DE60105213T2

DE60105213T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Anzeigen der Leistung von Verflüssigerrohrschlagen in luftgekühlten Kühlern

Info

Publication number: DE60105213T2
Application number: DE60105213T
Authority: DE
Inventors: Michel Karol Grabon; Wahil Said
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2021-03-07
Also published as: EP1134521A3; CN1314564A; DE60105213D1; KR100413159B1; CN1127647C; US6272868B1; ES2222962T3; KR20010092303A; EP1134521A2; BR0101086A; JP2001280770A; JP3881184B2; EP1134521B1; TW528846B

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet von luftgekühlten Kältemaschinen und insbesondere einen Kondensatorwindungsleistungsindikator für eine luftgekühlte Kältemaschine.
Ein vereinfachter typischer Klimatisierungs- oder Kühlzyklus weist das Übertragen von Wärme auf ein Kühlmittel, das Pumpen des Kühlmittels zu einer Stelle, wo Wärme davon abgeführt werden kann, und das Abführen der Wärme von dem Kühlmittel auf. Ein Kühlmittel ist ein Fluid, das Wärme durch Verdampfen bei einer niedrigen Temperatur und einem niedrigen Druck aufnimmt und Wärme durch Kondensieren bei einer höheren Temperatur und einem höherem Druck abgibt. Bei einem geschlossenen System wird das Kühlmittel dann an die ursprüngliche Stelle zurückzykliert, wo Wärme auf es übertragen wird. Bei einem mechanischen System wandelt ein Verdichter das Kühlmittel von einem Fluid mit einer niedrigen Temperatur und einem niedrigen Druck in ein Fluid mit einer höheren Temperatur und einem höheren Druck. Nachdem der Verdichter das Kühlmittel wandelt, wird ein Kondensator verwendet, um das Fluid (Gas) durch Kühlen während des Kondensationsteils des Zyklus zu verflüssigen. Im Betrieb tritt heißes Abgabegas (Kühlmitteldampf) von dem Verdichter oben in die Verdampferwindung ein und kondensiert zu einer Flüssigkeit, während Wärme nach außen abgegeben wird. Das Kühlmittel strömt dann durch eine Dosiervorrichtung, beispielsweise ein Expansionsventil, wo es in ein Fluid mit einer niedrigen Temperatur und einem niedrigen Druck gewandelt wird, bevor es in einen Verdampfer eintritt.
Kondensatoren verwenden typischerweise entweder Wasser oder Luft, um Wärme von dem Kühlmittel abzuführen. Luftgekühlte Kondensatoren leiten typischerweise das Kühlmittel durch eine Windung mit großer Oberfläche, über die Luft mittels eines Gebläses oder einer induzierten natürlichen Strömung geblasen wird. Luftgekühlte Kondensatoren können in relativ staubigen Umge bungen arbeiten, wo sich Staub an der Windung absetzt. Zu viel Staub an der Windung eines Kondensators beeinträchtigt stark die Leistung der Kühl- oder Klimatisierungseinheit. Der Betrieb der Einheit wird aufgrund der höheren erforderlichen Eingangsleistung teurer. Unter extremen Bedingungen kann ein verschmutzter Kondensator an heißen Tagen eine Überdruck-Auslösung (high pressure safety trip) verursachen. Das Dokument EP-A-0 155 826 beschreibt eine Wärmetauscherleistungsüberwachungseinrichtung. Hersteller empfehlen, dass die Kondensatorwindung sauber zu halten ist, aber es ist für einen Nutzer schwierig zu sagen, wie oft ein Kondensator geprüft werden soll, da die Häufigkeit der Prüfung von der Umgebung und von der Häufigkeit des Betriebs der Einheit abhängt. Es wäre für den Nutzer zum Optimieren eines Reinigungszeitplans nützlich, Informationen über die Kondensatorwindungssauberkeit auf einer Echtzeitbasis zu haben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bestimmen eines Betriebszustands einer Kondensatorwindung eines Kühlsystems das Prüfen, um zu erkennen, ob das System in einem Konstant-Betriebszustand ist; das Bestimmen der Sättigungskondensationstemperatur, der Sättigungsansaugtemperatur und der Umgebungslufttemperatur des Systems; Berechnen der Gesamtwärme, die in einem Kondensator des Systems abgeführt wird, aus den Werten, die in den vorangegangenen Schritten erhalten wurden; das Berechnen eines Wärmeübertragungskoeffizienten für das System; das Vergleichen des berechneten Wärmeübertragungskoeffizienten mit einem idealen Wärmeübertragungskoeffizienten, um einen Wert zu erhalten, der den Betriebszustand der Kondensatorwindung repräsentiert; und das Ausgeben einer Nachricht an einen Nutzer des Systems, basierend auf dem Vergleich des berechneten Wärmeübertragungskoeffizienten mit dem idealen Wärmeübertragungskoeffizienten.
Bei der bevorzugten Ausführungsform berechnet ein Algorithmus in Echtzeit den Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten für ein luftgekühltes Kältemaschinensystem und vergleicht diesen Wert mit einem Referenzwert, der einer neuen Maschine entspricht, die mit einem sauberen Kondensator arbeitet. Ba sierend auf diesem Vergleich wird ein Hinweis angezeigt, um den Nutzer über das Maß der Verschlechterung der Kondensatorleistung zu informieren.
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Kühlsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen eines Betriebszustands einer Kondensatorwindung des Kühlsystems.
3 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung zum Initialisieren eines Werts eines Wärmeübertragungskoeffizienten des Kühlsystems.
Es wird auf 1 Bezug genommen. Eine Einheit 10 weist einen Kondensator 20 auf, der über ein elektronisches Expansionsventil EXV mit einem Verdampfer 30 fluidmäßig verbunden ist. Der Verdampfer 30 ist mit dem Kondensator 20 über einen Verdichter 40 fluidmäßig verbunden. Obwohl nur ein Verdichter gezeigt ist, ist in der Technik bekannt, mehr als einen Verdichter parallel in dem gleichen Kreis anzuschließen. Versorgungsluft (oder Wasser) tritt in den Verdampfer 30 ein, wo Wärme auf ein Kühlmittel übertragen wird. Obwohl nur ein Kühlmittelkreis gezeigt ist, ist es in der Technik bekannt, zwei unabhängige Kühlmittelkreise zu verwenden. Man lässt, wie es zum Kühlen erforderlich ist, kühlere Rücklaufluft (oder -wasser) zirkulieren. Ein Druckmesswertgeber 50 liest den Sättigungskondensationsdruck des Kühlmittels und wandelt den Ablesewert in die Sättigungskondensationstemperatur (saturated condensing temperature; SCT). Ein Druckmesswertgeber 60 liest den Sättigungsansaugdruck des Kühlmittels und wandelt den Ablesewert in die Sättigungsansaugtemperatur (saturated suction temperature; SST). Druckmesswertgeber werden verwendet, weil sie genauer als bekannte Einrichtungen zum direkten Messen der Temperatur sind. Die Temperatur der eintretenden Luft (OAT) oder Umgebungslufttemperatur in der Nähe wird direkt gelesen, typischerweise mit einem Thermistor.
Die abführte Gesamtwärme bei einem luftgekühlten Kondensator kann durch die folgende Gleichung genähert werden: THR=HTI*(SCT-OAT); (1)wobei THR die im Kondensator abgeführte Gesamtwärme in kW, SCT die Sättigungskondensationstemperatur in °C, OAT die Temperatur der eintretenden Luft für die Kondensatorwindung in °C und HTI der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient in kW/°C ist. Bei einer luftgekühlten Kältemaschine bleibt der HTI-Wert (innerhalb +/– 3%) für alle Betriebszustände konstant, d.h. Volllast oder Teillast, falls die Luftströmung relativ konstant ist, was der Fall ist, wenn alle Gebläse in dem Kreis arbeiten. Der HTI-Wert ändert sich signifikant, falls eine Windung verschmutzt ist, falls die Luftströmung abnimmt oder falls es keine kondensierbaren Medien in einem Kreis gibt.
Die Steuereinrichtungen der Einheit überwachen in Echtzeit unter anderem solche Werte wie SCT, SST (Sättigungsansaugtemperatur) und SH (Ansaugüberhitzung, d.h. die Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur des Kühlmittels und der Sättigungsansaugtemperatur). Die THR des Kreises (abgeführte Gesamtwärme) kann berechnet werden, wenn ein mathematisches Modell für das Verdichterverhalten bekannt ist. Es kann bewiesen werden, dass, wenn der Verdichter in einem Konstant-Zustand arbeitet, wenn eine Überhitzung immer konstant ist und wenn sich ein Unterkühlen des Systems für ein gegebenes Verdichtermodell nicht zu stark ändert, die THR dann eine Funktion von SCT und SST ist, d.h. THR=f (SCT, SST). Falls das THR-Modell in den Steuereinrichtungen der Einheit kodiert ist, können die Steuereinrichtungen in Echtzeit die THR basierend auf gemessenen Systemvariablen berechnen.
Sind THR, SCT und OAT bekannt, ist es einfach, in Echtzeit den Wert von HTI (Gleichung 1) zu berechnen. Der Wert von HTI ändert sich, während der Verdichter verschmutzt, mit der Zeit. Die Steuereinrichtungen vergleichen diesen Wert mit dem Wert eines sauberen Kondensators und zeigen die Verschlechterung der Leistungen des Kondensators an der Anzeigeeinrichtung der Steuereinrichtung an.
Es wird auf 2 Bezug genommen. Es wird ein Verfahren zum Bestimmen der HTI-Verschlechterung gezeigt. Die folgenden Symbole werden in dem Flußdiagramm verwendet.

HTIg: HTI einer sauberen Maschine (d.h., "gut")
HTI': die zuvor berechnete HTI
HTI: aktuelle HTI-Berechnung
SCT: aktuelle Sättigungskondensationstemperatur (bei 50 gemessen)
SST: aktuelle Sättigungsansaugtemperatur (bei 60 gemessen)
OAT: aktuelle Umgebungslufttemperatur (bei 70 gemessen)

HTIg ist in der Logik mit einem Wert vorbelegt, der auf einer Simulation und Labortests basiert. In Schritt 112 wird dann HTI' bei dem ersten Lauf des Programms auf HTIg gesetzt. Falls die Einheit in einem Konstant-Zustand ist und alle Gebläse eingeschaltet sind (Schritt 113), werden in Schritt 114 die Werte für SCT, SST und OAT in das Programm gelesen. Ein Wert für THR wird für jeden Verdichter basierend auf dem mathematischen Modell des Verdichters in Schritt 115 berechnet, wonach in Schritt 116 ein Wert für THR für den gesamten Kreis berechnet wird. In Schritt 117 wird dann HTI unter Verwendung von Gleichung (1) berechnet.
In Schritt 118 wird das Verhältnis von HTI' zu HTI überprüft, um zu erkennen, ob es in dem Bereich zwischen 0,95 bis 1,0 ist. Dieser Schritt prüft das, um zu erkennen, ob die Ablesewerte innerhalb der erwarteten Werte sind. Beispielsweise könnte ein plötzlicher Regenguß den Ablesewert OAT in einer Weise beeinträchtigen, die nicht mit der Leistung des Kondensators in Zusammenhang steht. Eine signifikante Differenz HTI von einem Zyklus zu dem nächsten wird höchstwahrscheinlich nicht von der Kondensatorleistung verursacht, da die Verschlechterung relativ langsam auftritt. Daher wird in Schritt 118 der HTI-Wert mit dem HTI-Wert von vor fünf Minuten HTI' verglichen, um zu erkennen, ob das Verhältnis innerhalb logischer Grenzen bleibt. Falls nicht, beginnt der Berechnungszyklus nochmals. Falls ja, wird in Schritt 119 HTI' zur Verwendung in dem nächsten Berechnungszyklus auf HTI gesetzt.
Als nächstes werden eine Reihe von Überprüfungen unter Verwendung des Verhältnisses von HTI zu HTIg durchgeführt. Falls in Schritt 120 das Verhältnis HTI/HTIg kleiner als 0,7 ist, d.h. niedriger als 70% dessen, was es sein sollte, ist die Kondensatorwindung stark verschmutzt und vorzugsweise wird eine Nachricht diesbezüglich angezeigt. Zusätzlich oder anstelle von Nachrichten können optional Warntöne verwendet werden. Falls das Verhältnis von HTI/HTIg größer als 0,7 ist, wird das Verhältnis überprüft, um zu erkennen, ob es kleiner 0,8 ist. Falls ja, ist die Kondensatorwindung verschmutzt und vorzugsweise wird eine diesbezügliche Nachricht angezeigt. Falls nicht, wird das Verhältnis überprüft, um zu erkennen, ob es kleiner als 0,9 ist. Falls ja, ist die Kondensatorwindung leicht verschmutzt und vorzugsweise wird eine diesbezügliche Nachricht angezeigt. Falls nicht, ist die Kondensatorwindung sauber und vorzugsweise wird eine diesbezügliche Nachricht angezeigt. Der Logikzyklus wiederholt sich auf einer regelmäßigen Basis, die vorzugsweise 5 Minuten ist, die aber optional durch den Nutzer voreingestellt ist.
Es wird auf 3 Bezug genommen. Es wird ein Verfahren gezeigt, das dem Nutzer die Option gibt, den HTIg-Zahlenwert von dem Hersteller (der als HTIgfc bezeichnet wird) zu akzeptieren oder einen Grundwert für HTIg zu bestimmen, der während eines Inbetriebnahmevorgangs berechnet wird, d.h., wenn ein Servicetechniker die Einheit zum ersten Mal startet, wenn die Kondensatorwindung immer noch sauber ist. Der Wert für HTIg wird mit HTIgfc ("good factory configured"; gut fabrikmäßig konfiguriert) in Schritt 130 initialisiert. Der Nutzer wird in Schritt 132 gefragt, ob die fabrikmäßige Konfiguration akzeptiert wird oder die Feldkonfiguration begonnen wird. Die Feldkonfiguration beginnt in Schritt 134, wenn HTI' mit HTIg initialisiert wird. Falls die Einheit in einem Konstant-Zustand ist und alle Gebläse eingeschaltet sind (Schritt 136), werden in Schritt 138 die Werte für SCT, SST und OAT in das Programm gelesen. Ein Wert für THR wird für jeden Verdichter basierend auf dem mathematischen Modell des Verdichters in Schritt 140 berechnet, nach welchem in Schritt 142 ein Wert für THR für den gesamten Kreis berechnet wird. HTI wird dann unter Verwendung von Gleichung (1) in Schritt 144 berechnet. Das Verhältnis von HTI' zu HTI wird in Schritt 146 überprüft, um zu erkennen, ob es in dem Bereich zwischen 0,97 bis 1,0 ist. Falls nicht, wird in Schritt 148 HTI' auf HTI zur Verwendung in dem nächsten Feldkonfigurationsberechnungszyklus gesetzt. Falls ja, wird in Schritt 150 HTIg auf HTI gesetzt, und eine Nachricht, dass HTIg konfiguriert ist, wird vorzugsweise angezeigt. Dieser feldkonfigurierte Wert von HTIg wird dann in der in 2 gezeigten Programmlogik verwendet.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Betriebszustands einer Kondensatorwindung eines Kühlsystems, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Prüfen, um zu erkennen, ob sich das System in einem Konstant-Betriebszustand ist; b) Bestimmen einer Sättigungskondensationstemperatur des Systems; c) Bestimmen einer Sättigungsansaugtemperatur des Systems; d) Bestimmen einer Umgebungslufttemperatur des Systems; e) Berechnen einer Gesamtwärme, die in einen Kondensator des Systems abgeführt wird, aus den Werten, die in den Schritten (b), (c) und (d) erhalten wurden; f) Berechnen eines Wärmeübertragungskoeffizienten aus den Werten, die in den Schritten (b), (d) und (e) erhalten wurden; g) Vergleichen des berechneten Wärmeübertragungskoeffizienten mit einem idealen Wärmeübertragungskoeffizienten, um einen Wert zu erhalten, der den Betriebszustand der Kondensatorwindung repräsentiert; und h) Ausgeben einer Nachricht an einen Verwender des Systems, basierend auf dem Wert, der in Schritt (g) erhalten wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Schritt des Vergleichens ein Berechnen eines Verhältnisses aus dem berechneten Wärmeübertragungskoeffizienten und dem idealen Wärmeübertragungskoeffizienten umfasst; und die Nachricht durch Vergleichen des Verhältnisses mit mindestens einem vorbestimmten Wert bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner ein Bestimmen des idealen Wärmeübertragungskoeffizienten aus den Schritten (a), (b), (c), (d), (e) und (f) umfasst.
Vorrichtung zum Bestimmen eines Betriebszustands einer Windung eines Kondensators (2) eines Kühlsystems, gekennzeichnet durch: eine Einrichtung zum Prüfen, um zu erkennen, ob das System in einem Konstant-Betriebszustand arbeitet; eine Einrichtung zum Bestimmen einer Sättigungskondensationstemperatur (50), einer Sättigungsansaugtemperatur (60) und einer Umgebungslufttemperatur (70) des Systems; eine Einrichtung zum Berechnen einer Gesamtwärme, die in einem Kondensator des Systems abgeführt wird, aus der Sättigungskondensationstemperatur, der Sättigungsansaugtemperatur und der Umgebungslufttemperatur; eine Einrichtung zum Berechnen eines Wärmeübertragungskoeffizienten aus der Sättigungskondensationstemperatur, der Umgebungslufttemperatur und der abgeführten Gesamtwärme; eine Einrichtung zum Vergleichen des berechneten Wärmeübertragungskoeffizienten mit einem idealen Wärmeübertragungskoeffizienten, um einen Wert zu erhalten, der den Betriebszustand der Kondensatorwindung repräsentiert; und eine Einrichtung zum Ausgeben einer Nachricht an einen Verwender des Systems, basierend auf dem Wert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei: die Einrichtung zum Vergleichen ein Berechnen eines Verhältnisses des berechneten Wärmeübertragungskoeffizienten mit dem idealen Wärmeübertragungskoeffizienten umfasst; und die Nachricht durch ein Vergleichen des Verhältnisses mit mindestens einem vorbestimmten Wert bestimmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, die ferner durch eine Einrichtung zum Bestimmen des idealen Wärmeübertragungskoeffizienten gekennzeichnet ist.