EP1775533B1 - Method for operating a compression type refrigeration system - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for controlling a refrigeration cycle with a refrigerant, an evaporator, a pressure-increasing unit, a condenser and a throttle body.
- the refrigerant present in the refrigeration circuit of the compression refrigeration system is in principle evaporated in the evaporator by heat removal of the medium to be cooled.
- the compressor there is a pressure and thus a temperature increase.
- the refrigerant is liquefied in the condenser with release of heat through the throttle body, the refrigerant is expanded to the evaporation pressure.
- Such compression refrigerators are e.g. used for the heating of rooms and the preparation of service water; Both are referred to below as a heat sink.
- the regulation of the heat sink temperature is usually carried out by switching on and off of the compressor or by modulation of the compressor speed. Such methods are for example from EP 1 355 207 A1 or DE 43 03 533 A1 known. Furthermore, it is an object of the scheme to optimize the efficiency of the evaporator and thus the refrigeration circuit.
- the efficiency of the evaporator depends inter alia on its degree of filling, that is, which part of the evaporator with wet steam and which part of the evaporator with superheated Refrigerant medium is filled. The higher the wet steam content, the lower the overheating and the better the efficiency.
- the overheating of the refrigerant at the evaporator outlet is preferably used.
- This superheating of the refrigerant can preferably be determined from the evaporator pressure p 0 and the temperature T 0h of the superheated refrigerant at the evaporator outlet. Temperature and pressure can be easily measured by suitable sensors. The difference between evaporator outlet temperature T 0h and evaporating temperature T 0 , which is the temperature of the refrigerant during the evaporation without overheating, is calculated and is the actual superheat ⁇ T 0h-ist of the refrigerant.
- the setpoint for evaporator overheating can be set as a fixed value for the refrigeration system. However, it is advantageous to adapt this to the operating point of the refrigeration system. This can be done via a characteristic field or an automatic adaptation as a function of dynamically variable variables in the cooling circuit. For example, when the tendency to oscillate occurs in the control loop, the superheat setpoint can be increased.
- An overheating controller determines the difference between overheating actual and setpoint.
- the manipulated variable here the throttle body, is set.
- EP 1 275 917 describes a method for controlling a compression refrigeration machine with a refrigerant, an evaporator, a pressure booster unit, a condenser and a throttle body.
- a first control value of the throttle body is determined as a function of a deviation of an actual overheating of a desired overheating. It is further determined whether the liquefaction temperature exceeds a threshold value. If this threshold has not been exceeded, then it is determined if the evaporator condenser temperature exceeds a threshold. If so, then it is determined if the evaporation temperature is lower than the threshold. If this is not the case, then the setpoint of overheating is increased. If the condenser temperature is less than the threshold, then it is checked if the superheat setpoint is higher than the minimum stable value. If this is the case then the superheat setpoint is returned to the minimum stable value.
- the invention has for its object to provide a method and a compression refrigeration system of the type mentioned, in which avoided the disadvantages of the above control method and the superheat of the refrigerant optimally controlled at the evaporator output, thus optimizing the efficiency is achieved.
- the evaporator pressure is a characteristic of the refrigeration cycle size, from which, as well as from the condenser pressure, draw conclusions about the state of the refrigerant circuit.
- a model is developed according to the invention which generates a second control value for the throttle element. If the first control value, which is determined from direct measured variables of the circuit, linked to the second control value, there is a third control value for controlling the throttle body, which optimally controls the throttle body.
- the invention is thus based on the assumption that the functions of the components located in the refrigeration circuit evaporator, compressor, condenser and throttle body can be described approximately using simplified physical description formulas.
- the method according to the invention can comprise an expansion valve, a piston engine or a turbine as throttle element.
- the second actuating signal reacts immediately. Due to the precalculation of the manipulated variable, the control loop gain is defined and the controller can be adapted accordingly.
- this second control value according to the invention reacts quickly to changes in ambient conditions, it provides a good indication at the start of the compression refrigeration system and serves as a reference for a refrigerant deficiency detection.
- the throttle can be set to the second control value.
- the third control value is formed exclusively from the second control value
- An offset of the throttling element, a cold circle specific constant and an exponent are included in the modeling as cold circle specific variables. They are predetermined and characteristic for a cycle, which makes integration in the model easy, since they are entered only once.
- the first control value and the second control value are linked by multiplication.
- the multiplicative link leads to a simplification of the operating point-dependent evaluation of the refrigerant shortage detection. Furthermore, the multiplicative linkage of the operating point-dependent contributes Line gain calculation and results in an approximately constant gain in the entire control loop.
- the throttle can be set to a fixed value.
- An adjustment of the throttle body to predetermined values in the special modes is useful in terms of refrigeration, in order to ensure efficient operation and to condition the refrigerant circuit for the resumption of normal operation.
- the condenser temperature of the compression refrigeration system is measured and the condenser pressure is calculated therefrom.
- the further method steps are identical to the steps a) and c) to g).
- the condenser pressure is measured.
- the cold-circle-specific constant enters the modeling as a characteristic variable. It can be determined in laboratory tests for the respective plant or type of plant or, preferably, adapted during normal operation.
- the process steps are always performed when the refrigeration cycle is controlled for optimal overheating. This is preferably done regularly, in particular continuously, during the operation of the compression refrigeration system.
- a heat pump is used as a compression refrigeration system
- FIG. 1 A block diagram of a compression refrigeration system is shown in FIG Fig. 1
- a refrigeration system consists of the components evaporator 11, compressor 12, condenser 13 and throttle body 15, which are connected by a conduit system through which the refrigerant is passed.
- an expansion valve 15 is used as the throttle body 15.
- a reciprocating engine or a turbine may be used as the throttle body.
- a medium with a low boiling point (“refrigerant”, today mostly ozone-harmless CFCs or natural substances) is vaporized in the evaporator 11, the gaseous phase is then compressed in a compressor 12 and heated thereby. Under high pressure, the working fluid releases its heat for use at the condenser 13 (heating water, air flow) and condenses.
- the condenser 13 heating water, air flow
- the working fluid enters the partial circuit at low pressure again and is in turn fed to the evaporator 11, at the output of the evaporator pressure is determined by the measuring unit 16.
- the temperature difference between the heat source and the refrigerant allows a heat flow to the evaporator 11. Subsequently, the refrigerant vapor is sucked by the compressor 12 and compressed. The temperature of the refrigerant is "pumped" through the temperature level of the heat distribution. At the condenser 13 is again a temperature difference, and there is a heat flow, for heat distribution. The high-pressure refrigerant cools again, condenses and is expanded via an expansion valve 15. The entire process takes place again and is thus in a cyclic process.
- the chiller additionally has a determination unit 21 for determining a first control value W 1 for the expansion valve 15 as a function of the deviation of an actual overheating of the refrigerant from a desired overheating. Further, a unit 14 for determining the condenser pressure and a measuring unit 16 for measuring the evaporator pressure is provided.
- unit 14 determines condenser pressure and measuring unit 16 measures evaporator pressure at the evaporator outlet. From the evaporation pressure, the evaporation temperature is determined. The formula for calculation is a formula approximation to the dependencies found by measurements on the particular refrigerant used.
- the instantaneous actual overheating of the refrigerant can be derived: From the comparison of the actual overheating with the target overheating, a first control value W 1 for the expansion valve 15 is determined by means of a regulator, to which the opening angle of the expansion valve 15 is set and thus the refrigerant flow is regulated in the circuit. If the actual overheating is greater than the setpoint overheating, the actuator should start up, ie the first actuating signal will increase. If the actual overheating is less than the setpoint overheating, then the actuator should close, that is, the first control signal is smaller.
- the controller can be designed as a P, PI, I or PID controller.
- a second control value W 2 and third control value W 3 are determined in addition to the first control value W 1.
- a model is formed in the unit 17 which compares the refrigerant mass flow at the evaporator inlet with the refrigerant mass flow at the evaporator outlet a second control value W 2 for the expansion valve 15 is calculated on the basis of the model from the evaporator pressure, the condenser pressure and cold cycle specific variables
- the determination unit 19 combines the first control value W 1 with the second control value W 2 and in this way determines a third control value W 3 , to the value of which the expansion valve 15 is adjusted by means of the control unit 20.
- Fig. 2 shows how a control circuit for the evaporator overheating can be operated with the inclusion of the predicted control signal size.
- the pretreatment and evaluation of the sensor signals from the refrigeration circuit are freed of interference signals (for example 50 Hz hum) by means of low-pass, the sensor time constants are compensated. Furthermore, the actual overheating is calculated from the evaporator outlet temperature and the evaporator pressure and the condenser pressure is calculated from the condenser temperature.
- the input signals of the block B1 are the evaporator pressure p 0 , the compressor inlet temperature t v1 , the evaporator outlet temperature t 02 and the condenser outlet temperature t c2 .
- both temperatures compressor inlet temperature t v1 and evaporator outlet temperature t 02 ) are the same because the evaporator outlet is directly connected to the compressor inlet.
- a recuperator When a recuperator is interposed, it will increase the refrigerant temperature as it passes through heat release, and overheating may occur be controlled before or after the recuperator, depending on the design of the refrigeration circuit control.
- block B2 a pendulum detection of the signal is performed, and together with block B5 is evaluated by means of the process values from block B1, the operating point of the refrigeration circuit and set a corresponding desired overheating
- a controller In block B4, a controller, the control deviation of overheating (subtraction of actual overheating ⁇ T actual and set overheating ⁇ T setpoint ) is fed in and in Output signal influenced by the control deviation is output. In this method step, the first control value is calculated
- the second actuating signal is linked with the aid of the refrigeration-technical model with the control signal influenced by the first control signal to a total control signal.
- This is advantageously done by multiplication.
- the factor formed by the controller output 1, insofar as there is no deviation.
- the factor formed by the control output is not equal to 1, and the precalculated actuating signal is correspondingly corrected with the aid of the refrigeration model.
- other mathematical combinations such as addition or weighting are also possible.
- the precalculated actuating signal passes through block B6 for further processing.
- the third control signal is adapted, for example, to the control range limits of the expansion valve, and there is also a limitation of the control signal rise, so as not to "overwhelm" the time constant of the refrigerant circuit.
- EMC extremely short-term disturbing influences
- a very short-term fluctuating control signal are calculated, which would be completely damped away by the time constant of the refrigerant circuit, but charged the actuator.
- block 6 limits the control signal to the physical control range of the valve.
- control mode the mathematically linked and limited control signal is forwarded, such as already stated.
- Further operating modes are the pump-down operation, an existing fault or the defrost operation.
- Block 8 is an evaluation unit, with the aid of which the first actuating signal is evaluated.
- a refrigerant deficiency detection it is evaluated whether the first control signal in the operating mode exceeds a parameterized value (here a value >> 1) for a minimum period of time.
- a refrigerant deficiency is detected, displayed and, if appropriate, a modified processing in block 7 the third actuating signal causes, for example, emergency operation.
- M is the servomotor of the expansion valve, which is coupled with this.
- Fig. 3 the flow chart of the method according to the invention is shown schematically as process variables flow into the calculations of the evaporator pressure p 0 , the condenser pressure p c and the associated temperature variables.
- the model is based on the physical background that the refrigerant mass flow at the evaporator inlet (from the expansion valve to the evaporator inlet) in a steady state refrigeration cycle at constant ambient conditions Evaporator) is equal to the refrigerant mass flow at the evaporator outlet (from the evaporator to the compressor)
- the two refrigerant mass flows are equated with their respective influencing variables, which are measured in the refrigerant circuit. Furthermore, physical dependencies in the compressor and expansion valve are included in the modeling.
- the mass flow at the evaporator outlet depends on the delivery behavior of the compressor. This is largely determined by the refrigerant pressures on the high-pressure and low-pressure sides of the refrigeration cycle and the degree of delivery influenced by them.
- the factor const 1 parameterizes the design-related delivery rate for the refrigerant used in the compressor. This refers to a characteristic operating point, for other operating points deviations are tolerated, which are usually taken from a compressor data sheet or to be determined by laboratory measurements.
- the mass flow at the evaporator inlet depends on the mass flow rate at the expansion valve. This is determined by the refrigerant pressures on the high pressure and low pressure side as well as by the central opening cross section of the expansion valve certainly.
- the opening cross-section is controlled by a control or regulation in the case of electronic expansion valves.
- the factor const 2 parameterizes the mass flow rate of the expansion valve for the refrigerant used. This refers to a characteristic operating point, for other operating points deviations are tolerated.
- the evaporator pressure and condenser pressure are measured as process variables in the refrigerant circuit.
- the condenser pressure can be calculated from the condenser temperature by means of refrigerant data.
- the exponent Exp the offset and the cold-circle-specific constant const
- these fixed variables are dependent on the respective components of a refrigeration circuit.
- the offset of the expansion valve which describes the number of steps until the first opening.
- the exponent maps both the function of the nozzle cross section over the output level and the function of the delivery rate of the compressor.
- the exponential function formed by the exponent approximates the refrigeration cycle component-specific functions.
- the parameterization of the model is carried out by a single constant of the refrigeration circuit const.
- This parameter forms the sum of the parameters in the compressor, condenser, expansion valve and evaporator, which is determined by laboratory measurements or calculation.
- the cold-zone-specific constant const during operation of the refrigeration circuit be adapted so that the calculation of the expansion valve steps due to the refrigeration cycle model is becoming more accurate.
- a further advantageous embodiment of the method is to adapt the cold-cycle-specific constant const ascertained for example in laboratory tests in the course of operation so that the control signal obtained with the aid of the refrigeration model including const constant optimally adapts to the refrigeration process by a control deviation necessary corrections of the controller in block B4 minimal, the control is very accurate.
- control signal (block B3) predefined by the cooling-technical model has to be corrected to a greater extent by the controller (block B4).
- controller block B4
- setting the desired overheating requires a much larger actuating signal than predicted, ie. with multiplicative connection of the control signals, the controller output signal is substantially greater than 1 when the control loop is steady.
- the expansion valve in a preferred embodiment can be adapted to each of the three control values, depending on the operating mode, in order to optimally adapt the mode of operation to the respective operation.
- the principle of the first embodiment can also be applied to an absorption chiller.
- FIG Fig. 4 The operation of a compression refrigeration system according to the second embodiment is shown schematically in FIG Fig. 4 shown.
- the refrigeration system according to the second embodiment can be combined with a refrigeration system according to the first embodiment or it can be operated as a standalone system.
- a refrigeration system comprises an evaporator 111, a compressor 112, a condenser 113 and a throttle body 115, which are connected by a conduit system through which the coolant is passed.
- a medium with a low boiling point (“refrigerant", today mostly ozone-harmless CFCs or natural substances) is vaporized in the evaporator 111, the gaseous phase then compressed in a compressor 112 and thereby heated.
- the working fluid Under high pressure, the working fluid releases its heat for use at the condenser 113 (heating water, air flow) and condenses.
- a throttle body expansion valve 115
- the working fluid enters the partial circuit at low pressure again and in turn is fed to the evaporator 111, at whose output the evaporator outlet pressure is determined by the measuring device 16.
- the temperature difference between the heat source and the refrigerant allows a heat flow to the evaporator 111. Subsequently, the refrigerant vapor is sucked by the compressor 112 and compressed. The temperature of the refrigerant is thereby "pumped" above the temperature level of the heat distribution.
- the condenser 113 is again a temperature difference and there is a heat flow. for heat distribution.
- the high-pressure refrigerant cools again, condenses and is via an expansion valve 115 relaxed. The entire process takes place again and is thus in a cyclic process.
- the refrigerating machine further comprises a measuring unit 116 for measuring the evaporator outlet pressure, a determining unit 117 for calculating a melting temperature from the evaporator outlet pressure, a first determining unit 118 for determining a first difference from the melting temperature and a melting temperature reference value, a second determining unit 119 for determining a second difference from the evaporator outlet pressure and a cut-off pressure, and a defrosting unit 120 for initiating a defrosting operation. if the first difference exceeds a temperature limit, and to terminate the defrost event if the second difference is less than a pressure limit.
- the measuring device 116 detects at the outlet of the evaporator 111, the pressure of the refrigerant, which is passed from the evaporator to the compressor. From this measured evaporator outlet pressure, the tau temperature is calculated in the determination unit 117, which in turn flows into further arithmetic operations.
- the arithmetic unit can carry out further computation steps, as described below in the flowchart in FIG Fig. 2 is explained
- a first difference is determined from the tare temperature calculated in the determination unit 117 and a tau temperature reference value. If this first difference exceeds a temperature limit value, the defrost unit 120 initiates the defrosting operation for the evaporator.
- the flowchart of Fig. 6 presents this process step in detail.
- a second difference is formed from the evaporator outlet pressure and a shut-off pressure.
- the defrost unit 120 stops the defrosting process if the second difference falls below a pressure threshold. This process step is based on Fig. 10 explained.
- Fig. 5 For example, algorithmic calculation steps for determining an averaged taut temperature of the method according to the invention are shown schematically. Since the evaporator temperature signal can oscillate depending on the operating condition, it must be averaged and filtered. In order to obtain the most stable signal, further signals are generated from the evaporation temperature.
- the temperatures ⁇ i, n + 1 of the following cycle are calculated from the variables ⁇ i, n of the current cycle, wherein the mean temperature ⁇ middle, n + 1 is the essential quantity to detect a defrost requirement. Furthermore, C Ab as a factor for the decay of the signal and C on as a factor for the sounding of the signal into the calculation.
- the factors C Ab and C Auf are determined as follows. In general, the factors are to be dimensioned so that in the case of a cyclic fluctuation of the overheating, ie a pendulum, the minimum and the maximum amplitude temperature reflect the periodic maxima and the periodic minima of overheating. If the oscillation stops, the minimum and maximum amplitude temperature should be adapted to the periodically decaying minima and maxima of overheating.
- the factor C Auf is to be dimensioned so that the minimum and maximum amplitude temperature can follow the gradient of fluctuating overheating so that the maxima and minima can be followed almost unattenuated.
- the time constant for the fade should be a fraction of the oscillation time constant of commuting, for example a quarter of this.
- the factor C Ab is to be dimensioned so that the minimum and the maximum amplitude temperature between two maxima or minima is largely retained and does not completely decay, so that an envelope is described with both amplitude temperatures.
- the time constant for the fade should be a multiple of the swing time constant of the pendulum, for example, twice this.
- the oscillation time constant of oscillation is approx. 2 to 10 minutes, depending on the cooling circuit. If the time constants are dimensioned for fading up and down, the factors can be calculated after the controller iterative time.
- T 1 1 - C From ⁇ ⁇ Max _ amp . n + C From ⁇ ⁇ medium . n
- T 3 1 - C On ⁇ ⁇ Max _ amp . n + C On ⁇ ⁇ 0
- T 4 1 - C On ⁇ ⁇ min_amp . n + C On ⁇ ⁇ 0
- T 5 0.5 ⁇ ⁇ min _ amp . n + 1 + ⁇ Max _ amp . n + 1
- T 5 is the mean temperature ⁇ medium .
- Fig. 6 By way of example, the sequence of the method according to the invention for defrost detection is shown schematically.
- the method according to the invention begins with the method step sequence after an initial blocking time t blocking which is between 5 and 30 minutes, preferably between 10 and 15 minutes, which corresponds to the time frame in which the system settles.
- a defrost requirement is recognized in the method according to the invention in that a first difference between an averaged taut temperature and a taut temperature reference value exceeds a temperature limit value.
- the taut temperature reference value can be determined from the mean temperature.
- the maximum averaged taut temperature up to the time t is set as the taut temperature reference value.
- step 33 is initiated.
- This method step contains a loop which checks how often the difference from step S32 has exceeded the temperature limit T limit.
- the defrost process in step S34 is initiated if step S33 is initiated at least once. in a preferred embodiment, five times having received positive information from step S32
- Fig. 7 shows the course of the calculated values for the amplitude as a function of time. On the x-axis the time course is shown, on the y-axis the Amplitudes. It can clearly be seen from the illustration that the tau temperature ⁇ 0 calculated from the measured evaporator pressure oscillates and is enclosed by the two calculated values for the minimum and the maximum amplitude temperature. The mean value ⁇ mean is between the minimum and maximum amplitude temperature. Above these temperature values lies the temperature reference value ⁇ ref_max , which only changes if the mean temperature exceeds the temperature reference value.
- Fig. 8 shows the dependencies in the outdoor temperature compensation of the tau temperature ⁇ 0 .
- the outside temperature ⁇ is measured outside and included in the calculation of the tau temperature.
- a tare temperature ⁇ corrected by the outside temperature ⁇ outside is calculated by forming the difference of a second tau temperature ⁇ 0 and the outside temperature ⁇ outside .
- the corrected melting temperature ⁇ corrected enters the method according to the invention as the first melting temperature.
- Fig. 9 shows a representation of the temperature behavior of water in the range of 0 ° C. On the y-axis is the temperature, on the x-axis the time course is shown. Water has the special property that during the thawing process it remains at the 0 ° C temperature level for a longer time until the temperature finally rises further. This effect is exploited to determine the optimal point at which the entire ice has melted. Only when all the ice has melted on the evaporator surface, the temperature rises from the temperature plateau of 0 ° C, which manifests itself in an increase in the evaporator pressure. Thus, the defrost process is terminated only when the evaporator is free of ice
- Fig. 10 shows the various pressure ranges that passes through the evaporator outlet pressure p 0 during the defrosting process.
- the temperature is plotted on the y-axis and the time on the x-axis.
- zone I the temperature rises to "melt pressure”
- II the temperature plateau refers to “melt pressure”
- III the temperature rise after defrosting is shown. If the pressure reaches the switch-off pressure, which is about 2 bar above the evaporator outlet pressure corresponding to the melting temperature of the ice, the defrost is ended.
- a method of controlling a defrosting operation of an evaporator of a refrigerating machine (such as a refrigerating machine according to the first embodiment).
- the method according to the second embodiment can be operated independently of the refrigerating machine according to the first embodiment.
- an evaporator outlet pressure is measured.
- a teat temperature is determined based on the evaporator outlet pressure.
- a first difference from the first teat temperature and a tau temperature reference value is determined.
- a defrost operation is initiated if the first difference exceeds a temperature limit.
- Defrosting is accomplished by determining a second difference from the evaporator outlet pressure and a shutoff pressure and terminating defrost if the second difference is less than a pressure threshold
- the evaporator outlet pressure shows a characteristic of the refrigeration cycle over time, from which can be concluded on a non-performance optimized operation.
- the dew temperature can be calculated from the evaporator outlet pressure. If the surface structure of the evaporator ices up, the efficiency deteriorates, the evaporator pressure drops and thus also the calculated peat temperature. If the difference between the calculated peat temperature and a reference temperature exceeds a temperature limit, a defrost requirement can be detected and a defrost process initiated. During defrost, the evaporator outlet pressure is still monitored and compared to a shutdown pressure. If the difference between these two pressures becomes sufficiently small, the evaporator surface is sufficiently defrosted and the defrosting operation is terminated.
- the advantages of this method are that a significantly increased detection reliability is given.
- the calculation is preferably carried out regularly during the operation of the chiller, which also temperature jumps of the outside air can be perceived quickly enough and is responded accordingly.
- pressure sensors When using pressure sensors, a minimum inertia in the detection process is ensured under a low defrost energy requirement
- the components in the circuit of the chiller can be reused without having to be exchanged for expensive and sensitive electronic units.
- the first taut temperature is calculated from a difference between a second tau temperature and an outside temperature, wherein the second tau temperature is calculated from the evaporator outlet pressure and the outside temperature is measured. This evaluates the temporal behavior of the peat temperature relative to the outside temperature
- the temperature limit, cut-off pressure and pressure limit are fixedly defined for a particular installation. However, they may also be e.g. be adaptable to special external conditions, in particular via manual adjustment or an adaptation device.
- the tew temperature reference value is determined by the maximum averaged taut temperature to ensure an adaptive method.
- the evaporator outlet pressure is compared with a shutdown pressure.
- the switch-off pressure is around 1 to 3 bar, preferably around 2 bar, above the evaporator outlet pressure corresponding to the melting temperature of the ice.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Kältekreislaufs mit einem Kältemittel, einem Verdampfer, einer Druckerhöhungseinheit, einem Verflüssiger und einem Drosselorgan.The invention relates to a method for controlling a refrigeration cycle with a refrigerant, an evaporator, a pressure-increasing unit, a condenser and a throttle body.
Bei einer Kompressionskälteanlage wird prinzipiell das im Kältekreis der Kompressionskälteanlage befindliche Kältemittel im Verdampfer durch Wärmeentzug des zu kühlenden Mediums verdampft. Im Verdichter erfolgt eine Druck- und damit Temperaturerhöhung. Anschließend wird das Kältemittel im Verflüssiger unter Wärmeabgabe wieder verflüssigt Durch das Drosselorgan wird das Kältemittel auf den Verdampfungsdruck entspannt.In a compression refrigeration system, the refrigerant present in the refrigeration circuit of the compression refrigeration system is in principle evaporated in the evaporator by heat removal of the medium to be cooled. In the compressor there is a pressure and thus a temperature increase. Subsequently, the refrigerant is liquefied in the condenser with release of heat through the throttle body, the refrigerant is expanded to the evaporation pressure.
Derartige Kompressionskälteanlagen werden z.B. für die Beheizung von Räumen und die Bereitung von Brauchwasser eingesetzt; beides wird folgend als Wärmesenke bezeichnet.Such compression refrigerators are e.g. used for the heating of rooms and the preparation of service water; Both are referred to below as a heat sink.
Die Regelung der Wärmesenkentemperatur erfolgt üblicherweise durch Ein- und Ausschalten des Verdichters bzw. durch Modulation der Verdichterdrehzahl. Solche Verfahren sind beispielsweise aus der
Ist jedoch der gesamte Verdampfer mit Nassdampf gefüllt und gelangt nicht überhitzter Nassdampf in den Verdichter, kann dies zu Verdichterschäden führen. Aber auch eine zu geringe Füllmenge von Kältemittel im Kältekreis kann den Wirkungsgrad des Kältekreises ungünstig beeinflussen, so daß ein wirkungsgradoptimierter Füllgrad des Verdampfers mit Nassdampf dann nicht mehr gewährleistet sein kann.However, if the entire evaporator is filled with wet steam and does not get superheated wet steam in the compressor, this can lead to compressor damage. But too small a filling amount of refrigerant in the refrigerant circuit can affect the efficiency of the refrigerant circuit unfavorable, so that an efficiency-optimized degree of filling of the evaporator with wet steam can then no longer be guaranteed.
Als Regelgröße für die Verdampferregelung wird bevorzugt die Überhitzung des Kältemittels am Verdampferausgang verwendet. Diese Überhitzung des Kältemittels lässt sich bevorzugt aus dem Verdampferdruck p0 und der Temperatur T0h des überhitzten Kältemittels am Verdampferausgang bestimmen. Temperatur und Druck lassen sich durch geeignete Messaufnehmer problemlos messen. Die Differenz aus Verdampferausgangstemperatur T0h und Verdampfungstemperatur T0, die die Temperatur des Kältemittels während der Verdampfung ohne Überhitzung ist, wird berechnet und ist die Ist-Überhitzung ΔT0h-ist des Kältemittels.As a controlled variable for the evaporator control, the overheating of the refrigerant at the evaporator outlet is preferably used. This superheating of the refrigerant can preferably be determined from the evaporator pressure p 0 and the temperature T 0h of the superheated refrigerant at the evaporator outlet. Temperature and pressure can be easily measured by suitable sensors. The difference between evaporator outlet temperature T 0h and evaporating temperature T 0 , which is the temperature of the refrigerant during the evaporation without overheating, is calculated and is the actual superheat ΔT 0h-ist of the refrigerant.
Der Sollwert für die Verdampferüberhitzung kann als Fixwert für die Kälteanlage festgelegt werden. Es ist jedoch vorteilhaft, diesen dem Betriebspunkt der Kälteanlage anzupassen. Dies kann über ein Kennlinienfeld bzw. eine automatische Adaption in Abhängigkeit von dynamisch veränderlichen Größen im Kältekreis erfolgen. So kann beispielsweise bei auftretender Schwingneigung im Regelkreis der Überhitzungssollwert erhöht werden.The setpoint for evaporator overheating can be set as a fixed value for the refrigeration system. However, it is advantageous to adapt this to the operating point of the refrigeration system. This can be done via a characteristic field or an automatic adaptation as a function of dynamically variable variables in the cooling circuit. For example, when the tendency to oscillate occurs in the control loop, the superheat setpoint can be increased.
Ein Überhitzungsregler ermittelt dann die Differenz von Überhitzungs-Ist- und Sollwert. In Abhängigkeit der Regelabweichung wird die Stellgröße, hier das Drosselorgan, eingestellt.An overheating controller then determines the difference between overheating actual and setpoint. Depending on the control deviation, the manipulated variable, here the throttle body, is set.
Es hat sich gezeigt, dass im praktischen Betrieb, insbesondere bei einem großen Bereich zulässiger Verdampfer- und Verflüssigertemperaturen, der Kältekreis stark unterschiedlichen Arbeitsbedingungen ausgesetzt ist Regelungstechnisch gesehen variiert in Abhängigkeit des jeweiligen Arbeitspunktes die zu regelnde Strecke, der Kältekreis, stark in Verstärkung und Offset. Zur Einstellung der Soll-Überhitzung variiert dann auch das Steuersignal entsprechend in einem großen Bereich.It has been shown that in practical operation, especially in a wide range of permissible evaporator and condenser temperatures, the refrigeration circuit is exposed to greatly varying working conditions seen varies depending on the particular operating point to be controlled route, the refrigeration circuit, strong in gain and offset. To set the desired overheating then also varies the control signal accordingly in a wide range.
Wird ein solcher Kältekreis beispielsweise mit einem konventionellen Regler mit voreingestellten Reglerparametern geregelt, ist eine exakte Regelung unabhängig vom jeweiligen Kältekreisarbeitspunkt nicht möglich, da sich der Regler an die arbeitspunktabhängig variierende Strecke nicht anpasst. Weiterhin ist es in diesem Fall nicht möglich, bei Verdichterstart und zu diesem Zeitpunkt noch nicht vorliegenden überhitzungsrelevanten Prozessdaten ein geschätztes Steuersignal auszugeben.If such a refrigeration circuit is regulated, for example, with a conventional controller with preset controller parameters, an exact control is not possible, regardless of the particular refrigeration cycle operating point, since the controller does not adapt to the operating point-dependent varying distance. Furthermore, in this case it is not possible to output an estimated control signal at compressor start and at this time not yet present overheating-relevant process data.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Kompressionskälteanlage der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei denen die Nachteile der oben genannten Regelungsverfahren vermieden und die Überhitzung des Kältemittels am Verdampferausgang optimal geregelt und damit eine Optimierung des Wirkungsgrads erreicht wird.The invention has for its object to provide a method and a compression refrigeration system of the type mentioned, in which avoided the disadvantages of the above control method and the superheat of the refrigerant optimally controlled at the evaporator output, thus optimizing the efficiency is achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Der Verdampferdruck ist eine für den Kältekreislauf charakteristische Größe, aus der sich, ebenso wie aus dem Verflüssigerdruck, Rückschlüsse auf den Zustand des Kältekreises ziehen lassen. Anhand von Grundgleichungen, die den Kältemittelmassenstrom am Verdampferausgang und Verdampfereingang beschreiben, wird erfindungsgemäß ein Modell entwickelt, welches einen zweiten Stellwert für das Drosselorgan generiert. Wird der erste Stellwert, der aus direkten Messgrößen des Kreislaufes ermittelt wird, mit dem zweiten Stellwert verknüpft, ergibt sich ein dritter Stellwert zur Ansteuerung des Drosselorgans, der das Drosselorgan optimal regelt.This object is achieved by a method according to
Die Erfindung geht somit von der Annahme aus, dass sich mit Hilfe vereinfachter physikalischer Beschreibungsformeln die Funktionen der im Kältekreis befindlichen Komponenten Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Drosselorgan angenähert beschreiben lassen.The invention is thus based on the assumption that the functions of the components located in the refrigeration circuit evaporator, compressor, condenser and throttle body can be described approximately using simplified physical description formulas.
Aus wenigen leicht messbaren Prozesswerten lassen sich dann anhand des Modells weitere schwieriger ermittelbare Prozessgrößen berechnen, insbesondere der zweite Stellwert des Drosselorgans. Fließt dieser erfindungsgemäße zweite Wert als Grundlage in die erfindungsgemäße Berechnung des erfindungsgemäßen dritten Stellwertes durch den Überhitzungsregler mit ein, ergibt sich vorteilhaft der vorausberechnete Wert als ein gut angenäherter Startwert für das Stellsignal des Drosselorgans bei Verdichterstart.From a few easily measurable process values can then be calculated on the basis of the model more difficult to determine process variables, in particular the second control value of the throttle body. If this second value according to the invention flows as a basis into the inventive calculation of the third control value by the superheat controller, the predicted value advantageously results as a well-approximated starting value for the control signal of the throttle element at the start of the compressor.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein Expansionsventil, eine Kolbenmaschine oder eine Turbine als Drosselorgan umfassen. Bei schnellen Störgrößen im System (schnelle Arbeitspunktänderungen des Kältekreises z.B. durch Temperatursprünge) reagiert das zweite Stellsignal unverzüglich. Durch die Vorausberechnung des Stellwertes ist die Regelkreisverstärkung definiert, der Regler kann daran angepasst werden.In a particularly preferred embodiment, the method according to the invention can comprise an expansion valve, a piston engine or a turbine as throttle element. For fast disturbances in the system (rapid changes in the operating point of the refrigeration circuit, eg due to temperature jumps), the second actuating signal reacts immediately. Due to the precalculation of the manipulated variable, the control loop gain is defined and the controller can be adapted accordingly.
Die Vorteile dieses erfindungsgemäßen zweiten Stellwertes liegen darin, daß er schnell auf Änderungen der Umgebungsbedingungen reagiert, er einen guten Anhaltspunkt beim Start der Kompressionskälteanlage darstellt und als Referenz für eine Kältemittelmangel-Erkennung dient.The advantages of this second control value according to the invention are that it reacts quickly to changes in ambient conditions, it provides a good indication at the start of the compression refrigeration system and serves as a reference for a refrigerant deficiency detection.
Anhand der im Verfahren ermittelten Größen ist es möglich, einen Kältemittelmangel festzustellen. Dieser wird festgestellt falls während des Regelbetriebs der erste Stellwert für eine parametrisierte Zeitdauer einen Grenzwert überschreitet. Entsprechende Maßnahmen können daraufhin unverzüglich eingeleitet werden, um den optimalen Betrieb der Kompressionskälteanlage möglichst schnell wiederherzustellen.Based on the variables determined in the method, it is possible to determine a refrigerant shortage. This is determined if, during normal operation, the first manipulated variable exceeds a limit value for a parameterized period of time. Corresponding measures can then be initiated immediately in order to restore the optimal operation of the compression refrigeration system as quickly as possible.
Beim Start der Anlage, während des Zeitfensters danach und während des Notbetriebs kann das Drosselorgan auf den zweiten Stellwert eingestellt werden. Unmittelbar beim Start liegt noch kein geeigneter erster Stellwert - abgeleitet von der Regelabweichung der Überhitzung - vor, deshalb wird der dritte Stellwert ausschließlich aus dem zweiten Stellwert gebildetWhen starting the system, during the time window after and during emergency operation, the throttle can be set to the second control value. Immediately at the start there is still no suitable first control value - derived from the control deviation of the superheat - so the third control value is formed exclusively from the second control value
Ein Offset des Drosselorgans, eine kältekreisspezifische Konstante und ein Exponent gehen als kältekreisspezifische Größen in die Modellbildung ein. Sie sind für einen Kreislauf jeweils vorgegeben und charakteristisch, was eine Einbindung in das Modell einfach macht, da sie nur einmalig eingegeben werden.An offset of the throttling element, a cold circle specific constant and an exponent are included in the modeling as cold circle specific variables. They are predetermined and characteristic for a cycle, which makes integration in the model easy, since they are entered only once.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden der erste Stellwert und der zweite Stellwert durch Multiplikation verknüpft. Die multiplikative Verknüpfung führt zu einer Vereinfachung der arbeitspunktabhängigen Auswertung der Kältemittelmangel-Erkennung. Weiterhin trägt die multiplikative Verknüpfung der arbeitspunktabhängigen Streckenverstärkung Rechnung und ergibt eine in etwa gleichbleibende Verstärkung im gesamten Regelkreis.In a preferred embodiment, the first control value and the second control value are linked by multiplication. The multiplicative link leads to a simplification of the operating point-dependent evaluation of the refrigerant shortage detection. Furthermore, the multiplicative linkage of the operating point-dependent contributes Line gain calculation and results in an approximately constant gain in the entire control loop.
Für Sonderbetriebsarten, wie zum Beispiel der Abtaubetrieb oder Standby, kann das Drosselorgan auf einen festen Wert eingestellt werden. Eine Einstellung des Drosselorgans auf vorbestimmte Werte in den Sonderbetriebsarten ist kältetechnisch sinnvoll, um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten und den Kältekreis für die Wiederaufnahme des Regelbetriebs zu konditionieren.For special modes, such as defrost or standby, the throttle can be set to a fixed value. An adjustment of the throttle body to predetermined values in the special modes is useful in terms of refrigeration, in order to ensure efficient operation and to condition the refrigerant circuit for the resumption of normal operation.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Verflüssigertemperatur der Kompressionskälteanlage gemessen und daraus der Verflüssigerdruck berechnet Die weiteren Verfahrensschritte sind identisch mit den Schritten a) und c) bis g).In a further preferred embodiment, the condenser temperature of the compression refrigeration system is measured and the condenser pressure is calculated therefrom. The further method steps are identical to the steps a) and c) to g).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Verflüssigerdruck gemessen.In a preferred embodiment, the condenser pressure is measured.
Die kältekreisspezifische Konstante geht als kennzeichnende Größe in die Modellbildung ein. Sie kann in Laborversuchen für die jeweilige Anlage oder den Anlagentyp ermittelt werden oder vorzugsweise im Regelbetrieb angepasst werden.The cold-circle-specific constant enters the modeling as a characteristic variable. It can be determined in laboratory tests for the respective plant or type of plant or, preferably, adapted during normal operation.
Die Verfahrensschritte werden immer dann ausgeführt, wenn der Kältekreis im Hinblick auf eine optimale Überhitzung geregelt wird. Dies erfolgt vorzugsweise regelmäßig, insbesondere kontinuierlich, während des Betriebs der Kompressionskälteanlage.The process steps are always performed when the refrigeration cycle is controlled for optimal overheating. This is preferably done regularly, in particular continuously, during the operation of the compression refrigeration system.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Wärmepumpe als Kompressionskälteanlage verwendetIn a particularly preferred embodiment, a heat pump is used as a compression refrigeration system
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Kompressionskälteanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- Fig. 2
- eine Darstellung des Ablaufschemas des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- Fig. 3
- eine weitere Darstellung des Ablaufschemas des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- Fig. 4
- eine schematische Darstellung einer Kältemaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- Fig. 5
- eine Darstellung des Ablaufschemas zur Berechnung einer gemittelten Tautemperatur;
- Fig. 6
- eine Darstellung des Ablaufschemas in Abhängigkeit von der gemittelten Tautemperatur und der Zeit;
- Fig. 7
- eine Darstellung der berechneten Werte für die Amplitude in Abhängigkeit von der Zeit;
- Fig. 8
- eine Darstellung der Außentemperaturkompensation;
- Fig. 9
- eine Darstellung des Temperaturverhaltens von Wasser
im Bereich von 0°C; und - Fig. 10
- eine Darstellung der vom Verdampferaustrittsdruck während des Abtauprozesses durchlaufenen Bereiche.
- Fig. 1
- a schematic representation of a compression refrigeration system according to a first embodiment;
- Fig. 2
- a representation of the flowchart of the method according to the invention;
- Fig. 3
- a further illustration of the flowchart of the method according to the invention;
- Fig. 4
- a schematic representation of a refrigerator according to a second embodiment;
- Fig. 5
- a representation of the flowchart for calculating an average taut temperature;
- Fig. 6
- a representation of the flowchart as a function of the averaged taut temperature and time;
- Fig. 7
- a representation of the calculated values for the amplitude as a function of time;
- Fig. 8
- a representation of the outdoor temperature compensation;
- Fig. 9
- a representation of the temperature behavior of water in the range of 0 ° C; and
- Fig. 10
- a representation of the traversed by the evaporator outlet pressure during the Abtaugrozesses areas.
Ein Blockschaltbild einer Kompressionskälteanlage ist in
In dem in den
Durch Wärmezufuhr auf niedrigem Temperaturniveau wird ein Medium mit tiefem Siedepunkt ("Kältemittel", heute meist Ozon-unschädliche FCKWs oder natürliche Stoffe) im Verdampfer 11 verdampft, die gasförmige Phase dann in einem Verdichter 12 verdichtet und dadurch erhitzt. Unter hohem Druck stehend gibt das Arbeitsmittel seine Wärme zur Nutzung am Verflüssiger 13 ab (Heizungswasser, Luftstrom) und kondensiert dabei. Durch ein Expansionsventil 15 tritt das Arbeitsmittel wieder in den Teilkreislauf mit geringem Druck ein und wird wiederum dem Verdampfer 11 zugeführt, an dessen Ausgang der Verdampferdruck mit der Messeinheit 16 bestimmt wird.By supplying heat to a low temperature level, a medium with a low boiling point ("refrigerant", today mostly ozone-harmless CFCs or natural substances) is vaporized in the
Die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Kältemittel ermöglicht einen Wärmestrom zum Verdampfer 11. Anschließend wird der Kältemitteldampf vom Verdichter 12 angesaugt und komprimiert. Die Temperatur des Kältemittels wird dabei über das Temperaturniveau der Wärmeverteilung "gepumpt". Am Verflüssiger 13 liegt wieder eine Temperaturdifferenz vor, und es kommt zu einem Wärmestrom, zur Wärmeverteilung. Das unter Hochdruck stehende Kältemittel kühlt wieder ab, kondensiert und wird über ein Expansionsventil 15 entspannt. Der gesamte Vorgang erfolgt erneut und befindet sich dadurch in einem Kreisprozess.The temperature difference between the heat source and the refrigerant allows a heat flow to the
Die Kältemaschine weist erfindungsgemäß zusätzlich eine Bestimmungseinheit 21 zum Bestimmen eines ersten Stellwertes W1 für das Expansionsventil 15 in Abhängigkeit von der Abweichung einer Ist-Überhitzung des Kältemittels von einer Soll-Überhitzung auf. Ferner wird eine Einheit 14 zum Ermitteln des Verflüssigerdrucks und eine Messeinheit 16 zum Messen des Verdampferdrucks vorgesehen. Eine Einheit 17 zum Bilden eines Modells, welches den Kältemittelmassenstrom am Verdampfereingang vergleicht mit dem Kältemittelmassenstrom am Verdampferausgang, eine Recheneinheit 18 zum Berechnen eines zweiten Stellwerts W2 für das Expansionsventil 15 anhand des Modells aus dem Verdampferdruck, dem Verflüssigerdruck und kältekreisspezifischen Größen, eine Bestimmungseinheit 19 zum Bestimmen eines dritten Stellwertes W3 für das Expansionsventil 15 durch Verknüpfung des ersten Stellwerts W1 mit dem zweiten Stellwert W2 und eine Stelleinheit 20 zum Einstellen des Expansionsventils 15 auf den dritten Stellwert W3 wird ebenfalls vorgesehen.According to the invention, the chiller additionally has a
Während des Verfahrens zum Regeln einer Kompressionskälteanlage ermittelt die Einheit 14 den Verflüssigerdruck und die Messeinheit 16 misst den Verdampferdruck am Verdampferausgang. Aus dem Verdampfungsdruck wird die Verdampfungstemperatur ermittelt. Die Formel zur Berechnung ist eine formelmäßige Näherung an durch Messungen gefundene Abhängigkeiten bei dem jeweils verwendeten Kältemittel.During the process of controlling a compression refrigeration system, unit 14 determines condenser pressure and measuring
Aus der Verdampfungstemperatur und der Verdampferausgangstemperatur lässt sich die momentane Ist-Überhitzung des Kältemittels ableiten: Aus dem Vergleich der Ist-Überhitzung mit der Soll-Überhitzung wird mittels eines Reglers ein erster Stellwert W1 für das Expansionsventil 15 bestimmt, auf den der Öffnungswinkel des Expansionsventils 15 eingestellt und somit der Kältemittellauf im Kreislauf reguliert wird. Ist die Ist-Überhitzung größer als die Soll-Überhitzung, so soll das Stellorgan auffahren, das heißt das erste Stellsignal wird größer. Ist die Ist-Überhitzung kleiner als die Soll-Überhitzung, so soll das Stellorgan zufahren, das heißt das erste Stellsignal wird kleiner. Der Regler kann dabei als P-, PI-, I- oder PID-Regler ausgeführt sein.From the evaporation temperature and the evaporator outlet temperature, the instantaneous actual overheating of the refrigerant can be derived: From the comparison of the actual overheating with the target overheating, a first control value W 1 for the
Während des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich zu dem ersten Stellwert W1 noch ein zweiter Stellwert W2 und dritter Stellwert W3 ermittelt Dazu wird in der Einheit 17 ein Modell gebildet, welches den Kältemittelmassenstrom am Verdampfereingang mit dem Kältemittelmassenstrom am Verdampferausgang vergleicht In der Recheneinheit 18 wird ein zweiter Stellwert W2 für das Expansionsventil 15 anhand des Modells aus dem Verdampferdruck, dem Verflüssigerdruck und kältekreisspezifischen Größen berechnetDuring the method according to the invention, a second control value W 2 and third control value W 3 are determined in addition to the first control value W 1. A model is formed in the
Die Bestimmungseinheit 19 verknüpft den ersten Stellwert W1 mit dem zweiten Stellwert W2 und bestimmt auf diese Weise einen dritten Stellwert W3, auf dessen Wert das Expansionsventil 15 mittels der Stelleinheit 20 eingestellt wird.The determination unit 19 combines the first control value W 1 with the second control value W 2 and in this way determines a third control value W 3 , to the value of which the
In
In Block B1 erfolgt die Vorbehandlung und Auswertung der Sensorsignale aus dem Kältekreis. Die Sensorsignale werden mittels Tiefpass von Störsignalen (beispielsweise 50 Hz Brumm) befreit, die Fühlerzeitkonstanten werden kompensiert. Weiterhin erfolgt die Berechnung der Ist-Überhitzung aus Verdampferausgangstemperatur und Verdampferdruck sowie die Berechnung des Verflüssigerdrucks aus der Verflüssigertemperatur.In block B1, the pretreatment and evaluation of the sensor signals from the refrigeration circuit. The sensor signals are freed of interference signals (for example 50 Hz hum) by means of low-pass, the sensor time constants are compensated. Furthermore, the actual overheating is calculated from the evaporator outlet temperature and the evaporator pressure and the condenser pressure is calculated from the condenser temperature.
Die Eingangssignale des Blocks B1 sind der Verdampferdruck p0, die Verdichtereingangstemperatur tv1, die Verdampferausgangstemperatur t02 und die Verflüssigerausgangstemperatur tc2.The input signals of the block B1 are the evaporator pressure p 0 , the compressor inlet temperature t v1 , the evaporator outlet temperature t 02 and the condenser outlet temperature t c2 .
Wenn im Kältekreis kein Rekuperator eingebaut ist, sind beide Temperaturen (Verdichtereingangstemperatur tv1 und Verdampferausgangstemperatur t02) gleich, weil der Verdampferausgang unmittelbar an den Verdichtereingang geschaltet ist Wird ein Rekuperator dazwischengeschaltet, erhöht er durch Wärmeabgabe die Kältemitteltemperatur beim Durchgang, und die Überhitzung kann entweder vor oder nach dem Rekuperator geregelt werden, je nach Design der Kältekreisregelung.If no recuperator is installed in the refrigeration circuit, both temperatures (compressor inlet temperature t v1 and evaporator outlet temperature t 02 ) are the same because the evaporator outlet is directly connected to the compressor inlet. When a recuperator is interposed, it will increase the refrigerant temperature as it passes through heat release, and overheating may occur be controlled before or after the recuperator, depending on the design of the refrigeration circuit control.
In Block B3 erfolgt dann mit Hilfe der Prozesswerte aus Block B1 die Vorausberechnung des zweiten Stellsignals für das Expansionsventil mit Hilfe des kältetechnischen Modells.In block B3, the precalculation of the second actuating signal for the expansion valve is then carried out with the aid of the process values from block B1 using the refrigeration model.
In Block B2 wird eine Pendelerkennung des Signals durchgeführt, und zusammen mit Block B5 wird mittels der Prozesswerte aus Block B1 der Arbeitspunkt des Kältekreises bewertet und eine entsprechende Soll-Überhitzung festgelegtIn block B2, a pendulum detection of the signal is performed, and together with block B5 is evaluated by means of the process values from block B1, the operating point of the refrigeration circuit and set a corresponding desired overheating
In Block B4, einem Regler, wird die Regelabweichung der Überhitzung (Differenzbildung von Ist-Oberhitzung ΔTIst und Soll-Überhitzung ΔTSoll) zugeführt und ein von der Regelabweichung beeinflusstes Stellsignal ausgegeben. In diesem Verfahrensschritt berechnet sich der erste StellwertIn block B4, a controller, the control deviation of overheating (subtraction of actual overheating ΔT actual and set overheating ΔT setpoint ) is fed in and in Output signal influenced by the control deviation is output. In this method step, the first control value is calculated
Anschließend wird das zweite Stellsignal mit Hilfe des kältetechnischen Modells mit dem von der Regelabweichung beeinflussten ersten Stellsignal zu einem Gesamtstellsignal verknüpft. In vorteilhafter Weise geschieht dies durch Multiplikation. In diesem Fall ist der durch den Reglerausgang gebildete Faktor = 1, insofern keine Regelabweichung vorliegt.Subsequently, the second actuating signal is linked with the aid of the refrigeration-technical model with the control signal influenced by the first control signal to a total control signal. This is advantageously done by multiplication. In this case, the factor formed by the controller output = 1, insofar as there is no deviation.
Ergibt sich eine Regelabweichung der Überhitzung, ist der durch den Regierausgang gebildete Faktor ungleich 1, und das vorausberechnete Stellsignal wird mit Hilfe des kältetechnischen Modells entsprechend korrigiert Es sind jedoch auch andere mathematische Verknüpfungen wie Addition oder Wichtung möglich.If a control deviation of the overheating results, the factor formed by the control output is not equal to 1, and the precalculated actuating signal is correspondingly corrected with the aid of the refrigeration model. However, other mathematical combinations such as addition or weighting are also possible.
Das vorausberechnete Stellsignal durchläuft Block B6 zur Weiterbehandlung. Hier wird das dritte Stellsignal beispielsweise an die Steuerbereichsgrenzen des Expansionsventils angepasst, und es erfolgt auch eine Begrenzung des Steuersignalanstiegs, um die Zeitkonstante des Kältekreises nicht zu "überfordern". Damit ist gemeint, daß es regelungstechnisch nicht erforderlich ist, wenn die Stellgeschwindigkeit des Stellorgans die Zeitkonstante des Kältekreises um ein Vielfaches (zum Beispiel um einen Faktor von 100) übersteigt In diesem Fall würde bei sehr kurzfristigen Störeinflüssen (EMV, Messsignalschwankungen etc.) ein sehr kurzfristig schwankendes Stellsignal berechnet werden, welches durch die Zeitkonstante des Kältekreises völlig weggedämpft würde, aber das Stellorgan belastet.The precalculated actuating signal passes through block B6 for further processing. Here, the third control signal is adapted, for example, to the control range limits of the expansion valve, and there is also a limitation of the control signal rise, so as not to "overwhelm" the time constant of the refrigerant circuit. This means that it is not necessary control technology, if the positioning speed of the actuator exceeds the time constant of the refrigeration circuit by a multiple (for example, by a factor of 100) In this case, would be at very short-term disturbing influences (EMC, measurement signal fluctuations, etc.) a very short-term fluctuating control signal are calculated, which would be completely damped away by the time constant of the refrigerant circuit, but charged the actuator.
Dies ist besonders vorteilhaft, da das Ventil nicht unendlich schnell verstellt werden kann und der Kälteprozess nicht beliebig schnell reagiert Weiterhin begrenzt Block 6 das Stellsignal auf den physikalischen Stellbereich des Ventils.This is particularly advantageous since the valve can not be adjusted infinitely fast and the cooling process does not react as quickly as desired. Furthermore, block 6 limits the control signal to the physical control range of the valve.
In Block B7 wird in Abhängigkeit des Betriebszustandes ausgewählt, welches Signal als Steuersignal an das Stellorgan weitergeleitet wird. Im Regelbetrieb wird das mathematisch verknüpfte und begrenzte Steuersignal weitergeleitet, wie bereits dargelegt. Weitere Betriebsarten sind der pump-down-Betrieb, eine vorliegende Störung oder der Abtaubetrieb.In block B7 is selected depending on the operating state, which signal is forwarded as a control signal to the actuator. In control mode, the mathematically linked and limited control signal is forwarded, such as already stated. Further operating modes are the pump-down operation, an existing fault or the defrost operation.
Bei einer festgelegten Zeitspanne nach Verdichteranlauf kann es erforderlich sein, dass nur das vorausberechnete Steuersignal an das Stellorgan weitergeleitet wird, weil der Regler aufgrund der stark dynamischen Vorgänge im Kältekreis kein sinnvolles Reglerausgangssignal liefern kann.At a specified time after compressor start, it may be necessary that only the precalculated control signal is forwarded to the actuator, because the controller can not provide a meaningful controller output signal due to the highly dynamic processes in the refrigerant circuit.
Bei Sonderbetriebsarten wie Abtaubetrieb oder Standby wird vorteilhafterweise ein Festwert an das Stellorgan weitergeleitetIn special modes such as defrost or standby advantageously a fixed value is forwarded to the actuator
Block 8 ist eine Auswerteeinheit, mit deren Hilfe das erste Stellsignal bewertet wird. Im Falle einer Kältemittelmangelerkennung wird bewertet, ob das erste Stellsignal in der Betriebsart Regelbetrieb für eine Mindestzeitspanne einen parametrisierten Wert (hier einen Wert >>1) überschreitet In diesem Fall wird ein Kältemittelmangel erkannt, dies zur Anzeige gebracht und gegebenenfalls in Block 7 eine veränderte Verarbeitung des dritten Stellsignals bewirkt, zum Beispiel Notbetrieb.Block 8 is an evaluation unit, with the aid of which the first actuating signal is evaluated. In the case of a refrigerant deficiency detection, it is evaluated whether the first control signal in the operating mode exceeds a parameterized value (here a value >> 1) for a minimum period of time. In this case, a refrigerant deficiency is detected, displayed and, if appropriate, a modified processing in block 7 the third actuating signal causes, for example, emergency operation.
Mit M ist der Stellmotor des Expansionsventils bezeichnet, der mit diesem gekoppelt ist.M is the servomotor of the expansion valve, which is coupled with this.
In
Beispielhaft sind im folgenden vereinfachte Abhängigkeiten für die Vorausberechnung des Stellsignals für ein Expansionsventil eines Kältekreises einer Kompressionskältemaschine beschrieben.By way of example, simplified dependencies for the precalculation of the actuating signal for an expansion valve of a refrigeration circuit of a compression refrigeration machine are described below.
Das Modell basiert auf dem physikalischen Hintergrund, dass in einem Kältekreis im eingeschwungenen Zustand bei konstanten Umgebungsbedingungen der Kältemittelmassenstrom am Verdampfereingang (vom Expansionsventil in den Verdampfer) gleich dem Kältemittelmassenstrom am Verdampferausgang (vom Verdampfer zum Verdichter) istThe model is based on the physical background that the refrigerant mass flow at the evaporator inlet (from the expansion valve to the evaporator inlet) in a steady state refrigeration cycle at constant ambient conditions Evaporator) is equal to the refrigerant mass flow at the evaporator outlet (from the evaporator to the compressor)
Zu der Modellbildung werden hierzu die beiden Kältemittelmassenströme mit ihren jeweiligen Einflussgrößen, die im Kältekreis gemessen werden, gleichgesetzt. Weiterhin fließen physikalische Abhängigkeiten in Verdichter und Expansionsventil in die Modellbildung mit ein.To model this, the two refrigerant mass flows are equated with their respective influencing variables, which are measured in the refrigerant circuit. Furthermore, physical dependencies in the compressor and expansion valve are included in the modeling.
Der Massenstrom am Verdampferausgang ist vom Förderverhalten des Verdichters abhängig. Dieser wird maßgeblich von den Kältemitteldrücken auf der Hochdruck- und Niederdruckseite des Kältekreislaufs sowie vom dadurch beeinflussten Liefergrad bestimmt. Im Faktor const1 ist die bauartbedingte Förderleistung für das verwendete Kältemittel des Verdichters parametrisiert. Dies bezieht sich auf einen charakteristischen Arbeitspunkt, für andere Arbeitspunkte werden Abweichungen toleriert, die üblicherweise einem Verdichterdatenblatt zu entnehmen bzw. durch Labormessungen zu ermitteln sind.The mass flow at the evaporator outlet depends on the delivery behavior of the compressor. This is largely determined by the refrigerant pressures on the high-pressure and low-pressure sides of the refrigeration cycle and the degree of delivery influenced by them. The factor const 1 parameterizes the design-related delivery rate for the refrigerant used in the compressor. This refers to a characteristic operating point, for other operating points deviations are tolerated, which are usually taken from a compressor data sheet or to be determined by laboratory measurements.
Als Formel zur Berechnung des Ansaugmassenstroms des Verdichters aus dem Verdampferdruck p0 und dem Verflüssigerdruck pc unter Einbeziehung des Liefergradverlaufs (fiktive liniearisierte Liefergradkurve) gilt:
Der Massenstrom am Verdampfereingang ist vom Massendurchsatz am Expansionsventil abhängig. Dieser wird maßgeblich von den Kältemitteldrücken auf der Hochdruck- und Niederdruckseite sowie vom mittleren Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils bestimmt. Der Öffnungsquerschnitt wird bei elektronischen Expansionsventilen über eine Steuerung oder Regelung angesteuert. Im Faktor const2 ist der Massendurchsatz des Expansionsventils für das verwendete Kältemittel parametrisiert. Dies bezieht sich auf einen charakteristischen Arbeitspunkt, für andere Arbeitspunkte werden Abweichungen toleriert.The mass flow at the evaporator inlet depends on the mass flow rate at the expansion valve. This is determined by the refrigerant pressures on the high pressure and low pressure side as well as by the central opening cross section of the expansion valve certainly. The opening cross-section is controlled by a control or regulation in the case of electronic expansion valves. The factor const 2 parameterizes the mass flow rate of the expansion valve for the refrigerant used. This refers to a characteristic operating point, for other operating points deviations are tolerated.
Als Formel zur Berechnung des Massenstroms an der Düse aus dem Verdampferdruck p0, dem Verflüssigerdruck pc und dem Düsenquerschnitt des Expansionsventils gilt:
In einem Kältekreis ist im eingeschwungenen Zustand bei konstanten Umgebungsbedingungen der Kältemittelmassenstrom am Verdampfereingang gleich dem Kältemittelmassenstrom am Verdampferausgang. Daraus folgt
Gleichsetzen der Formeln für die Massenströme und Auflösung nach dem Düsenquerschnitt als Stellgröße ergibt
Der Zusammenhang zwischen Düsenquerschnitt und Steuersignal für ein Expansionsventil mit konischer Düsennadel besteht in:
Im folgenden ist beschrieben, wie in Abhängigkeit einer beispielhaften Ventilkennlinie mit Offset der Düsenquerschnitt durch einen Stellschritt ersetzt werden kann.
Der Faktor des Verdichterliefergrads und der Zusammenhang zwischen Düsenquerschnitt und Steuersignal für ein Expansionsventil lässt sich näherungsweise in ExpVentilkennilrde und in const integrieren:
Der Verdampferdruck und der Verflüssigerdruck werden als Prozessgrößen im Kältekreis gemessen. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform lässt sich der Verflüssigerdruck mittels Kältemitteldaten aus der Verflüssigertemperatur berechnen.The evaporator pressure and condenser pressure are measured as process variables in the refrigerant circuit. In a further embodiment according to the invention, the condenser pressure can be calculated from the condenser temperature by means of refrigerant data.
Als Fixgrößen gehen in das Modell ein: der Exponent Exp, der Offset und die kältekreisspezifische Konstante const, wobei diese Fixgrößen von den jeweiligen Komponenten eines Kältekreises abhängig sind. Als feste Größe geht der Offset des Expansionsventils ein, der die Anzahl der Stellschritte bis zum ersten Öffnen beschreibt. Der Exponent bildet sowohl die Funktion des Düsenquerschnitts über den Stellgrad als auch die Funktion des Liefergrades des Verdichters ab. Durch die durch den Exponenten gebildete Exponentialfunktion werden die kältekreiskomponenten-spezifischen Funktionen angenähert.As fixed variables enter into the model: the exponent Exp, the offset and the cold-circle-specific constant const, these fixed variables are dependent on the respective components of a refrigeration circuit. As a fixed size, the offset of the expansion valve, which describes the number of steps until the first opening. The exponent maps both the function of the nozzle cross section over the output level and the function of the delivery rate of the compressor. The exponential function formed by the exponent approximates the refrigeration cycle component-specific functions.
Die Parametrisierung des Modells erfolgt dabei über eine einzige kältekreisabhängige Konstante const Diese Kenngröße bildet die Summe der Parameter in Verdichter, Verflüssiger, Expansionsventil und Verdampfer, welche durch Labormessungen oder Berechnung bestimmt wird. Als weitere vorteilhafte Ausführungsform kann die kältekreisspezifische Konstante const im Betrieb des Kältekreises so adaptiert werden, dass die Berechnung der Expansionsventilschritte aufgrund des Kältekreismodells immer genauer wird.The parameterization of the model is carried out by a single constant of the refrigeration circuit const. This parameter forms the sum of the parameters in the compressor, condenser, expansion valve and evaporator, which is determined by laboratory measurements or calculation. As a further advantageous embodiment, the cold-zone-specific constant const during operation of the refrigeration circuit be adapted so that the calculation of the expansion valve steps due to the refrigeration cycle model is becoming more accurate.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist es, die beispielsweise in Laborversuchen ermittelte kältekreisspezifische Konstante const im Laufe des Betriebes so zu adaptieren, dass das mit Hilfe des kältetechnischen Modells unter Einbeziehung der Konstante const gewonnene Steuersignal sich optimal an den Kälteprozess anpasst In diesem Fall sind die durch eine Regelabweichung nötigen Korrekturen des Reglers in Block B4 minimal, die Regelung erfolgt sehr exakt.A further advantageous embodiment of the method is to adapt the cold-cycle-specific constant const ascertained for example in laboratory tests in the course of operation so that the control signal obtained with the aid of the refrigeration model including const constant optimally adapts to the refrigeration process by a control deviation necessary corrections of the controller in block B4 minimal, the control is very accurate.
Weiterhin kann aus dem Verhalten des geschlossenen Regelkreises ein Rückschluss auf vorliegenden Kältemittelmangel gezogen werden. Die im kältetechnischen Modell beschriebenen Zusammenhänge basieren auf der Annahme, dass eine zum Betrieb des Kältekreises ausreichende Menge an Kältemittel vorhanden ist. Entweicht Kältemittel z.B. durch Leckagen oder ist der Kältekreis vor Inbetriebnahme oder nach Komponentenwechsel unzureichend gefüllt, ist zur Einstellung der Überhitzung in bestimmten Betriebspunkten eine vom kältetechnischen Modell abweichende Stellgröße des Expansionsventils erforderlich.Furthermore, conclusions about the lack of refrigerant can be drawn from the behavior of the closed control loop. The relationships described in the refrigeration model are based on the assumption that there is sufficient refrigerant to operate the refrigeration cycle. If refrigerant escapes, e.g. due to leaks or if the refrigerant circuit is insufficiently filled before commissioning or after a component change, a control value of the expansion valve deviating from the refrigeration model is required to set the overheating at certain operating points.
Dies äußert sich im Betrieb darin, dass das durch das kältetechnische Modell vorgegebene Steuersignal (Block B3) durch den Regler (Block B4) in stärkerem Maße korrigiert werden muss. Dies wiederum hat zur Folge, dass zur Einstellung der Soll-Überhitzung ein weit größeres Stellsignal erforderlich ist als vorausberechnet, d.h. bei multiplikativer Verknüpfung der Steuersignale ist das Reglerausgangssignal bei eingeschwungenem Regelkreis wesentlich größer als 1.This manifests itself in operation in that the control signal (block B3) predefined by the cooling-technical model has to be corrected to a greater extent by the controller (block B4). This in turn means that setting the desired overheating requires a much larger actuating signal than predicted, ie. with multiplicative connection of the control signals, the controller output signal is substantially greater than 1 when the control loop is steady.
Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der ein Kältemittelmangel erkannt und entsprechende Maßnahmen ausgelöst werden, wenn im eingeschwungenen Zustand des Regelkreises im Regelbetrieb das Stellsignal, welches das Ausgangssignal des Überhitzungsreglers ist, für eine festgelegte Zeit über einen festgelegten Wert erkannt wird.Particularly advantageous is an embodiment of the method according to the invention, in which a lack of refrigerant detected and appropriate measures are triggered when in the steady state of the control loop in the control mode, the control signal, which is the output of the superheat controller is detected for a set time above a predetermined value.
Das Expansionsventil in einer bevorzugten Ausführungsform kann je nach Betriebsmodus auf jeden der drei Stellwerte angepasst werden, um die Funktionsweise dem jeweiligen Betrieb optimal anzupassen.The expansion valve in a preferred embodiment can be adapted to each of the three control values, depending on the operating mode, in order to optimally adapt the mode of operation to the respective operation.
Obwohl gemäß den
Die Funktionsweise einer Kompressionskälteanlage gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist schematisch in
Die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Kältemittel ermöglicht einen Wärmestrom zum Verdampfer 111. Anschließend wird der Kältemitteldampf vom Kompressor 112 angesaugt und komprimiert. Die Temperatur des Kältemittels wird dabei Ober das Temperaturniveau der Wärmeverteilung "gepumpt". Am Verflüssiger 113 liegt wieder eine Temperaturdifferenz vor und es kommt zu einem Wärmestrom. zur Wärmeverteilung. Das unter Hochdruck stehende Kältemittel kühlt wieder ab, kondensiert und wird über ein Expansionsventil 115 entspannt. Der gesamte Vorgang erfolgt erneut und befindet sich dadurch in einem Kreisprozess.The temperature difference between the heat source and the refrigerant allows a heat flow to the
Die erfindungsgemäße Kältemaschine weist darüber hinaus eine Messeinheit 116 zum Messen des Verdampferausgangsdrucks, eine Bestimmeinheit 117 zum Berechnen einer Tautemperatur aus dem Verdampferausgangsdruck, eine erste Bestimmungseinheit 118 zum Bestimmen einer ersten Differenz aus der Tautemperatur und einem Tautemperaturreferenzwert, eine zweite Bestimmungseinheit 119 zum Bestimmen einer zweiten Differenz aus dem Verdampferausgangsdruck und einem Abschaltdruck, und eine Abtaueinheit 120 zum Einleiten eines Abtauvorgangs. falls die erste Differenz einen Temperaturgrenzwert übersteigt, und zum Beenden des Abtauvorgangs, falls die zweite Differenz einen Druckgrenzwert unterschreitet, auf.The refrigerating machine according to the invention further comprises a measuring
Die Messvorrichtung 116 erfasst am Ausgang des Verdampfers 111 den Druck des Kältemittels, welches vom Verdampfer zum Kompressor geleitet wird. Aus diesem gemessenen Verdampferausgangsdruck wird in der Bestimmeinheit 117 die Tautemperatur berechnet, die wiederum in weitere Rechenoperationen einfließt. Die Recheneinheit kann weitere Rechenschritte durchführen, wie es unten im Ablaufschema in
In der Bestimmungseinheit 118 wird eine erste Differenz aus der in der Bestimmeinheit 117 berechneten Tautemperatur und einem Tautemperaturreferenzwert ermittelt Übersteigt diese erste Differenz einen Temperaturgrenzwert, so leitet die Abtaueinheit 120 den Abtauvorgang für den Verdampfer ein. Das Ablaufdiagramm von
In der Bestimmungseinheit 119 wird eine zweite Differenz aus dem Verdampferausgangsdruck und einem Abschaltdruck gebildet. Die Abtaueinheit 120 beendet den Abtauvorgang, falls die zweite Differenz einen Druckgrenzwert unterschreitet. Dieser Verfahrensschritt wird anhand von
In
Um die Rechenschritte durchführen zu können, werden als Eingangsgrößen folgende Werte benötigt:
- die aktuelle Verdampfertemperatur θ0, die aus dem gemessenen Verdampferausgangsdruck berechnet wird,
- die maximale Amplitudentemperatur θmax_amp,n.
- die minimale Amplitudentemperatur θmin_amp,n und
- die Mitteltemperatur θmittel_n.
- the actual evaporator temperature θ 0 , which is calculated from the measured evaporator outlet pressure,
- the maximum amplitude temperature θ max_amp, n .
- the minimum amplitude temperature θ min_amp, n and
- the mean temperature θ middle_n .
Mittels der Rechenschritte werden die Temperaturen θi,n+1 des Folgezyklus aus den Größen θi,n des aktuellen Zyklus berechnet, wobei die Mitteltemperatur θmittel,n+1 die wesentliche Größe ist, um einen Abtaubedarf zu erkennen. Weiterhin gehen CAb als Faktor für das Abklingen des Signals und CAuf als Faktor für das Aufklingen des Signals mit in die Rechnung ein.By means of the calculation steps, the temperatures θ i, n + 1 of the following cycle are calculated from the variables θ i, n of the current cycle, wherein the mean temperature θ middle, n + 1 is the essential quantity to detect a defrost requirement. Furthermore, C Ab as a factor for the decay of the signal and C on as a factor for the sounding of the signal into the calculation.
Die Faktoren CAb und CAuf werden folgendermaßen bestimmt. Allgemein gilt, dass die Faktoren so zu dimensionieren sind, dass im Falle eines zyklischen Schwankens der Überhitzung, also eines Pendelns, die minimale und die maximale Amplitudentemperatur die periodischen Maxima und die periodischen Minima der Überhitzung abbilden. Klingt das Schwingen ab, so sollen sich die minimale und die maximale Amplitudentemperatur den periodisch abklingenden Minima und Maxima der Überhitzung anpassen.The factors C Ab and C Auf are determined as follows. In general, the factors are to be dimensioned so that in the case of a cyclic fluctuation of the overheating, ie a pendulum, the minimum and the maximum amplitude temperature reflect the periodic maxima and the periodic minima of overheating. If the oscillation stops, the minimum and maximum amplitude temperature should be adapted to the periodically decaying minima and maxima of overheating.
Der Faktor CAuf ist so zu dimensionieren, dass die minimale und die maximale Amplitudentemperatur dem Gradient einer schwankenden Überhitzung so folgen kann, dass den Maxima und Minima nahezu ungedämpft gefolgt werden kann.The factor C Auf is to be dimensioned so that the minimum and maximum amplitude temperature can follow the gradient of fluctuating overheating so that the maxima and minima can be followed almost unattenuated.
Die Zeitkonstante für das Aufklingen sollte ein Bruchteil der Schwingungszeitkonstante des Pendelns sein, beispielsweise ein Viertel von dieser.The time constant for the fade should be a fraction of the oscillation time constant of commuting, for example a quarter of this.
Der Faktor CAb ist so zu dimensionieren, dass die minimale und die maximale Amplitudentemperatur zwischen zwei Maxima beziehungsweise Minima zu einem großen Teil erhalten bleibt und nicht komplett abklingt, sodass mit beiden Amplitudentemperaturen eine Einhüllende beschrieben wird. Die Zeitkonstante für das Aufklingen sollte ein Vielfaches der Schwingungszeitkonstante des Pendels sein, beispielsweise das Doppelte von dieser.The factor C Ab is to be dimensioned so that the minimum and the maximum amplitude temperature between two maxima or minima is largely retained and does not completely decay, so that an envelope is described with both amplitude temperatures. The time constant for the fade should be a multiple of the swing time constant of the pendulum, for example, twice this.
Die Schwingungszeitkonstante des Pendelns beträgt je nach Kältekreis ca. 2 bis 10 Minuten. Sind die Zeitkonstanten für Auf- und Abklingen dimensioniert, lassen sich ja nach Regleriterationszeit die Faktoren berechnen.The oscillation time constant of oscillation is approx. 2 to 10 minutes, depending on the cooling circuit. If the time constants are dimensioned for fading up and down, the factors can be calculated after the controller iterative time.
Die maximale Amplitudentemperatur θmax_amp,n. die Mitteltemperatur θmittel,n und CAb gehen als Faktoren für das Abklingen des Signals in die Berechnung einer Temperatur T1 ein:
Die aktuelle Verdampfertemperatur θ0, die maximale Amplitudentemperatur θmax_amp,n und CAuf gehen als Faktoren für das Aufklingen des Signals in die Berechnung einer Temperatur T3 ein:
Die maximale Amplitudentemperatur für ein abklingendes und ein aufklingendes Signal wird ermittelt. Ist die aktuelle Verdampfungstemperatur größer als die maximale Amplitudentemperatur, so nähert sie sich dem momentanen Wert der Verdampfungstemperatur mit dem Faktor CAuf, gleichzeitig nähert sie sich der Mitteltemperatur mit dem Faktor CAb:
Analoge Rechenschritte werden durchgeführt, um die minimale Amplitudentemperatur zu ermitteln. Die minimale Amplitudentemperatur θmin_amp,n, die Mitteltemperatur θmittel,n und CAb gehen als Faktoren für das Abklingen des Signals in die Berechnung einer Temperatur T2 ein:
Die aktuelle Verdampfertemperatur θ0, die minimale Amplitudentemperatur θmin_amp,n und CAuf gehen als Faktoren für das Aufklingen des Signals in die Berechnung einer Temperatur T4 ein:
Schließlich wird die minimale Amplitudentemperatur ermittelt Ist die aktuelle Verdampfungstemperatur kleiner als die minimale Amplitudentemperatur, so nähert sie sich dem momentanen Wert der Verdampfungstemperatur mit dem Faktor CAuf, gleichzeitig nähert sie sich der Mitteltemperatur mit dem Faktor CAb:
Aus den berechneten Werten für die minimale und die maximale Amplitudentemperatur berechnet sich die Mitteltemperatur T5. Der Mittelwert berechnet sich aus dem Mittelwert von maximaler und minimaler Amplitudentemperatun:
Mit der berechneten Mitteltemperatur und zusätzlichen Referenzgrößen lässt sich der Abtaubedarf einer Kältemaschine erkennen. Dabei ist T5 die gemittelte Temperatur θmittel.With the calculated mean temperature and additional reference variables, the defrosting requirement of a chiller can be identified. In this case, T 5 is the mean temperature θ medium .
In
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst der Verdampferausgangsdruck gemessen und aus diesem die Tautemperatur berechnet. Die Tautemperatur wird daraufhin gemäß dem Ablaufdiagramm in
Ein Abtaubedarf wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erkannt, dass eine erste Differenz aus einer gemittelten Tautemperatur und einem Tautemperaturreferenzwert einen Temperaturgrenzwert übersteigt Der Tautemperaturreferenzwert lässt sich ermitteln aus der Mitteltemperatur.A defrost requirement is recognized in the method according to the invention in that a first difference between an averaged taut temperature and a taut temperature reference value exceeds a temperature limit value. The taut temperature reference value can be determined from the mean temperature.
Der Wert von dem Temperaturreferenzwert θref_max entspricht vorzugsweise dem maximalen Wert der Mitteltemperaturen des aktuellen Heizzyklus. Zu Beginn des Heizzyklus ist die Maximalwertbildung inaktiv, da der Kühlkreislauf noch nicht eingeschwungen ist und die Amplituden unverhältnismäßig groß sind:
Als Eingangsgrößen gehen in das in
In diesem Verfahrensschritt wird also nach der anfänglichen Sperrzeit die bis zu dem Zeitpunkt t maximale gemittelte Tautemperatur als der Tautemperaturreferenzwert gesetzt.In this method step, therefore, after the initial blocking time, the maximum averaged taut temperature up to the time t is set as the taut temperature reference value.
Der aus dem Verfahrensschritt S31 bestimmte Tautemperaturreferenzwert θref_max und die gemittelte Tautemperatur θmittel gehen in den Verfahrensschritt S32 ein, in dem die Differenz dieser beiden Größen berechnet und mit einem Tautemperaturgrenzwert TGrenz verglichen wird:
Wenn die Differenz also größer ist als ein Temperaturgrenzwert, wird Verfahrensschritt 33 eingeleitet Dieser Verfahrensschritt enthält eine Schleife, die prüft, wie oft die Differenz aus Schritt S32 den Temperaturgrenzwert TGrenz überschritten hat Der Abtauprozess in Schritt S34 wird eingeleitet, wenn Schritt S33 mindestens einmal, in einer bevorzugten Ausführungsform fünfmal, die positive Information aus Schritt S32 erhalten hatIf the difference is thus greater than a temperature limit, method step 33 is initiated. This method step contains a loop which checks how often the difference from step S32 has exceeded the temperature limit T limit. The defrost process in step S34 is initiated if step S33 is initiated at least once. in a preferred embodiment, five times having received positive information from step S32
In Bereich I steigt die Temperatur auf "Schmelzdruck", II bezeichnet das Temperaturplateau auf "Schmelzdruck" und in III ist der Temperaturanstieg nach Abtauung gezeigt. Erreicht der Druck den Abschaltdruck, der um etwa 2 bar über dem der Schmelztemperatur des Eises entsprechenden Verdampferausgangsdruck liegt, wird die Abtauung beendet.In zone I the temperature rises to "melt pressure", II the temperature plateau refers to "melt pressure" and in III the temperature rise after defrosting is shown. If the pressure reaches the switch-off pressure, which is about 2 bar above the evaporator outlet pressure corresponding to the melting temperature of the ice, the defrost is ended.
Gemäß einem Aspekt des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Regeln eines Abtauvorgangs eines Verdampfers einer Kältemaschine (wie beispielsweise einer Kältemaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel) vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unabhängig von der Kältemaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel betrieben werden. Dazu wird ein Verdampferausgangsdruck gemessen. Eine Tautemperatur wird basierend auf dem Verdampferausgangsdruck bestimmt. Eine erste Differenz aus der ersten Tautemperatur und einem Tautemperaturreferenzwert wird bestimmt Ein Abtauvorgang wird eingeleitet, falls die erste Differenz einen Temperaturgrenzwert übersteigt. Der Abtauvorgang erfolgt durch Bestimmen einer zweiten Differenz aus dem Verdampferausgangsdruck und einem Abschaltdruck und durch Beenden des Abtauvorgangs, falls die zweite Differenz einen Druckgrenzwert unterschreitetAccording to one aspect of the second embodiment of the present invention, there is provided a method of controlling a defrosting operation of an evaporator of a refrigerating machine (such as a refrigerating machine according to the first embodiment). Alternatively or additionally, the method according to the second embodiment can be operated independently of the refrigerating machine according to the first embodiment. For this purpose, an evaporator outlet pressure is measured. A teat temperature is determined based on the evaporator outlet pressure. A first difference from the first teat temperature and a tau temperature reference value is determined. A defrost operation is initiated if the first difference exceeds a temperature limit. Defrosting is accomplished by determining a second difference from the evaporator outlet pressure and a shutoff pressure and terminating defrost if the second difference is less than a pressure threshold
Der Verdampferausgangsdruck zeigt einen für den Kältekreislauf charakteristischen zeitlichen Verlauf, aus der auf eine nicht leistungsoptimierte Funktionsweise geschlossen werden kann. Aus dem Verdampferausgangsdruck lässt sich die Tautemperatur berechnen. Wenn die Oberflächenstruktur des Verdampfers vereist, verschlechtert sich der Wirkungsgrad, der Verdampferdruck sinkt und somit auch die berechnete Tautemperatur. Übersteigt die Differenz der berechneten Tautemperatur und einer Referenztemperatur einen Temperaturgrenzwert, lässt sich ein Abtaubedarf feststellen und ein Abtauvorgang einleiten. Während des Abtauvorgangs wird der Verdampferausgangsdruck weiterhin beobachtet und mit einem Abschaltdruck verglichen. Falls die Differenz dieser beiden Drücke hinreichend klein wird, ist die Verdampferoberfläche ausreichend enteist und der Abtauvorgang wird beendet.The evaporator outlet pressure shows a characteristic of the refrigeration cycle over time, from which can be concluded on a non-performance optimized operation. The dew temperature can be calculated from the evaporator outlet pressure. If the surface structure of the evaporator ices up, the efficiency deteriorates, the evaporator pressure drops and thus also the calculated peat temperature. If the difference between the calculated peat temperature and a reference temperature exceeds a temperature limit, a defrost requirement can be detected and a defrost process initiated. During defrost, the evaporator outlet pressure is still monitored and compared to a shutdown pressure. If the difference between these two pressures becomes sufficiently small, the evaporator surface is sufficiently defrosted and the defrosting operation is terminated.
Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, dass eine deutlich erhöhte Erkennungssicherheit gegeben ist. Die Berechnung erfolgt vorzugsweise regelmäßig während des Betriebes der Kältemaschine, wodurch auch Temperatursprünge der Außenluft schnell genug wahrgenommen werden können und dementsprechend reagiert wird. Bei Verwendung von Druckfühlern wird zudem eine minimale Trägheit im Erkennungsprozess unter einem geringen Abtauenergiebedarf gewährleistetThe advantages of this method are that a significantly increased detection reliability is given. The calculation is preferably carried out regularly during the operation of the chiller, which also temperature jumps of the outside air can be perceived quickly enough and is responded accordingly. When using pressure sensors, a minimum inertia in the detection process is ensured under a low defrost energy requirement
Die Bauteile im Kreislauf der Kältemaschine können weiterverwendet werden, ohne dass sie gegen teure und empfindliche elektronische Einheiten ausgetauscht werden müssen.The components in the circuit of the chiller can be reused without having to be exchanged for expensive and sensitive electronic units.
Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Ausführungsform, bei der die erste Tautemperatur aus einer Differenz aus einer zweiten Tautemperatur und einer Außentemperatur berechnet wird, wobei die zweite Tautemperatur aus dem Verdampferausgangsdruck berechnet wird und die Außentemperatur gemessen wird. Dadurch wird das zeitliche Verhalten der Tautemperatur relativ zu der Außentemperatur bewertetParticularly preferred in the inventive method according to the second embodiment is an embodiment in which the first taut temperature is calculated from a difference between a second tau temperature and an outside temperature, wherein the second tau temperature is calculated from the evaporator outlet pressure and the outside temperature is measured. This evaluates the temporal behavior of the peat temperature relative to the outside temperature
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Temperaturgrenzwert, der Abschaltdruck und der Druckgrenzwert für eine bestimmte Anlage fest definiert. Sie können jedoch auch z.B. besonderen äußeren Bedingungen anpassbar sein, insbesondere über manuelle Einstellung oder eine Adaptionsvorrichtung.In a preferred embodiment, the temperature limit, cut-off pressure and pressure limit are fixedly defined for a particular installation. However, they may also be e.g. be adaptable to special external conditions, in particular via manual adjustment or an adaptation device.
Vorzugsweise ist der Tautemperaturreferenzwert bestimmt durch die maximale gemittelte Tautemperatur, um ein adaptives Verfahren zu gewährleisten.Preferably, the tew temperature reference value is determined by the maximum averaged taut temperature to ensure an adaptive method.
Um den optimalen Punkt zum Beenden des Abtauvorganges zu bestimmen, wird während des Abtauvorgangs der Verdampferausgangsdruck mit einem Abschaltdruck verglichen. Der Abschaltdruck liegt um 1 bis 3 bar, vorzugsweise um 2 bar, über dem der Schmelztemperatur des Eises entsprechenden Verdampferausgangsdruck.In order to determine the optimum point for terminating the defrosting operation, during the defrosting operation, the evaporator outlet pressure is compared with a shutdown pressure. The switch-off pressure is around 1 to 3 bar, preferably around 2 bar, above the evaporator outlet pressure corresponding to the melting temperature of the ice.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abtaubedarfserkennung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist lediglich eine Messung des Verdampferaustrittdrucks erforderlich, woraus die restlichen zur Auswertung erforderlichen Daten bestimmt werden.In the defrost detection method according to the second exemplary embodiment, only one measurement of the evaporator outlet pressure is required, from which the remaining data required for the evaluation are determined.
Claims (8)
- Process for the control of a compression refrigeration machine with a refrigerant medium, an evaporator (11), a pressure-increase unit (12), a condenser (13) and a throttling element (15) with the steps:a)
Measurement of the evaporator pressure and the refrigerant medium temperature at the evaporator outlet
Calculation of the evaporation temperature from the evaporator pressure and refrigerant-medium-specific data
Determination of an actual overheating of the refrigerant medium at the evaporator outlet from the difference of the refrigerant medium temperature and the evaporation temperature
Determination of the deviation of the actual overheating from a setpoint overheating and
Determination of an initial setting value for the throttling element, dependent on the deviation of the actual overheating from the setpoint overheating,b) Determination of the condenser pressurec) Measurement of the evaporator pressured) Formation of a comparative model of the refrigerant-medium mass-flow at the evaporator input with the refrigerant-medium mass-flow at the evaporator outlete) Calculation of a second setting value for the throttling element (15) by means of the model, into which the evaporator pressure and the condenser pressure are integrated as process variables, as well as an offset of the throttling element, a refrigeration-cycle-specific constant and an exponent as refrigeration-cycle-specific variablesf) Determination of a third setting value for the throttling element (15) by linking the first setting value with the second setting value andg) Adjustment of the throttling element (15) to the third setting value. - Process according to Claim 1,
characterised in that the condenser temperature is measured and the condenser pressure calculated from the condenser temperature. - Process according to one of the above claims,
characterised in that the condenser pressure is measured. - Process according to one of the previous claims, where a defrosting procedure is implemented for an evaporator (11) of a refrigeration machine, with the following steps:a) Measurement of the evaporator outlet pressure,b) Determination of an initial dew temperature based on the evaporator outlet pressure,c) Determination of an initial difference from the first dew temperature and a dew temperature reference value,d) Initiation of a defrosting procedure, if the first difference exceeds a temperature limit value, where the defrosting procedure includes the following steps:d1) Determination of a second difference from the evaporator outlet pressure and a switch-off pressure,d2) Termination of the defrosting procedure if the second difference falls below a pressure limit value.
- Process according to Claim 4,
characterised in that the initial dew temperature is calculated from a difference from a second dew temperature and an outside temperature, where the second dew temperature is calculated from the evaporator outlet pressure and the outside temperature is measured. - Process according to one of the Claims 4 to 5,
characterised in that the initial dew temperature integrated into the differential formation in Step c) is a temperature determined from at least two dew temperatures calculated in Step b). - Process according to one of the Claims 4 to 6,
characterised in that Steps a) to d2) are implemented regularly, in particular continuously. - Process according to one of the Claims 4 to 7,
characterised in that the temperature limit value is fixed-specified.
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