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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung des
Kondensationsdrucks einer Kühlmaschine
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus
EP-A-1 050 727 .
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Es
ist bekannt, dass die Kühlkapazität einer Kühlmaschine
mit der Sättigungstemperatur
bei Verdampfung zunimmt, die wiederum mit der Temperatur der gekühlten Flüssigkeit
zusammenhängt.
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Eine
Zunahme der Kühlkapazität führt automatisch
zu einer Zunahme des Heizwerts, den die Kühlmaschine an den Kondensator
abgeben muss.
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Wenn
der abzugebende Heizwert zunimmt, gilt dies notwendigerweise auch
für die
Differenz der Primärtemperatur
an dem Kondensator (Differenz zwischen der Kondensationstemperatur
und der Temperatur der Kühlflüssigkeit).
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Entsprechend
führt in
einer Kühlmaschine, bei
gleicher Temperatur der Kühlflüssigkeit
an dem Kondensator, eine Zunahme der Sättigungstemperatur bei Verdampfung
(die generell von einer Zunahme der Temperatur der gekühlten Flüssigkeit
abhängt) zu
einer Zunahme der Sättigungstemperatur
bei Kondensation.
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Umgekehrt
führt eine
Abnahme der Kühlkapazität automatisch
zu einer Abnahme des an dem Kondensator abzugebenden Kühlwerts
und somit zu einer Abnahme der Sättigungstemperatur
bei Kondensation bei gleicher Temperatur der Wärmequelle.
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Deshalb
ist es, wenn die Kondensationstemperatur dem Sicherheitswert nahekommt,
der ein Abschalten der Maschine erforderlich macht, möglich, diese
Zunahme durch Reduzieren der durch den Verdampfer aufgenommenen Kühlkapazität zu begrenzen,
da dies einer Reduzierung der auf den Kondensator wirkenden Kühlkraft
gleichkommt.
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Unter
den verschiedenen Verfahren, dies zu erreichen, sind die bekanntesten:
- a. Regulierung der Geschwindigkeit des Kühlkompressors;
- b. Drosseln des Ansaugkanals des Kompressors durch geeignete
Regelelemente, um die Flussrate der Kühlflüssigkeit zu begrenzen;
- c. mechanische Reduzierung der Kapazität des Kompressors;
- d. Regulierung der Temperatur und/oder der Flussrate der gekühlten Flüssigkeit;
- e. Wiederumlauf eines Teils der heißen Gase, die von dem Kompressor
gepumpt werden, in dem Verdampfer (bekannt als Heißgas-Bypass).
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Beispiele
bekannter Vorrichtungen und Verfahren finden sich in den nachstehenden
Dokumenten zum Stand der Technik.
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US-A-4 523 435 zeigt
ein Kühlsystem,
in dem der Fluss des Kühlmittels
von dem Kühlmittelkondensator
zum Kühlmittelverdampfer
durch ein einstellbares Expansionsventil geregelt wird, das auf Überhitzung
des zu verdichtenden Kühlmittels
reagiert. Das Einstellen des Kühlmittelflusses
in Reaktion auf sowohl das Maß der Überhitzung
als auch die Änderungsrate
erlaubt, das System hinsichtlich von Über- und Unterkorrekturen des
Kühlmittelflusses
zu stabilisieren, die die bekannten Systeme belasten. Somit ist
das System gemäß
US-A-4 523 435 geeignet, übermäßige Schwankungen
der Betriebszustände
zu verhindern. Dieses Ergebnis wird mittels einer schnellen Einstellung
des Expansionsventils erreicht.
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EP-A-1 050 727 zeigt
ein System, das geeignet ist, automatisch einen Mindestwert für die Kondensationstemperatur
unter Einhaltung der Funktionsparameter der Kühlmaschine zu erreichen. Mit diesem
Verfahren wird, wenn die Öffnung
des Ventils einen vorbestimmten Wert übersteigt, der Kondensationsdruck
erhöht,
um die korrekten Druckwerte an dem Einlass und dem Ausgang des Ventils
zu erreichen.
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JP-A-03164658 und
DE-A-43 03 533 betreffen
Regelungssysteme, die geeignet sind, übermäßige Temperaturen bei Abgabe
(Hochdruckseite) des Kompressors mittels Vergrößerung der Öffnung des elektronischen Expansionsventils
zu verhindern, was zu einer Überdosierung
des Verdampfers führt.
Die Regelungssysteme basieren auf der Messung des (Förder-)Drucks
der Hochdruckseite. Bei diesen Systemen wird das Expansionsventil
nur geöffnet,
wenn die Fördertemperatur
einen vorbestimmten Wert übersteigt.
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EP-A-1 134 518 zeigt
ein Verfahren zur Regelung des elektronischen Expansionsventils
einer Kühlmaschine,
welches Verfahren die Schritte Überwachung
einer Temperaturveränderung
zwischen der Flüssigkeit
in einem gefluteten Kühler
und einer gesättigten
Absaugtemperatur des Systems, Überwachung
der Ablauf-Überhitzung
des Systems sowie Korrektur der Öffnung
des Expansionsventils, wenn die Ablauf-Überhitzung geringer ist als
der vorbestimmte Wert, umfasst.
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Jedoch
sind diese bekannten Verfahren durch hohe Herstellungskosten (für Beispiel
a. und b.), diskontinuierliche Regulierung (für Beispiel c.), mitunter unzulässige funktionelle
Wechselwirkungen mit dem Kühlprozess
(für Beispiel
d.) oder inakzeptable Energieineffizienzen beeinträchtigt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen,
das in der Lage ist, die vom Verdampfer aufgenommene Kühlkapazität abhängig von
den momentanen Anforderungen zu modulieren, um in jedem Fall zu
erreichen
- – ein
Bereitstellen der maximalen Kühlkapazität, die mit
dem Funktionszustand der Maschine kompatibel ist;
- – eine
Reduktion der Kühlkapazität nur wenn
nötig und
nur im erforderlichen Ausmaß,
um die Sättigungstemperatur
bei Kondensation zu begrenzen, wenn Erscheinungen auftreten, die
zu deren übermäßigen Anstieg
führen
könnten.
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Dieses
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Begrenzung des Kondensationsdrucks einer Kühlmaschine
gemäß Anspruch
1.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den beigefügten
Zeichnungen erläutert,
worin:
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1 ein
Systemdiagramm einer bekannten Kühlmaschine
zeigt;
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2 ein
Ablaufdiagramm des Regulierungsverfahrens zeigt.
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Unter
Bezugnahme auf die Figuren umfasst eine Kühlmaschine einen Verdampfer 10,
einen Kompressor 11, einen Kondensator 12 und
ein Drosselventil 13, die aufeinanderfolgend miteinander
in Reihe geschaltet sind.
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Eine
Vorrichtung zur Begrenzung des Kondensationsdrucks der Kühlmaschine
umfasst Mittel für
die kontinuierliche und geregelte Regulierung der Überhitzung
an dem Verdampfer, bestehend aus einem Sensor 14 zur Messung
des Verdampfungsdrucks (oder der Sättigungstemperatur bei Verdampfung),
einem Sensor 15 zur Messung der Temperatur des vom Verdampfer
abgegebenen überhitzten Dampfs,
einen Sensor 16 zur Messung des Kondensationsdrucks (oder
der Sättigungstemperatur
bei Kondensation), sowie eine mikroprozessor-basierte Steuerung 17.
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Ferner
ist das an sich bekannte Drosselventil servobetriebener Bauart,
beispielsweise durch einen Motor 13a.
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Das
Drosselventil 13 ist ausgewählt aus denen, die unlängst in
den Markt eingeführt
worden sind und die automatisch servobetrieben sind, üblicherweise,
aber nicht ausschließlich,
mittels eines elektrischen Servomotors, und die geregelt werden
durch elektronische Vorrichtungen, die es erlauben, die Überhitzung
gemäß unmittelbarer
Erfordernisse oder Zweckmäßigkeiten einzustellen
(bekannte selbst-aktivierende mechanische Ventile hingegen erlauben keine
automatische Variation des Überhitzungswertes
entsprechend den Betriebszuständen,
da die Einstellung mittels einer manuell bedienbaren Schraube erfolgt).
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Die
mikroprozessor-basierte Steuerung 17 ist verbunden mit
den Sensoren 14, 15 und 16 sowie mit
dem Servo-Antrieb des Drosselventils 13.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
nutzt den Umstand, dass die Kapazität einer Kühlmaschine in erster Näherung proportional
zu der Flussrate der verdampften Kühlflüssigkeit ist, und dass sich
deshalb, wenn diese Flussrate verringert wird, auch die Gesamt-Kühlkapazität verringert.
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Daher
wird, wenn das Verfahren so wirkt, dass die Flussrate der Kühlflüssigkeit,
die in den Verdampfer durch die graduelle Drosselung des Drosselventils
eingeführt
wird, geregelt verringert wird, der Verdampfer unterdosiert und
entsprechend wird die Kühlkapazität der Maschine
reduziert.
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Im
normalen Betrieb bekannter Trockenexpansions-Verdampfer ändert die
Kühlflüssigkeit
zunächst
ihren Aggregats-Zustand und wird dann überhitzt: d. h., um die komplette
Abwesenheit einer flüssigen
Phase (die potentiell schädlich
für den
Kompressor ist) im Auslaß sicherzustellen,
wird die Temperatur des Dampfs, der durch die komplette Verdampfung
der Flüssigkeit
erzeugt wird, mit Hinblick auf die Sättigungstemperatur bei Verdampfung
in einem geregelten Ausmaß erhöht.
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Eine
Reduktion des Mengendurchflusses der dem Verdampfer zugeführten Flüssigkeit
führt zu
einer schnelleren Verdampfung, d. h. zu einer Reduktion des Oberflächenanteils,
der zur Änderung
des Aggregats-Zustands der Kühlflüssigkeit
und demzufolge zu einer Zunahme des Anteils, in dem die Flüssigkeit überhitzt
wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bewirkt eine Zunahme der Überhitzung
des Dampfs, der den Verdampfer verlässt und man erreicht nacheinander:
- a. eine Zunahme des für die Überhitzung vorgesehenen Anteils
der Oberfläche;
- b. eine Abnahme des der Verdampfung zugeordneten Anteils der
Oberfläche;
- c. eine Abnahme der Flussrate des durch das Ventil gedrosselten
Kühlmittels;
- d. eine Abnahme der Kühlkapazität im Zusammenhang
mit einer Abnahme der Sättigungstemperatur
bei Verdampfung;
- e. eine Abnahme der Heizleistung in dem Kondensator;
- f. eine Abnahme der Sättigungstemperatur
bei Kondensation für
eine gleiche Temperatur der Kühlflüssigkeit.
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Durch
indirektes Begrenzen der Sättigungstemperatur
bei Kondensation ist man festgelegt durch die minimale Verdampfungstemperatur,
die tolerierbar ist, ehe unerwünschte
Effekte auftreten oder Effekte, die das Verfahren beschädigen (zum
Beispiel sollte in einem Wasser-Kühlgerät wegen des Risikos des Gefrierens
die Verdampfungstemperatur niemals 0°C unterschreiten).
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Durch
Absenken des Überhitzens,
das gleichwohl gegeben sein muss bei einem Wert, der hoch genug
ist, um ein stabiles und sicheres Regulierungsverfahren zu erlauben,
kann man auch einen Anstieg der Flussrate der Kühlflüssigkeit und somit der Kühlkapazität erreichen.
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Das
Ablaufdiagramm des Regulierungsverfahrens ist in 2 zusammengefasst.
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Die
mikroprozessor-basierte Steuerung 17 misst, zusätzlich zu
den normalen Regelungsfunktionen der Maschine, die Sättigungstemperatur
bei Verdampfung (üblicherweise
mittels einer Messung des entsprechenden Drucks) und die Temperatur
des überhitzten
Dampfs mittels der Sensoren 14 und 15, die nahe dem
Verdampfer 10 oder in ihm angebracht sind, und berechnet
deren Differenz, wodurch der Wert der Überhitzung gewonnen wird; dann
gibt sie einen Regulierungsschritt an den Servomotor 13a des
Drosselventils 13 ab, um die Überhitzung auf dem optimalen
Wert zu halten (unter normalen Umständen der geringste Wert, der
mit der Regulierungsstabilität
kompatibel ist, um eine maximale Kühlkapazität sicherzustellen).
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Die
mikroprozessor-basierte Steuerung 17 misst ferner die Sättigungstemperatur
bei Kondensation (üblicherweise
mittels einer Messung des entsprechenden Drucks) mittels des Sensors 16,
der nahe an dem Kondensator 12 oder in ihm angebracht ist.
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Wenn
die Sättigungstemperatur
bei Verdampfung den Grenzwert überschreitet,
der zugelassen ist für
das, was als normaler Betrieb definiert ist, erhöht der Mikroprozessor 17 in
geeigneter Weise den Wert der Überhitzung
durch teilweises Schließen des
Drosselventils 13, mit dem Resultat der Unterdosierung
des Verdampfers 10 und einer Abnahme der Kühlkapazität, und demzufolge
auch einer Reduktion des Heizwerts, der den Kondensator 12 beeinflusst, und
schließlich
der Sättigungstemperatur
bei Kondensation.
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Als
Folge der Unterdosierung des Verdampfers 10 tendiert die
Sättigungstemperatur
bei Verdampfung gegenüber
dem Anfangswert abzunehmen, bis sie in Folge einer erkennbaren Zunahme
der Überhitzung
unter den vorgegebenen Grenzwert fällt.
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Die
mikroprozessor-basierte Steuerung 17 ist dazu ausgelegt
zu überprüfen, dass
der maximale Grenzwert der Sättigungstemperatur
bei Kondensation und der minimale Grenzwert der Sättigungstemperatur
bei Verdampfung nicht über- bzw. unterschritten
werden, wobei letzterer jedoch vorrangig behandelt und somit ein übermäßiges Drosseln
des Drosselventils 13 verhindert wird.
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Wird
jedoch der Sicherheits-Grenzwert einer der beiden Temperaturen überschritten,
so hält
die mikroprozessor-basierte Steuerung 17 den Kompressor 11 an,
um einen unzulässigen
Betriebszustand zu verhindern.
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Offensichtlich
stellt die mikroprozessor-basierte Steuerung 17, sobald
die Sättigungstemperatur
bei Kondensation unter den Grenzwert fällt, die Überhitzung wieder auf geringere
Werte ein, und öffnet
das Drosselventil 13 in geregelter Weise.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist geeignet, einfach, kostengünstig
und funktionell, durch Regelung der Überhitzung, die Kühlkapazität, die durch den
Verdampfer aufgenommen wird anhand der unmittelbaren Erfordernisse
zu modulieren, so dass jeweils erreicht wird:
- – automatisches
Bereitstellen der maximalen Kühlkapazität, die mit
den Gebrauchszuständen der
Maschine kompatibel ist;
- – Verringerung
der Kühlkapazität nur wenn
nötig und
nur im dem erforderlichen Ausmaß,
so dass die Sättigungstemperatur
bei der Kondensation begrenzt wird, wenn Erscheinungen auftreten,
die zu deren übermäßigen Anstieg
führen
könnten.