DE3413535C1 - Messvorrichtung zum Feststellen eines Fluessigkeitsanteils im Kaeltemittel - Google Patents

Messvorrichtung zum Feststellen eines Fluessigkeitsanteils im Kaeltemittel

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DE3413535C1 DE3413535A DE3413535A DE3413535C1 DE 3413535 C1 DE3413535 C1 DE 3413535C1 DE 3413535 A DE3413535 A DE 3413535A DE 3413535 A DE3413535 A DE 3413535A DE 3413535 C1 DE3413535 C1 DE 3413535C1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung zum Feststellen eines Flüssigkeitsanteils im Kältemittel, das den Verdampfer einer Kälteanlage durch eine Saugleitung verläßt, der ein die Rohrwand beheizendes Heizelement, ein Meß-Temperaturfühler zur Abgabe eines Fühlersignals und ein Bezugswertgeber zugeordnet sind, wobei die Differenz zwischen Fühlersignal und Bezugswert ausgewertet wird.
Bei einer bekannten Meßvorrichtung dieser Art (DE-AS 10 55 018) befindet sich der Meß temperaturfühler in unmittelbarer Nähe des Heizelements, nämlich entweder in Umfangsrichtung neben dem Heizelement oder radial außerhalb des Heizelements. Unter Berücksichtigung der mit zunehmendem Anteil an unverdampftem Kältemittel im Phasengemisch größer werdenden Wärmeübergangszahl zwischen der Rohrwand und dem Phasengemisch stellt sich bei gleichbleibender Heizleistung ein Wärmeströmungsgleichgewicht ein, durch das die Temperatur des Meßtemperaturfühlers beeinflußt werden soll. Als Bezugswert dient der Saugdruck in der Saugleitung. Die Differenzbildung erfolgt in einem Stellmotor für das dem Verdampfer vorgeschaltete Expansionsventil. Bei Verwendung eines Temperaturfühlers mit Flüssigkeits-Dampf-Füllung wird die Membran oder der Kolben des Stellmotors auf der einen Seite vom Dampfdruck und auf der anderen Seite vom Saugleitungsdruck belastet. Die Meßfühlertemperatur ändert sich aber nur sehr wenig, wenn statt feuchten Kältemittels trockenes Kältemittel durch die Saugleitung strömt.
Es sind bereits thermische Massendurchflußmesser bekannt (Instruments and Control Systems, Februar 1970, Seiten 85 bis 87), bei denen im Inneren des von einem Medium durchströmten Rohres ein Widerstandsheizelement und mit gleichem Abstand davor und dahinter ein Temperaturfühler angeordnet ist. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Rohr von außen an zwei im Abstand angeordneten Stellen beheizt, während dazwischen, jeweils mit gleichem Abstand von den Heizvorrichtungen, je eine Temperaturmeßstelle vorgesehen ist. Durch Auswertung der Temperaturdifferenz läßt sich der Massendurchfluß ermitteln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei der man das Vorhandensein von Flüssigkeitsanteilen im Kältemittel mit größerer Sicherheit und den Feuchtegrad mit höherer Genauigkeit feststellen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meß-Temperaturfühler in thermischem Kontakt mit der Rohrwand steht und in Rohrrichtung versetzt in einem Abstand vom Heizelement angeordnet ist.
Die vom Heizelement zugeführte Wärme breitet sich in der Rohrwand aus, so daß auch stromauf oder stromab im Abstand vom Heizelement angeordnete Meßtemperaturfühler eine Temperaturerhöhung im Vergleich zum nicht beheizten Rohr erfährt. Ist das Kältemittel trocken, liegt es also in Dampf- oder Gasform vor, so ergibt sich eine vergleichsweise kleine Wärmeübergangszahl zwischen Rohrwand und Kältemittel. Die Meßtemperatur ist entsprechend hoch. Ist das Kältemittel dagegen feucht, enthält es also Flüssigkeitsanteile, so ist die Wärmeübergangszahl größer und daher die Meßfühlertemperatur entsprechend kleiner. Das Fühlersignal ist daher beim Vorhandensein eines Flüssigkeitsanteils im Kältemittel meßbar geringer als beim Vorhandensein von trockenem Kältemittel. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise eine dem Verdampfer vorgeschaltetes Expansionsventil in Abhängigkeit vom Feuchtegrad regeln, sei es modulierend oder in Form einer 2-Punkt-Regelung.
Durch einfache Versuche läßt sich derjenige Ab-
Standsbereich ermitteln, in welchem zwischen Kältemittel eines vorgegebenen Feuchtegrades und trockenem Kältemittel deutliche Unterschiede in der Meßtemperatur vorhanden sind. Denn in der Nähe des Heizelementes sind die Temperaturunterschiede noch sehr gering, weil sich die unterschiedliche Abkühlung nicht lange genug auswirken konnte. Und wenn der Abstand zum Heizelement zu groß wird, nähert sich die Rohrtemperatur in beiden Fällen der Sauggastemperatur oder einer überwiegend von ihr bestimmten Temperatur, so daß wiederum kein ausreichender Temperaturunterschied feststellbar ist. Zwischen diesen Extremen gibt es für jede Kälteanlage ein Abstands-Optimum, in welchem der Unterschied zwischen den Meßtemperaturen für trockenes und feuchtes Kältemittel am größten ist.
Insbesondere beträgt der Abstand zwischen Heizelement und Meßtemperaturfühler 1 bis 5 cm, vorzugsweise etwa 2 cm. Ein solcher Abstand eignet sich für eine große Zahl von Kälteanlagen kleinerer und mittlerer Größe.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß der Bezugswertgeber durch einen Bezugstemperaturfühler gebildet ist, der an einer Stelle in thermischem Kontakt mit der Rohrwand angeordnet ist, die beim Vorhandensein eines Flüssigkeitsanteils im Kältemittel und beim Vorhandensein von trockenem Kältemittel annähernd dieselbe Temperatur aufweist. In der Auswertung kann dann mit der Differenz zwischen Meßtemperatur und Bezugstemperatur gearbeitet werden, so daß sich einerseits eine sehr genaue Auswertung und andererseits eine sehr einfache Schaltung ergibt.
So kann der Bezugstemperaturfühler in einem größeren Abstand vom Heizelement angeordnet sein als der Meßtemperaturfühler. Wie bereits oben erwähnt, gleichen sich in einem großen Abstand die Rohrwandtemperaturen, die sich bei trockenem Kältemittel und bei nassem Kältemittel ergeben, einander an.
Zweckmäßigerweise beträgt der Abstand zwischen Heizelement und Bezugstemperaturfühler 8 bis 20 cm, vorzugsweise 10 bis 15 cm.
Eine Alternative besteht darin, daß die Bezugstemperaturfühler mit einem geringeren Abstand vom Heizelement als der Meßtemperaturfühler angeordnet ist. Auch im Bereich des Heizelements herrscht unabhängig vom Zustand des Kältemittels etwa die gleiche Temperatur.
Besonders günstig ist es hierbei, wenn der Bezugstemperaturfühler in Umfangsrichtung gegenüber dem Heizelement versetzt angeordnet ist. Er liegt dann in der gleichen Höhe des Heizelements und wird im wesentlichen von der durch das Heizelement bestimmten Rohrwandtemperatur beaufschlagt.
Ferner können die Fühler und das Heizelement in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Dies erleichtert die Anbringung.
Günstig ist es auch, wenn die Fühler und das Heizelement nach außen hin thermisch isoliert sind. Sie werden dann nicht durch Änderungen der Umgebungstemperatur beeinflußt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind Meßtemperaturfühler und Bezugstemperaturfühler thermoelektrische Elemente, deren Spannungen gegeneinander geschaltet sind. Die Reihenschaltung beider Fühler ergibt das Differenzsignal, das für die Auswertung die günstigsten Voraussetzungen bietet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage mit der Meßeinrichtung,
F i g. 2 die Meßvorrichtung der F i g. 1 in vergrößertem Maßstab,
Fig.3 eine Abwandlung der Meßvorrichtung der F i g. 2 und
F i g. 4 in einem Diagramm den Temperaturverlauf in der Rohrleitungswand.
Bei der Wärmepumpenanlage der F i g. 1 fördert ein Verdichter 1 über eine Druckleitung 2 gasförmiges Kältemittel in einen Kondensator 3, in welchem in einer Schlange 4 eines Sekundärkreislaufs Wasser erwärmt wird. Das so verflüssigte Kältemittel gelangt über ein Expansionsventil 5 in einen Verdampfer 6, der durch ein Gebläse 7 gekühlt ist. An den Ausgang des Verdampfers schließt eine Saugleitung 8 an, die wieder zum Verdichter 1 führt.
Eine Meßvorrichtung 9 dient der Feststellung, ob sich in der Saugleitung 8 trockenes Kältemittel befindet oder ob das Kältemittel noch Flüssigkeitsanteile enthält bzw. welchen Feuchtegrad es hat. Die Meßvorrichtung 9 wirkt auf eine Schaltvorrichtung 10, die der Steuerung des Expansionsventils 5 dient. Sobald das durch die Saugleitung 8 strömende Kältemittel Flüssigkeitsteile enthält, wird das Expansionsventil 5 schließen, bis wieder trockenes Kältemittel vorhanden ist. Das Expansionsventil 5 kann auch in Abhängigkeit vom Feuchtegrad des Kältemittels gesteuert werden.
Die Meßvorrichtung 9 besitzt ein Heizelement 11, das an der Rohrwand 12 der Saugleitung 8 anliegt. Die Rohrwand 12 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, insbesondere einem Metall wie Kupfer. In einem Abstand a\ vom Heizelement ist ein Meßtemperaturfühler 13 vorgesehen, der ebenfalls an der Rohrwand 12 anliegt. In einem erheblich größeren Abstand ai ist ein Bezugstemperaturfühler 14 vorgesehen, der ebenfalls an der Rohrwand 12 anliegt. Das Heizelement 11 wird durch ein Spannband 15, die Fühler 13 und 14 werden durch Spannbänder 16 und 17 auf der Saugleitung 8 festgehalten. Die genannten Teile sind von einer thermischen Isolation 18 umgeben. Das Ganze befindet sich in einem Gehäuse 19. Das Heizelement 11 kann über seine Klemmen 20 mit einer Speisespannung versorgt werden, welche die Heizleistung bestimmt.
Bei der abgewandelten Ausführungsform nach F i g. 3, bei der für entsprechende Teile um 100 erhöhte Bezugszeichen benutzt werden, hat der Meßtemperaturfühler 113 den gleichen Abstand a% vom Heizelement 111. Der Bezugsfühler 114 dagegen befindet sich in der gleichen axialen Lage wie das Heizelement 111 und ist lediglich in Umfangsrichtung versetzt.
In dem Diagramm der F i g. 4 ist über der Länge λ-des Rohres 8 die Temperatur Γ der Rohrwand 12 aufgetragen. Es sei angenommen, daß sich das Heizelement 11 an der Stelle χ = 0 befindet und die Rohrwand auf eine Temperatur Th bringt. Die *-Achse entspricht einer durch den Saugdruck des Kältemittels und die Umgebungstemperatur vorgegebenen Basistemperatur 7b. Die Kurve I zeigt den Temperaturverlauf in der Rohrwand 12, wenn das Kältemittel trocken ist, also keine Flüssigkeitsreste enthält. Die Kurve II dagegen zeigt den Temperaturverlauf, wenn das Kältemittel naß ist und sich daher eine größere Wärmeübergangszahl zwischen Rohrwand und dem Kältemittel einstellt. Die beiden Kurven beginnen bei der gleichen Temperatur Tt, und nähern sich mit größer werdendem χ der Basistemperatur Tq. Der Meßtemperaturfühler 13, der an der Stelle x\ vom Heizelement 11 angeordnet ist, mißt demnach bei trockenem Kältemittel die Temperatur Tu und
bei nassem Kältemittel die Temperatur T\„. Der Bezugstemperaturfühler 14, der an der Stelle X2 angeordnet ist, mißt in beiden Fällen einen Wert T2, der geringfügig über der Basistemperatur 7Ό liegt. Kurven für beliebige Feuchtegrade verlaufen zwischen den Kurven I und II.
Die beiden Kurven I und II sind Expontentialkurven mit dem Verlauf
f(x) = (Th-T0) ■ e-™
hohen Strömungsgeschwindigkeiten etwas ab, er reicht aber noch zur deutlichen Unterscheidung des Phasenzustandes des Kältemittels aus.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
wobei
Th =
7Ό =
a =
die Temperatur der Rohrwand 12 im Bereich des Heizelements 11
die Sauggastemperatur
die Wärmeübergangszahl zwischen Rohrwand und Kältemittel
die Wärmetransmission entlang der Rohrwand 12
Außenumfang des Rohres 12 Querschnittsfläche des Rohres 12
Bei der Ausführungsform der F i g. 1 und 2 sind die Temperaturfühler 13 und 14 als Thermoelemente ausgebildet und ihre Spannungen sind gegeneinander geschaltet, so daß der Schaltvorrichtung 10 die Spannungsdifferenz zugeführt wird, welche bei trockenem Kältemittel der Temperaturdifferenz AT1 und bei nas-. sem Kältemittel der erheblich kleineren Temperaturdifferenz ATn entspricht. Derartige Unterschiede kann die Schaltvorrichtung 10 mühelos auswerten und dementsprechend das Expansionsventil 5 steuern.
Bei der Ausführungsform der F i g. 3 wird statt der niedrigen Bezugstemperatur T2 die Temperatur Th im Bereich des Heizelements 11 verwendet. In diesem Fall steht der Schaltvorrichtung 10 bei trockenem Kältemittel die Temperaturdifferenz ATt und bei nassem Kältemittel die Temperaturdifferenz ATn zur Verfügung. Auch diese Unterschiede lassen sich leicht auswerten.
Als Heizelement kommen normale Widerstandsheizelemente in Betracht. In manchen Fällen empfiehlt sich die Verwendung eines PTC-Widerstandes. Die Heizleistung kann relativ gering sein. Sie muß lediglich einen solchen Wert haben, daß sich im vorgesehenen Abstand äi eine deutliche Differenz zwischen den beiden Kurven I und II einstellt.
Die Temperaturfühler können jede beliebige bekannte Bauform haben und werden insbesondere als temperaturabhängiger Widerstand oder als Thermoelement ausgebildet. Als Bezugswert kann statt der Basistemperatur der Rohrwand auch die Sauggastemperatur bzw. der zugehörige Sauggasdruck benutzt werden.
Als praktischer Wert für den Abstand a\ empfiehlt sich etwa 2 cm und für den größeren Abstand Άϊ etwa 10 bis 15 cm. Diese Werte sind typisch für Rohrgrößen mit einem Außendurchmesser von 17 bis 25 mm und einem Innendurchmesser von 15 bis 23 mm. Für die Wärmeübergangszahl α sind typische Werte 200 J/m2 · s · °C für den trockenen Zustand und etwa 2000 J/m2 -S-0C für den nassen Zustand des Kältemittels. Dies entspricht einem Faktor von 10. Zwar nimmt dieser Faktor bei sehr

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Meßvorrichtung zum Feststellen eines Flüssigkeitsanteils im Kältemittel, das den Verdampfer einer Kälteanlage durch eine Saugleitung verläßt, der ein die Rohrwand beheizendes Heizelement, ein Meß-Temperaturfühler zur Abgabe eines Fühlersignals und ein Bezugswertgeber zugeordnet sind, wobei die Differenz zwischen Fühlersignal und Bezugswert ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Meß-Temperaturfühler (13; 113) in thermischem Kontakt mit der Rohrwand (12; 112) steht und in Rohrrichtung versetzt in einem Abstand (a\) vom Heizelement (11; 111) angeordnet ist.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Heizelement (11; 111) und Meßtemperaturfühler (18; 118) 1 bis 5 cm, vorzugsweise etwa 2 cm, beträgt.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugswertgeber durch einen Bezugstemperaturfühler (14; 114) gebildet ist, der an einer Stelle in thermischem Kontakt mit der Rohrwand (12; 112) angeordnet ist, die beim Vorhandensein eines Flüssigkeitsanteils im Kältemittel und beim Vorhandensein von trockenem Kältemittel annähernd dieselbe Temperatur (Ti,; T2) aufweist
4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugstemperaturfühler (14) in einem größeren Abstand (a£) vom Heizelement
(II) als der Meßtemperaturfühler (13) angeordnet ist.
5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (ai) zwischen Heizelement (11) und Bezugstemperaturfühler (14) 8 bis 20 cm, vorzugsweise 10 bis 15 cm, beträgt.
6. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugstemperaturfühler (114) mit einem geringeren Abstand vom Heizelement
(III) als der Meßtemperaturfühler (113) angeordnet ist.
7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugstemperaturfühler (114) in Umfangsrichtung gegenüber dem Heizelement (111) versetzt — angeordnet ist.
8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler (13, 14) und das Heizelement (11) in einem gemeinsamen Gehäuse (19) untergebracht sind.
9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler (13, 14) und das Heizelement (11) nach außen hin thermisch isoliert sind.
10. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Meßtemperaturfühler (13) und Bezugstemperaturfühler (14) thermoelektrische Elemente sind, deren Spannungen gegeneinander geschaltet sind.
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