EP4311990A1 - Prozesskühlaggregat und verfahren zur regelung eines prozesskühlaggregats - Google Patents

Prozesskühlaggregat und verfahren zur regelung eines prozesskühlaggregats Download PDF

Info

Publication number
EP4311990A1
EP4311990A1 EP23187656.6A EP23187656A EP4311990A1 EP 4311990 A1 EP4311990 A1 EP 4311990A1 EP 23187656 A EP23187656 A EP 23187656A EP 4311990 A1 EP4311990 A1 EP 4311990A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
parameter
cooling unit
valve
compressor
hot gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23187656.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Barthel Georg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lauda Dr R Wobser GmbH and Co KG
Original Assignee
Lauda Dr R Wobser GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lauda Dr R Wobser GmbH and Co KG filed Critical Lauda Dr R Wobser GmbH and Co KG
Publication of EP4311990A1 publication Critical patent/EP4311990A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B31/00—Compressor arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F25B39/02—Evaporators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/02—Compressor control
    • F25B2600/025—Compressor control by controlling speed
    • F25B2600/0253—Compressor control by controlling speed with variable speed

Definitions

  • the invention relates to a process cooling unit and a method for controlling a process cooling unit.
  • refrigeration units are known without controllable valves in the refrigeration circuit, or possibly with only one electronically controllable injection valve, for example, and those with controllable injection and hot gas valves, with the compressor running at a constant speed.
  • Refrigeration units without a controllable injection valve or with only one electronically controllable injection valve are, for example, mainly installed in bathroom appliances.
  • Bath devices here refer to process cooling systems with a temperature-controlled liquid bath that is accessible to the user during operation for the introduction of samples, for example.
  • Refrigeration units without controllable valves in the refrigeration circuit cannot be regulated in terms of performance (apart from ON/OFF switching).
  • Refrigeration units with a controllable injection valve can only be throttled to 15 - 20% of the nominal cooling capacity. In order to maintain a constant temperature, heat must be supplied via a heater depending on the required cooling capacity.
  • a hot gas valve can be installed in refrigeration units in addition to an injection valve.
  • Refrigeration units with injection and hot gas valves have advantageous dynamics, so that these refrigeration units are regularly used in circulation and process devices that provide a temperature-controlled liquid exclusively for external applications, i.e. without a temperature-controlled liquid bath accessible to the user during operation.
  • the object of the invention is to solve, at least partially, the problems of the prior art.
  • the task is to improve known refrigeration units, for example by saving energy, reducing heat emission into the room; reduced operating noise or a reduced size compared to existing refrigeration units.
  • a first aspect of the invention relates to a process cooling unit, comprising: an evaporator with an injection valve, a compressor with a variable-speed motor, a speed control device for controlling the speed of the engine, and a control device which comprises a memory in which a characteristic map is stored, and wherein the control device is set up to control the speed of the motor of the compressor as a function of at least one process parameter of a cooling process of the process cooling unit and as a function of the characteristic map.
  • a further aspect of the invention relates to a method for temperature control of a process cooling unit according to one of the preceding claims, comprising: receiving at least one process parameter, and controlling the speed control device of the engine depending on the process parameters and the characteristic map.
  • counterheating means the process of providing heat to a system via a heater while simultaneously cooling the system by a process cooling unit as described herein, particularly to maintain a constant temperature.
  • throttling in this description means reducing an actual value compared to a nominal value, for example throttling a cooling capacity corresponds to reducing a cooling capacity from 100% to 50% of the nominal cooling capacity.
  • net cooling capacity means the total cooling capacity of the process cooling unit.
  • the net cooling capacity includes both the cooling capacity and the heating capacity, e.g. B. through counterheating, taken into account.
  • the net cooling capacity can be in kW or in % of the nominal cooling capacity, i.e. H. the maximum cooling capacity of the process cooling unit. For example, with 10 kW nominal cooling capacity, 5 kW cooling capacity and 4 kW heating capacity, the net cooling capacity is 1 kW or 10% of the nominal cooling capacity.
  • a negative net cooling capacity corresponds to a positive net heating capacity, which means that the system is heated.
  • Typical performance maps reflect a relationship between at least one process parameter, such as a target temperature or a required cooling capacity, and a compressor parameter, such as the speed or power of the compressor motor.
  • the at least one process parameter includes at least one of: a target temperature, which reflects the temperature of a bath cooled by the process cooling unit or a flow of the process cooling unit, and a process performance of the cooling process of the process cooling unit.
  • control device is set up to output the compressor parameter for controlling the speed of the motor depending on the process parameters and the characteristic map and to control the speed depending on the compressor parameter.
  • typical process refrigeration units include a speed controller for controlling the speed of the motor.
  • the speed control device typically receives a signal from the control device with a target speed or with a target power for the compressor motor.
  • the speed control device can, for example, include a converter or can have a direct current control when executing the Motors include a DC motor.
  • the map may correspond to a function with multiple input variables and multiple outputs.
  • a cooling capacity of the process cooling unit can be controlled, in particular the net cooling capacity can be throttled so that the power consumed by the motor is also reduced.
  • Typical embodiments are suitable for reducing the net cooling capacity to below 50%, below 30%, below 15% or, in particular in embodiments with a controllable injection valve, even below 10%, in particular without using a device for counterheating during operation.
  • the net cooling capacity in embodiments can be reduced to less than 5%, less than 1%, in particular to less than 0%, or can be negative.
  • Negative net cooling capacity of a process cooling unit with a counterheating device corresponds to a positive net heating capacity.
  • the injection valve is designed to be controllable, with the control device being set up to control the injection valve and to control it depending on the at least one process parameter and depending on the characteristic map.
  • Typical performance maps reflect a relationship between at least one process parameter, such as a target temperature or a required cooling capacity, and a valve parameter of the injection valve, such as the injection temperature or the opening position of the valve.
  • control device is set up to output the valve parameter for controlling the injection valve depending on the process parameters and the characteristic map and to control the injection valve according to the valve parameter.
  • no controllable injection valve is provided.
  • the compressor In previous process cooling units without a controllable injection valve, the compressor must run at full power even in partial load operation and the nominal cooling capacity must be fully compensated for by counterheating to the net cooling capacity required for the process. This is extremely inefficient energetically, since both the full Power is consumed for cooling as well as power for counter-heating and is therefore also released into the environment as heat.
  • Typical embodiments according to the invention enable the cooling performance to be throttled even without an injection valve and without a hot gas valve.
  • variable-speed compressors allow energy consumption reductions of over 60% in typical partial load operation, even without an injection or hot gas valve. In addition to these energy advantages, operating noise and wear on the compressor are reduced due to the reduced speed in the partial load range. In typical process cooling units according to the invention with variable-speed compressors, it is possible to do without a hot gas valve.
  • variable-speed compressors than conventional compressors can result in smaller designs for typical process cooling units according to the invention.
  • an injection temperature can be set at least partially independently of the net cooling capacity. It may be advantageous to set the injection temperature of the injection valve at least partially independently of the net cooling capacity in order to avoid sulking of an evaporator, for example a plate heat exchanger, due to injection temperatures that are too low.
  • variable-speed compressors By using variable-speed compressors in typical embodiments, a number of device types for different performance classes can also be reduced.
  • process cooling units with variable-speed compressors can be operated in a voltage range of 200 - 240 V or 100 - 240 V and at frequencies of 50 or 60 Hz.
  • process cooling units with conventional compressors several device types are sometimes required for the same voltage and frequency ranges.
  • the map includes at least two cooling performance ranges. These cooling capacity ranges differ from each other in the way in which the valve parameter and the compressor parameter change when the cooling capacity changes.
  • a speed becomes one
  • the compressor is kept constant and the cooling capacity is increased by increasing the opening of the injection valve, which increases the injection temperature.
  • the speed of the compressor is kept constant at a certain speed, a minimum speed or at a certain speed of at most 1.5 times the minimum speed of the compressor.
  • the minimum speed can be a smallest adjustable speed of the compressor.
  • the injection temperature of the injection valve is kept constant and the cooling capacity is increased by increasing the speed of the compressor.
  • the cooling capacity can be increased until the speed of the compressor corresponds to a maximum speed of the compressor.
  • the first limiting cooling capacity is less than or equal to the second limiting cooling capacity.
  • the map can include exactly two areas.
  • the first and second limiting cooling power coincide to form “the” limiting cooling power.
  • the injection and possibly the hot gas valve are used to adjust the capacity.
  • the performance can be adjusted from 0 to the limit cooling performance.
  • Above the cooling capacity limit the hot gas valve, if present, is closed.
  • the performance in this second range is adjusted via the speed of the compressor.
  • the injection valve is controlled above the limit cooling capacity, so that the injection temperature is kept constant and, if necessary, as high as possible.
  • further cooling performance ranges can be provided.
  • An example of such a further cooling capacity range can follow the first cooling capacity range, for example from a (third) limit cooling capacity, which can in particular be at 0 or close to 0. This further cooling capacity range would then be in a negative cooling capacity range.
  • the process cooling unit comprises a thermometer to measure a target temperature, which is the temperature of a bath cooled by the process cooling unit or a flow of the process cooling unit reflects, to determine.
  • the target temperature can be used to control the process cooling unit.
  • the target temperature may be a process parameter used for control and a variable to be controlled.
  • the target temperature can be used as feedback.
  • the target temperature can be controlled or regulated to a target temperature.
  • the evaporator includes a hot gas valve and the control device is set up to control the hot gas valve depending on the process parameters and the characteristic map.
  • the hot gas valve can be used to supply hot gas to the evaporator.
  • the nominal cooling capacity of the process cooling unit can be throttled by using a hot gas valve.
  • control device is set up to output a hot gas valve parameter for controlling the hot gas valve depending on the process parameters and the characteristic map and to control the hot gas valve according to the hot gas valve parameter.
  • the hot gas valve parameter may be used to control an injection temperature of the hot gas valve.
  • Typical maps include a table of values for the hot gas valve parameter depending on a process parameter.
  • the evaporator or process cooling unit is hot gas valveless or does not include a hot gas valve.
  • the process cooling unit can be set up to control a cooling capacity exclusively through the variable-speed compressor or exclusively through the variable-speed compressor in conjunction with a regulated injection valve.
  • Typical embodiments have a compact structure with reduced complexity.
  • Typical embodiments include a heater to increase the temperature of a bath cooled by the process cooling unit.
  • Embodiments with a heater can be more dynamic or have increased temperature stability.
  • the heater can be used to counterheat.
  • counterheating can be used to achieve a net cooling capacity of less than 5% of the nominal cooling capacity throttling or producing a negative net cooling capacity.
  • counterheating to throttle the net cooling output is only necessary when the net cooling output is lower than in prior-art process cooling units, which results in an energy advantage.
  • the heating output can be regulated via a heating pre-circuit.
  • the heating pre-circuit can be a triac actuator, a PID controller or similar actuators or controllers.
  • a heating control variable can be used as an input variable for the heating pre-switching.
  • thermometer When using a thermometer, a temperature t b of the system cooled by the process cooling unit can be determined.
  • a thermometer used may be a liquid thermometer, bimetal thermometer, electronic thermometer, gas thermometer or any other applicable thermometer.
  • the thermometer can be read electronically.
  • the temperature t b can correspond to a bath temperature or, more generally, to a target temperature of the process cooling unit.
  • the temperature t b can be used by a temperature controller.
  • the temperature controller can regulate the cooling capacity of the process cooling unit.
  • the temperature t b can be a process parameter that describes an operating characteristic of the process cooling unit.
  • the temperature t b can be compared with a target temperature t b,set .
  • the control variable for heating and a control variable for cooling can be determined via a control structure.
  • the control variable heating can determine a power with which a system to be cooled is to be counterheated.
  • the control variable cooling can determine a power with which a system to be cooled is to be cooled.
  • the compressor can be designed to compress a refrigerant.
  • the compressor can be a variable-speed compressor.
  • the compressor can have a variable-speed motor that can be controlled via the speed control device Include speed. By controlling the speed, the performance of the compressor can be controlled. By controlling the speed, the compressed amount of refrigerant, the pressure of the compressed refrigerant and the temperature of the compressed refrigerant can be controlled.
  • the compressor can be controlled by the map control.
  • the input variable of the compressor can be the compressor parameter.
  • the injector may be designed to inject a compressed refrigerant into the evaporator.
  • the injection valve can have a fixed opening, for example in the form of a long capillary with a narrow cross section, be thermostatically controlled or electronically controllable.
  • the refrigerant can be compressed by the compressor and heats up as a result of the compression.
  • the compressed refrigerant can be cooled by a heat exchanger (condenser) before it is injected into the evaporator.
  • the compressed refrigerant can be liquefied during cooling in the heat exchanger (condenser).
  • the electronic injector can control the refrigerant injection temperature.
  • a valve pre-circuit can control the injection valve.
  • the input variable of the valve preliminary circuit can be the valve parameter.
  • the valve parameter can control the injection temperature t 1 via the valve opening.
  • the cooling capacity of the process cooling unit depends on the injection temperature t 1.
  • the cooling capacity of the process cooling unit can be controlled depending on the injection temperature t 1
  • the electronic hot gas valve may be designed to inject the compressed (hot) refrigerant directly into the evaporator.
  • the refrigerant can be compressed by the compressor and heats up as a result of the compression.
  • the compressed refrigerant cannot be cooled or can only be partially cooled by a heat exchanger before it is injected into the evaporator.
  • the electronic hot gas valve can control the refrigerant injection temperature.
  • a hot gas preliminary circuit can control the hot gas valve.
  • the input variable of the hot gas preliminary circuit can be the hot gas valve parameter.
  • the hot gas valve parameter can control the injection temperature via the opening of the hot gas valve.
  • Advantages that arise when using a map and a variable-speed compressor as described herein include: reduced energy consumption, Higher efficiency of the process cooling unit, reduced heat release into the room, reduced operating noise, less compressor wear and reduced size of the process cooling unit.
  • the Fig. 1A shows an exemplary embodiment of a process cooling unit as described herein.
  • the process cooling unit 100 Fig. 1A includes a system 110 to be cooled, a control module 140, a thermometer 115 to measure a temperature t b of the system 110, and an evaporator 125 which includes a non-controllable injection valve.
  • the control module determines an output corresponding to a process performance based on the temperature t b and a target temperature t b,set .
  • the process performance includes a control variable cooling.
  • the process cooling unit comprises a control device 150 with a memory in which a characteristic map is stored for controlling a motor of a compressor 175 which is designed to be variable in speed via a speed control device.
  • the system 110 is controlled via the evaporator 125 connected to the compressor with a non-controllable injection valve (not shown). chilled.
  • the control device uses the characteristic map to determine a compressor parameter from a process parameter, comprising the temperature t b and the manipulated variable cooling.
  • the compressor 175 is controlled according to the compressor parameter.
  • the control device 150, the compressor 175 and the evaporator 125 together form a cooling circuit 185.
  • the Fig. 1B shows another exemplary embodiment of a process cooling unit.
  • the process cooling unit 100 includes a system to be cooled 110, a control module 140, a heating circuit 180 and a cooling circuit 185.
  • the process cooling unit 100 includes a thermometer 115 to measure a temperature t b of the system 110, a heater 120 to supply heat to the system 110 and an evaporator 125 to cool the system 110.
  • the control module determines an output corresponding to a process performance based on the temperature t b and a target temperature t b,set .
  • the process performance includes a control variable heating and a control variable cooling.
  • the heating circuit 180 includes the heater 120 and a heating pre-circuit 145 for controlling the heater 120.
  • the heating pre-circuit 145 controls the heater 120 according to the control variable heating.
  • the process cooling unit includes a control device 150 with a map stored in a memory for controlling the cooling circuit, a valve upstream circuit 155, a controllable injection valve 160 and a motor of a compressor 175 that can be operated at variable speeds via a speed control device.
  • the map is determined from a process parameter, comprising the Temperature t b and the manipulated variable cooling, a valve parameter and a compressor parameter.
  • the injection valve 160 is controlled via the valve preliminary circuit 155 according to the valve parameter.
  • the compressor is controlled according to the compressor parameter.
  • the injector 160 may be an electronic injector.
  • the cooling circuit optionally also includes a hot gas upstream circuit 165 and a hot gas valve 170.
  • the map determines a hot gas valve parameter from the process parameter.
  • the hot gas valve 170 is controlled via the hot gas preliminary circuit 165 according to the hot gas valve parameter.
  • the hot gas valve 170 may be an electronic hot gas valve.
  • Fig. 2 shows a method 200 for temperature control of a process refrigeration unit as described herein.
  • a process parameter is determined.
  • the process parameter includes a temperature t b of a system 110 to be cooled and a manipulated variable cooling.
  • the process parameter also includes a manipulated variable heating.
  • the process parameter additionally includes an evaporation temperature of the cooling process of the process cooling unit 100.
  • a valve parameter and compressor parameter are determined depending on the process parameter using a characteristic map.
  • One Injection temperature of the injection valve can be determined by the valve parameter and a valve opening position can be regulated according to the valve parameter.
  • the valve parameter does not correspond to the valve opening position, but rather the valve opening position results from the control of the injection temperature.
  • a hot gas valve parameter is additionally determined depending on the process parameter and the characteristic map.
  • an injection valve is controlled depending on the valve parameter and a compressor is controlled depending on the compressor parameter.
  • a hot gas valve is additionally controlled depending on the hot gas valve parameter.
  • a heater 115 is controlled according to a control variable heating in order to counterheat the system. The process then begins again.
  • Figs. 3A - 3E show exemplary embodiments of typical characteristics for different temperatures t b in a typical process cooling unit, for example a process cooling unit as in connection with Fig. 1A described.
  • the exemplary embodiments are in Figs. 3A - 3E respectively shown for t b of 200°C, 20°C, 0°C, - 20°C and - 40°C.
  • the map results in a target speed of the compressor or its motor, n as a compressor parameter, shown on the left, vertical y-axis in revolutions per minute.
  • the power consumed by the compressor motor also changes with the target speed. Lower speeds correspond to lower power consumption.
  • the cooling capacity corresponds to the cooling control variable and is determined as described above.
  • Dependent The cooling capacity results in an operating point from which the compressor parameters are determined.
  • FIG. 3A Analogous to that Fig. 3A show the Figs. 3B - 3E further maps for process cooling units such as in Fig. 1A explained, but for other temperatures t b . It becomes an explanation of the Figs. 3B - 3E analogous to the description of the Fig. 3A referred.
  • Figs. 4A - 4E show exemplary embodiments of typical characteristics for different temperatures t b in a typical process cooling unit, for example a process cooling unit as in connection with Fig. 1B described.
  • the exemplary embodiments are in Figs. 4A - 4E respectively shown for t b of 200°C, 20°C, 0°C, - 20°C and - 40°C.
  • the map results in a target speed of the compressor n as a compressor parameter, shown on the right y-axis in revolutions per minute. Furthermore, an injection temperature t 1 , shown on the left y-axis in °C, results as a valve parameter.
  • the cooling capacity corresponds to the cooling control variable and is determined as described above. Depending on the cooling capacity, there is an operating point from which the compressor parameters and the valve parameters are determined.
  • the map has two cooling performance ranges. These cooling capacity ranges differ from each other in the way in which the valve parameter and the compressor parameter change when the cooling capacity changes. In particular, these cooling capacity ranges differ from each other in the way in which the injection temperature and the speed of the compressor change as the cooling capacity changes.
  • the injection temperature can be set via the valve parameter, and the valve opening is regulated accordingly. In the first range from 0 W to a limit cooling capacity in which Embodiment of the Fig. 4A If the limit cooling power is 1050 W, the compressor speed is kept constant and the injection temperature is increased. In the second area above the limit cooling capacity, the injection temperature t 01 is kept constant. In order to further increase the cooling capacity, the speed of the compressor is increased above the limit cooling capacity.
  • the exemplary embodiment of the Fig. 4A has exactly one limit cooling capacity.
  • at least one further limiting cooling capacity can be defined, for example in order to define a further area next to the first area. This further area could be connected to the further limit cooling capacity of 0 W with negative cooling outputs, ie heating outputs, in the diagram of the example Fig. 4A left of 0 W.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Temperature (AREA)

Abstract

Prozesskühlaggregat (100), umfassend: einen Verdampfer (125) mit einem Einspritzventil, einen Verdichter (175) mit einem drehzahlvariablen Motor, einer Drehzahlsteuerungseinrichtung zum Steuern der Drehzahl des Motors, und einer Kontrolleinrichtung, welche einen Speicher umfasst, in welchem ein Kennfeld abgespeichert ist, und wobei die Kontrolleinrichtung dazu eingerichtet ist, die Drehzahl des Motors des Verdichters in Abhängigkeit von mindestens einem Prozessparameter eines Kühlprozesses des Prozesskühlaggregats (100) und in Abhängigkeit des Kennfelds anzusteuern.

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Prozesskühlaggregat und ein Verfahren zur Regelung eines Prozesskühlaggregats.
    • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind Kälteaggregate, ohne steuerbare Ventile im Kältekreislauf, oder ggf. mit nur einem beispielsweise elektronisch steuerbaren Einspritzventil und solche mit steuerbaren Einspritz- und Heißgasventil bekannt, wobei der Verdichter bei konstanter Drehzahl läuft.
  • Kälteaggregate ohne steuerbares oder mit nur einem elektronisch steuerbaren Einspritzventil werden beispielsweise hauptsächlich bei Badgeräten verbaut. Als Badgeräte werden hier Prozesskühlanlagen mit für den Anwender im Betrieb für das Einbringen von beispielsweise Proben zugänglichem temperierten Flüssigkeitsbad bezeichnet. Kälteaggregate ohne steuerbare Ventile im Kältekreislauf können in der Leistung nicht geregelt werden (abgesehen von EIN/AUS - Schalten). Kälteaggregate mit steuerbarem Einspritzventil können nur auf 15 - 20 % der Nennkühlleistung gedrosselt werden. Um eine konstante Temperatur zu halten muss je nach erforderlicher Kühlleistung über eine Heizung Wärme zugeführt werden. Alternativ kann in Kälteaggregate zusätzlich zu einem Einspritzventil ein Heißgasventil verbaut werden. Dadurch kann die Leistung weiter reduziert werden, allerdings bei gleichzeitigen energetischen Nachteilen, beispielsweise eines hohen Energieverbrauchs des Verdichters. Kälteaggregate mit Einspritz- und Heißgasventil weisen eine vorteilhafte Dynamik auf, so dass diese Kälteaggregate bei Umwälz- und Prozessgeräten, die ausschließlich für externe Anwendungen eine temperierte Flüssigkeit bereitstellen, also ohne für den Anwender im Betrieb zugänglichem temperierten Flüssigkeitsbad, regelmäßig verwendet werden.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Probleme aus dem Stand der Technik, zumindest teilweise, zu lösen. Insbesondere ist es Aufgabe, bekannte Kälteaggregate zu verbessern, beispielsweise durch Energieeinsparung, reduzierte Wärmeabgabe an den Raum; reduziertes Betriebsgeräusch oder einer reduzierten Baugröße im Vergleich zu bestehenden Kälteaggregaten.
  • Die Aufgabe wird mit einem Prozesskühlaggregat nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dieser Beschreibung.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Prozesskühlaggregat, umfassend: einen Verdampfer mit einem Einspritzventil, einen Verdichter mit einem drehzahlvariablen Motor, einer Drehzahlsteuerungseinrichtung zum Steuern der Drehzahl des Motors, und einer Kontrolleinrichtung, welche einen Speicher umfasst, in welchem ein Kennfeld abgespeichert ist, und wobei die Kontrolleinrichtung dazu eingerichtet ist, die Drehzahl des Motors des Verdichters in Abhängigkeit von mindestens einem Prozessparameter eines Kühlprozesses des Prozesskühlaggregats und in Abhängigkeit des Kennfelds anzusteuern.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Prozesskühlaggregats nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Empfangen mindestens eines Prozessparameters, und Steuern der Drehzahlsteuerungseinrichtung des Motors in Abhängigkeit der Prozessparameter und des Kennfelds.
  • Falls nicht anders angegeben, bedeutet Gegenheizen in dieser Beschreibung den Vorgang einem System über eine Heizung Wärme zuzuführen, während das System gleichzeitig durch ein Prozesskühlaggregat wie hierin beschrieben gekühlt wird, insbesondere um eine konstante Temperatur zu halten.
  • Falls nicht anders angegeben, bedeutet Drosseln in dieser Beschreibung das Reduzieren eines Istwerts verglichen zu einem Nennwert, beispielsweise Drosseln einer Kühlleistung entspricht Verringern einer Kühlleistung von 100 % auf 50 % der Nennkühlleistung.
  • Soweit hierin eine Drehzahl des Verdichters adressiert wird, ist die Drehzahl des Motors des Verdichters gemeint. Allgemein wird mit dem Begriff Motor hierin der Motor des Verdichters bezeichnet.
  • Falls nicht anders angegeben bedeutet Nettokühlleistung die gesamte Kühlleistung des Prozesskühlaggregats. Insbesondere wird in der Nettokühlleistung sowohl die Kühlleistung als auch die Heizleistung, z. B. durch Gegenheizen, berücksichtigt. Die Nettokühlleistung kann in kW oder in % der Nennkühlleistung, d. h. der maximalen Kühlleistung des Prozesskühlaggregats, angegeben werden. Beispielsweise ist bei 10 kW Nennkühlleistung, 5 kW Kühlleistung und 4 kW Heizleistung die Nettokühlleistung 1 kW bzw. 10% der Nennkühlleistung. Eine negative Nettokühlleistung entspricht einer positiven Nettoheizleistung, das heißt, dass das System geheizt wird.
  • Typische Kennfelder geben eine Beziehung zwischen zumindest einem Prozessparameter, wie beispielsweise einer Zieltemperatur oder einer geforderten Kühlleistung, und einem Verdichterparameter, beispielsweise der Drehzahl oder der Leistung des Motors des Verdichters, wieder. Typischerweise umfasst der mindestens eine Prozessparameter zumindest eines von: Eine Zieltemperatur, welche die Temperatur eines durch das Prozesskühlaggregat gekühlten Bades oder eines Vorlaufs des Prozesskühlaggregats wiedergibt, und eine Prozessleistung des Kühlprozesses des Prozesskühlaggregats.
  • Bei typischen Ausführungsformen ist die Kontrolleinrichtung dazu eingerichtet, den Verdichterparameter zur Ansteuerung der Drehzahl des Motors in Abhängigkeit der Prozessparameter und des Kennfelds auszugeben und die Drehzahl in Abhängigkeit des Verdichterparameters anzusteuern. Allgemeiner umfassen typische Prozesskühlaggregate eine Drehzahlsteuerungseinrichtung zum Steuern der Drehzahl des Motors. Die Drehzahlsteuerungseinrichtung erhält typischerweise von der Kontrolleinrichtung ein Signal mit einer Soll-Drehzahl oder mit einer Soll-Leistung für den Motor des Verdichters. Die Drehzahlsteuerungseinrichtung kann beispielsweise einen Umrichter umfassen oder kann eine Gleichstromregelung bei Ausführung des Motors als Gleichstrommotor umfassen. Das Kennfeld kann einer Funktion mit mehreren Eingabevariablen und mehreren Ausgaben entsprechen.
  • Durch die Verwendung eines Prozesskühlaggregats mit einem drehzahlvariablen Verdichter kann eine Kühlleistung des Prozesskühlaggregats gesteuert werden, insbesondere kann die Nettokühlleistung so gedrosselt werden, dass auch die durch den Motor aufgenommene Leistung reduziert wird. Typische Ausführungsformen sind geeignet, um die Nettokühlleistung auf unter 50%, unter 30%, unter 15% oder, insbesondere bei Ausführungsformen mit einem steuerbaren Einspritzventil, auch unter 10% zu drosseln, insbesondere auch ohne Verwendung einer Vorrichtung zum Gegenheizen während des Betriebs. Bei typischen Prozesskühlaggregaten mit einer Vorrichtung zum Gegenheizen, beispielsweise einem Heißgasventil, kann die Nettokühlleistung bei Ausführungsformen auf bis unter 5%, unter 1%, insbesondere auf unter 0% reduziert werden oder negativ sein. Negative Nettokühlleistung eines Prozesskühlaggregaten mit einer Vorrichtung zum Gegenheizen entspricht einer positiven Nettoheizleistung.
  • Bei typischen Verdampfern ist das Einspritzventil steuerbar ausgeführt, wobei die Kontrolleinrichtung dazu eingerichtet ist, das Einspritzventil zu kontrollieren und in Abhängigkeit des mindestens einen Prozessparameters und in Abhängigkeit des Kennfelds anzusteuern. Typische Kennfelder geben eine Beziehung zwischen zumindest einem Prozessparameter, wie beispielsweise einer Zieltemperatur oder einer geforderten Kühlleistung, und einem Ventilparameter des Einspritzventils, beispielsweise der Einspritztemperatur oder der Öffnungsstellung des Ventils, wieder.
  • Bei typischen Ausführungsformen ist die Kontrolleinrichtung dazu eingerichtet, den Ventilparameter zur Ansteuerung des Einspritzventils in Abhängigkeit der Prozessparameter und des Kennfelds auszugeben und das Einspritzventil entsprechend des Ventilparameters anzusteuern.
  • Bei weiteren Ausführungsformen ist kein steuerbares Einspritzventil vorgesehen. Bei bisherigen Prozesskühlaggregaten ohne steuerbares Einspritzventil muss der Verdichter auch im Teillastbetrieb mit voller Leistung laufen und die Nennkühlleistung vollständig durch Gegenheizen auf die für den Prozess erforderliche Nettokühlleistung kompensiert werden. Dies ist energetisch extrem ineffizient, da sowohl die volle Leistung für das Kühlen als auch die Leistung für das Gegenheizen verbraucht und damit auch an die Umgebung als Wärme abgegeben wird. Typische erfindungsgemäße Ausführungsformen ermöglichen auch ohne Einspritzventil und ohne Heißgasventil eine Drosselung der Kühlleistung. Drehzahlvariable Verdichter erlauben in diesem Fall auch ohne Einspritz- und ohne Heißgasventil Energieverbrauchs-Reduzierungen im typischen Teillastbetrieb von über 60 %. Neben diesen energetischen Vorteilen reduziert sich das Betriebsgeräusch und der Verschleiß des Verdichters aufgrund der abgesenkten Drehzahl im Teillastbereich. Bei typischen Prozesskühlaggregaten gemäß der Erfindung mit drehzahlvariablen Verdichtern besteht die Möglichkeit auf ein Heißgasventil zu verzichten.
  • Durch einen geringeren Hubraum von drehzahlvariablen Verdichtern als bei konventionellen Verdichtern können sich kleinere Bauformen für typische Prozesskühlaggregate gemäß der Erfindung ergeben.
  • Bei Verwendung typischer Prozesskühlaggregate mit drehzahlvariablem Verdichter und Heißgasventil kann eine Einspritztemperatur zumindest teilweise unabhängig von der Nettokühlleistung eingestellt werden. Es kann vorteilhaft sein, die Einspritztemperatur des Einspritzventils zumindest teilweise unabhängig von der Nettokühlleistung einzustellen um ein Versulzen eines Verdampfers, beispielsweise eines Plattenwärmetauschers, durch zu niedrige Einspritztemperaturen zu vermeiden.
  • Durch den Einsatz von drehzahlvariablen Verdichtern in typischen Ausführungsformen kann auch eine Anzahl an Gerätetypen für unterschiedliche Leistungsklassen reduziert werden. Insbesondere können Prozesskühlaggregate mit drehzahlvariablen Verdichtern in einem Spannungsbereich von 200 - 240 V oder 100 - 240 V und bei Frequenzen von 50 oder 60 Hz betrieben werden. Für Prozesskühlaggregate mit konventionellen Verdichtern werden für die gleichen Spannungs- und Frequenzbereiche teilweise mehrere Gerätetypen benötigt.
  • Das Kennfeld umfasst bei typischen Ausführungsformen zumindest zwei Kühlleistungsbereiche. Diese Kühlleistungsbereiche unterscheiden sich voneinander in der Art und Weise, wie sich der Ventilparameter und der Verdichterparameter bei einer Änderung der Kühlleistung verändern. In einem ersten Bereich für eine Kühlleistung kleiner als eine erste Grenzkühlleistung wird eine Drehzahl eines Verdichters konstant gehalten und die Kühlleistung durch Vergrößern der Öffnung des Einspritzventils erhöht, wodurch sich die Einspritztemperatur erhöht. Insbesondere wird die Drehzahl des Verdichters konstant auf einer bestimmten Drehzahl, einer minimalen Drehzahl oder auf einer bestimmten Drehzahl von höchstens des 1,5-fachen der minimalen Drehzahl des Verdichters gehalten. Die minimale Drehzahl kann eine kleinste einstellbare Drehzahl des Verdichters sein.
  • In einem zweiten Kühlleistungsbereich, oberhalb einer zweiten Grenzkühlleistung, wird die Einspritztemperatur des Einspritzventils konstant gehalten und die Kühlleistung durch Erhöhen der Drehzahl des Verdichters erhöht. Insbesondere kann die Kühlleistung erhöht werden, bis die Drehzahl des Verdichters einer maximalen Drehzahl des Verdichters entspricht. Typischerweise ist die erste Grenzkühlleistung kleiner oder gleich der zweiten Grenzkühlleistung. Das Kennfeld weist den Vorteil auf, dass die gewünschte Leistung schnell eingestellt werden kann. Das kann vorteilhaft für einen übergeordneten Temperaturregler sein.
  • Bei typischen Ausführungsformen kann das Kennfeld genau zwei Bereiche umfassen. Bei genau zwei Bereichen fallen erste und zweite Grenzkühlleistung zu "der" Grenzkühlleistung zusammen. Unterhalb der Grenzkühlleistung werden das Einspritz-und ggf. das Heißgasventil, falls vorhanden, zur Einstellung der Leistung genutzt. Die Leistung kann von 0 bis auf die Grenzkühlleistung eingestellt werden. Oberhalb der Grenzkühlleistung ist das Heißgasventil, falls vorhanden, zu. Die Leistung wird in diesem zweiten Bereich über die Drehzahl des Verdichters eingestellt. Das Einspritzventil wird oberhalb der Grenzkühlleistung angesteuert, so dass die Einspritztemperatur konstant und gegebenenfalls möglichst hochgehalten wird.
  • Bei weiteren Ausführungsformen können weitere Kühlleistungsbereiche vorgesehen sein. Ein Beispiel für einen solchen weiteren Kühlleistungsbereich kann sich an den ersten Kühlleistungsbereich anschließen, beispielsweise ab einer (dritten) Grenzkühlleistung, welche insbesondere bei 0 oder nahe 0 liegen kann. Dieser weitere Kühlleistungsbereich wäre dann in einem negativen Kühlleistungsbereich.
  • Bei einer typischen Ausführungsform umfasst das Prozesskühlaggregat ein Thermometer, um eine Zieltemperatur, welche die Temperatur eines durch das Prozesskühlaggregat gekühlten Bades oder eines Vorlaufs des Prozesskühlaggregats wiedergibt, zu bestimmen. Die Zieltemperatur kann verwendet werden, um das Prozesskühlaggregat zu steuern. In typischen Ausführungsformen kann die Zieltemperatur ein Prozessparameter, welcher zur Steuerung verwendet wird, und eine zu steuernde Größe sein. Die Zieltemperatur kann als Rückkopplung verwendet werden. Die Zieltemperatur kann auf eine Soll-Temperatur gesteuert bzw. geregelt werden.
  • Typischerweise umfasst der Verdampfer ein Heißgasventil und die Kontrolleinrichtung ist dazu eingerichtet, das Heißgasventil in Abhängigkeit der Prozessparameter und des Kennfelds anzusteuern. Das Heißgasventil kann verwendet werden, um Heißgas dem Verdampfer zuzuführen. Die Nennkühlleistung des Prozesskühlaggregats kann durch Verwendung eines Heißgasventils gedrosselt werden.
  • Bei typischen Ausführungsformen ist die Kontrolleinrichtung dazu eingerichtet, einen Heißgas-Ventilparameter zur Ansteuerung des Heißgasventils in Abhängigkeit der Prozessparameter und des Kennfelds auszugeben und das Heißgasventil entsprechend des Heißgas-Ventilparameters anzusteuern. Der Heißgas-Ventilparameter kann verwendet werden, um eine Einspritztemperatur des Heißgasventils zu steuern. Typische Kennfelder umfassen eine Wertetabelle für den Heißgas-Ventilparameter in Abhängigkeit eines Prozessparameters.
  • In typischen Ausführungsformen ist der Verdampfer oder das Prozesskühlaggregat Heißgasventil-los oder umfasst kein Heißgasventil. Bei Ausführungsformen kann das Prozesskühlaggregat dazu eingerichtet sein, eine Kühlleistung ausschließlich durch den drehzahlvariablen Verdichter oder ausschließlich durch den drehzahlvariablen Verdichter in Verbindung mit einem geregelten Einspritzventil zu kontrollieren. Typische Ausführungsformen weisen einen kompakten Aufbau mit reduzierter Komplexität auf.
  • Typische Ausführungsformen umfassen eine Heizung zur Erhöhung der Temperatur eines durch das Prozesskühlaggregat gekühlten Bades. Ausführungsformen mit einer Heizung können dynamischer sein oder eine erhöhte Temperarturstabilität aufweisen. Die Heizung kann verwendet werden, um Gegenzuheizen. Bei Prozesskühlaggregaten mit drehzahlvariablen Verdichtern kann Gegenheizen verwendet werden, um eine Nettokühlleistung unter 5% der Nennkühlleistung zu drosseln oder eine negative Nettokühlleistung zu produzieren. Bei Prozesskühlaggregaten mit drehzahlvariablen Verdichtern ist Gegenheizen zum Drosseln der Nettokühlleistung erst bei niedrigeren Nettokühlleistungen als bei Prozesskühlaggregaten aus dem Stand der Technik nötig, daraus ergibt sich ein energetischer Vorteil.
  • Die Heizleistung kann über eine Heizung-Vorschaltung geregelt werden. Die Heizung-Vorschaltung kann ein Triac-Stellglied, ein PID-Regler oder ähnliche Stellglieder oder Regler sein. Als Eingangsgröße für die Heizungs-Vorschaltung kann eine Stellgröße-Heizen verwendet werden.
  • Bei Einsatz eines Thermometers kann eine Temperatur tb des durch das Prozesskühlaggregat gekühlten Systems bestimmt werden. Ein verwendetes Thermometer kann ein Flüssigkeitsthermometer, Bimetall Thermometer, elektronisches Thermometer, ein Gasthermometer oder jedes andere anwendbare Thermometer sein. Das Thermometer kann elektronisch auslesbar sein. Die Temperatur tb kann einer Badtemperatur oder allgemeiner einer Zieltemperatur des Prozesskühlaggregats entsprechen. Die Temperatur tb kann von einem Temperaturregler verwendet werden. Der Temperaturregler kann die Kühlleistung des Prozesskühlaggregats regeln. Insbesondere kann die Temperatur tb ein Prozessparameter sein, welcher eine Betriebseigenschaft des Prozesskühlaggregats beschreibt.
  • Die Temperatur tb kann mit einer Soll-Temperatur tb,soll verglichen werden. Über eine Regelstruktur kann die Stellgröße-Heizen und eine Stellgröße-Kühlen bestimmt werden. Die Stellgröße-Heizen kann eine Leistung bestimmen, mit welcher ein zu kühlendes System zu gegenheizen ist. Die Stellgröße-Kühlen kann eine Leistung bestimmen, mit welcher ein zu kühlendes System zu kühlen ist. Durch Steuern eines Heizkreises entsprechend der Stellgröße-Heizen und Steuern eines Kühlkreises entsprechend der Stellgröße-Kühlen, kann das zu kühlende System eine annähernd konstante Temperatur tb nahe der Soll-Temperatur tb,soll erreichen.
  • Der Verdichter kann dazu ausgelegt sein, ein Kältemittel zu verdichten. Der Verdichter kann ein drehzahlvariabler Verdichter sein. Der Verdichter kann einen drehzahlvariablen Motor mit über die Drehzahlsteuerungseinrichtung steuerbarer Drehzahl umfassen. Durch Steuerung der Drehzahl kann die Leistung des Verdichters gesteuert werden. Durch Steuerung der Drehzahl kann die verdichtete Menge an Kältemittel, der Druck des verdichteten Kältemittels und die Temperatur des verdichteten Kältemittels gesteuert werden. Der Verdichter kann durch die Kennfeldsteuerung gesteuert werden. Die Eingangsgröße des Verdichters kann der Verdichterparameter sein.
  • Das Einspritzventil kann dazu ausgelegt sein, ein verdichtetes Kältemittel in den Verdampfer einzuspritzen. Das Einspritzventil kann eine feste Öffnung aufweisen, beispielsweise in Form einer langen Kapillare mit engem Querschnitt, thermostatisch geregelt oder elektronisch regelbar sein. Das Kältemittel kann durch den Verdichter verdichtet werden und erhitzt sich durch das Verdichten. Durch einen Wärmetauscher (Verflüssiger) kann das verdichtete Kältemittel abgekühlt werden, bevor es in den Verdampfer eingespritzt wird. Insbesondere kann das verdichtete Kältemittel beim Abkühlen im Wärmetauscher (Verflüssiger) verflüssigt werden. Das elektronische Einspritzventil kann die Einspritztemperatur des Kältemittels steuern. Eine Ventil-Vorschaltung kann das Einspritzventil steuern. Die Eingangsgröße der Ventil-Vorschaltung kann der Ventilparameter sein. Der Ventilparameter kann die Einspritztemperatur t1 über die Ventilöffnung steuern. Die Kühlleistung des Prozesskühlaggregats ist abhängig von der Einspritztemperatur t1 Die Kühlleistung des Prozesskühlaggregats kann in Abhängigkeit der Einspritztemperatur t1 gesteuert werden.
  • Das elektronische Heißgasventil kann dazu ausgelegt sein, das verdichtete (heiße) Kältemittel direkt in den Verdampfer einzuspritzen. Das Kältemittel kann durch den Verdichter verdichtet werden und erhitzt sich durch das Verdichten. Das verdichtete Kältemittel kann nicht oder nur teilweise durch einen Wärmetauscher abgekühlt werden, bevor es in den Verdampfer eingespritzt wird. Das elektronische Heißgasventil kann die Einspritztemperatur des Kältemittels steuern. Eine Heißgas-Vorschaltung kann das Heißgasventil steuern. Die Eingangsgröße der Heißgas-Vorschaltung kann der Heißgas-Ventilparameter sein. Der Heißgas-Ventilparameter kann über die Öffnung des Heißgasventils die Einspritztemperatur steuern.
  • Vorteile, welche bei Einsatz eines Kennfelds und einem drehzahlvariablen Verdichter wie hierin beschrieben entstehen, umfassen: Einen reduzierten Energieverbrauch, höherer Wirkungsgrad des Prozesskühlaggregats, reduzierte Wärmeabgabe an den Raum, verringertes Betriebsgeräusch, weniger Verdichter-Verschleiß und reduzierte Baugröße des Prozesskühlaggregats.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert, wobei die Figuren zeigen:
    • Fig.1A
    ein Ausführungsbeispiel eines Prozesskühlaggregats;
    Fig.1B
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Prozesskühlaggregats;
    Fig. 2
    ein typisches Verfahren zur Temperaturregelung eines Prozesskühlaggregats;
    Fig. 3A
    ein Ausführungsbeispiel eines Kennfelds;
    Fig. 3B
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kennfelds;
    Fig. 3C
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kennfelds;
    Fig. 3D
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kennfelds;
    Fig: 3E
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kennfelds;
    Fig. 4A
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kennfelds;
    Fig. 4B
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kennfelds;
    Fig. 4C
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kennfelds;
    Fig. 4D
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kennfelds; und
    Fig: 4E
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kennfelds;
    Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen eines Prozesskühlaggregats und Verfahren zur Temperaturreglung eines Prozesskühlaggregats beschrieben. Hierin beschriebene Ausführungsformen sind nicht limitierend für die Funktionsweise der hierin beschriebenen Prozesskühlaggregate. Zwei oder mehrere hierein beschriebene Ausführungsformen können kombiniert werden um weitere Ausführungsformen zu erhalten.
  • Die Fig. 1A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Prozesskühlaggregats wie hierin beschrieben. Das Prozesskühlaggregat 100 der Fig. 1A umfasst ein zu kühlendes System 110, ein Steuermodul 140, ein Thermometer 115, um eine Temperatur tb des Systems 110 zu messen, und einen Verdampfer 125, welcher ein nicht steuerbares Einspritzventil umfasst.
  • Das Steuermodul bestimmt eine Ausgabe, entsprechend einer Prozessleistung anhand der Temperatur tb und einer Soll-Temperatur tb,soll. Die Prozessleistung umfasst eine Stellgröße-Kühlen. Das Prozesskühlaggregat umfasst eine Kontrolleinrichtung 150 mit einem Speicher, in welchem ein Kennfeld gespeichert ist zur Steuerung eines über eine Drehzahlsteuerungseinrichtung drehzahlvariabel ausgestalteten Motors eines Verdichters 175. Über den an den Verdichter angeschlossenen Verdampfer 125 mit einem nicht steuerbaren Einspritzventil (nicht dargestellt) wird das System 110 gekühlt. Die Kontrolleinrichtung bestimmt dabei mittels des Kennfelds aus einem Prozessparameter, umfassend die Temperatur tb und die Stellgröße-Kühlen, einen Verdichterparameter. Der Verdichter 175 wird entsprechend dem Verdichterparameter angesteuert. Die Kontrolleinrichtung 150, der Verdichter 175 und der Verdampfer 125 bilden gemeinsam einen Kühlkreis 185.
  • Die Fig. 1B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Prozesskühlaggregats. Das Prozesskühlaggregat 100 umfasst ein zu kühlendes System 110, ein Steuermodul 140, einen Heizkreis 180 und einen Kühlkreis 185.
  • Das Prozesskühlaggregat 100 umfasst ein Thermometer 115 um eine Temperatur tb des Systems 110 zu messen, eine Heizung 120 um dem System 110 Wärme zuzuführen und einen Verdampfer 125 um das System 110 zu kühlen.
  • Das Steuermodul bestimmt eine Ausgabe, entsprechend einer Prozessleistung anhand der Temperatur tb und einer Soll-Temperatur tb,soll. Die Prozessleistung umfasst eine Stellgröße-Heizen und eine Stellgröße-Kühlen.
  • Der Heizkreis 180 umfasst die Heizung 120 und eine Heizung-Vorschaltung 145 zur Steuerung der Heizung 120. Die Heizung-Vorschaltung 145 steuert die Heizung 120 entsprechend der Stellgröße-Heizen.
  • Das Prozesskühlaggregat umfasst eine Kontrolleinrichtung 150 mit einem in einem Speicher gespeicherten Kennfeld zur Steuerung des Kühlkreises, eine Ventil-Vorschaltung 155, ein steuerbares Einspritzventil 160 und einen über eine Drehzahlsteuerungseinrichtung drehzahlvariabel betreibbaren Motor eines Verdichters 175. Das Kennfeld bestimmt dabei aus einem Prozessparameter, umfassend die Temperatur tb und die Stellgröße-Kühlen, einen Ventilparameter und einen Verdichterparameter. Das Einspritzventil 160 wird über die Ventil-Vorschaltung 155 entsprechend dem Ventilparameter angesteuert. Der Verdichter wird entsprechend dem Verdichterparameter angesteuert. Das Einspritzventil 160 kann ein elektronisches Einspritzventil sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Kühlkreis optional außerdem eine Heißgas-Vorschaltung 165 und ein Heißgasventil 170. Das Kennfeld bestimmt dabei aus dem Prozessparameter einen Heißgas-Ventilparameter. Das Heißgasventil 170 wird über die Heißgas-Vorschaltung 165 entsprechend dem Heißgas-Ventilparameter angesteuert. Das Heißgasventil 170 kann ein elektronisches Heißgasventil sein.
  • Fig. 2 zeigt ein Verfahren 200 zur Temperaturregelung eines Prozesskühlaggregats wie hierin beschrieben. In Verfahrensschritt 210 wird ein Prozessparameter bestimmt. Der Prozessparameter umfasst eine Temperatur tb eines zu kühlenden Systems 110 und eine Stellgröße-Kühlen. In weiteren Ausführungsformen umfasst der Prozessparameter außerdem eine Stellgröße-Heizen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Prozessparameter zusätzlich eine Verdampfungstemperatur des Kühlprozesses des Prozesskühlaggregats 100.
  • Im Verfahrensschritt 220 wird ein Ventilparameter und Verdichterparameter in Abhängigkeit des Prozessparameters mit Hilfe eines Kennfelds bestimmt. Eine Einspritztemperatur des Einspritzventils kann durch den Ventilparameter festgelegt sein und eine Ventilöffnungsstellung entsprechend des Ventilparameters geregelt werden. Typischerweise entspricht der Ventilparameter nicht der Ventilöffnungsstellung, vielmehr ergibt sich die Ventilöffnungsstellung aus der Regelung der Einspritztemperatur. In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich ein Heißgas-Ventilparameter in Abhängigkeit des Prozessparameters und des Kennfelds bestimmt.
  • In Verfahrensschritt 230 wird ein Einspritzventil in Abhängigkeit des Ventilparameters und ein Verdichter in Abhängigkeit des Verdichterparameters gesteuert. In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich ein Heißgasventil in Abhängigkeit des Heißgas-Ventilparameters gesteuert.
  • Im optionalen Verfahrensschritt 240 wird eine Heizung 115 entsprechend einer Stellgröße-Heizen angesteuert um das System zu gegenheizen. Anschließend beginnt das Verfahren non Neuem.
  • Die Fig. 3A - 3E zeigen Ausführungsbeispiele für typische Kennfelder für verschiedene Temperaturen tb in einem typischen Prozesskühlaggregat, beispielsweise einem Prozesskühlaggregat wie in Zusammenhang mit der Fig. 1A beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind in Fig. 3A - 3E respektive dargestellt für tb von 200°C, 20°C, 0°C, - 20°C und - 40°C.
  • Abhängig von einer Prozesskühlleistung, welche durch das Prozesskühlaggregat erbracht werden soll, dargestellt auf der waagrechten x-Achse in Watt, ergibt sich aus dem Kennfeld eine Soll-Drehzahl des Verdichters, bzw. dessen Motors, n als Verdichterparameter, dargestellt auf der linken, senkrechten y-Achse in Umdrehungen pro Minute. Mit der Soll-Drehzahl wird auch die vom Motor des Verdichters aufgenommene Leistung verändert. Geringere Drehzahlen entsprechen einer geringeren Leistungsaufnahme.
  • Fig. 3A zeigt ein Kennfeld für eine Temperatur tb = 200°C zur Bestimmung eines Verdichterparameters in einem typischen Prozesskühlaggregat. Die Kühlleistung entspricht der Stellgröße-Kühlen und wird wie oben beschrieben bestimmt. Abhängig von der Kühlleistung ergibt sich ein Arbeitspunkt aus welchem der Verdichterparameter bestimmt werden.
  • Analog zu der Fig. 3A zeigen die Fig. 3B - 3E weitere Kennfelder für Prozesskühlaggregate wie beispielsweise in Fig. 1A erläutert, jedoch für andere Temperaturen tb. Es wird zur Erklärung der Fig. 3B - 3E analog auf die Beschreibung der Fig. 3A verwiesen.
  • Die Fig. 4A - 4E zeigen Ausführungsbeispiele für typische Kennfelder für verschiedene Temperaturen tb in einem typischen Prozesskühlaggregat, beispielsweise einem Prozesskühlaggregat wie in Zusammenhang mit der Fig. 1B beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind in Fig. 4A - 4E respektive dargestellt für tb von 200°C, 20°C, 0°C, - 20°C und - 40°C.
  • Abhängig von einer Prozesskühlleistung, welche durch das Prozesskühlaggregat erbracht werden soll, dargestellt auf der x-Achse in Watt, ergibt sich aus dem Kennfeld eine Soll-Drehzahl des Verdichters n als Verdichterparameter, dargestellt auf der rechten y-Achse in Umdrehungen pro Minute. Weiterhin ergibt sich eine Einspritztemperatur t1, dargestellt auf der linken y-Achse in °C, als Ventilparameter.
  • Fig. 4A zeigt ein Kennfeld für eine Temperatur tb = 200 °C zur Bestimmung eines Verdichterparameters und eines Ventilparameters in einem typischen Prozesskühlaggregat. Die Kühlleistung entspricht der Stellgröße-Kühlen und wird wie oben beschrieben bestimmt. Abhängig von der Kühlleistung ergibt sich ein Arbeitspunkt aus welchem der Verdichterparameter und der Ventilparameter bestimmt werden.
  • Wie in Fig. 4A dargestellt besitzt das Kennfeld zwei Kühlleistungsbereiche. Diese Kühlleistungsbereiche unterscheiden sich voneinander in der Art und Weise, wie sich der Ventilparameter und der Verdichterparameter bei einer Änderung der Kühlleistung verändern. Insbesondere unterscheiden sich diese Kühlleistungsbereiche voneinander in der Art und Weise, wie sich die Einspritztemperatur und die Drehzahl des Verdichters bei Änderung der Kühlleistung ändern. Die Einspritztemperatur kann über den Ventilparameter eingestellt werden, die Ventilöffnung wird entsprechend geregelt. Im ersten Bereich von 0 W bis zu einer Grenzkühlleistung, in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4A beträgt die Grenzkühlleistung 1050 W, wird die Drehzahl des Verdichters konstant gehalten und die Einspritztemperatur erhöht. Im zweiten Bereich oberhalb der Grenzkühlleistung wird die Einspritztemperatur t01 konstant gehalten. Um die Kühlleistung weiter zu erhöhen wird oberhalb der Grenzkühlleistung die Drehzahl des Verdichters erhöht.
  • Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4A weist genau eine Grenzkühlleistung auf. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann mindestens eine weitere Grenzkühlleistung definiert werden, beispielsweise um einen weiteren Bereich neben dem ersten Bereich zu definieren. Dieser weitere Bereich könnte sich mit negativen Kühlleistungen, d.h. Heizleistungen, an der weiteren Grenzkühlleistung 0 W anschließen, im Diagramm des Beispiels der Fig. 4A links von 0 W.
  • Diese Beschreibung der Fig. 4A gilt für die Fig. 4B - 4E analog.
  • Die zwei Kühlleistungsbereiche existieren für alle Kennfelder, die in den Fig. 4B - 4E dargestellt sind. Mit abnehmender Temperatur tb wird die maximale Einspritztemperatur geringer, wodurch sich der erste Kühlleistungsbereich verkleinert. Insgesamt reduziert sich die maximale Kühlleistung und die Kühlleistungsbereiche verkleinern sich entsprechend.

Claims (13)

  1. Prozesskühlaggregat (100), umfassend:
    einen Verdampfer (125) mit einem Einspritzventil,
    einen Verdichter (175) mit einem drehzahlvariablen Motor,
    einer Drehzahlsteuerungseinrichtung zum Steuern der Drehzahl des Motors, und
    einer Kontrolleinrichtung (150), welche einen Speicher umfasst, in welchem ein Kennfeld abgespeichert ist,
    wobei die Kontrolleinrichtung (150) dazu eingerichtet ist, die Drehzahl des Motors des Verdichters in Abhängigkeit von mindestens einem Prozessparameter eines Kühlprozesses des Prozesskühlaggregats (100) und in Abhängigkeit des Kennfelds anzusteuern,
    wobei das Einspritzventil (160) steuerbar ausgeführt ist und wobei die Kontrolleinrichtung weiter dazu eingerichtet ist, das Einspritzventil zu kontrollieren und in Abhängigkeit des mindestens einen Prozessparameters und in Abhängigkeit des Kennfelds (150) anzusteuern, und
    wobei der mindestens eine Prozessparameter umfasst: Eine Zieltemperatur (tb), welche die Temperatur eines durch das Prozesskühlaggregat gekühlten Bades oder eines Vorlaufs (110) des Prozesskühlaggregats (100) wiedergibt, und eine Prozessleistung des Kühlprozesses des Prozesskühlaggregats (100), wobei die Kontrolleinrichtung dazu eingerichtet ist, einen Verdichterparameter zur Ansteuerung der Drehzahlsteuerungseinrichtung in Abhängigkeit des mindestens einen Prozessparameters und des Kennfelds auszugeben und auf diese Weise die Drehzahl des Motors in Abhängigkeit des Verdichterparameters anzusteuern.
  2. Prozesskühlaggregat (100) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Prozessparameter weiter umfasst eine Verdampfungstemperatur des Kühlprozesses des Prozesskühlaggregats.
  3. Prozesskühlaggregat (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontrolleinrichtung dazu eingerichtet ist, einen Ventilparameter zur Ansteuerung des Einspritzventils (160) in Abhängigkeit des mindestens einen Prozessparameters und des Kennfelds auszugeben und das Einspritzventil (160) entsprechend des Ventilparameters anzusteuern.
  4. Prozesskühlaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verdampfer (125) ein Heißgasventil (170) umfasst, und wobei die Kontrolleinrichtung dazu eingerichtet ist, das Heißgasventil (170) in Abhängigkeit des mindestens einen Prozessparameters und des Kennfelds anzusteuern.
  5. Prozesskühlaggregat nach Anspruch 4, wobei die Kontrolleinrichtung dazu eingerichtet ist, einen Heißgas-Ventilparameter zur Ansteuerung des Heißgasventils (170) in Abhängigkeit des mindestens einen Prozessparameters und des Kennfelds auszugeben und das Heißgasventil (170) entsprechend des Heißgas-Ventilparameters anzusteuern.
  6. Prozesskühlaggregat nach einem der Ansprüche 1 - 3, wobei der Verdampfer kein Heißgasventil aufweist.
  7. Prozesskühlaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Heizung (115) zur Erhöhung der Temperatur einer durch das Prozesskühlaggregat (100) gekühlten Flüssigkeit, bevorzugt in einem Bad (110).
  8. Verfahren zur Temperaturregelung eines Prozesskühlaggregats (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend:
    Empfangen mindestens eines Prozessparameters,
    Steuern der Drehzahlsteuerungseinrichtung des Motors in Abhängigkeit des mindestens einen Prozessparameters und des Kennfelds, umfassend:
    Empfangen eines Verdichterparameters zur Ansteuerung der Drehzahlsteuerungseinrichtung des Motors in Abhängigkeit des mindestens einen Prozessparameters und des Kennfelds; und
    Steuern der Drehzahlsteuerungseinrichtung des Motors in Abhängigkeit des Verdichterparameters; und
    Steuern des als steuerbares Einspritzventils (160) ausgeführten Einspritzventils in Abhängigkeit des mindestens einen Prozessparameters und des Kennfelds,
    wobei der mindestens eine Prozessparameter eine Zieltemperatur (tb), welche die Temperatur eines durch das Prozesskühlaggregat gekühlten Bades oder eines Vorlaufs (110) des Prozesskühlaggregats wiedergibt, und eine Prozessleistung des Kühlprozesses des Prozesskühlaggregats umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der mindestens eine Prozessparameter weiter eine Verdampfungstemperatur des Kühlprozesses des Prozesskühlaggregats (100) umfasst.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 - 9, umfassend:
    Empfangen eines Ventilparameters zur Ansteuerung des Einspritzventils (160) in Abhängigkeit des mindestens einen Prozessparameters und des Kennfelds; und
    Steuern des Einspritzventils (160) in Abhängigkeit des Ventilparameters.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 - 10, umfassend:
    Steuern eines Heißgasventils (170) in Abhängigkeit des mindestens einen Prozessparameters und des Kennfelds.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, umfassend:
    Empfangen eines Heißgas-Ventilparameters zur Ansteuerung des Heißgasventils (170) in Abhängigkeit des mindestens einen Prozessparameters und des Kennfelds; und
    Steuern des Heißgasventils (170) in Abhängigkeit des Heißgas-Ventilparameters.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 - 12 umfassend:
    Steuern einer Heizung (115) zu Erhöhung einer Temperatur eines durch das Prozesskühlaggregat gekühlten Flüssigkeit, bevorzugt in einem Bad (110).
EP23187656.6A 2022-07-26 2023-07-25 Prozesskühlaggregat und verfahren zur regelung eines prozesskühlaggregats Pending EP4311990A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022118670.9A DE102022118670A1 (de) 2022-07-26 2022-07-26 Prozesskühlaggregat und Verfahren zur Regelung eines Prozesskühlaggregrats

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4311990A1 true EP4311990A1 (de) 2024-01-31

Family

ID=87473886

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23187656.6A Pending EP4311990A1 (de) 2022-07-26 2023-07-25 Prozesskühlaggregat und verfahren zur regelung eines prozesskühlaggregats

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP4311990A1 (de)
DE (1) DE102022118670A1 (de)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3915349A1 (de) * 1988-05-11 1989-11-23 Hitachi Ltd Kuehlvorrichtung
US5628201A (en) * 1995-04-03 1997-05-13 Copeland Corporation Heating and cooling system with variable capacity compressor
US20100205987A1 (en) * 2007-11-30 2010-08-19 Mitsubishi Electric Corporation Refrigeration cycle apparatus
DE102014007853B3 (de) * 2014-05-30 2015-10-22 Bernhard Harter Verfahren und Vorrichtung zum Temperieren eines Wärmeaustauschers
US10962009B2 (en) * 2007-10-08 2021-03-30 Emerson Climate Technologies, Inc. Variable speed compressor protection system and method

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0683590B2 (ja) 1984-07-04 1994-10-19 株式会社東芝 空気調和機

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3915349A1 (de) * 1988-05-11 1989-11-23 Hitachi Ltd Kuehlvorrichtung
US5628201A (en) * 1995-04-03 1997-05-13 Copeland Corporation Heating and cooling system with variable capacity compressor
US10962009B2 (en) * 2007-10-08 2021-03-30 Emerson Climate Technologies, Inc. Variable speed compressor protection system and method
US20100205987A1 (en) * 2007-11-30 2010-08-19 Mitsubishi Electric Corporation Refrigeration cycle apparatus
DE102014007853B3 (de) * 2014-05-30 2015-10-22 Bernhard Harter Verfahren und Vorrichtung zum Temperieren eines Wärmeaustauschers

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022118670A1 (de) 2024-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3833562B1 (de) Verfahren zum betreiben einer kälteanlage für ein fahrzeug mit einem eine wärmepumpenfunktion aufweisenden kältemittelkreislauf
DE102016005782B4 (de) Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf
DE69923382T2 (de) Kühlbehälter und Verfahren zur Optimierung der Temperaturabsenkung im Behälter
EP1747412B1 (de) Steuereinrichtung für eine kälte- oder klimaanlage
DE4430468A1 (de) Regeleinrichtung einer Kühlvorrichtung
DE3915349C2 (de)
EP0410330A2 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Kälteanlage
DE112016000966T5 (de) System und Verfahren zum Steuern einer HVAC-Einheit auf Grundlage von Thermostatsignalen
DE102013114374B4 (de) Verfahren zur Drehzahlregelung bei einem Verdichter mit variabler Drehzahl
DE3804258C1 (de)
DE69634743T2 (de) Kühlgerät, dieses Gerät verwendende Klimaanlage und Verfahren zur Steuerung dieser Klimaanlage
EP3584512A1 (de) Prüfkammer und verfahren
EP0727628B1 (de) Regeleinrichtung und Verfahren zur Temperaturregelung in Kühlgeräten
DE60129231T2 (de) Verfahren zur Regelung eines Kompressors mit variabler Kühlleistung und nach diesem Verfahren geregelter Kühl- oder Gefrierschrank
EP1355207A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Kompressionskälteanlage und Kompressionskälteanlage
EP3919823A1 (de) Verfahren zur steuerung der wärmeerzeugung und -verteilung in einer heizungsanlage
EP4311990A1 (de) Prozesskühlaggregat und verfahren zur regelung eines prozesskühlaggregats
WO2016155701A1 (de) Regelungsverfahren für ein schaltschrankkühlgerät
DE3340736A1 (de) Regeleinrichtung fuer einen kuehlkreislauf
EP3601902B1 (de) Kältegerät und betriebsverfahren dafür
DE4100749C2 (de)
WO2021083697A1 (de) Kältegerät mit heiz- und kühlbarem fach
DE10318355A1 (de) Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor und Steuerverfahren dafür
DE60221225T2 (de) Kühlsystem, kühler und verfahren zur steuerung eines kompressors
EP3922924B1 (de) Verfahren zum betrieb einer kompressionskälteanlage und kompressionskälteanlage

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR