DE102021113801A1

DE102021113801A1 - Verfahren und System zum Abtauen eines Kühlaggregats

Info

Publication number: DE102021113801A1
Application number: DE102021113801.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Sauer
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2022-12-01
Also published as: WO2022248227A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Kühlung eines Raums (11) sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Systems (10). Das System (10) weist in dem zu kühlenden Raum (11) ein Kühlaggregat (12) und einen Axialventilator (13) auf. Der Axialventilator (13) ist dazu eingerichtet, eine Gasströmung (G), insbesondere Luftströmung, durch das Kühlaggregat (12) hindurch zu erzeugen, wodurch Wärme von der Gasströmung an ein durch das Kühlaggregat (12) strömendes Kühlmedium (M) übertragen wird. Basierend auf einem Zusammenhang zwischen wenigstens einem Betriebsparameter (P) und einer Blockade (E) in einem Gasströmungspfad (14) wird in einer Steuereinrichtung eine Abtaubedingung geprüft. Ist eine Abtaubedingung erfüllt, wird ein Abtausignal (A) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems sowie ein System aufweisend einen Axialventilator und ein Kühlaggregat. Der Axialventilator ist dazu eingerichtet, eine Gasströmung entlang eines Gasströmungspfades zu erzeugen. Das Kühlaggregat ist im Gasströmungspfad angeordnet. Die Gasströmung kann daher durch das Kühlaggregat strömen und dort gekühlt werden.
Die Flüssigkeitsmenge, die ein Gas, beispielsweise Luft, aufnehmen kann, hängt von der Temperatur ab. Wird das Gas in einem zu kühlenden Raum abgekühlt, kann es weniger Feuchtigkeit aufnehmen und die Feuchtigkeit schlägt sich im Raum nieder. Dies geschieht insbesondere an den kühlen Stellen des Kühlaggregats, wodurch das Kühlaggregat vereisen kann und damit den Strömungspfad für die Gasströmung zumindest teilweise blockiert. Diese Blockade führt wiederum dazu, dass die gewünschte Reichweite bzw. Wurfweite für die Gasströmung nicht erreicht wird. Dies kann dazu führen, dass die gekühlte Luft nicht mehr den ganzen zu kühlenden Raum durchsetzt und Stellen im Raum entstehen, die nicht ausreichend gekühlt werden. Beispielweise können dadurch in einem Kühlraum gelagerte Lebensmittel verderben.
Um dieses Problem einer mangelnden Kühlung zu vermeiden, werden Kühlaggregate in der Regel nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne automatisch abgetaut. Ein derartiges zeitgesteuertes Abtauen ist nachteilig, weil das Abtauen in der Regel zu häufig durchgeführt wird, um eine mangelnde Kühlung zu vermeiden. Ein derart häufiges Abtauen ist aber nicht energieeffizient.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein effizientes Abtauen eines Kühlaggregats zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein System mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 gelöst.
Das System gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Axialventilator auf, der zur Erzeugung einer Gasströmung entlang eines Gasströmungspfades eingerichtet ist. In dem Gasströmungspfad ist stromaufwärts oder stromabwärts des Axialventilators ein Kühlaggregat angeordnet, durch das die Gasströmung hindurchströmen kann. Dabei kann das Kühlaggregat Wärme von der Gasströmung aufnehmen und diese kühlen. Das Kühlaggregat und der Axialventilator sind insbesondere in einem zu kühlenden Raum angeordnet.
Zu dem System gehört außerdem eine Steuereinrichtung, die zur Steuerung des Axialventilators eingerichtet ist.
Der Axialventilator weist einen Elektromotor sowie einen vom Elektromotor drehbar antreibbaren Rotor auf, der die Ventilatorschaufeln bzw. Ventilatorblätter trägt. Der Motor ist insbesondere nicht geregelt, sondern wird über eine Stellgröße gesteuert betrieben. Als Stellgröße kann beispielweise die Motorspannung verwendet werden. Über die Motorspannung kann die Solldrehzahl des Elektromotors eingestellt werden. Bei dem Elektromotor handelt es sich vorzugsweise um einen elektronisch kommutierten, bürstenlosen Elektromotor, der auch als BLDC-Elektromotor bezeichnet werden kann.
Das Kühlaggregat kann Bestandteil eines Kühlkreises sein. Vorzugsweise ist zur Steuerung des Kühlkreises eine Kühlungssteuerung vorhanden. Die Kühlungssteuerung kann separat zur Steuereinrichtung für den Axialventilator ausgebildet sein und mit der Steuereinrichtung kommunikationsverbunden sein. Die Kühlungssteuerung kann auch als Softwarefunktion oder Softwaremodul in dem Steuergerät der Steuereinrichtung für den Axialventilator integriert sein.
Erfindungsgemäß wird nach dem Starten des Axialventilators bei der ersten Inbetriebnahme oder bei einer Wiederinbetriebnahme kontinuierlich oder zeitdiskret wenigstens ein Betriebsparameter des Axialventilators als Systemistgröße ermittelt, die nicht mit der Stellgröße identisch ist. Die Systemistgröße kann beispielweise die Drehzahl des Axialventilators sein oder ein Betriebsparameter, der die Drehzahl des Axialventilators charakterisieren, wie beispielweise der Motorstrom.
Das Erfassen des wenigstens einen Betriebsparameters als Systemistgröße kann durch Messen und/oder Berechnen und/oder Schätzen erfolgen. Der interessierende, erfasste Betriebsparameter kann, muss aber nicht direkt gemessen werden, sondern kann auch indirekt basierend auf anderen Parametern berechnet und/oder geschätzt werden.
Ein Zusammenhang beschreibt die Abhängigkeit zwischen dem wenigstens einen als Systemistgröße erfassten Betriebsparameter und einer Blockade des Gasströmungspfades. Der Zusammenhang kann durch Messungen oder Simulation ermittelt werden. Basierend auf diesem Zusammenhang wird eine Abtaubedingung definiert, die der Steuereinrichtung vorgegeben wird. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet zu prüfen, ob der wenigstens eine Betriebsparameter eine Abtaubedingung erfüllt. Ist dies der Fall, wird ein Abtausignal erzeugt. Ist die Abtaubedingung nicht erfüllt, wird kein Abtausignal erzeugt. Dazu kann beispielweise ein Signalausgang der Steuereinrichtung verwendet werden, der bei Erfüllen der Abtaubedingung einen charakteristischen Zustand annimmt, der dem Abtausignal entspricht. Der Signalausgang kann einen davon abweichenden weiteren Zustand annehmen, solange die Abtaubedingung nicht erfüllt ist.
Anhand des Abtausignals können Maßnahmen zum Abtauen des Kühlaggregats eingeleitet werden. Beispielsweise kann ein automatisches Abtauen des Kühlaggregats mittels der Kühlungssteuerung veranlasst werden. Die Notwendigkeit des Abtauens wird mittels der vorliegenden Erfindung erkannt, so dass ein unnötig häufiges Abtauen vermieden wird. Dennoch kann die Abtaubedingung derart vorgegeben werden, dass das Kühlaggregat rechtzeitig abgetaut wird, bevor eine unzureichende Kühlung eintritt.
Die Abtaubedingung kann abhängig von der Anwendung und dem Einsatz des Systems durch Simulation oder empirisch ermittelt werden. Insbesondere hängt die Abtaubedingung davon ab, wie weit die durch das Kühlaggregat gekühlte Luft entlang des Gasströmungspfades durch den Raum strömen soll (Wurfweite des Axialventilators).
Das Blockieren des Gasströmungspfades durch Vereisen kann aufgrund des zeitlichen Verlaufs des erfassten wenigstens einen Betriebsparameters (wenigstens eine Systemistgröße) von anderen Blockadeeffekten unterschieden werden. Eine Blockade durch Beladung des Kühlaggregats mit Schmutzpartikeln im Laufe der Zeit nimmt wesentlich langsamer zu als eine Blockade durch Eisbildung.
Dieser zusätzliche Blockademechanismus kann bei der vorliegenden Erfindung erkannt und optional ausgewertet werden. Denn eine Beladung des Kühlaggregats mit Schmutzpartikeln wird durch das Abtauen nicht beseitigt. Es besteht die Möglichkeit, den Zustand des Systems nach einem Abtauvorgang bei der Wiederinbetriebnahme zu vergleichen mit dem Zustand bei der ersten Inbetriebnahme und/oder einer vorhergehenden Wiederinbetriebnahme, so dass eine zunehmende Beladung mit Schmutzpartikeln erkannt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Abtausignal einer Kühlungssteuerung übermittelt, die dazu eingerichtet ist, einen Abtauvorgang auszulösen, wenn das Abtausignal empfangen wurde. Die Kühlungssteuerung kann ein separates Steuergerät sein oder als Softwarefunktion oder Softwaremodul in das Steuergerät der Steuereinrichtung für den Axialventilator integriert sein. Vorzugsweise wird der Abtauvorgang durch die Kühlungssteuerung unmittelbar ausgelöst, wenn das Abtausignal empfangen wurde.
Die Steuereinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, den Axialventilator stillzusetzen, nachdem das Abtausignal erzeugt wurde. Zumindest während einer Endphase des Abtauvorgangs wird der Axialventilator stillgesetzt. Nach dem Erzeugen des Abtausignals kann der Axialventilator während einer ersten Phase des Abtauvorgangs noch rotierend angetrieben werden. Dadurch kann während der ersten Phase das noch vorhandene Eis am Kühlaggregat zur Kühlung der Gasströmung genutzt werden, so dass die Energieeffizienz verbessert werden kann.
Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, den Axialventilator nach seinem Stillsetzen während des Abtauvorgangs erst dann wieder in Betrieb zu nehmen, wenn der Abtauvorgang beendet ist.
Die Dauer des Abtauvorgangs und/oder das Ende des Abtauvorgangs kann über eine Abtaudauer ab dem Erzeugen des Abtausignals ermittelt werden. Die Abtaudauer kann in der Steuereinrichtung abgespeichert sein.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn nach dem Ende eines Abtauvorgangs und nach der Wiederinbetriebnahme des Axialventilators geprüft wird, ob eine Reinigungsbedingung erfüllt ist. Die Reinigungsbedingung kann auf dem wenigstens einen Betriebsparameter basieren, der als Systemistgröße erfasst wird. Wenn der vom erfassten wenigstens einen Betriebsparameter definierten Startzustand unmittelbar nach der Wiederinbetriebnahme gegenüber dem Startzustand in einem unverschmutzten Zustand um ein bestimmtes Maß abweicht, kann auf eine Blockade durch eine Verschmutzung geschlossen werden. In diesem Fall ist die Reinigungsbedingung erfüllt und es kann eine Reinigung des Gasströmungspfades, beispielweise eines Filters und/oder des Kühlaggregats veranlasst werden.
Die Reinigungsbedingung kann beispielweise dann erfüllt sein, wenn der wenigstens eine als Systemistgröße erfasste Betriebsparameter einen Inbetriebnahmeschwellenwert unterschreitet. Der Inbetriebnahmeschwellenwert kann basierend auf dem Wert des wenigstens einen Betriebsparameters definiert werden, den der wenigstens eine Betriebsparameter im unverschmutzten Zustand aufweist, beispielsweise bei der ersten Inbetriebnahme bzw. nach der Reinigung.
Der wenigstens eine Betriebsparameter kann die Drehzahl des Axialventilators sein oder die Drehzahl des Axialventilators zusätzlich zu einem oder mehreren weiteren Betriebsparametern aufweisen. Der Zusammenhang kann eine Drehzahl-Blockade-Kennlinie sein, die die Abhängigkeit zwischen der Ventilatordrehzahl und der Blockade des Gasströmungspfades beschreibt. Die Drehzahl-Blockade-Kennlinie kann durch Simulation und/oder durch Messung oder auf einer anderen beliebigen Art ermittelt werden.
Der wenigstens eine als Systemistgröße erfasste Betriebsparameter kann auch durch den Motorstrom des Elektromotors des Axialventilators sein oder zusätzlich zu einem oder mehreren weiteren Betriebsparametern den Motorstrom aufweisen. In diesem Fall kann der Zusammenhang eine Motorstrom-Blockade-Kennlinie sein, die eine Abhängigkeit zwischen dem Motorstrom und der Blockade des Gasströmungspfades beschreibt. Die Motorstrom-Blockade-Kennlinie kann durch Simulation und/oder Messung oder auf andere Weise ermittelt werden.
Anstelle von Kennlinien können auch Kennfelder, Tabellen oder andere Möglichkeiten verwendet werden, um den Zusammenhang zwischen dem wenigstens einen erfassten Betriebsparameter (wenigstens eine Systemistgröße) und der Blockade des Gasströmungspfades zu beschreiben.
Wenn das System einen vorgegebenen Betriebspunkt erreicht, der durch den bekannten Zusammenhang zwischen dem wenigstens einen Betriebsparameter und der Blockade definiert ist, kann die Abtaubedingung erfüllt sein. Das Erreichen dieses Betriebspunktes kann durch das Erfassen des wenigstens einen Betriebsparameters erkannt werden. Da der Zusammenhang (z.B. Kennlinie, Kennfeld, Tabelle oder dergleichen) bekannt ist, kann der Betriebspunkt abhängig von der Anwendung frei gewählt werden, also insbesondere für einen beliebigen Wert der Blockade zwischen 0% und 100%. Dazu kann die Abtaubedingung im einfachsten Fall einen einzigen Schwellenwertvergleich mit dem wenigstens einen Betriebsparameter durchführen oder den zeitlichen Verlauf der Änderung des wenigstens einen Betriebsparameters prüfen, beispielsweise durch Vergleich von zeitlich mit Abstand erfassten Werten des wenigstens einen Betriebsparameters oder mehrere aufeinanderfolgende Schwellenwertvergleiche.
Es ist bevorzugt, wenn das Kühlaggregat Bestandteil eines Kühlkreises ist, in dem ein Kühlmedium strömt. Das Kühlmedium durchströmt dabei auch das Kühlaggregat. Das Kühlaggregat kann ein Wärmeübertrager sein und in einem zu kühlenden Raum angeordnet sein. Ein außerhalb des zu kühlenden Raums angeordneter weiterer Wärmeübertrager kann ebenfalls Bestandteil des Kühlkreises sind. In dem Kühlkreis können außerdem ein Verdichter, insbesondere eine Pumpe und/oder eine Drossel zur Druckreduzierung in Strömungsrichtung des Kühlmediums angeordnet werden. Während des Kühlbetriebs des Kühlkreises kann der Wärmeübertrager in dem zu kühlenden Raum einen Verdampfer bilden und der Wärmeübertrager außerhalb des zu kühlenden Raums kann einen Kondensator bilden.
Eine Kühlungssteuerung für den Kühlkreis kann während des Abtauens die Strömungsrichtung des Kühlmediums umkehren, so dass der Wärmeübertrager im Kühlraum einen Kondensator bildet und der Wärmeübertrager außerhalb des Kühlraums einen Verdampfer bildet. Das Kühlmedium kann zum Abtauvorgang daher eine ausreichend hohe Temperatur aufweisen, um ein Abtauen des Eises am Kühlaggregat zu bewirken.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Systems zur Kühlung eines Raums,
2 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels des Systems aus 1 aufweisend einen Kühlkreis und einen Axialventilator sowie eine Steuereinrichtung,
3 eine schematische Darstellung einer Drehzahl-Blockade-Kennlinie, die den Verlauf einer Drehzahl des Axialventilators aus den 1 und 2 in Abhängigkeit von einer Blockade des Gasströmungspfades darstellt,
4 eine schematische Darstellung einer Motorstrom-Blockade-Kennlinie, die den Verlauf des Motorstromes eines Elektromotors des Axialventilators in Abhängigkeit von einer Blockade des Gasströmungspfades zeigt,
5 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
6 eine schematische Darstellung der Veränderung der Kennlinien gemäß der 3 und 4 durch eine Verschmutzung eines im Gasströmungspfad angeordneten Bauteils.

In 1 und 2 ist jeweils schematisch nach Art eines Blockschaltbildes ein System 10 veranschaulicht. Das System 10 ist dazu eingerichtet, einen Raum 11 zu kühlen. Zu diesem Zweck ist innerhalb des Raums 11 ein Kühlaggregat 12 sowie ein Axialventilator 13 veranschaulicht. Der Axialventilator 13 ist dazu eingerichtet, eine Gasströmung G, insbesondere eine Luftströmung, entlang eines Gasströmungspfades 14 zu erzeugen. In dem zu kühlenden Raum 11 kann abhängig von der Anwendung anstelle von Luft aber auch eine CO₂-Atmosphäre oder ein anderes Gas vorhanden sein.
Der Gasströmungspfad 14 erstreckt sich von einem Einlass 15 zu einem Auslass 16 eines Strömungskanals 17. Der Strömungskanal 17 kann beispielweise durch ein Gehäuse des Kühlaggregats 12 und ein Gehäuse des Axialventilators 13 gebildet sein und optional zusätzliche Gasströmungsleiteinrichtungen und/oder Gehäuseteile aufweisen. Die Gasströmung G tritt bei einem Betrieb des Axialventilators 13 am Einlass 15 in den Strömungskanal 17 ein und am Auslass 16 aus dem Strömungskanal 17 aus.
Der Axialventilator 13 weist einen Elektromotor 18 sowie einen vom Elektromotor 18 antreibbaren Rotor 19 auf, an dem die Ventilatorschaufeln angeordnet sind. Mittels einer Steuereinrichtung 20 des Systems 10 wird der Elektromotor 18 angesteuert. Beim Ausführungsbeispiel gibt die Steuereinrichtung 20 eine Stellgröße S an den Elektromotor 18 aus. Der Elektromotor 18 wird vorzugsweise nicht geregelt, sondern auf Basis der Stellgröße S gesteuert betrieben. Die Stellgröße S ist beim Ausführungsbeispiel die Motorspannung des Elektromotors 18, bei der die Amplitude und/oder die Frequenz eingestellt werden kann. Während des Kühlbetriebs kann die Stellgröße S unverändert bleiben.
Bei dem Elektromotor 18 kann es sich um einen elektronisch kommutierten, bürstenlosen Elektromotor 18 handeln, der auch als BLDC-Motor oder EC-Motor bezeichnet wird. Der Elektromotor 18 ist bevorzugt permanenterregt.
Wenigstens ein Betriebsparameter P, der den Betrieb des Axialventilators 13 und insbesondere des Elektromotors 18 beschreibt, wird als Systemistgröße erfasst. Der Betriebsparameter P kann beispielsweise über einen Sensor gemessen werden oder auf Basis von weiteren Parametern berechnet und/oder geschätzt werden. Der als Systemistgröße erfasste Betriebsparameter ist verschieden von der Stellgröße S. In 2 ist lediglich beispielhaft veranschaulicht, dass der Betriebsparameter P sensorisch gemessen wird. Bei dem Betriebsparameter P kann es sich beispielsweise um die Drehzahl n des Axialventilators 13 und/oder den Motorstrom I des Elektromotors 18 handeln. Beispielsweise könnte die Drehzahl n mittels eines Drehzahlsensors 21 ermittelt werden.
Als Drehzahl des Axialventilators kann die Drehzahl des Elektromotors 18 und/oder die Drehzahl des Rotors 19 verwendet werden. Beim Ausführungsbeispiel ist der Rotor 19 getriebelos drehfest mit dem Rotor des Elektromotors 18 gekoppelt, so dass die Drehzahl des Elektromotors 18 mit der Drehzahl des Rotors 19 übereinstimmt.
Das Kühlaggregat 12 ist beispielsgemäß Bestandteil eines Kühlkreises 25. Der Kühlkreis 25 weist einen geschlossenen Strömungskreis für ein Kühlmedium M auf. Das Kühlmedium strömt zwischen dem Kühlaggregat 12 und einem außerhalb des zu kühlenden Raums 11 angeordneten Wärmeübertrager 26. Zur Kühlung des Raums 11 arbeitet der Wärmeübertrager 26 als Kondensator bzw. Verflüssiger und das durch einen Wärmeübertrager gebildete Kühlaggregat 12 arbeitet als Verdampfer. Um das Kühlmedium M zwischen dem Kühlaggregat 12 und dem Wärmeübertrager 26 zu fördern, weist der Kühlkreis 25 in einem Zweig eine Pumpe bzw. einen Verdichter 27 auf. Außerdem ist zwischen dem Kühlaggregat 12 und dem Wärmeübertrager 26 in einem parallelen Zweig eine Drossel 28 oder ein anderes Bauteil zur Druckreduzierung des strömenden Kühlmediums M vorhanden.
Der Kühlkreis 25 weist außerdem eine Kühlungssteuerung 29 auf. Die Kühlungssteuerung 29 ist zur Steuerung oder Regelung des Kühlkreises 25 eingerichtet. Die Steuereinrichtung 20 und die Kühlungssteuerung 29 können durch separate Steuergeräte gebildet sein oder jeweils als Softwarefunktion oder Softwaremodul in einem gemeinsamen Steuergerät implementiert sein.
Die Kühlungssteuerung 29 ist beim Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet, eine Umschaltanordnung 30 des Kühlkreises 25 anzusteuern. Die Umschaltanordnung 30 kann mehrere Umschaltventilbaugruppen aufweisen, um die Strömung des Kühlmediums M abhängig vom Betriebszustand des Kühlkreises zu steuern. Die Umschaltanordnung 30 ist dazu eingerichtet zur Kühlung des Raums 11 eine Strömungsrichtung des Kühlmediums M im Kühlkreis 25 vorzugeben, die vom Wärmeübertrager 26 über die zur Druckreduzierung eingerichtete Drossel 28 zum Kühlaggregat 12 strömt, durch das Kühlaggregat 12 hindurch, und über den Verdichter 27 zurück zum Wärmeübertrager 26. Bei dieser Strömung des Kühlmediums M kann das Kühlmedium M im Kühlaggregat 12 Wärme aufnehmen und außerhalb des zu kühlenden Raums 11 über den Wärmeübertrager 26 Wärme abgeben.
Die Kühlungssteuerung 29 kann die Umschaltanordnung 30 in einen weiteren Schaltzustand umschalten, in dem das Kühlmedium M vom Wärmeübertrager 26 über den Verdichter 27 zum Kühlaggregat 12 strömt und von dort über die Drossel 28 zur Druckreduzierung zum Wärmeübertrager 26. In diesem Zustand gibt das Kühlmedium M im Kühlaggregat 12 Wärme ab und nimmt im Wärmeübertrager 26 Wärme auf. Dieser Betriebszustand kann während eines Abtauvorgangs zum Abtauen von Eis am Kühlaggregat 12 genutzt werden.
Die Darstellung der Umschaltanordnung 30 in 2 ist stark schematisiert. Die in den 1 und 2 veranschaulichte Strömung des Kühlmediums M entspricht der Strömungsrichtung während des Kühlens des Raums 11.
Beim Kühlen des Raums 11 gibt die im Raum 11 gekühlte Luft Feuchtigkeit ab, die sich auch an den kalten Stellen des Kühlaggregates 12 niederschlägt. Dadurch kann Eis am Kühlaggregat 12 gebildet werden, das den Gasströmungspfad 14 zumindest teilweise blockiert.
Die 3 und 4 zeigen beispielhafte Zusammenhänge zwischen einem Betriebsparameter P, beispielsgemäß der Drehzahl n und des Motorstroms I, und der Blockade E des Gasströmungspfades 14. Es können zusätzlich oder alternativ auch andere Betriebsparameter P erfasst werden, die die Drehzahl n oder den Motorstrom I charakterisieren. Anhand dieses wenigstens einen Betriebsparameters P und des bekannten Zusammenhangs mit der Blockade E kann daher auf den Wert bzw. Betrag der Blockade E geschlossen werden. Der wenigstens eine erfasste Betriebsparameter P bildet eine sich von der Stellgröße S unterscheidende Systemistgröße. In den 3 und 4 ist die Blockade E zwischen 0% und 100% in der Abszisse dargestellt. In den 3 und 4 sind als Beispiel für eine Systemistgröße die Drehzahl n und der Motorstrom I veranschaulicht (Ordinate).
Wie es aus den 3 und 4 hervorgeht, haben beispielsweise die Drehzahl n des Axialventilators 13 und der Motorstrom I des Elektromotors 18 einen charakteristischen Verlauf abhängig von der Blockade E. Ausgehend von einem nicht blockierten Gasströmungspfad der Gasströmung G durch das Kühlaggregat 12 (E=0%) sinkt die Drehzahl n bzw. der Motorstrom I bis zu einem lokalen Minimum ab, das bei einem ersten Blockadewert E₁ erreicht wird. Anschließend steigt die Drehzahl n bzw. der Motorstrom I bis zu einem lokalen Maximum an, das bei einem zweiten Blockadewert E₂ erreicht wird, der größer ist als der erste Blockadewert E₁, Ausgehend von dem lokalen Maximum sinkt die Drehzahl n bzw. der Motorstrom I mit weiter zunehmender Blockade E sinkt die Drehzahl n bzw. der Motorstrom I mit zunehmender Blockade des Gasströmungspfades 14 wieder ab. Wegen der lokalen Extrempunkte haben die Zusammenhänge zwischen der Drehzahl n bzw. dem Motorstrom I und der Blockade E jeweils einen nicht eindeutigen Bereich y.
Der Zusammenhang zwischen der Systemistgröße und der Blockade E des Gasströmungspfades 14 ist bekannt, also beispielsweise eine in 3 dargestellte Drehzahl-Blockade-Kennlinie K1 oder eine in 4 veranschaulichte Motorstrom-Blockade-Kennlinie K2. Anstelle von Kennlinien können auch Kennfelder, Tabellen oder dergleichen verwendet werden, die den Zusammenhang zwischen dem wenigstens einen als Systemistgröße erfassten Betriebsparameter P und der Blockade E beschreiben.
Abhängig von der konkreten Anwendung kann durch die sinkende Drehzahl n des Axialventilators 13 eine Reichweite x der aus dem Auslass 16 des Gasströmungspfades 14 ausströmenden gekühlten Gasströmung G nicht ausreichen. Diese Reichweite x wird auch als Wurfweite bezeichnet. In dem Raum 11 befinden sich zu kühlende gelagerte Gegenstände 33, beispielsweise Lebensmittel. Wenn die Reichweite x nicht mehr ausreicht, kann es sein, dass die gekühlte Gasströmung G nicht mehr alle zu kühlenden Gegenstände 33 erreicht und die Kühlwirkung somit unzureichend ist. Um dies zu vermeiden, muss das Kühlaggregat 12 regelmäßig abgetaut werden, um eine Blockade E durch Vereisen zu vermeiden, die eine unzureichende Kühlungswirkung zur Folge hätte.
Erfindungsgemäß wird aufgrund des bekannten Zusammenhangs zwischen dem wenigstens einen erfassten Betriebsparameter P (z.B. Drehzahl n oder Motorstrom I) und der Blockade E eine Abtaubedingung definiert. Die Abtaubedingung kann beispielsweise das Erreichen eines Betriebspunktes der Drehzahl-Blockade-Kennlinie K1 oder der Motorstrom-Blockade-Kennlinie K2 sein.
Wie erwähnt hat sowohl die Drehzahl-Blockade-Kennlinie K1, als auch die Motorstrom-Blockade-Kennlinie K2 einen nicht eindeutigen Bereich y. Eine einzige Schwellenwertabfrage als Abtaubedingung ist nur dann möglich, wenn das Abtauen an einem Betriebspunkt vor Erreichen des lokalen Minimums beim ersten Blockadewert E₁ erfolgen soll. Das Erreichen eines Betriebspunkt mit einem Blockadewert E>E₁ oder E>E₂ kann beispielsweise geprüft werden, indem der zeitliche Verlauf der Änderung des Betriebsparameters P berücksichtigt wird. Zum Beispiel können zwei oder mehr zeitlich aufeinanderfolgende Werte der Drehzahl n oder des Motorstroms I miteinander verglichen werden, so dass festgestellt werden kann, ob das lokale Minimum oder das lokale Maximum überschritten wurde. Dann ist bekannt, auf welchem ansteigenden oder abfallenden Ast sich der aktuelle Betriebspunkt befindet und es kann dann das Erreichen eines vordefinierten Betriebspunktes als Abtaubedingung auf jedem beliebigen Ast der Kennlinien geprüft werden.
Wenn die Abtaubedingung erfüllt ist, erzeugt die Steuereinrichtung 20 ein Abtausignal A. Das Abtausignal A wird beispielsgemäß an die Kühlungssteuerung 29 übermittelt, die dann die Strömungsrichtung des Kühlmediums M umschaltet, um das Kühlaggregat 12 abzutauen und vom gebildeten Eis zu befreien. Der Abtauzustand kann durch den vorbekannten Zusammenhang zwischen dem wenigstens einen Betriebsparameter P und der Blockade E identifiziert werden. Das Abtauen erfolgt somit genau dann, wenn es erforderlich ist. Ein zeitlich regelmäßiges Abtauen ist nicht erforderlich. Unnötige Abtauvorgänge werden vermieden. Dadurch ist eine hohe Energieeffizienz erreicht.
Während des Abtauvorgangs kann der Axialventilator 13 zumindest zeitweise stillgesetzt werden. Die Steuereinrichtung 20 kann das Stillsetzen des Axialventilators 13 über die Stellgröße S gleichzeitig oder unmittelbar nach dem Erzeugen des Abtausignals A veranlassen oder alternativ das Stillsetzen des Axialventilators 13 zeitverzögert ab dem Erzeugen des Abtausignals A veranlassen. Wenn der Abtauvorgang begonnen hat, befindet sich noch ausreichend Eis am Kühlaggregat 12. Durch das Kühlaggregat 12 strömendes Gas (beispielsgemäß Luft) wird daher durch das Vorbeiströmen am Eis gekühlt. Dieser Effekt kann während einer ersten Abtauphase genutzt werden, um weiterhin Gas im zu kühlenden Raum 11 zu kühlen. Die Zeitdauer für ein fortgesetztes drehendes Antreiben des Axialventilators 13 nach dem Erzeugen des Abtausignals A kann vorgegeben werden oder es kann eine andere Ausschaltbedingung für das Ausschalten des Axialventilators 13 während des Abtauvorgangs definiert werden, beispielsweise wenn der wenigstens eine Betriebsparameter einen Betriebspunkt erreicht hat.
Zumindest während der letzten Phase des Abtauvorgangs wird der Axialventilator 13 mittels der Steuereinrichtung 20 stillgesetzt. Erst wenn der Abtauvorgang abgeschlossen wurde, kann die Steuereinrichtung 20 den Axialventilator 13 wieder in Betrieb nehmen. Das Ende des Abtauvorgangs kann durch eine vorgegebene Abtaudauer in der Steuereinrichtung 20 bekannt sein. Der Axialventilator 13 kann in diesem Fall wieder in Betrieb genommen werden, sobald ab dem Erzeugen des Abtausignals A die Abtaudauer abgelaufen ist. Alternativ dazu kann die Kühlungssteuerung 29 ein Signal an die Steuereinrichtung 20 übermitteln, das angibt, dass der Abtauvorgang beendet ist und der Kühlkreis 25 wieder den zur Kühlung des Raums 11 erforderlichen Betriebszustand (Strömungsrichtung des Kühlmediums M) eingenommen hat.
Beispielsgemäß wird außerdem unmittelbar nach der ersten Inbetriebnahme und unmittelbar nach der Wiederinbetriebnahme im Anschluss an einen Abtauvorgang der Startwert des wenigstens einen Betriebsparameters, beispielsweise der Drehzahl n bzw. des Motorstroms I abgespeichert. Dieser Startwert beschreibt einen Gasströmungspfad 14, der nicht durch Eis am Kühlaggregat 12 blockiert ist. Eine Blockade des Gasströmungspfades 14 zwischen dem Einlass 15 und dem Auslass 16 kann zusätzlich zur Vereisung auch durch eine Verschmutzung stattfinden. Die fortschreitende Beladung mit Schmutzpartikeln schreitet zeitlich gesehen wesentlich langsamer voran als das Auftreten von Eis am Kühlaggregat 12. Dies hat jedoch zur Folge, dass der ursprüngliche Startwert für den wenigstens einen Betriebsparameter, den er bei einem unverschmutzten Gasströmungspfad hat, mit zunehmender Verschmutzung nach einem Abtauvorgang nicht mehr erreicht wird. Der Verlauf der Startwerte ist daher ein Maß für die Blockade des Gasströmungspfades 14 durch auftretende Verschmutzung. Es kann somit auch eine Reinigungsbedingung definiert werden, bei deren Erfüllung das Reinigen des Gasströmungspfades 14 angefordert wird. Die Reinigungsbedingung ist beim Ausführungsbeispiel das Unterschreiten eines Inbetriebnahmeschwellenwertes für den wenigstens einen Betriebsparameter, beispielsweise eines Inbetriebnahmeschwellenwertes n_min für die die Drehzahl n und/oder eines Inbetriebnahmeschwellenwertes I_min für den Motorstrom I.
Die Funktionsweise des Systems 10 wird beispielhaft unter Verweis auf die 5 und 6 nachfolgend erläutert.
Nach dem Start des Verfahrens zum Betreiben des Systems 10 wird in einem ersten Schritt 40 der Axialventilator 13 eingeschaltet und der Kühlkreis 25 zur Kühlung des Raums 11 betrieben. Das Kühlmedium M strömt durch das Kühlaggregat 12 und nimmt dabei Wärme auf, die es außerhalb des zu kühlenden Raums 11 über den Wärmeübertrager 26 wieder abgibt. Mittels des rotierenden Axialventilators 13 wird eine Gasströmung G durch das Kühlaggregat 12 hindurch in dem zu kühlenden Raum 11 erzeugt. Das durch das Kühlaggregat 12 strömende Gas gibt beim Durchströmen des Kühlaggregats 12 Wärme an das Kühlmedium M ab.
In dem ersten Schritt 40 wird außerdem veranlasst, dass wenigstens ein Betriebsparameter P und beispielsgemäß die Drehzahl n und/oder der Motorstrom I kontinuierlich oder zeitdiskret in einem vorgegebenen Intervall erfasst werden. Unmittelbar nach der ersten Inbetriebnahme wird der Startwert für den erfassten Betriebsparameter P abgespeichert, beispielsgemäß der Startwert n₀ für die Drehzahl n oder der Startwert I₀ für den Motorstrom I. Die Erfassung erfolgt zu einem Startzeitpunkt t₀, wie es in 6 schematisch veranschaulicht ist. Der wenigstens eine Startwert n₀, I₀ wird im zweiten Schritt 41 gespeichert.
Im Anschluss daran wird in einem dritten Schritt 42 geprüft, ob eine Reinigungsbedingung erfüllt ist. Als Reinigungsbedingung wird dazu der Startwert des wenigstens einen Betriebsparameters P mit einem Inbetriebnahmeschwellenwert verglichen. Beim Ausführungsbeispiel kann der Startwert für die Drehzahl n und/oder der Startwert für Motorstrom I mit dem jeweils zugeordneten Inbetriebnahmeschwellenwert n_min, I_min verglichen werden. Wird der Inbetriebnahmeschwellenwert unterschritten, ist die Reinigungsbedingung erfüllt (Verzweigung OK aus dem dritten Schritt 42 und das Verfahren wird im vierten Schritt 43 fortgesetzt. In diesem vierten Schritt 43 wird eine Reinigung des Gasströmungspfades 14 angefordert, beispielsweise indem ein entsprechendes Signal an einer Nutzerschnittstelle ausgegeben wird.
Nach dem vierten Schritt 43 wird das Verfahren in einem fünften Schritt 44 fortgesetzt. Das Verfahren wird auch im fünften Schritt 44 fortgesetzt, wenn die Reinigungsbedingung nicht erfüllt ist (Verzweigung NOK aus dem dritten Schritt 42).
In dem fünften Schritt 44 wird geprüft, ob die Abtaubedingung erfüllt ist. Solange dies nicht der Fall ist, wird das System 10 weiter betrieben und das Erfüllen der Abtaubedingung wird zyklisch geprüft (Verzweigung NOK aus dem fünften Schritt 44). Sobald die Abtaubedingung erfüllt ist (Verzweigung OK aus dem fünften Schritt 44), wird das Verfahren im sechsten Schritt 45 fortgesetzt. Beim Ausführungsbeispiel ist die Abtaubedingung zu einem ersten Zeitpunkt t₁ erfüllt (6). Zu diesem ersten Zeitpunkt t₁ hat die Blockade E einen Betriebspunkt erreicht, der größer ist als der zweite Wert E₂ der Blockade E, wie es in 6 beispielhaft veranschaulicht ist. Es versteht sich, dass der Betriebspunkt, dessen Erreichen die Abtaubedingung erfüllt, auch an einer beliebigen anderen Stelle der Kennlinie K1, K2 definiert werden kann.
Sobald die Abtaubedingung erfüllt ist, wird im sechsten Schritt 45 das Abtausignal A erzeugt. Beim Ausführungsbeispiel wird das Abtausignal A an die Kühlungssteuerung 29 übermittelt. Die Kühlungssteuerung 29 startet in einem siebten Schritt 46 nach dem Empfang des Abtausignals A den Abtauvorgang. Während des Abtauvorgangs wird der Axialventilator 13 zumindest zeitweise stillgesetzt, wie es vorstehend bereits erläutert wurde.
In einem achten Schritt 47 wird überprüft, ob der Abtauvorgang beendet wurde. Trifft dies zu, wird das Verfahren wieder im ersten Schritt 40 fortgesetzt (Verzweigung OK aus dem achten Schritt 47). Solange der Abtauvorgang durch die Kühlungssteuerung 29 noch nicht beendet wurde, wird zyklisch geprüft, ob der Abtauvorgang beendet ist (Verzweigung NOK aus dem achten Schritt 47).
Der Abtauvorgang kann beispielsweise eine vorgegebene Zeitdauer haben. Nach Ablauf dieser Zeitdauer schaltet die Kühlungssteuerung 29 den Kühlkreis 25 wieder in den Kühlbetrieb um und der Abtauvorgang ist beendet. Das Ende des Abtauvorgangs kann von der Kühlungssteuerung 29 an die Steuereinrichtung 20 übermittelt werden oder der Steuereinrichtung 20 kann die Dauer des Abtauvorgangs bekannt sein, so dass die Steuereinrichtung 20 durch Zeitüberwachung das Ende des Abtauvorgangs feststellen kann.
Bei dem in 6 veranschaulichten Ausführungsbeispiel endet der Abtauvorgang zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ und das Verfahren setzt den Betrieb des Systems 10 wieder im ersten Schritt 40 fort. Im darauffolgenden zweiten Schritt 41 nach dem Ende des Abtauvorgangs wird ein weiterer Startwert für den wenigstens einen Betriebsparameter P erfasst, beispielsgemäß ein weiterer Startwert n₁ für die Drehzahl n und/oder ein weiterer Startwert I₁ für den Motorstrom I. Wie es beispielhaft schematisch veranschaulicht ist, ist der weitere Startwert n₁, I₁ kleiner als der jeweils entsprechende erste Startwert n₀, I₀. Dies ist darauf zurückzuführen, dass mit zunehmender Gesamtbetriebsdauer nicht nur eine Eisbildung am Kühlaggregat 12 den Gasströmungspfad 14 blockieren kann, sondern auch eine zunehmende Verschmutzung. Der Startwert des wenigstens einen Betriebsparameters P ist ein Maß für diese Verschmutzung, da zu diesem Zeitpunkt noch keine Eisbildung am Kühlaggregat 12 erfolgt ist. Daher können die nach jedem Abtauvorgang erfassten Startwerte als Kennzeichnung für die Verschmutzung dienen und basierend darauf eine Reinigungsbedingung definiert werden, beispielsweise der Vergleich mit einem jeweiligen Inbetriebnahmeschwellenwert n_min, I_min.
Der Inbetriebnahmeschwellenwert kann beispielsweise abhängig vom ersten Startwert der allerersten Inbetriebnahme bzw. der Inbetriebnahme nach einer Reinigung des Gasströmungspfades 14 definiert werden. Er kann beispielsweise einem vorgegebenen prozentualen Anteil vom ersten Startwert entsprechen.
Die Erfindung betrifft ein System zur Kühlung eines Raums 11 sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Systems 10. Das System 10 weist in dem zu kühlenden Raum 11 ein Kühlaggregat 12 und einen Axialventilator 13 auf. Der Axialventilator 13 ist dazu eingerichtet, eine Gasströmung G, insbesondere Luftströmung, durch das Kühlaggregat 12 hindurch zu erzeugen, wodurch Wärme von der Gasströmung an ein durch das Kühlaggregat 12 strömendes Kühlmedium M übertragen wird. Ein Zusammenhang zwischen wenigstens einem Betriebsparameter P und einer Blockade E in einem Gasströmungspfad 14 kann ermittelt werden, beispielsweise durch Simulation oder empirisch. In einer Steuereinrichtung 20 des Systems 10 wird basierend auf diesem bekannten Zusammenhang eine Abtaubedingung definiert und anhand des aktuellen Wert des wenigstens einen Betriebsparameters P geprüft werden, ob die Abtaubedingung erfüllt ist. Trifft dies zu, wird ein Abtausignal A erzeugt. Das Abtausignal kann ein automatisches Abtauen auslösen oder eine Bedienperson über eine Benutzerschnittstelle anzeigen, dass ein Abtauen erforderlich ist.
Bezugszeichenliste

10: System
11: Raum
12: Kühlaggregat
13: Axialventilator
14: Gasströmungspfad
15: Einlass
16: Auslass
17: Strömungskanal
18: Elektromotor
19: Rotor
20: Steuereinrichtung
21: Drehzahlsensor
25: Kühlkreis
26: Wärmeübertrager
27: Verdichter
28: Drossel
29: Kühlungssteuerung
30: Umschaltanordnung
33: Gegenstand
40: erster Schritt
41: zweiter Schritt
42: dritter Schritt
43: vierter Schritt
44: fünfter Schritt
45: sechster Schritt
46: siebter Schritt
47: achter Schritt
A: Abtausignal
E: Blockade
E1: erster Blockadewert
E2: zweiter Blockadewert
G: Gasströmung
I: Motorstrom
I0: Startwert des Motorstroms
I1: weiterer Startwert des Motorstroms
Imin: Inbetriebnahmeschwellenwert des Motorstroms
K1: Drehzahl-Blockade-Kennlinie
K2: Motorstrom-Blockade-Kennlinie
M: Kühlmedium
n: Drehzahl
n0: Startwert der Drehzahl
n1: weiterer Startwert der Drehzahl
nmin: Inbetriebnahmeschwellenwert der Drehzahl
P: Betriebsparameter
S: Stellgröße
t0: Startzeitpunkt
t1: erster Zeitpunkt
t2: zweiter Zeitpunkt
t3: dritter Zeitpunkt
x: Reichweite
y: nicht eindeutiger Bereich

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Systems (10) aufweisend einen Axialventilator (13), der zur Erzeugung einer Gasströmung (G) entlang eines Gasströmungspfades (14) eingerichtet ist, ein stromabwärts oder stromaufwärts des Axialventilators (13) im Gasströmungspfad (14) angeordnetes Kühlaggregat (12), und eine Steuereinrichtung (20) für den Axialventilator (13), wobei das Verfahren umfasst: - Starten des Axialventilators (13), - kontinuierliches oder zeitdiskretes Ermitteln wenigstens eines Betriebsparameters (n, I) des Axialventilators (13) mittels der Steuereinrichtung (20), - Prüfen mittels der Steuereinrichtung (20), ob der wenigstens eine Betriebsparameter (n, I) eine Abtaubedingung erfüllt, die auf einem Zusammenhang (K1, K2) zwischen dem wenigstens einen Betriebsparameter (n, I) und einer Blockade (E) des Gasströmungspfades basiert, - Erzeugen eines Abtausignals (A) mittels der Steuereinrichtung (20), wenn der wenigstens eine Betriebsparameter (n, I) die Abtaubedingung erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abtausignal (A) einer Kühlungssteuerung (29) übermittelt wird, die dazu eingerichtet ist, einen Abtauvorgang auszulösen, wenn das Abtausignal (A) empfangen wurde.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung (20) dazu eingerichtet ist, den Axialventilator (13) stillzusetzen, nachdem das Abtausignal (A) erzeugt wurde.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (20) dazu eingerichtet ist, den Axialventilator (13) erst nach dem Ende des Abtauvorgangs wieder in Betrieb zu nehmen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (20) eingerichtet nach der Wiederinbetriebnahme des Axialventilators (13) zu prüfen, ob eine Reinigungsbedingung erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Reinigungsbedingung erfüllt ist, wenn der wenigstens eine Betriebsparameter (P) einen Inbetriebnahmeschwellenwert (n_min, I_min) unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Inbetriebnahmeschwellenwert (n_min, I_min) basierend auf dem bei der ersten Inbetriebnahme ermittelten wenigstens einen Betriebsparameter (nso, Iso) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter die Drehzahl (n) des Axialventilators (13) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Abtaubedingung erfüllt ist, wenn die Ventilatordrehzahl (n) einen Betriebspunkt in einer Drehzahl-Blockade-Kennlinie (K1) erreicht hat, die den Zusammenhang zwischen der Ventilatordrehzahl (n) und der Blockade (E) des Gasströmungspfades beschreibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter einen Motorstrom (I) eines Elektromotors (18) des Axialventilators (13) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Abtaubedingung erfüllt ist, wenn der Motorstrom (I) einen Betriebspunkt in einer Motorstrom-Blockade-Kennlinie (K2) erreicht hat, die den Zusammenhang zwischen dem Motorstrom (I) und der Blockade (E) des Gasströmungspfades beschreibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlaggregat (12) Bestandteil eines Kühlkreises (25) ist und von einem Kühlmedium (M) durchströmbar ist, und wobei das Kühlmedium (M) während des Abtauvorgangs eine Temperatur aufweist, die ein Abtauen des Eises am Kühlaggregat (12) bewirkt.
System (10) aufweisend: einen Axialventilator (13), der zur Erzeugung einer Gasströmung (G) entlang eines Gasströmungspfades (14) eingerichtet ist, ein stromabwärts oder stromaufwärts des Axialventilators (13) im Gasströmungspfad (14) angeordnetes Kühlaggregat (12), und eine Steuereinrichtung (20), die dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
System nach Anspruch 13, wobei das Kühlaggregat (12) und der Axialventilator (13) in einem zu kühlenden Raum (11) angeordnet sind, und wobei das Kühlaggregat (12) Bestandteil eines von einem Kühlmedium (M) durchströmten Kühlkreises (25) ist, der einen außerhalb des zu kühlenden Raums (11) angeordneten Wärmeübertrager (26) aufweist.
System nach Anspruch 14, wobei der Kühlkreis (25) eine Kühlungssteuerung (29) aufweist, die zur Steuerung des Kühlkreises (25) eingerichtet ist.