DE2950264C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuersystem für ein Heißgas-Bypaßventil nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Es ist allgemein bekannt, daß man einen Heißgas-Bypaß­ strom vorsehen muß, um ein Pumpen des Zentrifugalkom­ pressors von Kälteanlagen während Niedriglast- oder Teillastbedingungen zu vermeiden. Wenn die Kühllast ab­ nimmt, steigt die Notwendigkeit für den Heißgas-Bypaß­ strom an. Die Menge des im Bypaß-Strom geführten Heiß­ gases hängt bei einem bestimmten Lastzustand von der ge­ wünschten Druckhöhe des Zentrifugalkompressors ab.

Ein Steuersystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der US-PS 35 22 711 bekannt. Dieses bekannte Steuersystem funktioniert u. a. so, daß eine Einrichtung zum Fühlen der Temperatur der den Ver­ dampfer verlassenden gekühlten Flüssigkeit vorgesehen ist und daß in Abhängigkeit von der von dieser Ein­ richtung gemessenen Temperatur die Lage von Verdrall­ schaufeln am Kompressoreingang gesteuert wird. In Ab­ hängigkeit von der Lage dieser Vordrallschaufeln wird wiederum ein Heißgas-Bypaßventil gesteuert. Die Ein­ richtung zum Fühlen der Temperatur dient hierbei somit nicht zur direkten Steuerung des Heißgas-Bypaß­ ventils.

Ergänzend zum Stand der Technik sei noch auf die US-PS 32 50 084 hingewiesen. In dieser Veröffent­ lichung ist ein System beschrieben, bei dem die Vordrallschaufeln am Kompressoreingang in Abhängig­ keit von einem Signal gesteuert werden, das aus der Temperatur der zu kühlenden Flüssigkeit am Verdampfereingang und der Temperatur am Verdampferausgang gebildet ist. Bei diesem System kommt somit kein Signal zum Einsatz, das dem Druckgefälle am Kondensator entspricht. Ferner geht es bei diesem System auch nicht um die Steuerung eines Heißgas-Bypaßventiles.

Bei der aus der US-PS 26 61 145 bekannten Einrichtung wird lediglich das Druckverhältnis zwischen Ausgang und Eingang des Kompressors als Steuergröße für die Bypaßventilsteuerung herangezogen; auch hier findet somit keine Kombination mit einem anderen, die Kühlleistung repräsentierenden Signal statt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuer­ system für den Zentrifugalkompressor einer Kälteanlage zu schaffen, das bei maximalem Wirkungsgrad der Kälteanlage Pumpzustände des Zentrifugalkompressors vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Steuer­ system mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Während beim Gegenstand der vorstehend genannten US-PS 35 22 711 das Heißgas-Bypaßventil in Abhängig­ keit von der Lage der Vordrallschaufeln gesteuert wird, geschieht dies erfindungsgemäß in Abhängigkeit von zwei Parametern: 1. Von der Temperaturdifferenz der zu kühlenden Flüssigkeit am Verdampfer und 2. von der Temperatur des flüssigen Kältemittels am Kon­ densatorausgang. Der erste Parameter kennzeichnet die Kühllast, während der zweite Parameter ein Maß für die Druckhöhe des Kompressors darstellt. Die diesen Para­ metern entsprechenden Signale werden miteinander addiert, und es wird in Abhängigkeit von der Summe ein Steuer­ signal für das Heißgas-Bypaßventil erzeugt.

Das Heißgas-Bypaßventil wird somit erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der Kühllast und der Druckhöhe (Druckgefälle) am Kompressor gesteuert. Mit anderen Worten, ein Δ T-Wert wird mit einem T-Wert des Kälte­ mittels am Kondensatorausgang kombiniert. In einem entsprechenden Schaubild ergibt sich hierbei ein Punkt, der entweder links oder rechts von der die Pumpgrenze darstellenden Linie angeordnet ist.

Dadurch, daß in erfindungsgemäßer Weise das Druck­ gefälle am Kompressor und die Kühllast miteinander kombiniert werden, um das Heißgas-Bypaßventil zu steuern, wird der Wirkungsgrad der Kälteanlage nur wenig beeinträchtigt, d. h. das Bypaß­ ventil wird nur dann geöffnet, wenn beide Parameter einen Pumpzustand anzeigen. Würde beispielsweise nur der Δ T-Wert zur Steuerung des Bypaßventils herangezogen, so wäre keine derart genaue Steuerung möglich, d. h. das Bypaßventil würde beispiels­ weise bereits dann geöffnet werden können, wenn das Druckgefälle am Kompressor (T-Wert des Kältemittels) noch keinen Pumpzustand anzeigt.

Es ergibt sich daher insgesamt eine besonders ge­ naue Steuerung.

Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Aus­ führungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Steuersystems für ein Heiß­ gas-Bypaßventil in einer mit ei­ nem Zentrifugalkompressor ver­ sehenen Kälteanlage,

Fig. 2 ein detailliertes schematisches Diagramm der Steuerung für das Heißgas-Bypaßventil; und

Fig. 3 ein Diagramm, in dem eine Kenn­ linie für unterschiedliche Kühllasten darge­ stellt ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Kälteanlage umfaßt einen Zentrifugalkompressor 10, der den Kältemittel­ dampf komprimiert und diesen über eine Leitung 14 einem Kondensator 12 zuführt. Der Kondensator 12 ist mit einer Wärmetauscherschlange 16 versehen, die einen Einlaß 18 und einen Auslaß 20 aufweist, die mit einem Kühlturm 22 in Ver­ bindung stehen. Das kondensierte flüssige Kältemittel strömt vom Kondensator 12 über die Leitung 24 zum Verdampfer 26. Der Verdampfer 26 ist mit einer Wärmetauscherschlange 28 versehen, die eine Zuleitung 28 S und eine Rückführleitung 28 R aufweist, die mit einer Kühllast 30 in Verbindung stehen. Der im Verdampfer 26 befindliche Kältemitteldampf wird über eine Saugleitung 32, die Vordrallschaufeln 33 enthält, zum Kompressor 10 zurückgeführt. Zwischen den Leitungen 36 und 38, die sich vom Auslaß des Kompressors 10 zum Einlaß der Schaufeln 33 erstrecken, ist ein Heißgas- Bypaßventil 34 angeordnet. Eine Ventilsteuerung 40 betreibt eine Betätigungsvorrichtung 42 zur schrittweisen Regulie­ rung des Öffnungs- und Schließvorganges des Ventils 34, das nachfolgend im einzelnen beschrieben wird. Es versteht sich, daß eine herkömmliche Kälteanlage viele andere Merkmale aufweist, die in Fig. 1 nicht gezeigt sind. Diese Merkmale sind aus Gründen eines einfacheren Verständnisses weggelassen worden.

Bei der Ausgangsgröße der Ventilsteuerung 40 in der Leitung 44 handelt es sich um ein Signal, das von der Kühllast und der Druckhöhe abhängig ist und zur automatischen Steuerung der Vorrichtung 42 und damit des Ventils 34 dient, um einen bevorstehenden Pumpzustand zu vermeiden. Die Steuerung 40 empfängt mittels eines Temperaturfühlers 46, der an der Rückführleitung 28 R von der Kühllast angeordnet ist, über die gestrichelte Linie 45 eine erste Eingangsgröße, die für die Temperatur der in den Verdampfer eintretenden Kühlflüssigkeit kennzeichnend ist. Eine zweite Eingangsgröße wird über die gestrichelte Linie 48 von einem Temperaturfühler 50 an der Zuleitung 28 S für die Kühllast eingespeist, um die Temperatur der vom Verdampfer abgegebenen Kühlflüssigkeit zu erfassen. Eine dritte Eingangsgröße wird von einem Tempe­ raturfühler 54, der an der Leitung 24 angeordnet ist und die Temperatur des flüssigen Kältemittels am Kondensatorauslaß mißt, der Steuerung 40 zugeführt.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Ventil­ steuerung 40 gezeigt, die zur automatischen Steuerung des Öffnungs- und Schließvorganges des Heißgas-Bypaßventils 34 dient. Es versteht sich, daß die Steuerung 40 auf vielerlei Art ausgebildet sein kann, beispielsweise als mechanische, pneumatische u. ä. Steuerung. Bei der bevorzugten Ausführungs­ form der Steuerung werden elektronische Festkörperschaltungen eingesetzt, wobei Thermistoren als die vorstehend erwähnten Fühler verwendet werden.

Ein Funktionsverstärker 56 empfängt an seinem invertierenden Eingang von dem Thermistor 46 ein Eingangssignal, das die Temperatur der in die Wärmetauscherschlange 28 des Verdampfers 26 eindringenden Kühlflüssigkeit erfaßt. Der Verstärker 56 empfängt ein anderes Eingangssignal an seinem nicht inver­ tierenden Eingang von dem Thermistor 50, der die Temperatur der die Wärmetauscherschlange 28 verlassenden Kühlflüssigkeit erfaßt. Ein weiteres Eingangssignal wird von einem Potentio­ meter 58, das einen Sollpunkt für den Temperaturbereich der Kühlflüssigkeit festlegt, an den nicht invertierenden Eingang gegeben. Bei der Ausgangsgröße des Verstärkers 56 handelt es sich um ein Signal, das zu dem Temperaturunterschied der durch den Verdampfer 28 gekühlten Kühl­ flüssigkeit proportional ist und eine Änderung der Kühllast wiedergibt.

Ein zweiter Funktionsverstärker 60 empfängt an seinem inver­ tierenden Eingang ein Eingangssignal vom Thermistor 54, der die Temperatur des kondensierten flüssigen Kältemittels am Kondensatorauslaß erfaßt, die für die Kompressordruckhöhe kennzeichnend ist. Der Ver­ stärker 60 empfängt an seinem nicht invertierenden Eingang ein anderes Eingangssignal von einem Potentiometer 62, das einen Sollpunkt für die Kondensationstemperatur festlegt. Bei dem Ausgang des Verstärkers 60 handelt es sich um ein Signal, das zur Abweichung der Kondensationstemperatur vom Sollpunkt proportional ist. Der Verstärker 60 ist mit einem Verstärkungspotentiometer 64 zum Ein­ stellen seines Ausgangssignals in bezug auf das Ausgangs­ signal vom Verstärker 56 versehen.

Ein dritter Funktionsverstärker 66 empfängt an seinem invertie­ renden Eingang von dem Verstärker 60 über die Leitung 68 das für die Kompressordruckhöhe repräsentative Signal und an seinem nicht invertierenden Eingang vom Verstärker 56 über die Leitung 70 das für die Änderung der Kühllast repräsentative Signal. Der Verstärker 66 ist als Einheitsverstärkungs- Subtrahierglied ausgebildet, dessen Ausgangssignal einem vierten Funktionsverstärker 72 zu Modi­ fizierungszwecken zugeführt wird. Der Verstärker 72 ist mit einem Verstärkungspotentiometer 74 ver­ sehen, um seinen Ausgang so einzustellen, daß für jeden Kühler, bei dem das Steuersystem Anwendung findet, eine optimale Menge eines Heißgas-Bypaß-Stromes vorgesehen wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 72 liegt an der Leitung 44 an, die zu einer Schnittstellen-Betätigungsvorrichtung 42 (Fig. 1) geführt wird, um den Öffnungs- und Schließvorgang des Bypaßventils 34 schrittweise steuern zu können. Die Vorrichtung 42 kann aus einer herkömmlichen Festkörperschaltung für den Betätigungsantrieb und einem mit einem Ventil 34 in Verbindung stehenden Betätigungsmotor bestehen. Die Thermistoren 46, 50 und 54 sind in verschie­ dene einzelne Widerstandsbrückenschaltungen eingebaut, die linearisiert sind, um eine nahezu konstante Volt/ΩC Ausgangsgröße über die entsprechenden Temperaturbereiche zur Verfügung zu stellen. Die Brückenschaltungen bestehen aus den Thermistoren 46, 50 und 54 und den Widerständen R 1 bis R 11. Die verschiedenen Widerstandswerte für diese Wider­ stände sind für die richtigen Kühlflüssigkeitstemperaturen und die Temperatur des flüssigen Kältemittels in der Konden­ satorableitung auszuwählen.

Zum besseren Verständnis der Betriebsweise des Steuersystems für das Bypaßventil 34 wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Es wird vorausgesetzt, daß das Kältesystem normal gelaufen ist und der Kompressor 10 nunmehr den Punkt erreicht hat, an dem er gerade mit dem Pumpen anfängt. Das Potentiometer 58 ist auf - 12°C und das Potentiometer 62 ist auf 41°C eingestellt worden, welcher Wert denjenigen Punkt bestimmt, an dem sich das Heißgas-Bypaßventil zu öffnen beginnt. Das Potentiometer 64 wird eingestellt, um beispielsweise ein Verhältnis von 3 für die Änderung der Kondensations­ temperatur des Kältemittels am Kondensatorausgang relativ zur Änderung der Kühllast zu erhalten. Das Potentiometer 74 stellt eine Sensitivitätssteuerung dar, die eingestellt wird, um die Größe des zum vollständigen Öffnen des Ventils aus einer anfangs geschlossenen Position erforderlichen Signals zu regulieren. Am Kalibrierpunkt wird beispielsweise die Temperatur der eindringenden Kühlflüssigkeit mit 13°C die Temperatur der austretenden Kühlflüssigkeit mit 8°C und die Kondensationstemperatur mit 41°C gemessen. Aus diesen Einstellungen und Messungen wird eine Pumplinienfunktions­ kurve für unterschiedliche Kühlflüssigkeitstemperaturen und verschiedene Kühllasten gewonnen, wie in Fig. 3 gezeigt. Ein Normalbetrieb des Kompressors wird unterhalb und/oder rechts von der "Pumplinie" erhalten. Ein Betrieb an einem Punkt oberhalb und/oder links von der "Pumplinie" führt zum Pumpen des Kom­ pressors und zum Betrieb des Heißgas-Bypaßventils 34.

Es wird nunmehr angenommen, daß sich die Kühllast verringert hat, so daß die Temperatur der eintretenden Kühlflüssigkeit 90°C und die der austretenden Kühlflüssigkeit 7°C beträgt. Der Temperaturunterschied der Kühlflüssigkeit beträgt nunmehr 2°C. Am Schnittpunkt mit der Pumplinie wird eine Kondensations­ temperatur von 32°C angezeigt. Wenn die tatsächliche Konden­ sationstemperatur im Kältesystem unterhalb von 32°C liegt, findet Normalbetrieb statt. Wenn die tatsächliche Konden­ sationstemperatur des Kältemittels am Kondensatorausgang über 32°C liegt, wird das Heißgas-Bypaß­ ventil schrittweise geöffnet, um einen Pumpbetrieb zu ver­ meiden.

Claims (5)

1. Steuersystem für ein Heißgas-Bypaßventil in einer Kälteanlage, die einen Zentrifugalkompressor, einen Kondensator, einen von zu kühlender Flüssigkeit durchströmten Verdampfer sowie eine das Heißgas- Bypaßventil enthaltende, die Druckseite mit der Saugseite des Zentrifugalkompressors verbindende Bypaßleitung aufweist, wobei das Steuersystem Einrichtungen zum Fühlen von Zustandsgrößen des Kältemittels im Kältemittelkreislauf, die ein Maß für die Kälteleistung der Kälteanlage darstellen, sowie Einrichtungen aufweist, die das Heißgas-Bypaßventil derart steuern, daß es bei Unterschreiten eines unteren Grenzwertes der Kälteleistung, bei dem ein Pumpen des Zentrifugalkompressors eintreten würde, öffnet und oberhalb dieses Grenzwertes schließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Fühlen von Zustandsgrößen des Kältemittels im Kältemittel­ kreislauf eine Einrichtung (54) zum Fühlen der Temperatur des flüssigen Kältemittels am Kondensator­ ausgang umfassen, daß das Steuersystem ferner eine Einrichtung (46) zum Fühlen der Temperatur der in den Verdampfer (26) eindringenden zu kühlenden Flüssigkeit und eine Einrichtung (50) zum Fühlen der Temperatur der den Verdampfer (26) verlassenden gekühlten Flüssigkeit umfaßt und daß die das Heißgas- Bypaßventil steuernden Einrichtungen eine ein Steuer­ signal in Abhängigkeit von der Summe aus der Differenztemperatur zwischen der in den Verdampfer (26) eindringenden zu kühlenden und der den Verdampfer (26) verlassenden gekühlten Flüssigkeit und der Tem­ peratur des flüssigen Kältemittels am Kondensator­ ausgang erzeugende Einrichtung (66) umfassen.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die das Heißgas-Bypaßventil (34) steuernden Einrichtungen eine Ventilsteuerung (40) und eine mit der Ventilsteuerung in Ver­ bindung stehende Betätigungseinrichtung (42) zum Öffnen des Heißgas-Bypaßventils (34) umfassen.

3. Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ventilsteuerung (40) eine Ein­ richtung (56) zum Vergleichen der Temperatur der in den Verdampfer (26 ) eindringenden zu kühlenden Flüssigkeit und der Temperatur der den Verdampfer verlassenden gekühlten Flüssig­ keit und zur Erzeugung eines von diesem Vergleich abhängigen Signales aufweist, das die Änderung der Kühllast wiedergibt.

4. Steuersystem nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ventilsteuerung (40) eine auf die Temperatur des flüssigen Kältemittels am Kondensatorausgang ansprechende Einrichtung (60) umfaßt, die in Abhängigkeit von dieser Temperatur ein den Kompressordruck anzeigendes Signal erzeugt.

5. Steuersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungs­ einrichtung (42) eine Betätigungsantriebsschaltung und einen Betätigungsmotor aufweist.