DE4242848C2 - Kälteanlage und Verfahren zur Steuerung einer Kälteanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage mit einer Kom­ pressoreinrichtung und einer Kondensatoreinrichtung, zwischen denen mindestens ein Verdampfer angeordnet ist, der an seiner Eingangsseite ein steuerbares Ein­ spritzventil aufweist, und mit einer Steuereinrichtung. die mit Druck- und/oder Temperatursensoren an der Ein­ gangs- und der Ausgangsseite des Verdampfers verbunden ist und das Einspritzventil zur Steuerung der Überhit­ zungstemperatur betätigt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Steuerung einer Kälteanlage, bei dem der Sollwert der Überhitzungstemperatur eines Verdamp­ fers in Abhängigkeit vom Öffnungsgrad eines Einspritz­ ventils, das zwischen Kondensator und der Saugseite des Kompressors angeordnet ist, verändert wird.

Derartige Kälteanlagen und entsprechende Steuerungsver­ fahren sind allgemein bekannt, siehe z. B. DE 33 29 661 A1, DE 37 13 869 A1 oder DE 41 00 749 A1. Hierbei kann die Kompressoreinrichtung mehrere Kompres­ soren aufweisen. Die Kondensatoreinrichtung kann mehre­ re Kondensatoren aufweisen. Üblicherweise sind Kompres­ soreinrichtung, Kondensatoreinrichtung und Verdampfer in einem Kreislauf zusammengeschaltet.

Eine weitere Kälteanlage der genannten Art ist aus US 4 651 535 bekannt. Hier ist das Expansionsventil als pulsgesteuertes Magnetventil ausgebildet, so daß sich nicht nur die üblichen linearen Zusammenhänge zwischen der Überhitzungstemperatur und dem Druck, sondern auch exponentielle Zusammenhänge darstellen lassen.

EP 0 229 942 A2 zeigt ebenfalls eine derartige Kälte­ anlage, bei der das Expansionsventil über einen von einem Rechner gesteuerten Stellmotor betätigt wird.

Die Grenze zwischen der Flüssigkeitsphase und der Gas­ phase des Kältemittels soll innerhalb des Verdampfers gehalten werden. Hierzu werden die Einspritz- oder Ex­ pansionsventile so gesteuert, daß in den Verdampfer nur so viel Kältemittel eindringen kann, daß es im Verdamp­ fer auch verdampft werden kann. Es läßt sich jedoch aufgrund von Schwankungen in der Belastung oder im Saug- oder Kondensatordruck nicht vermeiden, daß gele­ gentlich ein "Durchlaufen" auftritt, d. h. das Ein­ spritzventil öffnet zu weit, so daß flüssiges Kältemit­ tel am Ausgang des Verdampfers auftritt. Insbesondere bei kurzen Überhitzungszonen ist die Grenze zwischen der normalen Füllung des Verdampfers und einem Durch­ lauf relativ schmal.

Wenn ein derartiger Durchlauf auftritt, fällt die Über­ hitzung auf 0 K, d. h. die Temperaturdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verdampfers bzw. der dem Druck am Ausgang entsprechenden Temperatur ist 0. Das Einspritzventil schließt. Der Verdampfer kann schnell leer gesaugt werden. Dann ist aber kein Kälte­ mittelstrom vorhanden, mit dessen Hilfe wieder eine Temperaturdifferenz zwischen Ausgang und Eingang des Verdampfers und somit ein Überhitzungssignal zur Öff­ nung des Einspritzventils erzeugt werden kann. Der Ver­ dampfer kann nicht aktiviert werden. Das Ventil öffnet erst dann wieder, wenn der Ausgang des Verdampfers durch die Umgebungstemperatur soweit erwärmt ist, daß sich über den Verdampfer eine Mindestüberhitzung ein­ stellt. Diese Erwärmung kann jedoch relativ lange dau­ ern, insbesondere bei gut isolierten Saugleitungen.

Das Problem stellt sich insbesondere dann, wenn die der Steuereinrichtung zugeführten Signale reine Temperatur­ signale sind. Auch bei Verwendung von Drucksignalen auf der Ausgangsseite des Verdampfers kann das Problem in größeren Zentralanlagen mit mehreren der gleichen Saug­ leitung zugeschalteten Verdampfern auftreten, wenn der einzelne Verdampfer nur einen geringen Einfluß auf den gemeinsamen Saugdruck hat. Auch sinkt der Saugdruck bei Durchlaufen eines Verdampfers, wenn das Ventil schließt, nicht soweit, daß ein Wert erreicht wird, der normalerweise das Ventil öffnen würde, wenn der Druck am Verdampferausgang als Steuersignal verwendet würde oder das Ventil druckgesteuert wäre. Es liegt auf der Hand, daß ein längeres Schließen des Einspritzventils und die damit einhergehende Deaktivierung des zugehöri­ gen Verdampfers unerwünscht ist, weil die Kälteleistung des betreffenden Verdampfers hierbei drastisch sinkt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten einer Kälteanlage zu verbessern.

Dies wird bei einer Kälteanlage der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Steuereinrichtung eine den Zusammenhang zwischen Überhitzungstemperatur und Öff­ nungsgrad des Einspritzventils darstellende Kennlinie zumindest in einem Abschnitt unterhalb eines vorbe­ stimmten Öffnungsgrades des Expansionsventils dahinge­ hend verändert, daß die Kennlinie unterhalb dieses Öff­ nungsgrades zu einem Anfangspunkt verläuft, der durch einen kleinsten Öffnungsgrad und eine niedrigere Über­ hitzungstemperatur definiert ist, so daß die Steuerein­ richtung den Wert der Überhitzungstemperatur, bei dem das Einspritzventil zu öffnen beginnt, auf einen vor­ bestimmten Minimalwert absenkt.

Man kann hier entweder vermeiden, daß das Ventil voll­ kommen schließt, oder man bewirkt nach dem Schließen eine schnellere Wiederöffnung. Solange das Ventil nicht ganz schließt, bleibt ein Kältemittelstrom erhalten, der innerhalb kürzester Zeit wieder zu einer normalen Überhitzung des Verdampfers und damit zu dessen Akti­ vierung führt. Es wird zwar zugelassen, daß das Ein­ spritzventil vollkommen schließt. Dies kann aber ins­ besondere nach dem Auftreten eines Durchlaufens er­ wünscht sein. Allerdings muß sich dann die Temperatur am Ausgang des Verdampfers nur relativ gering erhöhen, nämlich bis zu dem vorbestimmten Minimalwert. Das Ein­ spritzventil öffnet dann, wenn auch nur in einem gerin­ gen Maße, und läßt Kältemittel in den Verdampfer ein­ strömen. Dieses führt dann zu einer Erwärmung des Ver­ dampferausgangs und damit zum Einstellen einer Überhit­ zungstemperatur, die wieder das normale Arbeiten des Verdampfers ermöglicht.

Vorteilhafterweise liegt der vorbestimmte Öffnungsgrad im Bereich von 10% oder weniger des maximalen Öff­ nungsgrades. Bei diesem geringen Öffnungsgrad ist es relativ unkritisch, daß die Überhitzungstemperatur ver­ ändert wird. Für den Normalbetrieb wird damit der Zu­ sammenhang zwischen Überhitzungstemperatur und Öff­ nungsgrad des Einspritzventils aufrechterhalten. Ledig­ lich für die Fälle der Störungsbeseitigung werden zu­ sätzliche Maßnahmen ergriffen.

Bevorzugterweise ist der Zusammenhang zwischen dem Öff­ nungsgrad und der Überhitzung unterhalb des vorbestimm­ ten Öffnungsgrades durch eine Kurve darstellbar, die eine Grenze für die kleinste stabile Überhitzung schneidet. Man kann hierdurch einen relativ kleinen Minimalwert für die Überhitzungstemperatur wählen ohne den vorbestimmten Öffnungsgrad zu weit absenken zu müs­ sen. Durch das Überschreiten der Grenze für die klein­ ste stabile Überhitzung können sich zwar gegebenenfalls Regel-Unstabilitäten ergeben. Diese sind jedoch unkri­ tisch, da in diesem Bereich ohnehin nicht in nennens­ wertem Maße geregelt wird. Das Öffnen des Einspritzven­ tils führt vielmehr sehr schnell dazu, daß eine Über­ hitzungstemperatur über dem Verdampfer auftritt, die ein normales Regelverhalten ermöglicht. Die Überhit­ zungstemperatur steigt nach dem Öffnen des Ventils näm­ lich relativ schnell an.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Kurve eine Gerade ist. Die Regelung in diesem Bereich, sofern sie nötig ist, kann dann als normale proportionale Regelung erfolgen.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß eine den Zusammenhang zwischen der Überhitzung und dem Öffnungsgrad darstel­ lende Kennlinie zumindest in einem Abschnitt unterhalb eines vorbestimmten Öffnungsgrades des Expansionsven­ tils dahingehend verändert wird, daß die Kennlinie un­ terhalb dieses Öffnungsgrades zu einem Anfangspunkt verläuft, der durch einen kleinsten Öffnungsgrad und eine niedrigere Überhitzungstemperatur definiert ist, so daß der Sollwert der Überhitzungstemperatur, bei der das Einspritzventil zu öffnen beginnt, auf einen vor­ bestimmten Minimalwert abgesenkt wird.

Wie oben ausgeführt, läßt sich damit erreichen, daß das Einspritzventil entweder gar nicht vollständig schließt oder weitaus früher als bisher öffnet. Es läßt sich also schon nach kurzer Zeit wieder ein Kältemittelstrom erreichen, der zu der gewünschten Überhitzung des Ver­ dampfers führt. Hierbei wird zwar zugelassen, daß das Expansionsventil vollständig schließt. Dies ist nach einem Durchlaufen des Verdampfers, d. h. einem vollstän­ digen Füllen des Verdampfers mit flüssigem Kältemittel, erwünscht, weil hierdurch der Verdampfer relativ schnell und so vollständig entleert werden kann, daß kurze Zeit später nachströmendes Kältemittel wieder zu einer Überhitzung führen kann.

Vorteilhafterweise erfolgt die Absenkung um einen Be­ trag, der in der Größenordnung der Differenz zwischen dem Maximalwert der Überhitzung und dem Wert liegt, bei dem das Einspritzventil seinen vorbestimmten Öffnungs­ grad erreicht. Der bisherige Temperaturbereich, inner­ halb dessen das Einspritzventil zwischen einem voll­ ständig geschlossenen und einem vollständig geöffneten Zustand verändert wird, wird dadurch praktisch verdop­ pelt. Da die Verdoppelung dieses Bereichs eine Ausdeh­ nung ausschließlich nach unten beinhaltet, wird hier­ durch sichergestellt, daß das Einspritzventil schon relativ kurze Zeit nach dem vollständigen Schließen wieder öffnen kann.

Vorzugsweise liegt der Minimalwert im Bereich von 1-2 K. Eine Temperaturerhöhung am Verdampferausgang um diesen Wert läßt sich auch bei guter Isolierung in re­ lativ kurzer Zeit durch die Umgebungstemperatur errei­ chen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung beschrieben. Hierin zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Ausschnitt aus einer Kälte­ anlage,

Fig. 2 einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Überhitzung eines Verdampfers und dem Öffnungs­ grad eines Expansionsventils und

Fig. 3 den Zusammenhang aus Fig. 2 mit Veränderung.

Eine Kälteanlage weist eine Kompressoreinrichtung 1, eine Kondensatoreinrichtung 2, einen Sammelbehälter 3 und einen Verdampfer 4 auf, die in dieser Reihenfolge in einem Kreislauf zusammengeschaltet sind. Die Kom­ pressoreinrichtung 1 kann hierbei mehrere einzelne Kom­ pressoren aufweisen. Die Kondensatoreinrichtung 2 kann mehrere einzelne Kondensatoren aufweisen. Parallel zu dem dargestellten Verdampfer 4 können weitere Verdamp­ fer vorgesehen sein, wie dies durch die offengelassenen Stichleitungen dargestellt ist.

Der Verdampfer 4 weist an seinem Eingang ein Expan­ sions- oder Einspritzventil 5 auf, dessen Öffnungsgrad von einem Stellglied 6 veränderbar ist. Das Stellglied 6 wird von einer Steuereinrichtung 7 angesteuert. Die Steuereinrichtung 7 enthält Eingangsdaten von einem ersten Temperatursensor 8 am Eingang des Verdampfers 4, einem zweiten Temperatursensor 9 am Ausgang des Ver­ dampfers 4 in einer Saugleitung 10 zwischen dem Ver­ dampfer 4 und der Kompressoreinrichtung 1 oder von dem Temperatursensor 9 und von einem Drucksensor 11 an der Saugleitung 10. Der erste Temperatursensor 8 und der Drucksensor 11 können alternativ zueinander vorgesehen sein.

Die Steuereinrichtung 7 stellt mit Hilfe des Stellglie­ des 6 den Öffnungsgrad des Expansionsventils 5 so ein, daß sich zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Ver­ dampfers 4 eine gewünschte Überhitzung, d. h. eine Tem­ peraturdifferenz ergibt. Diese Überhitzung kann in nicht näher dargestellter Weise dem Bedarf der Kälte­ anlage angepaßt werden. Hierzu können gegebenenfalls noch weitere, nicht näher dargestellte Eingangsleitun­ gen für die Steuereinrichtung 7 vorgesehen sein.

Fig. 2 zeigt einen typischen Zusammenhang zwischen der Überhitzung des Verdampfers (nach rechts aufgetragen) und dem Öffnungsgrad des Expansionsventils 5 (nach oben aufgetragen). Dieser Zusammenhang folgt einer Geraden 12 zwischen dem minimalen Öffnungsgrad von 0% und dem maximalen Öffnungsgrad von 100%. Die Gerade 12 ent­ spricht dem Proportionalband der Regelung des Verdamp­ fers. Die Gerade 12 liegt nahe an einer Stabilitäts­ grenze 13, die durch die kleinste stabile Überhitzung gebildet wird.

Wenn das Expansionsventil 5 zu öffnen beginnt, d. h. den Öffnungsgrad von 0% vergrößert, wird ein minimaler Überhitzungstemperatur-Sollwert SH_min eingestellt. Der größte Überhitzungstemperatur-Sollwert SH_max wird bei einem maximalen Öffnungsgrad von 100% eingestellt. Es ist zu erkennen, daß eine gewisse Mindestüberhitzung notwendig ist, damit das Expansionsventil 5 überhaupt zu öffnen beginnt. Der durch die Gerade 12 dargestellte Zusammenhang zwischen der Öffnungscharakteristik des Expansionsventils 5 und der Überhitzungstemperatur ist so gewählt, daß die Grenze zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase im Verdampfer 4 liegt. Der Ver­ dampfer 4 weist also normalerweise immer einen Bereich auf, der mit gasförmigem Kältemittel gefüllt ist. Die Temperaturdifferenz im Verdampfer 4 ergibt sich haupt­ sächlich über diese Gasphase.

Bei stärkeren Schwankungen der Belastung oder bei plötzlichen Veränderungen im Saug- oder im Kondensator­ druck kann es jedoch vorkommen, daß zu viel Kältemittel in den Verdampfer 4 hineinströmt, so daß es dort nicht mehr verdampfen kann und den Verdampfer 4 vollständig ausfüllt. Bei diesem "Durchlaufen" befindet sich also flüssiges Kältemittel nicht nur am Eingang des Verdamp­ fers 4, sondern auch an dessen Ausgang. Das flüssige Kältemittel hat überall im wesentlichen die gleiche Temperatur, so daß die Temperaturdifferenz zwischen Eingang und Ausgang, d. h. die Differenz zwischen den Temperaturen S₂ und S₁ den Wert 0 annimmt. Das Expan­ sionsventil 5 wird geschlossen. Der Verdampfer 4 wird durch die Kompressoreinrichtung 1 leer gesaugt. Da durch das geschlossene Expansionsventil 5 kein Kälte­ mittel nachströmen kann, kann sich auch kein Tempera­ turunterschied zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verdampfers 4 ergeben. Das Expansionsventil 5 öffnet daher erst, wenn der Temperatursensor 9 am Verdampfer­ ausgang durch die Umgebungstemperatur auf eine Tempera­ tur erwärmt ist, die der eingestellten Mindestüberhit­ zung SH_min entspricht. Dies kann jedoch relativ lange dauern, insbesondere dann, wenn die Saugleitung 10 gut isoliert ist.

Fig. 3 zeigt nun, daß der ursprüngliche Zusammenhang 12 zwischen dem Öffnungsgrad des Expansionsventils 5 und der Überhitzung verändert worden ist. Dieser Zusammen­ hang gehorcht zwar über den größten Teil des Öffnungs­ grades des Expansionsventils 5 noch der Funktion 12′. Unterschreitet jedoch der Öffnungsgrad des Expansions­ ventils 5 einen vorbestimmten Minimalwert, im vorlie­ genden Fall beispielsweise 10%, wird der Zusammenhang zwischen der Öffnungscharakteristik und der Überhitzung verändert. Die Funktion läßt sich nun durch zwei Gera­ den 12′, 14 darstellen, von denen die eine 12′ bereits besprochen wurde. Sie beginnt bei einem Punkt, der durch den Öffnungsgrad von 10% und die minimale Über­ hitzungstemperatur SH_min definiert ist, und endet bei einem Punkt, der durch den Öffnungsgrad von 100% und der maximalen Überhitzungstemperatur SH_max definiert ist. Am Anfangspunkt dieser Geraden 12′ endet die zwei­ te Gerade 14, die einen Anfangspunkt hat, der durch den Öffnungsgrad von 0% und eine niedrigere Überhitzungs­ temperatur SH_Cl definiert ist. Diese Gerade 14 kreuzt zwar die Stabilitätsgrenze 13. Dies ist jedoch, wie im folgenden ersichtlich ist, unkritisch.

Die Überhitzung SH_Cl liegt bei etwa 1 bis 2°K.

Wenn nun das Expansionsventil 5 schließt, ist nur noch ein relativ kleiner Temperaturanstieg am Ausgang des Verdampfers 4 notwendig, um das Expansionsventil 5 wie­ der zum Öffnen zu bringen. Sobald das Expansionsventil 5 öffnet, entsteht ein kleiner Kältemittelstrom, der relativ schnell zu einer Überhitzungstemperatur zwi­ schen SH_min und SH_max führt, also in einen Bereich, wo die normale proportionale Regelung entsprechend der Geraden 12′ möglich ist. Die kleinen Instabilitäten, die im Bereich der Geraden 14 entstehen können, verfäl­ schen den Zusammenhang zwischen der Öffnungscharakteri­ stik und der Überhitzung nur geringfügig. Dies spielt aber keine Rolle, da dieser Bereich relativ schnell durchfahren wird. Somit läßt sich auch nach einem Durchlaufen des Verdampfers wieder relativ schnell ein stabiler Zustand erreichen, bei dem der Verdampfer 4 einen optimalen Füllungsgrad mit Kältemittel entspre­ chend dem Kälteleistungsbedarf erhält.

Claims (7)

1. Kälteanlage mit einer Kompressoreinrichtung und einer Kondensatoreinrichtung, zwischen denen minde­ stens ein Verdampfer angeordnet ist, der an seiner Eingangsseite ein steuerbares Einspritzventil auf­ weist, und mit einer Steuereinrichtung, die mit Druck- und/oder Temperatursensoren an der Eingangs- und der Ausgangsseite des Verdampfers verbunden ist und das Einspritzventil zur Steuerung der Überhit­ zungstemperatur betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (7) eine den Zusammenhang zwischen Überhitzungstemperatur und Öffnungsgrad des Einspritzventils (5) darstellende Kennlinie (12′, 14) zumindest in einem Abschnitt unterhalb eines vorbestimmten Öffnungsgrades des Expansions­ ventils (5) dahingehend verändert, daß die Kennli­ nie (14) unterhalb dieses Öffnungsgrades zu einem Anfangspunkt verläuft, der durch einen kleinsten Öffnungsgrad und eine niedrigere Überhitzungstempe­ ratur (SH_Cl) definiert ist, so daß die Steuerein­ richtung (7) den Wert der Überhitzungstemperatur, bei dem das Einspritzventil (5) zu öffnen beginnt, auf einen vorbestimmten Minimalwert (SH_Cl) absenkt.

2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der vorbestimmte Öffnungsgrad im Bereich von 10% oder weniger des maximalen Öffnungsgrades liegt.

3. Kälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zusammenhang zwischen dem Öff­ nungsgrad und der Überhitzung unterhalb des vorbe­ stimmten Öffnungsgrades durch eine Kurve (14) dar­ stellbar ist, die eine Grenze (13) für die kleinste stabile Überhitzung schneidet.

4. Kälteanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kurve (14) eine Gerade ist.

5. Verfahren zur Steuerung einer Kälteanlage, bei dem der Sollwert der Überhitzungstemperatur eines Ver­ dampfers in Abhängigkeit vom Öffnungsgrad eines Einspritzventils, das zwischen Kondensator und der Saugseite des Kompressors angeordnet ist, verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Zusam­ menhang zwischen der Überhitzung und dem Öffnungs­ grad darstellende Kennlinie (12′, 14) zumindest in einem Abschnitt unterhalb eines vorbestimmten Öff­ nungsgrades des Expansionsventils (5) dahingehend verändert wird, daß die Kennlinie (14) unterhalb dieses Öffnungsgrades zu einem Anfangspunkt ver­ läuft, der durch einen kleinsten Öffnungsgrad und eine niedrigere Überhitzungstemperatur (SB_Cl) defi­ niert ist, so daß der Sollwert der Überhitzungstem­ peratur, bei der das Einspritzventil (5) zu öffnen beginnt, auf einen vorbestimmten Minimalwert (SH_Cl) abgesenkt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absenkung um einen Betrag erfolgt, der in der Größenordnung der Differenz zwischen dem Maxi­ malwert (SH_max) der Überhitzung und dem Wert (SH_min) liegt, bei dem das Einspritzventil (5) seinen vor­ bestimmten Öffnungsgrad erreicht.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Minimalwert (SH_Cl) im Bereich von 1-2 K liegt.