DE102021006682A1 - Verfahren sowie Vorrichtung zur Überwachung einer Kältemittel-Anlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Überwachung einer Kältemittel-Anlage (2) mit einem Kreislauf, in dem ein Kältemittel mittels eines Verdichters (4) umgewälzt wird, wobei der Verdichter (4) eine momentane elektrische Leistungsaufnahme (Pel) aufweist und einen momentanen Massenstrom (n) der Kältemittels fördert, wobei weiterhin das Kältemittel an einer Saugseite des Verdichters (4) einen Niederdruck (pein) und eine Sauggastemperatur (Tein) und an einer Druckseite einen Hochdruck (paus) und eine Heißgastemperatur (Taus) aufweist, und Leistungsaufnahme (Pel), Massenstrom (m), Niederdruck (pein), Sauggastemperatur (Tein), Hochdruck (paus) und Heißgastemperatur (Taus) Betriebsparameter darstellen und zumindest einige dieser Betriebsparameter während des Betriebs erfasst werden. Aus den gemessenen Werten dieser Betriebsparameter wird der momentane isentrope Ist-Wirkungsgrad (ηis) des Verdichters (4) ermittelt und hieraus oder aus einer hieraus abgeleiteten Ist-Größe wird auf einen momentanen Ist-Zustand des Verdichters (4) geschlossen. Hierdurch ist mit einem geringen Aufwand eine Ermittlung des Ist-Zustands des Verdichters (4) ermöglicht.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Überwachung einer Kältemittel-Anlage mit einem Kreislauf, in dem ein Kältemittel mittels eines Verdichters gefördert wird.
• Der Verdichter ist bei einer Kältemittel-Anlage eine der zentralen Komponenten und bestimmt maßgeblich die Effizienz der Kältemittel-Anlage. Aufgrund seiner beweglichen Komponenten unterliegt er insbesondere auch einem Verschleiß. Es besteht daher grundsätzlich ein Bedarf, den Verdichter im Hinblick auf seine Effizienz und Funktionsfähigkeit zu überprüfen.
• Aus der WO 2004/099683 A ist ein Condition Monitoring System für ein Kältemittelsystem beschrieben. Unter anderem ist hieraus auch die Bestimmung eines Ist-Zustands des Verdichters auf Basis der Messung der saugseitigen sowie druckseitigen Druck- und Temperaturwerte zu entnehmen. Hierbei werden jeweils aus drei gemessenen Parametern der vierte errechnet und mit einem theoretischen Sollwert verglichen. Speziell wird die druckseitige Temperatur, auch als Heißgastemperatur bezeichnet, aus den übrigen Werten ermittelt und mit einer Soll-Heißgastemperatur verglichen. Die rechnerische Ermittlung der Heißgastemperatur ist teilweise schwierig, u.A. da die Heißgastemperatur im Betrieb erheblichen Schwankungen unterliegen kann.
• Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Überwachung einer Kältemittel-Anlage, speziell eines Verdichters einer solchen Kältemittel-Anlage in einfacher Weise zu ermöglichen.
• Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren sowie durch eine Vorrichtung zur Überwachung einer Kältemittel-Anlage, welche einen Kreislauf aufweist, in dem im Betrieb ein Kältemittel mittels eines Verdichters gefördert wird. Der Verdichter weist im Betrieb eine momentane elektrische Leistungsaufnahme sowie eine momentane Drehzahl auf und fördert einen momentanen Massenstrom. Das Kältemittel weist weiterhin an einer Einlass- oder Saugseite des Verdichters einen Niederdruck sowie eine Sauggastemperatur und an einer Auslass- oder Druckseite einen Hochdruck und eine Heißgastemperatur auf. Diese Parameter, nämlich Leistungsaufnahme, Drehzahl, Massenstrom, Niederdruck, Hochdruck, Sauggastemperatur und Heißgastemperatur bilden Betriebsparameter des Verdichters. Zumindest einige dieser Betriebsparameter werden während des Betriebes erfasst. Entweder sie werden direkt gemessen oder sie werden aus Messwerten abgeleitet. Speziell werden die Drücke und die Temperaturen mittels Drucksensoren und Temperatursensoren direkt gemessen. Die elektrische Leistungsaufnahme wird - sofern sie herangezogen wird - typischerweise aus einem Strom-Messwert und gegebenenfalls ergänzt um einen Spannungs-Messwert ermittelt. Alternativ wird sie aus - z.B. vom Hersteller des Verdichters - hinterlegten Tabellen oder Kurven in Abhängigkeit von Drücken, Temperaturen und / oder der Drehzahl ermittelt. Für den Massenstrom, sofern dieser herangezogen wird, wird typischerweise ein Massenstrom-Zähler eingesetzt. Bevorzugt wird jedoch kein Massenstrom gemessen. Vielmehr wird dieser im Bedarfsfall anderweitig bestimmt.
• Aus den während des Betriebs erfassten Werten für die Betriebsparameter wird der isentrope Ist-Wirkungsgrad des Verdichters ermittelt. Hieraus oder aus einer daraus abgeleiteten Ist-Größe wird auf einen momentanen Ist-Zustand des Verdichters geschlossen. Im einfachsten Fall wird der Ist-Wirkungsgrad des Verdichters unmittelbar als Maß für den Ist-Zustand herangezogen.
• Der Begriff „momentan“ bezeichnet eine jeweils aktuelle Betriebssituation. Die entsprechenden momentanen Parameter / Parameterwerte / Größen werden auch als Ist-Parameter / Ist-Parameterwerte oder Ist-Größen bezeichnet.
• Der Ist-Zustand wird allgemein in Relation zu einem Soll-Zustand gesetzt und mit diesem verglichen. Der Soll-Zustand, speziell der Wert des isentropen Soll-Wirkungsgrads ist typischerweise in Abhängigkeit von den momentanen Betriebsbedingungen bekannt und ist beispielsweise für den eingesetzten Verdichter vorgegeben, speziell vom Hersteller des Verdichters. Alternativ wird der Soll-Zustand aus den z.B. herstellerseitig mitgeteilten oder berechneten Werten zu Massenstrom und Leistungsaufnahme sowie den Druck-/ und Temperaturwerten ermittelt. Aus diesem Vergleich werden Rückschlüsse auf den allgemeinen Zustand des Verdichters gezogen. Bei einer unzulässigen Abweichung erfolgt ein Hinweis, beispielsweise eine Handlungsempfehlung.
• Der besondere Vorteil der Ermittlung des isentropen Ist-Wirkungsgrades, speziell im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Gegenüberstellung zwischen der aus den Betriebsparametern errechneten Heißgastemperatur und einer theoretischen Heißgastemperatur, ist darin zu sehen, dass die Heißgastemperatur einer hohen Schwankungsbreite unterliegt sowie eine hohe Sensitivität in Abhängigkeit der gemessenen Druck- und Temperaturwerte aufweist und somit insgesamt fehleranfällig ist. Demgegenüber ist eine Ableitung des Verdichterzustandes auf Basis des ermittelten isentropen Wirkungsgrades weniger sensitiv und bietet daher für unterschiedliche Randbedingungen eine gleichermaßen einsetzbare Vergleichsgröße. Insgesamt gestaltet sich der Aufwand für die Berechnung und Auswertung einfacher.
• Der isentrope Wirkungsgrad gibt das Verhältnis an zwischen der realen Ist-Verdichterarbeit und einer theoretischen Verdichterarbeit unter isentropen Bedingungen. Für den Wirkungsgrad gilt folgende Beziehung: $${\eta }_{is}=\frac{h_{is}-h_{ein}}{h_{aus}-h_{ein}}$$

  

  mit
• η_is = isentroper Wirkungsgrad des Verdichters (des Verdichtungsprozesses)
• h_is = spezifische Enthalpie des Kältemittels ausgangsseitig eines isentropen Verdichtungsprozesses,
• h_ein = spezifische momentane Enthalpie des Kältemittels am Eingang des Verdichters im Betrieb,
• h_aus = spezifische momentane Enthalpie des Kältemittels am Ausgang des Verdichters im Betrieb.
• In bevorzugter Ausgestaltung wird der Ist-Wirkungsgrad aus den ermittelten momentanen Werten für den Niederdruck, den Hochdruck, der Sauggastemperatur und der Heißgastemperatur ermittelt. Aus diesen ermittelten Werten werden für die Bestimmung des Ist-Wirkungsgrades gemäß obiger Formel die spezifische momentane Enthalpie des Kältemittels am Eingang und am Ausgang des Verdichters sowie die spezifische Enthalpie des eingesetzten Kältemittels ausgangsseitig eines isentropen Verdichtungsprozesses ermittelt. Hierzu werden aus den momentanen (gemessenen) Werten für den Niederdruck, Hochdruck sowie für die Sauggastemperatur und für die Heißgastemperatur die entsprechenden spezifischen Enthalpien mit Hilfe von Tabellen oder bekannten Funktionen ermittelt. Die spezifischen Enthalpie ist dabei eine von dem Druck und der Temperatur abhängige Größe. Die spezifische Enthalpie hängt insbesondere auch von dem eingesetzten Kältemittel ab. So wird die spezifische Enthalpie beispielsweise anhand von für das eingesetzte Kältemittel bekannten p, h-Diagrammen / Tabellen ermittelt. Für die Ermittlung der spezifischen Enthalpien werden look-up Tabellen oder eine geeignete Berechnungsfunktion hinterlegt.
• Die Bestimmung des Ist-Wirkungsgrades auf Basis der eingangs- sowie ausgangsseitigen Temperaturwerte sowie Druckwerte ist die bevorzugte Variante, da diese Werte typischerweise regelmäßig auch bereits bei bestehenden Anlagen erfasst werden. Insofern kann das hier vorgeschlagene Verfahren problemlos auch bei bestehenden Anlagen beispielsweise durch ein geeignetes Software-Update nachgerüstet werden.
• In zweckdienlicher Ausgestaltung wird der Ist-Wirkungsgrad, wie er insbesondere gemäß obiger Gleichung (1) bestimmt wird, mit einem Soll-Wirkungsgrad verglichen. Bei einer Abweichung des Ist-Wirkungsgrades von dem Soll-Wirkungsgrad um einen vorgegebenen Schwellwert wird auf einen unzulässigen, mangelhaften Zustand des Verdichters, im Folgenden als „Schlecht-Zustand“ bezeichnet, geschlossen und es wird eine Fehlerwarnung ausgegeben. Der Schwellwert ist entweder herstellerseitig fest vorgegeben oder durch den Nutzer parametrisierbar. So wird beispielsweise eine Fehlerwarnung bei einer Abweichung von mehr als 5 % oder auch von mehr als 10 % abgegeben.
• Für den Soll-Wirkungsgrad wird gemäß einer ersten Variante auf bekannte Werte für den eingesetzten Verdichter zurückgegriffen. Häufig wird der Soll-Wirkungsgrad vom Hersteller des Verdichters z.B. in Form von Tabellen, Diagrammen angegeben.
• Insbesondere falls solche Werte nicht vorliegen, wird gemäß einer bevorzugten Variante der Soll-Wirkungsgrad speziell rechnerisch ermittelt. Dies erfolgt insbesondere mit Hilfe der nachfolgenden Formeln und auf Basis eines Massenstroms und einer elektrischen Leistungsaufnahme. Der Massenstrom und die Leistungsaufnahme werden dabei vorzugsweise nicht gemessen. Die erforderlichen Daten für den Massenstrom und der elektrischen Leistungsaufnahme werden bevorzugt aus Tabellen, z.B. des Herstellers des Verdichters berechnet oder entnommen und sind damit Verdichter-spezifisch. Sie sind typischerweise unter anderem abhängig von den momentanen eingangsseitigen Druck- und Temperaturwerten des Kältemittels. Für die Bestimmung (Berechnung) des Soll-Wirkungsgrades wird in guter Näherung von einem adiabatischen Verdichter ausgegangen.
• Der Soll-Wirkungsgrad wird insbesondere gemäß folgenden Formeln bestimmt: $$h_{aus,soll}=h_{ein}+\frac{P_{el,ber}}{m_{ber}}$$

  

  $${\eta }_{is,soll}=\frac{h_{is}-h_{ein}}{h_{aus,soll}-h_{ein}}$$

  

  Hierbei sind:
• h_aus,soll = die ermittelte / berechnete spezifische momentane Soll-Enthalpie am Ausgang des Verdichters,
• h_ein = die spezifische momentane Enthalpie des Kältemittels am Eingang des Verdichters im Betrieb,
• h_is = die spezifische Enthalpie des Kältemittels ausgangsseitig eines isentropen Verdichtungsprozesses,
• η_is,soll = der isentrope Soll-Wirkungsgrad des Verdichters (des Verdichtungsprozesses)
• P_el.ber = der aus den (Hersteller-) Angaben ermittelte / berechnete elektrische Wirkungsgrad,
• m_ber = der aus den (Hersteller-) Angaben ermittelte / berechnete Massenstrom.
• Die Werte für die elektrische Leistungsaufnahme und für den Massenstrom können alternativ auch gemessen werden. Dies ist jedoch aufwändig. Daher werden die Werte - wie oben ausgeführt - bevorzugt nicht gemessen, sondern insbesondere anhand von Angaben vom Hersteller des Verdichters - in Abhängigkeit der momentanen Drücke / Temperaturen / Verdichterdrehzahl - ermittelt, beispielsweise anhand von Tabellen / Diagrammen / Funktionen entnommen und/oder z.B. durch Interpolation oder Extrapolation berechnet.
• Alternativ zur Bestimmung eines Verdichter-spezifischen Soll-Wirkungsgrades ist der Soll-Wirkungsgrad unabhängig von dem tatsächlich in der Kältemittel-Anlage eingesetzten Verdichter definierbar. Speziell ist daher der Soll-Wirkungsgrad unabhängig von spezifischen Soll-Daten des real eingesetzten Verdichters. Bei dieser Ausgestaltung wird daher von einem fixen Soll-Wirkungsgrad von z.B. zumindest 55 % ausgegangen. Eine Berechnung und/oder ein Rückgriff auf z.B. Herstellerangaben ist daher nicht erforderlich.
• Dies beruht auf der Überlegung, dass die heutzutage eingesetzten Verdichter regelmäßig eine ausreichend hohe Qualität aufweisen und zumindest im Ausgangszustand einen isentropen Wirkungsgrad aufweisen, welcher verdichterunabhängig in einem engen Wirkungsgrad-Fenster liegt. Weiterhin geht dieser Ansatz davon aus, dass bei einem Unterschreiten des unabhängig von dem Verdichter vorgegebenen Wertes für den Wirkungsgrad der Verdichter nicht akzeptabel ist und allgemein zu einem zu hohen Energieverbrauch führt.
• Auf diese Weise können beispielsweise auch mangelhafte Verdichter, die bereits im Ausgangszustand - ggf. nach einer Einlaufzeit nach der Inbetriebnahme - einen zu geringen Wirkungsgrad zeigen, erkannt und ausgetauscht werden. Das Identifizieren eines bereits im Ausgangszustand mangelhaften Verdichters ist allgemein möglich und nicht auf diese Variante mit dem fest vorgegebenen Wert für den Wirkungsgrad beschränkt.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird aus dem ermittelten Ist-Wirkungsgrad auf den momentanen elektrischen Ist-Leistungsbedarf zurückgeschlossen. Durch Vergleich mit einer elektrischen Soll-Leistungsaufnahme wird dann auf den Ist-Zustand zurückgeschlossen. Bei dem Ist-Leistungsbedarf handelt sich daher um eine abgeleitete Ist-Größe. Durch diese Maßnahme kann daher direkt ein erhöhter Energiebedarf identifiziert werden. Ein erhöhter Energiebedarf deutet dabei auf Verschleiß und/oder mangelnde Funktionsfähigkeit oder sonstige Fehler hin. Aus dem Ist-Leistungsbedarf, insbesondere aus einer zeitlichen Veränderung wird insbesondere auch eine Prognose für eine Rest-Lebensdauer abgeleitet und als Information ausgegeben oder abgespeichert. Alternativ erfolgt eine Handlungsempfehlung direkt auf Basis des ermittelten Ist-Leistungsbedarfs, ohne dass eine Rest-Lebensdauer ermittelt wird.
• Die Ermittlung des Ist-Leistungsbedarfs erfolgt insbesondere gemäß folgender Formel: $$P_{el}=\frac{m_{ber}\cdot \left(h_{is}-h_{ein}\right)}{{\eta }_{is}}$$

  
• Durch Umstellen der obigen Gleichung (2) $$h_{aus,soll}-h_{ein}=\frac{P_{el,ber}}{m_{ber}}$$

  

  und Einsetzen in Gleichung (3) erhält man $${\eta }_{is,soll}=\frac{m_{ber}\cdot \left(h_{is}-h_{ein}\right)}{P_{el,ber}}$$

  

  analog zu Gleichung (4). P_el ist die momentane elektrische Leistungsaufnahme. Dabei wird insbesondere angenommen, dass der Massenstrom auch bei Verschleiß konstant bleibt.
• In bevorzugter Ausgestaltung ist das hier vorgestellte Verfahren im Rahmen eines Condition Monitoring Systems eingesetzt und dient insbesondere auch zur Abschätzung oder Ermittlung einer Restlebensdauer des Verdichters. Hierzu wird allgemein insbesondere der zeitliche Verlauf der ermittelten Ist-Wirkungsgrade oder der zeitliche Ablauf der hieraus abgeleiteten Ist-Größe, wie beispielsweise der Ist-Leistungsbedarf ausgewertet.
• Alternativ hierzu wird in bevorzugter Ausgestaltung auf die Ermittlung einer Rest-Lebensdauer verzichtet und eine Handlungsanweisung ergeht unmittelbar.
• Die Ermittlung des Ist-Wirkungsgrades sowie des Ist-Zustands des Verdichters werden in bevorzugter Ausgestaltung mittels einer dezentralen Auswerteeinheit ausgeführt, die Teil der Kältemittel-Anlage ist. Die Auswertung erfolgt daher unmittelbar innerhalb der Kältemittel-Anlage selbst. Die Auswerteeinheit ist dabei beispielsweise in einer Steuereinheit integriert, die den Betrieb und insbesondere den Kreislauf der Kältemittel-Anlage steuert.
• Alternativ hierzu erfolgt die Ermittlung des Ist-Zustands des Verdichters sowie bei Bedarf ergänzend auch die Ermittlung des Ist-Wirkungsgrades in einer bezüglich der Kältemittel-Anlage entfernten zentralen Auswerteeinheit. Diese zentrale Auswerteeinheit befindet sich beispielsweise an einem anderen Ort als die Kältemittel-Anlage und ist beispielsweise Teil einer Cloud-Lösung und / oder Teil eines zentralen Servers des Kälteanlagen-Herstellers. Alternativ ist die zentrale Auswerteeinheit für mehrere Anlagen/Kältemittel-Anlagen innerhalb eines Gebäudes zuständig. Sie ist beispielsweise Teil eines Smart-Home Systems.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt aus einer Kältemittel-Anlage.
• Die ausschnittsweise dargestellte Kältemittel-Anlage 2 weist einen Verdichter 4 auf, welcher in einem Kältemittel-Kreislauf 6 angeordnet ist und in diesem zur Verdichtung und Umwälzung eines Kältemittels dient. Ein solcher Kältemittel-Kreislauf 6 ist grundsätzlich bekannt und umfasst neben dem Verdichter 4 als weitere Hauptkomponenten, die vorliegend nicht dargestellt sind, einen Kondensator, ein Drosselorgan sowie einen Verdampfer, die in Strömungsrichtung des Kältemittels in dieser Reihenfolge dem Verdichter nachgeschaltet sind.
• Die Kältemittel-Anlage 2 umfasst weiterhin Drucksensoren 8 sowie Temperatursensoren 10, die jeweils saugseitig und druckseitig am Einlass sowie am Auslass des Verdichters 4 angeordnet sind. Über diese Sensoren 8,10 wird einlassseitig eine momentane Sauggastemperatur T_ein sowie ein Niederdruck p_ein und auslassseitig eine momentane Heißgastemperatur T_aus sowie ein Hochdruck p_aus vorzugsweise durch Messen ermittelt. Die gemessenen momentanen Werte (= Ist-Werte) dieser Betriebsparameter werden an eine Auswerteeinheit 12 übermittelt, welche beispielsweise Teil der Kältemittel-Anlage 2 ist und in dieser als dezentrale Auswerteeinheit integriert ist. Alternativ ist sie außerhalb der Kältemittel-Anlage 2 ausgebildet und steht mit dieser lediglich in Kommunikationsverbindung und ist als eine zentrale Auswerteeinheit ausgebildet.
• Innerhalb der Auswerteeinheit 12 ist eine Recheneinheit 14 enthalten, die aus den momentanen Werten der Betriebsparameter den isentropen Ist-Wirkungsgrad η_is ermittelt. Weiterhin ist eine Vergleichseinheit 16 integriert, innerhalb derer der Ist-Wirkungsgrad η_is mit einem Soll-Wirkungsgrad η_soll abgeglichen wird. In Abhängigkeit des Vergleiches werden bevorzugt weitere Aktionen veranlasst, wie beispielsweise die Herausgabe einer Meldung zum Ist-Zustand des Verdichters 4 oder auch eine Handlungsempfehlung, wie beispielsweise für eine Wartung oder Austausch des Verdichters 4.
• Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausgestaltung die Auswerteeinheit 12 auf Basis des ermittelten Ist-Zustands auch zur Vorhersage einer verbleibenden Rest-Lebensdauer des Verdichters 4 ausgebildet. Hierzu werden insbesondere auch die im Laufe der Zeit ermittelten Ist-Wirkungsgrade η_is sowie gegebenenfalls hieraus abgeleitete Ist-Größen mit ihrem zeitlichen Verlauf gespeichert und ausgewertet.
• Die Überprüfung des Verdichters 4 durch die Berechnung oder Ermittlung des Ist-Wirkungsgrades η_is erfolgt beispielsweise in vorgegebenen zeitlichen Intervallen und damit quasi laufend während des Betriebs. Speziell erfolgt die Durchführung der Überprüfung zumindest immer dann, wenn der Verdichter 4 aktiviert wird und sich insbesondere in einem näherungsweise stationären Betriebszustand befindet.
• Alternativ zu der Auswertung der angegebenen Temperaturen T und Drücke p besteht auch die Möglichkeit, einen Massenstrom m des Kältemittels sowie eine momentane elektrische Leistungsaufnahme P_el zu ermitteln und hieraus den Ist-Wirkungsgrad η_is zu ermitteln. Die momentane elektrische Leistungsaufnahme P_el definiert zugleich den momentanen elektrischen Leistungsbedarf. Der Massenstrom wird an einer geeigneten Stelle im Kreisprozess gemessen, beispielsweise nach dem Kondensator, da dort gute Voraussetzungen für eine Messung des Massenstroms m vorliegen. Alternativ wird der Massenstrom m im Bereich des Verdichters, speziell am Eintritt des Verdichters gemessen.
• Für die Vergleichseinheit 16 werden ergänzend von einer Dateneinheit 18 Daten zur Verfügung gestellt, die entweder unmittelbar die Soll-Daten sind, wie beispielsweise ein Soll-Daten für einen eingesetzten Verdichtertyp, speziell ein Typ-spezifischer Soll-Wirkungsgrad η_is,soll. Hierbei kann vorgesehen sein, dass derartige Soll-Wirkungsgrade η_is,soll in einer Tabelle oder durch Polynome vorgehalten sind und zwar für unterschiedliche eingangsseitige sowie ausgangseitige Temperaturen und Drücke und / oder in Tabellen bzw. Polynomen für unterschiedliche Drehzahlen des Verdichters.
• Alternativ oder ergänzend enthält die Dateneinheit 18 auch Daten über den tatsächlich eingesetzten Verdichter 4, beispielsweise Leistungsdaten, wie einen vom Hersteller angegebenen isentropen Wirkungsgrad.
• Der Soll-Wirkungsgrad η_is,soll kann ergänzend oder alternativ auch ermittelt werden aus dem momentanen Massenstrom m und einer theoretischen Verdichterleistung, wie sie beispielsweise seitens des Herstellers des Verdichters 4 angegeben ist.
• Ergibt der Abgleich zwischen dem ermittelten Ist-Wirkungsgrad η_is und dem theoretischen Soll-Wirkungsgrad η_is,soll eine Abweichung, die beispielsweise über einen festgelegten Grenzwert g liegt (η_is,soll - η_is > g) so wird auf eine mangelnde Funktionsfähigkeit als Ist-Zustand des Verdichters 4 zurückgeschlossen und es besteht die Gefahr, dass der Verdichter 4 künftig ausfallen kann. Über eine entsprechende Fehlermitteilung kann dann ein präventiver Austausch des Verdichters 4 vorgeschlagen werden, um einen Ausfall der Kältemittel-Anlage 2 zu vermeiden.
• Ein besonderer Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens und der hier beschriebenen Anlage ist darin zu sehen, dass nur eine geringe Anzahl an Sensoren erforderlich ist, welche typischerweise sowieso bereits zur Verfügung stehen (Druck- und Temperatursensor 8,10). Auch reicht eine nur geringe Rechenkapazität aus, da im Wesentlichen nur die momentanen Werte oder auch nur wenige Werte betrachtet werden, wobei die wenigen Werte bevorzugt nicht fortlaufend, sondern nur in regelmäßigen Zeitabständen erfasst werden. Die Berücksichtigung von (weiteren) Umgebungsparametern ist nicht erforderlich und bevorzugt auch nicht vorgesehen.
• Im Vergleich zu dem Konzept, bei dem aufgrund eines Heißgas-Temperaturvergleichs zwischen einer errechneten und einer theoretischen Heißgastemperatur auf einen Ist-Zustand des Verdichters 4 zurückgeschlossen wird, ergeben sich mehrere wesentliche Vorteile. Zum einen ist bei der hier beschriebenen Variante eine Abschätzung und Ermittlung des Ist-Zustands des Verdichters ohne spezielle Kenntnis über Leistungsparameter des eingesetzten Verdichters möglich und damit insbesondere ohne spezifische Herstellerangaben möglich. Der ermittelte Ist-Wirkungsgrad η_is weist vielmehr unmittelbar auf den Ist-Zustand des Verdichters 4 hin.
• Die Auswertung auf Grundlage der Heißgastemperatur ist grundsätzlich auch deutlich schwieriger, da diese im Betrieb in Abhängigkeit der aktuellen Betriebssituation deutlichen Schwankungen unterliegt. So kann die Heißgastemperatur beispielsweise - je nach Bauart des Verdichters, der Drehzahl und des eingesetzten Kältemittels - bei einer Anlage zwischen 65 °C und 120 °C variieren. Demgegenüber ist bei dem Wirkungsgrad η_is allenfalls mit einer Varianz im Bereich von beispielsweise 60 %-74 % zu rechnen. Allgemein wird davon ausgegangen, dass der Ist-Wirkungsgrad η_is allgemein über 65 % sein soll.
• Ein weiterer Vorteil der Ermittlung des Ist-Wirkungsgrads η_is ist schließlich darin zu sehen, dass dieser direkt einen Rückschluss auf den elektrischen Leistungsbedarf des Verdichters 4 insbesondere in Relation zu einem optimalen Zustand des Verdichters 4 gibt. Bevorzugt wird daher aus dem Ist-Wirkungsgrad η_is auch direkt der momentane elektrischen Leistungsbedarf des Verdichters 4 ermittelt. Hierzu sind keine speziellen, aufwendigen Berechnungen erforderlich. Zwischen dem Ist-Wirkungsgrad η_is und der elektrischen momentanen Leistungsaufnahme besteht eine vorgegebene Korrelation, sodass also aus einem Abfall des Ist-Wirkungsgrades η_is gleichzeitig auf einen höheren Leistungsbedarf geschlossen werden kann.
• Speziell ist auch keine direkte Messung der Leistungsaufnahme des Verdichters vorgesehen. Hierzu wären entsprechende Messgeräte, beispielsweise zur Strommessung des eingangsseitigen Verdichter-Stroms erforderlich. Bei einigen Anlagen, speziell bei Anlagen mit geringerer Leistung z.B. bis 6 kW oder bis 9 kW Heizleistung der Kältemittel-Anlage, sind solche Messgeräte nicht vorgesehen und würden zu zusätzlichen Kosten führen.
• Die Bestimmung des momentanen Leistungsbedarfs erlaubt eine unmittelbare Aussage, ob ein Austausch des Verdichters 4 erfolgen sollte. Eine Kenntnis oder eine Korrelation zu einer Restlebensdauer, die erst ermittelt werden müsste, ist nicht erforderlich und wird vorzugsweise nicht ausgeführt. Vielmehr wird anhand des ermittelten elektrischen Leistungsbedarfs direkt abgeschätzt, ob der eingesetzte Verdichter 4 ungenügend ist und beispielsweise zu einem nicht zumutbaren hohen Verbrauch führen würde.
• Insgesamt ist durch das hier beschriebene Verfahren eine einfache Bestimmung des Ist-Zustands des Verdichters 4 erreicht und es wird hieraus eine Handlungsempfehlung abgeleitet, falls sich zeigt, dass der Verdichter 4 eine mangelnde Leistung aufweist.
• Bezugszeichenliste

2

Kältemittel-Anlage

4

Verdichter

6

Kreislauf

8

Drucksensor

10

Temperatursensor

12

Auswerteeinheit

14

Recheneinheit

16

Vergleichseinheit

18

Dateneinheit

Tein

Sauggastemperatur

Taus

Heißgastemperatur

pein

Niederdruck

paus

Hochdruck

m

Massenstrom

Pel

elektrische Leistungsaufnahme

ηis

isentroper Ist-Wirkungsgrad

ηis,soll

isentroper Soll-Wirkungsgrad

g

Schwellwert

• 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
• WO 2004099683 A [0003]

Claims (11)

1. Verfahren zur Überwachung einer Kältemittel-Anlage (2) mit einem Kreislauf, in dem ein Kältemittel mittels eines Verdichters (4) gefördert wird, wobei der Verdichter (4) eine momentane elektrische Leistungsaufnahme (P_el) aufweist und einen momentanen Massenstrom (n) des Kältemittels fördert, wobei weiterhin das Kältemittel an einer Saugseite des Verdichters (4) einen Niederdruck (p_ein) und eine Sauggastemperatur (T_ein) und an einer Druckseite einen Hochdruck (p_aus) und eine Heißgastemperatur (T_aus) aufweist, und Leistungsaufnahme (P_el), Massenstrom (n), Niederdruck (p_ein), Sauggastemperatur (T_ein), Hochdruck (p_aus) und Heißgastemperatur (T_aus) Betriebsparameter darstellen und zumindest einige dieser Betriebsparameter während des Betriebs erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Werten dieser Betriebsparameter der momentane isentrope Ist-Wirkungsgrad (η_is) des Verdichters (4) ermittelt wird und hieraus oder aus einer hieraus abgeleiteten Ist-Größe auf einen momentanen Ist-Zustand des Verdichters (4) geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Wirkungsgrad (η_is) aus Niederdruck (p_ein), Sauggastemperatur (T_ein), Hochdruck (p_aus) und Heißgastemperatur (T_aus) ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Wirkungsgrad (η_is) mit einem Soll-Wirkungsgrad (η_is,soll) verglichen und bei einer Abweichung um einen vorgegebenen Schwellwert (g) von beispielsweise 5 % auf einen Schlecht-Zustand des Verdichters (4) geschlossen wird und eine Fehlerwarnung abgegeben wird.
4. Verfahren nach dem Anspruch 3, bei dem der Soll-Wirkungsgrad (η_is,soll) ermittelt wird, insbesondere auf Basis eines Massenstroms (m) sowie der elektrischen Leistungsaufnahme (P_el) des Verdichters (4).
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Wirkungsgrad (η_is,soll) unabhängig ist von dem eingesetzten Verdichter (4).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Ist-Wirkungsgrad (η_is) auf den elektrischen Ist-Leistungsbedarf als abgeleitete Ist-Größe rückgeschlossen wird und durch einen Vergleich mit einem elektrischen Soll-Leistungsbedarf auf den Ist-Zustand geschlossen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Ist-Wirkungsgrades (η_is) oder der hieraus abgeleiteten Ist-Größe wie z.B. Ist-Leistungsbedarf auf eine Restlebensdauer des Verdichters (4) geschlossen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des ermittelten Ist-Zustands auf eine Restlebensdauer des Verdichters (4) zurückgeschlossen wird und hierzu insbesondere der zeitliche Verlauf der ermittelten Ist-Wirkungsgrade (η_is) oder der hieraus abgeleiteten Ist- Größe berücksichtigt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Ist-Wirkungsgrades (η_is) sowie des Ist-Zustandes des Verdichters (4) mittels einer dezentralen Auswerteeinheit (12) als Teil der Kältemittel-Anlage (2) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Ist-Zustandes des Verdichters (4) sowie bei Bedarf ergänzend auch die Ermittlung des Ist-Wirkungsgrades (η_is) innerhalb einer - zur Kältemittel-Anlage (2) entfernten - zentralen Auswerteeinheit (12) erfolgt.
11. Vorrichtung zur Überwachung einer Kältemittel-Anlage (2), die einen Kreislauf aufweist, in dem im Betrieb ein Kältemittel mittels eines Verdichters (4) umgewälzt wird, wobei im Betrieb der Verdichter (4) eine momentane elektrische Leistungsaufnahme (P_el) aufweist und einen momentanen Massenstrom (n) des Kältemittels fördert und wobei weiterhin im Betrieb das Kältemittel an einer Saugseite des Verdichters (4) einen Niederdruck (p_ein) und eine Sauggastemperatur (T_ein) und an einer Druckseite des Verdichters (4) einen Hochdruck (p_aus) und eine Heißgastemperatur (T_aus) aufweist, und Leistungsaufnahme (P_el), Massenstrom (m), Niederdruck (p_ein), Sauggastemperatur (T_ein), Hochdruck (p_aus) und Heißgastemperatur (T_aus) Betriebsparameter darstellen und die Kältemittel-Anlage (2) Einrichtungen aufweist zur Erfassung zumindest einiger dieser Betriebsparameter während des Betriebs, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (12) vorgesehen ist, die derart eingerichtet ist, dass sie aus den Werten dieser Betriebsparameter den momentanen isentropen Ist-Wirkungsgrad (η_is) des Verdichters (4) ermittelt und hieraus oder einer hieraus abgeleiteten Ist-Größe auf einen momentanen Ist-Zustand des Verdichters (4) schließt.

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