WO2024110022A1 - Verfahren zum überwachen einer verschmutzung eines wärmeübertragers einer wärmepumpe - Google Patents

Verfahren zum überwachen einer verschmutzung eines wärmeübertragers einer wärmepumpe Download PDF

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heat exchanger
conveying device
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contamination
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Andreas Maigler
Florian Deschler
Joachim Lyszus
Thomas Herbert
Matthew Schwind
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Diehl Ako Stiftung & Co. Kg
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Definitions

  • the present invention relates to a method for monitoring contamination of a heat exchanger of a heat pump and also to a heat pump that can carry out such a method.
  • the heat exchanger For effective heat exchange between a working medium of a heat pump and a useful medium of a thermal object (cooling object or heating object) in a heat exchanger of the heat pump, the heat exchanger should be as free of dirt (e.g. foreign matter, dust, etc.) as possible. As the heat exchanger becomes increasingly contaminated, the effective heat exchange and thus the efficiency of the heat pump decrease, which is why the heat pump has to absorb more electrical energy to achieve the same cooling or heating result. By regularly cleaning the heat exchanger, the heat pump can be operated in an energy-efficient manner. In practice, however, the user only very rarely visually inspects the heat exchanger and then cleans it if necessary, which is why conventional heat pumps can operate for very long periods with a dirty heat exchanger, which has a negative impact on energy consumption and the corresponding electricity costs.
  • dirt e.g. foreign matter, dust, etc.
  • the heat pump has a working fluid circuit with a conveying device for conveying of a working medium through the working medium circuit, a drive device for driving the conveying device and at least one heat exchanger in which the working medium is in heat exchange with a useful medium of a useful medium circuit for a thermal object (cooling object or heating object).
  • the automatic monitoring method contains the steps of recording a plurality of parameter data which contain an energy consumption of the conveying device of the working medium circuit, a working medium temperature and/or a working medium pressure in the working medium circuit upstream and/or downstream of the at least one heat exchanger and a useful medium temperature and/or a useful medium pressure in the useful medium circuit upstream and/or downstream of the respective heat exchanger; determining the efficiency of the at least one heat exchanger based on the recorded parameter data; and assessing the degree of contamination of the at least one heat exchanger based on the determined efficiency and the recorded parameter data.
  • This automatic monitoring process of the heat pump can be used to effectively and reliably (in a timely and correct manner) detect contamination of at least one heat exchanger of the heat pump without any additional effort on the part of the user (e.g. without visual inspections).
  • the user and/or a device can then react to contamination of the at least one heat exchanger detected by this automatic process with appropriate cleaning in order to quickly restore effective heat exchange between the working medium of the heat pump and the useful medium of the respective thermal object (cooling object or heating object), which can also prevent or at least temporarily offset an increase in the energy consumption of the heat pump and the corresponding electricity costs.
  • the heat pump can be used as a refrigeration system or as a heating system, for example.
  • the method further comprises processing the recorded parameter data to generate additional indication data (eg correlation values and/or amplitudes) of the energy consumption of the conveying device. Carrying out the determination of the efficiency based on the recorded parameter data and the additional indication data created and carrying out the assessment of the degree of contamination based on the determined efficiency and the recorded parameter data and/or the additional indication data created then lead even more reliably to correct determinations and assessments.
  • this automatic method further includes outputting (eg optically, acoustically and/or digitally) a message to a user indicating contamination of the at least one heat exchanger if the assessed degree of contamination exceeds a predetermined limit.
  • this automatic method can further include initiating an activity for automatic cleaning if the assessed degree of contamination exceeds a predetermined limit.
  • the determination of efficiency and the assessment of the degree of contamination are carried out by a computer-aided method which is set by a user and/or by artificial intelligence.
  • the temperature and/or pressure of the working fluid can be recorded as parameter data. Since the working fluid circuit is generally a closed system and the pressure of the working fluid is related to the working fluid temperature, the temperature and/or pressure of the working fluid can also be recorded as parameter data. Since the energy consumption of the working fluid conveying device is influenced by the refrigerant pressure and the refrigerant temperature, the parameter data of the energy consumption of the conveying device of the working fluid circuit can preferably be recorded by retrieving the electrical energy required to drive the conveying device (e.g. from a corresponding control of the drive device of the conveying device) and/or recording a temperature or pressure of the working fluid upstream of the conveying device. In addition, the parameter data of the energy consumption of the conveying device of the working fluid circuit are preferably recorded as temporal progressions of the parameter data.
  • a heat pump contains a working medium circuit, which has a conveying device for conveying a working medium through the working medium circuit, a drive device for driving the conveying device and at least one heat exchanger in which the working medium is in heat exchange with a useful medium of a useful medium circuit for a thermal object (cooling object or heating object); several sensors for detecting parameter data, which contain: a first sensor for detecting an energy consumption of the conveying device of the Working medium circuit, at least one second sensor for detecting a working medium temperature and/or a working medium pressure in the working medium circuit upstream and/or downstream of the at least one heat exchanger and at least one third sensor for detecting a useful medium temperature and/or a useful medium pressure in the useful medium circuit upstream and/or downstream of the respective heat exchanger; and an evaluation unit which is connected to the plurality of sensors and is configured to carry out the automatic method according to the invention for monitoring contamination of the at least one heat exchanger.
  • the first sensor for detecting the energy consumption of the conveying device of the working medium circuit can, for example, have a control unit for operating the drive device of the conveying device, from which the electrical energy required to drive the conveying device can be called up, and/or a circuit sensor for detecting a temperature or a pressure of the working medium upstream of the conveying device.
  • the heat pump preferably also has an output element that is connected to the evaluation unit and is configured to output an indication of contamination of the at least one heat exchanger (e.g. optically, acoustically and/or digitally).
  • the heat pump can also have a device for automatic cleaning that can be activated automatically.
  • the evaluation unit contains a computer-aided method that is configured to determine the efficiency and the corresponding degree of contamination of the at least one heat exchanger based on the recorded parameter data and the additional information data created.
  • This computer-aided method can be set by a user and/or by artificial intelligence itself.
  • the evaluation unit for carrying out the contamination monitoring of the at least one heat exchanger and a control unit for controlling the drive device for the conveying device can preferably be integrated in a common control system.
  • the invention also relates to an electronic device (for example as a household appliance, commercial device or vehicle device) which has a heat pump according to the invention as described above and at least one thermal object (cooling object or heating object) whose working medium circuit is in heat exchange with the working medium circuit in the at least one heat exchanger of the heat pump.
  • the electronic device can be, for example, a laundry treatment device, a refrigerator and/or freezer, an oven, a dishwasher, an air conditioning system or the like.
  • Fig. 1 shows the basic structure of an embodiment of a heat pump according to the invention.
  • Fig. 2 is a flow chart of an embodiment of a method for monitoring contamination of a heat exchanger of the heat pump according to the invention.
  • a heat pump according to the invention is explained by way of example in the form of a refrigeration system for a cooling object.
  • this heat pump can also be used as a heating system for a heating object.
  • the thermal object can be, for example, an aggregate of a household appliance, for example a laundry treatment device, a refrigerator and/or freezer, an oven, a dishwasher, an air conditioning system, etc.
  • the heat pump 10 has a working fluid circuit 12 for a working fluid (e.g.
  • Refrigerant R134a which has a working medium conveying device 14 in the form of a compressor or compressor, a high-pressure side Heat exchanger 16 in the form of a condenser or condenser, an expansion element 17 in the form of an expansion valve or a throttle and a low-pressure side heat exchanger 18 in the form of an evaporator.
  • the gaseous working medium is first compressed in the compressor 14 and then liquefied in the condenser 16 while releasing heat, for example to the environment.
  • the liquefied working medium is then expanded by the expansion valve 17.
  • the working medium evaporates while absorbing heat at a low temperature, and is then compressed again in the compressor 14.
  • the working medium circuit 12 is in heat exchange with a utility medium circuit 32 of a cooling object 30 in the form of, for example, a cooling room.
  • the utility medium circuit 32 in the area of the evaporator 18 contains at least one utility medium conveyor 34a, 34b upstream or downstream of the evaporator 18 for conveying the utility medium (e.g. cold air flow) through the evaporator, and preferably also at least one temperature sensor 36a, 36b upstream or downstream of the evaporator.
  • the heat pump 10 further contains a control unit 20a for regulating the operation of the components 14, 16, 17, 18 of the working medium circuit 12 and preferably also of the at least one useful medium conveyor 34a, 34b of the useful medium circuit 32.
  • the control unit 20a is connected, for example, to several circuit sensors 23, 24, 27, 28 for detecting the temperature and/or pressure of the working medium at different points of the working medium circuit 12 and also to the at least one temperature sensor 36a, 36b of the useful medium circuit 32 for detecting the temperature of the useful medium (in each case wirelessly or wired).
  • the control unit 20a controls in particular a drive device 22 for operating the compressor 14 in order to regulate the cooling capacity of the working medium circuit 12 in order to meet the cooling requirement of the cooling object 30.
  • the heat pump 10 also contains an evaluation unit 20b for monitoring contamination of the evaporator 18.
  • This evaluation unit 20b is connected to several sensors for recording parameter data: (a) a first sensor for recording energy consumption (current and/or voltage) of the compressor 14 of the working fluid circuit 12, which is used by the control unit 20a to retrieve the required electrical energy to drive the Compressor 14 and/or the circuit sensor 23 at the compressor 14 for detecting the temperature or the pressure of the working medium upstream of the compressor 14, (b) a second sensor system for detecting the working medium temperature and/or the working medium pressure in the working medium circuit 12 upstream of the evaporator 18, which is formed by the circuit sensor 24 at the expansion element 17 for detecting the temperature or the pressure of the working medium upstream of the evaporator 18, and (c) a third sensor system for detecting the useful medium temperature and/or the useful medium pressure in the useful medium circuit 32, which is formed by the temperature sensor 36a upstream of the evaporator 18 and/or the temperature sensor 36b downstream of the evapor
  • the evaluation unit 20b is preferably also connected to an output element 26, with which an indication of an assessed level of contamination of the evaporator 18 can be issued.
  • the indication can be issued to the user of the heat pump 10, for example, visually and/or acoustically.
  • the indication can also be issued digitally, i.e., for example, wirelessly or via a network to a user device (e.g., mobile phone).
  • the evaluation unit 20b can alternatively or additionally be connected to a device (not shown) for automatic cleaning, the activity of which can be controlled/executed automatically.
  • the evaluation unit 20b preferably contains a computer-assisted method 25 for determining the efficiency of the evaporator 18 and for assessing the corresponding degree of contamination of the evaporator 18, wherein this computer-assisted method 25 can be set by a user and/or even by artificial intelligence.
  • control unit 20a for the drive device 22 of the conveyor device 14 and the evaluation unit 20b for evaluating the recorded parameter data are preferably integrated in a common controller 20.
  • control unit 20a and the evaluation unit 20b can also be contained in separate controllers, wherein the separate controllers are then preferably connected to one another.
  • a cooling object 30 for cooling the useful medium by the working medium is coupled to the evaporator 18 of the working medium circuit 12.
  • a heating object 31 for heating the useful medium by the working medium can be coupled to the condenser 16 of the working medium circuit 12.
  • a first step S110 several parameter data of the heat pump 10 are recorded.
  • the energy consumption of the compressor 14 of the working medium circuit 12 is recorded by the first sensor
  • the working medium temperature and/or the working medium pressure in the working medium circuit 12 upstream of the evaporator 18 is recorded by the second sensor
  • the useful medium temperature and/or the useful medium pressure in the useful medium circuit 32 is recorded by the third sensor.
  • the recorded parameter data are then received by the evaluation unit 20b.
  • at least the parameter data of the energy consumption of the compressor 14 are recorded as temporal progressions of the parameter data, whereby the further steps can be carried out more efficiently.
  • step S112 which supports a better evaluation and is therefore preferably present, additional reference data on the energy consumption of the compressor 14 is generated from the recorded parameter data.
  • this processing of the recorded parameter data includes, for example, calculating a linear relationship between the energy signals from two consecutive data coils. For example, the correlation, the correlation coefficient and the covariance of the individual energy consumption data are calculated with respect to one another.
  • the energy consumption signal can be Fourier transformed in order to determine the maximum amplitude.
  • a third step S114 the efficiency of the evaporator 18 is then determined by the computer-aided method 25 of the evaluation unit 20b based on the recorded parameter data and the additional information data created. Due to the additional reference data, this determination is even more reliable than based only on the recorded parameter data.
  • a change in the energy consumption of the compressor 14 is not necessarily seen as a change in the heat exchange efficiency of the evaporator 18 if, for example, the temperature of the working medium upstream of the evaporator has changed.
  • the heat exchange efficiency of the evaporator 18 is thus determined based on the energy consumption data, in particular taking into account the additional information provided, in combination with the other parameter data relating to the temperatures or pressures of the working medium and/or the working medium upstream of the evaporator 18.
  • a fourth step S116 the degree of contamination of the evaporator is then determined by the computer-aided method 25 of the evaluation unit 20b based on the determined heat exchange efficiency in combination with the recorded parameter data and the additional information data created.
  • the data relating to the heat exchange efficiency are marked according to the degree of contamination, so that the appropriately trained (by the user or manufacturer or even by artificial intelligence) computer-aided method can also determine the degree of contamination based on the determined efficiency. If the degree of contamination exceeds a predetermined limit, this is then assessed as contamination of the evaporator 18.
  • the monitoring method 100 is continued from the first step S110.
  • a corresponding indication indicating the contamination of the evaporator 18 is output via the output element 26 (e.g. optically, acoustically and/or digitally) in a fifth step S118.

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Abstract

Um in einem Wärmeübertrager (16, 18) einer Wärmepumpe (10) einen effektiven Wärmeaustausch zwischen einem Arbeitsmittel der Wärmepumpe (10) und einem Nutzmittel eines thermischen Objekts (30, 31) zu gewährleisten, wird ein automatisches Verfahren zum Überwachen einer Verschmutzung des Wärmeübertragers (16, 18) vorgeschlagen, welches ein Erfassen von mehreren Parameterdaten und ein Ermitteln der Effizienz des Wärmeübertragers basierend auf den erfassten Parameterdaten und ein Beurteilen des Verschmutzungsgrades des Wärmeübertragers (16, 18) basierend auf der ermittelten Effizienz und den erfassten Parameterdaten aufweist. Falls der auf diese Weise beurteilte Verschmutzungsgrad einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, wird zum Beispiel ein entsprechender Hinweis an einen Benutzer ausgegeben, um den Benutzer anzuregen, den Wärmeübertrager zu reinigen.

Description

Verfahren zum Überwachen einer Verschmutzung eines Wärmeübertragers einer Wärmepumpe
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Verschmutzung eines Wärmeübertragers einer Wärmepumpe und auch eine Wärmepumpe, die ein solches Verfahren ausführen kann.
Für einen effektiven Wärmeaustausch zwischen einem Arbeitsmittel einer Wärmepumpe und einem Nutzmittel eines thermischen Objekts (Kühlobjekt oder Heizobjekt) in einem Wärmeübertrager der Wärmepumpe sollte dieser möglichst frei von Schmutz (z.B. Fremdstoffen, Staub, etc.) sein. Bei zunehmender Kontamination des Wärmeübertragers sinkt der effektive Wärmeaustausch und damit auch die Effizienz der Wärmepumpe, weshalb die Wärmepumpe mehr elektrische Energie aufnehmen muss, um dasselbe Kühl- bzw. Heizergebnis erzielen zu können. Durch eine regelmäßige Reinigung des Wärmeübertragers kann die Wärmepumpe energieeffizient betrieben werden. In der Praxis wird der Wärmeübertrager vom Benutzer jedoch nur sehr selten einer Sichtprüfung unterzogen und dann gegebenenfalls gereinigt, weshalb bei herkömmlichen Wärmepumpen sehr lange Betriebszeiten mit verschmutztem Wärmeübertrager entstehen können, was sich negativ auf den Energieverbrauch und die entsprechenden Stromkosten auswirkt.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine effektive und zuverlässige Maßnahme zum effektiven Wärmeaustausch zwischen einem Arbeitsmittel einer Wärmepumpe und einem Nutzmittel eines thermischen Objekts (Kühlobjekt oder Heizobjekt) in einem möglichst schmutzfreien Wärmeübertrager der Wärmepumpe zu schaffen
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Erfindungsgegenstand, der im unabhängigen Anspruch 1 definiert ist. Einige vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie Realisierungen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der Erfindung wird ein automatisches Verfahren zum Überwachen einer Verschmutzung eines Wärmeübertragers einer Wärmepumpe vorgeschlagen. Die Wärmepumpe hat einen Arbeitsmittelkreislauf mit einer Fördervorrichtung zum Fördern eines Arbeitsmittels durch den Arbeitsmittelkreislauf, eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Fördervorrichtung und wenigstens einen Wärmeübertrager, in dem das Arbeitsmittel mit einem Nutzmittel eines Nutzmittelkreislaufs für ein thermisches Objekt (Kühlobjekt oder Heizobjekt) in Wärmeaustausch steht. Das automatische Überwa- chungsverfahren enthält die Schritte des Erfassens von mehreren Parameterdaten, die eine Energieaufnahme der Fördervorrichtung des Arbeitsmittelkreislaufs, eine Arbeitsmitteltemperatur und/oder einen Arbeitsmitteldruck im Arbeitsmittelkreislauf stromauf und/ oder stromab des wenigstens einen Wärmeübertragers und eine Nutzmitteltemperatur und/oder einen Nutzmitteldruck im Nutzmittelkreislauf stromauf und/oder stromab des jeweiligen Wärmeübertragers enthalten; des Ermittelns der Effizienz des wenigstens einen Wärmeübertragers basierend auf den erfassten Parameterdaten; und des Beurteilens des Verschmutzungsgrades des wenigstens einen Wärmeübertragers basierend auf der ermittelten Effizienz und den erfassten Parameterdaten.
Durch dieses automatische Überwachungsverfahren der Wärmepumpe kann ohne zusätzlichen Aufwand des Benutzers (ohne z.B. Sichtprüfungen) effektiv und zuverlässig (zeitnah und korrekt) eine Verschmutzung des wenigstens einen Wärmeübertragers der Wärmepumpe festgestellt werden. Auf eine durch dieses automatische Verfahren erfasste Verschmutzung des wenigstens einen Wärmeübertragers können der Benutzer und/ oder eine Vorrichtung dann kurzfristig mit einer entsprechenden Reinigung reagieren, um schnell wieder einen effektiven Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmittel der Wärmepumpe und dem Nutzmittel des jeweiligen thermischen Objekts (Kühlobjekt oder Heizobjekt) beizubehalten, wodurch auch eine Erhöhung des Energieverbrauchs der Wärmepumpe und der entsprechenden Stromkosten vermieden oder zumindest kurzfristig aufgehoben werden kann. Die Wärmepumpe ist je nach Anwendung zum Beispiel als eine Kälteanlage oder als eine Heizanlage einsetzbar.
Vorzugsweise weist das Verfahren ferner ein Verarbeiten der erfassten Parameterdaten zum Erzeugen von zusätzlichen Hinweisdaten (z.B. Korrelationswerte und/oder Amplituden) der Energieaufnahme der Fördervorrichtung auf. Das Durchführen des Ermittelns der Effizienz basierend auf den erfassten Parameterdaten und den erstellten zusätzlichen Hinweisdaten und das Durchführen des Beurteilens des Verschmutzungsgrades basierend auf der ermittelten Effizienz und den erfassten Parameterdaten und/oder den erstellten zusätzlichen Hinweisdaten führen dann noch zuverlässiger zu korrekten Ermittlungen und Beurteilungen. Vorzugsweise enthält dieses automatische Verfahren ferner ein Ausgeben (z.B. optisch, akustisch und/oder digital) eines Hinweises an einen Benutzer, der eine Verschmutzung des wenigstens einen Wärmeübertragers anzeigt, falls der beurteilte Verschmutzungsgrad einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann dieses automatische Verfahren ferner ein Ansteuern einer Aktivität zum automatischen Reinigen enthalten, falls der beurteilte Verschmutzungsgrad einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
In einer Ausgestaltung der Erfindung werden das Ermitteln der Effizienz und das Beurteilen des Verschmutzungsgrades durch ein computergestütztes Verfahren durchgeführt, welches von einem Benutzer und/oder selbst durch künstliche Intelligenz eingestellt wird.
Da der Arbeitsmittelkreislauf ein geschlossenes System ist und der Druck des Arbeitsmittels in Beziehung zur Arbeitsmitteltemperatur steht, können Temperatur und/oder Druck des Arbeitsmittels als Parameterdaten erfasst werden. Da analog der Nutzmittelkreislauf in der Regel ein geschlossenes System ist und der Druck des Nutzmittels in Beziehung zur Nutzmitteltemperatur steht, können ebenso Temperatur und/oder Druck des Nutzmittels als Parameterdaten erfasst werden. Da die Energieaufnahme der Arbeitsmittel-Fördervorrichtung von dem Kältemitteldruck und der Kältemitteltemperatur beeinflusst wird, können die Parameterdaten der Energieaufnahme der Fördervorrichtung des Arbeitsmittelkreislaufs vorzugsweise durch Abrufen der benötigten elektrischen Energie zum Antreiben der Fördervorrichtung (z.B. von einer entsprechenden Steuerung der Antriebsvorrichtung der Fördervorrichtung) und/oder Erfassen einer Temperatur oder eines Drucks des Arbeitsmittels stromauf der Fördervorrichtung erfasst werden. Außerdem werden die Parameterdaten der Energieaufnahme der Fördervorrichtung des Arbeitsmittelkreislaufs vorzugsweise als zeitliche Verläufe der Parameterdaten erfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine Wärmepumpe einen Arbeitsmittelkreislauf, der eine Fördervorrichtung zum Fördern eines Arbeitsmittels durch den Arbeitsmittelkreislauf, eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Fördervorrichtung und wenigstens einen Wärmeübertrager, in dem das Arbeitsmittel mit einem Nutzmittel eines Nutzmittelkreislaufs für ein thermisches Objekt (Kühlobjekt oder Heizobjekt) in Wärmeaustausch steht; mehrere Sensoriken zum Erfassen von Parameterdaten, die enthalten: eine erste Sensorik zum Erfassen einer Energieaufnahme der Förder-vorrichtung des Arbeitsmittelkreislaufs, wenigstens eine zweite Sensorik zum Erfassen einer Arbeitsmitteltemperatur und/oder eines Arbeitsmitteldrucks im Arbeitsmittelkreislauf stromauf und/oder stromab des wenigstens einen Wärmeübertragers und wenigstens eine dritte Sensorik zum Erfassen einer Nutzmitteltemperatur und/oder eines Nutzmitteldrucks im Nutzmittelkreislauf stromauf und/oder stromab des jeweiligen Wärmeübertragers; und eine Auswerteeinheit, die mit den mehreren Sensoriken verbunden ist und konfiguriert ist, um das erfindungsgemäße automatische Verfahren zum Überwachen einer Verschmutzung des wenigstens einen Wärmeübertragers durchzuführen. Die erste Sensorik zum Erfassen der Energieaufnahme der Fördervorrichtung des Arbeitsmittelkreislaufs kann zum Beispiel eine Steuereinheit zum Betreiben der Antriebsvorrichtung der Fördervorrichtung, von der die benötigte elektrische Energie zum Antreiben der Fördervorrichtung abrufbar ist, und/oder einen Kreislaufsensor zum Erfassen einer Temperatur oder eines Drucks des Arbeitsmittels stromauf der Fördervorrichtung aufweisen.
Mit dieser erfindungsgemäßen Wärmepumpe werden dieselben Vorteile wie mit dem erfindungsgemäßen automatischen Überwachungsverfahren erzielt. Bezüglich der Vorteile und Erklärungen wird deshalb auch auf die oben in Bezug auf das Verfahren erläuterten Vorteile und Erklärungen verwiesen.
Die Wärmepumpe weist vorzugsweise ferner ein Ausgabeelement auf, das mit der Auswerteeinheit verbunden ist und konfiguriert ist, um einen Hinweis auf eine Verschmutzung des wenigstens einen Wärmeübertragers auszugeben (z.B. optisch, akustisch und/oder digital). Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmepumpe ferner eine Vorrichtung zum automatischen Reinigen aufweisen, die automatisch aktivierbar ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung enthält die Auswerteeinheit ein computergestütztes Verfahren, das konfiguriert ist, um basierend auf den erfassten Parameterdaten und den erstellten zusätzlichen Hinweisdaten die Effizienz und den entsprechenden Verschmutzungsgrad des wenigstens einen Wärmeübertragers zu ermitteln. Dieses computergestützte Verfahren kann von einem Benutzer und/oder selbst durch künstliche Intelligenz eingestellt werden. Die Auswerteeinheit zum Durchführen der Verschmutzungsüberwachung des wenigstens einen Wärmeübertragers und eine Steuereinheit zum Ansteuern der Antriebsvorrichtung für die Fördervorrichtung können vorzugsweise in einer gemeinsamen Steuerung integriert sein.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein elektronisches Gerät (zum Beispiel als Haushaltsgerät, gewerbliches Gerät oder Fahrzeuggerät), das eine oben beschriebene Wärmepumpe gemäß der Erfindung und wenigstens ein thermisches Objekt (Kühlobjekt oder Heizobjekt), dessen Nutzmittelkreislauf in dem wenigstens einen Wärmeübertrager der Wärmepumpe mit dem Arbeitsmittelkreislauf in Wärmeaustausch steht, aufweist. Das elektronische Gerät kann zum Beispiel ein Wäschebehandlungsgerät, ein Kühl- und/oder Gefriergerät, ein Backofen, ein Geschirrspüler, eine Klimaanlage oder dergleichen sein.
Die Erfindung ist durch die anhängenden Ansprüche definiert. Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden beispielhaften Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnung besser verständlich. Darin zeigen, zum Teil schematisch:
Fig. 1 den Grundaufbau eines Ausführungsbeispiels einer Wärmepumpe gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Überwachen einer Verschmutzung eines Wärmeübertragers der Wärmepumpe gemäß der Erfindung.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel einer Wärmepumpe gemäß der Erfindung beispielhaft in Form einer Kälteanlage für ein Kühlobjekt erläutert. Alternativ kann diese Wärmepumpe auch als Heizanlage für ein Heizobjekt eingesetzt werden. Das thermische Objekt kann zum Beispiel ein Aggregat eines Haushaltsgeräts sein, beispielsweise eines Wäschebehandlungsgeräts, eines Kühl- und/oder Gefriergeräts, eines Backofens, eines Geschirrspülers, einer Klimaanlage, etc.
Die Wärmepumpe 10 hat einen Arbeitsmittelkreislauf 12 für ein Arbeitsmittel (z.B.
Kältemittel R134a), der entlang der Arbeitsmittelleitung 13 eine Arbeitsmittel-Fördervorrichtung 14 in Form eines Verdichters oder Kompressors, einen hochdruckseitigen Wärmeübertrager 16 in Form eines Verflüssigers oder Kondensators, ein Expansionsorgan 17 in Form eines Expansionsventils oder einer Drossel und einen niederdruckseitigen Wärmeübertrager 18 in Form eines Verdampfers aufweist. Das gasförmige Arbeitsmittel wird zunächst im Verdichter 14 komprimiert und dann im Verflüssiger 16 unter Wärmeabgabe zum Beispiel an die Umgebung verflüssigt. Anschließend wird das verflüssigte Arbeitsmittel durch das Expansionsventil 17 entspannt. Im anschließenden Verdampfer 18 verdampft das Arbeitsmittel unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur, um dann wieder im Verdichter 14 komprimiert zu werden.
Am Verdampfer 18 steht der Arbeitsmittelkreislauf 12 mit einem Nutzmittelkreislauf 32 eines Kühlobjekts 30 in Form zum Beispiel eines Kühlraums in Wärmeaustausch. Wie in Fig. 1 angedeutet, enthält der Nutzmittelkreislauf 32 im Bereich des Verdampfers 18 wenigstens einen Nutzmittelförderer 34a, 34b stromauf oder stromab des Verdampfers 18 zum Fördern des Nutzmittels (z.B. Kaltluftstrom) durch den Verdampfer, und vorzugsweise auch wenigstens einen Temperatursensor 36a, 36b stromauf oder stromab des Verdampfers.
Wie in Fig. 1 dargestellt, enthält die Wärmepumpe 10 ferner eine Steuereinheit 20a zum Regeln des Betriebs der Komponenten 14, 16, 17, 18 des Arbeitsmittelkreislaufs 12 und vorzugsweise auch des wenigstens einen Nutzmittelförderers 34a, 34b des Nutzmittelkreislaufs 32. Die Steuereinheit 20a ist beispielsweise mit mehreren Kreislaufsensoren 23, 24, 27, 28 zum Erfassen von Temperatur und/oder Druck des Arbeitsmittels an verschiedenen Stellen des Arbeitsmittelkreislaufs 12 und auch dem wenigstens einen Temperatursensor 36a, 36b des Nutzmittelkreislaufs 32 zum Erfassen der Temperatur des Nutzmittels (jeweils drahtlos oder leitungsgebunden) verbunden. Die Steuereinheit 20a steuert basierend auf den erhaltenen Parametern insbesondere eine Antriebsvorrichtung 22 zum Betreiben des Verdichters 14 an, um die Kälteleistung des Arbeitsmittelkreislaufs 12 zu regeln, um den Kältebedarf des Kühlobjekts 30 zu erfüllen.
Wie in Fig. 1 dargestellt, enthält die Wärmepumpe 10 außerdem eine Auswerteeinheit 20b zum Durchführen einer Überwachung einer Verschmutzung des Verdampfers 18. Diese Auswerteeinheit 20b ist mit mehreren Sensoriken zum Erfassen von Parameterdaten verbunden: (a) einer ersten Sensorik zum Erfassen einer Energieaufnahme (Strom und/oder Spannung) des Verdichters 14 des Arbeitsmittelkreislaufs 12, welche durch die Steuereinheit 20a zum Abrufen der benötigten elektrischen Energie zum Antreiben des Verdichters 14 und/oder den Kreislaufsensor 23 beim Verdichter 14 zum Erfassen der Temperatur oder des Drucks des Arbeitsmittels stromauf des Verdichters 14 gebildet ist, (b) einer zweiten Sensorik zum Erfassen der Arbeitsmitteltemperatur und/oder des Arbeitsmitteldrucks im Arbeitsmittelkreislauf 12 stromauf des Verdampfers 18, die durch den Kreislaufsensor 24 beim Expansionsorgan 17 zum Erfassen der Temperatur oder des Drucks des Arbeitsmittels stromauf des Verdampfers 18 gebildet ist, und (c) eine dritte Sensorik zum Erfassen der Nutzmitteltemperatur und/oder des Nutzmitteldrucks im Nutzmittelkreislauf 32, welche durch den Temperatursensor 36a stromauf des Verdampfers 18 und/oder den Temperatursensor 36b stromab des Verdampfers 18 im Nutzmittelkreislauf 32 gebildet ist.
Die Auswerteeinheit 20b ist vorzugsweise auch mit einem Ausgabeelement 26 verbunden, mit dem ein Hinweis auf eine beurteilte Verschmutzung des Verdampfers 18 ausgegeben werden kann. Je nach Struktur des Ausgabeelements 26 kann der Hinweis dem Benutzer der Wärmepumpe 10 zum Beispiel optisch und/oder akustisch ausgegeben werden. Wahlweise kann der Hinweis auch digital ausgegeben werden, d.h. zum Beispiel drahtlos oder über ein Netzwerk zu einem Benutzergerät (z.B. Mobiltelefon). Optional kann die Auswerteeinheit 20b alternativ oder zusätzlich auch mit einer Vorrichtung (nicht dargestellt) zum automatischen Reinigen verbunden sein, deren Aktivität automatisch angesteuert / ausgeführt werden kann.
Außerdem enthält die Auswerteeinheit 20b vorzugsweise ein computergestütztes Verfahren 25 zum Ermitteln der Effizienz des Verdampfers 18 und zum Beurteilen des entsprechenden Verschmutzungsgrades des Verdampfers 18, wobei dieses computergestützte Verfahren 25 von einem Benutzer und/oder selbst durch künstliche Intelligenz einstellbar sein kann.
Wie in Fig. 1 dargestellt, sind die Steuereinheit 20a für die Antriebsvorrichtung 22 der Fördervorrichtung 14 und die Auswerteeinheit 20b zum Auswerten der erfassten Parameterdaten vorzugsweise in einer gemeinsamen Steuerung 20 integriert. Alternativ können die Steuereinheit 20a und die Auswerteeinheit 20b aber auch in separaten Steuerungen enthalten sein, wobei die separaten Steuerungen dann bevorzugt miteinander verbunden sind. Wie oben erläutert, ist im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 an den Verdampfer 18 des Arbeitsmittelkreislaufs 12 ein Kühlobjekt 30 zum Abkühlen des Nutzmittels durch das Arbeitsmittel gekoppelt. Wie in Fig. 1 angedeutet, kann alternativ oder zusätzlich an den Kondensator 16 des Arbeitsmittelkreislaufs 12 ein Heizobjekt 31 zum Aufwärmen des Nutzmittels durch das Arbeitsmittel gekoppelt sein.
Bezugnehmend auf Fig. 2 wird nun das erfindungsgemäße automatische Verfahren 100 zum Überwachen der Verschmutzung des Verdampfers 18 der oben erläuterten und in Fig. 1 veranschaulichten Wärmepumpe 10 erläutert.
In einem ersten Schritt S110 werden mehrere Parameterdaten der Wärmepumpe 10 erfasst. Wie oben bereits erläutert, werden durch die erste Sensorik die Energieaufnahme des Verdichters 14 des Arbeitsmittelkreislaufs 12, durch die zweite Sensorik die Arbeitsmitteltemperatur und/oder der Arbeitsmitteldrucks im Arbeitsmittelkreislauf 12 stromauf des Verdampfers 18, und durch die dritte Sensorik die Nutzmitteltemperatur und/oder der Nutzmitteldrucks im Nutzmittelkreislauf 32 erfasst. Die erfassten Parameterdaten werden dann von der Auswerteeinheit 20b empfangen. Wahlweise bzw. vorzugsweise werden zumindest die Parameterdaten der Energieaufnahme des Verdichters 14 als zeitliche Verläufe der Parameterdaten erfasst, wodurch die weiteren Schritte effizienter ausgeführt werden können.
In einem optionalen zweiten Schritt S112, der eine bessere Auswertung unterstützt und deshalb vorzugsweise vorhanden ist, werden aus den erfassten Parameterdaten zusätzliche Hinweisdaten der Energieaufnahme des Verdichters 14 erzeugt. Da sich je nach Zustand des Arbeitsmittels am Verdichter 14 die Signalkurven der Energieaufnahmedaten verändern, enthält diese Verarbeitung der erfassten Parameterdaten beispielsweise ein Berechnen eines linearen Zusammenhangs der Energiesignale von zwei aufeinanderfolgenden Datenspulen. Dabei werden beispielsweise die Korrelation, der Korrelationskoeffizient und die Kovarianz der einzelnen Energieaufnahmedaten zueinander berechnet. Zudem kann das Energieaufnahmesignal Fourier-transformiert werden, um die maximale Amplitude zu ermitteln.
In einem dritten Schritt S114 wird durch das computergestützte Verfahren 25 der Auswerteeinheit 20b dann basierend auf den erfassten Parameterdaten und den erstellten zusätzlichen Hinweisdaten die Effizienz des Verdampfers 18 ermittelt. Aufgrund der zusätzlichen Hinweisdaten ist diese Ermittlung noch zuverlässiger als nur basierend auf den erfassten Parameterdaten. Eine Veränderung der Energieaufnahme des Verdichters 14 wird dabei nicht unbedingt als eine Veränderung der Wärmetauscheffizienz des Verdampfers 18 angesehen, wenn sich zum Beispiel die Nutzmitteltemperatur stromauf des Verdampfers geändert hat. Das Ermitteln der Wärmetauscheffizienz des Verdampfers 18 erfolgt somit basierend auf den Energieaufnahmedaten, insbesondere unter Berücksichtigung der erstellten zusätzlichen Hinweise dazu, in Kombination mit den anderen Parameterdaten betreffen die Temperaturen oder Drücke des Nutzmittels und/oder des Arbeitsmittels stromauf des Verdampfers 18.
In einem vierten Schritt S116 wird dann durch das computergestützte Verfahren 25 der Auswerteeinheit 20b der Verschmutzungsgrad des Verdampfers basierend auf der ermittelten Wärmetauscheffizienz in Kombination mit den erfassten Parameterdaten und den erstellten zusätzlichen Hinweisdaten ermittelt. Im Verfahren sind die Daten betreffend die Wärmetauscheffizienz je nach Verschmutzungsgrad gekennzeichnet, sodass das entsprechend trainierte (durch Benutzer oder Hersteller oder selbst durch künstliche Intelligenz) computergestützte Verfahren anhand der ermittelten Effizienz auch den Verschmutzungsgrad ermitteln kann. Wenn der Verschmutzungsgrad einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt, wird dies dann als eine Verschmutzung des Verdampfers 18 beurteilt.
Wenn keine Verschmutzung des Verdampfers beurteilt wird, wird das Überwachungsverfahren 100 ab dem ersten Schritt S110 weiter durchgeführt.
Falls jedoch in Schritt S116 eine Verschmutzung des Verdampfers 18 beurteilt worden ist, wird in einem fünften Schritt S118 ein entsprechender Hinweis, der die Verschmutzung des Verdampfers 18 anzeigt, über das Ausgabeelement 26 ausgegeben (z.B. optisch, akustisch und/oder digital).
Durch diesen Hinweis, der durch das automatische Überwachungsverfahren der Wärmepumpe ausgegeben wird, kann der Benutzer ohne zusätzlichen Aufwand (ohne z.B. regelmäßige Sichtprüfungen) sehr kurzfristig nach einer entstandenen Verschmutzung des Verdampfers 18 ein Reinigen der Wärmepumpe 10, insbesondere des verschmutzten Verdampfers 18, veranlassen / durchführen. Optional kann alternativ oder zusätzlich auch eine Aktivität zum Einleiten einer automatischen Reinigung angesteuert / ausgeführt werden. Durch das Reinigen kurzfristig nach der entstandenen Verschmutzung wird sehr schnell und zuverlässig wieder ein effektiver Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmittel der Wärmepumpe 10 und dem Nutzmittel des Kühlobjekts 30 gewährleistet, wodurch auch eine Erhöhung des Energieverbrauchs der Wärmepumpe 10 und der entsprechenden Stromkosten vermieden oder zumindest kurzfristig aufgehoben werden kann.
Die Erfindung ist durch die anhängenden Ansprüche definiert. Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele dienen nur dem besseren Verständnis der Erfindung, sollen aber nicht den durch die Ansprüche definierten Schutzbereich einschränken. Wie für den Fachmann ersichtlich, sind auch noch andere Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung möglich, insbesondere durch Weglassen einzelner Merkmale aus den oder Hinzufügen zusätzlicher Merkmale in die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
BEZUGSZIFFERNLISTE
10 Wärmepumpe (als Kälteanlage oder Heizanlage)
12 Arbeitsmittelkreislauf
13 Arbeitsmittelleitung
14 Fördervorrichtung, insbes. Verdichter / Kompressor
16 hochdruckseitiger Wärmeübertrager, insbes. Verflüssiger / Kondensator
17 Expansionsorgan, insbes. Expansionsventil / Drossel
18 niederdruckseitiger Wärmeübertrager, insbes. Verdampfer
20 Steuerung
20a Steuereinheit für Betrieb der Fördervorrichtung
20b Auswerteeinheit für Überwachungsverfahren
22 Antriebsvorrichtung für 14
23 Kreislaufsensor für Temperatur / Druck des Arbeitsmittels stromauf von 14
24 Kreislaufsensor für Temperatur / Druck des Arbeitsmittels stromauf von 18
25 computergestütztes Verfahren in 20b
26 Ausgabeelement
27 weiterer Kreislaufsensor
28 weiterer Kreislaufsensor
30 thermisches Objekt (Kühlobjekt bei 18)
31 thermisches Objekt (Heizobjekt bei 16)
32 Nutzmittelkreislauf
34a Nutzmittelförderer stromauf 16 / 18
34b Nutzmittelförderer stromab 16 / 18
36a T emperatursensor stromauf 16 / 18
36b Temperatursensor stromab 16 / 18

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Automatisches Verfahren (100) zum Überwachen einer Verschmutzung eines Wärmeübertragers (16, 18) einer Wärmepumpe (10), wobei die Wärmepumpe (10) einen Arbeitsmittelkreislauf (12) mit einer Fördervorrichtung (14) zum Fördern eines Arbeitsmittels durch den Arbeitsmittelkreislauf (12), eine Antriebsvorrichtung (22) zum Antreiben der Fördervorrichtung (14) und wenigstens einen Wärmeübertrager (16, 18), in dem das Arbeitsmittel mit einem Nutzmittel eines Nutzmittelkreislaufs (32) für ein thermisches Objekt (30, 31) in Wärmeaustausch steht, aufweist, wobei das Verfahren aufweist:
Erfassen (S110) von mehreren Parameterdaten, die eine Energieaufnahme der Fördervorrichtung (14) des Arbeitsmittelkreislaufs (12), eine Arbeitsmitteltemperatur und/oder einen Arbeitsmitteldruck im Arbeitsmittelkreislauf (12) stromauf und/oder stromab des wenigstens einen Wärmeübertragers (16, 18) und eine Nutzmitteltemperatur und/oder einen Nutzmitteldruck im Nutzmittelkreislauf (32) stromauf und/oder stromab des jeweiligen Wärmeübertragers (16, 18) enthalten;
Ermitteln (S114) der Effizienz des wenigstens einen Wärmeübertragers (16, 18) basierend auf den erfassten Parameterdaten; und
Beurteilen (S116) des Verschmutzungsgrades des wenigstens einen Wärmeübertragers (16, 18) basierend auf der ermittelten Effizienz und den erfassten Parameterdaten.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , ferner aufweisend ein Verarbeiten (S112) der erfassten Parameterdaten zum Erzeugen von zusätzlichen Hinweisdaten der Energieaufnahme der Fördervorrichtung (14), wobei das Ermitteln der Effizienz (S114) basierend auf den erfassten Parameterdaten und den erstellten zusätzlichen Hinweisdaten durchgeführt wird, und wobei das Beurteilen des Verschmutzungsgrades (S116) basierend auf der ermittelten Effizienz und den erfassten Parameterdaten und/oder den erstellten zusätzlichen Hinweisdaten durchgeführt wird. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend ein Ausgeben (S118) eines Hinweises an einen Benutzer, der eine Verschmutzung des wenigstens einen Wärmeübertragers (16, 18) anzeigt, falls der beurteilte Verschmutzungsgrad einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Ermitteln der Effizienz (S114) und das Beurteilen des Verschmutzungsgrades (S116) durch ein computergestütztes Verfahren (25) durchgeführt werden, wobei das computergestützte Verfahren (25) von einem Benutzer und/oder selbst durch künstliche Intelligenz eingestellt wird. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Parameterdaten der Energieaufnahme der Fördervorrichtung (14) des Arbeitsmittelkreislaufs (12) erfasst werden durch Abrufen der benötigten elektrischen Energie zum Antreiben der Fördervorrichtung (14) und/oder Erfassen einer Temperatur oder eines Drucks des Arbeitsmittels stromauf der Fördervorrichtung (14). Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Parameterdaten der Energieaufnahme der Fördervorrichtung (14) des Arbeitsmittelkreislaufs (12) als zeitliche Verläufe der Parameterdaten erfasst werden. Wärmepumpe (10), aufweisend: einen Arbeitsmittelkreislauf (12), der aufweist: eine Fördervorrichtung (14) zum Fördern eines Arbeitsmittels durch den Arbeitsmittelkreislauf (12), eine Antriebsvorrichtung (22) zum Antreiben der Fördervorrichtung (14), und wenigstens einen Wärmeübertrager (16, 18), in dem das Arbeitsmittel mit einem Nutzmittel eines Nutzmittelkreislaufs (32) für ein thermisches Objekt (30, 31) in Wärmeaustausch steht; mehrere Sensoriken (20a, 23, 24, 36a, 36b) zum Erfassen von Parameterdaten, die enthalten: eine erste Sensorik (20a, 23) zum Erfassen einer Energieaufnahme der Fördervorrichtung (14) des Arbeitsmittelkreislaufs (12), wenigstens eine zweite Sensorik (24) zum Erfassen einer Arbeitsmitteltemperatur und/oder eines Arbeitsmitteldrucks im Arbeitsmittelkreislauf (12) stromauf und/oder stromab des wenigstens einen Wärmeübertragers (16, 18), und wenigstens eine dritte Sensorik (36a, 36b) zum Erfassen einer Nutzmitteltemperatur und/oder eines Nutzmitteldrucks im Nutzmittelkreislauf (32) stromauf und/oder stromab des jeweiligen Wärmeübertragers (16, 18); und eine Auswerteeinheit (20b), die mit den mehreren Sensoriken (20a, 23, 24, 36a, 36b) verbunden ist und konfiguriert ist, um das automatische Verfahren (100) zum Überwachen einer Verschmutzung des wenigstens einen Wärmeübertragers (16, 18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
8. Wärmepumpe (10) nach Anspruch 7, ferner aufweisend ein Ausgabeelement (26), das mit der Auswerteeinheit (20b) verbunden ist und konfiguriert ist, um einen Hinweis auf eine Verschmutzung des wenigstens einen Wärmeübertragers (16, 18) auszugeben.
9. Wärmepumpe (10) nach Anspruch 7 oder 8, bei welcher die Auswerteeinheit (20b) ein computergestütztes Verfahren (25) enthält, das konfiguriert ist, um basierend auf den erfassten Parameterdaten und den erstellten zusätzlichen Hinweisdaten die Effizienz und den entsprechenden Verschmutzungsgrad des wenigstens einen Wärmeübertragers (16, 18) zu ermitteln, wobei das computergestützte Verfahren (25) von einem Benutzer und/oder selbst durch künstliche Intelligenz einstellbar ist.
10. Wärmepumpe (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei welcher die erste Sensorik (20a, 23) zum Erfassen der Energieaufnahme der Fördervorrichtung (14) des Arbeitsmittelkreislaufs (12) eine Steuereinheit (20a) zum Betreiben der Antriebsvorrichtung (22) der Fördervorrichtung (14), von der die benötigte elektrische Energie zum Antreiben der Fördervorrichtung abrufbar ist, und/oder einen Kreislaufsensor (23) zum Erfassen einer Temperatur oder eines Drucks des Arbeitsmittels stromauf der Fördervorrichtung (14) aufweist.
11. Wärmepumpe (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei welcher die Auswerteeinheit (20b) zum Durchführen der Verschmutzungsüberwachung des wenigstens einen Wärmeübertragers (16, 18) und eine Steuereinheit (20a) zum Ansteuern der Antriebsvorrichtung (22) für die Fördervorrichtung (14) in einer gemeinsamen Steuerung (20) integriert sind. Elektronisches Gerät, aufweisend: eine Wärmepumpe (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 11 ; und wenigstens ein thermisches Objekt (30, 31), dessen Nutzmittelkreislauf (32) in dem wenigstens einen Wärmeübertrager (16, 18) der Wärmepumpe (10) mit dem Arbeitsmittelkreislauf (12) in Wärmeaustausch steht.
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