CH676634A5 - Continuous output regulator for refrigerator and heat pump - positions regulating valve in liq. line to evaporator electronically by requirement-dependent setting signals - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur elektronischen, kontinuierlichen Leistungsregelung von Kältemaschinen oder Wärmepumpen gemäss dem Patentanspruch 1. Die Einrichtung umfasst je Verdampfer ein elektronisch ansteuerbares Regelventil in der Flüssigkeitsleitung zwischen Verflüssiger und Verdampfer, Mess-Sonden, elektronische Regelgeräte und Einstellmöglichkeiten für Führungswerte (Sollwerte) gemäss Fig. 3. 



  Im Gegensatz zu schaltenden Regeleinrichtungen führt die kontinuierliche Regelung zu einem steten, ausgeglichenen Verlauf der Regelgrössen (Temperatur, Feuchte usf.). Die kontinuierliche, bzw. stetige Leistungsregelung findet deshalb dort Anwendung, wo Führungsgrössen genau eingehalten werden müssen. Typische Anwendungen dieser Regelart finden sich in Humanklimaanlagen mit stark wechselnden Kühllasten, in Klimakammern, in Transport-, Lager- und Verkaufseinrichtungen für Kühl- und Gefriergüter. 



  Zwei Verfahren zur stetigen Leistungsregelung sind bekannt:
 a) Die Saugdrosselregelung
 b) Die Heissgasbypassregelung 



  Saugdrosselregelungen weisen ein Regelventil in der Saugleitung zwischen Verdampfer und Verdichter auf. Sie drosseln bei sinkendem Kühlbedarf den umlaufenden Kältemittelfluss durch Schliessen des Regelventils. Es sinkt dadurch die Kühlleistung der Kältemaschine. Um den minimalen Gasfluss zum Verdichter sicherzustellen, muss über dem Regelventil entweder ein Bypass vorgesehen werden, oder durch Heissgasbeimischung und Nachspritzung in die Saugleitung die notwendige Ersatzgasmenge bereitgestellt werden. 



  Saugdrosselregelungen weisen jedoch wesentliche Nachteile auf:
 - Um eine gute Regelbarkeit zu erreichen, muss das Saugdrosselventil einen möglichst grossen Drosselwiderstand aufweisen. Dieser zusätzliche Widerstand muss durch höhere Verdichterleistung und -arbeit überwunden werden.
 - Der Minimalbypass über das Regelventil schränkt den stetig regelbaren Leistungsbereich stark ein.
 - Heissgasbypass-, Nachspritz- und Expansionsventile sind in der Regel selbsttätige Regelorgane. Ihre Eigendynamik führt zu zusätzlichen Störgrössen, was die genaue Regelung erheblich erschweren kann.
 - Die durch das Regelventil erzeugte Drosselung führt zu sinkender Gasgeschwindigkeit in der Saugleitung und kann dadurch die \lrückführung in den Verdichter beeinträchtigen.

  Heissgasbypass-Regelungen verfügen über ein Regelventil in der Kurzschluss-Leitung zwischen der Druckseite nach dem Verdichter und der Niederdruckseite. Bei der direkten Heissgasbypass-Regelung mündet der Kurzschluss vor dem Verdichter, saugseitig ein, während bei der indirekten Heissgasbypass-Regelung der Kurzschluss zwischen Expansionsventil und Verdampfer in die Flüssigkeitsleitung einmündet. 



  Heissgasbypass-Regelungen weisen in der Regel folgende Nachteile auf:
 - Durch die Heissgasbeimischung sinkt die Druckdifferenz über dem Verdichter. Dies führt im Teillastbereich zu gleichbleibendem oder sogar steigendem Leistungsbedarf des Verdichters. Diese Art der Regelung ist daher für grössere Anlagen unwirtschaftlich.
 - Bei der direkten Heissgasbeimischung ist in der Regel ein Nachspritzventil erforderlich. Ausserdem ist die freie Plazierung des Verdampfers gegenüber dem Verdichter eingeschränkt. 



  Das hier vorgeschlagene Regelverfahren hebt sich vom bisher Bekannten durch folgende Punkte ab:
 - Anstelle eines Expansionsventils (thermisch oder elektronisch gesteuert) wird ein elektronisch betätigtes Regelventil (Pos. 1, Fig. 1) vorgeschlagen, das durch eine Vielzahl von Regelgrössen positioniert werden kann. Es regelt primär bedarfsabhängig die Kälteleistung.
 - Die Überhitzung wird nicht auf einen konstanten Wert geregelt, sondern variiert lastabhängig.
 - Im Vollastfall wird die Leistung der Kältemaschine optimiert, indem der Verdampfer mit Kältemittel soweit gefüllt wird, bis ein elektronischer Differenzregler bei Unterschreiten der einstellbaren, minimalen Überhitzung die Kältemittelzufuhr drosselt.
 - Teillastfall wird ein möglichst tiefer Saugdruck angestrebt und durch einen Heissgasbypassregler aufrechterhalten.

  Es lassen sich dadurch im Teillastbetrieb erhebliche Energieeinsparungen am Verdichter erzielen. 



  Es wird hiermit vorgeschlagen, für die Regelung der Kühlleistung die umlaufende Kältemittelmenge durch ein elektronisches Drosselorgan (Pos. 1. Fig. 1) zu beeinflussen. Es wird anstelle des Expansionsventils, in der Flüssigkeitsleitung zwischen Verflüssiger (Pos. 2. Fig. 1) und Verdampfer (Pos. 3. Fig. 1), vorgesehen. In Funktion der Anwendung zwischen der Regelgrösse x und der Führungsgrösse w erzeugt der Regler (RR Fig. 1) ein Stellsignal yR, welches das Ventil positioniert. Steigende Abweichungen (x - w) führen zum \ffnen des Regelventils. Als Folge fliesst mehr Kältemittel, die Kühlleistung steigt entsprechend. Sinkt der Kühlbedarf, drosselt das Regelventil den Kältemittelfluss. Schliesst das Ventil, würde der Verdichter (Pos. 5. Fig. 1) den Verdampfer leersaugen und durch den Niederdruckpressostaten (NP Fig. 2) abgestellt.

  Um die für den Verdichter im Teillastbetrieb minimal notwendige Gasmenge sicherzustellen, ist zwischen der Hoch- und Niederdruckseite eine Kurzschlussleitung (Pos. 6. Fig 2) vom Verdichter zum Verdampfer vorgesehen. 



  Diese Kurzschlussleitung ist durch ein selbsttätiges Heissgasbypassventil (Pos. 7. Fig. 2) oberhalb eines bestimmten Saugdruckes ps dicht geschlossen. Sinkt hingegen der Saugdruck ps unter einen am Heissgasbypassventil mechanisch eingestellten Wert, so öffnet es die Kurzschlussleitung. Der Saugdruck ps stabilisiert sich damit auf dem eingestellten Druckniveau, unabhängig von der Regelventilstellung. 



  Um den Verdampfer vor Überflutung und den Verdichter vor Flüssigkeitsschlägen zu schützen, wird durch einen weiteren Regelkreis, bestehend aus den Temperaturfühlern to (Verdampfungstemperatur) und ts (Sauggastemperatur) (to, ts Fig. 2) eine minimale Temperaturdifferenz  DELTA  t (ts - to) aufrechterhalten. Diese Differenz wird mit dem Sollwert  DELTA  tw laufend verglichen und durch den Differenzregler (DR Fig. 2) in ein Stellsignal y  DELTA  t umgesetzt. Das Stellsignal verstärkt sich bei steigender Temperaturdifferenz  DELTA  t (auch Überhitzung genannt) und schwächt sich bei abnehmender Überhitzung entsprechend ab. Das Regelventil drosselt dann die Kältemittelzufuhr in den Verdampfer so lange, bis die gewünschte minimale Überhitzung erreicht ist. Die Überhitzung sinkt in der Regel bei voller Kühlleistung, weil das Regelventil (Pos. 1. Fig. 1) voll öffnet.

   Durch eine genaue, knappe Überhitzungsregelung kann die Kühlleistung einer Kältemaschine erheblich optimiert werden. Je knapper die Überhitzung gewählt wird, desto besser wird der Füllgrad des Verdampfers. Entsprechend steigt die vom Verdampfer abgegebene Kühlleistung. 



  Ein Logikmodul (LM Fig. 2) vergleicht laufend die Stellsignale der Leistungsregelung yR und der Überhitzungsregelung y  DELTA t. Es wählt zwischen den zwei Stellsignalen immer das kleinere aus. Ist das Stellsignal yR grösser oder gleich y  DELTA  t so wird y  DELTA  t auf das Regelventil (Pos. 1. Fig. 1, 2, 3) geführt. In aller Regel liegt dann der maximale Lastfall vor. 



  Es wirkt somit aussschliesslich der Überhitzungsregler auf das Regelventil. Verändern sich hingegen die Stellsignale zu yR kleiner als y  DELTA  t, wählt das Logikmodul (LM Fig. 2, 3) das Stellsignal yR. Es liegt dann Teillast vor, der Verdampferfüllgrad sinkt und die Überhitzung nimmt zu. Es steigt damit das Stellsignal y  DELTA  t, während das Stellsignal yR sich abschwächt, wenn der Kühlbedarf sinkt. Das Regelventil beginnt dann den Kältemittelfluss zu drosseln. Als Folge sinkt auch der Verdampfungs- und Saugdruck ps. Sinkt der Verdampfungsdruck unter einen bestimmten Wert ps, öffnet das selbsttätige Heissgasbypassventil und liefert dem Verdichter das notwendige Ersatzgas. 



   Wird ein Leersaugen des Verdampfers ("pump-down") während der Stillstandszeiten gewünscht, so kann zwischen der Druckseite und dem Heissgasbypass ein dichtschliessendes "auf-zu"- Ventil vorgesehen werden. Es sperrt während dem Pump-down den Durchfluss in der Kurzschlussleitung. 



  Muss der Verdichter vor zu hohen Sauggastemperaturen geschützt werden, kann das Fühlersignal ts (Fig. 3) als Teil eines zusätzlichen Regelkreises für deren Überwachung Verwendung finden. Der Sauggasregler (RS Fig. 3) generiert ein Stellsignal yS, das unmittelbar und unbedingt auf das Regelventil wirkt, sobald ts über den Sollwert ws steigt. Durch dessen \ffnen fliesst flüssiges Kältemittel in den Verdampfer und kühlt das einströmende Heissgas, bis die Sauggastemperatur wieder der Solltemperatur entspricht. 

Claims (6)

1. Einrichtung zur elektronischen, kontinuierlichen Leistungsregelung einer Kältemaschine oder Wärmepumpe, bestehend aus einem geschlossenen Kältemittelkreislauf mit einem oder mehreren Verdampfern, Verdichtern und Verflüssigern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelventil in der Flüssigkeitsleitung zum Verdampfer durch bedarfsabhängige Stellsignale eines Regelsystems elektronisch positioniert wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedarfssignale Regelgrössen des zu kühlenden Mediums und der Maschine selbst darstellen.

3.

Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Gasüberhitzung am Verdampferausgang durch einen Differenzregler überwacht wird und andere Stellsignale übersteuernd, das Regelventil neu positioniert, falls die Differenz zwischen Sauggas- und Verdampfungstemperatur einen bestimmten, einstellbaren Wert unterschreitet.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, zur Überwachung einer maximal zulässigen Sauggastemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil von einem Temperaturregler neu positioniert wird, sobald die Sauggastemperatur über einen bestimmten, einstellbaren Wert steigt.

5.

Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass von der Hochdruck- auf die Niederdruckseite, entweder vor oder nach dem Verdampfer, Heissgas mit einem Heissgasbypassregler als Ersatzvolumen für den Verdichter bereitgestellt wird, sobald der Saugdruck aufgrund der Stellwirkung des Regelventils unter einen einstellbaren, minimalen Wert fällt.

6. Einrichtunug nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Regelventils, die Verdampfungs- und Sauggastemperatur sowie die Sollwerte für die Medienregler, die minimale Überhitzung und die maximale Sauggastemperatur als elektronische Signale zur Fernüberwachung, -steuerung und -regelung zur Verfügung stehen. 1. Einrichtung zur elektronischen, kontinuierlichen Leistungsregelung einer Kältemaschine oder Wärmepumpe, bestehend aus einem geschlossenen Kältemittelkreislauf mit einem oder mehreren Verdampfern, Verdichtern und Verflüssigern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelventil in der Flüssigkeitsleitung zum Verdampfer durch bedarfsabhängige Stellsignale eines Regelsystems elektronisch positioniert wird. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedarfssignale Regelgrössen des zu kühlenden Mediums und der Maschine selbst darstellen. 3.

Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Gasüberhitzung am Verdampferausgang durch einen Differenzregler überwacht wird und andere Stellsignale übersteuernd, das Regelventil neu positioniert, falls die Differenz zwischen Sauggas- und Verdampfungstemperatur einen bestimmten, einstellbaren Wert unterschreitet. 4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, zur Überwachung einer maximal zulässigen Sauggastemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil von einem Temperaturregler neu positioniert wird, sobald die Sauggastemperatur über einen bestimmten, einstellbaren Wert steigt. 5.

Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass von der Hochdruck- auf die Niederdruckseite, entweder vor oder nach dem Verdampfer, Heissgas mit einem Heissgasbypassregler als Ersatzvolumen für den Verdichter bereitgestellt wird, sobald der Saugdruck aufgrund der Stellwirkung des Regelventils unter einen einstellbaren, minimalen Wert fällt. 6. Einrichtunug nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Regelventils, die Verdampfungs- und Sauggastemperatur sowie die Sollwerte für die Medienregler, die minimale Überhitzung und die maximale Sauggastemperatur als elektronische Signale zur Fernüberwachung, -steuerung und -regelung zur Verfügung stehen.