DE3444171A1

DE3444171A1 - Fuehlereinrichtung zum erkennen von reifniederschlaegen

Info

Publication number: DE3444171A1
Application number: DE19843444171
Authority: DE
Inventors: Hanno 6744 Kandel Roller; Roland 6729 Rülzheim Starck
Original assignee: Fritz Eichenauer GmbH and Co KG
Current assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Priority date: 1984-12-04
Filing date: 1984-12-04
Publication date: 1986-06-05
Also published as: ES549524A0; JPS61134651A; ES8701958A1; FR2574192A1; FR2574192B1; IT8523064A0; US4671072A; GB8527836D0; GB2168158A; IT1186135B

Description

Die Erfindung betrifft eine Fühlereinrichtung zum Erkennen von Reifniederschlägen, insbesondere an Verdampfern von Kühlanlagen od.dgl.

Bei Kühlanlagen, wie Gefrierhäusern od.dgl ., kommt es aufgrund der Abkühlung bei übersättigtem Dampf im Kühlraum zur Sublimation von Wasserdampf an den kalten Lamellen des Verdampfers und damit zur Reifbildung an diesen Lamellen. Bei Reifbildung kommt ein Teil der zur Verdampfung der Kühlflüssigkeit im Verdampfer erforderlichen Wärme nicht aus der Umgabung der Lamellen, so daß diese weiter abgekühlt , d.h. ihre Temperatur erniedrigt würde,sondern vielmehr wird hierzu die bei der Reifbildung abgegebene Erstarrungs- bzw. Sublimationswärme genutzt. Bei der Reifbildung vergrößert sich im übrigen die feste Oberfläche, an der eine Sublimation des Wasser dampfes stattfinden kann. Insgesamt sinkt der Wirkungsgrad der Kühlanlage immer weiter ab, so daß schließlich ein Abtauen des auf dem Verdampfer gebildeten Reifs erforderlich ist, was wiederum eine Energiezufuhr erfordert.

COPY

Das Abtauen erfolgt mittels eingebauten elektrischen Rohrhäzkörpern, die beispielsweise zwischen den die Lamellen des Verdampfers durchtretenden Kälteführungsrohren ebenfalls durch die Lamellen hindurchtreten; diese elektrische Rohrheizkörper werden als Abtau-Heizkörper bezeichnet. Da solche Abtauvorgänge innerhalb kurzer Zeit vollzogen werden müssen - es soll lediglich der Reif auf den Verdampferlamellen durch Wärmezufuhr entfernt, nicht aber der Kühlraum aufgeheizt werden - , wird die Installation einer relativ großen elektrischen Leistung vorausgesetzt.

Das Abtauen der Verdampfer erfolgt derzeit in unterschiedlicher Weise. Am häufigsten wird über einen Zeitrhythmus abgetaut, d.h. es ist eine Zeitschaltuhr vorgesehen, die in vorgewählten Zeitintervallen die Abtau-Anlage einschaltet, wodurch die Verdampferlamellen von Reif befreit werden. Bei dieser Zeitschaltmethode kann nicht die Stärke des Reif- bzw. Eisniederschlages berücksichtigt werden, d.h. nicht wie es optimal ist, bei einer Reifschicht bestimmter, nicht übermäßiger Dicke abgetaut werden, sondern es wird entweder zu früh abgetaut, wenn noch kein Reifniederschlag vorhanden ist, oder aber zu spät, wenn der Verdampfer schon erheblich zugereift ist.

Ein weiteres Verfahren berücksichtigt, daß bei zunehmenden Reifansatz an den Verdampferlamellen die Luftmengendurchströmung abnimmt. Es wird daher der Differenzdruck durch Messung vor und nach dem Verdampfen bestimmt. Durch Verschmutzung können aber Fehl schaltungen bewirkt werden und eine Erkennung der Reifdicke ist nicht mit ausreichender Genauigkeit möglich.

Weiterhin ist ein licht-optisches Verfahren bekannt, bei dem ein Lichtstrahl auf einen Empfänger gerichtet wird, so daß bei Unterbrechung des Lichtstrahls durch Reifbildung ein Signal abgegeben wird, welches die Abtau-Heizkörper einschaltet. Auch hier können Fehler durch Verschmutzung sowie Eis- oder Reif-

- 3-

bildung an Sender und Empfänger ein nahezu dauerndes Einschalten der Abtau-Anlage bewirken, obwohl es von der Reifbildung an den Lamellen her nicht erforderlich wäre. Schließlich ist d i e Regelung über Thermostaten bzw. mit Hilfe von Meßsonden (Elektroden) bekannt, wobei Reif, Schnee oder Eis zunächst geschmolzen wird und je nach der Menge der Flüssigkeit zwischen den Elektroden eine bestimmte Stromgröße wiederum die Einschaltung einer Abtau-Anlage vornimmt. Zur Erfassung von Reifbildung ist diese Regelung nicht geeignet.

Insgesamt werden bei den bekannten Verfahren zum falschen Zeitpunkt unnötige Einschaltsignale für die Abtau-Heizkörper abgegeben, so daß übermäßige Energie und damit erheblbhe Kosten aufgewendet werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Fühlereinrichtung zu schaffen, bei der unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile eine Reifansammlung mit hoher Genauigkeit erfaßt und .aufgrund dieser Erfassung je nach gewünschter Einstellgröße ein Signal zum Einschalten der Abtau-Anlage abgegeben wird.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einer Fühlereinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen einer Wärmequelle und einem Temperaturfühler , die mit Abstand zueinander angeordnet sind, eine thermische Verbindung aus einem Stoff vorhanden ist, dessen spezifische Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit von Reif liegt. Wenn die erfindungsgemäße Einrichtung auch insbesondere zum Erfassen der Reifbildung zwischen den Lamellen des Verdampfers einer Kühlanlage vorgesehen und ausgebildet ist, so kann sie in gleicher Weise

COPY

£ 3AAA171

-brauch zur Feststellung von Schnee und Eis an Weichen,Dachrinnen , od.dgl . eingesetzt werden.

Die Erfindung geht davon aus, daß die von der Wärmequelle erzeugte Wärme zum Temperaturfühler gelangt und dort erfaßt wird; ihr liegt der Gedanke zugrunde, daß durch die Reifbildung ein hinreichender, nämlich in der gleichen Größenordnung wie die von der Wärmequelle zum Temperaturfühler gelangende Wärmemenge liegender Anteil an Wärme vom vorgenannten Wärmestrom abgezogen wird, so daß zum Temperaturfühler bedeutend weniger Wärme gelangt, als wenn kein Reif vorhanden ist und die Differenz der Wärmemenge bei Nichtvorhandensein von Reif und Vorhandensein von Reif in der gleichen Größenordnung liegtjWie die absolute Wärmemenge selbst. Hierzu ist wesentlich, daß die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Wärmequelle und Temperaturfühler verbindenden Stoffes in der Größenordnung der spezifischen Leitfähigkeit von Reif liegt. Wenn dieser verbindende Stoff eine wesentlich größere spezifische Wärmeleitfähigkeit hätte, so würde dies dazu führen, daß auch bei Reifbildung, der aufgrund seiner "Porosität" eine sehr geringe spezifische Wärmeleitfähigkeit hat, kaum Wärme abgezogen würde ,sondern weiterhin der größte Teil der erzeugten Wärmemenge von der Wärmequelle zum Fühlerelement geleitet wird und die abgezogene Wärmemenge, die beispielsweise im Promille- oder unteren Prozentbereich der absolut zum Fühlerelement gelangenden Wärme läge und damit innerhalb der Fehlergrenze, beispielsweise durch unterschiedliche Kühltemperaturen, elektronische Fehler etc. , so daß kein nutzbares Signal erzeugt wird, d.h. insgesamt trotz Reifbildung der Temperaturfühler kein Signal zum Einschalten der Abtau-Heizkörper abgeben würde.

Demgegenüber ist es durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Fühlereinrichtung möglich, in ausreichend exakter Weise aufgrund des hinreichend unterschiedlichen Wärmeflusses und der dadurch unterschiedlichen Beeinflussung

des Fühlerelements bei Reif- und Eisbildung ein verwertbares elektrisches Signal zur Schaltung der Abtau-Anlage zu erhalten.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen ,daß Wärmequelle und Temperaturfühler in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und daß das Gehäuse die Verbindung mit einer in der Größenordnung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit von Reif .liegenden spezifischen Wärmeleitfähigkeit bildet. Materialien für die Hülse können aufgrund der durch die erfindungsgemäße Lösung gesetzten Bedingungen entsprechenden einschlägigen Tabellen (beispielsweise Dibbel) entnommen werden. Ein bevorzugtes Hülsenmaterial ist beispielsweise mit Zusätzen oder Beimengungen, wie Ruß versehener Silikonkautschuk, da dieser neben der durch seine Dichte und insbesondere die Rußbeimengung einstellbaren Wärmeleitzeit auch sowohl die erforderliche Stabilität als auch die wünschenswerte Elastizität aufweist.

In bevorzugter Weise ist weiterhin vorgesehen, daß die Wärmequelle ein PTC-Heizelement (Kaltleiter) aufweist. Hierdurch wird, auch bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen erreicht, daß die beim Temperaturfühler anlangende Wärmemenge (gleicher Verreifungsgrad vorausgesetzt) möglichst wenig schwankt. In diesem Fall kann die Fühlereinrichtung konstruktiv ausgehend von einem hülsenartigen Widerstandsheizelement gemäß der DE-PS 29 48 gebildet sein, wobei zusätzlich zu dem PTC-Element als Wärmequelle in die Hülse ein Temperaturfühler einzusetzen ist und darauf zu achten ist, da3 , falls eine Kontaktierung des PTC-Elements über metallische Kontaktplatten erfolgt, deren Abmessung dann an diejenige des PTC-Elemants angepaßt sein sollte und sie auf keinen Fall bis zum Temperaturfühler reichen dürfen, damit sie keine Wärmebrücke hoher spezifischer Leitfähigkeit bilden.

-iT-

In weiterer Ausbildung ist vorgesehen,daß der Temperaturfühler als NTC-Element (Heißleiter) ausgebildet ist oder aber daß der Temperaturfühler als Halbleiter-, insbesondere Silicium-Temperatursensor ausgebildet ist, der einen guten und genauen Meßbereich zwischen -50 C und

ο
0 C aufweist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert ist. Dabä zeigt:

Figur 1 einen erf indungsgernäßen Fühler im Längs

schnitt;

Figur 2 einen Querschnitt des Fühlers der Figur 1

entsprechend der Linie l-l ;

Figur 3 den Fühler in der Figur 1 zwischen zw ei Lamellen

eines Verdampfers einer Kühlanlage eingesetzt, wobei die Kühlanlage in unverreiftem Zustand ist;

Figur 4 eine Darstellung des entsprechend der Figur 3,

wobei sich zwischen Fühler und Lamellen Reif gebildet hat;

Figur 5 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung

des vVärmeflusses im Zustand der Figur 3; und

COPY

F. Eichensuer GmbH & Co.KG

Figur 6 eine Darstellung entsprechend Figur 5

für den Zustand der Figur 4.

Der erfindungsgemäße Fühler 1 weist eine äußere Hülse 2 auf, die aus einem Material mit einem in der Größenordnung der Wärmeleitzahl 1 von Reif, A_ = 0,09 W/mK, liegt (die Wärmeleitzahl von Schnee ist stark abhängig

3 von seiner Dichte und reicht von 0,05 bis einer Dichte von 100 kg/m bis beispielsweise 0,52 W/mK bei einer Dichte von 400kg/m ;Reif entspricht sehr leicht dem Schnee mit einer Dichte in der Größenordnung von 100 bis 150kg/m ).Die Abmessungen der Hülse selbst sind nicht sehr kritisch. Üblicherweise weisen derartige Hülsen eine Länge von 5 bis 8 cm, einen Durchmesser von 0,05 bis 1,5 cm und Wandstärken von beispielsweise 0,2 bis 0,5 cm auf. Geeignetes Material für die Hülse kann entsprechenden Wärmelejtzahltabellen entnommen werden, wie beispielsweisedem "DubbeT'.Ejn bevorzugtes Material ist zur Herabsetzung der Wärmeleitfähigkeit mit Ruß durchsetzter Silikon-Kautschuk oder entsprechender Kunststoff , wodurch neben der geeigneten Wärmeleitfähigkeit auch die erforderliche hohe mechanische Festigkeit erreicht wird. Die Hülse weist einen Hohlraum auf, in dem mit Abstand zueinander einerseits ein Heizelement 3 und andererseits ein Fühlerelement 4 angeordnet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Raum zwischen Heizelement 3 und Fühlerelement 4 leer bzw. weist Luft auf. Er könnte aber auch mit Material der Hülse ausgefüllt sein; Das Heizelement ist vorzugsweise ein selbststabilisierendes Element mit positiven Temperaturkoeffizienten, kann aber auch ein üblicher Festwiderstand sein. Als PTC-Element ist das Heizelement 3 auf seinen Oberflächen 6 und 7 mit einer MetalIkontaktierung versehen, von der Anschlußdrähte 8, 9 aus der Hülse 2 herausgeführt sind . Die Anschlußdrähte 8, 9 sind zu einer Spannurgsquelle geführt.

4o

Das Fühlerelement kann beispielsweise ein NTC-Element (Heißleiter) sein, dessen Widerstand mit niedriger Temperatur sinkt. Es kommen aber auch andere Temperaturfühler, wie Thermoelemente oder Temperatursensoren , insbesondere Siliciumtemperatursensoren in Frage. Das Fühlerelement 4 gibt ein mit der Temperatur sich änderndes Signal überdie Anschlußleitungen 11 , 12 ab, das dann zur Schaltung von Abtaueinheiten genutzt wird.

Die Anordnung eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers 1 in einem Verdampfer einer Kühlanlage ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt. Ein derartiger Verdampfer weist Lamellen auf, die durch Kühlflüssigkeitsleitungen durchsetzt sind, in denen durch Entspannung die Kühlflüssigkeit verdampft und zum Verdampfen über die Lamellen aus der Umgebung Wärme abgibt, damit die Umgabung kühlt. Beim Kühlen kann nun aufgrund übersättigtem Wasserdampfes dieser an den Lamellen sublimieren und damit als Reif niederschlagen (Fig. 4). Die Reifbildung ist nachteilig, da durch sie die Kühlleistung nicht zum Kühlen, also erniedrigende Temperatur, sondern weitgehend zur Bildung des Reifs genutzt wird, wobei durch die Vergrößerung der Oberfläche aufgrund des Reifs sich weiterer Reif absetzen kann und die Verluste durch Kondensation ansteigen. Reifentstehung rrtßdaher verhindert, zumindest aber frühzeitig unterbunden werden.

Ist kein Reif gebildet (Fig. 3) so fließt ein Teil der im Heizelement 3 erzeugten Wärme über die Hülse 2 zum Fühlerelement 4 , während ein weiterer geringerer Teil , der aber grundsätzlich in der gleichen Größenordnung liegt, über die Außenwandung der Hülle abgegeben wird. Dies ist in Figur 5. dargestellt. Die angegebenen Prozentwerte sind lediglich zur Erläuterung angenommene hypothetische Werte bzw. grobe Abschätzungen. Bildet sich nun Reif zwischen den Lamellen 13, der dann auch das Fühlerelement 4berührt, so kann aufgrund des Umstandes, daß die Wärmeleitzahl des Materials der Hülse 2 in der gleichen Größenordnung wie die des Reifs liegt (und nicht wesentlich größer ist) ein-größter Teil des vom

leizelement 3 erzeugten Wärme zunächst an den Reif abgegeben werden aufgrund dessen größerer Wärmeleitfähigkeit gegenüber Luft (bei -20 C a. 0,02 W/mK) und trägt zu einer aufgrund der Masse des Reifs, in der sie ich durch Dissipation "verteilt", allerdings auf jeden Fall nur geringsten emperaturerhöhung bei, wird dort ggfls. als Schmelzwärme benutzt verbraucht) bzw. kann über die durch den Reif vergrößerte Oberfläche leichter τ die Umgebung abgegeben werden.Dieses Verhältnisse sind in der Fig.6 dargestellt, ufgrund der in der gleichen Größenordnung liegende Wärmeleitzahl des aterials der Hülse 2 und des Reifniederschlages ergibt sich eine Änderung ;r vom Temperaturfühler aufgenommenen Wärme, die insbesondere selbst in ir Größenordnung der absolut aufgenommenen Wärme liegt und entsprechend nfach und ohne größeren Aufwand gemessen bzw. weiter verarbeitet werden mn, um Heizelemente zum Abtauen der Kühllamellen zu beheizen. Das Signal inn insbesondere nicht durch Umgebungseinflüsse , Fehlerquellen etc. , ie beispielsweise unterschiedliche Kühlleistung des Kühlaggregats usw. enn die Wärmeleitzahl des Heizelements 3 und Fühlerelement 4 verbindenden aterials wesentlich höher als diejenige von Reif liegen würde, so wäre einer- !its der Wärmefluß ohne Reifansatz nahezu 100% und die Änderung des Wärmejsses aufgrund von Reifansatz würde in Promille bzw. im unteren Prozent-Teich liegen, und damit ein bis zwei Größenordnungen unterhalb der des isoluten Wärmeflusses liegen, so daß kein verwertbares Signal mehr zu er-J ten wäre. Aus diesen Gründen sind Hülsen oder verbindende Teile zwischen jizelement und Fühlerelement aus Metall auf jeden Fall auszuschließen.

-U-

Leerseite -

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Fühlereinrichtung zum Erkennen von Reifniederschlägen, insbesondere an Verdampfern von Kühlanlagen oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Wärmequelle und e.inem Temperaturfühler, die mit Abstand zueinander angeordnet sind, eine thermische Verbindung aus einem Stoff vorhanden ist, dessen spezifische Wärmeleitfähigkeit in der Größenadnung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit von Reif liegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß Wärmequelle und Temperaturfühler in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und daß das Gehäuse die Verbindung mit einer in der Größenordnung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit von Reif liegenden spezifischen Wärmeleitfähigkeit bildet.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zyl inderförmig ausgebildet ist.

COPY

-2t-

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse quaderförmig ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle ein PTC-Heizelement (Kaltleiter) aufweist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die V\£rmequel Ie als elektrisches Heizelement mit Festwiderstand ausgebildet ist.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler als NTC-Element (Meißleiter) ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler als Thermoelement ausgebildet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler als Halbleiterthermosensor ausgebildet ist.