EP3922925A1 - Compression cooling system and method for operating a compression cooling system - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for operating a compression refrigeration system and an associated compression refrigeration system with a refrigerant, an evaporator, a compressor, a condenser, a throttle element, an internal heat exchanger for transferring thermal energy of the refrigerant before it enters the throttle element to the refrigerant before it enters the Compressor, and a control unit for detecting overheating of the refrigerant when it enters the compressor, the overheating being defined as a difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant, and for regulating the throttle element based on the overheating,
- Such compression refrigeration systems for example in the form of heat pumps, with a vapor compression system in which a gaseous refrigerant is compressed from a low pressure to a high pressure by a compressor controlled by means of the control unit, which for example has a regulator, are known.
- the refrigerant is driven through the condenser, in which it gives off heat to a heating medium located in a heat sink system.
- Internal heat is transferred in an internal heat exchanger, for example in the form of a recuperator, between the refrigerant flowing under high pressure from the condenser to the expansion valve and the refrigerant flowing from the evaporator to the compressor under low pressure.
- the refrigerant is guided further in a high-pressure flow direction to an expansion valve controlled by the regulator, in which the refrigerant is expanded from high pressure to low pressure as a function of a control value.
- the refrigerant at the low pressure evaporates in the evaporator when it absorbs source heat.
- recuperator in a refrigeration machine, in particular in a heat pump, which is intended to increase the heating power in a structurally simple manner at low outside temperatures.
- the recuperator is dimensioned in such a way that at low evaporation temperatures it transfers at least around 15% of the heat output of the heat pump from the liquid refrigerant to the gaseous refrigerant.
- An injection valve injects liquid refrigerant into the compressor so that the compression end temperature remains below 120 ° C.
- a heat pump system with a refrigerant circuit is off DE 10 2005 061 480 B3 known. It is equipped with a compressor, a first heat exchanger, a throttle element, an evaporator and a 4-2-way valve unit for switching between a first (heating) and a second operating mode (cooling).
- a direction of flow of the refrigerant in the refrigerant circuit can be switched so that the first heat exchanger is used to liquefy the refrigerant in the first operating mode and to evaporate the refrigerant in the second operating mode, and the second heat exchanger in the first operating mode to evaporate the refrigerant and in the second operating mode is used to liquefy the refrigerant, the first heat exchanger in the refrigerant circuit being connected in such a way that it works as a countercurrent heat exchanger in the two operating modes heating and cooling.
- a refrigeration circuit with a refrigerant, an evaporator, a compressor, a condenser and a throttle device
- energy from the environment for example outside air in air / water heat pumps or brine in brine / water heat pumps
- the refrigerant is compressed in the compressor with the aid of electrical energy and then is when the refrigerant is liquefied
- energy is transferred to the working medium of a heat sink circuit, for example a heating circuit and / or a hot water charging circuit, at a comparatively high temperature level.
- an increase in pressure of the gas for example as a result of the compression of the gaseous refrigerant in the compressor, is accompanied by an increase in temperature.
- the gas temperature before compression also has an influence on the gas temperature after compression; an increase in gas temperature before compression is approximately also associated with an increase in gas temperature after compression.
- hot gas temperatures at the outlet of the compressor must not be exceeded, whereby these temperatures can be defined as absolute, i.e. applicable to all operating states, or relatively, i.e. depending on the operating state.
- a method for regulating a compression refrigeration system with a refrigeration circuit with a refrigerant, an evaporator, a compressor, a Condenser, a throttle element, an internal heat exchanger for the transfer of thermal energy of the refrigerant before entry into the throttle element to the refrigerant before entry into the compressor, and a control unit a) for detecting overheating of the refrigerant when entering the compressor, the overheating as a The difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant is defined, and b) for regulating the throttle element based on the overheating is proposed.
- the method comprises the following steps: determining a first target superheating of the refrigerant when entering the compressor, the first target superheating maximizing the efficiency of the compression refrigeration system as a function of an operating point of the compression refrigeration system, determining a second target superheating of the refrigerant when entering the compressor on the basis of a maximum permissible hot gas temperature at the outlet of the compressor, and regulating the throttle element on the basis of the lower value from the first setpoint superheat and the second setpoint superheat.
- the second setpoint overheating is preferably determined based on a refrigeration model that establishes a relationship between the overheating at the inlet of the compressor and the hot gas temperature at the outlet of the compressor.
- the second target overheating can, for example, be continuously calculated, in particular on the basis of measured values and / or parameters of the compression refrigeration system, or also be provided for all operating points in the form of a table or the like. As a result, the data processing effort can be kept low during operation.
- the refrigeration model preferably contains at least the following input variables: low pressure, high pressure, speed of the compressor, or the following input variables: dew point temperature in low pressure, boiling point temperature in high pressure, speed of the compressor.
- the refrigeration model preferably comprises a linear function of quadratic order of the boiling point temperature in high pressure and the dew point temperature in low pressure.
- the maximum permissible hot gas temperature at the outlet of the compressor is preferably defined as a temperature which is below a hot gas temperature limit defined for the compressor, in particular defined by the manufacturer.
- the throttle element is preferably also regulated based on a currently measured hot gas temperature.
- model-based calculation can be incorrect with regard to the time behavior, with regard to tolerances in the acquisition and processing of the included process values, component tolerances (compressor, refrigerant) and / or environmental conditions, e.g. engine room temperature, so that a correction of this calculation based on a recording and inclusion of the actual hot gas temperature is helpful.
- the task is achieved by a compression refrigeration system with a refrigeration circuit with a refrigerant, an evaporator, a compressor, a condenser, a throttle element, an internal heat exchanger for the transfer of thermal energy of the refrigerant before it enters the throttle element to the refrigerant before it enters the Compressor, and a control unit a) for detecting overheating of the refrigerant upon entry into the compressor, the overheating being defined as a difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant, and b) for regulating the throttle element based on the overheating released, the The control unit is designed to: determine a first setpoint overheating of the refrigerant when it enters the compressor, the first setpoint overheating as a function of an operating point of the compression refrigeration system maximizes the efficiency of the compression refrigeration system, determining a second target superheating of the refrigerant when entering the compressor on the basis of a maximum permissible hot gas temperature at the
- the compression refrigeration system according to the invention enables the same advantages to be achieved as the method according to the invention.
- a combination with all of the preferred embodiments of the method is also advantageously possible.
- the refrigerant preferably has a temperature glide, the refrigerant in particular having or consisting of R454C or containing components such as R32 or R1234yf.
- a heat pump in particular a heat pump installed inside a building, with a compression refrigeration system according to the invention is proposed.
- a data connection 510 which can be made by cable, radio or other technologies: compressor 210, heating medium pump 410, brine pump 330, expansion valve 230, compressor inlet temperature sensor 501, low pressure sensor 502, high pressure sensor 503 hot gas temperature sensor 504, recuperator inlet temperature sensor 505 recuperator outlet temperature sensor 506 and / or evaporator outlet temperature sensor 508 Fig. 1
- Evaporator inlet temperature sensor (not shown) determine the temperature at evaporator inlet 241.
- the heat pump 100 is shown as a brine heat pump.
- a fan / fan is arranged as a heat source instead of the brine circuit with brine pump 330.
- the compressor 210 is used to compress the superheated refrigerant from an inlet connection 211 to a compressor outlet pressure P Va at a compressor outlet temperature T Va at the compressor outlet 212.
- the compressor 210 usually contains a drive unit with an electric motor, a compression unit and the electric motor can advantageously be operated at variable speed.
- the compression unit can be designed as a rolling piston unit, scrolling unit or otherwise.
- the compressed superheated refrigerant at the compressor outlet pressure P Va is at a higher pressure level, in particular a high pressure HD, than at the inlet connection 211 with a compressor inlet pressure P Ve , in particular a low pressure ND, at a compressor inlet temperature T VE , which indicates the state of the refrigerant at the inlet connection 211 describes when entering a compression chamber.
- thermal energy Q H is transferred from the refrigerant of the vapor compression system 200 to a heating medium of the heat sink system 400.
- the refrigerant is de-heated in the liquefier 220, with superheated refrigerant vapor transferring part of its thermal energy to the heating medium of the heat sink system 400 by reducing the temperature .
- a further heat transfer Q H advantageously takes place in the condenser 220 by condensation of the refrigerant during the phase transition from the gas phase of the refrigerant to the liquid phase of the refrigerant.
- further heat Q H is transferred from the refrigerant from the vapor compression system 200 to the heating medium of the heat sink system 400.
- the high pressure HD of the refrigerant established in the condenser 220 corresponds approximately to a condensation pressure of the refrigerant at a heating medium temperature Tws in the heat sink system when the compressor 210 is in operation.
- the heating medium in particular water, is conveyed by means of a heating medium pump 410 through the heat sink system 400 in a direction SW through the condenser 220, while the thermal energy Q H is transferred from the refrigerant to the heating medium.
- collector 260 refrigerant emerging from the condenser 220 is stored, which, depending on the operating point of the vapor compression circuit 200, should not be fed into the circulating refrigerant. If more refrigerant is fed in from the condenser 220 than is passed on through the expansion valve 230, the collector 260 fills, otherwise it is emptied or emptied.
- recuperator 250 which can also be referred to as an internal heat exchanger
- internal thermal energy Q i from the refrigerant under high pressure HD which flows from condenser 220 to expansion valve 230 in a high pressure flow direction S HD
- Q i from the refrigerant under low pressure LP Transfer refrigerant, which flows from the evaporator to the compressor in a low-pressure flow direction S ND , transferred.
- the refrigerant flowing from the condenser to the expansion valve 230 is advantageously supercooled.
- the refrigerant flows into the expansion valve through an expansion valve inlet 231.
- the refrigerant pressure is throttled from the high pressure HP to the low pressure LP by the refrigerant advantageously being a nozzle arrangement or throttle with an advantageously variable Opening cross-section happens, the low pressure advantageously corresponding approximately to a suction pressure of the compressor 210.
- any other pressure reducing device can also be used. Pressure reducing pipes, turbines or other expansion devices are advantageous.
- An opening degree of the expansion valve 230 is set by an electric motor, which is usually designed as a stepping motor, which is controlled by the control unit or regulation 500.
- the low pressure ND at the expansion valve outlet 232 of the refrigerant from the expansion valve 230 is controlled in such a way that the resulting low pressure ND of the refrigerant during operation of the compressor 210 corresponds approximately to the evaporation pressure of the refrigerant with the heat source medium temperature T WQ.
- the evaporation temperature of the refrigerant will advantageously be a few Kelvin below the heat source medium temperature T WQ so that the temperature difference drives heat transfer.
- the evaporator there is a transfer of evaporation heat energy Qv from the heat source fluid of the heat source system 300, which can be a brine system, a geothermal system for using heat energy Q Q from the ground, an air system for using energy Q Q from the ambient air or another heat source that uses the source energy Q Q delivers to vapor compression system 200.
- the heat source fluid of the heat source system 300 which can be a brine system, a geothermal system for using heat energy Q Q from the ground, an air system for using energy Q Q from the ambient air or another heat source that uses the source energy Q Q delivers to vapor compression system 200.
- the refrigerant flowing into the evaporator 240 reduces its wet steam portion when flowing through the evaporator 240 by absorbing heat Q Q and leaves the evaporator 240 advantageously with a low wet steam portion or advantageously also as superheated gaseous refrigerant.
- the heat source medium is conveyed through the heat source media path of the evaporator 240 by means of a brine pump 330 in the case of brine - water heat pumps or an outside air fan in the case of air / water heat pumps, the thermal energy Q Q being withdrawn from the heat source medium as it flows through the evaporator.
- thermal energy Q i is transferred between the refrigerant flowing from the condenser 220 to the expansion valve 230 to that from the evaporator 240 Transferring refrigerant flowing to the compressor 210, the refrigerant flowing from the evaporator 240 to the compressor 210 in particular further overheating.
- This superheated refrigerant which exits the recuperator 250 at an overheating temperature T Ke , is passed to the refrigerant inlet connection 211 of the compressor 210.
- the recuperator 250 is used in the vapor compression circuit 200 in order to increase the overall efficiency as the quotient of the heat output Q H emitted and the electrical power P e consumed to drive the compressor motor.
- thermal energy Q i is withdrawn from the refrigerant, which in the condenser 220 emits thermal energy Q H at a temperature level on the heat sink side, by subcooling in the high pressure path of the recuperator 250.
- the internal energy state of the refrigerant when it enters the evaporator 240 is reduced by this heat extraction Q i , so that the refrigerant can absorb more thermal energy Q Q from the heat source 300 at the same evaporation temperature level.
- the refrigerant in the low-pressure path at low pressure ND and at a low pressure temperature corresponding to an evaporator outlet temperature T Va at the inlet to the recuperator 250 is supplied with the heat energy Q i extracted in the high-pressure path.
- the supply of energy has the advantageous effect of reducing the proportion of wet steam to a state without a proportion of wet steam. Overheating is ensured by additional energy supply.
- the following sensors are advantageously arranged to detect the operating state of the vapor compression system 200, with which a model-based precontrol is implemented, in particular to safeguard and optimize the operating conditions of the vapor compression system 200, in particular in the event of changes in the operating state.
- the process variable which has a significant influence on the overall efficiency of the vapor compression circuit 200 as the quotient between the heating power Q H transferred by the vapor compression circuit 200 to the electrical power P e consumed by the compressor 210, is the overheating of the refrigerant at the compressor inlet 211 Compressor operating conditions, however, restrictions with regard to the permitted overheating range of the refrigerant at the compressor inlet are advantageously observed. Overheating that is too low endangers the lubricating properties of the machine oil in particular, while overheating that is too high particularly results in a hot gas temperature that is too high.
- the overheating describes the temperature difference between the recorded compressor inlet temperature T KE of the refrigerant and the evaporation temperature of the refrigerant in the case of saturated steam.
- the compressor inlet overheating is preferably regulated in such a way that no condensate precipitates due to the water vapor content in the ambient air falling below the dew point in components of the refrigeration circuit, particularly in the section between the refrigerant outlet of the recuperator 252 and the compressor inlet 211.
- the refrigeration circuit section between evaporator outlet 242 and recuperator inlet 251 is usually colder, because it is typically only a short pipe section, better insulation is possible compared to the section between the refrigerant outlet of recuperator 252 and compressor inlet 211. For example, sits at the point of the compressor inlet 211 on the compressor is the refrigerant separator that is to be protected.
- room temperature sensors and room humidity sensors are advantageous, since they enable precise determination of the condensation conditions of the air, for example at 21 ° C and 60% rel. Moisture the condensation temperature in the range of 13 ° C. Under these conditions, no condensation takes place as long as the pipe temperature is above 13 ° C plus, if necessary, a buffer, e.g. 1K.
- Limit values in particular for overheating, define the permissible overheating range of the components at the compressor inlet 211 as a function of the operating point. Furthermore, there are also dependencies between the compressor inlet overheating dT ÜE and the overall efficiency of the vapor compression circuit 200 or between the compressor inlet overheating dT ÜE and a stability S of a control value R, which is advantageous when regulating the compressor inlet overheating.
- the heat source medium temperature, the heating medium temperature, the compressor power P e and target values Z or the target value Z are used to calculate the compressor inlet superheat dT ÜE.
- a calculation of the target value Z as a default value for the compressor inlet superheating dT ÜE can be carried out from the refrigeration circuit measurement variables that are dependent on the operating point, such as heat source medium temperature, heating medium temperature, compressor power P e and parameterizable coefficients that are adapted to the behavior of the respective refrigeration circuit components.
- the target value for the compressor inlet superheat dT ÜE is constant regardless of all operating conditions, eg 10 Kelvin. In the case of a more complex adaptation it is varied as a function of an operating point variable, for example the compressor power P e , or in the case of an even more complex adaptation it varies as a function of several operating point variables.
- the total control deviation is calculated, which is fed in to regulate the vapor compression circuit 200.
- the refrigerant passes two sequentially arranged heat exchangers, the evaporator 240 and the recuperator 250, in which the refrigerant is supplied with thermal energy Q Q and Q i.
- the refrigerant is supplied with source heat energy Q Q from the heat source system 300.
- the temperature level of the supplied source heat Q Q is at a temperature level of the heat source, in particular such as that of the ground or the outside air.
- thermal energy Q i is withdrawn from the refrigerant after it has left the condenser 220.
- the temperature level of the refrigerant at the outlet of the condenser is approximately at the level of the return temperature of the heating medium.
- the control value R is advantageously the weighted link between the control deviation of the compressor inlet superheat dT ÜE and the control deviation of the evaporator outlet superheat.
- Actuators or operating state variables with an influence on the control value R, in particular the compressor inlet overheating dT ÜE, are the compressor speed and / or the degree of opening of the in the relevant vapor compression circuit 200 Expansion valve 230, which also advantageously determines the low pressure LP and the evaporation temperature level.
- Actuators have a particularly advantageous influence on the control value R, in particular on the weighted linkage of the control deviation of the compressor inlet overheating with the control deviation of the evaporator outlet overheating.
- the compressor 210 by varying the compressor speed and the expansion valve 230 by influencing the degree of opening are such actuators. These two actuators influence the low pressure LP and the evaporation temperature level.
- a change in the compressor speed to regulate the desired heating power without further compensatory changes in the degree of opening of the expansion valve advantageously changes the control value R into undesired ranges, so that a model-based, supported change in the degree of opening of the expansion valve to regulate R is advantageous, if necessary, even necessary .
- the compressor speed is advantageously set in the vapor compression circuit 200 such that the heating power QH transferred from the vapor compression circuit 200 to the heating medium corresponds to the requested target value Z.
- influencing the compressor speed to control the compressor inlet superheating dT ÜE is advantageously subordinate or not appropriate.
- the degree of opening of the expansion valve 230 is advantageously used as a control value for regulating the superheating of the compressor inlet dT ÜE.
- the influence of the degree of opening of the expansion valve 230 on the compressor inlet superheat dT ÜE takes place as follows:
- the expansion valve 230 acts as a nozzle with a nozzle cross section that can be adjusted by an electric motor, in which a needle-shaped nozzle needle is usually threaded into a nozzle seat by means of a stepper motor.
- the refrigerant throughput through the expansion valve is roughly proportional to the square root of the pressure difference between the expansion valve inlet 231 and outlet 232 multiplied by a current relative value of the nozzle cross-section or degree of opening and advantageously one of the refrigerant and a geometry of the expansion valve 230 dependent constant.
- the degree of opening of the expansion valve 230 significantly influences only the low pressure ND, that is, the outlet pressure from the expansion valve 230.
- the low pressure LP then falls on the low pressure side of the vapor compression circuit 200.
- the mass flow of refrigerant through the compressor 210 decreases approximately proportionally, since its delivery rate is approximately described as volume / time due in particular to the piston strokes, and a correspondingly reduced low pressure value ND is established, at which the refrigerant mass flow supplied by the expansion valve 230 is equal to the refrigerant mass flow discharged by the compressor 210.
- the degree of opening of the expansion valve 230 is increased, more refrigerant passes through the expansion valve 230 at a constant high pressure HP and initially still a constant low pressure LP.As the compressor 210 initially continues to convey the same refrigerant mass flow, the low pressure side LP of the refrigeration circuit becomes more refrigerant through the expansion valve 230 fed as is sucked off by the compressor 210. Since the refrigerant vapor is a compressible medium, the low pressure ND on the low pressure side of the vapor compression circuit 200 rises.
- the mass flow rate of the compressor 210 increases approximately proportionally, since its rate can be approximately described as volume / time, and it A correspondingly increased low pressure ND is established, at which the refrigerant mass flow supplied by the expansion valve 230 is equal to the refrigerant mass flow discharged by the compressor 210.
- the low pressure ND in turn significantly influences the heat transfer between the heat source medium and the refrigerant in the evaporator 240.
- the heat flow Q Q from the heat source system 300 is transferred between the heat source medium and the refrigerant at different temperatures, the heat flow Q Q depending on the temperature difference between the heat source medium and the refrigerant and the heat transfer resistance of a heat transfer layer of the evaporator 240.
- the heat transfer resistance between the heat source media path of the evaporator and the refrigerant path of the evaporator is to be assumed to be approximately constant in a respective vapor compression circuit 200.
- the size of the heat transfer capacity in the evaporator 240 is therefore critically dependent on the integral of the temperature differences of all surface elements of the heat transfer layer.
- a refrigerant temperature is established which, as a material property of the refrigerant, is a function of the low pressure ND of the refrigerant as a result of the saturation vapor characteristic.
- a control of the low pressure LP or also an evaporation pressure indirectly control a control of the evaporation temperature of the refrigerant as it flows through the recuperator 250.
- the thermal energy Q Q which is transferred from the heat source system to the refrigerant flowing through the evaporator 240, influences the state of the refrigerant.
- a corresponding refrigerant state when exiting the evaporator 240 is set as a function of the manipulated variable “degree of opening of the expansion valve 230”.
- a controlled system behavior with moderate steepness results with regard to a control path steepness of the "isolated" controlled system "evaporator 240".
- the control system behavior is characterized in particular by the control system output value of the evaporator outlet overheating as a function of the control system input value of the expansion valve opening degree.
- a refrigerant is advantageously used, in particular a refrigerant mixture as refrigerant, which has a “temperature glide”, in particular R454C is advantageously used.
- a relative change in the degree of opening of the expansion valve actuator of 1% rel. at the outlet of the refrigerant from the evaporator usually set with a superheating change of advantageously approximately less than 1 K.
- the refrigerant After flowing through the evaporator 240, the refrigerant enters the low-pressure path of the recuperator 250 at low pressure LP.
- the state of aggregation of the refrigerant when flowing into the recuperator 250 is in a normal operating case, i.e. advantageously either saturated steam with a low vapor content between 0 to 20% or, in particular, also advantageously already superheated refrigerant.
- a refrigerant temperature is established which, due to the saturation vapor characteristic curve of the refrigerant, is a function of the refrigerant pressure.
- the refrigerant temperature will at most assume a size which corresponds to the entry temperature of the heat source medium.
- the size preferably corresponds to the inlet temperature of the refrigerant into the high-pressure path of the recuperator 250, that is to say the temperature of the refrigerant after it exits the condenser 220.
- recuperator 250 In order to be able to transfer a sufficient amount of thermal energy from the refrigerant of the high-pressure-side refrigerant path to the refrigerant of the low-pressure-side refrigerant path in recuperator 250, it must be ensured that the temperature of the refrigerant of the high-pressure-side refrigerant path at high pressure HD in as many surface elements of the transfer layer of recuperator 250 as possible is greater than is the temperature of the refrigerant of the low-pressure side refrigerant path at low pressure LP on the respective surface element.
- the corresponding temperatures of the heating system 400 of the vapor compression system 200 are higher in a heating case than the corresponding temperatures of the heat source such as the ground or the outside air.
- the thermal energy Q i which is transferred from the refrigerant at high pressure HD of the high-pressure side refrigerant path to the refrigerant at low pressure in the low-pressure side refrigerant path of the recuperator 250, influences the physical state of the refrigerant on the low-pressure side.
- the wet steam proportion of the refrigerant flowing through the recuperator 250 on the low pressure side at low pressure LP decreases when heat is transferred to the refrigerant and, after complete evaporation, the refrigerant is advantageously overheated.
- the "isolated" controlled system at low pressure ND of the refrigerant in the low-pressure side path of the recuperator 250 results in a control system behavior with high steepness, with an approximately constant internal energy state of the refrigerant upon entry 251 into the low-pressure side LP path of the recuperator 250.
- a particularly relative change in the degree of opening of the expansion valve of 1% there is a change in superheating at the outlet of the refrigerant from the recuperator 250 of approximately 10 K or even more than 10 K.
- recuperator 250 there is advantageously a significantly higher heat transfer in the evaporator 240 between the source medium and the refrigerant in the evaporator 240.
- the driving temperature difference in the recuperator can be between 20 and 60 K, while it is only between 3 and 10 K in the evaporator.
- the exchanger surface of the evaporator is, for example, approximately 5 to 20 times larger than that of the recuperator 250.
- the low-pressure side refrigerant path of the recuperator 250 is fed from the evaporator outlet 242 of the evaporator 240.
- the internal energy state of the refrigerant is already delayed here by at least two time constants Z, Z 11 , Z 12 , Z 13 , Z 14 , Z 15 , Z tot after the manipulated variable "expansion valve opening degree" has been changed.
- recuperator 250 After changing the manipulated variable “opening degree of expansion valve 230”, there is a further delay in the corresponding change in refrigerant state due to the time behavior of recuperator 250 when it exits the low-pressure side refrigerant path of recuperator 250.
- the time behavior of the recuperator 250 can advantageously be taken into account as the total recuperator time constant Z tot depending on the respective operating point of the vapor compression circuit in the range between approximately 1 minute and 30 minutes.
- a weighted combination of the compressor inlet superheating dT UE and the evaporator outlet superheat dT ÜA by dividing the total deviation is calculated in particular by means of a weighted combination of the control deviation of the compressor overheating and the deviation of the evaporator outlet superheat dT ÜA which is fed in the controller 500 for controlling the vapor compression cycle 200th
- the compressor inlet overheating dT ÜE is advantageously used as the main control variable and the corresponding signal flows and signal processing takes place in particular in the following process steps:
- the process variables compressor inlet overheating dT ÜE are advantageously measured as the main control variable and the evaporator outlet overheating dT ÜA is advantageously recorded as an auxiliary variable in a first process step.
- the temperatures of the refrigerant temperature assigned to the overheating measuring point are recorded by means of temperature sensors 501, 508.
- the temperature difference between the refrigerant at the respective measuring point and the evaporation temperature is then calculated and this temperature difference value then corresponds to the respective overheating of the refrigerant at the measuring point.
- the output variables of the calculation in step 1 are then the compressor inlet superheat dT ÜE and the evaporator outlet superheat dT ÜA .
- the process variables compressor inlet superheating dT ÜE and evaporator outlet superheating dT ÜA are advantageously offset in a second step to form assigned control deviations with the respectively assigned setpoints:
- the setpoint value for the compressor inlet superheat dT ÜE is advantageously varied in the range between approx. 5 K to 20 K in order to ensure the permissible compressor operating range and the highest possible efficiency of the refrigeration circuit.
- the setpoint for the evaporator outlet overheating dT ÜA at the evaporator outlet 242 is then varied depending on the refrigeration circuit operating mode and the refrigeration circuit operating point so that the evaporator overheating in the steady normal case corresponds approximately to the process value of the evaporator outlet overheating dT ÜA.
- This setpoint for the evaporator outlet superheat dT ÜA can be precalculated and adaptively corrected based on a model depending on an operating mode or an operating point depending on the evaporation temperature, the condensation temperature, the compressor output, a setpoint for the compressor inlet superheat dT ÜE at the compressor inlet 211 and / or on component properties.
- the control deviation of the compressor inlet superheat dT ÜE is then calculated by subtracting the setpoint of the compressor inlet superheat dT ÜE from the process value of the compressor inlet superheat dT ÜE.
- control deviation of the compressor inlet superheating dT ÜE and the control deviation of the evaporator outlet superheating dT ÜA are advantageously combined to form an overall control deviation - superheating.
- the combination takes place in particular by means of a weighted addition of the individual control deviations.
- the weighting influence is a measure of the proportional combination of the individual control deviations and, in extreme cases, can only be included exclusively an individual control deviation, but usually the weighted inclusion of both individual control deviations.
- the calculated overall control deviation of the overheating is then processed in the controller 500, which controls the corresponding actuators of the refrigeration circuit, in particular the expansion valve 230 with the adjustable degree of opening and / or the compressor 210 with adjustable compressor speed, so that the If a control deviation of the overheating is equal to about 0 Kelvin, if possible.
- a P, I, PI, PID controller can be used, the control components being advantageously dynamically adapted to the respective operating mode and the operating point.
- the compressor To protect components (mechanical components, refrigeration machine oil), the compressor must be protected from excessively high refrigerant gas temperatures when exiting the compression chamber; the compressor manufacturer can also ensure compliance with an absolute (applicable to all operating states) or relative (applicable depending on operating states) prescribe maximum hot gas temperature (e.g. 120 ° C).
- a hot gas temperature limit value relevant to the control technology (which is below the hot gas temperature limit specified by the compressor manufacturer) is specified (e.g. 110 ° C), which is used as a limit for the controller activities that limit the hot gas temperature.
- thermodynamic calculation is made for the current Operating point of the refrigeration circuit calculates the overheating of the refrigerant at the compressor inlet, known as compressor inlet overheating, when operating with the hot gas temperature limit value relevant to the control technology.
- Influencing variables in this model-based calculation can be low pressure, high pressure, (compressor speed) or dew point temperature ND, boiling point temperature HD, (compressor speed).
- the compressor speed does not play a role in the calculation, but the dependency of the compression losses of the compressor as a function of the compressor speed can have an influence on the thermodynamic behavior.
- a parameterizable approximation of the compressor behavior with regard to the hot gas temperature is preferably used in order to estimate a temperature difference between the hot gas temperature and the superheat at the compressor inlet at the respective operating point of the compressor based on the process data for the evaporation temperature and the condensation temperature.
- the corresponding compressor inlet superheat calculated on the basis of an estimated hot gas temperature is managed as a process variable, setpoint superheat compressor inlet V-ND, estimated as a maximum .
- the current hot gas temperature can also be included in the calculation, since the model-based calculation can be incorrect with regard to the time behavior, with regard to tolerances in the acquisition and processing of the included process values, component tolerances (compressor, refrigerant), ambient conditions, e.g. machine room temperature, so that a correction of this calculation based on a detection and inclusion of the actual hot gas temperature is helpful.
- component tolerances compressor, refrigerant
- ambient conditions e.g. machine room temperature
- Another alternative embodiment is the maximum integrated in the formulas - formation of the overheating setpoint calculated for limiting the hot gas temperature and a lower limit provided for limiting the value range of this overheating setpoint, here the value 0 Kelvin is implemented as an example.
- Such a limitation can be advantageous because the result of the model-based calculation of the superheating setpoint calculated for the limitation of the hot gas temperature can also result in negative superheating setpoints which, if regulated to these values, would cause undesired wet steam suction of the compressor. This is avoided by limiting the overheating to a minimum, which can also be interpreted in the (slightly) negative value range if necessary; Priority is subordinate) that the hot gas temperature is not limited exactly to the desired limit value, but may exceed it to a small extent.
- the compressor inlet superheating setpoint designed for optimum efficiency and the superheating setpoint calculated for limiting the hot gas temperature are combined in such a way that, in the event of a required hot gas temperature limitation, an overheating setpoint that is optimized in terms of efficiency can be reduced:
- Setpoint U ⁇ Overheating compressor inlet V - ND minimum Setpoint U ⁇ Overheating compressor inlet V - LP efficiency setpoint U ⁇ Overheating compressor inlet V - ND maximum
- Compressor inlet superheat setpoint V-LP 10 K.
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Kompressionskälteanlage (200) sowie eine zugehörige Kompressionskälteanlage (200). Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bestimmen einer ersten Soll-Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter, wobei die erste Soll-Überhitzung als Funktion eines Arbeitspunktes der Kompressionskälteanlage den Wirkungsgrad der Kompressionskälteanlage maximiert, Bestimmen einer zweiten Soll-Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter auf Grundlage einer maximalen zulässigen Heißgastemperatur am Austritt des Verdichters, und Regeln des Drosselorgans (230) basierend auf dem niedrigeren Wert aus der ersten Soll-Überhitzung und der zweiten Soll-Überhitzung.The present invention relates to a method for regulating a compression refrigeration system (200) and an associated compression refrigeration system (200). The method comprises the following steps: determining a first target superheating of the refrigerant when entering the compressor, the first target superheating maximizing the efficiency of the compression refrigeration system as a function of an operating point of the compression refrigeration system, determining a second target superheating of the refrigerant when entering the compressor on the basis of a maximum permissible hot gas temperature at the outlet of the compressor, and regulating the throttle element (230) on the basis of the lower value from the first setpoint superheat and the second setpoint superheat.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kompressionskälteanlage sowie eine zugehörige Kompressionskälteanlage mit einem Kältemittel, einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Drosselorgan, einem internen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter, und einer Steuereinheit zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter, wobei die Überhitzung als eine Differenz einer Taupunkttemperatur zu einer Temperatur des Kältemittels definiert ist, und zu einer Regelung des Drosselorgans basierend auf der Überhitzung,The invention relates to a method for operating a compression refrigeration system and an associated compression refrigeration system with a refrigerant, an evaporator, a compressor, a condenser, a throttle element, an internal heat exchanger for transferring thermal energy of the refrigerant before it enters the throttle element to the refrigerant before it enters the Compressor, and a control unit for detecting overheating of the refrigerant when it enters the compressor, the overheating being defined as a difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant, and for regulating the throttle element based on the overheating,
Derartige Kompressionskälteanlagen, beispielsweise in Form von Wärmepumpen, mit einem Dampfkompressionssystem in welchem ein gasförmiges Kältemittel von einem mittels der Steuereinheit, die beispielsweise einen Regler aufweist, gesteuerten Verdichter von einem Niederdruck auf einen Hochdruck verdichtet wird, sind bekannt.Such compression refrigeration systems, for example in the form of heat pumps, with a vapor compression system in which a gaseous refrigerant is compressed from a low pressure to a high pressure by a compressor controlled by means of the control unit, which for example has a regulator, are known.
Das Kältemittel wird durch den Verflüssiger getrieben, in dem es eine Heizwärme an ein in einem Wärmesenkensystem befindliches Heizmedium abgibt. Eine innere Wärme wird in einem inneren Wärmeübertrager, beispielsweise in Form eines Rekuperators, zwischen dem unter dem Hochdruck vom Verflüssiger zum Expansionsventil strömenden Kältemittel und dem vom Verdampfer zum Verdichter unter dem Niederdruck strömende Kältemittel übertragen.The refrigerant is driven through the condenser, in which it gives off heat to a heating medium located in a heat sink system. Internal heat is transferred in an internal heat exchanger, for example in the form of a recuperator, between the refrigerant flowing under high pressure from the condenser to the expansion valve and the refrigerant flowing from the evaporator to the compressor under low pressure.
Das Kältemittel wird weiter in einer Hochdruckströmungsrichtung zu einem vom Regler gesteuerten Expansionsventil geführt, in dem das Kältemittel vom Hochdruck auf den Niederdruck abhängig von einem Regelwert entspannt wird. Das auf dem Niederdruck befindliche Kältemittel verdampft in dem Verdampfer bei Aufnahme von Quellwärme.The refrigerant is guided further in a high-pressure flow direction to an expansion valve controlled by the regulator, in which the refrigerant is expanded from high pressure to low pressure as a function of a control value. The refrigerant at the low pressure evaporates in the evaporator when it absorbs source heat.
Aus
Eine Wärmepumpenanlage mit einem Kältemittelkreislauf ist aus
In einem Kältekreis mit einem Kältemittel, einem Verdampfer, einem Verdichter einem Verflüssiger und einem Drosselorgan wird beim Verdampfen des Kältemittels Energie aus der Umwelt, beispielsweise Außenluft bei Luft/Wasser-Wärmepumpen oder Sole bei Sole/Wasser-Wärmepumpen, auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau an das Kältemittel übertragen, das Kältemittel wird im Verdichter unter Zuhilfenahme elektrischer Energie komprimiert und dann wird beim Verflüssigen des Kältemittels Energie dem Arbeitsmedium eines Wärmesenkenkreises, beispielsweise ein Heizkreis und/oder ein Warmwasserladekreis, auf einem vergleichsweise hohen Temperaturniveau übertragen.In a refrigeration circuit with a refrigerant, an evaporator, a compressor, a condenser and a throttle device, energy from the environment, for example outside air in air / water heat pumps or brine in brine / water heat pumps, is generated at a comparatively low temperature level when the refrigerant evaporates the refrigerant is transferred, the refrigerant is compressed in the compressor with the aid of electrical energy and then is when the refrigerant is liquefied, energy is transferred to the working medium of a heat sink circuit, for example a heating circuit and / or a hot water charging circuit, at a comparatively high temperature level.
Es ist bekannt, in einem normalen Heiz-Betrieb des Kältekreises das Drosselorgan derart zu regeln, dass sich eine Soll-Überhitzung des Kältemittels am Eintritt des Verdichters einstellt, welche einen möglichst großen Wirkungsgrad des Kältekreises gewährleistet, den Wirkungsgrad des Kältekreises also maximiert. Üblicherweise werden hierzu Soll-Überhitzungen zwischen 5 und 40 K angewendet. Für Kältekreise mit internem Wärmeübertrager ist für Arbeitspunkte mit hohen Druckdifferenzen ein Wirkungsgradmaximum bei Überhitzungen um 30 bis 40 K optimal.It is known to regulate the throttle element in normal heating operation of the refrigeration circuit in such a way that a target overheating of the refrigerant occurs at the inlet of the compressor, which ensures the greatest possible efficiency of the refrigeration circuit, i.e. maximizes the efficiency of the refrigeration circuit. Normally, target overheating between 5 and 40 K is used for this. For cooling circuits with internal heat exchangers, an efficiency maximum at overheating of 30 to 40 K is optimal for operating points with high pressure differences.
Aufgrund physikalischer Eigenschaften von Gasen, vgl. bspw. die allgemeine Gasgleichung, geht eine Druckerhöhung des Gases, beispielsweise als Folge der Kompression des gasförmigen Kältemittels im Verdichter, mit einer Temperaturerhöhung einher. Weiterhin hat auch die Gastemperatur vor der Kompression Einfluss auf die Gastemperatur nach der Kompression, näherungsweise geht eine Gas-Temperaturerhöhung vor der Kompression in etwa auch mit einer Gas-Temperaturerhöhung nach der Kompression einher.Due to the physical properties of gases, cf., for example, the general gas equation, an increase in pressure of the gas, for example as a result of the compression of the gaseous refrigerant in the compressor, is accompanied by an increase in temperature. Furthermore, the gas temperature before compression also has an influence on the gas temperature after compression; an increase in gas temperature before compression is approximately also associated with an increase in gas temperature after compression.
Zu berücksichtigen ist nun, dass zum Komponentenschutz des Verdichters Heißgastemperaturen am Austritt des Verdichters nicht überschritten werden dürfen, wobei diese Temperaturen absolut, d.h. für alle Betriebszustände geltend, oder relativ, d.h. in Abhängigkeit des Betriebszustandes, definiert sein können.It should now be taken into account that, in order to protect the components of the compressor, hot gas temperatures at the outlet of the compressor must not be exceeded, whereby these temperatures can be defined as absolute, i.e. applicable to all operating states, or relatively, i.e. depending on the operating state.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kompressionskälteanlage und ein Verfahren zum Regeln einer derartigen Kompressionskälteanlage anzugeben, die einen wirkungsgradoptimalen Betrieb unter Gewährleistung eines Schutzes der Komponenten ermöglichen.Against this background, it was an object of the present invention to specify a compression refrigeration system and a method for regulating such a compression refrigeration system, which enable operation with optimum efficiency while ensuring protection of the components.
Gelöst wir die Aufgabe durch die Verfahrensmerkmale des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtungsmerkmale des Anspruchs 7.We solved the problem by the method features of claim 1 and the device features of claim 7.
Demnach wird ein Verfahren zum Regeln einer Kompressionskälteanlage mit einem Kältekreis, mit einem Kältemittel, einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Drosselorgan, einem internen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter, und einer Steuereinheit a) zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter, wobei die Überhitzung als eine Differenz einer Taupunkttemperatur zu einer Temperatur des Kältemittels definiert ist, und b) zur Regelung des Drosselorgans basierend auf der Überhitzung, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bestimmen einer ersten Soll-Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter, wobei die erste Soll-Überhitzung als Funktion eines Arbeitspunktes der Kompressionskälteanlage den Wirkungsgrad der Kompressionskälteanlage maximiert, Bestimmen einer zweiten Soll-Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter auf Grundlage einer maximalen zulässigen Heißgastemperatur am Austritt des Verdichters, und Regeln des Drosselorgans basierend auf dem niedrigeren Wert aus der ersten Soll-Überhitzung und der zweiten Soll-Überhitzung.Accordingly, a method for regulating a compression refrigeration system with a refrigeration circuit, with a refrigerant, an evaporator, a compressor, a Condenser, a throttle element, an internal heat exchanger for the transfer of thermal energy of the refrigerant before entry into the throttle element to the refrigerant before entry into the compressor, and a control unit a) for detecting overheating of the refrigerant when entering the compressor, the overheating as a The difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant is defined, and b) for regulating the throttle element based on the overheating is proposed. The method comprises the following steps: determining a first target superheating of the refrigerant when entering the compressor, the first target superheating maximizing the efficiency of the compression refrigeration system as a function of an operating point of the compression refrigeration system, determining a second target superheating of the refrigerant when entering the compressor on the basis of a maximum permissible hot gas temperature at the outlet of the compressor, and regulating the throttle element on the basis of the lower value from the first setpoint superheat and the second setpoint superheat.
Indem zwei Soll-Überhitzungen bestimmt werden, wobei die Regelung die niedrigere der Soll-Überhitzungen zur Regelung der Kompressionskälteanlage heranzieht, wird bei Einhaltung der maximalen Heißgastemperatur am Verdichteraustritt dennoch eine wirkungsgradmaximierte Regelung der Kompressionskälteanlage ermöglicht. Die Regelung ist hierbei einfach zu implementieren, da lediglich der Sollwert für die Überhitzungsregelung gegebenenfalls anzupassen ist, dann nämlich, wenn die erste Soll-Überhitzung eine zu hohe Heißgastemperatur zur Folge hätte.By determining two target superheats, with the control system using the lower of the target superheats to control the compression refrigeration system, an efficiency-maximized control of the compression refrigeration system is made possible while maintaining the maximum hot gas temperature at the compressor outlet. The control is easy to implement here, since only the setpoint for the overheating control needs to be adjusted if necessary, namely if the first setpoint overheating would result in too high a hot gas temperature.
Vorzugsweise wird die zweite Soll-Überhitzung basierend auf einem kältetechnischen Modell, das einen Zusammenhang zwischen der Überhitzung am Eintritt des Verdichters und Heißgastemperatur am Austritt des Verdichters herstellt, bestimmt.The second setpoint overheating is preferably determined based on a refrigeration model that establishes a relationship between the overheating at the inlet of the compressor and the hot gas temperature at the outlet of the compressor.
Die zweite Soll-Überhitzung kann beispielsweise kontinuierlich berechnet, insbesondere auf Basis von Messwerten und/oder Parametern der Kompressionskälteanlage, oder auch für sämtliche Betriebspunkte in Form einer Tabelle oder ähnlichem bereitgestellt werden. Dadurch kann der Datenverarbeitungsaufwand während des Betriebs gering gehalten werden.The second target overheating can, for example, be continuously calculated, in particular on the basis of measured values and / or parameters of the compression refrigeration system, or also be provided for all operating points in the form of a table or the like. As a result, the data processing effort can be kept low during operation.
Vorzugsweise enthält das kältetechnische Modell wenigstens die folgenden Eingangsgrößen: Niederdruck, Hochdruck, Drehzahl des Verdichters, oder die folgenden Eingangsgrößen: Taupunkttemperatur im Niederdruck, Siedepunkttemperatur im Hochdruck, Drehzahl des Verdichters.The refrigeration model preferably contains at least the following input variables: low pressure, high pressure, speed of the compressor, or the following input variables: dew point temperature in low pressure, boiling point temperature in high pressure, speed of the compressor.
Vorzugsweise umfasst das kältetechnische Modell eine lineare Funktion quadratischer Ordnung der Siedepunkttemperatur im Hochdruck und der Taupunkttemperatur im Niederdruck.The refrigeration model preferably comprises a linear function of quadratic order of the boiling point temperature in high pressure and the dew point temperature in low pressure.
Vorzugsweise wird die maximal zulässige Heißgastemperatur am Austritt des Verdichters als eine Temperatur festgelegt, die unterhalb einer für den Verdichter festgelegten, insbesondere durch den Hersteller festgelegten, Heißgastemperaturgrenze liegt.The maximum permissible hot gas temperature at the outlet of the compressor is preferably defined as a temperature which is below a hot gas temperature limit defined for the compressor, in particular defined by the manufacturer.
Vorzugsweise erfolgt das Regeln des Drosselorgans ferner basierend auf einer aktuell gemessenen Heißgastemperatur.The throttle element is preferably also regulated based on a currently measured hot gas temperature.
Es hat sich gezeigt, dass die modellbasierte Berechnung fehlerhaft bezüglich des Zeitverhaltens, bezüglich Toleranzen bei der Erfassung und Verarbeitung der einbezogenen Prozesswerte, Komponententoleranzen (Verdichter, Kältemittel) und/oder Umgebungsbedingungen, z.B. Maschinenraumtemperatur, sein kann, so dass eine Korrektur dieser Berechnung basierend auf einer Erfassung und Einbeziehung der tatsächlichen Heißgastemperatur hilfreich ist.It has been shown that the model-based calculation can be incorrect with regard to the time behavior, with regard to tolerances in the acquisition and processing of the included process values, component tolerances (compressor, refrigerant) and / or environmental conditions, e.g. engine room temperature, so that a correction of this calculation based on a recording and inclusion of the actual hot gas temperature is helpful.
In einem anderen Aspekt wird die Aufgabe durch eine Kompressionskälteanlage mit einem Kältekreis mit einem Kältemittel, einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Drosselorgan, einem internen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter, und einer Steuereinheit a) zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter, wobei die Überhitzung als eine Differenz einer Taupunkttemperatur zu einer Temperatur des Kältemittels definiert ist, und b) zur Regelung des Drosselorgans basierend auf der Überhitzung gelöst, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist zum: Bestimmen einer ersten Soll-Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter, wobei die erste Soll-Überhitzung als Funktion eines Arbeitspunktes der Kompressionskälteanlage den Wirkungsgrad der Kompressionskälteanlage maximiert, Bestimmen einer zweiten Soll-Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter auf Grundlage einer maximalen zulässigen Heißgastemperatur am Austritt des Verdichters, und Regeln des Drosselorgans basierend auf dem niedrigeren Wert aus der ersten Soll-Überhitzung und der zweiten Soll-Überhitzung.In another aspect, the task is achieved by a compression refrigeration system with a refrigeration circuit with a refrigerant, an evaporator, a compressor, a condenser, a throttle element, an internal heat exchanger for the transfer of thermal energy of the refrigerant before it enters the throttle element to the refrigerant before it enters the Compressor, and a control unit a) for detecting overheating of the refrigerant upon entry into the compressor, the overheating being defined as a difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant, and b) for regulating the throttle element based on the overheating released, the The control unit is designed to: determine a first setpoint overheating of the refrigerant when it enters the compressor, the first setpoint overheating as a function of an operating point of the compression refrigeration system maximizes the efficiency of the compression refrigeration system, determining a second target superheating of the refrigerant when entering the compressor on the basis of a maximum permissible hot gas temperature at the outlet of the compressor, and regulating the throttle element based on the lower value from the first target superheating and the second target Overheating.
Die erfindungsgemäße Kompressionskälteanlage ermöglicht das Erreichen der gleichen Vorteile wie das erfindungsgemäße Verfahren. Ebenso ist eine Kombination mit sämtlichen als bevorzugt ausgeführten Ausgestaltungen des Verfahrens mit Vorteil möglich.The compression refrigeration system according to the invention enables the same advantages to be achieved as the method according to the invention. A combination with all of the preferred embodiments of the method is also advantageously possible.
Vorzugsweise weist das Kältemittel einen Temperaturglide auf, wobei das Kältemittel insbesondere R454C aufweist oder daraus besteht oder Komponenten wie R32 oder R1234yf enthält.The refrigerant preferably has a temperature glide, the refrigerant in particular having or consisting of R454C or containing components such as R32 or R1234yf.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Wärmepumpe, insbesondere eine im Inneren eines Gebäudes aufgestellte Wärmepumpe, mit einer erfindungsgemäßen Kompressionskälteanlage vorgeschlagen.According to a further aspect, a heat pump, in particular a heat pump installed inside a building, with a compression refrigeration system according to the invention is proposed.
Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel:
- Fig. 1
Wärmepumpe 100 mit einemDampfkompressionskreislauf 200- Fig. 2
- log p / h - Diagramm des Dampfkompressionsprozesses mit
Rekuperator 250
- Fig. 1
-
Heat pump 100 with avapor compression circuit 200 - Fig. 2
- log p / h - diagram of the vapor compression process with
recuperator 250
- Einen
Verdichter 210 zum Verdichten des überhitzten Kältemittels, - einen
Verflüssiger 220, mit einemkältemittelseitigem Verflüssigereintritt 221 und einemVerflüssigeraustritt 222 zur Übertragung von Wärmeenergie QH aus demDampfkompressionssystem 200 an ein Heizmedium eines Heizsystems 400, mit einemHeizmediumeintritt 401, einemHeizmediumaustritt 402 und einerHeizmediumpumpe 410, zu einer Gebäudeheizung oder ein System zur Warmwassererhitzung, - vorteilhaft einen
Kältemittelsammler 260, welcher als Kältemittelreservoir zum Ausgleich von betriebsbedingungsabhängig unterschiedlich hohen Kältemittelmengenbedarfen verwendet wird, - ein als Expansionsventil
ausgebildetes Drosselorgan 230 zum Expandieren des Kältemittels, - einen
Verdampfer 240, mit einemVerdampfereinlass 241, zur Übertragung von Quellenenergie QQ aus einem Wärmequellensystem 300, mit einemWärmequelleinlass 320 und einemWärmequellauslass 310, wobei das Wärmequellsystem 300 insbesondere ein Solesystem sein kann, welches Wärmeenergie QQ aus dem Erdreich aufnimmt oder ein Luftsystem, welches Wärmeenergie QQ aus der Umgebungsluft aufnimmt und an dasDampfkompressionssystem 200 abgibt oder eine beliebige andere Wärmequelle, - einen Rekuperator als Beispiel eines
internen Wärmeübertragers 250, welcher dazu bestimmt ist, innere Wärmeenergie Qi zwischen dem vomVerflüssiger 220 zumExpansionsventil 230 strömenden Kältemittel auf das vomVerdampfer 240 zumVerdichter 210 strömende Kältemittel zu übertragen und - ein Kältemittel, insbesondere ein Kältemittelgemisch aus wenigsten zwei Stoffen oder zwei Kältemitteln welches in einer Strömungsrichtung SHD und SND durch den
Dampfkompressionskreis 200 strömt, wobei imDampfkompressionskreislauf 200 Kältemitteldampf durch denVerdichter 210 auf einen Hochdruck HD gebracht wird und zu einemVerflüssiger 220 geführt ist, wobei ein Hochdruckpfad mit der Hochdruckströmungsrichtung SHD vomVerdichter 210 bis zumExpansionsventil 230 gebildet ist. Nach demExpansionsventil 230 bis zumVerdichter 210 ist ein Niederdruckpfad mit einer Niederdruckströmungsrichtung SND des Kältemittels gebildet, in dem derVerdampfer 240 liegt.
- A
compressor 210 for compressing the superheated refrigerant, - a
condenser 220, with a refrigerant-side condenser inlet 221 and acondenser outlet 222 for transferring thermal energy Q H from thevapor compression system 200 to a heating medium Heating system 400, with aheating medium inlet 401, aheating medium outlet 402 and aheating medium pump 410, for heating a building or a system for warm water heating, - Advantageously, a
refrigerant collector 260, which is used as a refrigerant reservoir to compensate for different refrigerant quantities depending on the operating conditions, - a
throttle element 230 designed as an expansion valve for expanding the refrigerant, - an
evaporator 240, anevaporator inlet 241, for the transmission of source energy Q Q from a heat source system 300 with aheat source inlet 320 and a Wärmequellauslass 310, wherein the heat source system 300 may be in particular a brine system which absorbs heat energy Q Q from the ground or an air system , which absorbs thermal energy Q Q from the ambient air and emits it to thevapor compression system 200 or any other heat source, - a recuperator as an example of an
internal heat exchanger 250, which is intended to transfer internal thermal energy Q i between the refrigerant flowing from thecondenser 220 to theexpansion valve 230 to the refrigerant flowing from theevaporator 240 to thecompressor 210 and - a refrigerant, in particular a refrigerant mixture of at least two substances or two refrigerants which flows in a flow direction S HD and S ND through the
vapor compression circuit 200, wherein in thevapor compression circuit 200 refrigerant vapor is brought to a high pressure HD by thecompressor 210 and is led to acondenser 220 , wherein a high pressure path with the high pressure flow direction S HD from thecompressor 210 to theexpansion valve 230 is formed. After theexpansion valve 230 up to thecompressor 210, a low-pressure path with a low-pressure flow direction S ND of the refrigerant, in which theevaporator 240 is located, is formed.
Die folgend aufgelisteten Aktoren sind vorteilhaft zumindest teilweise mit dem Regler über eine Datenverbindung 510, die per Kabel, Funk oder andere Technologien erfolgen kann, verbunden: Verdichter 210, Heizmediumpumpe 410, Solepumpe 330, Expansionsventil 230, Verdichtereintrittstemperatursensor 501, Niederdrucksensor 502, Hochdrucksensor 503 Heißgastemperatursensor 504, Rekuperatoreintrittstemperatursensor 505 Rekuperatoraustrittstemperatursensor 506 und /oder Verdampferaustrittstemperatursensor 508. Zusätzlich oder alternativ kann ein in der
In dem in
Der Verdichter 210 dient zur Kompression des überhitzten Kältemittels von einem Eintrittsanschluss 211 auf einen Verdichteraustrittsdruck PVa bei einer Verdichteraustrittstemperatur TVa am Verdichteraustritt 212. Der Verdichter 210 enthält üblicher Weise eine Antriebseinheit mit einem Elektromotor, eine Kompressionseinheit und vorteilhaft kann der Elektromotor drehzahlvariabel betrieben werden. Die Kompressionseinheit kann als Rollkolbeneinheit, Scrolleinheit oder anders ausgeführt sein. Am Verdichteraustritt 212 ist das komprimierte überhitzte Kältemittel beim Verdichteraustrittsdruck PVa auf einer höheren Drucklage, insbesondere einem Hochdruck HD, als am Eintrittsanschluss 211 mit einem Verdichtereintrittsdruck PVe, insbesondere einem Niederdruck ND, bei einer Verdichtetereintrittstemperatur TVE, was den Zustand des Kältemittels am Eintrittsanschluss 211 bei Eintritt in eine Kompressionskammer beschreibt.The
Im Verflüssiger 220 erfolgt die Übertragung von Wärmeenergie QH vom Kältemittel des Dampfkompressionssystem 200 an ein Heizmedium des Wärmesenkensystems 400. Zunächst findet im Verflüssigter 220 die Enthitzung des Kältemittels statt, wobei überhitzter Kältemitteldampf durch eine Temperaturreduzierung einen Teil seiner Wärmeenergie an das Heizmedium des Wärmesenkensystems 400 überträgt.In the
Nach der Enthitzung des Kältemitteldampfes erfolgt vorteilhaft im Verflüssiger 220 eine weitere Wärmeübertragung QH durch Kondensation des Kältemittels beim Phasenübergang von der Gasphase des Kältemittels auf die Flüssigphase des Kältemittels. Dabei wird weitere Wärme QH vom Kältemittel aus dem Dampfkompressionssystem 200 an das Heizmedium des Wärmesenkensystems 400 übertragen.After the refrigerant vapor has been de-heated, a further heat transfer Q H advantageously takes place in the
Der sich im Verflüssiger 220 einstellende Hochdruck HD des Kältemittels korrespondiert im Betrieb des Verdichters 210 in etwa mit einem Kondensationsdruck des Kältemittels bei einer Heizmediumtemperatur Tws im Wärmesenkensystem.The high pressure HD of the refrigerant established in the
Das Heizmedium, insbesondere Wasser, wird mittels einer Heizmediumpumpe 410 durch das Wärmesenkensystem 400 in einer Richtung SW durch den Verflüssiger 220 gefördert, dabei wird die Wärmeenergie QH vom Kältemittel auf das Heizmedium übertragen.The heating medium, in particular water, is conveyed by means of a
Im nachfolgenden Sammler 260 wird aus dem Verflüssiger 220 austretendes Kältemittel gespeichert, welches abhängig vom Betriebspunkt des Dampfkompressionskreises 200 nicht in das zirkulierende Kältemittel eingespeist werden soll. Wird aus dem Verflüssiger 220 mehr Kältemittel eingespeist, als durch das Expansionsventil 230 weitergeleitet wird, füllt sich der Sammler 260, anderenfalls wird er leerer oder entleert.In the
Im nachfolgenden Rekuperator 250, der auch als interner Wärmeübertrager bezeichnet werden kann, wird interne Wärmeenergie Qi vom unter dem Hochdruck HD stehenden Kältemittel, welches vom Verflüssiger 220 zum Expansionsventil 230 in einer Hochdruck-Strömungsrichtung SHD strömt, auf das unter dem Niederdruck ND strömende Kältemittel übertragen, welches vom Verdampfer zum Verdichter in einer Niederdruckströmungsrichtung SND strömt, übertragen. Dabei wird das vom Verflüssiger zum Expansionsventil 230 strömende Kältemittel in vorteilhafter Weise unterkühlt.In the following
Zunächst strömt das Kältemittel durch einen Expansionsventileintritt 231 in das Expansionsventil ein. Im Expansionsventil 230 erfolgt eine Drosselung des Kältemitteldruckes vom Hochdruck HD auf den Niederdruck ND, indem das Kältemittel vorteilhaft eine Düsenanordnung oder Drossel mit einem vorteilhaft variablem Öffnungsquerschnitt passiert, wobei der Niederdruck vorteilhaft in etwa einem Saugdruck des Verdichters 210 entspricht. Anstelle eines Expansionsventils 230 kann auch eine andere beliebige Druckminderungseinrichtung eingesetzt sein. Vorteilhaft sind Druckminderungsrohre, Turbinen oder andere Entspannungsvorrichtungen.First, the refrigerant flows into the expansion valve through an
Ein Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 wird durch einen Elektromotor, der üblicherweise als Schrittmotor ausgeführt ist eingestellt, welcher durch die Steuereinheit oder Regelung 500 gesteuert wird. Dabei wird der Niederdruck ND beim Expansionsventilaustritt 232 des Kältemittels aus dem Expansionsventil 230 so gesteuert, dass der sich einstellende Niederdruck ND des Kältemittels im Betrieb des Verdichters 210 in etwa mit dem Verdampfungsdruck des Kältemittels mit der Wärmequellenmedientemperatur TWQ korrespondiert. Vorteilhaft wird die Verdampfungstemperatur des Kältemittels wenige Kelvin unterhalb der Wärmequellenmedientemperatur TWQ liegen, damit die Temperaturdifferenz eine Wärmeübertragung treibt.An opening degree of the
Im Verdampfer erfolgt eine Übertragung von Verdampfungswärmeenergie Qv vom Wärmequellenfluid des Wärmequellensystems 300, welches ein Solesystem, ein Erdwärmesystem zur Nutzung von Wärmeenergie QQ aus dem Erdreich, ein Luftsystem zur Nutzung von Energie QQ aus der Umgebungsluft oder eine andere Wärmequelle sein, die die Quellenergie QQ an das Dampfkompressionssystem 200 abgibt.In the evaporator there is a transfer of evaporation heat energy Qv from the heat source fluid of the heat source system 300, which can be a brine system, a geothermal system for using heat energy Q Q from the ground, an air system for using energy Q Q from the ambient air or another heat source that uses the source energy Q Q delivers to
Das in den Verdampfer 240 einströmende Kältemittel reduziert beim Durchströmen des Verdampfers 240 durch Wärmeaufnahme QQ seinen Nassdampfanteil und verlässt den Verdampfer 240 vorteilhaft mit einem geringen Nassdampfanteil oder vorteilhaft auch als überhitztes gasförmiges Kältemittel. Das Wärmequellenmedium wird mittels einer Solepumpe 330 bei Sole - Wasser-Wärmepumpen oder einem Außenluftventilator bei Luft/Wasser-Wärmepumpen durch den Wärmequellenmedienpfad des Verdampfers 240 gefördert, wobei beim Durchströmen des Verdampfers dem Wärmequellenmedium die Wärmeenergie QQ entzogen wird.The refrigerant flowing into the
Im Rekuperator 250 wird Wärmeenergie Qi zwischen dem vom Verflüssiger 220 zum Expansionsventil 230 strömenden Kältemittel auf das vom Verdampfer 240 zum Verdichter 210 strömende Kältemittel übertragen, wobei das vom Verdampfer 240 zum Verdichter 210 strömende Kältemittel insbesondere weiter überhitzt.In the
Dieses überhitzte Kältemittel, welches mit einer Überhitzungstemperatur TKe aus dem Rekuperator 250 austritt, wird zum Kältemitteleintrittsanschluss 211 des Verdichters 210 geleitet.This superheated refrigerant, which exits the recuperator 250 at an overheating temperature T Ke , is passed to the
Der Rekuperator 250 ist im Dampfkompressionskreis 200 eingesetzt, um den Gesamt - Wirkungsgrad als Quotient aus abgegebener Heizleistung QH und aufgenommener elektrischer Leistung Pe zum Antrieb des Verdichtermotors zu erhöhen.The
Zu diesem Zweck wird dem Kältemittel, welches im Verflüssiger 220 Wärmeenergie QH auf einem wärmesenkenseitigen Temperaturniveau an das Heizmedium abgibt, im Hochdruckpfad des Rekuperators 250 durch Unterkühlung weitere Wärmeenergie Qi entzogen. For this purpose, further thermal energy Q i is withdrawn from the refrigerant, which in the
Der innere Energiezustand des Kältemittels beim Eintritt in den Verdampfer 240 ist durch diesen Wärmeentzug Qi reduziert, sodass das Kältemittel bei gleichem Verdampfungstemperaturniveau mehr Wärmeenergie QQ aus der Wärmequelle 300 aufnehmen kann.The internal energy state of the refrigerant when it enters the
Anschließend wird dem Kältemittel, nach dem Verdampferaustritt 242 aus dem Verdampfer 240, im Niederdruckpfad bei Niederdruck ND und bei einer Niederdrucktemperatur entsprechend einer Verdampferaustrittstemperatur TVa am Eintritt in den Rekuperator 250 die im Hochdruckpfad entzogene Wärmeenergie Qi wieder zugeführt. Die Zuführung der Energie bewirkt vorteilhat eine Reduzierung des Nassdampfanteils auf einen Zustand ohne Nassdampfanteil. Die Überhitzung wird durch weitere Energiezuführung sichergestellt.Thereafter, after the
Des Weiteren sind zur Erfassung des Betriebszustandes des Dampfkompressionssystems 200 vorteilhaft folgende Sensoren angeordnet, mit denen insbesondere zur Absicherung und Optimierung der Betriebsbedingungen des Dampfkompressionssystems 200, insbesondere bei Betriebszustandsänderungen, eine modellbasierte Vorsteuerung umgesetzt ist.Furthermore, the following sensors are advantageously arranged to detect the operating state of the
Einerseits erfolgt vorteilhaft mit Hilfe der durch Sensoren erfassten Prozesswerte eine Absicherungen bezüglich zulässiger Arbeitsbereiche der Komponenten wie insbesondere dem Verdichter 210, andererseits erfolgen basierend auf den Sensordaten modellbasierte Vorsteuerungen insbesondere einer Drehzahl des Verdichters 210 und/oder einem Ventilöffnungsgrad des Expansionsventils, so dass die Regler zur Ausregelung einer sich dennoch, durch die Vorsteuerung aber kleineren, Regelabweichung nur noch kleinere Korrekturen durchführen muss:
Ein Hochdrucksensor 503 vorteilhaft zur Erfassung des Hochdrucks HD desKältemittels am Verdichteraustritt 212 oder zwischendem Verdichteraustritt 212und dem Expansionsventileintritt 231,ein Heißgastemperatursensor 504 vorteilhaft zur Erfassung einer Heißgastemperatur THG desKältemittels am Verdichteraustritt 212, oder im Kältekreisabschnittzwischen dem Verdichteraustritt 212und dem Verflüssigereintritt 221,ein Innentemperatursensor 506 vorteilhaft zur Erfassung der Innentemperatur Tle des Kältemittels zwischen dem hochdruckseitigem internen Rekuperatorauslass 252 des Kältemittels ausdem Rekuperator 250und dem Expansionsventileitritt 231. Die Innentemperatur ist vorteilhaft auch als "Rekuperatoraustrittstemperatur Hochdruckpfad" benannt undvorteilhaft ein Rekuperatorinnentemperatursensor 505.Der Rekuperatorinnentemperatursensor 505 erfasst vorteilhaft Verflüssigeraustrittstemperatur TFA des Kältemittels in der Strömungsrichtung am Verflüssigeraustritt oder dem hochdruckseitigen Rekuperatoreintritt und daher wird vorteilhaft die Verflüssigeraustrittstemperatur TFA vom Rekuperatorinnentemperatursensor 505 gemessen.
- A
high pressure sensor 503 is advantageous for detecting the high pressure HD of the refrigerant at thecompressor outlet 212 or between thecompressor outlet 212 and theexpansion valve inlet 231, - A hot
gas temperature sensor 504 is advantageous for detecting a hot gas temperature T HG of the refrigerant at thecompressor outlet 212, or in the refrigeration circuit section between thecompressor outlet 212 and thecondenser inlet 221, - an
internal temperature sensor 506 advantageously for detecting the internal temperature T le of the refrigerant between the high-pressure sideinternal recuperator outlet 252 of the refrigerant from therecuperator 250 and theexpansion valve entry 231. The internal temperature is advantageously also referred to as the "recuperator outlet temperature high pressure path" and - advantageously a recuperator
internal temperature sensor 505. The recuperatorinternal temperature sensor 505 advantageously detects the condenser outlet temperature T FA of the refrigerant in the direction of flow at the condenser outlet or the high-pressure recuperator inlet and therefore the condenser outlet temperature T FA is advantageously measured by the recuperatorinterior temperature sensor 505.
Die folgenden Sensoren sind insbesondere für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft:
Ein Niederdrucksensor 502 zur Erfassung des Niederdrucks ND desKältemittels am Verdichtereintritt 211, oder zwischendem Expansionsventil 230und dem Verdichtereintritt 211,ein Verdampferaustrittstemperatursensor 508 zur Erfassung der Verdampferaustrittstemperatur TVa desKältemittels am Verdampferaustritt 242 oder zwischendem Verdampferaustritt 242 und dem niederdruckseitigen Eintritt des Kältemittels inden Rekuperatoreinlass 251 desRekuperators 250 undein Niederdrucktemperatursensor 501 misst vorteilhaft eine Verdichtereintrittstemperatur oder dient vorteilhaft zur Erfassung der Kältemittelniederdrucktemperatur TND oder vorteilhaft einer Verdichtereintrittstemperatur TKE am Verdichtereintritt 211, oder zwischendem niederdruckseitigem Rekuperatorauslass 252 des Kältemittels ausdem Rekuperator 250und dem Verdichtereintritt 211.
- A
low pressure sensor 502 for detecting the low pressure ND of the refrigerant at thecompressor inlet 211, or between theexpansion valve 230 and thecompressor inlet 211, - an evaporator
outlet temperature sensor 508 for detecting the evaporator outlet temperature T Va of the refrigerant at theevaporator outlet 242 or between theevaporator outlet 242 and the low-pressure side entry of the refrigerant into therecuperator inlet 251 of therecuperator 250 and - A low-
pressure temperature sensor 501 advantageously measures a compressor inlet temperature or is advantageously used to detect the low-pressure refrigerant temperature T ND or, advantageously, a compressor inlet temperature T KE at thecompressor inlet 211, or between the low-pressure-side recuperator outlet 252 of the refrigerant from therecuperator 250 and thecompressor inlet 211.
Die Prozessgröße, welche einen maßgeblichen Einfluss auf den Gesamt - Wirkungsgrad des Dampfkompressionskreises 200 als Quotient zwischen der vom Dampfkompressionskreis 200 übertragenen Heizleistung QH zu einer vom Verdichter 210 aufgenommenen elektrischen Leistung Pe hat, ist die Überhitzung des Kältemittels am Verdichtereintritt 211. Zur Einhaltung zulässiger Verdichter - Betriebsbedingungen werden vorteilhaft allerdings Beschränkungen bezüglich des erlaubten Überhitzungsbereiches des Kältemittels am Verdichtereintritt eingehalten. Zu niedrige Überhitzungen gefährden insbesondere die Schmiereigenschaften des Maschinenöls, zu hohe Überhitzungen bewirken insbesondere eine zu hohe Heißgastemperatur.The process variable, which has a significant influence on the overall efficiency of the
Die Überhitzung beschreibt die Temperaturdifferenz zwischen der erfassten Verdichtereintrittstemperatur TKE des Kältemittels und der Verdampfungstemperatur des Kältemittels bei gesättigtem Dampf.The overheating describes the temperature difference between the recorded compressor inlet temperature T KE of the refrigerant and the evaporation temperature of the refrigerant in the case of saturated steam.
Erfindungsgemäß wird vorzugsweise die Verdichtereintrittsüberhitzung derart geregelt, dass kein Kondensat durch Taupunktunterschreitung des in der Umgebungsluft enthaltenden Wasserdampfanteils an Komponenten des Kältekreises insbesondere im Abschnitt zwischen Kältemittelaustritt des Rekuperators 252 und Verdichtereintritt 211 ausfällt. Der Kältekreisabschnitt zwischen Verdampferaustritt 242 und Rekuperatoreintritt 251 ist zwar üblicherweise kälter, weil dieser typischerweise nur ein kurzer Rohrabschnitt ist, ist eine bessere Isolierung im Vergleich zu dem Abschnitt zwischen Kältemittelaustritt des Rekuperators 252 und Verdichtereintritt 211 möglich. Beispielsweise sitzt an der Stelle des Verdichtereintritts 211 am Verdichter der Kältemittelabscheider, der geschützt werden soll. Dieser kann schlecht eingehaust werden, so dass hier die Temperatur so hochgehalten werden soll, dass nichts kondensiert. Die Problematik der Kondensation tritt auf der Hochdruckseite im Regelfall nicht auf. Auch die Passage zwischen hochdruckseitigem Rekuperatoraustritt 252 und Eintritt in das Expansionsventil 231 kühlt regelmäßig in Abhängigkeit des Betriebspunktes bei idealen Wärmeübertragungsbedingungen im Rekuperator 250 auf das Temperaturniveau des Kältemittels am Verdampferaustritt 242 ab. Da aber auch diese Passage typischerweise kurz ist und man kann sie sehr gut isolieren kann, ist auch dieser Abschnitt im Regelfall nicht problematisch. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren einen Kondensatabfall grundsätzlich über den gesamten Kreislauf der Wärmepumpe verhindern kann.According to the invention, the compressor inlet overheating is preferably regulated in such a way that no condensate precipitates due to the water vapor content in the ambient air falling below the dew point in components of the refrigeration circuit, particularly in the section between the refrigerant outlet of the
Wenn - zum Zwecke eines Zahlenbeispiels - ein Verdampfungstemperaturniveau von ca. -10°C angenommen wird und die Temperatur am Soleeintritt 330 bei etwa -10°C, am Soleaustritt 310 etwa -13°C und am Verdichtereintritt 5°C beträgt, beträft die Überhitzung 15K.If - for the purpose of a numerical example - an evaporation temperature level of approx. -10 ° C is assumed and the temperature at the
Vorteilhaft sind bei vielen Anlagen Raumtemperatursensor und Raumfeuchtesensor, die eine genaue Bestimmung der Auskondensierungsbedingungen der Luft ermöglicht, bspw. Liegt bei 21°C und 60% rel. Feuchte die Kondensationstemperatur im Bereich von 13°C. Unter diesen Bedingungen findet also, so lange die Rohrtemperatur über 13°C zuzüglich gegebenenfalls einen Puffer, bspw. 1K, keine Kondensation statt.In many systems, room temperature sensors and room humidity sensors are advantageous, since they enable precise determination of the condensation conditions of the air, for example at 21 ° C and 60% rel. Moisture the condensation temperature in the range of 13 ° C. Under these conditions, no condensation takes place as long as the pipe temperature is above 13 ° C plus, if necessary, a buffer, e.g. 1K.
An dem selbstverständlich nicht einschränkenden Zahlenbeispiel festgehalten, wird nun die Erzielung einer Überhitzung von 15 K bei einer Verdichtereintrittstemperatur von 5°C erreicht. Diese Temperatur liegt unter den 13°C, die für die aktuellen Umgebungsbedingungen als Kondensationstemperatur des in der Umgebungsluft befindlichen Wasserdampfanteils bestimmt ist. Demnach findet Kondensation statt. Soll die Verdichtereintrittstemperatur wenigstens 14°C, d.h. Kondensationstemperatur plus Puffer, betragen, muss die Überhitzung um 9K größer werden, d.h. eine Überhitzung von 24K eingehalten werden.Using the numerical example, which of course does not limit, is now achieved overheating of 15 K at a compressor inlet temperature of 5 ° C. This temperature is below 13 ° C, which is determined for the current ambient conditions as the condensation temperature of the water vapor in the ambient air. Accordingly, condensation takes place. If the compressor inlet temperature is to be at least 14 ° C, ie condensation temperature plus buffer, the overheating must be 9K greater, ie an overheating of 24K must be maintained.
Grenzwerte, insbesondere für die Überhitzung, legen arbeitspunktabhängig den zulässigen Überhitzungsbereich der Komponenten am Verdichtereintritt 211 fest. Weiterhin bestehen aber auch Abhängigkeiten zwischen der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und dem Gesamtwirkungsgrad des Dampfkompressionskreises 200 oder auch zwischen Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und einer Stabilität S eines Regelwertes R vorteilhaft bei der Ausregelung der Verdichtereintrittsüberhitzung.Limit values, in particular for overheating, define the permissible overheating range of the components at the
Zur Berücksichtigung all dieser Anforderungen werden vorteilhaft in Abhängigkeit des Arbeitspunktes des Dampfkompressionskreises 200, die Wärmequellenmedientemperatur, die Heizmediumtemperatur, die Verdichterleistung Pe und Zielwerte Z oder der Zielwert Z für eine Berechnung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE herangezogen. Alternativ oder zusätzlich kann aus den vom Arbeitspunkt abhängigen Kältekreis-Messgrößen wie Wärmequellenmedientemperatur, Heizmediumtemperatur, Verdichterleistung Pe und parametrierbaren, also an das Verhalten der jeweiligen Kältekreiskomponenten angepasste Koeffizienten eine Berechnung des Zielwertes Z als Vorgabewert für die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE durchgeführt werden. Im einfachsten Fall ist der Zielwert für die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE unabhängig von allen Betriebsbedingungen konstant, z.B. 10 Kelvin. Bei einer komplexeren Anpassung wird er als Funktion einer Arbeitspunktgröße, z.B. der Verdichterleistung Pe variiert oder bei noch komplexerer Anpassung variiert er als Funktion mehrerer Arbeitspunktgrößen.To take into account all these requirements, depending on the operating point of the
Es wird eine Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und eine Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA miteinander gewichtet kombiniert, woraus im Regler 500 eine Gesamtregelabweichung berechnet wird, welche zur Regelung des Dampfkompressionskreises 200 eingespeist wird. Vorteilhaft präziser werden zunächst die Regelabweichungen von der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA durch die Bildung der Differenzen zwischen den jeweiligen Messwerten und Zielwerten gebildet.
- Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE = Messwert Verdichtereintrittsüberhitzung - Zielwert Verdichtereintrittsüberhitzung ZTÜE
- Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA = Messwert Verdampferaustrittsüberhitzung - Zielwert Verdampferaustrittsüberhitzung ZTÜA
- Control deviation of the compressor inlet superheat dT ÜE = measured value compressor inlet superheat - target value compressor inlet superheat Z TÜE
- Control deviation of the evaporator outlet superheat dT ÜA = measured value evaporator outlet superheat - target value evaporator outlet superheat Z TÜA
Dann wird vorteilhaft aus dem gewichteten Einfluss von der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und dem gewichteten Einfluss der Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA im Regler 500 die Gesamtregelabweichung berechnet, welche zur Regelung des Dampfkompressionskreises 200 eingespeist wird.Then, from the weighted influence of the control deviation of the compressor inlet overheating dT ÜE and the weighted influence of the control deviation of the evaporator outlet overheating dT ÜA in the controller 500, the total control deviation is calculated, which is fed in to regulate the
Beim Dampfkompressionskreis 200 passiert das Kältemittel nach der Entspannung durch das Expansionsventil 230 zwei sequentiell angeordnete Wärmeübertrager, den Verdampfer 240 und den Rekuperator 250 in welchen dem Kältemittel Wärmeenergie QQ und Qi zugeführt wird.In the
Im Verdampfer 250 wird dem Kältemittel Quellwärmeenergie QQ aus dem Wärmequellsystem 300 zugeführt. Das Temperaturniveau der zugeführten Quellwärme QQ ist auf einem Temperaturniveau der Wärmequelle, insbesondere wie des Erdreiches oder der Außenluft.In the
In dem in Kältemittel Hochdruck-Strömungsrichtung SHD nachfolgenden Rekuperator 250 wird dem Kältemittel Wärmeenergie Qi nach Verlassen des Verflüssigers 220 entzogen. Das Temperaturniveau des Kältemittels am Austritt des Verflüssigers stellt sich in etwa auf Höhe der Rücklauftemperatur des Heizmediums ein.In the
Diese Verschaltung des Verdampfers 240 mit dem Rekuperator 250 in Reihe hat einen entscheidenden Einfluss auf die Übertragungsfunktion der Regelstrecke für die Regelung Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE.This interconnection of the
Der Regelwert R ist vorteilhaft die gewichtete Verknüpfung der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE mit der Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung.The control value R is advantageously the weighted link between the control deviation of the compressor inlet superheat dT ÜE and the control deviation of the evaporator outlet superheat.
Aktoren oder Betriebszustandsgrößen mit einem Einfluss auf den Regelwert R, insbesondere der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE, sind im betreffenden Dampfkompressionskreis 200 die Verdichterdrehzahl und/oder den Öffnungsgrad des Expansionsventils 230, womit auch vorteilhaft der Niederdruck ND und das Verdampfungstemperaturniveau bestimmt sind. Actuators or operating state variables with an influence on the control value R, in particular the compressor inlet overheating dT ÜE, are the compressor speed and / or the degree of opening of the in the relevant
Besonders vorteilhaft haben Aktoren Einfluss auf den Regelwert R, insbesondere auf die gewichtete Verknüpfung der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung mit der Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung. Im betreffenden Dampfkompressionskreis 200 sind insbesondere der Verdichter 210 durch die Variation der Verdichterdrehzahl und das Expansionsventil 230 durch Beeinflussung des Öffnungsgrades solche Aktoren. Diese beiden Aktoren beeinflussen den Niederdruck ND und das Verdampfungstemperaturniveau.Actuators have a particularly advantageous influence on the control value R, in particular on the weighted linkage of the control deviation of the compressor inlet overheating with the control deviation of the evaporator outlet overheating. In the relevant
Hierbei sind nicht alle Einflüsse gewünscht. So verändert vorteilhaft und beispielsweise eine Änderung der Verdichterdrehzahl zur Einregelung der gewünschten Heizleistung ohne weitere kompensatorische Änderungen des Öffnungsgrades des Expansionsventils den Regelwert R in unerwünschte Bereiche, sodass eine mit der Verdichterdrehzahländerung einhergehende modellbasiert unterstützte Öffnungsgradänderung des Expansionsventils zur Einregelung von R vorteilhaft, gegebenenfalls sogar erforderlich ist.Not all influences are desired here. For example, a change in the compressor speed to regulate the desired heating power without further compensatory changes in the degree of opening of the expansion valve advantageously changes the control value R into undesired ranges, so that a model-based, supported change in the degree of opening of the expansion valve to regulate R is advantageous, if necessary, even necessary .
Vorteilhaft wird im Dampfkompressionskreis 200 die Verdichterdrehzahl so eingestellt, dass die vom Dampfkompressionskreis 200 an das Heizmedium übertragene Heizleistung QH dem angeforderten Zielwert Z entspricht. Zur Einhaltung dieser Vorgabe ist eine Beeinflussung der Verdichterdrehzahl zur Regelung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE vorteilhaft untergeordnet oder nicht angebracht.The compressor speed is advantageously set in the
Vorteilhaft wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 als Stellwert für die Regelung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE verwendet. Der Einfluss des Öffnungsgrades des Expansionsventils 230 auf die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE vollzieht sich wie folgt:
Das Expansionsventil 230 agiert als Düse mit elektromotorisch verstellbarem Düsenquerschnitt, bei welchem üblicherweise mittels eines Schrittmotors eine nadelförmige Düsennadel per Gewinde in einen Düsensitz gefahren wird.The degree of opening of the
The
Der Kältemitteldurchsatz durch das Expansionsventil ist bei Betrieb mit flüssigem Kältemittel am Expansionsventileintritt 231 in etwa proportional zur Quadratwurzel des Druckunterschiedes zwischen dem Expansionsventileintritt 231 und -austritt 232 multipliziert mit einem aktuellen relativen Wert des Düsenquerschnitts oder Öffnungsgrads und vorteilhaft einer vom Kältemittel - und einer Geometrie des Expansionsventils 230 abhängigen Konstante.When operating with liquid refrigerant at the
Da bei einer in einem Arbeitspunkt mit einer als konstant angenommenen Verdichterdrehzahl und einer als konstant angenommenen Heizmediumtemperatur TWS auch der korrespondierende Hochdruck HD des Kältemittels beim Eintritt in das Expansionsventil 230 als konstant angenommen werden kann, beeinflusst der Öffnungsgrad des Expansionsventil 230 maßgeblich nur den Niederdruck ND, also des Austrittsdruck aus dem Expansionsventil 230.Since at an operating point with a compressor speed assumed to be constant and a heating medium temperature TWS assumed to be constant, the corresponding high pressure HD of the refrigerant upon entry into the
Wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 verringert, so passiert weniger Kältemittel bei konstantem Hochdruck HD und zunächst noch konstantem Niederdruck ND das Expansionsventil 230. Da der Verdichter 210 aber weiterhin zunächst den gleichen Kältemittelmassenstrom fördert, wird in Hochdruck-Strömungsrichtung SHD durch das Expansionsventil 230 weniger Kältemittel zugeführt, als vom Verdichter 210 abgesaugt wird.If the degree of opening of the
Da es sich bei Kältemitteldampf um ein kompressibles Medium handelt, sinkt dann der Niederdruck ND auf der Niederdruckseite des Dampfkompressionskreises 200. Bei sinkendem Niederdruck ND sinkt in etwa proportional der Massenstrom von Kältemittel durch den Verdichter 210, da dessen Förderleistung sich angenähert als Rauminhalt / Zeit beschreiben lässt, bedingt durch insbesondere die Kolbenhübe, und es stellt sich ein entsprechend reduzierter Niederdruckwert ND ein, bei welchem der durch das Expansionsventil 230 zugeführte Kältemittelmassenstrom gleich dem vom Verdichter 210 abgeführten Kältemittelmassenstrom ist.Since refrigerant vapor is a compressible medium, the low pressure LP then falls on the low pressure side of the
Wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 vergrößert, so passiert mehr Kältemittel bei konstantem Hochdruck HD und zunächst noch konstantem Niederdruck ND das Expansionsventil 230. Da der Verdichter 210 aber weiterhin zunächst den gleichen Kältemittelmassenstrom fördert, wird der Niederdruckseite ND des Kältekreises durch das Expansionsventil 230 mehr Kältemittel zugeführt, als vom Verdichter 210 abgesaugt wird. Da es sich beim Kältemitteldampf um ein kompressibles Medium handelt, steigt der Niederdruck ND auf der Niederdruckseite des Dampfkompressionskreises 200. Bei steigendem Niederdruck ND steigt die Massenstromförderleistung des Verdichters 210 in etwa proportional, da dessen Förderleistung sich angenähert als Rauminhalt / Zeit beschreiben lässt, und es stellt sich ein entsprechend erhöhter Niederdruck ND ein, bei welchem der durch das Expansionsventil 230 zugeführte Kältemittelmassenstrom gleich dem vom Verdichter 210 abgeführte Kältemittelmassenstrom ist.If the degree of opening of the
Der Niederdruck ND wiederum beeinflusst maßgeblich die Wärmeübertragung zwischen Wärmequellenmedium und Kältemittel im Verdampfer 240. Der Wärmestrom QQ aus dem Wärmequellsystem 300 wird zwischen dem Wärmequellmedium und dem Kältemittel mit unterschiedlicher Temperatur übertragen, wobei der Wärmestrom QQ dabei abhängig vom der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmequellmedium und dem Kältemittel und dem Wärmeübergangswiderstand einer Wärmeübertragungsschicht des Verdampfers 240 ist.The low pressure ND in turn significantly influences the heat transfer between the heat source medium and the refrigerant in the
Der Wärmeübergangswiderstand zwischen Wärmequellenmedienpfad des Verdampfers und Kältemittelpfad des Verdampfers ist in einem jeweiligen Dampfkompressionskreis 200 als in etwa konstant anzunehmen. Daher ist die Größe der Wärmeübertragungsleistung im Verdampfer 240 maßgeblich abhängig vom Integral der Temperaturdifferenzen aller Flächenelemente der Wärmeübertragungsschicht.The heat transfer resistance between the heat source media path of the evaporator and the refrigerant path of the evaporator is to be assumed to be approximately constant in a respective
Um ein hinreichendes Maß von Wärmeenergie QQ vom Wärmequellesystem 300 an das Kältemittel übertragen zu können, muss sichergestellt sein, dass die Temperatur des Wärmequellenmediums in möglichst allen Flächenelementen der Übertragungsschicht des Wärmeübertragers, hier des Verdampfers 240, größer ist als die Temperatur des Kältemittels am jeweiligen Flächenelement ist.In order to be able to transfer a sufficient amount of thermal energy Q Q from the heat source system 300 to the refrigerant, it must be ensured that the temperature of the heat source medium in as many surface elements as possible of the transfer layer of the heat exchanger, here the
Ist der Aggregatzustand des Kältemittels beim Durchströmen des Verdampfers 240 gesättigter Dampf, so stellt sich eine Kältemitteltemperatur ein, welche durch die Sättigungsdampfkennlinie als Stoffeigenschaft des Kältemittels eine Funktion des Niederdrucks ND des Kältemittels ist. Somit lässt sich durch eine Steuerung des Niederdruckes ND oder auch eines Verdampfungsdruckes indirekt eine Steuerung der Verdampfungstemperatur des Kältemittels beim Durchströmen des Rekuperators 250 steuern.If the state of aggregation of the refrigerant when flowing through the
Die Wärmeenergie QQ, welche vom Wärmequellensystem an das den Verdampfer 240 durchströmende Kältemittel übertragen wird, bewirkt eine Aggregatzustandsbeeinflussung des Kältemittels.The thermal energy Q Q , which is transferred from the heat source system to the refrigerant flowing through the
Der Nassdampfanteil im gesättigten Kältemitteldampf nimmt bei konstantem Niederdruck bei Wärmeübertragung an das Kältemittel ab. Bei einer unvollständigen Verdampfung ist der Nassdampfanteil und damit auch der innere Energiezustand des Kältemittels beim Austritt aus dem Wärmeübertrager eine Funktion vom:
- Nassdampfanteil bei Eintritt in
den Verdampfer 240, - Kältemittelmassenstrom,
- Übertragener Wärmeleistung QQ, und von einer
- Enthalpiedifferenz im Nassdampfgebiet beim jeweiligen Niederdruck ND, welche das Kältemittel als eine zugeordnete Funktion des Drucks aufweist.
- Wet steam content when entering the
evaporator 240, - Refrigerant mass flow rate,
- Transferred heat output Q Q , and from one
- Enthalpy difference in the wet steam area at the respective low pressure LP, which the refrigerant has as an assigned function of the pressure.
Zur vollständigen Verdampfung erfolgt eine zusätzliche Energiezuführung im Rekuperator 250, um das Kältemittel über den Zustand gesättigten Dampfes hinaus zu überhitzen.For complete evaporation, an additional energy supply takes place in the
Mit dem Verfahren wird bei gegebenen Betriebsbedingungen des Dampfkompressionskreises 200 in Abhängigkeit der Stellgröße "Öffnungsgrad Expansionsventil 230" ein korrespondierender Kältemittelzustand beim Austritt aus dem Verdampfers 240 eingestellt.With the method, given the operating conditions of the
Im eingeschwungenen Zustand ergibt sich hinsichtlich einer Regeltreckensteilheit der "isolierten" Regelstrecke "Verdampfer 240" ein Regelstreckenverhalten mit moderater Steilheit. Das Regelstreckenverhalten ist insbesondere gekennzeichnet durch Regelstreckenausgangswertes Verdampferaustrittsüberhitzung als Funktion des Regelstreckeneingangswertes Expansionsventilöffnungsgrad. Vorteilhaft wird ein Kältemittel, insbesondere als Kältemittel ein Kältemittelgemisch verwendet, welches einen "Temperaturglide" aufweist, insbesondere wird vorteilhaft R454C verwendet. Vorteilhaft wird bei einem Kältemittelgemisch mit einem Temperaturglide eine relative Öffnungsgradänderung des Stellorgans Expansionsventil von 1 % rel. am Austritt des Kältemittels aus dem Verdampfer üblicherweise mit einer Überhitzungsänderungen von vorteilhaft etwa kleiner 1 K eingestellt.In the steady-state state, a controlled system behavior with moderate steepness results with regard to a control path steepness of the "isolated" controlled system "
Die Einstellung dieses Zustandes erfolgt vorteilhaft auch durch eine regelungstechnische Beeinflussung wenigstens einer oder mehrerer der verschiedenen folgenden Zeitkonstanten; die letztendlich die Prozessgröße Kältemittelüberhitzung am Verdampferaustritt 242 beeinflussen:
- Eine erste Zeitkonstante bewirkt vorteilhaft eine Verzögerung der mechanischen Öffnungsgradänderung des
Expansionsventils 230 durch die Begrenzung der Verfahrgeschwindigkeit durch den Regler 500, der Regelwert R wird in dieser ersten Zeitkonstante Z in der Verfahrgeschwindigkeit durch einen Bremswert reduziert. Der Bremswert kann beispielsweise die reglertechnische Zykluszeit, in welcher einVerfahrschritt des Expansionsventils 230 gesteuert wird, umfassen. - Eine zweite Zeitkonstante wirkt durch den Regler 500 vorgegeben vorteilhaft auf eine verzögerte Einstellung eines korrespondierenden Niederdruckes bei Öffnungsgradänderungen des
Expansionsventils 230 aufgrund der Kompressibilität des Kältemitteldampfes bei Niederdruck ND im Niederdruckpfad. - Eine dritte Zeitkonstante ist vorteilhaft eine thermische Zeitkonstante der Wärmeübertragungsschicht des
Verdampfers 240, wobei eine Änderung des Verdampfungsdruckes und damit der Verdampfungstemperatur eine verzögerte Temperaturänderung der Wärmeübertragungsschicht des Verdampfers, welcher oft mehrere Kilogramm Metall hat und des Wärmequellenmediums. - Eine vierte Zeitkonstante ergibt sich vorteilhaft aus verzögerten Aggregatzustandsänderungen des Kältemittels bei Verdampfungstemperaturänderungen.
- Eine fünfte Zeitkonstante ergibt sich vorteilhaft aus dem Transport des Kältemittels durch
den Verdampfer 240 mit einer endlichen Strömungsgeschwindigkeit.
- A first time constant advantageously causes a delay in the mechanical change in the degree of opening of the
expansion valve 230 by limiting the travel speed by the controller 500; the control value R is reduced in the travel speed in this first time constant Z by a braking value. The braking value can include, for example, the controller cycle time in which a displacement step of theexpansion valve 230 is controlled. - A second time constant, predetermined by the controller 500, advantageously acts on a delayed setting of a corresponding low pressure when the opening degree of the
expansion valve 230 changes due to the compressibility of the refrigerant vapor at low pressure LP in the low pressure path. - A third time constant is advantageously a thermal time constant of the heat transfer layer of the
evaporator 240, a change in the evaporation pressure and thus the evaporation temperature causing a delayed temperature change in the heat transfer layer of the evaporator, which often has several kilograms of metal, and the heat source medium. - A fourth time constant results advantageously from delayed changes in the physical state of the refrigerant in the event of changes in the evaporation temperature.
- A fifth time constant results advantageously from the transport of the refrigerant through the
evaporator 240 at a finite flow speed.
Es stellt sich also vorteilhaft nach Änderung der Stellgröße "Öffnungsgrad des Expansionsventils 230" eine Verzögerung der korrespondierenden Kältemittelzustandsänderung beim Austritt aus dem Verdampferaustritt 242 ein und eine Gesamtzeitkonstante Zges liegt arbeitspunktabhängig vorteilhaft im Bereich von 30 Sekunden bis etwa 5 Minuten.After changing the manipulated variable "degree of opening of
Nach Durchströmung des Verdampfers 240 tritt das Kältemittel bei Niederdruck ND in den Niederdruckpfad des Rekuperators 250 ein.After flowing through the
Ist der Aggregatzustand des Kältemittels beim Einströmen in den Rekuperators 250 in einem üblichen Betriebsfall, also vorteilhaft entweder gesättigter Dampf mit einem geringen Dampfanteil zwischen 0 bis 20 % oder insbesondere auch vorteilhaft auch bereits überhitztes Kältemittel.If the state of aggregation of the refrigerant when flowing into the
Bei vorteilhaft gesättigtem Dampf stellt sich eine Kältemitteltemperatur ein, welche durch die Sättigungsdampfkennlinie des Kältemittels eine Funktion des Kältemitteldruckes ist. Bei Eintritt von überhitztem Kältemittel wird die Kältemitteltemperatur maximal eine Größe annehmen, welche der Eintrittstemperatur des Wärmequellenmediums entspricht. In diesem Fall entspricht die Größe vorzugsweise der Eintrittstemperatur des Kältemittels in den Hochdruckpfad des Rekuperators 250, also die Temperatur des Kältemittels nach Austritt aus dem Verflüssiger 220.In the case of advantageously saturated steam, a refrigerant temperature is established which, due to the saturation vapor characteristic curve of the refrigerant, is a function of the refrigerant pressure. When superheated refrigerant enters, the refrigerant temperature will at most assume a size which corresponds to the entry temperature of the heat source medium. In this case, the size preferably corresponds to the inlet temperature of the refrigerant into the high-pressure path of the
Um ein hinreichendes Maß von Wärmeenergie vom Kältemittel des hochdruckseitigen Kältemittelpfad an das Kältemittel des niederdruckseitigen Kältemittelpfad im Rekuperator 250 übertragen zu können, muss sichergestellt sein, dass die Temperatur des Kältemittels des hochdruckseitigen Kältemittelpfads auf Hochdruck HD in möglichst allen Flächenelementen der Übertragungsschicht des Rekuperators 250 größer als die Temperatur des Kältemittels des niederdruckseitigen Kältemittelpfades bei Niederdruck ND am jeweiligen Flächenelement ist.In order to be able to transfer a sufficient amount of thermal energy from the refrigerant of the high-pressure-side refrigerant path to the refrigerant of the low-pressure-side refrigerant path in
Die korrespondierenden Temperaturen des Heizsystems 400 des Dampfkompressionssystems 200 sind in einem Heizfall höher als die korrespondierenden Temperaturen der Wärmequelle wie dem Erdreich oder der Außenluft.The corresponding temperatures of the heating system 400 of the
Die Wärmeenergie Qi, welche vom Kältemittel bei Hochdruck HD des hochdruckseitigen Kältemittelpfads an das Kältemittel bei Niederdruck im niederdruckseitigen Kältemittelpfad des Rekuperators 250 übertragen wird, bewirkt eine Aggregatzustandsbeeinflussung des Kältemittels auf der Niederdruckseite. Der Nassdampfanteil des den Rekuperator 250 niederdruckseitig bei Niederdruck ND durchströmenden Kältemittels nimmt bei einer Wärmeübertragung an das Kältemittel ab und nach einer vollständigen Verdampfung erfolgt vorteilhaft eine Überhitzung des Kältemittels.The thermal energy Q i , which is transferred from the refrigerant at high pressure HD of the high-pressure side refrigerant path to the refrigerant at low pressure in the low-pressure side refrigerant path of the
Der innere Energiezustand des Kältemittels, beim Austritt aus dem niederdruckseitigen Pfad des Rekuperators, wird vorteilhaft abhängig von einem oder mehreren der folgenden Faktoren beeinflusst. Hierbei sollte beachtet werden, dass die Energiezustandsänderung ausschließlich auf physikalischen Abhängigkeiten beruht, wobei der Regler die Steuerung der Aktoren beeinflusst, was dann natürlich auch die physikalischen Größen wie den Kältemittelmassenstrom beeinflusst:
- Nassdampfanteil bei Eintritt in
den Rekuperator 250, - Kältemittelmassenstrom,
- übertragene Wärmeleistung Qi, womit vorteilhaft abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Kältemittels bei Hochdruck HD im hochdruckseitigen Kältemittelpfad und der Temperatur des Kältemittels des niederdruckseitigen Kältemittelpfades bei Niederdruck ND geregelt wird, und/oder
- eine Enthalpiedifferenz im Nassdampfgebiet beim jeweiligen Niederdruck ND.
- Wet steam content when entering the
recuperator 250, - Refrigerant mass flow rate,
- transferred heat output Q i , which is advantageously regulated depending on the temperature difference between the temperature of the refrigerant at high pressure HD in the high-pressure side refrigerant path and the temperature of the refrigerant of the low-pressure side refrigerant path at low pressure LP, and / or
- an enthalpy difference in the wet steam area at the respective low pressure LP.
Vorteilhaft wird somit bewirkt, dass sich in Abhängigkeit der gegebenen Betriebsbedingungen des Dampfkompressionskreises 200 sowie in Abhängigkeit der Stellgröße "Öffnungsgrad Expansionsventil 230" ein korrespondierender Kältemittelzustand beim Austritt 252 aus dem Rekuperator 250 beim Niederdruck ND einstellt.This advantageously has the effect that, depending on the given operating conditions of
Im eingeschwungenen Zustand ergibt sich hinsichtlich Regeltreckensteilheit der "isolierten" Regelstrecke beim Niederdruck ND des Kältemittels im niederdruckseitiger Pfad des Rekuperators 250 ein Regelstreckenverhalten mit hoher Steilheit, bei in etwa gleichbleibendem inneren Energiezustand des Kältemittels beim Eintritt 251 in den niederdruckseitigen ND Pfad des Rekuperators 250. Mit einer insbesondere relativen Öffnungsgradänderung des Expansionsventils von 1 % ergibt sich eine Überhitzungsänderung am Austritt des Kältemittels aus dem Rekuperator 250 von vorteilhaft etwa 10 K oder auch über 10 K.In the steady-state condition, the "isolated" controlled system at low pressure ND of the refrigerant in the low-pressure side path of the
Gegenüber dem Rekuperator 250 erfolgt vorteilhaft eine wesentlich höhere Wärmeübertragung im Verdampfer 240 zwischen dem Quellmedium und dem Kältemittel im Verdampfer 240.Compared to the
So erfolgt zwar im Verdampfer 240 eine wesentlich höhere Wärmeübertragung als im Rekuperator 250, was auch erforderlich ist, da der Umgebung mittels Verdampfer 240 eine wesentlich größere Energie entzogen werden soll, als sie nur im Rekuperator 250 innerhalb des Kältekreises zu übertragen. Die treibende Temperaturdifferenz kann aber beispielsweise im Rekuperator zwischen 20 bis 60 K betragen, während diese im Verdampfer lediglich zwischen 3 bis 10 K beträgt. Um die gewünschten Energien trotz unterschiedlicher treibender Temperaturdifferenzen übertragen zu können, wird beispielsweise die Austauscherfläche des Verdampfers ca. 5 bis 20 mal größer ausgelegt als die des Rekuperators 250.A significantly higher heat transfer takes place in the
Die Einstellung dieses Zustandes erfolgt hierbei vorteilhaft unter Verwendung wenigstens einer der folgenden Zeitkonstanten Z:
- Mit einer elften Zeitkonstante Z11 wird vorteilhaft eine Verzögerung der mechanischen Öffnungsgradänderung des
Expansionsventils 230 durch die Begrenzung einer Verfahrgeschwindigkeit vorgegeben. - Eine zwölfte Zeitkonstante Z12 wirkt vorteilhaft auf die verzögerte Einstellung eines korrespondierenden Niederdruckes ND bei Öffnungsgradänderungen des
Expansionsventils 230 aufgrund der Kompressibilität des Kältemitteldampfes im Niederdruckpfad ND. - Eine 13. Zeitkonstante Z13 ist eine thermische Zeitkonstante der Wärmeübertragungsschicht des Verdampfers. Somit bewirkt eine Änderung des Verdampfungsdruckes und damit der Verdampfungstemperatur eine verzögerte Temperaturänderung der Wärmeübertrageschicht, welche oft mehrere Kilogramm Metall beinhaltet, und des Kältemittels im Niederdruckpfad des
Verdampfers 240. - Eine 14. Zeitkonstante Z14 wird vorteilhaft aus verzögerten Aggregatzustandsänderungen des Kältemittels bei Verdampfungstemperaturänderungen ermittelt oder vorgegeben.
- Eine 15. Zeitkonstante Z15 ergibt sich vorteilhaft aus dem Transport des Kältemittels durch
den Verdampfer 240 mit einer endlichen Strömungsgeschwindigkeit und wird berücksichtigt.
- With an eleventh time constant Z 11 , a delay in the mechanical change in the degree of opening of the
expansion valve 230 is advantageously specified by limiting a travel speed. - A twelfth time constant Z 12 has an advantageous effect on the delayed setting of a corresponding low pressure ND when the degree of opening of the
expansion valve 230 changes due to the compressibility of the refrigerant vapor in the low pressure path ND. - A 13th time constant Z13 is a thermal time constant of the heat transfer layer of the evaporator. A change in the evaporation pressure and thus the evaporation temperature thus causes a delayed change in temperature of the heat transfer layer, which often contains several kilograms of metal, and of the refrigerant in the low-pressure path of the
evaporator 240. - A 14th time constant Z 14 is advantageously determined or specified from delayed changes in the physical state of the refrigerant in the event of changes in the evaporation temperature.
- A 15th time constant Z 15 is advantageously obtained from the transport of the refrigerant through the
evaporator 240 with a finite flow rate and is taken into account.
Der niederdruckseitige Kältemittelpfad des Rekuperators 250 wird aus dem Verdampferaustritt 242 des Verdampfers 240 gespeist. Der innere Energiezustand des Kältemittels wird auch hier bereits durch zumindest zwei Zeitkonstanten Z, Z11, Z12, Z13, Z14, Z15, Zges nach Änderung der Stellgröße "Öffnungsgrad Expansionsventil" verzögert.The low-pressure side refrigerant path of the
Nach Änderung der Stellgröße "Öffnungsgrad Expansionsventil 230" stellt sich dann eine weitere Verzögerung der korrespondierenden Kältemittelzustandsänderung durch das Zeitverhalten des Rekuperators 250 beim Austritt aus dem niederdruckseitigen Kältemittelpfad des Rekuperators 250 ein.After changing the manipulated variable “opening degree of
Das Zeitverhalten des Rekuperators 250 lässt sich vorteilhaft als Rekuperatorgesamt - Zeitkonstante Zges abhängig vom jeweiligen Arbeitspunkt des Dampfkompressionskreises im Bereich zwischen in etwa 1 Minuten bis 30 Minuten berücksichtigen.The time behavior of the
Es erfolgt vorteilhaft eine gewichtete Kombination Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und der der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA, indem insbesondere mittels einer gewichteten Kombination der Regelabweichung der Verdichterüberhitzung und der Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA die Gesamtregelabweichung berechnet wird, welche im Regler 500 zur Regelung des Dampfkompressionskreises 200 eingespeist wird.Takes place, it advantageously a weighted combination of the compressor inlet superheating dT UE and the evaporator outlet superheat dT ÜA by dividing the total deviation is calculated in particular by means of a weighted combination of the control deviation of the compressor overheating and the deviation of the evaporator outlet superheat dT ÜA which is fed in the controller 500 for controlling the vapor compression cycle 200th
Die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE wird vorteilhaft als Haupt - Regelgröße verwendet und die korrespondierenden Signalflüsse und Signalverarbeitungen erfolgt insbesondere in den folgenden Verfahrensschritten:The compressor inlet overheating dT ÜE is advantageously used as the main control variable and the corresponding signal flows and signal processing takes place in particular in the following process steps:
Zunächst werden die Prozessgrößen Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE vorteilhaft als Hauptregelgröße und die Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA vorteilhaft als Hilfsgröße in einem ersten Verfahrensschritt messtechnisch erfasst.First of all, the process variables compressor inlet overheating dT ÜE are advantageously measured as the main control variable and the evaporator outlet overheating dT ÜA is advantageously recorded as an auxiliary variable in a first process step.
Dazu wird jeweils eine Verdampfungstemperatur des Kältemittels am jeweiligen Erfassungspunkt entweder
- direkt messtechnisch ermittelt, mit einem Temperatursensor, welcher so positioniert ist, dass er eine der Kältemitteltemperatur im Nassdampfgebiet entsprechende Temperatur erfasst oder
- indirekt messtechnisch ermittelt, mit einem Drucksensor, welcher einen Kältemitteldruck des im Nassdampfgebiet verdampfenden Kältemittels erfasst und aus der kältemittelspezifischen Abhängigkeit zwischen Druck und Temperatur im Nassdampfgebiet dann die Verdampfungstemperatur berechnet wird.
- determined directly by measurement, with a temperature sensor which is positioned so that it detects a temperature corresponding to the refrigerant temperature in the wet steam area or
- indirectly determined by measurement, with a pressure sensor which detects a refrigerant pressure of the refrigerant evaporating in the wet steam area and then calculates the evaporation temperature from the refrigerant-specific dependency between pressure and temperature in the wet steam area.
Des Weiteren wird am jeweiligen dem Überhitzungsmesspunkt, insbesondere am Verdampferausgang 242 und/oder am Verdichtereingang 211 zugeordneten Temperaturen der Kältemitteltemperatur mittels Temperatursensoren 501, 508 erfasst. Es wird dann die Temperaturdifferenz des Kältemittels am jeweiligen Messpunkt und der Verdampfungstemperatur berechnet und dieser Temperaturdifferenzwert entspricht dann der jeweiligen Überhitzung des Kältemittels am Messpunkt.Furthermore, the temperatures of the refrigerant temperature assigned to the overheating measuring point, in particular at the
Ausgangsgrößen der Berechnung in Schritt 1 sind dann die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und die Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA.The output variables of the calculation in step 1 are then the compressor inlet superheat dT ÜE and the evaporator outlet superheat dT ÜA .
Die Prozessgrößen Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA werden zur Bildung zugeordneter Regelabweichungen mit jeweils zugeordneten Sollwerten in einem zweiten Schritt vorteilhaft verrechnet:The process variables compressor inlet superheating dT ÜE and evaporator outlet superheating dT ÜA are advantageously offset in a second step to form assigned control deviations with the respectively assigned setpoints:
Der Sollwert für die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE wird vorteilhaft zur Sicherstellung des zulässigen Verdichtersbetriebsbereiches und eines möglichst hohen Wirkungsgrades des Kältekreises im Bereich zwischen ca. 5 K bis 20 K variiert.The setpoint value for the compressor inlet superheat dT ÜE is advantageously varied in the range between approx. 5 K to 20 K in order to ensure the permissible compressor operating range and the highest possible efficiency of the refrigeration circuit.
Der Sollwert für die Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA am Verdampferaustritt 242 wird dann in Abhängigkeit der Kältekreis-Betriebsart und des Kältekreis-Arbeitspunktes so variiert, dass die Verdampferüberhitzung im eingeschwungenen Regelfall in etwa dem sich einstellenden Prozesswert der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA entspricht. Dieser Sollwert für die Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA kann modellbasiert in Abhängigkeit von einer Betriebsart oder einem Arbeitspunkt abhängig von der Verdampfungstemperatur, der Kondensationstemperatur, der Verdichterleistung, einem Sollwert der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE am Verdichtereintritt 211 und/oder von Komponenteneigenschaften vorberechnet werden und adaptiv korrigiert werden.The setpoint for the evaporator outlet overheating dT ÜA at the
Es wird dann die Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE berechnet, indem vom Prozesswert der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE der Sollwert der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE subtrahiert wird.The control deviation of the compressor inlet superheat dT ÜE is then calculated by subtracting the setpoint of the compressor inlet superheat dT ÜE from the process value of the compressor inlet superheat dT ÜE.
Es wird dann die Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA berechnet, indem vom Prozesswert der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA der Sollwert der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA subtrahiert wird.It will then calculate the difference of the evaporator outlet overheat dT ÜA by the target value of the evaporator outlet overheat dT ÜA is subtracted from the process value of the evaporator outlet overheat dT Prob.
In einem dritten Verfahrensschritt werden die Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und die Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA vorteilhaft zu einer Gesamtregelabweichung-Überhitzung kombiniert.In a third method step, the control deviation of the compressor inlet superheating dT ÜE and the control deviation of the evaporator outlet superheating dT ÜA are advantageously combined to form an overall control deviation - superheating.
Die Kombination erfolgt insbesondere mittels einer gewichteten Addition der Einzel - Regelabweichungen.The combination takes place in particular by means of a weighted addition of the individual control deviations.
Der Gewichtungseinfluss ist ein Maß für die anteilige Kombination der Einzel - Regelabweichungen und kann im Extremfall die ausschließliche Einbeziehung nur einer Einzel - Regelabweichung, aber üblicherweise die gewichtete Einbeziehung beider Einzel - Regelabweichungen bewirken.The weighting influence is a measure of the proportional combination of the individual control deviations and, in extreme cases, can only be included exclusively an individual control deviation, but usually the weighted inclusion of both individual control deviations.
Vorteilhaft wird der Gewichtungseinfluss als Wert zwischen 0 bis 1, also 0 bis 100 % veranschlagt und dieser Wert wird auf den Grad der Einbeziehung der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE in die Gesamt - Regelabweichung einbezogen, womit sich für die Berechnung der Gesamt - Regelabweichung folgende Abhängigkeit ergibt:
Der Wert des Gewichtungseinflusses kann vorteilhaft von der Betriebsart und/oder dem Arbeitspunkt der Wärmepumpe 100 abhängig variiert werden:
- Beim Betriebsartübergang zwischen Betriebsart = Betrieb
mit ausgeschaltetem Verdichter 210 und Betriebsart = Betriebmit eingeschaltetem Verdichter 210 im Heizbetrieb wird aufgrund der dynamischen Prozesswerte-änderungen beim Anfahren desDampfkompressionssystems 200 vorteilhaft ausschließlich zunächst die Regelabweichung Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA in die Gesamt - Regelabweichung einbezogen, insbesondere ist der Wert eines Gewichtungseinflusses dann zunächst = 0 oder ein Wert vorteilhaft unter 20 %. - Nach einer Stabilisierungsphase des
Dampfkompressionssystems 200 ist es vorteilhaft, nicht spontan auf den für den Regelbetrieb ausgelegten Wert des Gewichtungseinflusses umzuschalten, sondern den Übergang rampenförmig zu gestalten. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass der Wert vom Gewichtungseinfluss vom Startwert = 0, oder einem Wert insbesondere unter 20%, vorteilhaft rampenförmig auf den vorgesehenen Zielwert angehoben werden. Hiermit wird insbesondere eine Werteunstetigkeit bei einem spontanen Umschalten vermieden und somit Regelschwingungen vermieden. - Der Zielwert des Gewichtungseinflusses wird vorteilhaft an die jeweilige Betriebsart und den Arbeitspunkt angepasst. Betriebspunkte, welche sich durch erhöhte Schwingneigung auszeichnen bedürfen vorteilhaft einer geringeren Gewichtung der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE, insbesondere wird hiermit ein regeltechnisch kritisches Signalverhalten der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE aufgrund der gegenüber der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA größeren Signalverzögerung und größeren Streckensteilheit eine Schwingneigung vermieden.
- When operating mode transition between operating mode = operation with
compressor 210 switched off and operating mode = operation withcompressor 210 switched on in heating mode, due to the dynamic process value changes when starting up thevapor compression system 200, advantageously only the control deviation evaporator outlet overheating dT ÜA is initially included in the overall control deviation, in particular the The value of a weighting influence then initially = 0 or a value advantageously below 20%. - After a stabilization phase of the
vapor compression system 200, it is advantageous not to switch over spontaneously to the value of the weighting influence designed for regular operation, but rather to design the transition in a ramp-shaped manner. In this case it is advantageous that the value of the weighting influence from the starting value = 0, or a value in particular below 20%, is advantageously increased in a ramp-shaped manner to the intended target value. This in particular avoids a value discontinuity in the event of a spontaneous switchover and thus avoids control fluctuations. - The target value of the weighting influence is advantageously adapted to the respective operating mode and the operating point. Operating points, which characterized by an increased tendency to oscillate advantageously require a lower weighting of the control deviation of the compressor inlet overheating dT ÜE, in particular a control-technically critical signal behavior of the compressor inlet overheating dT ÜE is avoided due to the greater signal delay and greater steepness of the route compared to the evaporator outlet overheating dT ÜA.
In einem vierten Verfahrensschritt wird die berechnete Gesamt - Regelabweichung der Überhitzung dann im Regler 500 verarbeitet, welcher die korrespondierenden Aktoren des Kältekreises, insbesondere das Expansionsventil 230 mit dem stellbarem Öffnungsgrad und/oder den Verdichter 210 mit stellbarer Verdichterdrehzahl, so steuert, dass sich im eingeregelten Fall eine Regelabweichung der Überhitzung gleich möglichst etwa 0 Kelvin einstellt.In a fourth method step, the calculated overall control deviation of the overheating is then processed in the controller 500, which controls the corresponding actuators of the refrigeration circuit, in particular the
Dabei kann ein P, I, PI, PID - Regler eingesetzt werden, wobei die Regelanteile an die jeweilige Betriebsart und den Arbeitspunkt vorteilhaft dynamisch angepasst werden.A P, I, PI, PID controller can be used, the control components being advantageously dynamically adapted to the respective operating mode and the operating point.
Der Verdichter ist zum Komponentenschutz (mechanische Komponenten, Kältemaschinenöl) vor zu hohen Kältemittel - Gastemperaturen beim Austritt aus der Kompressionskammer zu schützen, der Verdichter-Hersteller kann dazu die Einhaltung einer absoluten (für alle Betriebszustände geltenden) oder relativen (in Abhängigkeit von Betriebszuständen geltende) maximale Heißgastemperatur (z.B. 120 °C) vorschreiben.To protect components (mechanical components, refrigeration machine oil), the compressor must be protected from excessively high refrigerant gas temperatures when exiting the compression chamber; the compressor manufacturer can also ensure compliance with an absolute (applicable to all operating states) or relative (applicable depending on operating states) prescribe maximum hot gas temperature (e.g. 120 ° C).
Um eine unzulässige Grenzwertüberschreitung der Heißgastemperatur zu vermeiden, wird ein regeltechnisch relevanter Heißgastemperaturgrenzwert (welcher unterhalb der vom Verdichterhersteller festgelegten Heißgastemperatur-Grenze liegt) festgelegt (z.B. 110 °C), welcher als Grenze für die Heißgastemperatur - begrenzenden Regleraktivitäten verwendet wird.In order to prevent the hot gas temperature from exceeding the limit value in an impermissible manner, a hot gas temperature limit value relevant to the control technology (which is below the hot gas temperature limit specified by the compressor manufacturer) is specified (e.g. 110 ° C), which is used as a limit for the controller activities that limit the hot gas temperature.
Auf Basis des regeltechnisch relevanten Heißgastemperaturgrenzwertes wird anhand einer (vereinfachten) thermodynamischen Berechnung jeweils für den aktuellen Betriebspunkt des Kältekreises ausgerechnet, welche Überhitzung des Kältemittels am Eintritt des Verdichters, genannt Verdichtereintrittsüberhitzung, sich beim Betrieb mit dem regeltechnisch relevanten Heißgastemperaturgrenzwert ergeben würde.On the basis of the hot gas temperature limit value relevant to the control, a (simplified) thermodynamic calculation is made for the current Operating point of the refrigeration circuit calculates the overheating of the refrigerant at the compressor inlet, known as compressor inlet overheating, when operating with the hot gas temperature limit value relevant to the control technology.
Einflussgrößen in diese modellbasierte Berechnung können Niederdruck, Hochdruck, (Verdichterdrehzahl) oder Taupunkttemperatur ND, Siedepunkttemperatur HD, (Verdichterdrehzahl) sein.Influencing variables in this model-based calculation can be low pressure, high pressure, (compressor speed) or dew point temperature ND, boiling point temperature HD, (compressor speed).
Rein thermodynamisch spielt die Verdichterdrehzahl keine Rolle bei der Berechnung, aber ggf. kann die Abhängigkeit der Kompressionsverluste des Verdichters als Funktion von der Verdichterdrehzahl einen Einfluss auf das thermodynamische Verhalten haben.From a purely thermodynamic point of view, the compressor speed does not play a role in the calculation, but the dependency of the compression losses of the compressor as a function of the compressor speed can have an influence on the thermodynamic behavior.
Vorzugsweise wird eine parametrierbare Approximation des Verdichterverhaltens bezüglich Heißgastemperatur verwendet, um auf Basis der Prozessdaten Verdampfungstemperatur und Kondensationstemperatur eine sich im jeweiligen Arbeitspunkt des Verdichters einstellende Temperaturdifferenz zwischen Heißgastemperatur und Verdichtereintrittsüberhitzung zu schätzen.
Auf Basis dieser Berechnung ist es dann wiederum möglich, bei einer Ziel - Heißgastemperatur eine korrespondierende Verdichtereintrittsüberhitzung zu berechnen.On the basis of this calculation, it is then possible in turn to calculate a corresponding superheating of the compressor inlet for a target hot gas temperature.
Mit Hilfe des Parameter Begrenzung Heißgastemperatur Sauggasüberhitzung V-ND lässt sich eine Begrenzung der Heißgastemperatur einstellen, welche dann regeltechnisch durch korrespondierende Begrenzung der Verdichtereintrittsüberhitzung erfolgt.With the help of the parameter Limitation of hot gas temperature suction gas superheating V-ND , a limitation of the hot gas temperature can be set, which is then controlled by a corresponding limitation of the compressor inlet superheating.
Die dazu auf der Basis einer geschätzten Heißgastemperatur berechneten korrespondierende Verdichtereintrittsüberhitzung wird als Prozessvariable Sollwert Überhitzung Verdichtereintritt V-ND maximal geschätzt geführt.The corresponding compressor inlet superheat calculated on the basis of an estimated hot gas temperature is managed as a process variable, setpoint superheat compressor inlet V-ND, estimated as a maximum .
Eine Berechnung der maximal zulässigen Sollwert Überhitzung Verdichtereintritt V-ND maximal geschätzt auf Basis des mit Parameter Begrenzung Heißqastemperatur Sauggasüberhitzung V-ND eingestellten Heißgastemperatur - Grenzwertes wird dann mit Hilfe der Temperaturdifferenz Heißgastemperatur minus Überhitzung Verdichtereintritt V-ND geschätzt als Hilfsgröße wie folgt berechnet :
Als weitere Ausgestaltung lässt sich auch die aktuelle Heißgastemperatur in die Berechnung einbeziehen, da die modellbasierte Berechnung fehlerhaft bezüglich des Zeitverhaltens, bezüglich Toleranzen bei der Erfassung und Verarbeitung der einbezogenen Prozesswerte, Komponententoleranzen (Verdichter, Kältemittel), Umgebungsbedingungen, z.B. Maschinenraumtemperatur, sein kann, sodass eine Korrektur dieser Berechnung basierend auf eine Erfassung und Einbeziehung der tatsächlichen Heißgastemperatur hilfreich ist.As a further refinement, the current hot gas temperature can also be included in the calculation, since the model-based calculation can be incorrect with regard to the time behavior, with regard to tolerances in the acquisition and processing of the included process values, component tolerances (compressor, refrigerant), ambient conditions, e.g. machine room temperature, so that a correction of this calculation based on a detection and inclusion of the actual hot gas temperature is helpful.
Die Korrektur erfolgt durch Differenzbildung zwischen Parameter Begrenzung Heißgastemperatur Sauggasüberhitzung V-ND und Heißgastemperatur,
- Ist die Heißgastemperatur größer als Parameter Begrenzung Heißgastemperatur Sauggasüberhitzung V-ND, also die Differenz negativ, wird der vorgerechnete Sollwert Überhitzung Verdichtereintritt V-ND maximal geschätzt um die Differenz multipliziert mit Parameter P-Faktor Begrenzung Heißgastemperatur Sauggasüberhitzung V-ND reduziert und als Sollwert Überhitzung Verdichtereintritt V-ND maximal weiterverarbeitet
- Ist die Heißgastemperatur kleiner als Parameter Begrenzung Heißgastemperatur Sauggasüberhitzung V-ND, also die Differenz positiv, wird der vorgerechnete Sollwert Überhitzung Verdichtereintritt V-ND maximal geschätzt um die Differenz multipliziert mit Parameter P-Faktor Begr. Heißgastemperatur Sauggasüberhitzung V-ND erhöht und als Sollwert Überhitzung Verdichtereintritt V-ND maximal weiterverarbeitet
- If the hot gas temperature is higher than the parameter Limitation of hot gas temperature suction gas superheating V-ND, i.e. the difference is negative, the precalculated setpoint for superheating compressor inlet V-ND is estimated as a maximum by the difference multiplied by parameter P-factor Limitation of hot gas temperature for suction gas superheating V-ND and reduced as the setpoint for superheating compressor inlet V-ND further processed to the maximum
- If the hot gas temperature is lower than the parameter limit hot gas temperature suction gas overheating V-ND, i.e. the difference is positive, the precalculated setpoint superheating compressor inlet V-ND is estimated as a maximum by the difference multiplied by parameter P-factor Lim. Hot gas temperature suction gas overheating V-ND increased and further processed as a setpoint for superheating compressor inlet V-ND to the maximum
Es gilt:
Eine weitere alternative Ausgestaltung ist in den Formeln integrierte Maximum - Bildung des für die Begrenzung der Heißgastemperatur berechneten Überhitzungssollwertes und einer für die Begrenzung des Wertebereiches dieses Überhitzungssollwertes vorgesehene Untergrenze, hier ist beispielhaft der Wert 0 Kelvin implementiert.Another alternative embodiment is the maximum integrated in the formulas - formation of the overheating setpoint calculated for limiting the hot gas temperature and a lower limit provided for limiting the value range of this overheating setpoint, here the value 0 Kelvin is implemented as an example.
Eine solche Begrenzung kann vorteilhaft sein, weil sich als Ergebnis der modellbasierten Berechnung der für die Begrenzung der Heißgastemperatur berechnete Überhitzungssollwert auch negative Überhitzungssollwerte ergeben können, welche dann bei Regelung auf diese Werte eine unerwünschte Nassdampfansaugung des Verdichters bewirken würden. Dies wird durch Begrenzung auf Mindestüberhitzung vermieden, welche ggf. auch in den (leicht) negativen Wertebereich ausgelegt werden kann, es wird dabei billigend in Kauf genommen (weil dies seitens Priorität untergeordnet ist), dass die Heißgastemperatur nicht exakt auf den angestrebten Grenzwert begrenzt wird, sondern diesen ggf. in einem kleinen Maß überschreitet.Such a limitation can be advantageous because the result of the model-based calculation of the superheating setpoint calculated for the limitation of the hot gas temperature can also result in negative superheating setpoints which, if regulated to these values, would cause undesired wet steam suction of the compressor. This is avoided by limiting the overheating to a minimum, which can also be interpreted in the (slightly) negative value range if necessary; Priority is subordinate) that the hot gas temperature is not limited exactly to the desired limit value, but may exceed it to a small extent.
In einem letzten Schritt wird dann der für einen optimalen Wirkungsgrad ausgelegte Verdichtereintrittsüberhitzungssollwert und der für die Begrenzung der Heißgastemperatur berechnete Überhitzungssollwert so kombiniert, dass im Falle einer erforderlichen Heißgastemperaturbrgrenzung einen hinsichtlich des Wirkungsgrades optimierten Überhitzungssollwert reduzieren kann:
Mit exemplarischen Werten ohne Heißgastemperatureinfluss berechnet:
Sollwertvorgabe Wirkungsgradoptimiert:
Sollwert Überhitzung Verdichtereintritt V-ND Wirkungsgrad = 30 KCalculated with exemplary values without the influence of hot gas temperature:
Efficiency-optimized setpoint specification:
Setpoint superheating compressor inlet V-LP efficiency = 30 K
Aus Siedetemperatur HD, Taupunkttemperatur ND berechnete Temperaturdifferenz Heißgastemperatur minus Überhitzung Verdichtereintritt V-ND geschätzt = 100 K.Calculated from Boiling HD, dew point temperature difference ND hot gas temperature minus overheating compressor inlet V-ND estimated = 100 K.
Mit Parameter Begrenzung Heißgastemperatur Sauggasüberhitzung V-ND = 110°C berechneter
Sollwert Überhitzung Verdichtereintritt V-ND maximal geschätzt = 10 K Compressor inlet superheat setpoint V-LP estimated maximum = 10 K
Mit obigen Berechnungsergebnissen berechneter
Sollwert Überhitzung Verdichtereintritt V-ND = 10 K. Compressor inlet superheat setpoint V-LP = 10 K.
Die Werte sind natürlich als beispielhaft zu verstehen, für tatsächliche Anwendungen sind ebenso höhere, niedrigere und an den jeweiligen Betriebspunkt angepasste Werte vorstellbar.The values are of course to be understood as exemplary; for actual applications, higher, lower values and values adapted to the respective operating point are also conceivable.
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