältemittel auf Grundlage der Druckdifferenz eine gesättigte Flüssigkeit ist, die Überprüfung beinhalten, ob der Dichtekorrekturfaktor Δ kleiner als 0 ist, und, wenn der Dichtekorrekturfaktor Δ kleiner als 0 ist, die Feststellung, dass das Kältemittel keine gesättigte Flüssigkeit ist.
Bei bestimmten Ausgestaltungen umfasst die Schätzung des Dichtekorrekturfaktors Δ die Schätzung des Dichtekorrekturfaktors Δ auf Grundlage eines Schätzungsalgorithmus.
Bei bestimmten Ausgestaltungen umfasst der Kältekreisprozess einen Verdichter mit einem Verdichter-Volumenstrom und es wird angenommen, dass der Massenstrom des Expansionsventils gleich dem Verdichter-Volumenstrom ist.
Bei bestimmten Ausgestaltungen wird der effektive Strömungsquerschnitt des Expansionsventils kalibriert.
Bei bestimmten Ausgestaltungen wird bei der Ermittlung, ob das Kältemittel eine gesättigte Flüssigkeit ist, keine Messung der Temperatur des Kältemittels vorgenommen.
Bei bestimmten Ausgestaltungen ist die Messvorrichtung ein Expansionsventil in einem Kältemittelkreislauf, der einen Verdampfer, einen Verdichter und einen Verflüssiger umfasst.
Bei bestimmten Ausgestaltungen umfasst die Kühlung des Kältemittels stromaufwärts der Messvorrichtung einen Wärmeaustausch zwischen einem Kühlmittel und dem Kältemittel stromaufwärts der Messvorrichtung.
Bei bestimmten Ausgestaltungen umfasst das Verfahren ferner die Kühlung des Kühlmittels durch Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel stromabwärts der Messvorrichtung.
Es wird ein Verfahren zum Ermitteln des Grades der Unterkühlung in einem Fluid bereitgestellt. Bei einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Durchströmen einer Messvorrichtung mit einem Fluid von einem Einlass zu einem Auslass der Vorrichtung; das Messen eines Einlassdrucks des Fluids am Einlass der Vorrichtung; und das Messen eines Auslassdrucks des Fluids am Auslass der Vorrichtung. Ferner umfasst das Verfahren das Ermitteln des Grades der Unterkühlung im Fluid auf Grundlage einer Differenz zwischen dem Einlassdruck und dem Auslassdruck.
Bei bestimmten Ausgestaltungen umfasst das Ermitteln des Grades der Unterkühlung im Fluid auf Grundlage einer Differenz zwischen dem Einlassdruck und dem Auslassdruck die Schätzung eines Dichtekorrekturfaktors Δ aus Gleichung (1): $m = A \sqrt (2 (1 + Δ) ρ (Pin - Pout))$
wobei:m der Massenstrom der Vorrichtung ist; A der effektive Strömungsquerschnitt der Vorrichtung ist; ρ die Fluiddichte im Sättigungszustand ist; Pin der Druck am Einlass der Vorrichtung und Pout der Druck am Auslass der Vorrichtung ist. Bei bestimmten Ausgestaltungen umfasst die Korrelation des Grades der Unterkühlung mit dem Dichtekorrekturfaktor Δ das Ermitteln des Grades der Unterkühlung durch Referenzieren der gepaarten Dichtekorrekturfaktoren Δ und Grade der Unterkühlung.
Bei bestimmten Ausgestaltungen umfasst die Schätzung des Dichtekorrekturfaktors Δ die Schätzung des Dichtekorrekturfaktors Δ auf Grundlage eines Schätzungsalgorithmus.
Bei bestimmten Ausgestaltungen umfasst das Verfahren ferner die Korrelation des Grades der Unterkühlung mit dem geschätzten Dichtekorrekturfaktor Δ.
Ein Kühlsystem wird ebenfalls bereitgestellt. Bei einer Ausgestaltung umfasst das Kühlsystem einen Kältekreisprozess mit einem Verdichter, der dazu ausgelegt ist, ein Kältemittel zu verdichten, einem Verflüssiger, der dazu ausgelegt ist, das vom Verdichter erhaltene Kältemittel zu kondensieren, ein Expansionsventil, das dazu ausgelegt ist, das vom Verflüssiger erhaltene Kältemittel zu expandieren, und einen Verdampfer, der dazu ausgelegt ist, das vom Expansionsventil erhaltene Kältemittel zu verdampfen. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung hat das Expansionsventil einen Expansionsventil-Einlass und einen Expansionsventil-Auslass. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung umfasst das System außerdem einen Wärmetauscher, der dazu ausgelegt ist, das Kältemittel am Einlass des Expansionsventils selektiv zu kühlen. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung umfasst das System außerdem eine Drucksensorvorrichtung zum Ermitteln des Phasenzustands des Kältemittels am Einlass des Expansionsventils.
Bei bestimmten Ausgestaltungen des Systems ist die Drucksensorvorrichtung dazu ausgelegt, einen Einlassdruck des Kältemittels am Einlass des Expansionsventils und einen Auslassdruck des Kältemittels am Auslass des Expansionsventils zu erfassen, um den Phasenzustand des Kältemittels am Einlass des Expansionsventils zu ermitteln.
Bei bestimmten Ausgestaltungen des Systems umfasst das Ermitteln des Phasenzustands des Kältemittels am Einlass des Expansionsventils die Schätzung eines Dichtekorrekturfaktors Δ aus Gleichung (1): $m = A \sqrt (2 (1 + Δ) ρ (Pin - Pout))$
wobei: m der Massenstrom des Expansionsventils ist; A der effektive Strömungsquerschnitt des Expansionsventils ist; ρ die Dichte des flüssigen Kältemittels im Sättigungszustand ist; Pin der Druck am Einlass des Expansionsventils und Pout der Druck am Auslass des Expansionsventils ist, wobei das System ferner ein Schätzmodul, einschließlich eines Datenprozessors, zum Schätzen des Dichtekorrekturfaktors Δ enthält.
Bei bestimmten Ausgestaltungen umfasst das System außerdem einen Kühlmittelkreislauf für die Zirkulation eines Kühlmittels. Bei solchen Ausgestaltungen ist der Wärmetauscher dazu ausgelegt, das Kältemittel am Einlass des Expansionsventils selektiv zu kühlen, indem er Wärme vom Kältemittel zum Kühlmittel austauscht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beispielhaften Ausgestaltungen werden im Folgenden in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Ziffern gleiche Elemente bezeichnen und wobei:

1 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems gemäß einer Ausgestaltung zeigt;
2 ein Druck-Enthalpie-Diagramm (oder Mollier-Diagramm) zeigt, das den Übergang des Kältemittels aus 1 zur Erläuterung der Funktionsweise des Kühlsystems von 1 in Übereinstimmung mit einer Ausgestaltung darstellt;
3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung eines Teils des Kühlsystems von 1 ist, ausgerichtet auf die Messvorrichtung und die damit verbundenen Messleistung des Systems gemäß einer Ausgestaltung;
4 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems gemäß einer Ausgestaltung zeigt; und
5 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Ermitteln des Grades der Unterkühlung gemäß einer Ausgestaltung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und ist nicht dazu bestimmt, die Anwendung oder den Gebrauch einzuschränken. Darüber hinaus besteht nicht die Absicht, durch die in dem vorangehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzdarstellung oder der folgenden detaillierten Beschreibung dargelegten ausdrücklichen oder impliziten Theorien gebunden zu sein.
Wie hierin verwendet, bedeutet das Wort „beispielhaft“ „als Beispiel, Instanz oder Illustration dienen“. Wie hierin verwendet, ist „ein(e)“ oder „der/die/das“ als Einzahl oder Mehrzahl zu verstehen, sofern nicht anders angegeben. Der Begriff „oder“ kann verbindend oder trennend sein. Offene Begriffe wie „einschließen“, „einschließlich“, „enthalten“, „enthaltend“ und dergleichen bedeuten „umfassen“, können aber bei bestimmten Ausgestaltungen auch „bestehend aus“ bedeuten. Bei bestimmten Ausgestaltungen können Zahlen in dieser Beschreibung, die Mengen, Verhältnisse von Materialien, physikalische Eigenschaften von Materialien und/oder die Verwendung angeben, so verstanden werden, dass sie durch das Wort „ungefähr“ modifiziert werden. Der Begriff „ungefähr“, wie er im Zusammenhang mit einem Zahlenwert und den Ansprüchen verwendet wird, bezeichnet einen Genauigkeitsbereich, der dem Fachmann bekannt und akzeptabel ist. Im Allgemeinen beträgt dieser Genauigkeitsbereich ±10 %. Alle Zahlen in dieser Beschreibung, die Mengen, Verhältnisse von Stoffen, physikalische Eigenschaften von Stoffen und/oder deren Verwendung angeben, können als durch das Wort „ungefähr“ modifiziert verstanden werden, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
Die Figuren liegen in vereinfachter Form vor und sind nicht maßstabsgetreu. Ferner werden Begriffe wie „oben“, „unten“, „über“, „oberhalb“, „unter“, „unterhalb“, „nach oben“, „nach unten“ usw. zur Beschreibung der Figuren verwendet und stellen keine Einschränkungen des Umfangs des Gegenstands dar, wie er in den im Anhang aufgeführten Ansprüchen definiert ist. Alle numerischen Bezeichnungen wie „erste(r)“ oder „zweite(r)“ dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang des Gegenstands in irgendeiner Weise einzuschränken. Es sei darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausgestaltungen zwar im Hinblick auf Anwendungen in der Automobilindustrie beschrieben werden können, dass aber Fachleute ihre weitergehende Anwendbarkeit erkennen werden.
Es versteht sich außerdem, dass je nach Beispiel bestimmte Handlungen oder Ereignisse der hier beschriebenen Verfahren oder Methoden in einer anderen Reihenfolge durchgeführt oder hinzugefügt, zusammengelegt oder ganz weggelassen werden können (z. B. sind möglicherweise nicht alle beschriebenen Handlungen oder Ereignisse zur Durchführung der Techniken erforderlich).
Auch wenn bestimmte Aspekte dieser Offenbarung aus Gründen der Klarheit als von einem einzigen Modul oder einer einzigen Einheit ausgeführt beschrieben werden, versteht es sich, dass die Techniken dieser Offenbarung auch von einer Kombination von Einheiten oder Modulen ausgeführt werden können. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff Modul auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam, dediziert oder als Gruppe) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Bei einem oder mehreren Beispielen können die beschriebenen Techniken in Hardware, Software, Firmware oder einer Kombination davon implementiert werden. Wenn die Funktionen in Software implementiert sind, können sie als eine oder mehrere Anweisungen oder Codes auf einem computerlesbaren Medium gespeichert und von einer hardwarebasierten Verarbeitungseinheit ausgeführt werden. Zu den computerlesbaren Medien können nicht-transitorische computerlesbare Medien gehören, die einem konkreten Medium wie einem Datenspeichermedium entsprechen (z. B. RAM, ROM, EEPROM, Flash-Speicher oder jedes andere Medium, das zur Speicherung von gewünschtem Programmcode in Form von Anweisungen oder Datenstrukturen verwendet werden kann und auf das ein Computer zugreifen kann).
Die Befehle können so konfigurierbar sein, dass sie von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, z. B. von einem oder mehreren digitalen Signalprozessoren (DSPs), Allzweck-Mikroprozessoren, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), feldprogrammierbaren Logik-Arrays (FPGAs) oder anderen gleichwertigen integrierten oder diskreten Logikschaltungen. Dementsprechend kann sich der Begriff „Prozessor“, wie er hierin verwendet wird, auf jede der oben genannten Strukturen oder jede andere physische Struktur beziehen, die für die Implementierung der beschriebenen Techniken geeignet ist. Die Techniken können auch vollständig in einer oder mehreren Schaltungen oder Logikelementen implementiert sein.
Techniken und Technologien können hierin im Hinblick auf funktionale und/oder logische Blockkomponenten und unter Bezugnahme auf symbolische Darstellungen von Operationen, Verarbeitungsaufgaben und Funktionen, die von verschiedenen Computerkomponenten oder -geräten ausgeführt werden können, beschrieben sein. Solche Vorgänge, Aufgaben und Funktionen sind manchmal auch als computerausgeführt, computerisiert, softwareimplementiert oder computerimplementiert bezeichnet. Die verschiedenen in den Abbildungen gezeigten Blockkomponenten können durch eine beliebige Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmware-Komponenten realisiert sein, die so konfiguriert sind, dass sie die angegebenen Funktionen ausführen. Beispielsweise können in einer Ausgestaltung eines Systems oder einer Komponente verschiedene integrierte Schaltungskomponenten verwendet werden, z. B. Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, Logikelemente, Nachschlagetabellen oder Ähnliches, die unter der Kontrolle eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuergeräte eine Vielzahl von Funktionen ausführen können.
„Knoten/Port“ - Wie hierin verwendet, ist ein „Knoten“ ein interner oder externer Bezugspunkt, ein Verbindungspunkt, eine Verbindung, eine Signalleitung, ein leitendes Element oder ähnliches, an dem ein bestimmtes Signal, ein logischer Zustand, eine Spannung, ein Datenmuster, ein Strom oder eine Menge vorhanden ist. Darüber hinaus können zwei oder mehr Knoten durch ein physikalisches Element realisiert sein (und zwei oder mehr Signale können gemultiplext, moduliert oder auf andere Weise unterschieden werden, obwohl sie an einem gemeinsamen Knoten empfangen oder ausgegeben werden). Wie hierin verwendet, ist „Port“ ein Knoten bezeichnet, der von außen zugänglich ist, z. B. über einen physischen Anschluss, einen Eingangs- oder Ausgangsstift, eine Prüfspitze, ein Bondpad oder Ähnliches.
„Verbunden/gekoppelt“ - Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente, Knoten oder Merkmale, die miteinander „verbunden“ oder „gekoppelt“ sind. Sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, bedeutet „gekoppelt“ wie hierin verwendet, dass ein Element/Knoten/Bauteil direkt oder indirekt mit einem anderen Element/- Knoten/Bauteil verbunden ist (oder direkt oder indirekt mit diesem in Verbindung steht), und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Ebenso bedeutet „verbunden“, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, dass ein Element/Knoten/- Merkmal direkt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder direkt mit ihm in Verbindung steht), und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Obwohl die schematischen Darstellungen möglicherweise eine beispielhafte Anordnung von Elementen darstellen, können zusätzliche Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer Ausgestaltung des dargestellten Gegenstands vorhanden sein.
Der Kürze halber wird auf eine ausführliche Beschreibung konventioneller Techniken der Signalverarbeitung, Datenübertragung, Signalisierung, Netzsteuerung und anderer funktioneller Aspekte der Systeme (und der einzelnen Betriebskomponenten der Systeme) verzichtet. Darüber hinaus sollen die in den verschiedenen Abbildungen dargestellten Verbindungslinien beispielhafte funktionale Beziehungen und/oder physische Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen darstellen. Es sei darauf hingewiesen, dass viele alternative oder zusätzliche funktionelle Beziehungen oder physikalische Verbindungen in einer Ausgestaltung des Gegenstands vorhanden sein können.
Die vorliegenden Ausgestaltungen beziehen sich auf die Überwachung eines Fluids in einem Kreisprozess, z. B. eines Kältemittels in einem Kältekreisprozess. Auch wenn das Fluid hierin der Einfachheit halber als Kältemittel bezeichnet wird, ist die Anwendung nicht auf Kühlsysteme oder Kältemittel beschränkt. Bei beispielhaften Ausgestaltungen wird der Phasenzustand und/oder der Unterkühlungszustand der Fluide am Einlass einer Messvorrichtung, z. B. eines Expansionsventils, überwacht und kann dort eingestellt werden.
Die vorliegenden Ausgestaltungen können das Ermitteln des Phasenzustands eines Fluids ermöglichen. Bei bestimmten Ausgestaltungen ist es wünschenswert, dass das Fluid eine gesättigte Flüssigkeit ist. So kann die Ermittlung, dass es sich bei dem Fluid um ein zweiphasiges Dampf-Flüssigkeits-Gemisch handelt, einen Kühlprozess auslösen, um das Fluid zumindest auf einen gesättigten flüssigen Zustand abzukühlen.
Die vorliegenden Ausgestaltungen, die eine einzige flüssige Phase des Fluids am Einlass der Messvorrichtung bereitstellen, können einen effizienteren Betrieb der Messvorrichtung ermöglichen.
Die vorliegenden Ausgestaltungen können es möglich machen zu ermitteln, ob und/oder in welchem Maße ein Fluid über seinen gesättigten flüssigen Zustand hinaus unterkühlt ist. Bei solchen Ausgestaltungen kann die Ermittlung, dass das Fluid nicht bis zum gewünschten Grad unterkühlt ist, einen Kühlprozess auslösen, um das Fluid weiter auf den gewünschten Unterkühlungszustand abzukühlen.
Die vorliegenden Ausgestaltungen zur Aufrechterhaltung der Unterkühlung des Fluids können zur Erreichung verschiedener Ziele eingesetzt werden. Bei der Erkennung eines niedrigen Ladezustands eines Fluids kann die Feststellung, dass die Unterkühlung des Fluids in einem Stadium nachlässt, beispielsweise die Erkennung eines Fluidleck im System einschließen. Auch bei der Energieoptimierung von Steuerungen können bestimmte Systeme bei bestimmten Unterkühlungsgraden aufgrund der zum Drehen des Verdichters benötigten Energie effizienter arbeiten, sodass die Gewährleistung eines bestimmten Unterkühlungsgrades zu Energieeinsparungen führt. Bei der Leistungsverbesserung von Steuerungen kann ein ausgewählter Grad der Unterkühlung zu einer besseren Kühl-/Heizleistung des Systems führen und die Möglichkeit bieten, ansonsten unerreichbare Kühltemperaturziele zu erreichen. Zur Vermeidung von Hardwareschäden kann die Aufrechterhaltung der Unterkühlung Schäden an der Hardware verhindern.
Im Allgemeinen nutzen bestimmte hierin bereitgestellte Ausgestaltungen Druckschwankung über eine Messvorrichtung, um eine Unterkühlung zu erkennen. Herkömmlicherweise wird die Unterkühlung durch den Vergleich eines gemessenen Temperaturwerts des Fluids mit der Sättigungstemperatur des Fluids bei einem bestimmten Druck bestimmt. Dieses herkömmliche Verfahren beschränkt sich jedoch auf die Messung der Unterkühlung. Es kann nicht messen, wie viel Kühlung erforderlich ist, um den gesättigten flüssigen Zustand zu erreichen. Anders gesagt, es kann keine „negative Unterkühlung“ messen.
Die vorliegenden Ausgestaltungen sehen die Verwendung von Druckmessung, jedoch keine Temperaturmessung vor, um die negative Unterkühlung zu schätzen, d. h. wie weit der Zustand der Flüssigkeit von der Siedelinie des Fluids entfernt ist.
Unter nun folgender Bezugnahme auf 1 ist ein beispielhaftes Kühlsystem 10 dargestellt. Wie dargestellt, ist das Kühlsystem 10 ein geschlossenes System, das den typischen Fluss eines Kältemittels durch den Kältemittelkreislauf 11 bereitstellt und das durch ein Systemsteuermodul 12 gesteuert werden kann, das mit jeder Komponente oder mit ausgewählten Komponenten darin in Verbindung steht. Wie dargestellt, umfasst der Kältekreisprozess 11 einen Verdichter 20, einen Verflüssiger 30, eine Messvorrichtung 40, wie z. B. ein Expansionsventil oder eine Drosselungsvorrichtung, und einen Verdampfer 50. Es sei darauf hingewiesen, dass 1 eine grundlegende schematische Darstellung ist und nicht alle spezifischen Merkmale veranschaulicht, die das Kühlsystem 10 umfassen kann. Der Verflüssiger 30 kann zum Beispiel eine Mehrfachverflüssigereinheit mit getrennten Kältemittelflusswegen, mehreren Wärmezielen oder Abflussstellen sein. Ebenso können verschiedene Ventile, einschließlich Einweg- oder Rückschlagventile, zusätzliche Sensoren und andere, üblicherweise verwendete Verarbeitungsmerkmale enthalten sein, auch wenn nicht dargestellt.
Unter guten Betriebsbedingungen kann das Kühlsystem 10 wie folgt arbeiten: Der Verdichter 20 verdichtet das Kältemittel oder Fluid, um ein verdichtetes Fluid 25 als Dampf mit relativ hoher Temperatur/hohem Druck zu bilden; der Verflüssiger 30 kondensiert das Fluid, um ein kondensiertes Fluid 35 als Flüssigkeit mit relativ mittlerer Temperatur/hohem Druck zu bilden; die Messvorrichtung 40 dehnt das Fluid aus, um ein expandiertes Fluid 45 als Dampf-/Flüssigkeitsgemisch mit relativ niedriger Temperatur/niedrigem Druck zu bilden; und der Verdampfer 50 verdampft das Fluid, um ein verdampftes Fluid 15 als Dampf mit relativ mittlerer Temperatur/niedrigem Druck zu bilden, das dem Verdichter 20 zugeführt wird. Zu Kühlzwecken kann während der Verdampfungsphase Wärme aus dem Kreisprozess aufgenommen werden.
2 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm (Mollier-Diagramm), das den Übergang des Kältemittels zeigt. Das Diagramm zeigt die „Dampf-/Flüssigkeits-Glocke“ 100, unter der die Flüssigkeit ein Dampf/Flüssigkeits-Gemisch ist. Die Glocke 100 enthält eine Siedelinie 101, an der das Fluid gesättigt ist, d. h. kein Dampf vorhanden ist. Außerdem enthält die Glocke 100 eine Taulinie 102, an der das Fluid gesättigter Dampf ist, d. h. keine Flüssigkeit vorhanden ist. Links von der Siedelinie 101 befindet sich das Flüssigkeitsgebiet 220, in dem das Fluid flüssig ist. Rechts von der Taulinie 102 befindet sich das Dampfgebiet 202, in dem die Flüssigkeit dampfförmig ist. Zwischen der Siedelinie 101 und der Taulinie 102, d. h. unter der Glocke 100, befindet sich ein Zweiphasengebiet 222, in dem das Fluid eine Mischung aus Dampf und Flüssigkeit ist.
Durch Quervergleich von 1 mit 2 kann die Funktionsweise des Kühlsystems 10 erläutert werden. Die verdampfte Flüssigkeit 15 hat einen Druck und eine Enthalpie, die in 2 an der Stelle 215 dargestellt sind. Im Verdichter 20 wird das Fluid verdichtet, um ein verdichtetes Fluid 25 zu bilden, das einen Druck und eine Enthalpie aufweist, die in 2 an der Stelle 225 dargestellt sind. Somit verdichtet der Verdichter 20 einen Dampf mit relativ mittlerer Temperatur/niedrigem Druck auf einen Dampf mit relativ hoher Temperatur/hohem Druck. Wenn keine Wärmeübertragung in die oder aus der Umgebung stattfindet, wird der Kompressionsprozess durch eine Entropielinie dargestellt, wie z. B. die Linie, die sich von Stelle 215 zu Stelle 225 in 2 erstreckt.
Im Verflüssiger 30 wird das Fluid mit relativ hoher Temperatur und hohem Druck kondensiert und bildet das kondensierte Fluid 35. Es ist zwar wünschenswert, dass das kondensierte Fluid 35 eine gesättigte Flüssigkeit ist, wie an Stelle 235* in 2 dargestellt, jedoch kann das kondensierte Fluid 35 unter nicht optimalen Betriebsbedingungen stattdessen als ein Zweiphasengemisch aus Dampf und Flüssigkeit bei relativ mittlerer Temperatur und hohem Druck gebildet werden, wie an Stelle 235 in 2 dargestellt.
Wie unten beschrieben, ermöglicht das Kühlsystem 10 die Reduzierung oder Beseitigung von Dampf aus dem kondensierten Fluid 35, sodass das kondensierte Fluid 35 beim Eintritt in die Messvorrichtung 40 eine gesättigte Flüssigkeit ist. Weitere Ausgestaltungen sehen beim Eintritt in die Messvorrichtung 40 eine Unterkühlung des kondensierten Fluids 35 auf einen gewünschten Unterkühlungsgrad vor, wie durch die Stelle 235* in 2 dargestellt.
An der Messvorrichtung 40 wird das Fluid ausgedehnt, um ein expandiertes Fluid 45 zu bilden, das einen Druck und eine Enthalpie aufweist, die durch die Stelle 245 in 2 dargestellt sind. Auf diese Weise dehnt die Messvorrichtung 40 eine Flüssigkeit mit relativ mittlerer Temperatur und hohem Druck zu einem Zweiphasengemisch aus Dampf und Flüssigkeit mit relativ mittlerer Temperatur und niedrigem Druck aus.
Im Verdampfer 50 wird das Fluid verdampft, um verdampftes Fluid 15 zu bilden, das einen Druck und eine Enthalpie aufweist, die an der Stelle 215 in 2 dargestellt sind. Auf diese Weise verdampft der Verdampfer 50 ein ZweiphasenGemisch aus Dampf und Flüssigkeit bei relativ mittlerer Temperatur und niedrigem Druck zu einem Dampf bei relativ mittlerer Temperatur und niedrigem Druck.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass der Verflüssiger 30 das kondensierte Fluid 35 möglicherweise nicht als Flüssigkeit im Einzelzustand bereitstellt, wie es wünschenswert wäre. Daher ist das Kühlsystem 10 aus 1 mit einem Kühlmittelsystem 70 ausgestattet. Insbesondere umfasst der Weg des kondensierten Fluids 35 einen stromabwärts des Verflüssigers 30 und stromaufwärts der Messvorrichtung 40 gelegenen Wärmetauscher 80, der von dem kondensierten Fluid 35 durchströmt wird. Wie dargestellt, fließt das Kühlmittel 71 auch durch den beispielhaften Wärmetauscher 80. Der Wärmetauscher 80 sorgt für die Übertragung von Wärme aus dem kondensierten Fluid 35 auf das Kühlmittel 71.
Der Wärmetauscher 80 kühlt das Fluid ab, um gekühltes Fluid 35* zu bilden, sodass das gekühlte Fluid 35* eine gesättigte Flüssigkeit ist, d. h. das gesamte Fluid befindet sich in der flüssigen Phase. Bei bestimmten Ausgestaltungen wird das gekühlte Fluid 35* auf seine Kondensationstemperatur abgekühlt, bei der der verbleibende Dampf zu Flüssigkeit kondensiert. Bei anderen Ausgestaltungen wird das gekühlte Fluid 35* auf eine Temperatur gekühlt, die unter seiner Kondensationstemperatur liegt, d. h. das gekühlte Fluid 35* wird unterkühlt, wie dies durch die Stelle 235* in 2 dargestellt ist.
Eine Unterkühlung kann die Kältewirkung erhöhen, indem sie den Expansions- oder Drosselungsverlust ohne zusätzlichen spezifischen Arbeitsaufwand verringert. Ferner kann die Unterkühlung sicherstellen, dass nur Flüssigkeit in die Messvorrichtung gelangt, was zu deren effizientem Betrieb führt. Ein weiterer praktischer Vorteil der Unterkühlung besteht darin, dass am Eintritt in den Verdampfer weniger Dampf vorhanden ist, was zu einem geringeren Druckverlust im Verdampfer führt.
Bei bestimmten Ausgestaltungen kann das Kühlmittel 71 an einer stromaufwärts gelegenen Stelle (im Kühlmittelkreislauf) an einem Wärmetauscher 90 gekühlt werden. Insbesondere kann die Messvorrichtung 40 eine erste Messeinheit 41 und eine zweite Messeinheit 42 umfassen, und das kondensierte Fluid 35 kann selektiv in zwei entsprechende Teile aufgeteilt werden, die jeweils durch die Messeinheiten fließen, wie in 1 dargestellt. Außerdem kann die zweite Messeinheit 42 mit dem Wärmetauscher 90 verbunden sein, sodass das sie durchfließende Kühlmittel gekühlt wird.
Wie dargestellt, kann das Kühlmittel 71 nach Durchfließen des Wärmetauschers 80 durch den Kühlmittelkreislaufkomplex 72 zurückgeführt werden, dessen Einzelheiten nicht dargestellt sind, bevor es durch den stromaufwärts gelegenen Wärmetauscher 90 zurückgeführt wird.
Unter nun folgender Bezugnahme auf 3 sind weitere Einzelheiten des Durchflusses des kondensierten Fluids 35 durch die Messvorrichtung 40 dargestellt. Wie in 3 dargestellt, umfasst die Messvorrichtung 40 einen Einlass 341, durch den das kondensierte Fluid 35 oder 35* in die Messvorrichtung 40 eintritt, und einen Auslass, durch den das expandierte Fluid 45 die Messvorrichtung 40 verlässt.
Außerdem ist das System 10 mit einer Drucksensorvorrichtung 360 ausgestattet, um den Phasenzustand und/oder den Grad der Unterkühlung des kondensierten Fluids 35 oder 35* zu ermitteln. Wie dargestellt, umfasst die beispielhafte Drucksensorvorrichtung 360 einen Sensor 361 zur Erfassung des Drucks des Fluids, das am Einlass 341 in die Messvorrichtung 40 eintritt, d. h. des stromaufwärtigen Drucks. Außerdem umfasst die beispielhafte Drucksensorvorrichtung 360 einen Sensor 362 zur Erfassung des Drucks des Fluids, das die Messvorrichtung 40 am Auslass 342 verlässt, d. h. des stromabwärtigen Drucks.
Die Drucksensorvorrichtung 360 kann, wie dargestellt, ein Schätzmodul 300 enthalten. Ein beispielhaftes Schätzmodul umfasst einen Datenprozessor. Wie dargestellt, kann das Schätzmodul 300 Teil des Systemsteuerungsmoduls 12 sein oder mit diesem kommunizieren.
Das Schätzmodul 300 ist so konfiguriert, dass es einen Dichtekorrekturfaktor Δ schätzt, der für eine ausgewählte Ermittlung verwendet werden soll. Konkret werden nach Erfassung des Eingangsdrucks (Pin) und des Ausgangsdrucks (Pout) an der Messvorrichtung die erfassten Werte in die folgende Gleichung (0) eingesetzt, die auf dem Energieerhaltungsprinzip für die Messvorrichtung beruht: $m = A \sqrt (2 ρ' (Pin - Pout))$
wobei m der Massenstrom über die Messvorrichtung oder das Expansionsventil, A der effektive Strömungsquerschnitt der Messvorrichtung oder des Expansionsventils und p' die Dichte der Flüssigkeit am Einlass ist.
Da der Phasenzustand der Flüssigkeit unbekannt ist, ist auch die Flüssigkeitsdichte unbekannt. Die anderen Variablen in Gleichung (0) können jedoch ermittelt werden. So kann beispielsweise der Massenstrom m modelliert und als gleich dem Massenstrom des Verdichters angenommen werden. Der effektive Strömungsquerschnitt A kann für das jeweilige Gerät kalibriert werden und ist vor dem Betrieb bekannt.
Da die Identität und/oder Zusammensetzung des Fluids bekannt ist, ist auch die Dichte des Fluids im flüssigen Zustand bei Sättigung bekannt und wird als ρ bezeichnet.
Daher kann nach Ermitteln der anderen Variablen die Differenz zwischen p', der tatsächlichen Dichte der Flüssigkeit am Einlass, und p, der Dichte der Flüssigkeit im Sättigungszustand, mit Gleichung (1) ermittelt werden: $m = A \sqrt (2 (1 + Δ) ρ (Pin - Pout)) .$
wobei der Dichtekorrekturfaktor Δ die Differenz zwischen p', der tatsächlichen Dichte der Flüssigkeit am Einlass, und p, der Dichte der Flüssigkeit im Sättigungszustand, darstellt. Wenn Δ ≥ 0 ist, befindet sich kein Dampf in der Flüssigkeit am Einlass, d. h. der Phasenzustand ist der einer gesättigten Flüssigkeit. Ist Δ < 0, so befindet sich am Einlass Dampf in der Flüssigkeit, d. h. der Phasenzustand ist ein Dampf-/Flüssigkeitsgemisch.
So kann das Schätzmodul 300 der Drucksensorvorrichtung 360 den Phasenzustand des Fluids am Einlass durch Schätzung des Dichtekorrekturfaktors Δ ermitteln.
Bekanntlich kann ein Schätzalgorithmus verwendet werden, um den Dichtekorrekturfaktor Δ in Echtzeit zu schätzen, d. h. gleichzeitig mit der Messung des Eingangsdrucks (Pin) und des Ausgangsdrucks (Pout). Ein beispielhafter Schätzungsalgorithmus ist ein Kalman-Filter, es können aber auch andere geeignete Verarbeitungsalgorithmen verwendet werden. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung verwendet der Schätzungsalgorithmus Gleichung (2): $y = \frac{1}{2} {(\frac{m}{A})}^{2} - ρ (Pin-Pout))$
und Gleichung (3): $c = ρ (Pin - Pout))$
und der Dichtekorrekturfaktor Δ wird nach Gleichung (4) geschätzt: $y = Δ∗ c$
Zusätzlich zum Ermitteln des Phasenzustandes des Fluids durch Schätzung des Dichtekorrekturfaktors Δ kann der Dichtekorrekturfaktor Δ zur Ermittlung des Grads der Unterkühlung des Fluids am Einlass oder des Grads der weiteren zum Erreichen der Sättigung erforderlichen Abkühlung verwendet werden. Unter Bezugnahme auf 2 wird der Grad der Unterkühlung des gekühlten Fluids 35* als Abstand 135* zwischen Stelle 235* und Siedelinie 101 angegeben; und der Grad der weiteren Abkühlung, die erforderlich ist, um die Siedelinie zu erreichen, wird als der Abstand 135 zwischen Stelle 235 und Siedelinie 101 angegeben.
2 ist zu entnehmen, dass „Unterkühlung“, „Unterkühlen“ und „unterkühlt“ sich auf den Zustand eines Fluids beziehen, das über seinen gesättigten flüssigen Zustand hinaus abgekühlt wurde, d. h. links der Siedelinie 101 - anders gesagt, ein Fluid, das bei einem bestimmten Druck unter seine Kondensationstemperatur abgekühlt wurde. Die entsprechende Terminologie wird verwendet, um eine Flüssigkeit zu beschreiben, die noch nicht auf ihren gesättigten flüssigen Zustand abgekühlt wurde. Insbesondere bezieht sich „negativ unterkühlt“ oder „negative Unterkühlung“ auf den Zustand eines Fluids, das nicht auf seinen gesättigten flüssigen Zustand abgekühlt wurde, d. h. auf den Zustand rechts von der Siedelinie 101.
Bei den hier beschriebenen Ausgestaltungen kann der Grad der Unterkühlung (einschließlich positiver und negativer Unterkühlung) mit dem Wert des Dichtekorrekturfaktors Δ korreliert werden. Je höher der Wert des Dichtekorrekturfaktors Δ, desto höher ist der Grad der (positiven) Unterkühlung. Je niedriger der Wert des Dichtekorrekturfaktors Δ ist, desto höher ist der Grad der negativen Unterkühlung (und desto größer ist die Dampfmenge im Fluid). Bei beispielhaften Ausgestaltungen kann die spezifische Korrelation zwischen dem Wert des Dichtekorrekturfaktors Δ und dem Grad der Unterkühlung experimentell ermittelt und in einem Speicher gespeichert oder auf andere Weise von dem Systemsteuermodul 12 und/oder der Drucksensorvorrichtung 360 oder dem Schätzmodul 300 abgerufen werden. Beispielsweise kann eine Tabelle mit gepaarten Dichtekorrekturfaktoren Δ und Unterkühlungsgraden, die für das Fluid spezifisch sind, gespeichert oder auf andere Weise abrufbar gemacht werden und die Korrelation des Wertes des Dichtekorrekturfaktors Δ und des Unterkühlungsgrades kann durch Bezugnahme auf die Tabelle und Abgleich des Unterkühlungsgrades mit dem geschätzten Dichtekorrekturfaktor Δ erfolgen.
Durch Quervergleich der 1 und 3 wird eine Funktionsweise des Systems 10 deutlich. In einem ersten Prozess kann das kondensierte Fluid 35 durch den Wärmetauscher 80 fließen, ohne gekühlt zu werden. Bei idealen Betriebsbedingungen kann dieser Zustand anhalten. Während des Betriebs misst die Drucksensorvorrichtung 360 weiterhin den Eingangs- und Ausgangsdruck an der Messvorrichtung und der Dichtekorrekturfaktor Δ wird kontinuierlich in Echtzeit geschätzt. Solange Δ gleich oder größer 0 ist, befindet sich kein Dampf in der Flüssigkeit am Einlass und die Flüssigkeit muss am Wärmetauscher 80 nicht zusätzlich gekühlt werden.
Wenn Δ kleiner 0 ist, dann befindet sich Dampf in der Flüssigkeit am Einlass. In diesem Moment weist das Systemsteuermodul 12 den Wärmetauscher 80 an, das kondensierte Fluid 35 zu kühlen, um das gekühlte Fluid 35* zu bilden. Insbesondere wird das Kühlmittel 71 am Wärmetauscher 90 gekühlt und am Wärmetauscher 80 findet ein Wärmeaustausch mit der Flüssigkeit 35 statt.
Bei der obigen Betriebsart ist der Sollwert für den Vergleich mit dem Dichtekorrekturfaktor Δ 0. Bei einer anderen Betriebsart kann jedoch ein anderer Sollwert für den Vergleich mit dem Dichtekorrekturfaktor Δ gewählt werden. So kann zum Beispiel ein Unterkühlungsgrad mit einem Dichtekorrekturfaktor Δ von 1 gewünscht werden. Somit kann eine zusätzliche Kühlung des kondensierten Fluids 35 ausgelöst werden, wenn der Dichtekorrekturfaktor Δ kleiner 1 ist, obwohl der Dichtekorrekturfaktor Δ größer 0 ist, d. h., eine zusätzliche Kühlung kann auch dann ausgelöst werden, wenn das Fluid bereits eine gesättigte Flüssigkeit ist, um das Fluid bis zu einem gewünschten Grad zu unterkühlen, d. h., von der Siedelinie in 2 zu beabstanden.
Es sei darauf hingewiesen, dass das beschriebene Kühlsystem 10 das Ermitteln des Phasenzustands des Fluids ohne Temperaturmessungen ermöglicht. Der Eingangsdruck und der Ausgangsdruck an der Messvorrichtung werden wie beschrieben überwacht und der Massenstrom kann kontinuierlich modelliert oder geschätzt werden. Der effektive Strömungsquerschnitt und die Flüssigkeitsdichte im gesättigten Zustand sind bekannt. Unter nun folgender Bezugnahme auf 4 wird ein Verfahren 400 zum Betrieb eines Kühlsystems beschrieben. Bei Schritt 410 umfasst das Verfahren 400 das kontinuierliche Durchströmen eines Fluids, z. B. eines Kältemittels, durch eine Messvorrichtung, z. B. ein Expansionsventil. Konkret fließt das Fluid von einem Geräteeinlass zu einem Geräteauslass. Bei beispielhaften Ausgestaltungen beinhaltet das Durchströmen des Fluids durch die Messvorrichtung das Durchströmen des Fluids durch einen Kreisprozess, der die Messvorrichtung, einen Verdampfer, einen Verdichter und einen Verflüssiger umfasst.
Verfahren 400 umfasst bei Schritt 415 das kontinuierliche Berechnen einer Druckdifferenz des Fluids über die Messvorrichtung. Bei beispielhaften Ausgestaltungen umfasst die Berechnung der Druckdifferenz des Fluids über die Messvorrichtung die Messung eines Eingangsdrucks des Fluids am Einlass und die Messung eines Auslassdrucks des Fluids am Auslass. Die Drucksensoreinrichtung oder das Systemsteuerungsmodul kann die Druckdifferenz aus dem Eingangsdruck und dem Ausgangsdruck berechnen.
Verfahren 400 umfasst ferner bei Schritt 420 das kontinuierliche Ermitteln auf Grundlage der Druckdifferenz, ob das Fluid eine gesättigte Flüssigkeit ist. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung wird eine solche Ermittlung durch Schätzung eines Dichtekorrekturfaktors Δ aus Gleichung (1) durchgeführt: $m = A \sqrt (2 (1 + Δ) ρ (Pin - Pout))$
wobei m der Massenstrom der Vorrichtung, A der effektive Strömungsquerschnitt der Vorrichtung, ρ die Dichte der Flüssigkeit im Sättigungszustand, Pin der Druck am Einlass der Vorrichtung und Pout der Druck am Auslass der Vorrichtung sind. Bei bestimmten Ausgestaltungen umfasst die Schätzung des Dichtekorrekturfaktors Δ die Schätzung des Dichtekorrekturfaktors Δ auf Grundlage eines Schätzungsalgorithmus wie oben beschrieben. Bei bestimmten Ausgestaltungen umfasst der Kreisprozess einen Verdichter mit einem Verdichter-Volumenstrom und es wird angenommen, dass der Massenstrom des Geräts gleich dem Verdichter-Volumenstrom ist. Bei bestimmten Ausgestaltungen wird der effektive Strömungsquerschnitt des Geräts kalibriert.
Bei bestimmten Ausgestaltungen umfasst das Ermitteln, ob das Fluid auf Grundlage der Druckdifferenz eine gesättigte Flüssigkeit ist, die Überprüfung bei Abfrage 422, ob der Dichtekorrekturfaktor Δ kleiner 0 ist. Wenn der Dichtekorrekturfaktor Δ kleiner 0 ist, beinhaltet das Verfahren 400 bei Schritt 431 die Ermittlung, dass das Fluid keine gesättigte Flüssigkeit ist. Wenn der Dichtekorrekturfaktor Δ größer oder gleich 0 ist, beinhaltet das Verfahren 400 bei Schritt 432 die Ermittlung, dass das Fluid eine gesättigte Flüssigkeit ist.
Wenn festgestellt wird, dass das Fluid eine gesättigte Flüssigkeit ist, wird das Verfahren 400 mit dem Durchströmen des Fluids durch die Vorrichtung bei Schritt 410 fortgesetzt, um die Kreisprozessbedingungen kontinuierlich zu überwachen.
Wenn festgestellt wird, dass das Fluid keine gesättigte Flüssigkeit ist, d. h. ein zweiphasiges Dampf/Flüssigkeits-Gemisch, beinhaltet das Verfahren 400 bei Schritt 435 die Durchführung einer Korrekturmaßnahme. Die Korrekturmaßnahme kann zum Beispiel darin bestehen, das Fluid stromaufwärts der Messvorrichtung zu kühlen, wenn es sich nicht um eine gesättigte Flüssigkeit handelt. Beispielsweise kann das Fluid stromaufwärts der Messvorrichtung durch Wärmeaustausch an einem Wärmetauscher zwischen einem Kühlmittel und dem Fluid stromaufwärts der Messvorrichtung gekühlt werden. Um das Fluid stromaufwärts der Messvorrichtung bei Schritt 435 zu kühlen, kann das Verfahren 400 bei Schritt 436 das Kühlen des Kühlmittels durch den Austausch von Wärme zwischen dem Kühlmittel stromaufwärts des Wärmetauschers und dem Fluid stromabwärts der Messvorrichtung umfassen.
Wie oben erwähnt, umfasst Verfahren 400 das Ermitteln, ob das Fluid eine gesättigte Flüssigkeit ist, ohne dass eine Messung der Temperatur des Fluids erfolgt.
Unter nun folgender Bezugnahme auf 5 wird ein Verfahren 500 zum Ermitteln des Grades der Unterkühlung in einem Fluid beschrieben. Verfahren 500 umfasst bei Schritt 510 das Durchströmen des Fluids durch eine Messvorrichtung von einem Vorrichtungseinlass zu einem Vorrichtungsauslass. Schritt 510 kann kontinuierlich durchgeführt werden. Verfahren 500 umfasst bei Schritt 520 das Messen eines Eingangsdrucks des Fluids am Vorrichtungseinlass und bei Schritt 530 das Messen eines Auslassdrucks des Fluids am Vorrichtungsauslass. Schritt 520 und 530 können gleichzeitig und kontinuierlich durchgeführt werden.
Verfahren 500 umfasst ferner bei Schritt 540 das Ermitteln des Grades der Unterkühlung in der Flüssigkeit auf Grundlage einer Differenz zwischen dem Einlassdruck und dem Auslassdruck. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung wird Schritt 540 bei Schritt 541 durchgeführt, indem ein Dichtekorrekturfaktor Δ aus Gleichung (1) geschätzt wird: $m = A \sqrt (2 (1 + Δ) ρ (Pin - Pout))$
wobei m der Massenstrom der Vorrichtung, A der effektive Strömungsquerschnitt der Vorrichtung, ρ die Dichte der Flüssigkeit im Sättigungszustand, Pin der Druck am Einlass der Vorrichtung und Pout der Druck am Auslass der Vorrichtung sind. Der Dichtekorrekturfaktor Δ kann auf Grundlage eines Schätzalgorithmus wie oben beschrieben geschätzt werden.
Verfahren 500 kann ferner als Teil von Schritt 540 Schritt 542 umfassen, der die Korrelation eines Unterkühlungsgrades mit dem geschätzten Dichtekorrekturfaktor Δ beinhaltet.
Bei Abfrage 550 fragt Verfahren 500 ab, ob der Grad der Unterkühlung akzeptabel ist. Falls ja, wird Verfahren 500 mit Schritt 510 fortgesetzt. Falls nein, führt Verfahren 500 bei Schritt 560 eine Korrekturmaßnahme durch. Verfahren 500 wird dann mit Schritt 510 fortgesetzt.
Es sei darauf hingewiesen, dass Verfahren 500 einen positiven oder negativen Grad der Unterkühlung erkennen kann. Das Fluid kann beispielsweise unter seine Kondensationstemperatur abgekühlt werden (positive Unterkühlung) oder eine Temperatur oberhalb seiner Kondensationstemperatur haben (negative Unterkühlung). In beiden Fällen kann Verfahren 500 den Grad der Unterkühlung durch Messung der Druckdifferenz über die Vorrichtung feststellen.
Obwohl in der vorangegangenen detaillierten Beschreibung mindestens eine beispielhafte Ausgestaltung vorgestellt wurde, ist es offensichtlich, dass es eine Vielzahl von Varianten gibt. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die beispielhafte Ausgestaltung oder die beispielhaften Ausgestaltungen nur Beispiele sind und nicht dazu bestimmt sind, den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Offenbarung in irgendeiner Weise zu begrenzen. Vielmehr bietet die vorstehende detaillierte Beschreibung dem Fachmann einen praktischen Leitfaden für die Umsetzung der beispielhaften Ausgestaltung(en). Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und der Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren gesetzlichen Äquivalenten dargelegt ist, zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kältekreisprozesses (11), das Folgendes umfasst: Durchströmen eines Kältemittels durch eine Messvorrichtung (40); Berechnung einer Druckdifferenz des Kältemittels über die Messvorrichtung (40); Ermitteln auf Grundlage der Druckdifferenz, ob das Kältemittel eine gesättigte Flüssigkeit ist; und wenn das Kältemittel keine gesättigte Flüssigkeit ist, Kühlung des Kältemittels stromaufwärts der Messvorrichtung (40).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die Messvorrichtung (40) ein Expansionsventil mit einem Einlass (341) und einem Auslass ist; und die Berechnung der Druckdifferenz des Kältemittels über die Messvorrichtung (40) Folgendes umfasst: Messung des Einlassdrucks des Kältemittels am Einlass (341); und Messung des Ausgangsdrucks des Kältemittels am Ausgang (342).
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend das Ermitteln des Grades der Unterkühlung des Kältemittels auf Grundlage einer Differenz zwischen dem Einlassdruck und dem Auslassdruck.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ermitteln, ob das Kältemittel auf Grundlage der Druckdifferenz eine gesättigte Flüssigkeit ist, die Schätzung eines Dichtekorrekturfaktors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ermitteln, ob das Kältemittel auf Grundlage der Druckdifferenz eine gesättigte Flüssigkeit ist, die Abschätzung eines Dichtekorrekturfaktors Δ aus Gleichung (1) umfasst: $m = A \sqrt (2 (1 + Δ) ρ (Pin - Pout))$
wobei: m den Massenstrom des Expansionsventils bezeichnet; A den effektiven Strömungsquerschnitt des Expansionsventils bezeichnet; ρ die Dichte des flüssigen Kältemittels im Sättigungszustand bezeichnet; Pin den Druck am Eingang des Expansionsventils bezeichnet; und P_out den Druck am Ausgang des Expansionsventils bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Ermitteln, ob das Kältemittel auf Grundlage der Druckdifferenz eine gesättigte Flüssigkeit ist, Folgendes umfasst: Abfrage, ob der Dichtekorrekturfaktor Δ kleiner 0 ist; und falls der Dichtekorrekturfaktor Δ kleiner 0 ist, die Feststellung, dass das Kältemittel keine gesättigte Flüssigkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei: die Schätzung des Dichtekorrekturfaktors Δ die Schätzung des Dichtekorrekturfaktors Δ auf Grundlage eines Schätzungsalgorithmus umfasst; der Kältekreisprozess einen Verdichter (20) mit einem Verdichter-Volumenstrom umfasst; der Massenstrom des Expansionsventils als gleich dem Verdichter-Volumenstrom angenommen wird; und der effektive Strömungsquerschnitt des Expansionsventils kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Ermittlung, ob es sich bei dem Kältemittel um eine gesättigte Flüssigkeit handelt, keine Messung der Temperatur des Kältemittels vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kühlen des Kältemittels stromaufwärts der Messvorrichtung (40) den Wärmeaustausch zwischen einem Kühlmittel und dem Kältemittel stromaufwärts der Messvorrichtung (40) umfasst, und ferner das Kühlen des Kühlmittels durch Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel stromabwärts der Messvorrichtung (40) umfasst.