DE4430468C2 - Regeleinrichtung einer Kühlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung einer Kühlvorrichtung mit einem Kühlkreis, in dem ein Kompressor, ein Kondensator und wenigstens ein Zweig mit einem Expansionsventil und einem nachgeschalteten Verdampfer hintereinander angeordnet sind, mit einem Regler, einer Meßeinrichtung für die Überhitzungstempe­ ratur des Dampfes einer im Verdampfer verdampften Kühl­ flüssigkeit und einem Fühler für die Umgebungstempera­ tur des Verdampfers, wobei der Regler in Abhängigkeit von einem Unterschied zwischen Soll- und Istwert der Überhitzungstemperatur das Expansionsventil im Sinne einer Verminderung des Unterschieds steuert und der Kühlflüssigkeitszufluß zum Verdampfer in Abhängigkeit vom Meßwert des Umgebungstemperaturfühlers im Sinne einer Konstanthaltung der Umgebungstemperatur steuerbar ist.

Bei einer bekannten Kühlvorrichtung dieser Art ist es üblich, die Umgebungstemperatur, z. B. die Lufttempera­ tur im Kühlraum, mittels eines in der Kühlflüssigkeits­ leitung vor dem Expansionsventil, das die Überhitzungs­ temperatur der im Verdampfer verdampften Kühlflüssig­ keit steuert, liegenden Thermostatventils mit Zweipunkt-Verhalten in Abhängigkeit von der Umgebungstempe­ ratur des Verdampfers zu steuern. Durch das wiederholte Öffnen und Schließen des Thermostatventils unterliegt die Umgebungstemperatur des Verdampfers starken Schwan­ kungen. Da die Ein- und Ausschalt-Temperaturwerte des Thermostatventils unterschiedlich sein müssen, um ein zu häufiges Schalten zu vermeiden, andererseits die Temperatur des Kühlguts einen oberen Grenzwert nicht allzu lange überschreiten darf, liegt der sich durch das Ein- und Ausschalten des Thermostatventils ergeben­ de Mittelwert der Umgebungstemperatur bzw. der Tempera­ tur des Kühlguts verhältnismäßig weit unter dem zuläs­ sigen oberen Grenzwert der Kühlguttemperatur. Dement­ sprechend ist der Mittelwert der Kühlleistung, die umso höher ist, je niedriger die aufrechtzuerhaltende Tempe­ ratur ist, stets höher als erforderlich. Darüber hinaus unterliegt auch die Leistung des Kompressors starken Schwankungen, sei es, daß seine Drehzahl oder sein Druck stetig oder unstetig, letzteres durch Ein- und Ausschalten oder stufenweises Ändern seiner Leistung, wie bei einem mehrstufigen Kompressor, geändert wird, was aufgrund der Massenträgheit seiner bewegten Teile zusätzliche Energieverluste zur Folge hat.

Sodann ist die Verwendung zweier Ventile vor dem Ver­ dampfer aufwendig.

Die US 47 45 767 offenbart einen Vergleicher, der das durch einen Kühlraumtemperaturfühler gemessene Kühl­ raumtemperatursignal mit einem voreingestellten Tempe­ raturwert vergleicht und bewirkt, daß das Expansions­ ventil vollständig geschlossen wird, wenn das Meßsignal kleiner oder gleich dem vorgegebenen Temperaturwert ist oder bei Überschreitung des Temperaturwertes durch das Raumtemperatur-Meßsignal einen Überhitzungstemperatur­ regler freigbt, der dann das Expansionsventil im Sinne einer Konstanthaltung der Überhitzungstemperatur auf einem voreingestellten Überhitzungstemperaturwert steu­ ert. Hierbei wird mithin die Kühlraumtemperatur ebenfalls nicht stetig geregelt, sondern nur die Über­ hitzungstemperatur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regel­ einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die bei einfacherem Aufbau einen höheren Wirkungsgrad der Kühlvorrichtung ergibt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Regler ein stetiges Verhalten hat und mit dem Umge­ bungstemperaturfühler verbunden ist, daß der Regler, bei Erreichen einer Tiefkühltemperatur in einer ersten Betriebsart mit Überhitzungstemperaturregelung unter Einhaltung der maximal zulässigen Kühlflüssigkeitsfül­ lung im Verdampfer, auf eine zweite Betriebsart mit Steuerung des Kühlflüssigkeits-Füllstands im Verdampfer durch das Expansionsventil im Sinne der Aufrechterhal­ tung der Tiefkühltemperatur umschaltbar ist.

Bei dieser Lösung wird zu Beginn, gegebenenfalls nach einem Anlauf- und Abtauvorgang, in einer ersten Be­ triebsphase, in der die erste Betriebsart angewandt wird, das Kühlgut durch die Überhitzungstemperaturrege­ lung mit maximalem Füllstand der Kühlflüssigkeit im Verdampfer sehr rasch bis auf die gewünschte tiefe Tem­ peratur abgekühlt und danach in einer zweiten Be­ triebsphase, in der die zweite Betriebsart angewandt wird, d. h. durch stetige Regelung der Umgebungstempera­ tur, die Kühlguttemperatur auf dem gewünschten niedri­ gen Wert gehalten, indem die wirksame Kühlfläche des Verdampfers lediglich entsprechend dem Bedarf, d. h. den Wärmeverlusten des Kühlguts, durch die stetige Änderung des Öffnungsgrads des Expansionsventils und damit des Kühlflüssigkeits-Standes im Verdampfer gesteuert wird. Hierbei kann der Sollwert der Umgebungstemperatur so gewählt werden, daß er nahezu oder genau gleich der maximal zulässigen Tiefkühltemperatur des Kühlguts ist, also nicht wesentlich darunter liegt, wie bei einer Zweipunkt-Temperaturregelung, bei der der Sollwert gleich dem Mittelwert der schwankenden Temperatur ge­ wählt wird. Auf diese Weise ergibt sich eine erhebliche Energieeinsparung. Aufgrund der stetigen Regelung sind keine Leistungssprünge auf seiten des Kompressors er­ forderlich. Sodann kommt man mit nur einem Ventil, dem Expansionsventil, aus.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß der Regler, bei Überschreitung eines Minimalwertes der Überhitzungstem­ peratur während der zweiten Betriebsart, auf die Rege­ lung der Überhitzungstemperatur bis über den Minimal­ wert umschaltbar ist. Auf diese Weise ist sicherge­ stellt, daß auch bei der Regelung der Umgebungstempera­ tur in der zweiten Betriebsphase bzw. Betriebsart, in der die Umgebungstemperatur bzw. Kühlguttemperatur durch entsprechende Steuerung des Füllstands der Kühl­ flüssigkeit im Verdampfer, eine sogenannte "Flächen­ steuerung", bestimmt wird, der maximal zulässige Füll­ stand im Verdampfer aufgrund einer zu niedrigen Über­ hitzungstemperatur (Unterschreitung des Minimalwertes) nicht überschritten wird und damit sogenannte "Flüssigkeitsschläge" vermieden werden.

Sodann kann das Expansionsventil elektronisch steuerbar und der Regler ein elektronischer Regler sein. Diese Ausbildung ermöglicht einen raumsparenden Aufbau.

Bei mehreren im Kühlkreis parallel liegenden Zweigen mit je einem Expansionsventil und Verdampfer ist es günstig, wenn allen Zweigen ein Kompressor mit ein­ stellbarer Leistung gemeinsam und jedem Expansionsven­ til ein eigener Regler der genannten Art zugeordnet ist. Eine solche Ausbildung ist bei größeren Kühlanla­ gen, wie sie beispielsweise in Supermärkten für eine Vielzahl von Kühltruhen mit einem Mehrstufen-Kompressor verwendet wird, vorteilhaft, weil durch die Anwendung der Erfindung hierbei ein häufiges Umschalten der Kom­ pressorstufen vermieden wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrie­ ben.

In einem Kühlkreis liegen ein Kompressor 1, ein Konden­ sator 2 und mehrere parallele Zweige 3 mit je einem Expansionsventil 4 und einem nachgeschalteten Verdamp­ fer 5 hintereinander. Der Steuereingang jedes Expan­ sionsventils 4 ist jeweils mit dem Ausgang eines eige­ nen Reglers 6 verbunden, dem einerseits ein Überhit­ zungstemperatur-Sollwert Tü_s und ein Umgebungstempera­ tur-Sollwert Tu_s sowie andererseits von einem die Umge­ bungstemperatur des Verdampfers, z. B. die Lufttempera­ tur im Kühlraum oder die Temperatur des Kühlguts, mes­ senden Fühler 7 der Istwert der Umgebungstemperatur und von einer Meßeinrichtung 8 für die Überhitzungstempera­ tur des Dampfes einer im Verdampfer 5 verdampften Kühl­ flüssigkeit die Meßwerte zugeführt werden. Die Meßein­ richtung 8 besteht im dargestellten Beispiel aus einem Fühler 9 für den Dampfdruck am Ausgang des Verdampfers 5 und andererseits einem Fühler 10 für die Temperatur am Ausgang des Verdampfers. Hierbei ist der Dampfdruck ein Maß für die Temperatur der Kühlflüssigkeit im Ver­ dampfer, da diese Temperatur bei der Verdampfung der Siedetemperatur entspricht. Statt der dargestellten Ausbildung der Meßeinrichtung 8 könnte auch, (unter Beibehaltung des Fühlers 10) die Temperatur am Eingang des Verdampfers 5 gemessen werden. Aus den Meßwerten der Meßeinrichtung 8 ermittelt der Regler 6 dann durch Umformung des Druckmeßwertes in einen Temperaturmeßwert und Differenzbildung der beiden Temperaturmeßwerte den Istwert der Überhitzungstemperatur.

Jeder Regler 6 hat ein stetiges Verhalten. Sowohl die Expansionsventile 4 als auch die Regler 6 sind elektro­ nisch ausgebildet.

An der Saugleitung des Kompressors 1 ist ein Druckfüh­ ler 11 angeschlossen, der den Meßwert des Drucks einem Regler 12 zuführt. Dem Regler 12 wird außerdem ein Drucksollwert Ps zugeführt, wobei der Regler 12 den Druck und damit die Leistung des Kompressors 1 stufen­ weise regelt.

Während des Betriebs wird der vom Kompressor 1 verdich­ tete Kühlflüssigkeitsdampf im Kondensator 2 abgekühlt und dadurch wieder verflüssigt und anschließend über die Expansionsventile 4 dem jeweiligen Verdampfer 5 zugeführt.

In einer ersten Betriebsart oder Betriebsphase, gegebe­ nenfalls nach einer Anlauf- und Abtauphase, arbeitet jeder Regler 6 mit Überhitzungstemperaturregelung unter Einhaltung der maximal zulässigen Kühlflüssigkeitsfül­ lung im zugeordneten Verdampfer 5. Bei Erreichen der gewünschten Tiefkühltemperatur wird der Betrieb jedes Reglers 6 auf eine zweite Betriebsart umgeschaltet, in der der Kühlflüssigkeits-Füllstand im zugeordneten Ver­ dampfer 5 durch das zugeordnete Expansionsventil 4 im Sinne der Aufrechterhaltung der durch den Fühler 7 ge­ messenen Umgebungstemperatur bei einem Umgebungstempe­ ratur-Sollwert Tu_s entsprechend der Tiefkühltemperatur gesteuert wird. Das heißt, der Umgebungstemperatur- Sollwert Tu_s wird gleich dem maximal zulässigen Tief­ kühl-Temperaturwert gewählt, so daß die Kühlvorrichtung mit minimaler Energie zur Aufrechterhaltung der ge­ wünschten Tiefkühltemperatur auskommt, im Gegensatz zu einer bislang angewandten Zweipunkt-Regelung der Umge­ bungstemperatur bzw. der Temperatur des Kühlguts. Denn bei einer Zweipunkt-Temperaturregelung muß der Sollwert unter die maximal zulässige Kühlguttemperatur gelegt werden, weil durch die starken Schwankungen der Tempe­ ratur bei einer Zweipunkt-Temperaturregelung um einen Mittelwert, der gleich dem Sollwert ist, die maximal zulässige Kühlguttemperatur erheblich überschritten werden kann, wenn der Sollwert zu nahe an die maximal zulässige Kühlguttemperatur herangelegt wird.

Ferner ist auch die Häufigkeit der Schaltvorgänge des Kompressors aufgrund der stetigen Regelung erheblich verringert.

Entsprechende Vorteile ergeben sich auch bei einer Kühlvorrichtung mit nur einem Zweig 3 statt mehrerer paralleler Zweige 3.

Claims (4)

1. Regeleinrichtung einer Kühlvorrichtung mit einem Kühlkreis, in dem ein Kompressor (1), ein Kondensa­ tor (2) und wenigstens ein Zweig (3) mit einem Ex­ pansionsventil (4) und einem nachgeschalteten Ver­ dampfer (5) hintereinander angeordnet sind, mit einem Regler (6), einer Meßeinrichtung (8) für die Überhitzungstemperatur des Dampfes einer im Verdam­ pfer (5) verdampften Kühlflüssigkeit und einem Füh­ ler (7) für die Umgebungstemperatur des Verdampfers (5), wobei der Regler (6) in Abhängigkeit von einem Unterschied zwischen Soll- und Istwert der Überhit­ zungstemperatur das Expansionsventil (4) im Sinne einer Verminderung des Unterschieds steuert und der Kühlflüssigkeitszufluß zum Verdampfer (5) in Abhän­ gigkeit vom Meßwert des Umgebungstemperaturfühlers (7) im Sinne einer Konstanthaltung der Umgebungs­ temperatur steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (6) ein stetiges Verhalten hat und mit dem Umgebungstemperaturfühler (7) verbunden ist, daß der Regler (6), bei Erreichen einer Tief­ kühltemperatur in einer ersten Betriebsart mit Überhitzungstemperaturregelung unter Einhaltung der maximal zulässigen Kühlflüssigkeitsfüllung im Ver­ dampfer (5), auf eine zweite Betriebsart mit Steue­ rung des Kühlflüssigkeits-Füllstands im Verdampfer (5) durch das Expansionsventil (4) im Sinne der Aufrechterhaltung der Tiefkühltemperatur umschalt­ bar ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Regler (6), bei Unterschreitung eines Minimalwertes der Überhitzungstemperatur wäh­ rend der zweiten Betriebsart, auf die Regelung der Überhitzungstemperatur bis über den Minimalwert umschaltbar ist.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (4) elek­ tronisch steuerbar und der Regler (6) ein elektro­ nischer Regler ist.

4. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren im Kühl­ kreis parallel liegenden Zweigen (3) mit je einem Expansionsventil (4) und Verdampfer (5) allen Zwei­ gen ein Kompressor (1) mit einstellbarer Leistung gemeinsam und jedem Expansionsventil (4) ein eige­ ner Regler (6) der genannten Art zugeordnet ist.