WO2024074729A1 - Verfahren zur regelung des füllstandes eines ölabscheiders für einen kältekreislauf und assoziiertes system - Google Patents

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compressor
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Andreas Schmitt
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    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2105—Oil temperatures

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the fill level of an oil separator for a refrigeration circuit, comprising a controllable valve connected downstream of an outlet of the oil separator, through which oil is conducted into an oil collecting tank. It further relates to a system comprising an oil separator and an oil collecting tank connected downstream on the outlet side via a valve, as well as a refrigeration circuit with such a system.
  • a refrigeration cycle is a system that serves to cool a device to a desired level, for example a freezer for food.
  • a refrigerant that is moved in the closed circuit undergoes various changes in state one after the other:
  • the gaseous refrigerant is first compressed by a compressor.
  • it condenses while releasing heat.
  • the liquid refrigerant is then expanded due to the change in pressure via a throttle device, for example an expansion valve or a capillary tube.
  • a throttle device for example an expansion valve or a capillary tube.
  • the refrigerant evaporates while releasing heat. Heat absorption at low temperature (evaporative cooling).
  • the cycle can now start again. The process must be kept going from the outside by supplying mechanical work (drive power) via the compressor.
  • Oil is used as a lubricant in the compressor. Due to the design, some of the oil always ends up in the compressed coolant that is escaping.
  • An oil separator is therefore usually installed downstream of the compressor on the outlet side. This can be designed as an impact separator, for example, and in which the oil is removed from the coolant. The separated oil is not discarded, but is fed via a separate oil circuit into an oil collection tank and from there fed back into the compressor.
  • This separate oil circuit connects the outlet of the oil separator with the oil collection tank, i.e. a part of the refrigeration circuit downstream of the compressor and therefore under high pressure with the inlet area of the compressor, which is under low pressure. It cannot therefore remain permanently open, as this would otherwise result in a permanent loss of pressure and thus energy, and is therefore equipped with a controllable valve.
  • Known methods include either opening the valve as needed to record the oil separator's fill level, e.g. via optical detection or float, or simple time controls that open the valve for a specified time in a regular cycle.
  • measurements of the oil separator's fill level are susceptible to dirt and may be technically complex.
  • they are often not suitable for all temperatures in the oil collection tank. Time controls
  • they are often not appropriate for the needs and result in the valve being open for too long.
  • This object is achieved according to the invention in that, after opening the valve, a first temperature is measured in a line between the valve and the oil collecting container, a limit value is specified for at least one parameter characteristic of a change in the first temperature, and the valve is closed as soon as the parameter exceeds the specified limit value.
  • the invention is based on the idea that the oil separator can be emptied into the oil collection tank as required not only by opening the oil separator when it detects that the level is too high, but also by precisely controlling the opening time of the valve. To do this, the valve should be closed again at the exact time after opening when all the oil has been removed from the oil separator. In order to determine this point in time precisely, it should be determined precisely whether oil is still flowing through the valve or whether coolant is already flowing through the valve, i.e. the oil supply in the oil separator is exhausted. Since the coolant in the oil separator was usually compressed immediately beforehand, it is under high pressure and is in gaseous form. An isenthalpic change of state takes place in the valve between the oil separator and the oil collection tank.
  • the coolant is in gaseous form, while the oil is in the liquid phase, so that both Media behave differently under the isenthalpic change of state:
  • the expansion of the gaseous refrigerant leads to a reduction in temperature across the valve, whereas no such temperature change is to be expected with liquid oil.
  • the flow of oil or refrigerant can therefore be detected in the valve by this temperature characteristic.
  • a rate of change of the first temperature is used as a parameter.
  • the mathematical derivation of the temperature curve measured after the valve is determined and itself or a correspondingly derived value is used as a parameter for which a limit value is specified.
  • a particularly rapid reduction in temperature i.e. above the limit value
  • this indicates the change of medium in the valve from oil to coolant. This makes it possible to detect the change in medium in the valve with just one
  • a starting temperature is determined and a difference between the current temperature and the starting temperature is used as a parameter.
  • a starting temperature is determined. This can be fixed or determined dynamically at the time of opening.
  • the current temperature is then continuously measured while the medium is flowing through the valve and the difference to the starting temperature is used. formed. If the difference exceeds a certain value, the valve is closed again. Since the temperature decreases with increasing expansion of the coolant rather than the oil, the difference will be negative and "exceeding" here means exceeding a predetermined absolute value of the negative difference.
  • a compressor in the refrigeration circuit is supplied with oil from the oil collection tank by controlling the oil level in the compressor.
  • Control of the oil level is understood to mean a control system that uses the oil level in the compressor as a controlled variable and controls a valve in an area between the oil collection tank and the oil inlet of the compressor. If the oil level is too low, the valve is opened; if it is too high, it is closed. Targeted control of the flow rate is also possible, so that the oil lost from the compressor via the refrigerant outlet is continuously replaced.
  • a second temperature is also measured in an area upstream of the valve and the difference between the first and second temperatures is used as a characteristic.
  • the absolute temperature difference before and after the valve is therefore used as a characteristic.
  • a change in the medium in the valve is detected by an increase in this temperature difference and a corresponding limit value is specified for this.
  • combinations of the parameters mentioned can also be used, i.e. a determination of both the absolute temperature difference and the speed of the temperature change. This can potentially lead to an even more precise detection of the change in the medium in the valve.
  • the second temperature is measured in a line between the oil separator and the valve.
  • a suitable additional temperature measuring device can be arranged here, which records the temperature of the flowing medium before it is released in the valve.
  • a third temperature is measured in a Inlet area of the oil separator, and the third temperature is used to determine the parameter and/or the limit value. Knowing the temperature at the inlet of the oil separator as a reference temperature enables even more precise control of the fill level if it is included in the evaluation.
  • the opening of the valve is advantageously carried out cyclically. This means that the opening of the valve takes place at a predetermined regularity, e.g. once per predetermined period of time or at a certain opening frequency every X seconds/minutes. It can also take place after a certain time has elapsed after the valve has been closed in accordance with the methods described.
  • the cycle length i.e. the average interval between the opening processes, is advantageously determined as a function of the performance of a compressor. If the performance of the compressor in a refrigeration circuit increases because a higher cooling capacity is required, oil is also pumped into the oil separator at a higher rate. Adapting the opening frequency or frequency to the performance of the compressor in the sense that higher performance also means a higher opening frequency or frequency of the valve, therefore improves the efficiency of the process even further.
  • a system comprising an oil separator and an oil collection container connected downstream on the outlet side via a valve advantageously comprises a number of temperature measuring devices and a control device designed to carry out the method described above.
  • a refrigeration circuit comprising a compressor and a heat exchanger, wherein a refrigerant line connects the compressor on the output side to the heat exchanger, advantageously comprises such a system.
  • the advantages achieved with the invention are in particular that by determining the filling level of the oil separator based on the temperature change, an energy-efficient and technically simple emptying of the oil separator into the oil collection tank of a refrigeration circuit is achieved as needed.
  • the control of the filling level in the oil separator via the temperature of the outflowing medium does not require an adapter or sight glass and is not susceptible to contamination like previous systems with floats. It enables particularly simple adaptation to different load states of the refrigeration circuit and is technically particularly simple to implement and therefore less expensive.
  • FIG 1 a refrigeration circuit with oil separator and a temperature measuring device before and after the valve to the oil collecting tank
  • FIG 2 the refrigeration circuit as in FIG 1 with only one temperature measuring device after the valve
  • FIG 3 the refrigeration circuit as in FIG 1 with a temperature measuring device after the valve and at the inlet to the oil separator, and
  • FIG 4 A pressure-enthalpy diagram with two examples of isenthalpic expansion in the valve when the oil separator is empty and gas is expanded.
  • FIG 1 shows a schematic of a refrigeration circuit K.
  • the refrigeration circuit K is described below starting with a compressor 1.
  • the refrigerant compressed in the compressor 1 - in the exemplary embodiment carbon dioxide - is first fed into an oil separator 2.
  • the oil separator 2 is designed as an impact separator in the exemplary embodiment and separates oil which has been mixed with the refrigerant in the compressor 1 for operational reasons.
  • the oil separator 2 is connected to a heat exchanger 3, designed as a gas cooler in the exemplary embodiment, in which the compressed refrigerant is cooled and liquefied. From there it flows via a throttle element 4 into a heat exchanger 7 designed as an evaporator.
  • the refrigerant is expanded and absorbs heat so that the desired cooling effect is achieved.
  • the now gaseous refrigerant flows out of the latter heat exchanger 7.
  • the oil separator 2 is arranged as follows: An outlet for the separated oil is arranged at the bottom of the oil separator 2. This outlet is connected to an oil collecting tank 6 via a controllable valve 5, which in the exemplary embodiment is designed as a solenoid valve. The oil is fed back to the compressor 1 from the oil collecting tank 6, whereby this is done by regulating the oil level of the compressor 1.
  • the valve 5 In order to ensure that the process of draining the separated oil from the oil separator 2 does not cause an unnecessary loss of pressure in the cooling circuit K, the valve 5 should only be opened when necessary.
  • the aim here is that only separated oil flows through the valve 5 and not gas, which would be the case if the valve were open and the oil separator 2 was empty.
  • the fill level of the oil separator 2 is regulated by opening and closing the valve 5 as required as follows:
  • the valve 5 is opened in a time-controlled manner, regardless of the current filling level of the oil separator 2.
  • the valve 5 is intended to be opened regularly and cyclically after a predetermined period of time after the last closing. In embodiments, this period can be dynamically dependent on the performance of the compressor 1, ie the cycle length between two opening triggering processes is shortened if the performance of the compressor 1 is higher. However, it can also be set to a fixed value.
  • the essential feature of the control method presented here for the filling level of the oil separator 2 is the immediate closing of the valve 5 after the oil separated in the oil separator 2 has been completely removed. For this purpose, in all embodiments, it is detected which medium is flowing through the open valve 5 - as long as oil is still flowing, the valve 5 remains open, as soon as coolant is flowing, the valve 5 is immediately closed.
  • the coolant in the oil separator 2 is gaseous, while the oil is liquid.
  • an isenthalpic expansion of the medium takes place, so that the temperature change across the valve 5 can be used to determine whether the flowing medium is liquid or gaseous: If the oil separator 2 is empty and gas is expanded, the temperature drops. If oil is fed through the valve 5, it has approximately the same temperature after the valve 5 as before the valve 5. This can be recorded using suitable temperature measuring devices TI, T2, T3.
  • the temperature measuring devices TI, T2, T3 are connected to a control device (not shown) that controls the opening and closing of the Valve 5 using the data from
  • two temperature measuring devices TI, T2 are provided for this purpose. These are arranged in the supply lines before and after the valve 5, i.e. between the oil separator 2 and valve 5 (TI) and between valve 5 and oil collecting container 6 (T2).
  • the temperature measuring devices TI, T2 measure the temperature of the medium in the supply lines.
  • the temperature difference between the measured temperatures at both temperature measuring devices TI, T2 is used as a parameter.
  • a temperature difference is specified as a limit value. As soon as this limit value is exceeded, i.e. the temperatures deviate by more than the limit value, the valve 5 is closed again.
  • the temperature measuring device T2 it is intended to detect the sharp drop in temperature at the temperature measuring device T2 when the medium in valve 5 after the oil separator 2 has been emptied, the temperature changes from oil to coolant.
  • the derivative of the measured temperature value is continuously formed in the control device after the valve 5 is opened and used as a parameter.
  • a limit value is specified for the negative derivative. As soon as this limit value is exceeded, i.e. the temperature drops even faster than the limit value specifies, valve 5 is closed again.
  • a starting temperature is first determined.
  • a fixed value e.g. -20°C
  • the current temperature is then recorded on the temperature measuring device T2. If the temperature is higher, this recorded value becomes the starting temperature; otherwise the starting temperature remains at the example value of -20°C.
  • the difference between the starting temperature and the current temperature on the temperature measuring device T2 is then continuously determined. If the difference exceeds a predetermined limit, e.g. 4°C (i.e. the current temperature is less than the starting temperature minus the predetermined limit), the valve is closed again.
  • a predetermined limit e.g. 4°C
  • a higher-level time control in which a minimum and maximum opening time is specified, which is maintained regardless of the temperature behavior.
  • the control could be set so that the Valve 5 remains open for at least 10 seconds and a maximum of 60 seconds. Only within these limits will it be closed again prematurely due to the temperature control described.
  • FIG. 3 shows a further embodiment with two temperature measuring devices T2, T3.
  • the temperature measuring device T2 is arranged at the same location as the temperature measuring device T2 in FIG. 2.
  • the temperature measuring device T3, is arranged at the inlet to the oil separator 2 and ultimately measures the temperature of the medium flowing out of the compressor 1 (compressed refrigerant with an admixture of oil).
  • control is essentially applied as described for FIG. 2, i.e. via the derivation of the temperature value at the temperature measuring device T2 as a parameter.
  • the temperature value at the temperature measuring device T3 is included as a reference value, i.e. the parameter and/or the limit value are dynamically modified if necessary on the basis of this reference value.
  • FIG. 4 shows a pressure-enthalpy diagram of a typical refrigerant.
  • Two examples of isenthalpic expansion in valve 5 are shown as examples, from point 1' to 2' and from point 1 to 2. In both In some cases, significant temperature drops of 20 or 30 K are evident, which can be detected using the methods described above.
  • refrigeration circuits not shown in the picture which have several
  • compressor 1 offers additional advantages. This applies both to refrigeration circuits with separate sub-circuits and to simple refrigeration circuits that use several parallel compressors, e.g. due to the required output. These can have several or a single oil separator 2. In any case, the control described makes it possible to use only a single oil collection container 6, since the control of the emptying of the oil separator 2 and that of the refilling of the compressor 1 with oil are independent of each other.

Abstract

Ein Verfahren zur Regelung des Füllstandes eines Ölabscheiders (2) für einen Kältekreislauf (K), umfassend ein einem Auslass des Ölabscheiders (2) nachgeschaltetes steuerbares Ventil (5), soll einen möglichst geringen Druck- und Energieverlust ermöglichen, und dennoch wartungsarm und technisch in einfacher Weise umzusetzen sein. Dazu erfolgt nach einem Öffnen des Ventils (5) eine Messung einer ersten Temperatur in einem dem Ventil (5) nachgeschalteten Bereich, ein Grenzwert für zumindest eine für eine Änderung der ersten Temperatur charakteristischen Kenngröße wird vorgegeben, und ein Schließen des Ventils (5) erfolgt, sobald die Kenngröße den vorgegebenen Grenzwert übersteigt.

Description

VERFAHREN ZUR REGELUNG DES FÜLLSTANDES EINES ÖLABSCHEIDERS FÜR EINEN KÄLTEKREISLAUF UND ASSOZIIERTES SYSTEM
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Regelung des Füllstandes eines Ölabscheiders für einen Kältekreislauf , umfassend ein einem Auslass des Ölabscheiders nachgeschaltetes steuerbares Ventil , durch das Öl in einen Ölsammelbehälter geleitet wird . Sie betri f ft weiter ein System, umfassend einen Ölabscheider und einen austrittsseitig über ein Ventil nachgeschalteten Ölsammelbehälter, sowie einen Kältekreislauf mit einem solchen System .
Ein Kältekreislauf ist ein System, das dazu dient , eine Einrichtung auf ein gewünschtes Maß abzukühlen, beispielsweise eine Kühltruhe für Lebensmittel . Ein Kältemittel , das in dem geschlossenen Kreislauf bewegt wird, erfährt nacheinander verschiedene Aggregat zustandsänderungen : Das gas förmige Kältemittel wird zunächst durch einen Verdichter komprimiert . Im folgenden Wärmeüberträger kondensiert es unter Wärmeabgabe . Anschließend wird das flüssige Kältemittel aufgrund der Druckänderung über ein Drosselorgan, zum Beispiel ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr, entspannt . Im nachgeschalteten zweiten Wärmeüberträger (Verdampfer ) verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur ( Siedekühlung) . Der Kreislauf kann nun von vorne beginnen . Der Prozess muss von außen durch Zufuhr von mechanischer Arbeit (Antriebsleistung) über den Verdichter in Gang gehalten werden .
Im Verdichter wird Öl als Schmiermittel verwendet . Baubedingt gelangt dabei stets ein Teil des Öls in das austretende verdichtete Kältemittel . Ausgangsseitig ist dem Verdichter daher in der Regel ein Ölabscheider nachgeschaltet , der z . B . als Prallabscheider ausgebildet sein kann, und in dem das Öl wieder aus dem Kältemittel entfernt wird . Das abgeschiedene Öl wird dabei nicht verworfen, sondern über einen separaten Ölkreislauf in einen Ölsammelbehälter geleitet und dem Verdichter von dort wieder zugeführt .
Dieser separate Ölkreislauf verbindet dabei den Austritt des Ölabscheiders mit dem Ölsammelbehälter, d . h . einen dem Verdichter nachgeschalteten und daher unter hohem Druck stehenden Teil des Kältekreislaufes mit dem unter niedrigem Druck stehenden Eintrittsbereich des Verdichters . Er kann daher nicht dauerhaft geöf fnet bleiben, da damit sonst ein dauerhafter Druck- und damit Energieverlust einhergehen würde , und ist dementsprechend mit einem steuerbaren Ventil versehen .
Bekannt sind hierbei entweder bedarfsweise Öf fnungen des Ventils , die den Füllstand des Ölabscheiders erfassen, z . B . über optische Erfassung oder Schwimmer, oder einfache Zeitregelungen, die in einem regelmäßigen Zyklus das Ventil für eine vorgegebene Zeit öf fnen . Messungen des Füllstands des Ölabscheiders sind j edoch schmutzanfällig und ggf . technisch aufwändig . Zudem sind sie oft nicht für alle Temperaturen im Ölsammelbehälter geeignet . Zeitregelungen hingegen sind oft nicht bedarfsgerecht und führen zu einem zu langen Öf fnungs zeitraum des Ventils .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches einen möglichst geringen Druck- und Energieverlust ermöglicht , und dennoch wartungsarm und technisch in einfacher Weise umzusetzen ist .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst , indem nach einem Öf fnen des Ventils eine Messung einer ersten Temperatur in einer Leitung zwischen dem Ventil und dem Ölsammelbehälter erfolgt , ein Grenzwert für zumindest eine für eine Änderung der ersten Temperatur charakteristischen Kenngröße vorgegeben wird, und ein Schließen des Ventils erfolgt , sobald die Kenngröße den vorgegebenen Grenzwert übersteigt .
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus , dass eine bedarfsgerechte Entleerung des Ölabscheiders in den Ölsammelbehälter nicht nur durch ein bedarfsweises Öf fnen des Ölabscheiders bei Erkennen eines zu hohen Füllstandes erreicht werden kann, sondern auch dadurch, dass die Öf fnungsdauer des Ventils genau gesteuert wird . Hierzu sollte das Ventil nach dem Öf fnen zeitgenau dann wieder geschlossen werden, wenn das gesamte Öl aus dem Ölabscheider entfernt wurde . Um diesen Zeitpunkt präzise zu bestimmen, sollte präzise ermittelt werden, ob durch das Ventil noch Öl strömt , oder ob bereits Kältemittel durch das Ventil strömt , d . h . der Ölvorrat im Ölabscheider erschöpft ist . Da das Kältemittel im Ölabscheider in der Regel unmittelbar zuvor verdichtet wurde , steht es unter hohem Druck und ist gas förmig . Im Ventil zwischen Ölabscheider und Ölsammelbehälter erfolgt eine isenthalpe Zustandsänderung . Das Kältemittel ist gas förmig, während das Öl in flüssiger Phase vorliegt , so dass beide Medien s ich unter der isenthalpen Zustandsänderung anders verhalten : Die Entspannung des gas förmigen Kältemittels führt zu einer Temperaturabsenkung über das Ventil , während beim flüssigen Öl keine solche Temperaturveränderung zu erwarten ist . Das Strömen von Öl oder Kältemittel kann daher im Ventil durch diese Temperaturcharakteristik erkannt werden . Durch Vorgabe geeigneter für die Temperatur charakteristischer Kenngrößen und geeigneter Grenzwerte kann somit ein präzises Schließen des Ventils nach dem Öf fnen erreicht werden, welches genau dann erfolgt , wenn der gesamte Ölvorrat aus dem Ölabscheider in den Ölsammelbehälter überführt wurde .
In vortei lhafter Ausgestaltung wird dabei eine Änderungsrate der ersten Temperatur als Kenngröße verwendet . Mit anderen Worten : Die mathematische Ableitung des nach dem Ventil gemessenen Temperaturverlaufs wird ermittelt und selbst oder eine entsprechend abgeleitete Größe wird als Kenngröße verwendet , für die ein Grenzwert vorgegeben wird . Sobald eine besonders ( d . h . über dem Grenzwert liegende ) schnelle Absenkung der Temperatur erkannt wird, zeigt dies den Wechsel des Mediums im Ventil von Öl zu Kältemittel an . Dies ermöglicht es , die Mediumsveränderung im Ventil mit nur einer
Temperaturmessstelle zu ermitteln .
In einer technisch besonders einfach zu realisierenden Ausgestaltung wird eine Starttemperatur ermittelt , und eine Di f ferenz der aktuellen Temperatur zur Starttemperatur als Kenngröße verwendet . Mit anderen Worten : Beim Öf fnen des Ventils wird eine Starttemperatur ermittelt . Diese kann fest vorgegeben sein oder aber dynamisch zum Öf fnungs zeitpunkt bestimmt werden . Im Folgenden wird dann die aktuelle Temperatur während des Strömens des Mediums durch das Ventil kontinuierlich gemessen und die Di f ferenz zur Starttemperatur gebildet . Übersteigt die Di f ferenz einen bestimmten Wert , wird das Ventil wieder geschlossen . Da die Temperatur bei zunehmender Entspannung von Kältemittel statt Öl abnimmt , wird die Di f ferenz negativ sein und mit „Übersteigen" ist hiermit ein Überschreiten eines vorgegebenen Absolutbetrages der negativen Di f ferenz gemeint .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird ein Verdichter des Kältekreislaufs aus dem Ölsammelbehälter mittels einer Regelung des Öl füllstands im Verdichter mit Öl versorgt . Durch die Kombination einer oben beschriebenen Regelung mit einem separaten Ölsammelbehälter ist es möglich, sowohl die Entleerung des Ölabscheiders gezielt und bedarfsgerecht zu regeln, als auch den Öl füllstand des Verdichters unabhängig davon optimiert einzustellen . Unter einer Regelung des Öl füllstands wird eine Regelung verstanden, die sich am Öl füllstand im Verdichter als Regelgröße orientiert und ein Ventil in einem Bereich zwischen Ölsammelbehälter und Öleinlass des Verdichters steuert . I st der Öl füllstand zu niedrig, wird das Ventil geöf fnet , ist er zu hoch, wird er geschlossen . Auch eine gezielte Steuerung der Durchflussmenge ist möglich, so dass das aus den Verdichter über den Kältemittelaustritt verlorene Öl kontinuierlich ersetzt wird .
Ein erheblicher zusätzlicher Vorteil ergibt sich, wenn vorteilhafterweise eine Mehrzahl von Verdichtern des Kältekreislaufs aus dem gleichen Ölsammelbehälter mittels einer separaten Regelung des Öl füllstands im j eweiligen Verdichter mit Öl versorgt wird . Durch die Trennung der Öl füllstandsregelung im Verdichter von der Öl füllstandsregelung im Ölabscheider ermöglicht es , einen zentralen Ölsammelbehälter zu verwenden, dem der oder alle Ölabscheider des Kältekreislaufs mittels der oben beschriebenen Ventilregelung Öl zuführen . Gleichzeitig können aus dem zentralen Ölsammelbehälter alle Verdichter, seien sie nun im gleichen Kältekreislauf oder separaten Unterkreisläufen angeordnet , optimal mit Öl versorgt werden, in dem in j edem der Verdichter eine entsprechende Regelung des Öl füllstands - wie oben beschrieben - vorgesehen wird .
In zusätzlicher oder alternativer vorteilhafter Ausgestaltung erfolgt weiterhin eine Messung einer zweiten Temperatur in einem dem Ventil vorgeschalteten Bereich und die Di f ferenz der ersten und der zweiten Temperatur wird als Kenngröße verwendet . Es wird also die absolute Temperaturdi f ferenz vor und nach dem Ventil als Kenngröße verwendet . Eine Mediumsveränderung im Ventil wird in diesem Fall durch eine Vergrößerung dieses Temperaturunterschiedes erkannt und ein entsprechender Grenzwert hierfür wird vorgegeben .
Prinzipiell können auch Kombinationen der genannten Kenngrößen verwendet werden, d . h . eine Ermittlung sowohl der absoluten Temperaturdi f ferenz als auch der Geschwindigkeit der Temperaturveränderung . Hierdurch kann ggf . eine noch genauere Erkennung der Mediumsveränderung im Ventil erreicht werden .
Vorteilhafterweise erfolgt die Messung der zweiten Temperatur in einer Leitung zwischen dem Ölabscheider und dem Ventil erfolgt . Hier kann eine geeignete weitere Temperaturmesseinrichtung angeordnet werden, die die Temperatur des strömenden Mediums vor der Entspannung im Ventil erfasst .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung erfolgt weiterhin eine Messung einer dritten Temperatur in einem Eintrittsbereich des Ölabscheiders , und die dritte Temperatur wird bei der Festlegung der Kenngröße und/oder des Grenzwertes verwendet . Die Kenntnis der Temperatur am Eintritt des Ölabscheiders als Ref erenztemperatur ermöglicht eine noch exaktere Regelung des Füllstandes , wenn sie bei der Auswertung einbezogen wird .
In den beschriebenen Verfahren wird das Öf fnen des Ventils vorteilhafterweise zyklisch durchgeführt . Damit ist gemeint , dass das Öf fnen des Ventils in einer vorgegebenen Regelmäßigkeit erfolgt , z . B . einmal pro vorgegebenen Zeitraum oder in einer bestimmten Öf fnungs f requenz alle X Sekunden/Minuten . Auch kann nach es nach Ablauf einer bestimmten Zeit nach dem Schließen des Ventils gemäß den beschriebenen Verfahren erfolgen .
Die Zykluslänge , d . h . der durchschnittliche Abstand zwischen den Öf fnungsvorgängen wird dabei vorteilhafterweise in Abhängigkeit einer Leistung eines Verdichters bestimmt . Steigt nämlich die Leistung des Verdichters in einem Kältekreislauf , da eine höhere Kühlleistung verlangt wird, wird auch Öl in einer höheren Rate in den Ölabscheider gefördert . Eine Anpassung der Öf fnungs f requenz oder - häufigkeit an die Leistung des Verdichters in dem Sinne , dass bei höherer Leistung auch eine höhere Öf fnungs f requenz oder - häufigkeit des Ventils bedeutet , verbessert die Ef fi zienz des Verfahrens daher noch weiter .
Schließlich wird vorteilhafterweise in der beschriebenen Regelung übergeordnet eine Minimal- und/oder eine Maximal zeit für das Öf fnen des Ventils vorgegeben . Dies erhöht die Stabilität der Regelung . Ein System, umfassend einen Ölabscheider und einen austrittsseitig über ein Ventil nachgeschalteten Ölsammelbehälter, umfasst vorteilhafterweise eine Anzahl von Temperaturmesseinrichtungen und eine Steuereinrichtung, ausgebildet zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens .
Ein Kältekreislauf , umfassend einen Verdichter und einen Wärmeübertrager, wobei eine Kältemittelleitung den Verdichter ausgangsseitig mit dem Wärmeüberträger verbindet , umfasst vorteilhafterweise ein derartiges System .
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch temperaturveränderungsbasierte Ermittlung des Füll zustands des Ölabscheiders eine energieef fi ziente und technisch einfache bedarfsgerechte Entleerung des Ölabscheiders in den Ölsammelbehälter eines Kältekreislaufs erreicht wird . Die Regelung des Füllstandes im Ölabscheider über die Temperatur des ausströmenden Mediums kommt dabei ohne Adapter oder Schaugläser aus und ist nicht für Verschmutzung anfällig wie bisherige Systeme mit Schwimmern . Sie ermöglicht eine besonders einfache Anpassung an unterschiedliche Lastzustände des Kältekreislaufs und ist technisch besonders einfach umzusetzen und damit günstiger . Durch die Verwendung eines derartigen Systems in Kombination mit einem Ölsammelbehälter wird es ermöglicht , eine optimierte Entleerung des Ölabscheiders mit der bedarfsgerechten Ölversorgung auch mehrerer Verdichter aus einem gemeinsamen Ölsammelbehälter zu kombinieren .
Aus führungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert . Darin zeigen : FIG 1 einen Kältekreislauf mit Ölabscheider und j eweils einer Temperaturmesseinrichtung vor und nach dem Ventil zum Ölsammelbehälter,
FIG 2 den Kältekreislauf wie in FIG 1 mit nur einer Temperaturmesseinrichtung nach dem Ventil , und
FIG 3 den Kältekreislauf wie in FIG 1 mit j eweils einer Temperaturmesseinrichtung nach dem Ventil und am Eintritt in den Ölabscheider, und
FIG 4 Ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit zwei Beispielen zur isenthalpen Entspannung im Ventil , falls der Ölabscheider leer ist und Gas entspannt wird .
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugs zeichen versehen .
FIG 1 zeigt schematisch einen Kältekreislauf K . Der Kältekreislauf K wird im Folgenden ausgehend von einem Verdichter 1 beschrieben . Das im Verdichter 1 verdichtete Kältemittel - im Aus führungsbeispiel Kohlendioxid - wird zunächst in einen Ölabscheider 2 geführt . Der Ölabscheider 2 ist im Aus führungsbeispiel als Prallabscheider ausgebildet und scheidet Öl ab, welches dem Kältemittel im Verdichter 1 betriebsbedingt beigemischt wurde . Kältemittelseitig schließt sich an den Ölabscheider 2 ein im Aus führungsbeispiel als Gaskühler ausgebildeter Wärmeübertrager 3 an, in dem das verdichtete Kältemittel gekühlt und verflüssigt wird . Von dort strömt es über ein Drosselorgan 4 in einen als Verdampfer ausgebildeten Wärmeübertrager 7 . Hier wird das Kältemittel entspannt und nimmt Wärme auf , so dass die gewünschte Kühlwirkung erreicht wird . Aus dem letztgenannten Wärmeübertrager 7 strömt das nun wieder gas förmige
Kältemittel zurück in den Verdichter 1 , wird dort komprimiert und der Kreislauf beginnt von neuem . Bislang wurde nur die Anordnung des Ölabscheiders 2 hinsichtlich des Kältemittelkanals im Kältekreislauf K beschrieben . Hinsichtlich des Öl flusses ist der Ölabscheider 2 wie folgt angeordnet : Am Boden des Ölabscheiders 2 ist ein Auslass für das abgeschiedene Öl angeordnet . Dieser Auslass ist über ein im Aus führungsbeispiel als Magnetventil ausgebildetes steuerbares Ventil 5 mit einem Ölsammelbehälter 6 verbunden . Aus dem Ölsammelbehälter 6 wird das Öl wieder dem Verdichter 1 zugeführt , wobei dies über eine Regelung des Öl füllstands des Verdichters 1 erfolgt .
Die bis hier beschriebene Ausgestaltung des Kältekreislaufs K ist für alle Aus führungsbeispiele der FIG . 1 bis 3 gleich . Unterschiede ergeben sich lediglich in der Anordnung der Temperatursensoren TI , T2 , T3 . Dies bedeutet j edoch nicht , dass das im Folgenden beschriebene Verfahren zur Regelung des Füllstands des Ölabscheiders 2 nur auf derartige einfache Kältekreisläufe K anwendbar ist - diese dienen nur der Erläuterung . Das Verfahren ist auf beliebige Kältekreisläufe K anwendbar, die einen Ölabscheider 2 aufweisen .
Damit der Vorgang des Ablassens des abgeschiedenen Öls aus dem Ölabscheider 2 keinen unnötigen Druckverlust im Kühlkreislauf K verursacht , soll das Ventil 5 lediglich bedarfsweise geöf fnet werden . Ziel ist hierbei , dass lediglich abgeschiedenes Öl durch das Ventil 5 strömt und kein Gas , was bei of fenem Ventil und entleertem Ölabscheider 2 der Fall wäre . Hierzu wird der Füllstand des Ölabscheiders 2 über ein bedarfsgerechtes Öf fnen und Schließen des Ventils 5 wie folgt geregelt : Das Ventil 5 wird unabhängig vom aktuellen Füllstand des Ölabscheiders 2 zeitgesteuert geöffnet. Vorgesehen ist hierbei ein regelmäßiges Öffnen des Ventils 5 zyklisch nach einem vorgegebenen Zeitraum nach dem letzten Schließen. Dieser Zeitraum kann in Ausführungsbeispielen dynamisch abhängig sein von der Leistung des Verdichters 1, d.h. bei höherer Leistung des Verdichters 1 wird die Zykluslänge zwischen zwei Öffnungsauslösevorgängen verkürzt. Er kann jedoch auch fest eingestellt sein.
Wesentlich für die hier vorgestellten Regelungsverfahren für den Füllstand des Ölabscheiders 2 ist das unmittelbare Schließen des Ventils 5, nachdem das im Ölabscheider 2 abgeschiedene Öl vollständig entfernt wurde. Hierzu wird in allen Ausführungsbeispielen detektiert, welches Medium durch das geöffnete Ventil 5 strömt - solange noch Öl strömt, bleibt das Ventil 5 geöffnet, sobald Kältemittel strömt, wird das Ventil 5 sofort geschlossen.
Zur Detektion des strömendem Mediums im Ventil 5 wird ausgenutzt, dass das Kältemittel im Ölabscheider 2 gasförmig ist, während das Öl flüssig ist. Im Ventil 5 findet eine isenthalpe Entspannung des Mediums statt, so dass anhand der Temperaturveränderung über das Ventil 5 festgestellt werden kann, ob das strömende Medium flüssig oder gasförmig ist: Falls der Ölabscheider 2 leer ist und Gas entspannt wird, sinkt die Temperatur. Wenn Öl über das Ventil 5 geführt wird, hat es nach dem Ventil 5 ungefähr die Temperatur von vor dem Ventil 5. Dies kann mit geeigneten Temperaturmesseinrichtungen TI, T2, T3 erfasst werden. Die Temperaturmesseinrichtungen TI, T2, T3 sind in allen Ausführungsbeispielen mit einer nicht dargestellten Steuereinrichtung verbunden, die das Öffnen und Schließen des Ventils 5 unter Nutzung der Daten der
Temperaturmesseinrichtungen TI, T2, T3 mit entsprechender
Hard- und Software steuert.
Im Ausführungsbeispiel der FIG. 1 sind hierzu zwei Temperaturmesseinrichtungen TI, T2 vorgesehen. Diese sind in den Zuleitungen vor und hinter dem Ventil 5 angeordnet, d.h. zwischen Ölabscheider 2 und Ventil 5 (TI) sowie zwischen Ventil 5 und Ölsammelbehälter 6 (T2) . Die Temperaturmesseinrichtungen TI, T2 messen die Temperatur des Mediums in den Zuleitungen.
Wie oben erläutert ergibt sich bei einem gasförmigen strömenden Medium im Ventil 5 ein Temperaturabfall über das Ventil 5. Daher wird im Verfahren des Ausführungsbeispiel der FIG. 2 die Temperaturdifferenz zwischen den gemessenen Temperaturen an beiden Temperaturmesseinrichtungen TI, T2 als Kenngröße verwendet. Es wird ein Temperaturunterschied als Grenzwert vorgegeben. Sobald dieser Grenzwert überschritten wird, die Temperaturen also um mehr als den Grenzwert abweichen, wird das Ventil 5 wieder geschlossen.
Im Ausführungsbeispiel der FIG. 2 hingegen ist im Unterschied zur FIG. 1 nur eine Temperaturmesseinrichtung T2 vorgesehen. Diese ist zwischen Ventil 5 und Ölsammelbehälter 6 angeordnet und misst die Temperatur des strömendem Mediums unmittelbar nach dem Ventil 5. In der Steuereinrichtung liegt also nur ein einziger Temperaturwert vor; es kann keine Differenz gebildet werden.
Stattdessen ist im Ausführungsbeispiel der FIG. 2 vorgesehen, den starken Abfall der Temperatur an der Temperaturmesseinrichtung T2 zu detektieren, wenn das Medium im Ventil 5 nach dem Entleeren des Ölabscheiders 2 von Öl zu Kältemittel wechselt. Hierzu wird in der Steuereinrichtung nach dem Öffnen des Ventils 5 kontinuierlich die Ableitung des gemessenen Temperaturwertes gebildet und als Kenngröße verwendet. Es ist ein Grenzwert für die negative Ableitung vorgegeben. Sobald dieser Grenzwert überschritten wird, die Absenkung der Temperatur also noch schneller erfolgt, als der Grenzwert vorgibt, wird das Ventil 5 wieder geschlossen.
Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel, das strukturell gleiche Vorrichtungen wie in FIG. 2 erfordert, wird im Folgenden erläutert. Lediglich die Art der Regelung ist zum vorangehenden in Bezug auf FIG. 2 erläuterten Beispiel unterschiedlich. In diesem Ausführungsbeispiel wird beim Öffnen des Ventils 5 zunächst eine Starttemperatur bestimmt. Hierzu wird zunächst ein fixer Wert, z.B. -20°C vorgegeben. Sodann wird die aktuelle Temperatur an der Temperaturmesseinrichtung T2 erfasst. Ist die Temperatur höher, wird dieser erfasste Wert zur Starttemperatur, ansonsten verbleibt die Starttemperatur bei dem genannten Beispielwert von -20°C. Sodann wird kontinuierlich die Differenz zwischen der Starttemperatur und der aktuellen Temperatur an der Temperaturmesseinrichtung T2 ermittelt. Übersteigt deren Betrag einen vorgegebenen Grenzwert, beispielsweise 4°C (d.h. die aktuelle Temperatur ist kleiner als die Starttemperatur minus der vorgegebene Grenzwert) , wird das Ventil wieder geschlossen.
Optional ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel noch eine übergeordnete Zeitregelung vorgesehen, bei der eine Mindest- und Maximalöf fnungsdauer vorgegeben sind, die unabhängig vom Verhalten der Temperatur eingehalten werden. So könnte die Regelung z.B. so eingestellt sein, dass das Ventil 5 mindestens z.B. 10 Sekunden und maximal z.B. 60 Sekunden geöffnet bleibt. Nur innerhalb dieser Grenzen wird es aufgrund der beschriebenen Temperaturregelung wieder vorzeitig geschlossen.
FIG. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei Temperaturmesseinrichtungen T2, T3. Die Temperaturmesseinrichtung T2 ist am gleichen Ort wie die Temperaturmesseinrichtung T2 in der FIG. 2 angeordnet. Die Temperaturmesseinrichtung T3 hingegen ist am Eintritt in den Ölabscheider 2 angeordnet und misst letztlich die Temperatur des aus dem Verdichter 1 strömenden Mediums (verdichtetes Kältemittel mit Beimischung von Öl) .
Im Ausführungsbeispiel der FIG. 3 wird im Wesentlichen die Regelung wie zu FIG. 2 beschrieben angewendet, d.h. über die Ableitung des Temperaturwertes an der Temperaturmesseinrichtung T2 als Kenngröße. Hierbei wird jedoch der Temperaturwert an der Temperaturmesseinrichtung T3 als Referenzwert mit einbezogen, d.h. die Kenngröße und/oder der Grenzwert werden ggf. auf Basis dieses Referenzwerts dynamisch modifiziert.
Generell sind auch Mischformen möglich, d.h. kombinierte Kenngrößen und Grenzwerte aus den zu den FIG. 1 bis 3 beschriebenen Größen und Werten. Wesentlich ist es, möglichst schnell den Wechsel des strömenden Mediums durch das Ventil von flüssigem Öl zu gasförmigem Kältemittel zu detektieren. Dies geschieht über die Abkühlung bei isenthalper Entspannung im Ventil 5, wie in FIG. 4 gezeigt. FIG. 4 zeigt ein Druck- Enthalpie-Diagramm eines typischen Kältemittels. Beispielhaft sind zwei Beispiele einer isenthalpen Entspannung im Ventil 5 gezeigt, von Punkt 1' zu 2' und von Punkt 1 zu 2. In beiden Fällen sind deutliche Temperaturrückgänge um 20 bzw . 30 K erkennbar, die mit den oben beschriebenen Verfahren erkannt werden . In nicht bildlich dargestellten Kältekreisläufen, die mehrere
Verdichter 1 aufweisen, bietet das beschriebene System zusätzliche Vorteile . Dies gilt sowohl für Kältekreisläufe mit separaten Unterkreisläufen, als auch einfache Kältekreisläufe , die mehrere parallele Verdichter, z . B . aufgrund der benötigten Leistung verwenden . Diese können mehrere oder einen einzelnen Ölabscheider 2 aufweisen . In j edem Fall ist es durch die beschriebene Regelung möglich, nur einen einzelnen Ölsammelbehälter 6 zu verwenden, da die Regelung der Entleerung des Ölabscheiders 2 und die der Wiederbefüllung der Verdichter 1 mit Öl unabhängig voneinander sind .
Bezugszeichenliste
1 Verdichter 2 Ölabscheider
3 Wärmeübertrager
4 Drosselorgan
5 Ventil
6 Ölsammelbehälter 7 Wärmeübertrager
K Kältekreislauf
TI Temperaturmesseinrichtung
T2 Temperaturmesseinrichtung
T3 Temperaturmesseinrichtung

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Regelung des Füllstandes eines Ölabscheiders (2) für einen Kältekreislauf (K) , umfassend ein einem Auslass des Ölabscheiders (2) nachgeschaltetes steuerbares Ventil (5) , durch das Öl in einen Ölsammelbehälter (6) geleitet wird, wobei nach einem Öffnen des Ventils (5) eine Messung einer ersten Temperatur in einer Leitung zwischen dem Ventil (5) und dem Ölsammelbehälter (6) erfolgt, ein Grenzwert für zumindest eine für eine Änderung der ersten Temperatur charakteristischen Kenngröße vorgegeben wird, und ein Schließen des Ventils (5) erfolgt, sobald die Kenngröße den vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Änderungsrate der ersten Temperatur als Kenngröße verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Starttemperatur ermittelt wird, und eine Differenz der aktuellen Temperatur zur Starttemperatur als Kenngröße verwendet wird . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Verdichter (1) des Kältekreislaufs (K) aus dem Ölsammelbehälter (6) mittels einer Regelung des Ölfüllstands im Verdichter (1) mit Öl versorgt wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem eine Mehrzahl von Verdichtern (1) des Kältekreislaufs (K) aus dem gleichen Ölsammelbehälter (6) mittels einer separaten Regelung des Ölfüllstands im jeweiligen Verdichter (1) mit Öl versorgt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem weiterhin eine Messung einer zweiten Temperatur in einem dem Ventil (5) vorgeschalteten Bereich erfolgt und die Differenz der ersten und der zweiten Temperatur als Kenngröße verwendet wird.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem bei dem die Messung der zweiten Temperatur in einer Leitung zwischen dem Ölabscheider (2) und dem Ventil (5) erfolgt .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem weiterhin eine Messung einer dritten Temperatur in einem Eintrittsbereich des Ölabscheiders (2) erfolgt, und die dritte Temperatur bei der Festlegung der Kenngröße und/oder des Grenzwertes verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Öffnen des Ventils (5) zyklisch durchgeführt wird .
10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Zykluslänge in Abhängigkeit einer Leistung eines Verdichters (1) bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem übergeordnet eine Minimal- und/oder eine Maximalzeit für das Öffnen des Ventils vorgegeben wird. System, umfassend einen Ölabscheider (2) und einen austrittsseitig über ein Ventil (5) nachgeschalteten Ölsammelbehälter (6) , weiter umfassend eine Anzahl von Temperaturmesseinrichtungen (TI, T2, T3) und eine Steuereinrichtung, ausgebildet zum Durchführen des
Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Kältekreislauf (K) , umfassend einen Verdichter (1) und einen Wärmeüberträger (3) , wobei eine Kältemittelleitung den Verdichter (1) ausgangsseitig mit dem Wärmeüberträger (3) verbindet, weiter umfassend ein System nach dem vorhergehenden Anspruch.
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