DE19935731A1 - Verfahren zum Betreiben einer unter- und transkritisch betriebenen Fahrzeugkälteanlage - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer unter- und transkritisch betriebenen Fahrzeugkälteanlage

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer unter- oder transkritisch betriebenen Fahrzeugkälteanlage, bei der auf der Hochdruckseite eines Dampfkompressionskreislaufes, der einen Verdichter, einen Gaskühler, ein Expansionsventil und einen Verdampfer beinhaltet, die in Reihe geschaltet sind und einen integralen geschlossenen Kreis bilden, zum Angebot von Kälteleistung ein hinsichtlich des kritischen Druckes eines im Kreislauf umlaufenden Kältemittels überkritischer Druck erzeugt und gleichzeitig auf der Niederdruckseite des Kreislaufes ein unterkritischer Druck erreicht wird, wobei dem auf der Niederdruckseite abgekühlten Kältemittel über den Verdampfer Wärmeenergie zugeführt wird, wobei der Kältemittelmassenstrom durch den Verdichter reguliert wird und der gewünschte Hochdruck mittels eines Expansionsventils eingestellt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß während des Startvorganges der Fahrzeugkälteanlage der Kältemittelmassenstrom unmittelbar auf einen bedarfsgerechten Wert und der Kältemitteldruck nach mindestens einer vorgegebenen Kenngröße eingestellt wird, und Sicherheitsdruckgrenzen P1-P4 vorgegeben sind, bei dessen Überschreitung die Kälteanlage geregelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer unter- und transkritisch betriebenen. Fahrzeugkälteanlage gemäß den gattungsbildenden Merkmalen des Anspruchs 1.
In der DE 44 32 272 C2 wird ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteerzeugungsanlage für das Klimatisieren von Fahrzeugen be­ schrieben. Der Dampfkompressionskreislauf weist wenigstens je einen Verdichter, einen Gaskühler, ein Drosselungsmittel und einen Verdampfer auf. Die Kälteleistung wird durch einen den Kältemittelmassenstrom - regelnden Verdichter reguliert. Bei überkritischer Wärmeabgabe am Gaskühler ist die Kälteleistungs­ zahl vom Hochdruck abhängig. Der gewünschte Hochdruck wird mit­ tels eines Expansionsventils eingestellt.
In der EP 0 424 474 B1 wird ein Verfahren zum trans- und über­ kritischen Betreiben eines Dampfkompressionskreislaufs be­ schrieben. Der Klimatisierungskreislauf weist einen Kompressor, einen Kühler, Drosselungsmittel und einen Verdampfer auf. Bei überkritischer Wärmeabgabe am Kühler ist die Kälteleistungszahl vom Hochdruck abhängig. Der Hochdruck wird durch Variation der Kühlmittelmenge auf der Hochdruckseite des Kreislaufs regu­ liert.
Bei dieser Art eine Fahrzeugkälteanlage zu betreiben ist von Nachteil, daß bei Anfahren der Fahrzeugkälteanlage der Käl­ temittelmassenstrom und der Hochdruck nicht sofort auf den ge­ wünschten Wert ansteigen. Dies ist beispielsweise darauf zu­ rückzuführen, daß im System zusätzliche Druckabfälle erzeugt werden und die Kältemittel-Massenverteilung im Gesamtsystem nicht der gewünschten Verteilung entspricht. Es ist insbesonde­ re nachteilig bei der Bestimmung des optimalen Hochdrucks die Kältemitteltemperatur am Gaskühleraustritt zu verwenden, da diese selbst vom Hochdruck abhängig ist und damit ständigen Schwankungen unterworfen ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist eine Fahrzeugkälteanlage so zu verbessern, daß ein effizientes Anfahren der Anlage und ein ef­ fizienter und sicherer Betrieb der Anlage ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des Er­ findungsgegenstandes sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltungen liegt darin, daß die Fahrzeugklimaanlage eine größere Kälteleistung er­ bringt, wobei eine Sicherheitsmaßnahme getroffen wurde, daß der Hochdruck im System den zulässigen Systemdruck nicht über­ steigt.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in Ver­ bindung mit einer Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematisch in einer Prinzipskizze einen nach dem er­ findungsgemäßen Verfahren arbeitenden Dampfkompressi­ onskreislauf mit einem regelbaren Verdichter und einem regelbaren Expansionsventil, sowie
Fig. 2 ein zum Kreislauf aus Fig. 1 zugehöriges Enthalpie- Druck-Diagramm eines transkritischen Prozesses, sowie
Fig. 3 eine Tabelle zur Darstellung der Überschreitung eines Sicherheitswertes des Hochdrucks mit den unterschiedli­ chen relevanten Druckbereichen.
In Fig. 1 ist ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbei­ tender Dampfkompressionskreislauf mit einem regelbaren Verdich­ ter 2 und einem regelbaren Expansionsventil 4 vorgesehen. Mit 1 ist ein Dampfkompressionskreislauf dargestellt, der in Reihe geschaltet sukzessiv hintereinander einen Verdichter 2, einen Gaskühler 3, ein Expansionsventil 4 als Drosselmittel und einen Verdampfer 5 beinhaltet. Der Verdickter 2 ist hierbei bezüglich seines Durchsatzes regelbar. Ebenfalls regelbar ist das Expan­ sionsventil 4.
Arbeitet der Verdickter 2 unter Last, so verdichtet er gemäß Fig. 2 eine Kältemittelmenge von einem Ausgangsdruck P1 auf ei­ nen höheren Druck P2, wobei die Kältemitteltemperatur von T1 auf T2 ansteigt. Das verdichtete gasförmige Kältemittel wird nun in dem Gaskühler 3 über ein diesen umströmendes Kühlmittel, wie beispielsweise Kaltluft oder Wasser, isobar auf eine Tempe­ ratur T3 abgekühlt. Das Kältemittel wird beim Durchströmen des Expansionsventils 4 isenthalp auf einen Druck P3, der dem Aus­ gangsdruck p1 entspricht, entspannt, wobei sich das Kältemittel auf eine Temperatur T4 weiter abkühlt, die im Verflüssigungsbe­ reich des Kältemittels liegt. Erreicht das so entstandene Zwei­ phasen-Gemisch Gas/Flüssigkeit des Kältemittels den Verdampfer 5 verdampft der Flüssigkeitsanteil, oder der sehr kühle Gasan­ teil erwärmt sich dort unter Aufnahme von Wärme von außen. Da­ bei wird die Ausgangstemperatur T1 wieder erreicht. Die am Ver­ dampfer 5 angebotene Kälteleistung errechnet sich aus dem Pro­ dukt vom Massenstrom des Kältemittels und der Enthalpiediffe­ renz zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite 5, 6 des Kreislaufes 1. Um dem anliegenden Kälteleistungsbedarf gerecht zu werden, ist hier der Verdichter 2 regelbar ausgelegt. Da­ durch kann der Durchsatz an Kältemittel durch den Verdickter 2 und somit der Massenstrom im Kreislauf 1 diesem Bedarf angepaßt werden. Beim überkritischen Kreislauf erfolgt die Wärmeabgabe auf der Hochdruckseite bei einem Druck unterhalb des kritischen Drucks. Beim transkritischen Kreislauf erfolgt die Wärmeabgabe auf der Hochdruckseite bei Kühlmitteltemperaturen in der Nähe oder oberhalb der kritischen Temperatur bei einem Druck ober­ halb des kritischen Drucks. Bei überkritischer Wärmeabgabe im Gaskühler ist der optimale Hochdruck, welcher den maximalen Wirkungsgrad der Anlage zwischen nutzbarer und eingesetzter Leistung ermöglicht, von der Kältemitteltemperatur am Gasküh­ leraustritt abhängig. In Abhängigkeit der Wirkungsgrade der verwendeten Komponenten kann eine Kennlinie ermittelt werden, die den optimalen Hochdruck als Funktion der Kältemitteltempe­ ratur am Gaskühleraustritt oder der Umgebungstemperatur berech­ net. Der Hochdruck wird bei einer Abweichung zwischen Ist- und Sollhochdruck mit einem PI-Regler geregelt und bei einer größe­ ren Abweichung mit einem P-Regler, so daß das Expansionsventil vollständig öffnet oder schließt, so daß die Differenz zwischen Ist- und Sollhochdruck nach möglichst kurzer Zeit innerhalb der zulässigen Abweichung erreicht wird.
In Fig. 3 sind in einer Tabelle qualitativ die unterschiedli­ chen Grenzbereiche für den Hochdruck dargestellt. Es ist ein Druckniveau p1 als Sicherheitswert vorgegeben, bei dessen Über­ schreitung abhängig von verschiedenen Druckniveaus geregelt wird. Bis zu einem Druck p1 befindet sich die Kälteanlage in dem Normalbetrieb, in welchem der Hochdruck abhängig einer vor­ gegebenen Kennlinie berechnet wird. In einem Sicherheitsbereich wird für einen anhand der Kennlinie berechneten Hochdruck p1 < p < p2 der Hochdruck p1 als Sollwert vorgegeben. Bei einem Isthochdruck von p < p2 wird das Expansionsventil vollständig ge­ öffnet. Für einen Hochdruck p < p3 wird der Kältemittelmassen­ strom am Kompressor reduziert. Für einen Hochdruck p < p4 wird der Kompressor abgeschalten. Überschreitet das Druckniveau p3 < p2, so wird der umlaufende Kältemittelmassenstrom mit Hilfe des Kompressors zurückgeregelt. Überschreitet das Druckniveau p4 < p3, so wird der Kompressor abgeschalten und kein Kältemittel strömt mehr um. Das Druckniveau p4 ist ausreichend unterhalb des maximal zulässigen Systemdrucks p5 zu wählen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer unter- oder transkritisch be­ triebenen Fahrzeugkälteanlage, bei der auf der Hochdruckseite eines Dampfkompressionskreislaufes, der einen Verdichter (2), einen Gaskühler (3), ein Expansionsventil (4) und einen Ver­ dampfer (5) beinhaltet, die in Reihe geschaltet sind und einen integralen geschlossenen Kreis bilden, zum Angebot von Kälte­ leistung ein hinsichtlich des kritischen Druckes eines im Kreislauf umlaufenden Kältemittels überkritischer Druck erzeugt und gleichzeitig auf der Niederdruckseite des Kreislaufes ein unterkritischer Druck erreicht wird, wobei dem auf der Nieder­ druckseite abgekühlten Kältemittel über den Verdampfer Wärme­ energie zugeführt wird, wobei der Kältemittelmassenstrom durch den Verdichter (2) reguliert wird und der gewünschte Hochdruck mittels eines Expansionsventils (4) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß während des Startvorganges der Fahrzeugkälteanlage der Käl­ temittelmassenstrom unmittelbar auf einen bedarfsgerechten Wert und der Kältemitteldruck nach mindestens einer vorgegebenen Kenngröße eingestellt wird,
und Sicherheitsdruckgrenzen P1-P4 vorgegeben sind, bei dessen Überschreitung die Kälteanlage geregelt wird.
2. Verfahren zum Betreiben einer unter- und transkritisch be­ triebenen Fahrzeugkälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anfahrvorgang bei hohen Außentemperaturen und/oder bei hohen Kältemitteldrücken der Kältemittelmassenstrom durch den Verdichter auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird.
3. Verfahren zum Betreiben einer unter- und transkritisch be­ triebenen Fahrzeugkälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anfahrvorgang bei hohen Außentemperaturen und/oder bei hohen Kältemitteldrücken das Expansionsventil (4) weit geöffnet ist und der Luftmassenstrom am Gaskühler (3) maximiert ist.
4. Verfahren zum Betreiben einer unter- und transkritisch be­ triebenen Fahrzeugkälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anfahrvorgang bei hohen Außentemperaturen und/oder bei hohen Kältemitteldrücken der Verdichterantriebsleistung auf ei­ nen vorgegebenen Wert begrenzt wird.
5. Verfahren zum Betreiben einer unter- und transkritisch be­ triebenen Fahrzeugkälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anfahrvorgang bei hohen Außentemperaturen und/oder bei hohen Kältemitteldrücken die Verdichterantriebsleistung aus ge­ eigneten Zustandsgrößen des Kältekreislaufes bestimmt wird.
6. Verfahren zum Betreiben einer unter- und transkritisch be­ triebenen Fahrzeugkälteanlage nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach Übersteigen, eines ersten Druckniveaus P1 der vorbe­ stimmte Hochdruck P1 eingestellt wird.
7. Verfahren zum Betreiben einer unter- und transkritisch be­ triebenen Fahrzeugkälteanlage nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Übersteigen eines zweiten Druckniveau P2 das Expansi­ onsventil (4) weit geöffnet wird.
8. Verfahren zum Betreiben einer unter- und transkritisch be­ triebenen Fahrzeugkälteanlage nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Übersteigen eines dritten Druckniveau P3 der Kältemit­ telmassenstrom durch den Verdichter (2) zurückgeregelt wird.
9. Verfahren zum Betreiben einer unter- und transkritisch be­ triebenen Fahrzeugkälteanlage nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Übersteigen eines vierten Druckniveau P4 der Verdichter (2) vollständig abgeschaltet wird.
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