WO2009056335A2 - Verfahren und vorrichtung zur elektronischen regelung für kälteanlage - Google Patents

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    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for electronic control of refrigeration systems with at least one respective compressor, condenser and evaporator, a collector and a dryer.
  • a refrigeration system and a method for controlling a refrigeration system is described with a compressor device, a capacitor device between which at least one evaporator is arranged, which has a controllable injection valve on its input side.
  • a control device includes a temperature and / or pressure sensor at the input and a temperature sensor at the outlet of the evaporator. The control device actuates the injection valve for controlling the overheating temperature. In this case, the desired value of the overheating temperature of the evaporator is changed in dependence on the opening degree of the injection valve.
  • a control unit regulates both the amount of refrigerant discharged from a compressor and the degree of opening of a pressure control valve such that the theoretical efficiency of the supercritical refrigerant cycle and the efficiency of the compressor and thus the effective coefficient of performance are improved.
  • a method for controlling a refrigeration system which employs an expansion valve in which the one side of the actuator from the refrigerant pressure at the output side and the other side of the actuator is loaded by the vapor pressure of a sensor system, the sensor temperature through the Refrigerant temperature at the output side of the expansion valve and by the heat supply by means of a heating element is determined.
  • the heat supply is regulated depending on a measured value (overheating or liquid level).
  • the invention is therefore based on the problem, a method and an apparatus for electronic control of refrigeration systems with at least one Refrigeration compressor, a condenser, an evaporator, a collector, a dryer to propose that are suitable for different refrigeration systems, high energy savings, high efficiency and low emissions in a very small size and visualization allow.
  • the electronic control determines the flow rate of the refrigerated goods in the plate exchanger / evaporator. Above thedeguteintrittstreler and the setpoint of the refrigerated goods creates a temperature difference.
  • the system control calculates the required cooling capacity of the compressor based on the flow rate, the temperature difference and the specific heat capacity of the cooling material.
  • the cooling capacity is constantly determined and the system control is constantly adjusted. With the specification of the cooling capacity of the compressor is controlled in the speed.
  • the cooling capacity of the compressor is calculated from the pressure difference between the high-pressure side, the low-pressure side (evaporation pressure) and the delivery volume of the compressor. A change in the delivery volume by the speed thus changes the cooling capacity of the compressor.
  • the cooling capacity of the compressor pressure differences arise in the plate exchanger / evaporator. These are then adjusted by the electronic control valve. This is done via an overheating control for the plate exchanger / evaporator. The evaporation temperature is determined and with the overheat temperature sensor the overheating in the plate exchanger / evaporator can be determined. The system control keeps the overheating in Kelvin optimal and constant. This optimally utilizes the plate exchanger / evaporator. This applies without restriction if the liquefaction is constant.
  • the high-pressure side In order for the electronic control for refrigeration systems to work optimally even when the liquefaction is not constant, the high-pressure side must also be regulated. This is done by determining the high pressure, by the hot gas sensor, by the inlet temperature sensor and the outlet temperature sensor of the Liquefaction medium. With these parameters, the amount needed for the recooling is determined and thus the liquefaction in the condenser optimally and kept constant.
  • the electronic control ensures that all of the above-mentioned and interdependent individual regulations work optimally.
  • This system control achieves a high COP and saves a lot of energy as well as high efficiency and low emissions. This means in particular low noise, low vibration and low CO2 emissions. Due to their high performance, the systems are smaller than comparable systems. Plant states, actual values and setpoints are graphically realized in a web visualization and can also be queried via the Internet.
  • the control according to the invention is independent of the type and manufacturer of the compressor, the evaporator, the dryer, the condenser, the electronic control valve, the safety devices and the sensors / sensors.
  • the invention is suitable for different refrigeration systems, including heat pumps, drying systems, ice machines and dehumidifiers.
  • Fig. 1 the structural design of the refrigeration system
  • Fig. 2 Flow chart of the refrigeration system
  • Fig. 3 the visualization of the operating parameters of the refrigeration system
  • the flow chart in Fig. 2 contains, in addition to the known main components required for the electronic control of the refrigeration system sensors.
  • the arrangement of the main components compressor 1, condenser 2, dryer 3, Electronic control valve 4 and plate exchanger / evaporator 5 corresponds to the known arrangement.
  • the refrigerant temperature is measured by a sensor 6 in front of the electronic control valve.
  • the superheat temperature sensor 8 and thedegutaustrittssortedler 9 are arranged.
  • inlet temperature sensor 10 and outlet temperature sensor 11 the temperatures of the liquefaction medium at the condenser 2 and the refrigerant temperature 12 at the condenser outlet are determined.
  • hot gas sensor 13 the measurement of the hot gas temperature. All sensors and sensors are connected to a computer, not shown, which records and processes all measured values and outputs the necessary control signals to control the system.
  • FIG. 3 illustrates the illustrated values at standstill of an exemplary embodiment of the refrigeration system according to FIG. 2.
  • This visualization of the operating parameters indicates the possibilities which information about the status of the refrigeration system can be called up.
  • the system states, actual values and setpoints can be graphically realized by the computer in a web visualization and also queried via the Internet. This representation of the values forms the basis for the automatic optimization of the refrigeration system according to the invention.
  • the safety system according to the invention is set forth only in one embodiment. There are further embodiments of the invention possible. Thus, other displays, visualization elements and devices as well as new network connections and network topologies can be used professionally. It is also possible within the scope of the invention to make changes to safety devices, to add even more measured value readings with evaluation and additional operating devices. Also, changes in the refrigeration cycle and innovations by refrigeration component manufacturers may require adjustments to the invention. List of used reference numbers

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Regelung, geeignet für unterschiedliche Kälteanlagen mit einer hohen Energieeinsparung, hohen Effizienz und geringen Emissionen bei sehr geringer Baugröße und kann eine Visualisierung der betriebsweise bzw. Parameter ermöglichen. Es wird die Durchflussmenge vom Kühlgut im Plattentauscher/Verdampfer (5) ermittelt; es entsteht über dem Kühlguteintrittsfühler (7) und dem Sollwert des Kühlgutes eine Temperaturdifferenz; aus der Durchflussmenge, der Temperaturdifferenz und der spezifischen Wärmekapazität des Kühlgutes wird kontinuierlich die benötigte Kühlleistung des Verdichters (1) berechnet; mit der Vorgabe der Kühlleistung wird der Verdichter (1) in der Drehzahl geregelt; die Kälteleistung des Verdichters wird aus der Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und Niederdruckseite (Verdampfungsdruck) und dem Fördervolumen des Verdichters (1) berechnet; durch die Änderung der Kühlleistungsvorgabe des Verdichters (1) entstehen Druckdifferenzen im Plattentauscher/Verdampfer (5); die Verdampfungstemperatur wird gemessen und mit dem Überhitzungstemperaturfühler (8) daraus die Überhitzung im Plattentauscher/Verdampfer (5) ermittelt und die Druckdifferenzen im Plattentauscher/Verdampfer (5) werden durch das elektronische Regelventil (4) über eine Überhitzungsregelung für den Plattentauscher/ Verdampfer (5) ausgeregelt. Die elektronische Regelung für fast alle Kälteanlagen geeignet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Regelung für Kälteanlagen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektronischen Regelung für Kälteanlagen mit mindestens je einem Verdichter, Verflüssiger und Verdampfer, einem Sammler sowie einem Trockner.
In der DE 42 42 848 A1 ist eine Kälteanlage und ein Verfahren zur Steuerung einer Kälteanlage beschrieben mit einer Kompressoreinrichtung, einer Kondensatoreinrichtung, zwischen denen mindestens ein Verdampfer angeordnet ist, der an seiner Eingangsseite ein steuerbares Einspritzventil aufweist. Eine Steuereinrichtung enthält einen Temperatur- und/oder Drucksensor am Eingang und einen Temperatursensor am Ausgang des Verdampfers. Die Steuereinrichtung betätigt das Einspritzventil zur Steuerung der Überhitzungstemperatur. Dabei wird der Sollwert der Überhitzungstemperatur des Verdampfers in Abhängigkeit vom Öffnungsgrad des Einspritzventils verändert.
Bei dem Kühlmittelzyklus-System mit überkritischem Kühlmitteldruck nach der DE 100 53 203 A1 regelt eine Regelungseinheit sowohl die von einem Kompressor abgegebene Kühlmittelmenge als auch den Öffnungsgrad eines Druckregelungsventils so, dass der theoretische Wirkungsgrad des überkritischen Kühlmittelzyklus und den Wirkungsgrad des Kompressors und damit der effektive Leistungskoeffizient verbessert sind.
Aus der DE 196 47 718 A1 ist ein Verfahren zur Regelung einer Kälteanlage bekannt, das ein Expansionsventil einsetzt, bei dem die eine Seite des Stellglieds vom Kältemitteldruck an der Ausgangsseite und die andere Seite des Stellglieds vom Dampfdruck eines Fühlersystems belastet ist, dessen Fühlertemperatur durch die Kältemitteltemperatur an der Ausgangsseite des Expansionsventils und durch die Wärmezufuhr mittels eines Heizelements bestimmt ist. Die Wärmezufuhr wird in Abhängigkeit von einem Messwert (Überhitzung oder Flüssigkeitsniveau) geregelt.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektronischen Regelung für Kälteanlagen mit mindestens einem Kälteverdichter, einem Verflüssiger, einem Verdampfer, einem Sammler, einem Trockner vorzuschlagen, die für unterschiedliche Kälteanlagen geeignet sind, eine hohe Energieeinsparung, hohe Effizienz und geringe Emissionen bei sehr geringer Baugröße sowie eine Visualisierung ermöglichen.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 3 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
Erfindungsgemäß ermittelt die elektronische Regelung die Durchflussmenge des Kühlgutes im Plattentauscher/Verdampfer. Über dem Kühlguteintrittsfühler und dem Sollwert des Kühlgutes entsteht eine Temperaturdifferenz. Die Anlagenregelung berechnet die benötigte Kühlleistung des Verdichters anhand der Durchflussmenge, der Temperaturdifferenz und der spezifischen Wärmekapazität des Kühlgutes. Die Kühlleistung wird ständig ermittelt und die Anlagenregelung wird ständig angepasst. Mit der Vorgabe der Kühlleistung wird der Verdichter in der Drehzahl geregelt. Die Kälteleistung des Verdichters berechnet sich aus der Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite, der Niederdruckseite (Verdampfungsdruck) und dem Fördervolumen des Verdichters. Eine Änderung des Fördervolumens durch die Drehzahl ändert also die Kühlleistung des Verdichters. Durch die Änderung der Kühlleistungsvorgabe des Verdichters entstehen Druckdifferenzen im Plattentauscher/Verdampfer. Diese werden dann durch das elektronische Regelventil ausgeregelt. Das geschieht über eine Überhitzungsregelung für den Plattentauscher/Verdampfer. Es wird die Verdampfungstemperatur ermittelt und mit dem Überhitzungstemperaturfühler kann daraus die Überhitzung im Plattentauscher/Verdampfer ermittelt werden. Die Anlagenregelung hält die Überhitzung in Kelvin optimal und konstant. Dadurch wird der Plattentauscher/Verdampfer optimal ausgelastet. Das gilt für uneingeschränkt, wenn die Verflüssigung konstant ist.
Damit die elektronische Regelung für Kälteanlagen auch dann optimal arbeitet, wenn die Verflüssigung nicht konstant ist, muss die Hochdruckseite auch geregelt werden. Dies erfolgt über die Ermittlung des Hochdrucks, durch den Heißgassensor, durch den Eintrittstemperaturfühler und den Austrittstemperaturfühler des Verflüssigungsmediums. Mit diesen Parametern wird der Mengenbedarf der Rückkühlung ermittelt und damit die Verflüssigung im Verflüssiger optimal und konstant gehalten.
Die elektronische Regelung sorgt dafür, dass alle oben genannten und voneinander abhängigen Einzelregelungen optimal funktionieren. Mit dieser Anlagenregelung wird ein hoher COP erreicht und viel Energie eingespart sowie eine hohe Effizienz und geringe Emissionen erreicht. Das bedeutet insbesondere geringe Geräuschentwicklung, geringe Vibrationen und ein geringer CO2-Ausstoß. Die Anlagen sind durch den hohen Leistungsgewinn kleiner als vergleichbare Anlagen. Es werden Anlagenzustände, Istwerte und Sollwerte graphisch in einer Webvisualisierung realisiert und können auch über das Internet abgefragt werden. Die erfindungsgemäße Regelung ist unabhängig vom Typ und Hersteller des Verdichters, des Verdampfers, des Trockners, des Verflüssigers, des elektronischen Regelventils, der Sicherheitseinrichtungen und der Fühler/Sensoren. Die Erfindung ist für unterschiedliche Kälteanlagen geeignet, auch für Wärmepumpen, Trocknungsanlagen, Eismaschinen und Entfeuchtungsanlagen.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 : den konstruktiven Aufbau der Kälteanlage
Fig. 2: Fließschema der Kälteanlage
Fig. 3: die Visualisierung der Betriebsparameter der Kälteanlage
Im konstruktiven Aufbau der Kälteanlage nach Fig. 1 ist die Anordnung der einzelnen Hauptkomponenten einer Kälteanlage mit der erfindungsgemäßen elektronischen Regelung dargestellt, der Verdichter 1 , der Verflüssiger 2, der Trockner 3, das elektronische Regelventil 4 und der Plattentauscher/Verdampfer 5. Diese Anordnung hat sich als zweckmäßig herausgestellt.
Das Fließschema in Fig. 2 enthält außer den bekannten Hauptkomponenten die für die elektronische Regelung der Kälteanlage erforderlichen Sensoren. Die Anordnung der Hauptkomponenten Verdichter 1 , Verflüssiger 2, Trockner 3, elektronisches Regelventil 4 und Plattentauscher/Verdampfer 5 entspricht der bekannten Anordnung.
Die Kältemitteltemperatur wird durch einen Sensor 6 vor dem elektronischen Regelventil gemessen. Am bzw. in der Nähe des Plattentauschers/Verdampfer 5 sind der Kühlguteintrittsfühler 7, der Überhitzungstemperaturfühler 8 und der Kühlgutaustrittsfühler 9 angeordnet. Mittels Eintrittstemperaturfühler 10 und Austrittstemperaturfühler 11 werden die Temperaturen des Verflüssigungsmediums am Verflüssiger 2 und die Kältemitteltemperatur 12 am Verflüssigeraustritt ermittelt. Zwischen dem Verdichter 1 und dem Verflüssiger 2 erfolgt mittels Heißgassensor 13 die Messung der Heißgastemperatur. Alle Sensoren, Fühler sind mit einem nicht dargestellten Rechner verbunden, der alle Messwerte erfasst, verarbeitet und die nötigen Stellsignale ausgibt zur Regelung der Anlage.
Die Fig. 3 stellt die abgebildeten Werte im Stillstand eines Ausführungsbeispiels der Kälteanlage gemäß Fig. 2 dar. Diese Visualisierung der Betriebsparameter zeigt die Möglichkeiten auf, welche Informationen über den Status der Kälteanlage abgerufen werden können. Die Anlagenzustände, Istwerte und Sollwerte können graphisch mittels des Rechners in einer Webvisualisierung realisiert und auch über das Internet abgefragt werden. Diese Darstellung der Werte bildet die Grundlage für die automatische Optimierung der erfindungsgemäßen Kälteanlage.
Das erfindungsgemäße Sicherheitssystem ist nur in einem Ausführungsbeispiel dargelegt. Es sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung möglich. So können fachgemäß auch andere Anzeigen, Visualisierungselemente und -gerate sowie neue Netzwerkanschlüsse und Netzwerktopologien eingesetzt werden. Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, Änderungen an Sicherheitseinrichtungen vorzunehmen, noch weitere Messwerterfassungen mit Auswertung und zusätzliche Bedieneinrichtungen hinzuzufügen. Auch Änderungen im Kältekreislauf und Neuerungen von Herstellern für Kältekomponenten können Anpassungen der Erfindung erfordern. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 Verdichter
2 Verflüssiger
3 Trockner
4 elektronisches Regelventil
5 Plattentauscher/Verdampfer
6 Kältemitteltemperatur vor den elektronischen Regelventil
7 Kühlguteintrittsfühler
8 Überhitzungstemperaturfühler
9 Kühlgutaustrittsfühler
10 Eintrittstemperaturfühler des Verflüssigungsmediums
11 Austrittstemperaturfühler des Verflüssigungsmediums
12 Kältemitteltemperatur am Verflüssigeraustritt
13 Heißgassensor

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur elektronischen Regelung für Kälteanlagen mit mindestens je einem Kälteverdichter, Verflüssiger und Verdampfer, einem Sammler und einem Trockner, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge von Kühlgut in einem Plattentauscher/Verdampfer (5) ermittelt wird; zwischen dem Messwert des Kühlguteintrittsfühlers (7) und dem Sollwert des
Kühlgutes eine Temperaturdifferenz festgestellt wird; aus der Durchflussmenge, der Temperaturdifferenz und der spezifischen
Wärmekapazität des Kühlgutes kontinuierlich die benötigte Kühlleistung des
Verdichters (1 ) berechnet wird; mit der Vorgabe der Kühlleistung der Verdichter (1 ) in der Drehzahl geregelt wird; die Kälteleistung des Verdichters aus der Druckdifferenz zwischen der
Hochdruckseite und Niederdruckseite (Verdampfungsdruck) und dem
Fördervolumen des Verdichters (1 ) berechnet wird; durch die Änderung der Kühlleistungsvorgabe des Verdichters (1 )
Druckdifferenzen im Plattentauscher/Verdampfer (5) hervorgerufen werden, wobei die Verdampfungstemperatur und mit dem
Überhitzungstemperaturfühler (8) daraus die Überhitzung im
Plattentauscher/Verdampfer (5) ermittelt wird und die Druckdifferenzen im Plattentauscher/Verdampfer (5) durch das elektronische Regelventil (4) über eine Überhitzungsregelung für den
Plattentauscher/ Verdampfer (5) ausgeregelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auf der Hochdruckseite geregelt wird, indem: der Hochdruck durch Messung der Eintrittstemperatur und der Austrittstemperatur des Verflüssigungsmediums mittels der Temperaturfühler (10, 11 ) sowie durch den Heißgassensor(13) ermittelt wird und der Mengenbedarf der Rückkühlung mit diesen Parametern zur optimalen Konstanthaltung der Verflüssigung im Verflüssiger (2) ermittelt wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer elektronischen Regelung und mindestens einem Rechner für Kälteanlagen mit mindestens je einem Kälteverdichter, Verflüssiger und Verdampfer, einem Sammler und einem Trockner,, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung geeignet ist, die Durchflussmenge vom Kühlgut im Plattentauscher/Verdampfer (5) zu ermitteln; zwischen dem Kühlguteintrittsfühler (7) und dem Sollwert des Kühlgutes eine Temperaturdifferenz festzustellen; aus der Durchflussmenge, der Temperaturdifferenz und der spezifischen Wärmekapazität des Kühlgutes kontinuierlich die benötigte Kühlleistung des Verdichters (1 ) zu berechnen; mit der Vorgabe der Kühlleistung den Verdichter (1 ) in der Drehzahl zu regeln; die Kälteleistung des Verdichters aus der Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und Niederdruckseite (Verdampfungsdruck) und dem Fördervolumen des Verdichters(i ) zu berechnen; durch die Änderung der Kühlleistungsvorgabe des Verdichters (1 ) Druckdifferenzen im Plattentauscher/Verdampfer(5) entstehen zu lassen; die Verdampfungstemperatur und mit dem Überhitzungstemperaturfühler (8) daraus die Überhitzung im Plattentauscher/Verdampfer(5) zu ermitteln und die Druckdifferenzen im Plattentauscher/Verdampfer(5) durch das elektronische Regelventil (4) über eine Überhitzungsregelung für den Plattentauscher/ Verdampfer(5) auszuregeln.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckseite über den Rechner regelbar ist, indem: der Hochdruck durch Messung der Eintrittstemperatur und der Austrittstemperatur des Verflüssigungsmediums mittels der Temperaturfühler (10, 11 ) sowie durch den Heißgassensor(13) ermittelt und der Mengenbedarf der Rückkühlung mit diesen Parametern zur optimalen Konstanthaltung der Verflüssigung im Verflüssiger (2) bestimmbar ist.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1 ) ein Turboverdichter mit Magnetlagerung ohne Öl ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass Anlagenzustände, Istwerte und Sollwerte graphisch in einer Webvisualisierung realisiert sind.
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