DE3405810A1

DE3405810A1 - Verfahren zur steuerung einer verbundkaelteanlage

Info

Publication number: DE3405810A1
Application number: DE19843405810
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. 5000 Köln Haaf; Herbert Hansen; Herbert Hartmann
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1984-02-17
Filing date: 1984-02-17
Publication date: 1985-08-22
Also published as: EP0152608A3; EP0152608B1; ATE39180T1; DE3475564D1; EP0152608A2

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

(S 454) S 84/23

Sti/fl 17.2.1984 10

Verfahren zur Steuerung elno.t Verbundkälteanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Verbundkälteanlage mit mehreren Verdichtern und mindestens einem Ventilator für die Abführung der Verflüssigungswärme.

Eine Verbundkälteanlage besteht im wesentlichen aus mehreren Verdichtern mit einer gemeinsamen Saugleitung und einer gemeinsamen Druckleitung, einem Verflüssiger und mehreren Verdampfern sowie Expansionsorganen, die den Verdampfern zugeordnet sind. Dem Verflüssiger sind dabei ein oder mehrere Ventilatoren zugeordnet, die die bei der Verflüssigung des Kältemittels entstehende Wärme abführen. Je nach Kältebedarf ist eine bestimmte Anzahl von Verdichtern sowie eine bestimmte Anzahl von Ventilatoren in Betrieb. Der Betrieb der Verdichter und Ventilatoren erfordert eine hohe Antriebsenergie. Um diese zu senken, werden daher üblicherweise bei Teillastbetrieb Verdichter abgeschaltet, während der oder die Ventilatoren der Verflüssiger weiter bei voller Luftleistung betrieben werden. Damit kann zwar.eine gewisse Senkung des Energiebedarfs erreicht werden, doch hat diese Maßnahme zur Folge, daß der Anwendungsbereich der Expansionsventile überschritten wird. Dies rührt daher, daß die Ventilatoren

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bei vollem Luftvolumenstrom und Abschaltung einzelner Verdichter eine zu tiefe Absenkung des Verflüssigungsdrucks bewirken können. Die untere Begrenzung des Verflüssigungsdruckes ist durch die verwendeten Expansionsventile sowie das Kältemittel gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verhältnis von Kälteleistung der Verdichter zur Leistungsaufnahme der Verdichter und Ventilatoren zu optimieren, also insbesondere bei einer vorgegebenen Kälteleistung eine Minimierung der Gesamtleistungsaufnahme zu erreichen. Dabei soll gleichzeitig der Anwendungsbereich der Expansionsventile gegenüber dem bekannten Verfahren beibehalten und der Verflüssigungsdruck optimiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Luftvolumenstrom des oder der Ventilatoren in Abhängigkeit von der Luftansaugtemperatur und/oder der momentanen Kälteleistung geregelt wird.

Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, zu einer vorgegebenen Anzahl von in Betrieb befindlichen Verdichtern die optimale Anzahl von Verflüssigungsventilatoren zu schalten. Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren wird nicht mehr mit vollem Luftvolumenstrom sondern mit reduziertem Luftvolumenstrom gearbeitet. Dabei ist die Einsparung der für den Antrieb der Verflüssigungsventilatoren benötigten Energie größer als der eventuelle Anstieg der Antriebsenergie der Verdichter.

Für die Regelung des Luftvolumenstroms bieten sich insbesondere zwei Möglichkeiten an, nämlich Zu- und/oder Abschalten von Ventilatoren oder Änderung der Drehzahl der Ventilatoren. In der Praxis wird dabei wohl in erster Linie die zweitgenannte Möglichkeit wahrgenommen werden, da es sich

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herausgestellt hat, daß beispielsweise zwei mit halbem Luftvolumenstrom betriebene Ventilatoren weniger Antriebsenergie benötigen als ein mit vollem Luftvolumenstrom betriebener Ventilator.

überdies besteht auch die Möglichkeit, den Luftvolumenstrom durch Verstellung von Drosselklappen zu verändern.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Weiterbildung des Erfindungsgedankens ein vorgegebener Bereich des Verflüssigungsdruckes einzuhalten. Dieser Bereich ist einerseits durch einen minimalen Druck begrenzt, der für ein einwandfreies Arbeiten der Expansionsventile notwendig ist, und andererseits durch einen maximalen Druck, der durch die Anwendungsgrenzen der Kältemittelverdichter bestimmt wird. Der einzuhaltende Bereich des Verflüssigungsdruckes hängt überdies von dem jeweils verwendeten Kältemittel ab. Bei den gebräuchlichen Kältemitteln wie R22 und R 502 liegt der Bereich beispielsweise zwischen ca. 10 bar und ca. 20 bar.

Die erfindungsgemäße Regelung des Luftvolumenstroms ist insbesondere so vorgesehen, daß bei geringerer Luftansaugtemperatur der Luftvolumenstrom verringert wird. Selbstverständlich beinhaltet dies, daß bei erhöhter Luftansaugtemperatur der Luftvolumenstrom vergrößert wird. Bei z.B. geringerer Luftansaugtemperatur, d.h. geringerer Außentemperatur, wird in einer Anfahrphase zunächst volle Luftleistung gefahren und dann die Luftleistung beispielsweise durch Reduzierung der Drehzahl der Ventilatoren auf 2/3 des ursprünglichen Wertes reduziert. Die damit erzielbaren Einsparungen an Energieaufwand werden weiter unten beschrieben .

Bei dem bislang beschriebenen Verfahren findet in Verbin-Form. 5729 7 78

dung mit der Verbundkälteanlage keine Wärmerückgewinnung statt. In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch auch die Steuerung einer Verbundkälteanlage vorgesehen, bei der eine zusätzliche Wärmerückgewinnung für Raumheizung und Brauchwasser-Erwärmung vorgesehen ist. In diesem Falle wird erfindungsgemäß der Luftvolumenstrom zusätzlich in Abhängigkeit von der Warmwasservorlauftemperatur und/oder der Raumtemperatur geregelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf alle Verbundkälteanlagen, so z.B. für gekühlte und tiefgekühlte Verkaufsmöbel in Supermärkten, für Schlachthöfe, Kühlhäuser oder verfahrenstechnische Anlagen.

Die Erfindung sei im folgenden anhand eines in Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert .

In dem Ausführungsbeispiel sind vier parallel geschaltete Verdichter 1a, 1b, 1c und 1d über eine gemeinsame Saugleitung 4, mehrere Verdampfer 5 sowie Expansionsventile 6 an einem Sammelbehälter 7 angeschlossen. Der Einfachheit halber ist nur ein Verdampfer und ein Expansionsventil dargestellt, doch sind in der Praxis meist mehrere Verdampfer und Expansionsventile parallel geschaltet. In dem Sammelbehälter wird flüssiges Kältemittel gespeichert und über die Expansionsventile 6 den Verdampfern 5 zugeleitet. Das Kältemittelsauggas in Leitung 4 wird sodann gleichmäßig auf die einzelnen Verdichter der Verbundanlage verteilt und von diesen angesaugt. Verdichteter Kältemitteldampf wird sodann in eine gemeinsame Druckleitung 8 geleitet und zu einem Verflüssiger 9 geführt, in dem die Dämpfe kondensiert und in flüssiger Form über Leitung 10 in den Sammelbehälter 7 abgegeben werden.

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Der Verflüssiger 9 ist mit Ventilatoren 11, 12 ausgestattet, die mit einem Steuergerät 13 verbunden sind. Der von den Ventilatoren umgewälzte Luftvolumenstrom wird über den Verflüssiger geleitet und führt dabei die Verflüssigungswärme ab, so daß in dem Verflüssiger die Kältemittelkondensation stattfinden kann. An das Steuergerät 13 ist ein Temperaturfühler 14 angeschlossen, der die Temperatur im Luftansaugkanal des Verflüssigers erfaßt. Dem Verflüssiger ist außerdem ein Drucktransmitter 20 zugeordnet, der ebenfalls an das Steuergerät 13 angeschlossen ist.

Zur Wärmerückgewinnung ist in Leitung 8 überdies ein Verflüssiger 15 vorgesehen, in dem die Verflüssigungswärme zur Brauchwasser-Erwärmung und/oder zur Raumheizung genutzt werden kann, über Leitung 16 wird beispielsweise Wasser aus dem Raumheizungskreislauf herangeführt und im Verflüssiger 15 angewärmt. Reicht die Verflüssigungswärme nicht aus, so kann zusätzlich ein Heizkessel 17 eingeschaltet werden, über eine Pumpe 18 wird das Warmwasser zu den Wärmeverbrauchern zurückgeführt. Dem Heizkessel ist ein Heizungsregler 19 zugeordnet, der mit dem Steuergerät 13 verbunden ist.

Die mit dem Verfahren gemäß dem vorstehend geschilderten Ausführungsbeispiel erzielbare Energieeinsparung ist aus den Tabellen Punkt 2a) bis d) der Anlage zu entnehmen. Das Verfahren wird zunächst ohne Wärmerückgewinnung beschrieben, so daß der Verflüssiger 15 mit dem daran angeschlossenen Kreislauf unbeachtet bleibt. Der Temperaturfühler 14 erfaßt die Temperatur der Luft im Ansaugkanal des Verflüssigers und verschiebt den Sollwert p^. Die Berechnung der Sollwertverschiebung erfolgt im Steuergerät 13 nach der Formel

Pc _f soll - ^Λ ^A ^{+ D}

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A= Parameter in bar/°C

B = Parameter in bar

ivA = Außentemperatur in ⁰C

ρ = Verflüssigungstank in bar.

Die Parameter A und B dienen der Anpassung an das jeweilige Kältemittel und an anlagenspezifische Gegebenheiten.

Bei sinkender Umgebungstemperatur sinkt der Kältebedarf
der Kälteverbraucher. Eine Anpassung der Kälteleistung

an diesen Bedarf kann durch Anheben der Verdampfungstemperatur (Erhöhen des Verdampfungsdruckes) des Kältemittels
geschehen. Dadurch wird die von den Verdichtern zu überwindende Druckdifferenz verringert, was zu einer entsprechenden Energieeinsparung führt.

Mit Wärmerückgewinnung verläuft das erfindungsgemäße Verfahren etwas anders. Die Schaltung der Ventilatoren erfolgt in diesem Falle in Abhängigkeit des Heizungsreglers 19, der die Wasservorlauftemperatur erfaßt und dessen Sollwert von der Außentemperatur geschoben wird. Reicht dabei die Verflüssigungswärme im Verflüssiger 15 nicht aus, um
die erforderliche Anwärmung des Wassers zu gewährleisten, so wird zusätzlich der Heizkessel 17 eingeschaltet. Steigt während der Wärmerückgewinnung der Verflüssigungsdruck auf einen einstellbaren ersten oberen Grenzwert an, wird der
Heizkessel 17 weiterhin über den Heizungsregler 19 gesteuert. Dabei wird der momentane Luftvolumenstrom durch
den Verflüssiger 9 nicht verändert. Steigt der Verflüssigungsdruck aber weiter an und überschreitet einen zweiten oberen Grenzwert, so wird die Steuerung der Ventilatoren
bzw. des Luftvolumenstroms direkt von dem Verflüssigungsdruckregler 20 übernommen. Dieser Regler veranlaßt, daß
der Luftvolumenstrom erhöht wird. Beim Unterschreiten des ersten oberen Druckgrenzwertes übernimmt der Heizungsreg-

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ler 19 wieder die Steuerung des Heizkessels und der Ventilatoren .

Das Steuergerät 13 umfaßt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im wesentlichen einen Mikrocomputer mit zugehöriger Software, eine Dateneingabe und -erfassung, Meßwerterfassung und -umwandlung sowie -verarbeitung und eine Ausgabe. Ferner sind auf dem Steuergerät eine bevorzugt 16-stellige alphanumerische Anzeige sowie eine 10er Datentastatur unter anderem zur Eingabe von Sollwerten, zur Abfrage von Istwerten, Ausgabe von Meldungen, Einstellen einer Zeituhr angeordnet.

Mit diesem Steuergerät ist eine optimale Anpassung der erzeugten Kälteleistung an den jeweiligen Kältebedarf der Verbraucher möglich, wobei es prinzipielles Ziel ist, den Verflüssigungsdruck so niedrig wie möglich zu halten, um den Energiebedarf zu minimieren. Dieses trifft sowohl für eine Verbundkälteanlage mit als auch ohne Wärmerückgewinnung zu.

Das Steuergerät beinhaltet die folgenden Möglichkeiten:

1. Integrierende Analog-Meßwerterfassung 2. Quarzgesteuerte Kalenderuhr

3. Datensicherung bei Netzausfall bis zu 14 Tagen

4. Ausgaben der aktualisierten Istwerte während des Betriebes auf der alphanumerischen Anzeige.

5. Meßwertüberwachung

6. Eingang für Heizungsregler

7. Autmomatische Umschaltung von Kühl- in den Wärmerückgewinnungsbetrieb und umgekehrt.

8. Steuerung von Kältemittelverdichtern und zusätzlich eine Leistungsstufo pro Verdichter in Abhängigkeit vom Niederdruck.

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9. Anzahl der Kältemittelverdichter und Leistungsstufen wählbar.

10. Regelung und überwachung der Öltemperatur 11 . Steuerung der Kältemittelverdichterzusatzventilatoren in Abhängigkeit der Druckrohrtemperatur.

12. Überwachung der Temperatur in der Druckleitung.

13. Überwachung der Wicklungstemperatur der Antriebsmotoren der Kältemittelverdichter.

14. Öldrucküberwachung der Kältemittelverdichter

15. Steuerung der Verflüssigerventilatoren im Kühlbetrieb sowie eine zusätzliche Schaltstufe für einen weiteren Wärmeerzeuger bei der Wärmerückgewinnung.

16. Anzahl der Stufen der Verflüssigerventilatoren ist wählbar.

17. Keilrienenüberwachung bei Betrieb der Verflüssigervenilatoren mit Keilriemen.

18. Drucküberwachung in der Anlage

19. Sollwertschiebung von Verflüssigungs- und Verdampfungsdruck.

20. Zwei Eingänge für Lastabwurf.

21. Störungen werden mit Datum und Uhrzeit gespeichert.

22. Automatische Grundlastumschaltung mit wählbarer Umschaltzeit.

23. Alle Daten können auf einem Drucker ausgegeben werden (immer mit Datum und Uhrzeit versehen)

24. Saugdruckanhebung

25. Pulsen

Jedem Kälteverbraucher ist üblicherweise ein Magnetventil zugeordnet, das von einem Thermostaten geschaltet wird. Falls der Thermostat des Verbrauchers Kälteleistung anfordert, und mindestens ein Verdichter in Betrieb ist, öffnet das Magnetventil. Ist nun aber der Druck auf der Niederdruckseite so tief, daß ein Druckwächter angesprochen hat, 35sind alle Verdichter weggeschaltet und die Magnetventile

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1 geschlossen und durch die Thermostäte nicht zu öffnen. Für diesen Fall ist vorgesehen, das Magnetventil, dessen Thermostat Kälteleistung anfordert, zu pulsen, also im Wechsel ein- und auszuschalten. Damit wird einerseits er-

5 reicht, daß der Druck in der Saugleitung ansteigt und andererseits wird eine Überfüllung der Verdampfer mit flüssigem Kältemittel verhindert, wodurch Verdichterschäden durch Flüssigkeitsschläge vermieden werden.

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Leistungsbedarfswerte von Verbundkälteanlagen mit 4 Kältemittelverdichtern

1. Lufteintrittstemperatur in Verflüssiger entsprechend .Auslegungsbedingungen.

a) Die Leistungswerte einer typischen Verbundkälteanlage für Supermärkte bei Auslegungsbedingungen ergeben sich wie folgt (ohne Kälteverbraucher wie Kühlmöbel, Kühlräume etc).:

- Kälteleistung - 100%

- Leistungsbedarf Kältemittelverdichter ca. 78% - Leistungsbedarf Verflüssigerventilatoren ca. 20%

- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung ca. 1%

- Leistungsbedarf für Kurbelgehäuseheizung ca. 1%

- Gesamtleistungsbedarf ca. 100%

b) Die Leistungswerte dieser Verbundkälteanlage bei ca. 50% Kältebedarf (2 Kältemittelverdichter in Betrieb) und voller Leistung der Verflüssigungsventilatoren betragen:

- Kälteleistung ca. 56%

- Leistungsbedarf Kältemittelverdichter ca. 40%

- Leistungsbedarf Verflüssigungsventilatoren ca. 20%

- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung ca. 0,5%

- Leistungsbedarf Kurbelgehäuseheizung ca. 0,5% - Gesamtleistungsbedarf ca. 61%

c) Bei gleichen Bedingungen wie Punkt 1b) aber Reduzierung der Drehzahl der Verflüssigerventilatoren auf 2/3 der Nenndrehzahl (Reduzierung des Luftvolumenstromes auf ca. 2/3) ergeben sich nachstehende Werte:

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	5810
ca.	531
ca.	39,5%
ca.	.7%
ca.	0,5%
ca.	0,5%
ca.	47,5%

- Kälteleistung

- Leistungsbedarf Kältemittelverdichter

- Leistungsbedarf Verflüssigerventilatoren

- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung

- Leistungsbedarf Kurbelgehäuseheizung

- Gesamtleistungsbedarf

2. Lufteintrittstemperatur in Verflüssiger um 10 K abgesenkt.

a) Bei den sonstigen Bedingungen wie Punkt 1a ergeben sich folgende Werte:

- Kälteleistung ca. 122?,

- Leistungsbedarf Kältemittelverdichter ca. 81% - Leistungsbedarf VerflüssigungsVentilatoren ca. 20¹J

- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung ca. 1t>

- Leistungsbedarf Kurbelgehäuseheizung ca. 1%

- Gesamtleistungsbedarf ca. 103%

b) Bei den sonstigen Bedingungen wie Punkt 2a) aber Reduzierung der Drehzahl der Verflüssigerventilatoren auf 2/3 der Nenndrehzahl ergeben sich für

- Kälteleistung ca. 112% - Leistungsbedarf Kältemittelverdichter ca. 80'i

- Ieistungsbedarf Verflüssigerventilatoren ca. 7"

- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung ca. 1%

- Leistungsbedarf Kurbelgehäuseheizung ca. 1%

- Gesamtleistungsbedarf ca. 89%

c) Bedingungen wie Punkt 2a) jedoch mit 50% Kältebedarf

(2 Kältemittelverdichter in Betrieb) und volle Drehzahl der Verflüssigervcntilatoren.

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34058	10
ca.	67%
ca.	41%
ca.	20%
ca.	0,5%
ca.	0,5%
ca.	62%

- Kälteleistung

- Leistungsbedarf Kältemittelverdichter

- Leistungsbedarf Verflüssigerventilatoren

- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung

- Leistungsbedarf Kurbelgehäuseheizung

- Gesamtleistungsbedarf

d) Bedingungen wie Punkt 2c) jedoch mit Reduzierung der Verflüssigerventilatoren auf 2/3 ihrer Nenndrehzahl. 10

- Kälteleistung

- Leistungsbedarf Kältemittelverdichter

- Leistungsbedarf Verflüssigerventilatoren

- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung 15 - Leistungsbedarf Kurbelgehäuseheizung

- Gesamtleistungsbedarf

ca.	62%
ca.	40,5%
ca.	7%
ca.	0,5%
ca.	0,5%
ca.	48,5%

Claims

(S 454) S 84/23

Sti/fl 17.2.1984

Patentansprüche

1· Verfahren zur Steuerung einer Verbundkälteanlage mit mehreren Verdichtern und mindestens einem Ventilator für die Abführung der Verflüssigungswärme, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftvolumenstrom des oder der Ventilatoren in Abhängigkeit von der Luftansaugtemperatür und/oder der momentanen Kälteleistung geregelt wird,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftvolumenstrom durch Zu- und/oder Abschalten von Ventilatoren geregelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftvolumenstrom durch Änderung der Drehzahl der Ventilatoren geregelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorgegebener Bereich des Verflüssigungsdruckes eingehalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei geringerer Luftansaugtempara-

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tür der Luftvolumenstrom verringert wird.

Verfahren zur Steuerung einer Verbundkälteanlage nach Anspruch 1, bei der zusätzlich eine Wärmerückgewinnung für Raumheizung und Brauchwasser-Erwärmung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftvolumenstrom zusätzlich in Abhängigkeit von der Warmwasservorlauftemperatur und/oder der Raumtemperatur geregelt wird.

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