DE2702036A1 - Verfahren zum regeln eines kaelte-, gefrier- oder waermepumpen-systems - Google Patents
Verfahren zum regeln eines kaelte-, gefrier- oder waermepumpen-systemsInfo
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Description
Verfahren zum Regeln eines Kälte-« Gefrier- oder Wärmepumpen-Systems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Kühl-,
TiefkUhl- oder Wärmepumpen-Systems in der Weise, daß die Betriebsbedingungen
dieses Systems verbessert werden· Die Erfindung betrifft insbesondere« wenn auch nicht ausschließlich,
ein Wärmepumpen-System für Zentralheizungen und/oder zum Erzeugen heißen Wassers. Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage
zum Durchfuhren des Verfahrens.
Wie man weiß, ist es erforderlich, daß die Menge des in einem
Wärmepumpen-System durch dessen Ventil hindurchfließenden Kühlmittels, welches in den Verdampfer gelangt, unter sämtlichen Lastverhältnissen
derart geregelt werden soll, daß die im Verdampfer aufgenommene Wärme die gesamte genannte KUhlmittelmenge verdampft;
dies soll in einer solchen Weise geschehen, daß der KUhlmitteldampf
nicht in nennenswertem Maße Überhitzt wird. Das Ventil kann ein Expansionsventil oder ein Druckabfall-Drosselventil sein und
beispielsweise auf Kapillarwirkung beruhen. Im folgenden wird es vereinfachend als "Ventil" bezeichnet.
Der Zweck des Ventils besteht darin, sicherzustellen, daß die
richtige Menge Kühlmittels unter sämtlichen LastVerhältnissen
im System dem Verdampfer zugeführt wird. Falls das Ventil hierzu nicht in der Lage 1st, treten Probleme auf, die in Betriebsstörungen
sowie in unzulänglicher Wirtschaftlichkeit bestehen.
der Kompressormotor und insbesondere dessen Kurbelwellengehäuse können In dem Augenblick schwer beschädigt und die Wirtschaftlichkeit
des Wärmepumpen-Systems beträchtlich vermindert werden.
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wenn flüssiges Kühlmittels aus dem Verdampfer zu dem Kompressor
Strumen kann. Das Im Kurbelwellengehäuse enthaltene Ol wird verdünnt
und aus dem Gehäuse ausgetrieben. Die adiabatIsche Erhitzung
des kompromierten Kühlmittels im Heißgasauslafl des Kompressors und
die Motorwärme werden dazu ausgenutzt« das flüssige Kühlmittel, welches mit dem Dampf hereingelangt, zu verdampfen. Hierbei wird
der Wirkungsgrad des Wärmepumpen-Systems auf einen entsprechenden Wert abgesenkt. Der Kompressor kann auch dann schwer beschädigt
und der Wirkungsgrad des Systems stark vermindert werden, wenn die
dem Verdampfer zufließende KUhlmittelmenge in der Zeiteinheit zu gering ist. Wird die in einem solchen Falle ungenügende KUhlmittelmenge
verdampft und verbleibt kein flüssiges Kühlmittel im Verdampfer (Evaporator), so wird der Dampf durch die von dem Kühlmittel
aus der Umgebung aufgenommene Überschußwärme stark überhitzt
und der Wirkungsgrad des Systems auf einen entsprechenden Grad vermindert. Dieser stark überhitzte KUhlmitteldampf fließt in den
Kompressor, dessen Temperatur duroh die Motorwärme weiterhin gesteigert wird sowie duroh den adiabatischen Anstieg der Temperatur,
so dad der Motor Schaden nehmen kann.
Damit ein Kühl-, Gefrier- oder Wärmepumpen-System des zuvor beschriebenen
Typs unter optimalen Arbeitsbedingungen zu arbeiten vermag, muß sichergestellt werden, daß die Menge flüssigen Kühlmittels,
die dem Verdampfer zufließt, für die dem System aufgegebene Belastung riohtig bemessen ist, und daß ein Überhitzen des
KUhlmitteldampfes und des System-Kompressors innerhalb vorgegebener
Grenzen gehalten werden. Falls die Temperatur des Kompressors Werte annehmen kann, die außerhalb dieser Grenzen liegen, so treten
verschiedene Probleme auf. Wenn die Temperatur des Kompressors zu hooh 1st, können Überhitzung, Ausfall der Isolierungen, Brände,
Kochen, Verdampfen von Schmiermitteln usw. auftreten. Wenn die Temperatur des Kompressors zu gering 1st, so muß beispielsweise mit
Verdünnung des Öles gerechnet werden» weil eioh flüssiges Kühlmittel
mit diesem vermisoht. Hieraus können Schäden an den Kompressorlagern
entstehen (sogenannte FlUsslgkelteblooklerung oder "liquid
look"), wobei das flüssige Kühlmittel die Zylinder des Motors an-
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füllt, was zu einer vollständigen Zerstörung des Motors führt.
Wie man sieht, ist es somit wünschenswert oder sogar notwendig,
in der Lage zu sein, die Menge des Kältemittels, welches durch den Evaporator fließt, in Abhängigkeit von den im System vorherrschenden
Lastverhältnissen genau einzustellen, so daß das Kühlmittel bis zu einem bestimmten, aber noch annehmbaren Orad Überhitzt
wird, daß aber gleichzeitig die Arbeitstemperatur des Kompressors innerhalb der zuvor erwähnten Grenzen gehalten wird.
Die Menge des Kühlmittels, das dem Evaporator pro Zelteinheit zugeführt
werden muß, kann stark schwanken. Dies trifft insbesondere bei Wärmepumpen-Systemen für Hauswasserheizungen zu, ferner bei
KUhlsystemen und/oder bei Systemen zum Herstellen heißen Wassers·
Hier werden an die Einrichtung zum Regeln der Menge des Kühlmittels, welches durch das Ventil fließt, sowie an andere Elemente des
Systems hohe Anforderungen gestellt. Die Ventiltypen, die normalerweise heutzutage benutzt werden, sind sogenannte thermostatisohe
Expansionsventile und Kapillarrohr-Vorrichtungen.
Das thermostatisohe Expansionsventil registriert den Druck, der im Bereich des Evaporators, und zwar stromaufwärts und stromabwärts von diesem herrscht. Diese registrierten Drücke werden in
Signale umgewandelt, die dazu verwendet werden, die Öffnung des Ventils zu regeln, so daß der Orad der Überhitzung des Kühlmittels,
welches zur Endstufe des Evaporators stromaufwärts des Kompressors
strömt, im wesentlichen auf einem konstanten Niveau gehalten werden
kann, welches gering ist, und welches innerhalb des Arbeitsbereiches
des Evaporators und des Kompressors liegt. Falle Jedoch dl· Belastung des Systems in stärkerem Maße eohwankt, so ist es nicht
immer möglioh, die Überhitzung des Kältemittels In der besagten
Welse konstant zu halten. Die Temperatur des gasförmigen Kältemittels,
welches in den Kompressor eintritt» kann nicht mit genügender Genauigkeit geregelt werden. Daher besteht eine gewisse
Oefahr, daß die Temperatur des Kompressors Werte annimmt, die außerhalb
der kritischen Temperaturgrenzen des Kompressors liegen und die demzufolge Schäden am Kompressor hervorrufen.
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Bel der anderen bekannten Bauart eines Ventils« dem sogenannten
Kapillarrohrventil, kann eine gewisse genau bezeichnete Menge Kühlmittels
in einem gewissen vorbestimmten Augenblick des Betriebes duroh das Ventil Strumen» In diesem Betriebsmoment ist es möglich«
eine gewünschte Grüße der Überhitzung des verdampften Kältemittels
in dem Evaporator zu erzielen.
Der Nachteil dieser Kapillarrohrventile besteht jedoch darin, daß
sie die Menge des Kühlmittels nicht an unterschiedliche Belastung des Systems angleichen können, Insbesondere dann nicht, wenn die
genannten Belastungen schnell und in starkem Maße schwanken.
Füllt die Kondensationstemperatur, so vermindert sich auch die Menge des durch die Kapillarröhre strömenden Kältemittels. Diese
Menge, d.h. die Menge des in den Evaporator injizierten Kältemittels
hängt nämlich nicht nur vom Durchmesser des Kapillarrohres und von dessen Länge ab, sondern auch von dem Druckunterschied
über dieses hinweg. Wird die Menge des in den Evaporator injizierten
Kältemittels vermindert, so tritt ein vorzeitiges Kochen dieses Kältemittels ein, und zwar möglicherweise bevor dieses den
halben Weg duroh den Evaporator zurückgelegt hat. Hieraus kann •ine Überhitzung des verdampften Kältemittels in ungewöhnlich
hohem Made folgen. Auch eine Kühlung des Kompressors kann ungenügend sein, wobei der Kompressor Schäden ausgesetzt ist. Wenn die
Kondensattemperaturen ansteigen, so steigt auch der Durchsatz von Kältemittel durch das Kapillarrohr. Hierbei besteht wiederum die
Oefahr, daß ein Teil des Kältemittels nicht verdampft wird und
daß dieses noch flüssige Kältemittel in den Kompressor gelangt. Wie zuvor erwähnt, vermag flüssiges Kältemittel, das in den Kompressor
strömt, eine "Flüssigkeitssperre" dort zu verursachen, welche möglicherweise in einer völligen Zerstörung des Kompressors
resultiert. Das herkömmliche Kapillarrohrsystem ist außerordent-11
oh empfindlich in Bezug auf die genannten Druckdifferenzen über das Rohr hinweg; wenn die Belastung des Verdampfers schwankt, und
Inabesondere bei starken Lastsohwankungen, so treten unzulässige Schwankungen des Wirkungsgrades des Verdampfers auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Menge des in dem
System umgewälzten Kältemittels bei allen Belastungsfällen des Systems zu regeln, und hiermit auch die überhitzung im Endteil
des Verdampfers zu regeln, und somit eine optimale Wärmeabsorption im Verdampfer sicherzustellen und eine Beschädigung des
Kompressors zu vermeiden.
Darüber hinaus soll die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Regeln angeben, wodurch eine Optimierung der Betriebsbedingungen
eines Kühl-, Gefrier- oder Wärmepumpen-Systems herbeigeführt wird.
Ein solches System umfaßt einen herkömmlichen Kühlkreislauf mit einem motorgetriebenen Kompressor, einem Kondenser, einem Ventil,
das beispielsweise ein Expansionsventil oder ein Kapillarventil sein kann, sowie einen Verdampfer. Die Menge des Kältemittels, die
pro Zeiteinheit durch den Kreislauf fließt, wird mittels des Ventils
gereglt, um eine überhitzung des Kältemitteldampfes in dem
Verdampfer und im Kompressor zu vermeiden, und um das Sindringen von flüssigem Kältemittel in den Kompressor zu verhindern.
Die Erfindung besteht insbesondere darin, daß die Temperatur des Kompressors erfaßt wird. Diese erfaßte Temperatur stellt im wesentlichen
die Mitteltemperatur und die Temperatur beim Eingang des verdampften Kältemittels in den Kompressor dar und die Temperatur
des verdampften Kältemittels am Kompressorausgang. Wenn die Temperatur ansteigt, so wird das Ventil stufenweise oder kontinuierlich
geöffnet, und zwar mittels einer Vorrichtung, die auf die erfaßte, erhöhte Temperatur antwortet. Wenn die Temperatur fällt,
so wird das Ventil In gleicher Weise geschlossen, und zwar mittels
der genannten Vorrichtung und wiederum entweder stufenweise oder kontinuierlich.
Die Erfindung betrifft ferner eine Regeleinrichtung, mittels der das Verfahren zum Regeln eines Kühl-, Qefrler- oder Wärmepumpen-Systems
ausgeführt werden kann. Diese Regelvorrichtung ist durch die Tatsache gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erfassen der mittleren
Temperatur im Kompressor und zum Regeln des Ventils die Form
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einer Temperatur-Meßvorrichtung aufweisen. Sie können z.B. aus
einem oder mehreren temperaturempfindlichen Körpern bestehen sowie
einem Impulstransmitter, der dazu dient, dem genannten Ventil die öffnungs- oder Schließsignale zuzuleiten. Gemäß einer bevorzugten
AusfUhrungsform der Erfindung wird ein temperaturempfindlicher
Körper an einem Bezugspunkt im Kompressorgehäuse angeordnet. Der Bezugspunkt wird experimentell ausgewählt oder berechnet,
und zwar derart» daß an diesem Punkt der mittlere Temperaturwert des Kompressoreingangs und des Kompressorausgangs unter allen Betriebsbedingungen
herrscht. Der Impulstransmitter Überträgt öffnungs- und Sohließsignale als Antwort auf die erfaßten, variierenden
mittleren Temperaturen» zu dem Ventil, so daß die mittlere Temperatur des Kompressors innerhalb eines Temperaturbereiches,
der für den Motorkompressor geeignet ist, und der für die Betriebsbedingungen optimal ist, gehalten werden kann.
Oemäß einer weiteren bevorzugten AusfUhrungsform der Regeleinrichtung
gemäß der Erfindung umfaßt die Temperaturmeßeinrichtung einen ersten temperatur empfindlichen Körper, der im Bereich derjenigen
Leitung angeordnet 1st, in welcher verdampftes Kältemittel zu dem Kompressor zurückgeführt wird, und einen zweiten temperaturempfindlichen
Körper, der im Bereich jener Leitung angeordnet 1st, durch welche heißes Kältemittel den Kompressor verläßt.
Bin elektronischer Kreislauf ermittelt die Mittel-Temperatur-Werte
und überträgt öffnungs- und Schließsignale zu dem Ventil in Abhängigkeit
von den mittleren Temperaturwerten unter Bezugnahme auf einen Wert am Bezugspunkt. Wenn die mittlere Temperatur des
Kompressors ansteigt, so werden ein oder zwei Signale an das Ventil
abgegeben, das sodann öffnet, um eine größere Menge Kältemittel hindurohzulassen. Der Verdampfer und der Kompressor werden somit
mit größeren Mengen Kältemittels pro Zeiteinheit versorgt. Di· Überhitzung des Kältemitteldampfes im Endstadium des Verdampfers
vor dem Kompressor vermindert sieh und die mittlere Temperatur des Koepreseors fällt ebenfalls.
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Wenn die mittlere Temperatur des Kompressors fällt und einen gewissen
unteren Wert erreicht, so werden ein oder zwei Signale zu dem Ventil gesandt. Dieses führt sodann eine Schließbewegung bis
zu einem solchen Grade aus, daß der Durchsatz des dem Verdampfer zugefUhrten Kältemittels abfällt. Die Uberhitzungstemperatur
steigt dann an und die mittlere Temperatur des Kompressors vermag ebenfalls anzusteigen und einen Wert zu erreichen, der innerhalb
des erlaubten Temperaturbereiches liegt.
Die Vorteile, die dem Verfahren und den Regelvorrichtungen gemäß der Erfindung eigen sind, liegen insbesondere darin, daß der Verdampfer
bei sämtlichen Betriebezuständen mit der richtigen Leistung
arbeitet und daß er optimal eingesetzt werden kann, und daß die Temperatur des Kompressors genau überwacht werden kann.
Somit läßt sich die gewünschte leichte Überhitzung des verdampften
Kältemittels im Verdampfer einregeln duroh Herstellen eines mittleren Temperaturwertes für die Temperatur in der GasrUokfUhrungsleitung
und der Temperatur in der Heißgasleitung, d.h. der Leitung, duroh welche überhitzte, komprimierte Oase aus dem Kompressor
zum Kondenser fließen. Diese mittlere Temperatur wird erfaßt; falls sie von einem zulässigen Temperaturwert abweicht,
beispielsweise von 7O0C, so erhält die Steuervorrichtung des
Ventils Signale, so daß das Ventil etwas geöffnet wird, wenn die mittlere Temperatur ansteigt, und etwas geschlossen wird, wenn
die mittlere Temperatur fällt.
Die mittlere Temperatur der OasrUokfUhrleitung und die Temperatur
der Heißgasleitung haben sioh als Parameter herausgestellt, dl·
im wesentlichen alle Werte beinhalten, welch· in Bezug auf dl·
Betriebsbedingungen des Wärmepumpen-Systems entscheidend sind. Die mittlere Temperatur hängt ab von der Temperatur der Meng·
des Oases, das komprimiert wurde, vom Kompressionsgrad und von
den hiervon verursachten adiabatischen Wärmesteigerungen, ferner
von der Motorwärm· und von den Arbeltstemperaturen der Heißgaee.
Alle diese Orößen lassen sioh indirekt und zugleich mit dor
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mittleren Temperatur erfassen. Die Betriebsbedingungen des
Wärmepumpen-Systems lassen sloh mit einem einzigen Regelsignal dadurch optimieren, daß man das Ventil einstellt, während der
Kompressor gleichzeitig sehr wirkungsvoll gegen Beschädigungen durch Wärme geschützt ist sowie dagegen geschützt 1st, daß flüssiges
Kältemittel in ihn eindringt, ungeachtet dessen, daß die
Belastung der Wärmepumpe stark schwankt.
Sowohl bei Kühl- und Gefrieranlagen als auch bei Wärmepumpanlagen 1st es wünschenswert, zu vermeiden, daß jegliches flüssige
Kältemittel zusammen mit dem RUckgas in den Kompressor eindringt. Um dies zu erreichen, wird das System bei konstanter Überhitzung
dee Rückgases betrieben, obgleich hierbei in erheblichem Maße die Gefahr besteht, dad der Kompressor durch Wärme beschädigt und
seine Lebensdauer verkürzt wird, falls diese Überhitzung nicht schließlich eingestellt werden kann. Das Prinzip einer konstanten
überhitzung des RUckgases bei dessen Eintritt in den Kompressor hat sloh weiterhin bei den Hochleistungsanforderungen von Wärmepumpen-Systemen
als unhaltbar herausgestellt. Die Menge des durch das System fließenden Kältemittels schwankt sehr stark, wenn sich
die Belastung des Systems ändert. Ist das System hoch belastet, d.h. 1st die Temperatur des wärmeUbertragenden Mediums hoch, so
steigt die Summe der adiabatlsohen Wärme und die Motorwärme wird hoch, da das RUokgas bereits überhitzt ist, möglicherweise sogar
stark überhitzt. Ist noch die Umgebungstemperatur ganz allgemein hoch, so besteht die Gefahr, daß der Kompressor durch Wärme rasch
zerstört wird. Läßt man das RUokgas vor dem Eintritt in den Kompressor
überhitzen, ohne daß man irgendeine Feinregelung vornimmt, eo 1st ein erheblioher Abfall des Wirkungsgrades des Systems die
Folge.
Mit der vorliegenden Erfindung läßt sloh jedoch die Menge flüssigen
Kältemittels im RUokgas sehr feinfühlig regulieren, und zwar In einem solchen MaBe, daß keine Olschäden im Kompressor auftreten
und daß der Wirkungsgrad des ganzen Systems kaum beeinträchtigt wird. Diese Peinregulierung der Menge des flüssigen Kälte-
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mittels im RUckgas kann gemäß der Erfindung dadurch bewirkt werden,
daß man die schwankenden mittleren Temperaturen in der Rückgasleitung und in der Heißgasleitung des Kompressors erfaßt und
hiermit - mittels Signalen - die Stellung des Ventils, und die Menge des durch den Wärmepumpen-Kreislauf pro Zeiteinheit strömenden
Kältemittels regelt.
Das Ventil der Kältemittel-Umwälzregelung gemäß der Erfindung kann ein Kapillarrohrventileein mit einer Vielzahl von Kapillarröhren,
die von im einzelnen unterschiedlichen Längen und/oder
Durchmessern sind und die Je nach Bedarf ansprechen oder nicht ansprechen (also Offnen oder Schließen) mittels Magneten. Gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventil ein Expansionsventil,
das kontinuierlich feingeingestellt werden kann, wenn die mittlere Temperatur des Kompressors sich ändert. Hierzu kann man
einen Thermostat nehmen, dem ein Temperatur-PUhler-Emitter im Bereich
des Kompressors zugeordnet ist, einen Regelkreis sowie beispielsweise eine elektromagnetische Schließeinrichtung im Ventil.
Heidenhei», den 18.01.77
DrW/Srö
DrW/Srö
709830/ü033
Claims (2)
1. Verfahren zum Regeln und Optimieren der Betriebsbedingungen
eines KUhI-, Gefrier- oder Wärmepumpen-Systems, das einen
Kühlkreislauf aufweist mit einem motorgetriebenen Kompressor, einen Kondenser, einem Ventil und einem Verdampfer, und in
welchem die Menge des pro Zelteinheit strömenden Kältemittels mittels eines Ventils geregelt wird, um eine übermäßige Überhitzung
des verdampften Kältemittels im Verdampfer und im Kompressor zu vermeiden und zu verhindern, daß flüssiges Kältemittel
In den Kompressor eindringt, dadurch gekennzeichnet, daB die Temperatur des Kompressors erfaßt wird, daß diese Temperatur
im wesentlichen den Mittelwert der Temperatur des Kältemittels am Eingang zu dem Kompressor und am Ausgang aus dem
Kompressor darstellt, daß das Ventil ferner bei Anstieg der mittleren Temperatur stufenförmig oder kontinuierlich geöffnet
wird mittels einer Vorrichtung, die von der erfaßten mittleren Temperatur geregelt wird und daß das Ventil stufen-weise
oder kontinuierlich von derselben Vorrichtung geschlossen wird, wenn die mittlere Temperatur fällt.
2. Regelvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vorrichtung eine Temperaturmeßvorrichtung,
z.B. ein Sensor ist, der an einem Bezugspunkt im. Gehäuse des Kompressors angeordnet ist, daß dieser
Bezugspunkt (experimentell oder rechnerisch derart ausgewählt 1st« daß die genannte mittlere Temperatur unter veränderlichen
Betriebsbedingungen im wesentlichen an diesem Punkt auftritt, und daß eine Impulsvorrichtung vorgesehen 1st, die
in Abhängigkeit von den erfaßten, veränderlichen mittleren Temperaturen öffnungs- und Schließsignale zu dem Ventil Übertrügt.
Heidenheim, den 18.01.77
DrW/Srö
DrW/Srö
709830/0893
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