DE3333907A1

DE3333907A1 - Verfahren und vorrichtung zur abtauregelung von waermepumpen

Info

Publication number: DE3333907A1
Application number: DE19833333907
Authority: DE
Inventors: Friedrich 8000 München Jobst; Karl Ing.(grad.) 8066 Bergkirchen Mötz
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1983-09-20
Filing date: 1983-09-20
Publication date: 1985-04-04
Also published as: EP0142663B1; DE3475100D1; DE3333907C2; ATE38555T1; EP0142663A2; EP0142663A3

Description

M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Aktiengesellschaft
gü/sd

München, 15. September 1983

Verfahren und Vorrichtung zur

Abtaurege!ung von Wärmepumpen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtauregelung von Wärmepumpen, bei dem der Abtauvorgang in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfertemperatur und der Umgebungstemperatur des Verdampfers gesteuert wird.

Es ist bekannt, daß bei einer mit Umgebungsluft als Energiequelle arbeitenden Wärmepumpe die Luftfeuchtigkeit auf der Verdampferoberfläche kondensiert und gefriert, wenn die Verdampfertemperatur unterhalb 0°C ist. Es ist daher erforderlich diese Vereisung zu überwachen und gegebenenfalls Abtaumaßnahmen einzuleiten.

Aus der US-PS 3,950,962 ist eine Abtauregelung bekannt, bei der zur Bestimmung des Abtaubeginns die Temperatur am

Verdampfer und die der Zuluft zum Verdampfer gemessen und deren Differenz überwacht wird. Wird eine fest vorgegebene Temperaturdifferenz überschritten, so folgert man, daß dies infolge eines durch Vereisung der Oberflächen verringerten Wärmeüberganges hervorgerufen wird. Es wird somit bei Überschreitung des vorgegebenen Sol 1-Temperaturdifferenzwertes der Abtauvorgang eingeleitet.

7.2212

Obwohl diese Methode bei der bekannnten Vorrichtung für eine Wärmepumpe vorgesehen ist, hat sie sich jedoch nur für die Anwendungsfälle bewährt, bei denen die Zulufttemperatur nahezu konstant bleibt, wie z.B. in Kühl räumen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei der bekannten Abtaumethode bei höherer Umgebungstemperatur des Verdampfers unnötig oft abgetaut wird, während bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Abtauung viel zu spät eingeleitet

wi rd.
IO

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem der Abtauvorgang möglichst nahe zum tatsächlich erforderlichen Abtauzeitpunkt erfolgt.

Die Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.

Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei Außenluft-Wärmepumpen eine Vereisung von der kältesten Außentemperatur bis zu Temperaturen oberhalb von 0°C auftreten kann. Aufgrund des etwa konstanten bzw. bei fallender Außentemperatur abnehmenden Volumenstromes des durch den Verdampfer fließenden Kältemittels tritt bei hoher Außen- bzw. Umgebungstemperatur bzw.

²^ Verdampfungstemperatur wegen der Dampfdichte eine hohe Kälteleistung auf, während die Kälteleistung bei fallender Umgebungstemperatur stark abfällt. Deshalb ist bei einem gegebenen Verdampfer schon im nichtvereisten Zustand die Temperaturdifferenz zwischen Zuluft und Verdampfung

bei hohen Umgebungstemperaturen wesentlich höher (zweibis dreifach) als bei niedrigen.

7.2212
15.09.1983

-ο-Ι Bei dem erfindungsgemaßen Verfahren wird die Solltemperaturdifferenz entsprechend der Umgebungstemperatur variiert und damit an das Verdampferverhalten angepaßt. Hierdurch ist eine zuverlässige Regelung geschaffen, bei der unnötige Abtauvorgänge verhindert und andererseits zur Wahrung des wirtschaftlichen Betriebes der Wärmepumpe die Abtauvorgänge rechtzeitig eingeleitet werden. Die Solltemperaturdifferenz wird vorzugsweise kontinuierlich in Abhängigkeit von der Außentemperatur bzw. der Umgebungstemperatur des Verdampfers verändert. Es ist aber auch möglich, eine stufenweise Regelung der Solltemperaturdifferenz anzuwenden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Einleitung des Abtauvorganges bei Verdampfertemperaturen oberhalb 0⁰C gesperrt. Hierdurch wird ein unnötiges Abtauen zuverlässig verhindert, wenn bei derartigen Verdampfertemperaturen die Ist-Temperaturdifferenz den aus der momentanen Umgebungstemperatur errechneten Sollwert iiberstei gt.

Es ist ferner für den kontinuierlichen Betrieb einer Wärmepumpe wünschenswert, daß der Abtauvorgang möglichst rasch durchgeführt wird, um somit die Abschaltpausen der Wärmepumpe möglichst klein zu halten. Hierzu wird vorgeschlagen, daß nach einem vorbestimmten Kriterium wählbare unterschiedliche Abtausignale abgegeben werden, mit denen unterschiedliche Abtauprozesse eingeleitet werden können. Die Abtausignale können vorzugsweise von der Umgebungs- bzw. Zulufttemperatur des Verdampfers abhängig gemacht werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Kriterium so gewählt werden, daß bei einer Umgebungstemperatur oberhalb etwa 3 - 5°C eine Abtauung durch Umgebungs1uft eingeleitet wird,

7.2212
15.09.1983

wobei lediglich der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe entweder abgeschaltet oder umgeleitet wird und die Verdampf erl üfte'r weiter in Betrieb bleiben, während bei Temperaturen unterhalb 5°C ein Abtausignal abgegeben wird, mit dem Heißgas an die Verdampfer geleitet wird.

Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit den im Anspruch 6 gekennzeichneten Merkmalen.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, Fig. 2 ein Temperaturdiagramm,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbei spiel und

Fig. 4 eine detaillierte Schaltung zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3.

In Fig. 1 ist der Heizkreis einer Kompressions-Wärmepumpe 10 dargestellt, die aus einem Verdampfer 11 zur Aufnahme der Energie Q aus der Umgebungsluft 12, einem Verdichter 13, der den Kaitemitteldampf aus den Verdampfer 11 verdichtet und einem Verflüssiger 14 zuleitet, an dem ein Verbraucher 15 angeschlossen ist. 30

Es ist bekannt, daß ein der Außenluft 12 ausgesetzter Verdampfer aufgrund der Luftfeuchtigkeit an der Außenfläche vereist, wenn die Verdampfertemperatur T, bzw. die Temperatur der Verdampferoberfläche einen Wert unterhalb des Gefrierpunktes hat. Um einen Abtauvorgang bei Bedarf automatisch einzuleiten, ist bei dem Ausführungbeispiel

7.2212
15.09.1983

-o-

gemäß Fig. 1 ein Abtauregler 16 vorgesehen, der die Signale eines Verdampfer-Temperaturfühlers 17 und eines Umgebungstemperaturfühlers 18 empfängt und bei Abtaubedarf ein Signal an ein Stellglied 19 ausgibt. Mit dem Stell-P-glied 19 wird der Verdichter 13 ausgeschaltet und damit der Abtauvorgang eingeleitet. Der Abtauvorgang kann auch auf andere Weise eingeleitet werden, wie z.B. durch Umkehrung oder Umleitung des Kaitemittelstromes.

Der Abtauregler 16 enthält einen Differenzbildner 20, mit dem die Temperatudifferenz AT=T_a-T_k gebildet wird, wobei T"_a die Umgebungstemperatur ist. In einem hysteresebehafteten Komparator 21 wird das so gebildete Ist- -Temperaturdifferenz-Signal Λ T mit einem Sol 1-Temperaturdifferenz-Signal AT₅ verglichen, das von einem Sollwertbildner 22 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur erzeugt wird. Ist die gemessene Temperaturdifferenz ^T höher als der entsprechend errechnete Sollwert ΔΤ , dann gibt der Komparator 21 ein Signal 23 aus, mit dem zur Einleitung des Abtauvorganges das Stellglied 19 aktiviert wird. Bei Fortschreiten des Abtauvorganges wird der Abtauvorgang beendet, wenn die Temperatu rdif f erenz Z\T entsprechend abgesunken ist.

Aufgrund von Messungen und Rechnungen konnte die Funktion AT=f(T ) der Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungsund Außentemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur ermittelt werden, die einen in Fig. 2 mit der Ziffer 30 gekennzeichneten Verlauf hat. Diese Funktion 4T=f(T ) kann in erster Näherung durch eine Gerade 31 (AT'=kT ) ersetzt werden. Die Gerade 31 entspricht somit etwa der Funktion AJ-f(T ), wenn keine Vereisung am Ver-

dämpfer 11 stattfindet. Durch Bereifung des Verdampfers vergrößert sich jedoch die Temperaturdifferenz AT um 35

7.2212
15.09.1983

einen Wert a, der in etwa auch linear mit der Umgebungstemperatur T_a ansteigt. Damit kann eine lineare Änderung, des Sollwertes T₅ mit der Außentemperatur T_a vorgesehen werden, die gegenüber der Geraden 31 um einen Temperaturdifferenzwert a verschoben ist und gegebenenfalls eine größere Steigerung hat. Diese Gerade ist mit Ziffer 32 in Fig. 2 dargestellt.

In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiel es eines Abtaureglers 40 dargestellt. Der Abtauregler 4o wird von einer Gleichstromquelle 41 gespeist, deren. Ausgangsspannung in einem Referenzspannungs-Erzeuger 42 stabilisiert und gefiltert wird. Ferner ist der Abtauregler 40 an den Umgebungstemperatur-¹^ Sensor 18 sowie den Verdampfertemperatur-Sensor 17

angeschlossen. Die Sensoren 17 und 18 werden von einer Spannungsquelle 47 gespeist, die die Referenzspannung U_p . in eine vorbestimmte Sensorspannung U transformiert.

Die von den Meßfühlern 17, 18 erzeugten Temperatursignale 43 und 45 werden jeweils in Verstärkern 50 bzw. 51 dem Spannungsniveau der Schaltung angepaßt und normiert. Die verstärkten Spannungssignale 52 und 53 werden zur Bildung von vier Kommandosignalen 54 bis 57

^ΛΟ im Abtauregler 40 verareitet. Zum einen wird, wie in Beispiel gemäß Fig. 1, mit einem Differenzbildner 60 die Temperaturdifferenz ΔΤ=Τ -T. gebildet, die zur

a κ

Erzeugung des ersten Kommandosi.gnal es 54 mittels eines hysteresebehafteten Komparators 61 mit der Soll-Temperatu rdif f erenz /^T₅ verglichen. Die Sol 1 -Temperatu rdifferenz^T wird von einem Funktionsbildner 62 erzeugt und zwar aus dem momentanen Umgebungstemperatursignal 52 und einem extern einstellbaren Spannungswert aus einem Potentiometer 64, der der für den jeweiligen Anwendungsfall angepaßten Temperaturrdifferenz entspricht.

7.2212
15.09.1983

-ΙΟΙ Die Sol 1-Temperaturdifferenz wird in erster Näherung als eine lineare Funktion gemäß Kurve 32 gebildet. Die Steigung K dieser Funktion ist hierbei variabel. Das so erzeugte Kommandosignal 54 gibt die Befehle "Abtauvorgang einschalten" bzw. "Abtauvorgang beenden".

Der Schaltprozeß für den Abtauvorgang wird jedoch mittels zwei Logisch-UND-Verknüpfungen 65 und 66 in Abhängigkeit von weiteren Signalen, nämlich den Kommmandosignalen 55 bis 57 ausgegeben.

Die Kommandosignale 55 geben an, ob die Verdampfertemperatur größer oder kleiner als 0^eC ist, und sie werden durch Vergleich des Verdampfertemperatur-Signales 53 mit einer dem O'C entsprechenden Spannungswert U in einem ebenfalls hysteresebehafteten Komparator 71 erzeugt.

Die Kommandosignale 56 und 57 sind außentemperaturabhängige Signale, die durch den Vergleich des Umgebungstemperatursigna1 es 52 mit einer einer entsprechenden Temperatur zugeordneten Spannung U, _Ί·_η einem dritten hysteresebehafteten Komparator 72 erzeugt werden und mittels eines Nicht-Gliedes 73 gegeneinander umgekehrt werden. Mit diesen außentemperaturabhängigen Kommando-Signalen 56 und 57, die jeweils einer der Logisch-UND-Verknüpfung 65 bzw. 66 eingegeben werden, können unterschiedliche Abtauvorgänge eingleitet werden. So läßt sich beispielsweise bei unterschiedlichen Außentemperaturen entweder lediglich der Wärmepumpenbetrieb ausschalten

und bei einer anderen Temperatur zusätzlich ein Heißluftgebläse einschalten. Für diesen Fall kann U, für eine Außentemperatur T_uk=5°C entsprechend ausgelegt werden.

7.2212
15.09.1983

Die Außentemperatur T_{3 unc}j die Verdampfertemperatur Ti^ werden kontinuierlich gemessen und der Sollwert T₅ kontinuierlich berechnet.

Übersteigt die Temperaturdifferenz ΛΤ zwischen den Meßwerten den SollwertÄT_{s S}o gibt der Komparator 61 das Abtausignal 54 ab, das in beiden Verknüpfungen 65 und 66 eingeht. Die Logisch-UND-Verknüfung 65 wird jedoch nur dann ein Schaltsignal 74 ausgeben, wenn sie gleichzeitig das Signal 55 T_k<o°C sowie das Signal 56 nämlich T_a<7_uk (beispielsweise T_a kleiner als 5°C) erhält. Hierdurch wird ein erster Schaltprozeß durchgeführt, z.B. Abschalten des Wärmepumpenbetriebes und Einschalten der Heißgasabtauung.

Ist hingegen die Außentemperatur T höher als der qe-

a ^Ό

gebene Wert T_{uk so w}ird die zweite Verknüpfung 66 ein Schaltsignal 75 ausgeben, mit dem beispielsweise lediglich der Wärmepumpenbetrieb ausgeschaltet wird.

Wenn die Verdampfertemperatur den Gefrierpunkt überschreitet, dann besteht keine Gefahr einer Vereisung des Verdampfers 11. In diesem Fall werden keine Signale 55 ausgegeben, so daß die Verknüpfungen 65 und 66 nicht durchgeschaltet werden und ein Abtauvorgang unterbleibt, auch wenn die Temperatu rdif f erenz ΔΤ größer ist al

Der Abtauregler 40 kann beispielsweise, wie in Fig. 4 dar gestellt, ausgebildet werden, wobei mit entsprechend ausgelegten Spannungsteilern die jeweils erforderlichen Spannungssignale bestimmt werden. Für die Umschaltung zwischen den vor den Abtausignalen 74 oder 75 einleitbaren Abtauprozessen ist ein vom Komparator 72 ansteuerbares Relais 80 vorgesehen, der über einen Schalter 81 die Leitung für das Kommandosignal 54 je nach der Umgebungstemperatur an den Ausgang 74 oder 75 für die Schaltsignale anschließt.

7.2212
15.09.1983

Das Kommandosignal 55 für die 0°C Verdampfertemperatur-Umschaltung wird mit dem Sollwert-Signal ΛΤ verknüpft und im Komparator 61' zur Bildung des Kommandosignales 54' mit dem IstwertAT verglichen.

7.2212 15.09.1983

Claims

M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Aktiengesell schaft

gü/sd

München, 15. September 1983

Patentansprüche 10

1./Verfahren zur Abtauregelung von Wärmepumpen, bei dem der Abtauvorgang in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfertemperatur und der Umgebungstemperatur bzw. Zulufttemperatur des Verdampfers gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ist-Temperaturdifferenz (ΔΤ) mit einem Sol I-Temperaturdifferenzwert (ΔΤ_$) verglichen wird, der in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur (T ) und gegebenenfalls der Verdampfertemperatur (T_k) verändert wird, und daß aufgrund des Vergleiches ein Abtausignal abgegeben wird, wenn die Ist-Temperaturdifferenz die Sol 1-Temperaturdifferenz überstei gt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einleitung des .Abtauvorganges bei Verdampfertemperaturen oberhalb 0°C gesperrt wird.

7.2212

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem vorbestimmten Kriterium wählbare unterschiedliche Abtausignale (74, 75) abgegeben werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtausignale (74, 75) in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur variiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Umgebungstemperaturen unterhalb 3 - 5°C ein Abtausignal abgegeben wird, mit dem eine Heißgasabtauung eingeschaltet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit einem Temperaturmeßfühler für die Verdampfertemperatur und einem Temperaturmeßfühler für die Umgebungsluft des Verdampfers, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit den beiden Meßfühlern

!5 (17, 18) verbundener Differenzbildner (20, 60) und mit dem Umgebungs1uft-Temperaturfühler (18) verbundener Sollwertbildner (22, 62) vorgesehen sind, deren Ausgänge an einem hysteresebehafteten Komparator (21, 61) angeschlossen sind, dessen Ausgang (23, 54) mit einem Stellglied (19) zur Einleitung des Abtauvorganges verbindbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Komparator (71) vor-

²^ gesehen ist, der das Signal (53) des Verdampfer-Temperaturfühlers (17) mit einem der Temperatur 0⁰C entsprechenden Signal (70) vergleicht, und daß eine Logisch-UND-Verknüpfung (65 bzw. 66) vorgesehen ist, die die Ausgangssignale der beiden

° Komparatoren (61, 71) empfängt, und bei logisch

gleichen Komparatorsignalen (54, 55) ein Abtausignal (74, 75) abgibt.

7.2212
15.09.1983

"™ O ™

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Komparator (72) vorgesehen ist, der das Signal (52) des Umgebungs-Temperaturfühlers (18) mit einem Signal (U. ) vergleicht, das einer konstanten Temperatur, insbesondere etwa 5°C entspricht.

7.2212 15.09.1983