DE102007052531A1

DE102007052531A1 - Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Regelung für Kälteanlagen

Info

Publication number: DE102007052531A1
Application number: DE102007052531A
Authority: DE
Inventors: Gordon Seiptius
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2007-11-01
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2027-11-02
Also published as: EP2212633A2; WO2009056335A2; WO2009056335A3; DE102007052531B4

Abstract

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

Description

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

1: Verdichter
2: Verflüssiger
3: Trockner
4: elektronisches Regelventil
5: Plattentauscher/Verdampfer
6: Kältemitteltemperatur vor den elektronischen Regelventil
7: Kühlguteintrittsfühler
8: Überhitzungstemperaturfühler
9: Kühlgutaustrittsfühler
10: Eintrittstemperaturfühler des Verflüssigungsmediums
11: Austrittstemperaturfühler des Verflüssigungsmediums
12: Kältemitteltemperatur am Verflüssigeraustritt
13: Heißgassensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4242848 A1 [0002]
- DE 10053203 A1 [0003]
- DE 19647718 A1 [0004]

Claims

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