-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kaltdampf-Kältemaschine mit einem Verdampfer
zur Verdampfung des Kältemittels,
mit einem Kompressor zur Verdichtung des Kältemittels, mit einem Verflüssiger oder
Gaskühler
zur Kondensation des Kältemittels
bzw. zur Wärmeabgabe
sowie mit einer Entspannungseinrichtung zur Entspannung des Kältemittels.
-
Der
Ausdruck „Kaltdampf-Kältemaschine" umfasst im Rahmen
der vorliegenden Erfindung sowohl Kaltdampf-Klimaanlagen als auch
Kaltdampf-Wärmepumpen.
Bezugnahmen auf Kaltdampf-Klimaanlagen gelten dementsprechend sinngemäß auch für Kaltdampf-Wärmepumpen.
-
Die
Funktionsweise von Kaltdampf-Kältemaschinen
setzt ein geregeltes Drosselorgan voraus, das nach bestimmten Kriterien
den Druckverlust bzw. die Expansion des Kältemittels steuert. Derartige
Kriterien können
die Überhitzung
des Kältemittels
oder auch der Hochdruck sein. Die Funktion des Drosselorgans bzw.
der Entspannungseinrichtung besteht darin, dass ein gewisser Druckabfall
vom Verflüssigungsdruck
bei subkritischer Anwendung bzw. vom Gaskühlerdruck bei transkritischer
Anwendung zu dem Druck am Verdampfereinlass bzw. zum Verdampfungs druck
führen
soll. Dieses Ziel wird bei vorbekannten Kaltdampf-Kältemaschinen
durch eine entsprechende Regelung des Drosselquerschnitts des Expansionsventils
bzw. der Entspannungseinrichtung erreicht.
-
Die
aus dem Stand der Technik bekannten Entspannungseinrichtungen sind
im Wesentlichen thermostatische Expansionsventile, elektronische Expansionsventile,
pulsweitenmodulierte elektronische Expansionsventile sowie einfache
Drosselkapillaren.
-
In
geregelten Kältekreisläufen sind
heute in der Kältetechnik
thermostatische Expansionsventile die am meisten verwendeten Drosselventile.
Ihre Vorteile sind geringe Kosten, kein Programmieraufwand sowie
keine Elektronik. Als Nachteile sind zu nennen, dass eine Mindestüberhitzung
erforderlich ist, d.h. der Wärmetauscher
benötigt
einen Platzbedarf für
ca. 7 bis 12 K Überhitzung,
dass eine Druck- und Temperaturmessung am Ausgang erforderlich ist,
dass Kapillaren und Steuerausgleichsleitungen derart eingebaut werden
müssen,
dass das Ventil vom Luftstrom geschützt wird (Fehlmessungen durch Isolation
der Fühler
vermeiden) und dass es im mobilen Einsatz zu keinen Schädigungen
kommt (Scheuerschutz, bahntauglich bzw. rüttelfest). Weitere Nachteile
sind, das die Ventile im Teillastbetrieb durch Unterschreiten der
erforderlichen Druckvorlage (Hunting) unflexibel sind und dass außerdem in
jedem Betriebszustand eine solide Flüssigkeitsvorlage erforderlich
ist. Schließlich
ist als Nachteil zu nennen, dass ein zusätzliches vorgeschaltetes Magnetventil für vollständiges schließen der
Kältemittelleitung (z.B.
für pump
down Modus) benötigt
wird.
-
Elektronische
Expansionsventile mit Schrittmotor weisen als Vorteile auf, dass
keine Mindestüberhitzung
erforderlich ist und ein höherer
WT Wirkungsgrad möglich
ist, dass keine zusätzliche
Steuerleitung und kein zusätzlicher
Druckfühler
erforderlich ist, dass ein stabiler Betrieb im Teillastfall möglich ist,
und dass die Ventile gut mit unterschiedlichen Druckvorlagen zurechtkommen.
Pump down ist ohne zusätzliches
Magnetventil möglich.
-
Als
Nachteile sind zu nennen, dass diese Ventile eine definierte Einbaulage
erfordern, dass die Regelung einen Programmieraufwand für die Software
und entsprechende Elektronik erfordert, dass es sich bei dem Schrittmotor
um ein komplexes Bauteil mit einer eingeschränkten Lebensdauer handelt und dass
abhängig
von der Stromversorgung (es gibt kein „stromlos geschlossen") eine ausfallsichere
Stromversorgung erforderlich ist, andernfalls ist bei Verzicht von
einem zusätzlichen
Magnetventil kein definierter pump down möglich. Ein weiterer Nachteil
besteht in den hohen Kosten.
-
Bei
einem elektronischen pulsweitenmodulierten Expansionsventil erfolgt
die Verstellung eines z.B. federgelagerten Kolbens über ein
pulsweitenmoduliertes Signal, der Öffnungsgrad ist stetig entsprechend
der Taktrate des PWM Signals. Die Vorteile entsprechen denen des
elektronischen Expansionsventils mit Schrittmotor. Als weiterer
Vorteil zu nennen, dass der Zustand stromlos geschlossen möglich ist.
Die Nachteile bestehen darin, dass diese Ventile nur für kleine
Leistungen umsetzbar sind, dass zusätzliche Elektronik notwendig
ist sowie in den Kosten.
-
Bei
einer Kapillare handelt es sich um ein Drosselorgan mit fixem Querschnitt,
auch sind Ausführungen
mit temperatursensiblen Steuerelement möglich. Als Vorteile sind die
geringen Kosten zu nennen sowie, dass keine zusätzliche Steuerleitung, kein
zusätzlicher
Druckfühler
und kein Programmieraufwand erforderlich sind. Die Einbaulage ist
beliebig. Aufgrund des Fehlens bewegter Teile kann die Kapillare
praktisch nicht defekt werden. Die Nachteile bestehen darin, dass
die Kapillare ungeregelt ist, d.h. nur für einen Lastzustand ideal ist,
dass sie ein vorgeschaltetes Magnetventil für den pump down Modus benötigt sowie
dass eine zusätzliche
Schutzeinrichtung (z.B. interner Wärmetauscher IHX) notwendig
ist.
-
Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, die Regelung eines Kältekreises
einer Kaltdampf-Kältemaschine
entweder durch eine Überhitzungsregelung
oder durch eine Hochdruckregelung vorzunehmen.
-
Die Überhitzungsregelung
ist die am weitesten verbreitete Regelmethode in der Kältetechnik. Durch
eine positive Temperaturdifferenz zum Taupunkt wird sichergestellt,
dass dem Kompressor nur gasförmiges
Kältemittel
zugeführt
wird, was aufgrund der Tatsache, dass Flüssigkeit zur Beschädigung des Kompressors
führen
kann, von Bedeutung ist. Außerdem
ist es notwendig, dass das Kältemittel
vollständig
verdampft, damit die erforderliche Kälteleistung erreicht wird.
Letztendlich zeigen thermostatische Expansionsventile nur dann befriedigend
stabiles Betriebsverhalten, wenn die Überhitzung groß genug gewählt wird.
Der Wert liegt dabei in der Regel zwischen 5 und 15 K.
-
Die
sog. Hochdruckregelung ist eine Besonderheit bei der transkritischen
Prozessführung.
Da im äußeren Wärmetauscher
kein Phasengleichgewicht mehr besteht (der Übergang vom gasförmigen zum flüssigen Kältemittel
erfolgt stetig), hängt
der Druck auch nicht mehr vom Verdampfungsdruck im äußeren Wärmetauscher
und damit von der Außentemperatur
ab, sondern kann mittels des Drosselventils geregelt werden. Daher
wird der äußere Wärmetauscher
meist Gaskühler
genannt. Für
diese Reglungsart ist ein Sammler und interner Wärmetauscher erforderlich. Durch
Veränderung
des Hochdrucks sind eine Leistungsregelung und auch eine Energieoptimierung
des Kältekreislaufes
möglich.
-
Bei
vorbekannten Kaltdampf-Kältemaschinen
erfolgt die Regelung der Kälteleistung üblicherweise über die
Kompressordrehzahl und somit über die
Fördermenge
des Kältemittels,
wodurch sich eine gute Regelung erzielen lässt. Auch mit der Gaskühlerluftmenge
bzw. der Kondensatorluftmenge lässt sich
die Kälteleistung
in geeigneter Weise beeinflussen.
-
Sämtliche
der oben genannten Drosseleinrichtungen weisen Vor- und Nachteile
auf. Beispielsweise weisen thermostatische Drosselventile den Vorteil
auf, dass zur Regelung des Kältekreises
keine zusätzliche
Steuerelektronik erforderlich ist. Mit elektronischen Expansionsventilen
mit Schrittmotor läßt sich
eine bessere Regelung vornehmen, allerdings verbunden mit dem Nachteil
einer komplexen Elektro nik, um die kreislaufbestimmenden Größen wie Druck
und Temperatur zu messen und ein Steuersignal zu generieren.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kaltdampf-Kältemaschine der eingangs genannten
Art dahingehend weiterzubilden, dass die Drosseleinrichtung einfach,
robust und kostengünstig
ist und schnell auf Steuersignale anspricht.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Kaltdampf-Kältemaschine mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß handelt
es sich bei der Entspannungseinrichtung um ein Drosselventil, dessen
Drosselquerschnitt stufenweise veränderbar ist. Die Kältemaschine
weist erfindungsgemäß eine Reglungseinheit
auf, die mit dem Drosselventil als Stellglied in Verbindung steht
und die derart ausgeführt ist,
dass mittels der Regelungseinheit die Überhitzung und/oder der Hochdruck
der Kältemaschine und/oder
die Kälteleistung
der Kältemaschine
regelbar ist. Das Drosselventil ist derart ausgeführt, dass je
nach dessen Ansteuerung stufig verschaltete Teilquerschnitte mit
Hilfe der Regelungseinheit hergestellt werden, d.h. stufenweise
je nach Bedarf größere oder
kleiner Drosselquerschnitte erzeugt werden. Der Regelalgorithmus
wird vorzugsweise durch die Regelungseinheit bzw. einen Mikrocomputer
umgesetzt, die/der für
das Ventil gemäß den thermodynamischen
Randbedingungen optimalen Öffnungsquerschnitt
ermittelt und dessen Einstellung veranlaßt.
-
Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Kältemittel
um CO2.
-
In
besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich
bei dem Drosselventil um ein elektronisch ansteuerbares Drosselventil
bzw. um eine elektronisch geregeltes Drosselventil, dessen Drosselquerschnitt
stufenweise veränderbar
ist. Dies bedeutet, dass das Drosselventil aus mehreren Einzelquerschnitten
besteht, die stufig derart verschaltet sind, dass je nach Anzahl
der elektronisch geschalteten Stufen sich ein größerer oder kleinerer Drosselquerschnitt
ergibt. Mit Hilfe der Regelungseinheit bzw. eines entsprechenden
Mikrocomputers kann erfindungsgemäß die Kältemaschine bzw. der Kälteprozeß derart
gesteuert werden, dass die Überhitzung
oder der Hochdruck auf einen bestimmten Wert geregelt wird und/oder
dass die Leistung der Kältemaschine
geregelt wird, wie dies im Folgenden näher dargestellt wird.
-
In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Regelungseinheit sowie das Drosselventil derart ausgeführt sind,
dass das Drosselventil durch die Regelungseinheit digital bzw. binär geschaltet
wird. Damit kann das Erfordernis der schnellen Verstellung des Drosselquerschnitts
optimal erreicht werden.
-
Vorzugsweise
besteht das Drosselventil aus mehreren, beispielsweise vier Einzelventilen,
die zueinander parallel angeordnet sind. Selbstverständlich sind
auch mehr oder weniger als vier Einzelventile einsetzbar. Die Drosselquerschnitte
der Einzelventile können
derart ausgeführt
sein, dass der Drosselquerschnitt eines Einzelventils exakt oder
in etwa doppelt so groß ist
wie der Drosselquerschnitt des Einzelventils mit dem nächst kleineren
Drosselquerschnitt, es kann somit in vorteilhafter Weise eine binäre Gewichtung
erfolgen. Damit es bei einer binären Beschaltung
zu einer linearen Kennlinie kommt, muß der folgende höherwertige
Querschnitt die doppelte Größe haben.
Auch eine abweichende Gewichtung ist zum Zwecke der Anpassung an
die Strömungsverhältnisse
denkbar.
-
Wie
ausgeführt
kann das Drosselventil eine lineare oder in etwa lineare Kennlinie
aufweisen. Die Teilquerschnitte können dementsprechend and die Strömungsverhältnisse
im Ventilkörper
derart angepaßt
sein, dass eine stufige quasi lineare Ventilkennlinie mit minimalem
Linearisierungsfehler erhalten wird.
-
Vorzugsweise
besteht das Drosselventil aus mehreren parallel zueinander angeordneten
Einzelventilen, die vorzugsweise unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen.
Die Einzelventile können entweder
separat oder in Form eines Ventilblocks angeordnet sein. Wie ausgeführt, sind
die Drosselquerschnitte der Einzelventile des Drosselventils vorzugsweise
derart ausgeführt,
dass der Drosseiquer schnitt eines Einzelventils exakt oder in etwa
doppelt so groß ist
wie der Drosselquerschnitt eines Einzelventils mit dem nächstkleineren
Drosselquerschnitt.
-
Die
Kaltdampf-Kältemaschine
kann des Weiteren wenigstens einen Bypass aufweisen, mittels dessen
die Kälteleistung
veränderbar
bzw. regelbar ist. In dem Bypass können ein oder mehrere Magnetventile
oder Drosselventile, vorzugsweise Drosselventile gemäß der vorliegenden
Erfindung angeordnet sein.
-
Denkbar
ist beispielsweise, dass der Leitungsabschnitt zwischen Kompressor
und Verflüssiger/Gaskühler mit
einen Leitungsabschnitt zwischen Verflüssiger/Gaskühler und Drosselventil und/oder mit
einem Leitungsabschnitt zwischen Drosselventil und Verdampfer und/oder
mit einem Leitungsabschnitt zwischen Verdampfer und Kompressor durch den
Bypass verbunden wird. Auch ist es möglich, dass die Kältemaschine
wenigstens einen Bypass aufweist, der den Leitungsabschnitt zwischen
Verflüssiger/Gaskühler und
Drosselventil oder den Leitungsabschnitt zwischen Drosselventil
und Verdampfer mit einen Leitungsabschnitt zwischen Verdampfer und
Kompressor verbindet, und in dem ein Ventil angeordnet ist.
-
Handelt
es sich bei dem in der Bypaßleitung angeordneten
Ventil um ein Magnetventil ist vorzugsweise vorgesehen, dass die
Regelungseinheit dieses getaktet öffnet und schließt.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kaltdampf-Kältemaschine
mit dem Oberbegriff des Anspruchs 12 vorgesehen, die über eine
Diagnoseeinrichtung verfügt.
Die Diagnoseeinrichtung ist derart ausgeführt, dass sie wenigstens einen
Parameter der in Betrieb befindlichen Kältemaschine erfaßt. Sie
weist eine Bestimmungseinheit auf, die aufgrund des oder der gemessenen
Parameter(s) die Menge des Kältemittels
und/oder den Verschmutzungsgrad des Verflüssigers/Gaskühlers und/oder des
Verdampfers und/oder weiterer Einzelkomponenten der Kältemaschine
bestimmt. Die Kaltdampf-Kältemaschine
kann gemäß der Kaltdampf-Kältemaschine nach dem kennzeichnenden Teil
eines der Ansprüche
1 bis 11 ausgeführt
sein.
-
Bei
den Parametern zur Ermittlung der Menge des Kältemittels kann es sich um
den Druck im Verflüssiger/Gaskühler sowie
um den Öffnungsgrad des
Drosselventils handeln. Die Bestimmung der Füllmenge des Kältemittels
ist somit über
die Parameter der Stellung des Drosselventils in Überhitzungsregelung
sowie über
die Messung des Hochdrucks möglich:
Bei
konstanter Luft- und Temperaturbeaufschlagung der Wärmetauscher,
und Kompressordrehzahl ist der Gaskühlerdruck eine Funktion von
Kältemittelfüllmenge
und Drosselwirkung am Drosselventil. Mit anderen Worten läßt sich
die Kältemittelfüllmenge über die
Drosselwirkung des Drosselventils sowie über den Druck im Gaskühler/Verflüssiger ermitteln.
Es kann daher für
ein Gerät
anhand von Messungen oder Auslegungsberechnungen ein dreidimensionales
Kennfeld erstellt werden, das über
den Öffnungsgrad
des Drosselventils in Überhitzungsregelung
(x Achse) und Gaskühlerdrücke (y Achse)
einen Wert für
die Kältemittelfüllmenge
(z Achse) enthält.
-
Denkbar
ist ferner, dass es sich bei den Parametern zur Ermittlung der Menge
des Kältemittels um
den Druck im Verflüssiger/Gaskühler sowie
um die Außentemperatur
handelt. Die Kältemittelfüllmenge
ist somit auch über
die Messung des Hochdrucks bei konstanter Überhitzung mit dem Drosselventil
in Überhitzungsregelung
möglich:
Bei
konstanter Luft- und Temperaturbeaufschlagung von Verdampfer, bekannter
konstanter Überhitzung, und
Kompressordrehzahl ist der Gaskühlerdruck eine
Funktion von Kältemittelfüllmenge
und Außentemperatur.
Für ein
Gerät kann
daher anhand von Messungen oder Auslegungsberechnungen ein dreidimensionales
Kennfeld erstellt werden, das für
die zu erwartenden Außentemperaturen
(x Achse) und Gaskühlerdrücke (y Achse)
einen Wert für
die Kältemittelfüllmenge
(z Achse) enthält.
-
Im
ersten Schritt kann damit mit ausreichender Genauigkeit durch Messung
von Hochdruck und Außentemperatur
die vorhandene Kältemittelfüllmenge
bestimmt werden. Das Diagnosesystem kann noch um zusätzliche
Parameter erweitert werden, nämlich
um einen Korrekturwert aus Messung der Lufttemperatur am Verdampfereintritt
(Mischlufttemperatur) und einen die Wärmetauscherverschmutzung berücksichtigenden
Korrekturwert.
-
Auch
ist es möglich,
dass es sich bei den Parametern zur Ermittlung des Verschmutzungsgrades des
Verdampfers um den Druck im Verdampfer oder den Saugdruck des Kompressors
sowie um die Lufttemperatur am Verdampfereintritt handelt. Für ein Gerät kann daher
anhand von Messungen oder Auslegungsberechnungen ein dreidimensionales
Kennfeld erstellt werden, dass für
die zu erwartenden Verdampfungsdrücke (x Achse) und Lufttemperaturen am
Verdampfereintritt (y Achse) einen Wert für die Luftmenge (z Achse) enthält. Im ersten
Schritt kann damit mit ausreichender Genauigkeit durch Messung von
Verdampfungsdruck bzw. Saugdruck (ein konstanter Offset des Druckverlusts
in der Saugleitung liegt zwischen diesen Werten) und Lufttemperatur
am Verdampfereintritt die Luftmenge und damit der äquivalente
Verschmutzungsgrad bestimmt werden
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Kältemaschine Mittel zur Erfassung
unerlaubter Betriebszustände
sowie Mittel zur Behebung dieser Betriebszustände auf, wobei die Mittel zur
Behebung der Betriebszustände
in Form des Drosselventils, von Ventilen in der oder den Bypassleitungen, von
Lüftern
und/oder in Form des Kompressors vorgesehen sind. Denkbar ist es
beispielsweise, zur Vermeidung eines unzulässigen Drucks auf der Hochdruckseite
den Überhitzungssollwert
auf einen Mindestüberhitzungssollwert
zu setzen. Auch kann daran gedacht werden, das Drosselventil und/oder
ein Bypaßventil
kurzzeitig vollständig
zu öffnen.
-
Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1:
eine schematische Darstellung eines Drosselventils einer Kältemaschine
gemäß der Erfindung.
-
2:
exemplarische Werte der Düsendurchmesser
und der Düsenquerschnitte
für vier
Einzelventile eines Drosselventils, mit unterschiedlichen Binärcodes erzielbare
effektive Drosselquerschnitte dieses Drosselventils sowie die Kennlinie
des Drosselventils,
-
3–7: schematische Darstellungen des Kreislaufes
der erfindungsgemäßen Kältemaschine zur
Regelung der Kälteleistung
und
-
8:
eine schematische Darstellung des Kreislaufes der erfindungsgemäßen Kältemaschine im
Diagnosebetrieb.
-
1 zeigt
ein Stufenexpansionsventil 3 einer Kältemaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung bestehend aus vier parallel geschalteten Einzelventilen
A-D.
-
2,
oben zeigt tabellarisch ein Beispiel für die Düsendurchmesser und -querschnittsflächen der Einzelventile
A-D. Selbstverständlich
sind alternativ zu der hier dargestellten Anordnung von vier Einzelventilen
auch mehr oder weniger als vier Einzelventile zur Bildung des Drosselventils
einsetzbar. Wie dies aus der Tabelle gemäß 2, oben
hervorgeht, sind die Düsendurchmesser
so gewählt,
dass sich die Düsenquerschnitte
von einem Einzelventil zum nächst größeren in
etwa verdoppeln.
-
Dies
erlaubt es, dass im Falle der binären Beschaltung, die in 2,
mittlere Tabelle wiedergegeben ist, eine lineare Kennlinie erhalten
wird, die in der Graphik gemäß 2,
untere Darstellung ersichtlich ist. Im Falle der binären Beschaltung
kommt es somit zu einer linearen Kennlinie, was auf die Verdopplung
der effektiven Querschnittsfläche
von einem zum nächst
größeren Einzelventil
zurückzuführen ist.
-
Aufgrund
der digitalen Ansteuerung ist eine schnelle Verstellung des Öffnungsgrades
realisierbar.
-
Um
Druckstöße zu vermeiden,
d.h. um die Belastung von Ventil und System zu verringern, kann das
binäre
Ansteuerungssignal für
einen kurzen Impuls von ca. 200 ms "verodern", also wenn von z.B. von "0 1 0 1" (Wert 5) auf "0 1 1 0" (Wert 6) das Ventil geöffnet, kurzeitig
den "0 1 1 1" (Wert 7) an das
Ventil gesendet wird.
-
Grundsätzlich kann
die Kälteleistung über die
Kompressordrehzahl (Kältemittel-Fördermenge) gut geregelt werden.
Auch mit Hilfe der Gaskühlerluftmenge
bzw. der Kondensatorluftmenge lässt
sich die Kälteleistung
beeinflussen. Unabhängig
davon kann aber auch mit einem oder mehreren Drosselventilen, d.
h. Stufenexpansionsventilen eventuell in Kombination mit Magnetventilen
die Kälteleistung
geregelt werden.
-
Hier
sind in Kombination mit den zwei grundlegenden, oben dargestellten
Regelungsarten (Überhitzung,
Hochdruck) folgende Möglichkeiten
zur Regelung zu nennen. Auch eine Kombination dieser Regelungsarten
mit der Kompressordrehzahl ist möglich.
Es ist denkbar, die Regelungsarten in Kombination mit der Kornpressordrehzahl
und Gaskühlerluftmenge
zu kombinieren. Beispielsweise kann die Kompressordrehzahl auf die
untere Grenze gesetzt werden (bis zur Schmiergrenze), dann erst
tritt die Bypass-Regelung ein. Der Gaskühlerlüfter wird dabei entweder entsprechend
der Kompressorfrequenz angespeist oder bei mehreren Lüftern werden
diese stufig weggeschaltet.
-
3 zeigt
die Regelung des Kältemittelmassestroms über einen
Heißgasbypass
-
Aus 3 ist
ein Kreislauf mit einem Drosselventil 3 in Form eines Stufenexpansionsventils
zur Überhitzungsregelung
bzw. Flüssigkeitsexpansion dargestellt.
Ferner ist ein Bypass vorgesehen, der den Leitungsabschnitt zwischen
Kompressor 1 und Gaskühler/Verflüssiger 2 mit
dem Leitungsabschnitt zwischen Drosselventil 3 und Verdampfer 4 verbindet.
In der Bypaßleitung
befindet sich das getaktet (variabler Pulsbetrieb) betriebene Magnetventil 5.
-
Die
Kälteleistung
ist ferner über
eine Veränderung
der Überhitzung
variierbar. Im Gegensatz zu herkömmlichen
Thermostatischen Expansionsventilen ist es mit Hilfe des Stufenexpansionsventils
möglich,
die Überhitzung
frei zu wählen
und während
des Betriebes zu verändern.
Damit kann die Kälteleistung in
einem kleinen Bereich verändert
und an die Leistungsanforderung angepasst werden.
-
Die
Regelung der Kälteleistung
kann ferner mittels Überhitzungsregelung
und Heißgasmischung mit
einem Stufenexpansionsventil erfolgen, wie dies in 4 dargestellt
ist. Die Bypaßführung entspricht der
zu 3.
-
Das
Heißgas
wird gemäß 3 und 4 vor
dem Verdampfer 4 eingeleitet. Zustäzlich oder alternativ ist auch
eine Einleitung nach dem Verdampfer denkbar. Der Heißgasstrom
kann pulsierend oder mittels eines weiteren Stufenexpansionsventils 5 eingebracht
werden, das in 4 in der Bypaßleitung angeordnet
ist. Damit wird die Kälteleistung
am Verdampfer 4 reduziert.
-
Der
Kältemittelstrom über den
Verdampfer ist bei aktivierten Bypass regelbar. Während man
auf der einen Seite bei einer Bypassregelung den Heißgasstrom
regeln kann, ist es zielführend
den Kältemittelstrom über den
Gaskühler/Verflüssiger 2 ebenfalls
zu regeln, so ist es möglich,
eine beliebige Kälteleistung
am Verdampfer 4 einzustellen.
-
5 zeigt
eine solche Ausführung
mit zwei Bypaßleitungen,
von denen die eine den Kompressorauslass mit dem Kompressoreinlaß verbindet
und die andere den Leitungsabschnitt zwischen Verflüssiger/Gaskühler 2 und
Stufenexpansionsventil 3 mit dem Leitungsabschnitt zwischen
Verdampfer 4 und Kompressor 1 verbindet. Die Heißgasbypaßeinleitung
erfolgt somit nach dem Verdampfer 4.
-
Zur
Regelung der Überhitzung
kann ein Stufenexpansionsventil in der Bypaßleitung des Verdampfers dienen.
Dabei darf eine zur Kompressorkühlung
erforderliche Sauggastempertatur nicht überschritten werden. Die Kälteleistung
am Verdampfer wird mittels des Stufenexpansionsventils gesteuert,
wobei dabei der Kältemittelstrom
durch den Verdampfer auf den Wert Null reduziert werden kann.
-
Die 6 und 7 beziehen sich auf die Hochdruckregelung.
Bei der Kombination Hochdruck-Bypassregelung wird der Druck im Gaskühler 2 mittels eines
in der Heißgasleitung
angeordneten Stufenexpansionsventils 5 eingestellt. Das
Stufenexpansionsventil 5 befindet sich in einer Bypassleitung
des Gaskühlers 2,
die den Kompressorauslass mit dem Einlaß des Wärmetauschers 7 verbindet,
wie dies aus 6 hervorgeht.
-
Der
in 7a dargestellte Wärmetauscher 7 ist
im Gleichstrombetrieb dargestellt. Üblich und von der Erfindung
ebenfalls umfaßt
ist der Gegenstrombetrieb, wie er in 6 und 7b dargestellt
ist.
-
Wie
dies weiter aus 6 hervorgeht, befindet sich
auch in der Flüssigkeitsleitung
vom Wärmetauscher 7 zu
dem Verdampfer 4 ein Stufenexpansionsventil 3,
mittels dessen der Kältemittelstrom über den
Verdampfer geregelt werden kann. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 erfolgt
die Zumischung von Heißgas
nach dem Verdampfer 4.
-
Das
Bezugszeichen 6 kennzeichnet den Sammler, in den die Auslaßleitung
des Verdampfers 4 mündet
und über
den Wärmetauscher 7 mit
dem Kompressoreinlaß in
Verbindung steht.
-
7 zeigt eine schematische Darstellung, bei
der die Zumischung von Heißgas
vor und nach dem Verdampfer 4 erfolgt. Dazu zweigt von
der Bypaßleitung
des Gaskühlers 2 stromabwärts des
Stufenexpansionsventils 5 eine mit einem Rückschlagventil 8 versehene
Leitung zur Flüssigkeitsleitung
ab, die stromabwärts
des Stufenexpansionsventils 3 mündet.
-
Des
Weiteren ist eine Betriebsart nach 6 und 7 möglich
bzw. vorgesehen, wonach das Stufenexpansionsventil 3 den
Druck im Gaskühler
einstellt und das Stufenexpansionsventil 5 zur Kälteleistungsregelung
verwendet wird. Somit kann bzw. muß das Stufenexpansionsventil 3 im
oberen Leistungsbereich, d. h. nahe der Volllast zur Gaskühlerdruckregelung
herangezogen werden.
-
8 bezieht
sich auf die Diagnosemöglichkeit
des Kreislaufes. Alle wesentlichen Betriebsparameter werden elektronisch
erfasst und über
einen Mirkocomputer ausgewertet. Die Anlagenparameter sind im Speicher
des Mikrocomputers abgelegt. Durch die Diagnosesoftware ist es nun
möglich
jederzeit den Kältemittelfüllstand
der Anlage zu bestimmen. Im Gegensatz zur üblichen Methode, wo das gesamte
Kältemittel
abgesaugt und eine Neufüllung durchgeführt werden
muss, wird das Kältemittel
nur gezielt bedarfsgerecht aufgefüllt. Bei Anlagen ohne Sammler
im Überhitzungsbetrieb
ist dies zu jedem Betriebszeitpunkt möglich. Anlagen mit saugseitigem Kältemittelsammler
müssen
in einen Diagnosemodus geschaltet werden, wobei der Sammler leergefahren
wird. Mit Hilfe der Kreislaufdiagnose wird der Wartungsaufwand drastisch
verringert. Über
die Ermittlung der Lufttemperaturen vor und nach den Wärmetauschern
ist es möglich
auf den Verschmutzungsgrad der Wärmetauscher
zu schließen.
-
Beim äußeren Wärmetauscher
kann bei bekannter Außentemperatur
die Messung der Lufttemperaturen auch wegfallen, aus der Gegenüberstellung
von Gaskühler- bzw. Kondensationsdruck
und der Außentemperatur
in Kombination mit den Kreislaufparametern wird der Zustand des äußeren Wärmetauschers
ersichtlich.
-
Wie
oben ausgeführt,
läßt sich
die Kältemittelfüllmenge
anhand der Stellung des Stufenexpansionsventils 3 in Überhitzungsregelung
und der Messung des Hochdrucks im Verflüssiger/Gaskühler 2 bestimmen.
Auch ist es möglich,
die Kältemittelfüllmenge über die
Messung des Hochdrucks bei konstanter Überhitzung und bei Stufenexpansionsventil in Überhitzungsregelung
zu ermitteln.
-
Der
Verdampferverschmutzungsgrad kann über die Messung der Lufttemperaturen
am Verdampfereintritt und des Saugdrucks bestimmt werden.
-
Bei
extrem hohen Außentemperaturen
erhöht
sich der Druck im System. Damit es auf der Hochdruckseite zu keinem
unzulässig
hohen Druck kommt, wird der Überhitzungsollwert
auf einen Mindestüberhitzungssollwert
gesetzt. Alternativ oder zusätzlich
dazu ist es möglich,
das oder die Stufenexpansionsventile kurzzeitig vollständig zu öffnen. Auch ist
es möglich,
bei unzulässigem
Druckanstieg das oder die Bypassventile kurzzeitig zu öffnen.
-
Erfindungsgemäß kann vorgesehen
sein, dass die Regelung mit einem Mikroprozessor erfolgt, wobei
der Öffnungsgrad
des Stufenexpansionsventils bzw. aller Stufenexpansionsventile und
Ventile im Kreislauf, die Kältemittelzustandsparameter
(Druck, Temperatur) und eventuell auch die Luftseitigen Temperaturen
erfasst werden. Durch eine Auswertungssoftware werden Informationen über Kältemittelfüllstand,
Filter- oder Wärmetauscherverschmutzung und
Funktionsstörungen
von Einzelkomponenten (Lüfter,
Ventile) gewonnen und einem Diagnosesystem zur Verfügung gestellt.
-
Mit
Hilfe der Auswertesoftware werden kritische Betriebszustände, wie
unerlaubt hohe Drücke und
Temperaturen sowie zu geringe Überhitzung frühzeitig
erkannt und folglich wirksam gegengesteuert. Diese Gegensteuerung
erfolgt durch Veränderung
des Öffnungsgrades
des Stufenexpansionsventils, Schalten von Heißgasbypassventilen, Zu- und Wegschalten
von Lüftern
sowie Veränderung
der Kompressorfrequenz.
-
Der
erfindungsgemäße Einsatz
eines oder mehrerer Stufenexpansionsventile bringt die Vorteile mit
sich, dass diese vergleichsweise einfach aufgebaut und robust sowie
kostengünstig
sind und dass zur ihrer Ansteuerung eine sehr einfache Elektronik erforderlich
ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung genügt eine Anzahl von Binärsignalen,
die der Anzahl der Einzelventile entspricht.
-
Bei
der Überhitzungsregelung
muss man in der einfachen Version zumindest die Temperatur am Verdampfereintritt
und -austritt messen, die Differenz entspricht der Überhitzung.
Ebenso ist es möglich, den
Druck und die Temperatur am Ver dampferaustritt (eventuell am Kompressoreintritt)
zu messen und entsprechend dem Zustandsdiagramm von CO2 daraus
die Überhitzung
zu ermitteln.
-
Bei
Hochdruckregelung (nur bei CO2 möglich) muss
zumindest der Gaskühlerdruck
gemessen werden.