DE3110042A1

DE3110042A1 - Verfahren und anordnung zum abtauen von eis an einem luftkuehler einer waermepumpe oder kaeltemaschine

Info

Publication number: DE3110042A1
Application number: DE19813110042
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. 7312 Kirchheim/Teck Birr
Original assignee: WAERMEPUMPEN und ENERGIERUECKG
Current assignee: WAERMEPUMPEN und ENERGIERUECKG
Priority date: 1981-03-16
Filing date: 1981-03-16
Publication date: 1982-09-30

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtauen des sich an der Oberfläche eines Luftkühlers einer Wärmepumpe oder einer Kältemaschine aus der Luft niederschlagenden Eises der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Gattung sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Beim Betrieb von Wärmepumpen und Kältemaschinen, bei denen Luft an einen Luftkühler des Verdampfers gewühlt wird, kommt es unter bestimmten Voraussetzungen zur Vereisung des Luftkühlers. Diese Vereisung setzt insbesondere bei Lamellenluftkühlern die Leistungsfähigkeit stark herab, so daß von Zeit zu Zeit eine Entfernung des Eises angebracht ist. Das Abtauen des Eises kann beispielsweise durch Kreislaufuiiikehr oder durch Beheizung des Luftkühlers mit Warmwasser oder elektrischem Strom erfolgen. Um Energie zu sparen, sollten die Abtauzyklen nur dann ausgelöst werden, wenn tatsächlich eine Vereisung vorhanden ist.
Es ist bekannt, eine Vereisung dadurch festzustellen, daß der Druckverlust innerhalb des Luftkühlers ermittelt oder daß die Differenz zwischen Lufteintrittstemperatur und Verdampfertemperatur gemessen wird. Beide Verfahren sind einmal relativ ungenau und zum anderen anfällig gegen äußere Störungen, wie Ablagerungen von Schmutz und Blättern an den Kühlerlamellen, die zu Fehlauslösungen der Abtauautomatik führen können.
Bei einer anderen einfacheren Abtauautomatik ist es bekannt, die Abtauzyklen mit konstanter Dauer und Wärmeleistung unabhängig von der Vereisung innerhalb gleicher Zeitintervalle auszulösen. Eine solche Automatik hat bei Auslegung auf der sicheren Seite den Nachteil, daß viele Abtauzyklen unnötig ausgelöst werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der genannten Art zu entwickeln, das aufgrund relativ einfacher Messungen zuverlässige Informationen über die Vereisung des Luftkühlers liefert, die zur Steuerung der Abtauzyklen genutzt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Patentansprüchen 1 oder 2 angegebenen Verfahrensschritte vorgeschlagen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das tlollier h-x-Diagramm für feuchte Luft ist ein Zustandsdiagramm, aus dem der absolute Wassergehalt x bei bestimmten Temperaturen zu und relativen Luftfeuchtigkeiten te abgelesen werden kann. Dementsprechend kann bei einer bei kannten relativen Luftfeuchtigkeit und Ausgangstemperatur der Luft und bei vorgegebener Abkühlspanne anhand des h-x-Diagramms errnittelt werden, wieviel Wasser aus einer bestimmten Luftmenge ausfällt. Bei Unterschreiten des Gefrierpunktes fällt dieses Wasser in Form von Eis aus, das sich an einer gekühlten Oberfläche niederschlägt.
Die Erfindung geht demgemäß von der Erkenntnis aus, daß bei vorgegebener Auslegung einer Wärmepumpe oder Kältemaschine mit Luftkühler es allein aufgrund einer Messung der Temperatur und der relativen Feuchtigkeit der dem Luftkühler zugeführten Luft anhand des h-x-Diagramms für feuchte Luft möglich ist, den Vereisungsgrad des Kühlers zu überwachen und erforderlichenfalls die notwendigen Abtaumaßnahmen einzuleiten.
Nach einem bevorzugten Verfahren zur Lösung der Erfindungsaufgabe werden demgemäß die Temperatur und die relative Feuchtigkeit der dem Luftkühler zugeführten Luft ständig gemessen und der nächste Abtauzyklus dann ausgelöst, wenn die aufgrund der gemessenen Temperatur- und Feuchtigkeitswerte unter Berücksichtigung vorgegebener Daten des Luftdurchsatzes und der physikalischen und geometrischen Eigenschaften des verwendeten Luftkühlers aus dem Mollier h-x-Diagramm errechnete, seit dem Ende des vorhergehenden Abtauzyklus ausgefallene Eismenge einen vorgegebenen Maximalwert erreicht.
Nach einem abgewandelten Verfahren ist es auch möglich, die Dauer der in gleichen Zeitabständen ausgelösten Abtauzyklen nach Maßgabe der für das Abtauen zur Verfügung stehenden Wärmeleistung und der aufgrund der ermittelten Meßwerte für Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit unter Berücksichtigung vorgegebener oder einstellbarer Daten des Luftdurchsatzes und der- physikalischen und geometrischen Eigenschaften des verwendeten Luftkühlers aus dem Mollier h-x-Diagramm errechneten, seit dem Ende des jeweils vorhergehenden Abtauzyklus ausgefallenen Eismenge zu bestimmen.
Die zeitliche Steuerung der Abtauzyklen kann mit Hilfe eines Mikroprozessors erfolgen, der mit den einschlägigen Formeln des Mollier h-x-Diagramms für eine vorgegebene Anlage programmiert und eingangsseitig mit den digitalisierten Meßwerten für Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit beaufschlagbar ist.
Für die aus feuchter Luft bei Abkühlung am Luftkühler in der Zeit at ausfallende Wassermenge mW gilt wobei 2 den Luftdurchsatz durch den Luftkühler, Ç aXe mittlere Dichte der Luft und WX die ausgefallene Wassermenge pro Kilogramm Luft bedeuten.
Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt schlägt sich das ausfallende Wasser in Form von Eis an der Verdampferoberfläche nieder und bildet dort eine Eis schicht mit der mittleren Dicke s. Die an der Oberfläche des Luftkühlers vorhandene Eismenge kann aus der mittleren Schichtdicke s wie folgt berechnet werden: worin F die gesamte Oberfläche der Lamellen des Luftkühlers, und #E die Dichte des Eises bedeuten.
Gibt man eine maximal zulässige Schichtdicke 5 des max Eises vor, so kann durch Gleichsetzen von m und mE aus den Gleichungen (1) und (2) die Zeit t berechnet werden, in der sich eine entsprechende Eismenge aus der Luft niederschlägt: Setzt man voraus, dai) die mittlere Schichtdicke des Eises auf den Kühlerlamellen den Wert smax nicht überschreiten soll, so ist jeweils spätestens nach Ablauf einer Zeit ein ein Abtauzyklus auszulösen.
Die aus einem Kilogramm Luft bei der Abkühlung am Luftkühler ausfallende Wassermenge ax kann anhand des Mollier h-x-Diagramms ermittelt werden.
Die mit der Temperatur #1 und einer relativen Feuchtigkeit # in den Luftkühler eintretende Luft wird an den Partiellen des Luftkühlers, deren Oberflächentemperatur #3 beträgt, auf eine Ausgangstemperatur von #2 abgekühlt.
Erfahrungsgemäß ist bei einer bestimmten Verdampferauslegung die Temperaturdifferenz bei gegebenem Luftdurchsatz in einem weiten Bereich der Eintrittstemperaturen #1 nahezu konstant. Geht man von einem konstanten Wert ius, so läßt sich aus dem Mollier h-x-Diagramm für die aus einem Kilogramm Luft ausgefallene Wassermenge #x eine einfache Näherungsformel der folgenden Form herleiten: Für und Eintrittstemperaturen #1 von weniger als 4 °C lassen sich aus dem Mollier h-x-Diagramm für die Koeffizienten a,b,c und d folgende Werte errechnen: a = -b = 12e,8 grd c = - 2j2 grd d = 130 grd Setzt man den Ausdruck (4) für #x in die Gleichung (3) ein, so erhält man für das Zeitintervall zwischen zwei Abtauzyklen einen Ausdruck der folgenden Form: Die Koeffizienten A,B,C und D sind im wesentlichen nur von solchen Parametern abhängig, die bei der Auslegung einer Kälte- oder Wärmepumpenanlage ein für allemal festgelegt werden.
Nimmt man in einem speziellen Ausführungsbeispiel an, daß die Kühleroberfläche F = 300 m2, der Luftdurchsatz durch den Luftkühler V = 7500 m³/h und die Abkühlspanne = 5 grd betragen, so ergeben sich unter Berücksichtigung der Dichten #E = 0,9 kg/dm³ und # = 1,2 kg/m³ und bei einer maximal zulässigen Schichtdicke smax = 0,1 mm für die Koeffizienten in Gl. (5) folgende Werte: A = - 0,3 h/°C B = 63,4 h C = - 126 h D = 65 h.
Diese Koeffizienten gelten fiir Lufteintrittstemperaturen #1#3 °C und Luftfeuchtigkeiten # # 50%.
Die Formel (5) ist unter Berücksichtigung der vorstehenden Koeffizienten in der einzigen Figur grafisch in einem Diagramm dargestellt.
Bei einer längeren Zeitspanne zwischen zwei Abtauzyklen kann es zweckmäßig sein, einen integralen Mittelwert der Eingangstemperatur und der Luftfeuchtigkeit zu ermitteln.
Bei Temperaturen oberhalb 3 0C und Luftfeuchtigkeiten unter 50'S kann angenommen werden, daß sich keine nennenswerte Eismengen an den Kühlerlarnellen niederschlagen, sodaß in diesen Fällen ein Abtauen entbehrlich ist. Ebenso kann auf den xbtauvorgang verzichtet werden, wenn die Lufteintrittstemperatur im Verlauf des Kühlvorgangs einen bestimmten Temperaturwert, beispielsweise 5 bis 8 °Cübersteigt und daher angenommen werden kann, daß eine zuvor gebildete Eisschicht von der durchtretenden Luft wieder abgetaut wird.
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Claims

Verfahren unci Anordnung zum Abtauen von Eis an einem Luftkühler einer Wärmepumpe oder Kältemaschine Patentansprüche S Verfahren zum Abtauen des sich an der Oberfläche eines Luftkühlers einer Wärmepumpe oder Kältemaschine aus der Luft niederschlagenden Eises, bei welchem in gewissen Zeitabständen automatisch ein Abtauzyklus ausgelöst wird, in dessen Verlauf der Luftkühler mit einer zum Schmelzen der niedergeschlagenen Eismenge ausreichenden Wärmemenge beaufschlagt wird, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Temperatur ( t ) und die relative Feuchtigkeit der dem Luftkühler zugeführten Luft gemessen wird und daß der nächste Abtauzyklus ausgelöst wird, wenn die aufgrund der gemessenen Temperatur- und Feuchtigkeitswerte unter Berücksichtigung vorgegebener Daten des Luftdurchsatzes und der physikalischen und geometrischen Eigenschaften des verwendeten Luftkühlers aus dem Mollier h-x-Diagramm errechnete, seit dem Ende des vorhergehenden Abtauzyklus ausgefallene Eismenge einen vorgegebenen Wert erreicht.
2. Verfahren zum Abtauen des sich an der Oberfläche eines Luftkühlers einer Wärmepu41pe oder Kältemaschine aus der Luft niederschlagenden Eises, bei welchem in gewissen Zeitabständen automatisch ein Abtauzyklus ausgelöst wird, in dessen Verlauf der Luftkühler mit einer zum Schmelzen der niedergeschlagenen Eismenge ausreichenden Wärmemenge beaufschlagt wird, d a d u r c h g e k e n n -z e ic h n e t , daß die Temperatur ( 9 ) und die relative Feuchtigkeit ( T ) der Luft vor deren Abkühlen am Luftkühler gemessen wird und daß die Dauer der in gleichen Zeitabständen ausgelösten Abtauzyklen nach Maßgabe der für das Abtauen zur Verfügung stehenden Wärmeleistung und der aufgrund der ermittelten Meßwerte für Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit unter Berücksichtigung vorgegebener oder einstellbarer Daten des Luftdurchsatzes und der physikalischen und geometrischen Eigenschaften des verwendeten Luftkühlers aus dem Mollier h-x-Diagramm errechneten, seit dem Ende des jeweils vorhergehenden Abtauzyklus ausgefallenen Eismenge bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Zeitabstand (a t*) zwischen zwei Abtauzyklen nach folgender Formel bestimmt wird: wobei 4 und T die während des betreffenden Zeitintervalls bestimmten, gegebenenfalls gemittelten Meßwerte der eintrittseitigen Lufttemperatur in °C bzw. der relativen Luftfeuchtigkeit und A,B,C, und D konstante Anpassungsparameter einer bestimmten Wärmepumpe oder Kältemaschine bedeuten.
4. Verfahren nach Anspruch 3, da d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für eine Wärmepumpe oder älte-2 maschine mit einer Luftkühlerfläche von 300 m , einem Luftdurchsatz durch den Luftkühler von 7500 m³/h und einer Abkühlspanne der Luft im Luftkühler von 5 grd und bei Vorgabe einer maximal zulässigen Schichtdicke des Eises auf der Kühleroberfläche von 0,1 mm die Anpassungsparameter folgende Werte aufweisen: A = - 0,3 h/OC B = 63,4 h C = - 126 h D = 65 h
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a -d u r c h g e 7c-e n n z e i c h n e t , daß ein Abtauzyklus nur bei einer Lufttemperatur unterhalb 4 OC und einer relativen Luftfeuchtigkeit oberhalb 50% ausgelöst wird.
6. Anordnung zuln automatischen Abtauen des sich an der Oberfläche eines Luftkühlers einer Kältemaschine oder einer Wärmepumpe aus der Luft niederschlagenden Eises, mit einer Einrichtung zum Aufheizen des Luftkühlers während eines Abtauzyklus und einer Vorrichtung zur Steuerung des zeitlichen Ablaufs der Abtauzyklen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h je einen MeL5fühler für die Messung der Temperatur und der relativen Feuchtigkeit der dem Luftkühler zugeführten Luft und einem am Eingang mit den digitalisierten Meßsignalen der Meßfühler beaufschlagten Mikroprozessor zur Auslosung des nnchsten Abtauzyklus, sobald die aufgrund der gemessenen Temperatur- und Feuchtigkeitswerte unter Berücksichtigung vorgegebener Daten des Luftdurchsatzes und der physikalischen und geometrischen Eigenschaften des verwendeten Luftkühlers aus dem Mollier h-x-Diagramm errechnete, seit dem Ende des vorhergehenden Abtauzyklus ausgefallene Eismenge einen vorgegebenen Maximalwert erreicht.
7. Anordnung zum automatischen Abtauen des sich an der Oberfläche eines Luftkühlers einer Kälteanlage oder einer Wärmepumpe aus der Luft niederschlagenden Eises, mit einer Einrichtung zum Aufheizen des Luftkühlers während eines Abtauzyklus und einer Vorrichtung zur Steuerung des zeitlichen Ablaufs der Abtauzyklen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h je einen Meßfühler für die Messung der Temperatur und der relativen Feuchtigkeit der dem Luftkühler zugeführten Luft und einen an seinem Eingang mit den digitalisierten Meßsignalen des Meßfühlers beaufschlagten Mikroprozessor zur Steuerung der Dauer der in gleichen Zeitabständen ausgelösten Abtauzyklen konstanter Leistung nach Maßgabe der aufgrund der gemessenen Temperatur-und Feuchtigkeitswerte unter Berücksichtigung vorgegebener oder einstellbarer Daten des Luftdurchsatzes und der physikalischen und geometrischen Eigenschaften des verwendeten Luftkühlers aus dem Mollier h-x-Diagramm errechneten, seit dem Ende des jeweils vorhergehenden Abtau-Zyklus ausgefallenen Eismenge.