DE10303782B4

DE10303782B4 - Injection control on the refrigerant evaporator

Info

Publication number: DE10303782B4
Application number: DE10303782.9A
Authority: DE
Inventors: Titus Bartholomeus; Jeroen Schellekens
Original assignee: GEA Grasso GmbH
Current assignee: GEA Refrigeration Germany GmbH
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2023-02-01
Also published as: DE10303782A1

Abstract

Einspritzregelung an Kältemittelverdampfer in Anlagen mit Kältemittelverdichter, insbesondere Schrauben- und Hubkolbenverdichter, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelmassenstrom im Verdampfersystem so geregelt wird, dass er der aktuellen Belastung des Verdampfers entspricht, indem der Durchflusskoeffizient des Einspritzventils an den momentanen Förderstrom des Verdichters angepasst wird, wobei die bestimmenden Einflussgrößen wie Verflüssigungsdruck, Verdampfungsdruck und Verdichterlaststellung berücksichtigt werden; als Korrektur- oder Kontrollsignal für diese Regelung wird eine Systemgröße, wie das Überhitzungssignal, oder ein Kältemittelniveaustand verwendet.Injection control of refrigerant evaporator in systems with refrigerant compressor, in particular screw and reciprocating compressor, characterized in that the refrigerant mass flow in the evaporator system is controlled so that it corresponds to the current load of the evaporator by the flow coefficient of the injector is adapted to the instantaneous flow of the compressor, wherein the determining factors such as condensing pressure, evaporating pressure and compressor load position are taken into account; As the correction or control signal for this control, a system quantity such as the superheat signal or a refrigerant level state is used.

Description

Die Erfindung betrifft eine optimierende Einspritzregelung am Kältemittelverdampfer in Anlagen mit Kältemittelverdichter, insbesondere Schrauben- und Hubkolbenverdichter.The invention relates to an optimizing injection control on the refrigerant evaporator in systems with refrigerant compressor, in particular screw and reciprocating compressor.

Nach dem Stand der Technik sind Anlagen bekannt, in denen Kältemittelverdampfer mit flüssigem Kältemittel beaufschlagt werden. Eine von den weitverbreitetsten und kommerziell interessantesten Varianten für die Kältemittelzuführung in den Verdampfer ist die Direkteinspritzung (trockenen Verdampfung). Am Eintritt des Verdampfers wird expandierendes Kältemittel eingespritzt. Dies ist flüssiges Kondensat von höherem Druck, das durch die Druckentspannung teilweise verdampft, um auf ein niedrigeres Energieniveau, das heißt Verdampfungsdruck und Temperatur zu kommen.According to the prior art, installations are known in which refrigerant evaporators are charged with liquid refrigerant. One of the most widespread and commercially interesting variants for the refrigerant feed into the evaporator is the direct injection (dry evaporation). At the inlet of the evaporator expanding refrigerant is injected. This is liquid condensate of higher pressure, partially evaporated by the pressure release, to come to a lower energy level, that is, evaporation pressure and temperature.

Das im Verdampfer verdampfte Kältemittel wird von einem Verdichter abgesaugt. Eine vollständige Verdampfung ist erwünscht, um den Verdampfer mit höchstem Wirkungsgrad zu betreiben. In den Verdichter eintretendes flüssiges Kältemittel ist jedoch nicht erwünscht, da dies sowohl beim Schraubenverdichter und insbesondere beim Kolbenverdichter zu gravierenden Schäden führen kann.The vaporized in the evaporator refrigerant is sucked by a compressor. Full evaporation is desired to operate the evaporator with the highest efficiency. However, in the compressor entering liquid refrigerant is not desirable, since this can lead to serious damage both in the screw compressor and in particular in the reciprocating compressor.

Die eingespritzte Kältemittelmenge sollte so geregelt werden, dass nur gesättigter Dampf ohne Flüssigkeitstropfen den Verdampfer verlässt. Es gibt kaum Messinstrumente, um diesen Zustand festzustellen und um damit dem Einspritzregler das notwendige Signal zu geben. Bis jetzt wird die Überhitzung ohne Ausnahme geregelt, das heißt, man misst die Temperatur am Austritt des Verdampfers und vergleicht diese mit der aktuellen Sättigungstemperatur, die aus dem Druck am Austritt des Verdampfers ermittelt wird und die sich daraus ergebende Sättigungstemperatur, sind vom eingesetzten Kältemittel abhängig. Dieser Umwandlungsvorgang kann mechanisch gemacht werden über einen Anliegekapilarfühler, der mit Kältemittel gefüllt ist. Durch die Temperatur am Austritt des Verdampfers und dem aufgebauten Druck im Anliegefühler wird über eine Membrane der herrschende Druck am Austritt des Verdampfers verglichen. Eine an der Membrane angekuppelte Ventilspindel reguliert so direkt die eingespritzte Menge. Eine andere Möglichkeit zur Ermittlung der aktuellen Sättigungstemperatur wird im Patent DE 649 21 901 beschrieben.The amount of refrigerant injected should be controlled so that only saturated vapor without liquid drops leaves the evaporator. There are hardly any measuring instruments to detect this condition and to give the injection controller the necessary signal. Up to now, the overheating is regulated without exception, that is, one measures the temperature at the outlet of the evaporator and compares this with the actual saturation temperature, which is determined from the pressure at the outlet of the evaporator and the resulting saturation temperature, are dependent on the refrigerant used , This conversion process can be done mechanically via a abutment capillary sensor filled with refrigerant. Due to the temperature at the outlet of the evaporator and the built-up pressure in Anliegefühler the prevailing pressure at the outlet of the evaporator is compared via a membrane. A valve spindle coupled to the diaphragm thus directly regulates the injected quantity. Another way to determine the current saturation temperature is in the patent DE 649 21 901 described.

Nachteile der bekannten trockenen Verdampfung und zugehörender Regelung sind, dass das strömende Gas einen viel schlechteren Wärmeübertrag hat, als verdampfendes Kältemittel und dass dabei das Gas überhitzt werden muss, die relativ viel zusätzliche Wärmeaustauschfläche benötigt, nur um ein sicheres Messsignal herzustellen. Die unter Patent DE 649 21 901 beschriebene Lösung hat diesen Nachteil nicht, benötigt aber dafür einen besonderen Sensor.Disadvantages of the known dry evaporation and associated control are that the flowing gas has a much poorer heat transfer, as evaporating refrigerant and that it must be overheated, the gas requires relatively much additional heat exchange surface, only to produce a safe measurement signal. The under patent DE 649 21 901 described solution does not have this disadvantage, but it requires a special sensor.

Die Verdampferkanäle reagieren in ihrem Strömungszustand verschieden auf variierende Belastungen. Wenn der Verdampfer richtig ausgelegt ist, sollten die Kanäle vollbenetzt sein, was meistens nur im Volllastzustand erreicht wird. Bei Teillast kann Teilbenetzung auftreten. Dabei wird der Verdichter in Leistung zurückgeregelt, die Dampfgeschwindigkeit durch die Rohre nimmt ab, wodurch die Benetzung stark reduziert wird. In diesem Zustand, wo wenig Oberfläche für die Verdampfung zur Verfügung steht, wird viel Wärme abgegeben, wodurch eine ungleichmäßig starke Erhitzung erfolgt. Das Überhitzungssignal steigt, es wird mehr eigespritzt, obwohl dies bei normaler Benetzung für die Leistung nicht gebraucht wird. Die Verdampferrohre füllen sich dadurch auf. Dieses Auffüllen geht schnell, es entsteht rasch mehr benetzte Oberfläche und dadurch wird schlagartig mehr Kältemittel verdampfen. Dieser überschüssige Dampf wird eine Menge Flüssigkeit mitreißen zum Austritt des Verdampfers. Dieser Vorgang geschieht so schnell, dass die Überhitzungsregelung keine Zeit hat zu folgen. Es wird Flüssigkeit zum Verdichter geführt. Wenn eine schnelle elektronische Regelung eingesetzt wird, schließt das Einspritzventil schneller, von einer stabilen Regelung kann jedoch keine Rede sein. Ein mechanisches Ventil reagiert so langsam, dass man hier grundsätzlich die Überhitzung viel höher einstellt und so noch mehr Überhitzungsstrecke im Verdampfer entsteht.The evaporator channels react differently in their flow state to varying loads. If the evaporator is designed correctly, the channels should be fully wetted, which is usually achieved only in full load condition. Partial wetting may occur at partial load. The compressor is regulated back in power, the steam velocity through the tubes decreases, whereby the wetting is greatly reduced. In this condition, where there is little surface available for evaporation, a lot of heat is dissipated, resulting in uneven heating. The overheat signal increases, more injected, although this is not needed for normal wetting performance. The evaporator tubes are filled up by this. This filling is fast, it quickly creates more wetted surface and this will evaporate more refrigerant suddenly. This excess steam will entrain a lot of liquid to exit the evaporator. This process happens so fast that the overheat control does not have time to follow. Liquid is fed to the compressor. When a fast electronic control is used, the injector closes faster, but stable control is out of the question. A mechanical valve reacts so slowly that in principle overheating is set much higher, resulting in even more overheating in the evaporator.

Zusammenfassend ist festzustellen:In summary:

Die Qualität der heutigen Regelungen steht und fällt mit der Wirkung des zu bedienenden Verdampfers. Ist eine optimale Verteilung des Kältemittels über viele parallele Kanäle und/oder eine vollständige Benetzung unter allen Belastungen nicht gewährleistet, so ist ein stabile Regelung nicht möglich. Das Überhitzugssignal ist ein sehr teures Signal, es benötigt ca. 20 bis 30% der investierten Verdampferoberfläche.The quality of today's regulations stands and falls with the effect of the evaporator to be operated. If an optimal distribution of the refrigerant over many parallel channels and / or a complete wetting under all loads is not guaranteed, a stable control is not possible. The Überhitzugssignal is a very expensive signal, it requires about 20 to 30% of the invested evaporator surface.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Regelung, die nicht direkt vom Überhitzungssignal abhängig ist und die oben beschriebenen Nachteile vermeidet. Die Regelung soll das dynamische Verhalten des Verdampfers verbessern, d. h. in Abhängigkeit von der Belastung soll die Reaktionszeit entscheidend verkürzt werden und das ohne einen zusätzlichen Sensor.The object of the invention is to provide a control that is not directly dependent on the overheating signal and avoids the disadvantages described above. The scheme is intended to improve the dynamic behavior of the evaporator, i. H. Depending on the load, the reaction time should be shortened significantly and without an additional sensor.

Nach den Merkmalen der Erfindung betrifft die Erfindung einen optimierenden Massenstrom mit bestimmender trockenerer Verdampfungs-Einspritzregelung. Da der Verdampfer eine untrennbare Verbindung, sowohl mechanisch als auch thermodynamisch mit dem Verdichter ausmacht, sind die Massenströme durch diesen Verdampfer für jede Kondition und Kapazitätsstufe zu berechnen. Alle dafür benötigten Drücke und Temperaturen werden in der Verdichtungssteuerung erfasst. Da die gesamte abzuführende Wärme im Verdampfer bekannt ist, kann die benötigte Einspritzmenge des Kältemittels berechnet werden. Die Kältemittelmenge, die durch das Einspritzventil geführt werden kann, ist abhängig von der Druckdifferenz über dem Ventil und dem Durchflusskoeffizienten des Ventils. Die Druckdifferenz über dem Ventil, ist bestimmt durch den Verflüssigungsdruck, der im Prinzip der Verdichtungsenddruck minus Druckverluste im Leitungssystem und Verflüssiger ist und dem Druck im Verdampfer. Sowohl der Verdichtungsenddruck als auch der Verdampfungsdruck wird kontinuierlich erfasst, der Durchflusskoeffizient vom Ventil ist bekannt und kann im Programm berücksichtigt werden. Das Merkmal der Erfindung besteht damit darin, dass der Massenstrom so geregelt wird, dass er der aktuellen Belastung des Verdampfers angepasst wird und dynamischen Veränderungen zeitlich folgen kann. Um diese praktisch lang- oder kurzfristig auftretenden dynamischen Abweichungen zu erfassen, ist eine zusätzliche Sicherheit eingebaut. Es wird noch immer das Überhitzungssignal beobachtet und als Kontrollsignal ausgewertet. Es wird nicht die Überhitzung geregelt, aber es wird sichergestellt, dass keine Flüssigkeit zum Verdichter geführt wird. Während des Betriebes wird der oberste zusätzliche Sicherheitswert schrittweise herunter gedrückt, bis der minimale Wert des Verdampfers erreicht wird, das sogenannte „Minimum Stable Signal”. Dieser Wert wird dann gespeichert. Nach einer Weile können alle Betriebskonditionen gespeichert sein, wodurch eine sehr schnelle und äußerst stabile Regelung entsteht. Das Prinzip dieses Regelkonzeptes ist geeignet für alle Anwendungen mit ein oder mehreren Verdichtern, die mit einem Verdampfer zusammenarbeiten, also auch für Flüssigkeitskühlsätze (Chiller), Schnellfroster und Gaskühler bei zweistufigen Hubkolbenverdichtern.According to the features of the invention, the invention relates to an optimizing mass flow with determinant drier evaporation injection control. Since the evaporator makes an inseparable connection, both mechanically and thermodynamically with the compressor, the mass flows through this evaporator must be calculated for each condition and capacity level. All required pressures and temperatures are recorded in the compaction control. Since the total dissipated heat in the evaporator is known, the required injection quantity of the refrigerant can be calculated. The amount of refrigerant that can be passed through the injector depends on the pressure difference across the valve and the flow coefficient of the valve. The pressure difference across the valve is determined by the condensing pressure, which in principle is the discharge pressure minus pressure losses in the piping and condenser and the pressure in the evaporator. Both the discharge pressure and the evaporation pressure are continuously recorded, the flow coefficient from the valve is known and can be taken into account in the program. The feature of the invention is thus that the mass flow is controlled so that it is adapted to the current load of the evaporator and can follow dynamic changes in time. To detect these practically long or short term occurring dynamic deviations, an additional security is built in. The overheating signal is still observed and evaluated as a control signal. It does not regulate the overheating, but it ensures that no liquid is fed to the compressor. During operation, the uppermost safety value is gradually depressed until the minimum value of the evaporator is reached, the so-called "minimum stable signal". This value is then saved. After a while, all operating conditions can be stored, resulting in a very fast and extremely stable control. The principle of this control concept is suitable for all applications with one or more compressors, which work together with an evaporator, thus also for liquid chillers, fast freezers and gas coolers in two-stage reciprocating compressors.

Claims

Injection control of refrigerant evaporator in systems with refrigerant compressor, in particular screw and reciprocating compressor, characterized in that the refrigerant mass flow in the evaporator system is controlled so that it corresponds to the current load of the evaporator by the flow coefficient of the injector is adapted to the instantaneous flow of the compressor, wherein the determining factors such as condensing pressure, evaporating pressure and compressor load position are taken into account; As the correction or control signal for this control, a system quantity such as the superheat signal or a refrigerant level state is used.

Injection control according to claim 1, characterized in that the control in the interaction of a two-stage piston compressor and a gas cooler, which is to be regarded in principle as an evaporator with a very short reaction time, is used.