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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung des
Einfrierens des Kühlwassers
in einem wassergekühlten
Kühler
in einem HVAC- (Heiz-, Ventilations- und Klimatisierungs-) System.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein System zur Verhinderung des
Einfrierens des Kühlwassers
in einem wassergekühlten
Kühler.
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Oft
ist es notwendig, wassergekühlte
Kühler bei
Temperaturen zu betreiben, die innerhalb weniger Grade des Gefrierpunkts
von Wasser liegen. Bekanntermaßen
wird das Wasser in dem Kühler
in einem Wärmetauscher
abgekühlt,
in dem das Wasser durch ein Kältemittel
abgekühlt
wird, das Wärme
aus dem Wasser in einem Verdampfer aufnimmt. Bei vorhandenen Wasserkühlern ist
das Steuersystem oft so programmiert, dass es den Wasserkühler abschaltet, sobald
die Verdampfertemperatur auf eine bestimmte Temperatur unterhalb
des Gefrierpunkts fällt.
Dieses Abschalten kann selbst dann geschehen, wenn dieser Temperaturabfall
nur vorübergehend
ist und nicht zu einem Einfrieren des Wassers in dem Wasserkühler führen würde. Diese
vorübergehenden
Temperaturabfälle
beruhen oft auf Systemstörungen,
die durch schwankende Aufbaulasten, Anfahren oder eine beliebige
Anzahl anderer Gründe
verursacht werden. Diese Abschaltvorgänge sind oftmals unnötig, da
das Wasser in den Rohren nicht sofort gefriert.
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Die
DE-A-195 18 977 offenbart ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
16.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wäre von
Vorteil, über
ein System zu verfügen,
das den Kühler
eine begrenzte Zeit während einer
solchen Störung
weiterlaufen lassen würde, wenn
ein Abschalten des HVAC-Systems unnötig ist. Ein derartiges System
oder Verfahren verhindert die hohen Kosten, die mit häufigen Abschaltvorgängen verbunden
sind.
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Dementsprechend
werden ein Verfahren und System zum Schutz von Wasserkühlern in HVAC-Systemen
vor dem Einfrieren ohne unnötige Abschaltvorgänge des
HVAC-Systems beschrieben.
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Ziele
und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung
dargelegt und teilweise aus der Beschreibung ersichtlich oder können durch
praktische Anwendung der Erfindung erfahren werden. Die Ziele und
Vorteile der Erfindung werden mittels der Elemente und Kombinationen,
auf die in den beigefügten
Ansprüchen
besonders hingewiesen wird, umgesetzt und erzielt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Abschalten eines Wasserkühlers zur Verhinderung
eines übermäßigen Einfrierens
von Kühlwasser
und einer Beschädigung
des Kühlers
zur Verfügung
gestellt, das die folgenden Schritte umfasst:
periodisches
Messen der Temperatur des Kältemittels
im Kühler;
periodisches
Zählen
der Zeitdauer, die das Kältemittel
unterhalb einer vorher festgelegten Gefriertemperatur von Wasser
im Kühler
liegt, in vorher festgelegten Abständen;
periodisches Vergleichen
der gezählten
Zeit in vorher festgelegten Abständen
mit einer bestimmten Maximalzeit, die der Kühler funktionieren kann, wenn
das Kältemittel
eine gemessene Temperatur unterhalb der vorher festgelegten Gefriertemperatur
aufweist, ohne den Kühler
zu beschädigen;
und
Abschalten des Kühlers,
wenn die gezählte
Zeit die bestimmte Maximalzeit in einem der vorher festgelegten
Abstände überschreitet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt umfasst das Verfahren die Schritte des periodischen
Vergleichens der gemessenen Temperatur mit einer vorher festgelegten
Minimal-Abschalttemperatur und des Abschaltens des Kühlers, wenn
die gemessene Temperatur unter die vorher festgelegte Minimal-Abschalttemperatur
fällt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt kann der Schritt des Zählens der Zeitdauer, die das
Kältemittel im
Kühler
unter einer vorher festgelegten Gefriertemperatur liegt, die Schritte
des Erhöhens
der Zählung um
ein vorgewähltes
Inkrement während
jedes vorgewählten
Abstands, in dem die gemessene Temperatur unter die vorher festgelegte
Gefriertemperatur fällt,
und des Verringerns der Zählung
um das vorgewählte
Inkrement während
jedes vorgewählten
Abstands, in dem die gemessene Temperatur größer oder gleich den vorher
festgelegten Gefriertemperaturen ist, umfassen.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt kann das Verfahren ferner den Schritt des Abschaltens
des Kühlers
umfassen, wenn die gemessene Temperatur unter einer vorher festgelegten
Minimal-Abschalttemperatur liegt, selbst wenn der Zählwert nicht
größer als
die bestimmte Maximalzeit ist. Das Verfahren kann auch den Schritt
des Berechnens der bestimmten Maximalzeit während jedes vorgewählten Abstands
umfassen, die der Kühler
bei einer gemessenen Temperatur unterhalb der vorher bestimmten Gefriertemperatur
funktionieren darf. Die vorbestimmten Abstände für das Zählen und die Vergleichsschritte
sind dieselben Abstände.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt kann der Schritt des Abschaltens des Kühlers nur
erfolgen, wenn die gemessene Temperatur unter der vorher festgelegten
Gefriertemperatur liegt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt wird der Schritt des periodischen Messens der Temperatur des
Kältemittels
in dem Kühler
durch eine Direkttemperaturmessvor richtung durchgeführt. Alternativ kann
der Schritt des periodischen Messens der Temperatur des Kältemittels
in dem Kühler
durch einen Druckwandler bzw. Drucksensor durchgeführt werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt wird ein System zum Abschalten eines Wasserkühlers zum
Verhindern eines übermäßigen Einfrierens
von Kühlwasser
und einer Beschädigung
des Kühlers
zur Verfügung
gestellt, das Folgendes umfasst:
einen Sensor zum periodischen
Messen der Temperatur von Kältemittel
im Kühler;
und das dadurch gekennzeichnet ist, dass es des Weiteren folgendes umfasst:
eine
Einrichtung zum Speichern der Maximalzeit, die das Kältemittel
im Kühler
bei einer gemessenen Temperatur unterhalb einer vorher festgelegten
Gefriertemperatur von Wasser im Kühler liegen darf, ohne den
Kühler
zu beschädigen;
und
eine Steuerung, die in vorher festgelegten Abständen periodisch
die Zeitdauer zählt,
die die gemessene Temperatur des Kältemittels unterhalb der vorher festgelegten
Gefriertemperatur liegt, die Zeitdauer mit der bestimmten Maximalzeit
vergleicht und den Kühler
abschaltet, wenn die gezählte
Zeit mehr beträgt
als die bestimmte Maximalzeit.
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Es
versteht sich, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung
als auch die folgende detaillierte Beschreibung rein exemplarisch
und erläuternd
sind und die Erfindung, wie sie beansprucht ist, nicht einschränken. Die
beigefügten
Zeichnungen, die in der vorliegende Beschreibung enthalten sind
und einen Teil davon darstellen, veranschaulichen Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die
Prinzipien der Erfindung zu erklären.
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1 ist
eine graphische Darstellung zur Berechnung der dimensionslosen Zeit
bis zum vollständigen
Erstarren von Flüssigkeit
in einem Rohr.
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2 ist
eine graphische Darstellung, die die Zeit bis zum Erstarren von
stehendem Wasser in einem Verdampferrohr bei verschiedenen Kältemittelsättigungstemperaturen
zeigt.
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3A und 3B sind
Flussdiagramme, die die intelligente Gefrierschutzroutine zeigen.
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4 ist
ein Diagramm eines Kühlsystems und
eines Bedienfelds, die mit der vorliegenden Erfindung konsistent
sind.
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Nun
wird auf die vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung,
von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht
sind, detailliert Bezug genommen. Wenn möglich, werden in allen Zeichnungen
dieselben Bezugszeichen verwendet, um dieselben oder ähnliche
Teile zu bezeichnen.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf Verfahren und Systeme zum Schützen eines
Wasserkühlers
vor Schäden,
die durch übermäßiges Einfrieren
von Wasser in dem Kühler
verursacht werden; gerichtet. Ein allgemeines System, bei dem die
Erfindung angewendet wird, ist mittels Beispiel in 4 veranschaulicht.
Wie gezeigt ist, ist der Wasserkühler
in einem HVAC-Kühlsystem 100 eingebaut,
das einen Zentrifugalkompressor 110, einen Kondensator 112, einen
Wasserkühler
(einen Verdampfer) 126 und ein Bedienfeld 140 für das System
umfasst. Der Zentrifugalkompressor 110 komprimiert den
Kältemitteldampf
und führt
ihn über
die Leitung 114 dem Kondensator 112 zu. Der Kondensator
umfasst eine mit einem Kühlturm 122 verbundene
Wärmetauscherspule 116.
Das kondensierte flüssige
Kältemittel
aus dem Kondensator 112 fließt über die Leitung 124 zu einem
Verdampfer 126. Der Verdampfer 126 umfasst zum
Beispiel eine Wärmetauscherspule 128 mit
einer Zufuhrleitung 128S und einer Rückleitung 128R in Verbindung
mit einer Kühllast 130.
Wasser fließt über die
Rückleitung 128R in
den Verdampfer und verlässt den
Verdampfer über
die Zufuhrleitung 128S. Der Verdampfer kühlt die
Temperatur des Wassers in den Rohren ab. Die Wärmetauscherspule 128 kann
mehrere Rohrbündel
enthalten. Das Dampfkältemittel
in dem Verdampfer 126 kehrt dann zur Vollendung des Zyklus über eine
Saugleitung 132 in den Kompressor 110 zurück.
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Das
System weist einen Sensor 160 zum Messen der Temperatur
oder des Drucks in dem Wasserkühler
auf. Der Sensor befindet sich bevorzugt an einer Stelle zwischen
einem Bündel
von Rohren in dem Verdampfermantel. Typischerweise befindet sich
der Sensor in der Kältemittelströmung. Das Signal 162 aus
dem Sensor wird zu einem Bedienfeld 140 geleitet, das einen
Analog-zu-Digital(A/D-) Wandler 148, einen Mikroprozessor 150,
einen nichtflüchtigen
Speicher 144 und ein Schnittstellenmodul 146 aufweist.
Die Bedienung des Bedienfelds wird nachstehend genauer erörtert. Das
konventionelle Flüssigkeitskühlersystem
umfasst viele weitere Merkmale, die nicht in 4 gezeigt
sind. Auf diese Merkmale ist absichtlich verzichtet worden, um die Zeichnung
zur leichteren Veranschaulichung zu vereinfachen.
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Wasserkühler sind
oft dahingehend spezifiziert, bei Wassertemperaturen innerhalb weniger Celsiusgrade
(Fahrenheitgrade) vom Gefrierpunkt von Wasser (0°C (32°F)) zu funktionieren. Übergänge in Kühlerbetriebsbedingungen,
die durch Anfahren, schwankende Aufbaubelastungen usw. verursacht
werden, können
dazu führen,
dass die Verdampferkältemittelsättigungstemperatur
vorübergehend
unter diesen Wert fällt.
Wenn es ausreichend lange bei diesem Zustand bleibt, kann sich Eis
in den Kühlwasserrohren
des Verdampfers bilden. In extremen Fällen kann das Wasser in den
Rohren festfrieren, das Rohr sprengen und die Einheit beschädigen.
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Der
Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, Gefrierpunktschutzverfahren
und -systeme zur Verfügung
zu stellen, welche die Kältemitteltemperatur
in dem Kühler
während
beschränkter Zeiträume unter
den Gefrierpunkt von Wasser fallen lassen, ohne sofort abzuschalten.
Die Verfahren und Systeme der vorliegenden Erfindung schalten den Wasserkühler nach
einer berechneten Zeitdauer ab, verhindern aber jene Art von Abschaltvorgängen, die unnötig sind.
Andererseits verhindert das vorliegende Verfahren wirksam, dass
die Rohre einfrieren. Um dies zu erreichen, wurde ein Verfahren
zur Bestimmung einer sicheren Zeitgrenze entwickelt, bis zu der ein
Kühler
unter dem Gefrierpunkt von Wasser arbeiten kann. Da die Zeit, die
Wasser zum Einfrieren benötigt,
davon abhängt,
wie weit sich die Verdampfertemperatur unterhalb des Gefrierpunkts
befindet, muss diese Zeitgrenze für unterschiedliche Kühlertemperaturen
festgesetzt werden. Wie nachstehend erläutert ist, besteht das bevorzugte
Verfahren darin, einen mathematischen Algorithmus anzuwenden, der
den geeigneten sicheren Zeitraum für eine gemessene Kältemitteltemperatur
im Kühler
bestimmt. Gemäß der Erfindung
können
verschiedene Algorithmen zur Bestimmung dieser Zeit und ebenso ein
empirisches Testen eines gegebenen Systems verwendet werden. Beispielsweise
können
Bestimmungen sicherer Zeiträume
für eine
gegebene Temperatur ermittelt werden, indem spezifische Wasserkühler unterschiedlichen
Gefriertemperaturen ausgesetzt werden und die Zeit bestimmt wird,
die benötigt
wird, damit Wasser bei jeder Temperatur bis zu einer vorgegebenen
Stufe gefriert. Durch solches empirische Testen kann eine Tabelle
mit Datenpunkten bestimmt und in den Speicher eines Computersystems
vom nachstehend beschriebenen Typ eingegeben werden. Es wird jedoch
bevorzugt, einen Algorithmus auf der Basis geeigneter Annahmen,
die sichere Maximalzeiten für
eine gegebene gemessene Temperatur des Kältemittels analytisch bestimmen
können,
einzusetzen.
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Beispielsweise
wurde zur Entwicklung dieses Algorithmus eine mathematische Übergangsleitungsanalyse
an einem repräsentativen
Verdampferrohr durchgeführt.
Um die Gefahr eines Einfrierens bei diesem Verfahren zu senken,
wurde ein bevorzugter Algorithmus auf der Grundlage des Szenariums
für den
ungünstigsten
Betriebsfall für
ein Kühlereinfrieren
entwickelt. Das Szenarium für
den ungünstigsten
Betriebsfall, bei dem das Einfrieren des Wasserkühlers in kürzester Zeit erfolgt, tritt
in dem unwahrscheinlichen Fall auf, dass das Verdampferrohr teilweise
oder ganz durch eine Durchgangsdrosseldichtung oder ein anderes
Hindernis blockiert ist. In diesem Szenarium kann das Wasser nicht
in das Rohr eintreten oder es verlassen, sondern ist stattdessen
in dem Rohr gefangen, während
der umgebende Kältemitteldampf
unter den Gefrierpunkt abgekühlt
wird. Da das Wasser Wärme
nicht konvektiv weiterleiten kann (wobei kleinere natürliche Kon vektionswirkungen
vernachlässigt
werden), wird die Hauptart der Wärmeübertragung
eine Leitung in Radialrichtung.
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Da
die Leitfähigkeit
der Kupferrohre und das Verhältnis
von Länge
zu Durchmesser einer gegebenen Rohrleitung bekannt sind, vereinfacht
sich eine Fourier-Radialleitungsgleichung zu einer Form, die mathematisch
lösbar
ist. Das numerische Wärmeübertragungsproblem
bei einer Flüssigkeit,
die in einem langen kreisrunden Rohr gefriert, das in ein Medium
mit einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt der Flüssigkeit
getaucht wird, wurde 1943 von London und Seban gelöst. Deren
Gleichung für
dimensionslose Zeitparameter wurde auf die vorliegende Anmeldung
unter den folgenden Annahmen angewendet:
- 1.
Die physikalischen Eigenschaften von Eis, Dichte, Leitfähigkeit
und latenter Schmelzwärme sind
konstant.
- 2. Die Flüssigkeit
befindet sich anfangs auf Erstarrungstemperatur (0°C (32°F)).
- 3. Der Wärmeübertragungskoeffizient
auf der Außenseite
des Rohrs ist während
des Vorgangs konstant.
- 4. Die Sättigungstemperatur
des auf der Außenseite
des Rohrs verdampfenden Kältemittels
ist konstant.
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1 zeigt
die Lösung,
wie die dimensionslose Zeit das Erstarren der Flüssigkeit vollendet. Im vorliegenden
Fall entspricht die dimensionslose Zeit θ* dem Abszissenabschnitt r
+ = r/ro = 0 für den geeigneten Wert des Systemparameters
horok. Dies entspricht
der dimensionslosen Zeit für
das vollständige Erstarren
des Rohrs (wobei r = 0). Gleichung 1: θ* = (Tfr – T)kθ(Lfρro 2)worin Lf = latente Schmelzwärme von Eis
ρ = Dichte
der festen Phase
Tfr = Gefrierpunkttemperatur
T
= gemessene Sättigungstemperatur
des Verdampfers
k = Wärmeleitfähigkeit
des Eises
θ =
Zeit für
vollständige
s Erstarren des Rohrs
ro = Rohrinnenradius
ho = Außenseitenwärmeübertragungskoeffizient
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Die
dimensionslose Zeit θ*
für das
vollständige
Erstarren des Rohrs ist in 1 zu finden.
Dieser Wert kann dann in Gleichung 1 eingesetzt werden, um nach θ, der Zeit
für das
vollständige
Erstarren des Rohrs, aufzulösen.
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Wenn
die Systemparameter für
einen bestimmten Fall auf die vorstehende Lösung angewendet wurden, wurde
die folgende Kurve für
die Zeit bis zum vollständigen
Erstarren von Wasser in einem Standardverdampferrohr bei verschiedenen
Sättigungstemperaturen
erhalten, wie in 2 gezeigt ist. Diese Tabelle
basiert auf einem Standardentwurf für den Verdampfer bei Standardbedingungen
und ist rein beispielhaft. Die Datentabelle in 2 schränkt die
Erfindung nicht ein. 2 entspricht London, A.L. und
Seban, R.A., „Rates
of Ice Formation",
ASME Transactions, Bd. 65, 1943, American Society of Mechanical
Engineers. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die bestimmten Maximalzeitgrenzen durch eine
entsprechende Sicherheitsmarge gewichtet und dann in die Steuerlogik
des Verfahrens und der Systeme der Erfindung integriert.
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Als
nächstes
wird der Intelligente Gefrierpunktschutz-Steueralgorithmus beschrieben.
Das Steuerlogiksystem überwacht
die Verdampfersättigungstemperatur
auf kontinuierlicher Basis in vorbestimmten Zeitabständen. Ein
Beispiel für
ein Bedienfeld 140 für
das Kühlsystem
ist in 4 gezeigt. Ein Sensor 160 ist zum Messen
der Verdampfertemperatur oder des Verdampferdrucks vorgesehen. Eine
Direkttemperaturmessvorrichtung, wie zum Beispiel ein Thermistor,
kann zum Messen der Verdampfertemperatur eingesetzt werden. Alternativ
kann eine Druckmessvorrichtung, wie zum Beispiel ein Druckwandler,
zum Messen des Ver dampferdrucks eingesetzt werden. Es können auch
andere Arten von Temperatur- und
Drucksensoren verwendet werden. Wenn ein Druckwandler benutzt wird,
erzeugt der Drucksensor/-wandler 160 ein Gleichspannungssignal 162 proportional
zum Verdampferdruck. Typischerweise liegt dieses Signal 162 zwischen
0,5 und 4,5 V (Wechselstrom). Wenn ein Thermistor benutzt wird,
liefert der Thermistor einen Widerstand, der proportional zur Temperatur
ist. Dieser wird über
einen Widerstandsteiler, der über
eine Spannungsquelle verbunden ist, in ein Spannungssignal 162 umgewandelt.
Das Spannungssignal 162 ist eine Eingabe in das Bedienfeld 140 und
wird durch einen A/D-Wandler 148 in ein digitales Signal
umgewandelt. Dieses digitale Signal, das den Verdampferdruck/die
Verdampfertemperatur repräsentiert,
kann nun durch den Mikroprozessor 150 in eine entsprechende
Verdampfersättigungstemperatur
umgewandelt werden. Dieser Wert wird nun in die Gefrierpunktschutzsoftwareroutine
eingegeben, die in den folgenden Absätzen detaillierter beschrieben
ist. Das Bedienfeld umfasst auch ein Schnittstellenmodul 146,
das zum Abschalten des Kühlers
dient, wenn die Gefrierpunktschutzroutine signalisiert, dass ein
Abschalten angebracht ist. Der Kühler
kann durch ein beliebiges herkömmliches
Verfahren abgeschaltet werden, beispielsweise durch Senden eines
Signals an einen Motoranlasser/Motor 118, der den Kompressor 110 abschaltet.
Jedoch ist die Erfindung nicht notwendigerweise auf dieses Abschaltungsverfahren begrenzt.
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3 veranschaulicht eine Ausführungsform
der Gefrierpunktroutine der vorliegenden Erfindung. Der Ablauf der
Routine ist wie folgt. Wenn die Einheit vor dem Start gerade eingeschaltet
worden ist, wird der Wert Einfrieren_Zählung während der Initialisierung gleich
Null gesetzt. Einfrieren_Zählung ist
der Wert eines Zählers,
der die Zeit verfolgt, während
der sich die Verdampfertemperatur über oder unter dem Gefrierpunkt
befindet. Nach dem Starten der Routine geht die Routine zu Schritt 1.
Wenn das Gefrier_Punkt-Merkmal nicht aktiv ist, geht die Routine
zu Schritt 16 (durch den Kreis C angegeben). Während des
Schritts 16 wird das Abschalten gelöscht. Beim Löschen des
Abschaltens gibt die Steuerlogik an, dass basierend auf diesem Steuermerkmal
kein Abschalten auftreten soll. Dann geht die Routine zu Schritt 17,
bei dem der Status des Abschaltens angemerkt wird. Im vorliegenden
Fall wird angemerkt, dass kein Abschalten stattfindet. Schritt 17 wird
als Anmerken des Status des Abschaltens bezeichnet. Nach Schritt 17 endet
die Routine (an welcher Stelle die Routine nach Ausführung weiterer Steuerroutinen
erneut begonnen werden kann). Wenn in Schritt 1 festgestellt
wird, dass das Gefrier_Punkt-Merkmal aktiv ist, geht die Routine
zu Schritt 2. Der Wert von Gefrier_Punkt an dieser Stelle der
Routine ist entweder gleich Null (wenn die Routine gerade initialisiert
worden ist) oder hat den letzten verbleibenden Wert von Einfrieren_Zählung vor
dem Ende der vorherigen Routine. In Schritt 2 wird die
aktuelle Verdampfersättigungstemperatur
bestimmt und eine Toleranzverschiebung wird in das System integriert.
Diese Verschiebung kann in die Software eingegeben werden, wenn
sie entwickelt wird, oder sie wird (durch ein Tastaturfeld) für eine bestimmte Anwendung
manuell eingegeben. Vorzugsweise repräsentiert die Toleranzverschiebung
den Sensorfehler für
den ungünstigsten
Betriebsfall. Beispielsweise kann sie eine programmierte Konstante
gleich 0,44°C
(0,8°F)
für einen
Thermistor und 0,56°C (1,0°F) für den Druckwandler
sein. Dann geht die Routine zu Schritt 3.
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Zu
Zeitmessungszwecken der Einfrieren_Zählung-Variable wird vorliegend
ein regelmäßiger Zeitabstand
von einer Sekunde verwendet (es könnten jedoch andere Abstände verwendet werden).
Einfrieren_Zählung
wird einmal pro Sekunde inkrementiert oder dekrementiert, wodurch
das Äquivalent
eines Zeitmessers mit einer Auflösung von
einer Sekunde erhalten wird. In Schritt 3 wird ein Zeitmesser,
der bei Programminitialisierung auf eine Sekunde festgesetzt wurde, überprüft. Wenn
eine Sekunde verstrichen ist, wird der Zeitmesser bei Schritt 4 zurückgestellt.
Wenn die eine Sekunde nicht verstrichen ist, geht die Routine zu
Schritt 9, wobei die Verbindung zwischen 3A und 3B durch den
Kreis B angegeben ist. Wenn der Zeitmesser jedoch bei Schritt 4 zurückgestellt
wurde, geht die Routine zu Schritt 5. Bei Schritt 5 wird
die Verdampfertemperatur mit der Gefrier_Punkt-Temperatur plus der
Toleranzverschiebung verglichen. Die Gefrier_Punkt-Temperatur ist
der Gefrier_Punkt des Wassers im Kühler. Wenn die gemessene Verdampfertemperatur
weniger beträgt
als die Gefrier_Punkt-Temperatur plus Toleranzverschiebung, dann
geht die Routine zu Schritt 7, bei dem der Wert der Einfrieren_Zählung um
eins inkrementiert wird. Der Wert von Einfrieren_Zählung ist
nun gleich der vorherigen Einfrieren_Zählung plus eins, und die Routine
geht zu Schritt 9. Wenn dagegen die Verdampfertemperatur
nicht geringer als die Gefrier_Punkt-Temperatur plus Toleranzverschiebung
ist, geht die Routine zu Schritt 6. Wenn die Einfrieren_Zählung bei
Schritt 6 größer als
Null ist, dann geht die Routine zu Schritt 8, bei dem der
Wert der Einfrieren_Zählung
um eins dekrementiert wird. Der Wert der Einfrieren_Zählung ist
nun gleich der vorherigen Einfrieren_Zählung minus eins, und die Routine
geht zu Schritt 9. Wenn bei Schritt 6 der Wert der
Einfrieren_Zählung
nicht größer als
Null ist, wird die Einfrieren_Zählung
nicht dekrementiert, sondern bleibt gleich und die Routine geht
zu Schritt 9.
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Einer
der Aspekte der vorliegenden Erfindung und somit der vorliegend
erläuterten
veranschaulichenden Subroutine ist die Verhinderung, dass der Zähler sich
jedes Mal, wenn die Temperatur über
den Gefrierpunkt steigt, automatisch auf Null zurückstellt.
In Schritt 8 wird der Wert der Einfrieren_Zählung (die
die Gefrier punktzeit darstellt) um eins dekrementiert, wenn die
Verdampfertemperatur größer oder
gleich dem Gefrier_Punkt plus Verschiebung ist (unter der Annahme,
dass die Einfrieren_Zählung
größer als
Null ist). Es wäre
gefährlich,
den Zähler
jedes Mal zurückzustellen,
wenn die Temperatur die Temperaturschwelle für einen Abstand von nur einer
Sekunde übersteigt.
Jedes vorübergehende
Ansteigen über
die Schwelle kann von einer großen
Zeitdauer gefolgt sein, während
der die Temperatur unterhalb der Schwelle liegt. Anstatt einer völligen Rückstellung,
wenn die Temperatur zur Schwelle steigt, hört der Zähler mit dem Inkrementieren
auf und dekrementiert stattdessen eine Zählung Richtung Null. Auf diese
Weise stellt, wenn sich die Temperaturänderung umkehrt und die Temperatur unter
die Schwelle fällt,
der Einfrieren_Zählung-Wert die
Zeitdauer (Anzahl der Inkremente, zum Beispiel eine Sekunde), die
die Temperatur unter der Schwelle war, minus der Zeit, die die Temperatur über oder gleich
der Schwelle war, dar. Indem nicht auf Null zurückgestellt wird, nur weil die
Temperatur zuvor über die
Schwelle gestiegen war, wird der Kühler für eine kürzere Zeit auf einer Temperatur
unter der Schwelle belassen, als wenn der Zähler auf Null zurückgestellt worden
wäre.
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Diese
Logik ist insbesondere für
Situationen notwendig, in denen der Kühler am Rande des Gefrierpunkts
arbeitet (d. h., wenn die Sättigungstemperatur
um den Gefrierpunkt oszilliert).
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In
Schritt 3 wird, wenn das Ein-Sekunden-Intervall nicht verstrichen
ist, der Zeitmesser nicht zurückgestellt
und die Routine geht zu Schritt 9 (die Verbindung zwischen 3A und 3B ist
durch den Kreis B angegeben). Der Wert der Einfrieren_Zählung wird
nur in Ein-Sekunden-Abständen
inkrementiert oder dekrementiert, allerdings kann die Routine viele
Male pro Sekunde vollendet werden.
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Wie
in den 3A und 3B gezeigt
ist, geht die Routine von dem Abschnitt, der als Kreise A und B
angegeben ist, zu Schritt 9. Bei Schritt 9 wird die
Verdampfertemperatur mit der Gefrier_Punkt-Temperatur plus Toleranzverschiebung
verglichen. Wenn die Verdampfertemperatur nicht weniger als die
Gefrier_Punkt-Temperatur
plus Toleranzverschiebung beträgt,
dann geht die Routine zu Schritt 11. Wenn die Routine zu
Schritt 11 geht, gibt es kein Abschalten. Bei Schritt 11 wird
das Abschalten gelöscht
und die Routine geht zu Schritt 17, wo der Status des Abschaltens
angemerkt wird. In diesem Fall wird angemerkt, dass es kein Abschalten gibt
und die Routine wird verlassen.
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Wenn
jedoch die Verdampfertemperatur weniger als die Gefrier_Punkt-Temperatur
plus Toleranzverschiebung bei Schritt 9 beträgt, dann
geht die Routine zu Schritt 10. Bei Schritt 10 wird
die Maximalzeit, die das Wasser auf der jeweiligen Verdampfertemperatur
bleiben kann, ohne zu gefrieren, für die jüngst gemessene Temperatur berechnet.
Diese entspricht der Zeit, die für
ein vollständiges
Erstarren des Wassers in dem Verdampferrohr benötigt würde, was zu einer Beschädigung des
Kühlers
führen
würde.
Wie zuvor erörtert
wurde, basiert dies auf einem Szenarium für den ungünstigsten Betriebsfall, bei dem
die Strömung
in dem Rohr vollständig
blockiert ist. Die Maximalzeit kann unter Verwendung der folgenden
Formel berechnet werden, die eine erneute Aussage der vorstehenden
Gleichung 1 zusammen mit den notwendigen Parametern, die für ihre Berechnung
erforderlich sind, ist. Die nachstehend aufgeführten Werte für die Variablen
hän gen
von den vorhandenen spezifischen Wärmetauschereigenschaften und
-bedingungen ab. Die unten angegebenen Werte sind rein exemplarisch.
Schließlich
wird die Sekundenzahl (für
die Maximalzeit) auf der Basis, wie weit sich die Sättigungstemperatur
unter dem Gefrierpunkt befindet, berechnet. Die Gleichung lautet
wie folgt: Max. Zeit (Sekunden) = [θ* × LF × ρf ×[(ro/12)2/(((Tfr + TVerschiebung) – TMantel) × 1,8 ×kEis)]] × 3600wobei:
Tfr = 0°C
(32,0°F)
TVerschiebung = 0,44 bis 0,56 °C (0,8 bis
1,0°F)
TMantel = gemessene Sättigungstemperatur des Verdampfers
Lf = 143,6
kEis =
1,34
ρf = 57,3
ho =
3000
ro = 0,325
R = ho × (ro/(12 × kEis))
Wenn R größer als 10 ist, dann ist θ* = 0,25.
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Sobald
die Maximalzeit für
das Einfrieren des Verdampferrohrs berechnet ist, wird der Einfrieren_Zählung-Wert
mit dem Maximalzeitwert bei Schritt 12 verglichen. Da der Einfrieren_Zählung-Wert
einmal pro Sekunde inkrementiert (oder dekrementiert) wird, steht
der Einfrieren_Zählung-Wert
für die
Zeit in Sekunden, die die Sättigungstemperatur
unter der Einfrierschwelle liegt (minus der Zeit, die die Sättigungstemperatur über der
Einfrierschwelle liegt). Wenn der Einfrieren_Zählen-Wert größer als der Maximalzeitwert
ist, dann geht die Routine zu Schritt 13, bei dem das Abschalten
festgesetzt wird. Nach dem Festsetzen des Abschaltens geht die Routine
zu Schritt 14. Bei Schritt 12 kann der Einfrieren_Zählen-Wert
gleich oder kleiner dem Maximalzeitwert sein. Dies geschieht, wenn
die Zeitdauer, die die Temperatur unterhalb der Schwelle gewesen
ist (minus der vorstehend ange gebenen Zeitdauer) nicht die berechnete Zeitdauer,
damit ein Einfrieren auftritt, erreicht hat. Die Routine geht zu
Schritt 14.
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Die
Einheit kann immer noch abgeschaltet werden, wenn die Verdampfertemperatur
unter eine vorbestimmte Minimaltemperatur gefallen ist. Diese Minimaltemperatur
repräsentiert
eine Temperatur, bei der das Einfrieren so schnell eintritt, dass
es gefährlich
wäre, den
Kühler
auch nur für
kurze Zeit zu betreiben. Im Fall des vorstehenden Beispiels ist
die Minimaltemperatur bei –3,9°C (25°F) festgesetzt.
Bei Schritt 14 wird, wenn sich die Verdampfertemperatur unter
der Minimaltemperatur befindet, bei Schritt 15 ein Abschalten
festgesetzt. Wenn die Verdampfertemperatur nicht geringer als die
Minimaltemperatur ist, wird kein Abschalten festgesetzt. Ein Abschalten kann
jedoch bereits als Ergebnis von Schritt 13 festgesetzt
worden sein. Der Status des Abschaltens oder sein Fehlen wird bei
Schritt 17 angemerkt. Wenn ein Abschalten sowohl bei Schritt 13 als
auch bei Schritt 15 festgesetzt wurde, kann das System
so programmiert werden, dass beide Abschaltvorgänge bei Schritt 17 angemerkt
werden. Wenn alternativ die Antwort auf die Schritte 12 und 14 nein
lautete, dann werden keine Abschaltvorgänge festgesetzt und Schritt 17 merkt
an, dass es keine Abschaltvorgänge gibt.
Nach Schritt 17 wird die Routine stets verlassen. Die Routine
kann danach sofort neu gestartet werden.
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In
dem vorstehenden Verfahren und System kann die Steuervorrichtung
den Grund angeben, warum das Abschalten stattfindet. Neben den Gründen, die
vorstehend für
den Gefrierpunktschutz erörtert wurden,
kann ein Abschalten aus anderen Gründen auftreten. Diese Angabe
des Grundes für
das Abschalten wird als Anmerken des Abschaltens bezeichnet.