DE60309181T2

DE60309181T2 - Verfahren und vorrichtung für das entdecken von flash gas

Info

Publication number: DE60309181T2
Application number: DE60309181T
Authority: DE
Inventors: Claus Thybo; Dindler Bjarne RASMUSSEN; Steen Lauridsen; Vagn Helberg
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2023-07-04
Also published as: JP4009288B2; EP1535006B1; ATE343110T1; DK1535006T3; WO2004005812A1; AU2003236826A1; JP2005532523A; DE60309181D1; US7681407B2; US20050166609A1; EP1535006A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Entspannungsgas-Erkennungsgerät zum Erkennen von Entspannungsgas (flashgas) in einem Dampfverdichtungskälte- oder -wärmepumpensystem mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsgerät und einem Verdampfer, die durch Rohre miteinander verbunden sind zur Bildung eines Durchflußweges für ein Kältemittel. Ein solches Verfahren und Gerät sind aus dem Dokument US-A-6 330 802 bekannt.
In Dampfverdichtungskälte- oder -wärmepumpensystemen zirkuliert das Kältemittel in dem System und unterliegt Phasen- und Druckänderungen. In dem System wird ein Kältemittelgas in dem Verdichter verdichtet, um ein Hochdruck-Kältemittelgas zu erzielen, das dem Kondensator (Wärmetauscher) zugeführt wird, wo das Kältemittelgas abkühlt und kondensiert, so daß das Kältemittel am Kondensatorausgang in Flüssigkeitsform ist, wobei das Kältemittel im Expansionsgerät zu einem Niederdruck expandiert und im Verdampfer (Wärmetauscher) verdampft, um ein Niederdruck-Kältemittelgas zu erreichen, das dem Verdichter zugeführt werden kann, um den Prozeß weiterzuführen.
Es kommt aber in einigen Fällen vor, daß Kältemittel in der Gasphase in den Rohren für flüssiges Kältemittel vorhanden ist, verursacht durch kochendes, flüssiges Kältemittel. Solches Kältemittelgas in den Rohren für flüssiges Kältemittel wird Entspannungsgas (flashgas) genannt. Wenn am Eingang des Expansionsgerätes Entspannungsgas vorhanden ist, wird die Durchflußkapazität des Expansionsgerätes erheblich reduziert, weil das Expansionsgerät sozusagen verstopft wird, was die Leistung des Systems beeinflußt. Die Wirkung davon ist, daß das System mehr Energie als nötig verbraucht und vermutlich nicht die erwartete Wärme- oder Kältemenge leistet, was z.B. bei gekühlten Verkaufsautomaten für Läden zu einer Erwärmung des Essens im Automat führen kann, so daß das Essen weggeworfen werden muß. Außerdem werden sich die Komponenten des Systems außerhalb eines normalen Arbeitsbereichs befinden. Aufgrund der hohen Belastung und des niedrigen Kältemittelmassendurchflusses, wenn Entspannungsgas vorhanden ist, kann der Verdichter überhitzt werden, insbesondere wenn Ölnebel zum Schmieren des Verdichters vorgesehen ist, wird der Verdichter einen Schmiermangel erleben, was zu einem Verdichterversagen führen kann.
Entspannungsgas kann durch eine Reihe von Faktoren verursacht werden: 1) der Kondensator kann wegen der hohen Temperatur der Wärmetauscherflüssigkeit nicht die gesamte Kältemittelmenge kondensieren, 2) wegen unzureichender Auffüllung oder Leckagen ist das Kältemittelni veau niedrig, 3) das System ist nicht richtig konstruiert, z.B. wenn ein verhältnismäßig langes Rohr ohne Isolierung zwischen Kondensator und Expansionsgerät ist, welches eine Wiederaufheizung und mögliche Verdampfung von Kältemittel bewirkt, oder wenn es einen verhältnismäßig großen Druckabfall im Rohr gibt, welcher eine mögliche Verdampfung von Kältemittel bewirkt.
Eine Leckage im System ist ein ernstes Problem, weil das gewählte Kältemittel die Gesundheit von Menschen oder Tieren oder die Umwelt gefährden kann. Insbesondere stehen einige Kältemittel unter Verdacht, zum Ozonabbauprozeß beizutragen. Jedenfalls ist das Kältemittel ziemlich teuer und oft hoch mit Steuern belastet, so daß ein Wiederauffüllen des Systems eines typischen gekühlten Verkaufsautomaten eine erhebliche Ausgabe bedeutet. Vor kurzem hat ein Laden mit gekühlten Verkaufsautomaten die Hälfte des Kältemittels im System verloren, bevor eine Leckage im System entdeckt wurde, und das Wiederauffüllen des Systems hat 75.000 DKK, ungefähr 10.000 USD, gekostet.
Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung von Entspannungsgas ist der Einbau eines Schauglases in ein Flüssigkeitsrohr des Systems, um Blasen in der Flüssigkeit zu überwachen. Dies ist arbeitsintensiv und zeitraubend und außerdem kann eine Überwachung von Blasen irreführend sein, da es auch in einem gut arbeitenden System ab und zu eine kleine Blasenmenge geben kann.
Ein anderes Verfahren betrifft eine indirekte Bestimmung von Entspannungsgas durch das Auslösen eines Alarms, wenn das Expansionsgerät völlig offen ist, z.B. in dem Fall, in dem das Expansionsgerät ein elektronisches Expansionsventil oder dergleichen ist. In diesem Fall kann eine erhebliche Anzahl von falschen Alarmen erlebt werden, da ein völlig offenes Expansionsgerät auch in einem gut arbeitenden System ohne Entspannungsgas vorkommen kann.
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur frühen Bestimmung von Entspannungsgas mit einer minimalen Anzahl von falschen Alarmen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten gelöst: die Bestimmung einer ersten Wärmestromrate eines Wärmetauscherfluids über einen Wärmetauscher des Systems und einer zweiten Wärmestromrate des Kältemittels über den Wärmetauscher, wobei die Wärmestromraten verwendet werden, um ein Energiegleichgewicht zu erzeugen, von dem ein Parameter zur Überwachung des Kältemitteldurchflusses abgeleitet wird. Dadurch wird es möglich, den Kältemitteldurchfluß zu überwachen ohne direkte Messung mit einem Durchflußmesser. Solche Durchflußmesser sind aufwendig und können außerdem den Durchfluß behindern.
In einer Ausführungsform ist der Wärmetauscher der Verdampfer, der die ideale Komponente ist.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform ist der Wärmetauscher der Kondensator.
Wie es für den Fachmann erkennbar sein wird, kann die erste Wärmestromrate des Wärmetauscherfluids auf verschiedene Arten bestimmt werden, aber in einer Ausführungsform umfaßt das Verfahren die Bestimmung der ersten Wärmestromrate durch die Bestimmung eines Wärmetauscherfluid-Massendurchflusses und einer spezifischen Enthalpieänderung des Wärmetauscherfluids über den Wärmetauscher.
In einer Ausführungsform umfaßt das Verfahren die Bestimmung des Wärmetauscherfluid-Massendurchflusses als Konstante aufgrund von empirischen Daten oder Daten, die während eines störungsfreien Systembetriebs gesammelt worden sind.
In einer Ausführungsform umfaßt das Verfahren die Bestimmung einer spezifischen Enthalpieänderung des Wärmetauscherfluids über den Wärmetauscher aufgrund von Messungen der Wärmetauscherfluidtemperatur vor und nach dem Wärmetauscher.
Die zweite Wärmestromrate des Kältemittels kann durch die Bestimmung eines Kältemittelmassendurchflusses und einer spezifischen Enthalpieänderung des Kältemittels über den Wärmetauscher bestimmt werden.
Der Kältemittelmassendurchfluß kann auf verschiedenen Wegen bestimmt werden, darunter Direktmessung, was jedoch nicht bevorzugt ist. In einer Ausführungsform umfaßt das Verfahren die Bestimmung des Kältemittelmassendurchflusses aufgrund einer Durchflußcharakteristik des Expansionsgerätes, der Öffnungspassage und/oder des Öffnungszeitraums des Expansionsgerätes und eines absoluten Drucks vor und nach dem Expansionsgerät, und, wenn nötig, jegliche Unterkühlung des Kältemittels am Expansionsgeräteinlaß.
Die spezifische Enthalpiedifferenz des Kältemitteldurchflusses kann aufgrund der Registrierung der Temperatur und des Drucks des Kältemittels am Expansionsgeräteinlaß und der Registrierung der Kältemittelverdampferausgangstemperatur und des Kältemittelverdampferausgangsdrucks oder der Sättigungstemperatur des Kältemittels am Verdampfereinlaß bestimmt werden.
Eine direkte Bewertung des Kältemittelmassendurchflusses ist möglich, kann aber einige Nachteile bewirken, z.B. aufgrund von Schwankungen oder Variationen der Parameter des Kälte- oder Wärmepumpensystems, und es wird daher bevorzugt, daß das Verfahren die Bestimmung eines Restwerts als Differenz zwischen der ersten Wärmestromrate und der zweiten Wärmestromrate umfaßt.
Um die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen und Variationen der Parameter des Systems weiter zu reduzieren und um eine Tendenz im Kältemittelmassendurchfluß zu einem frühen Zeitpunkt registrieren zu können, kann das Verfahren das Bereitstellen eines Fehlerindikators mit Hilfe des Restwertes aufweisen, wobei der Fehlerin dikator nach der folgenden Formel angegeben wird:
wobei S_μ1,i nach der folgenden Gleichung berechnet wird:
mit

r_i:: Restwert
k₁:: Proportionalitätskonstante
μ₀:: erster Empfindlichkeitswert
μ₁:: zweiter Empfindlichkeitswert

Nach einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Entspannungsgas-Bestimmungsgerät, das Mittel zur Bestimmung einer ersten Wärmestromrate eines Wärmetauscher-Fluiddurchflusses über einen Wärmetauscher des Systems und einer zweiten Wärmestromrate des Kältemittels über den Wärmetauscher umfaßt, wobei die Wärmestromraten zur Etablierung eines Energiegleichgewichts genutzt werden, um einen Parameter zur Überwachung des Kältemitteldurchflusses abzuleiten, wobei das Gerät zusätzlich Bewertungsmittel zur Bewertung des Kältemittelmassendurchflusses aufweist, und ein Ausgangssignal erzeugt.
Nach einer Ausführung des Geräts weisen die Mittel zur Bestimmung der ersten Wärmestromrate Mittel zur Bestimmung der Wärmetauscherfluidtemperatur vor und nach einem Wärmetauscher auf.
Nach einer Ausführung der Erfindung weisen die Mittel zur Bestimmung der zweiten Wärmestromrate Mittel zur Bestimmung der Kältemitteltemperatur und des Kältemitteldrucks am Expansionsgeräteinlaß, Mittel zur Bestimmung der Kältemitteltemperatur am Verdampferausgang und Mittel zur Bestimmung des Drucks am Auslaß des Expansionsgerätes oder der Sättigungstemperatur auf.
Nach einer Ausführung des Geräts weisen die Mittel zur Bestimmung der zweiten Wärmestromrate Mittel zur Bestimmung des absoluten Kältemitteldrucks vor und nach dem Expansionsgerät und Mittel zur Bestimmung einer Öffnungspassage oder eines Öffnungszeitraums des Expansionsgeräts auf.
Um die Bewertungsmittel robust zu gestalten, können sie Mittel zur Bestimmung eines Restwertes als Differenz zwischen einem ersten Wert, gebildet aus dem Massendurchfluß des Wärmetauscher-Fluiddurchflusses und der spezifischen Enthalpieänderung über den Wärmetauscher des Systems, und einem zweiten Wert, gebildet aus dem Kältemittelmassendurchfluß und der spezifischen Kältemittelenthalpieänderung über einen Wärmetauscher des Systems, aufweisen.
Um eine Tendenz im Ausgangssignal bestimmen zu können, weist das Gerät zusätzlich Speichermittel zur Speicherung des Ausgangssignals und Mittel zum Vergleichen dieses Ausgangssignals mit einem früher gespeicherten Ausgangssignal auf.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Skizze eines einfachen Kälte- oder Wärmepumpensystems,
2 ein schematisches log p, h Diagramm eines Zyklusses im System nach 1,
3 eine Skizze eines gekühlten Verkaufsautomaten mit einem Kältesystem nach 1,
4 eine Skizze eines Teils des gekühlten Verkaufsautomaten nach 3,
5 ein Diagramm eines Restwertes in einer Fehlersituation,
6 ein Diagramm eines Fehlerindikators in der Fehlersituation nach 5.
Im Folgenden wird auf ein einfaches Kältesystem hingewiesen, obwohl sich das Prinzip gleichermaßen auch für ein Wärmepumpensystem anwenden läßt, und wie es vom Fachmann erkannt wird, ist die Erfindung in keinerlei Weise auf ein Kältesystem begrenzt.
Ein einfaches Kältesystem wird in 1 gezeigt. Das System umfaßt einen Verdichter 5, einen Kondensator 6, ein Expansionsgerät 7 und einen Verdampfer 8, die durch Rohre, in denen ein Kältemittel fließt, miteinander verbunden sind. Die Arbeitsweise des Systems ist wohlbekannt und umfaßt Verdichtung eines gasförmigen Kältemittels von einer Temperatur und einem Druck bei Punkt 1 vor dem Verdichter 5 auf eine höhere Temperatur und einen höheren Druck bei Punkt 2 nach dem Verdichter 5, wobei das Kältemittel unter Wärmeaustausch mit einem Wärmetauscherfluid im Kondensator 6 kondensiert wird, um ein flüssiges Kältemittel unter hohem Druck bei Punkt 3 nach dem Kondensator zu erhalten. In dem Expansionsgerät 7 wird das Hochdruckkältemittelfluid zu einer Mischung von flüssigem und gasförmigem Kältemittel unter niedrigem Druck bei Punkt 4 nach dem Expansionsgerät expandiert. In diesem einfachen Beispiel ist das Expansionsgerät ein Expansionsventil, andere Arten von Expansionsgeräten sind aber möglich, z.B. eine Turbine, eine Düse oder ein Kapillarrohr. Nach dem Expansionsgerät fließt die Mischung in den Verdampfer 8, wo das Fluid durch Wärmeaustausch mit einem Wärmetauscherfluid im Verdampfer 8 verdampft wird. In diesem einfachen Beispiel ist das Wärmetauscherfluid Luft, das Prinzip gilt aber gleichermaßen für Kälte- oder Wärmepumpensysteme mit anderen Wärmetauscherfluiden, z.B. Brine, und außerdem müssen die Wärmetauscherfluide in Kondensator und Verdampfer nicht die gleichen sein.
2 ist ein log p, h Diagramm des Kältesystems nach 1, das Druck und Enthalpie des Kältemittels zeigt. Hinweisnummer 10 bezeichnet die gesättigte Dampfkurve, 11 die gesättigte Flüssigkeitskurve und C.P. den kritischen Punkt. In dem Bereich 12 rechts von der gesättigten Dampflinie 10 ist das Kältemittel somit überhitztes Gas, während das Kältemittel in dem Bereich 14 links von der gesättigten Flüssigkeitskurve 11 eine unterkühlte Flüssigkeit ist. Im Bereich 14 ist das Kältemittel eine Mischung von Gas und Flüssigkeit. Wie es erkennbar ist, ist das Kältemittel bei Punkt 1 vor dem Verdichter vollständig gasförmig und während der Verdichtung werden Druck und Temperatur des Kältemittels erhöht, so daß das Kältemittel bei Punkt 2 nach dem Verdichter überhitztes Gas unter hohem Druck ist. Das Kältemittel, das den Kondensator 6 in Punkt 3 verläßt, sollte an einer Position der gesättigten Flüssigkeitskurve 11 oder in dem Bereich 13 des unterkühlten, flüssigen Kältemittels sein. Im Expansionsgerät 7 wird das Kältemittel zu einer Mischung von Flüssigkeit und Gas bei niedrigerem Druck bei Punkt 4 nach dem Expansionsgerät 7 expandiert. Im Verdampfer 8 verdampft das Kältemittel unter konstantem Druck durch Wärmeaustausch mit einem Wärmetauscherfluid, so daß es am Ausgang des Verdampfers bei Punkt 1 vollständig gasförmig ist.
Wenn, wie angedeutet bei Punkt 3', das Kältemittel, das in das Expansionsgerät 7 einfließt, eine Mischung von Flüssigkeit und Gas ist, das vorgenannte Entspannungsgas, wird der Kältemittel-Massendurchfluß wie früher erwähnt begrenzt und die Kühlkapazität des Verdampfers 8 des Kältesystems wird erheblich reduziert. Außerdem, jedoch weniger wichtig, wird die vorhandene Enthalpiedifferenz im Verdampfer 8 reduziert, was auch die Kühlkapazität reduziert.
3 zeigt in schematischer Form einen gekühlten Verkaufsautomaten mit einem Kältesystem. Gekühlte Verkaufsautomaten werden z.B. in Supermärkten genutzt, um gekühlte oder gefrorene Waren auszustellen und zu verkaufen. Der gekühlte Verkaufsautomat weist eine Aufbewahrungskammer 15 auf, in der die Waren aufbewahrt werden. Ein Luftkanal 16 ist um die Aufbewahrungskammer 15 herum angebracht, d.h. der Luftkanal 16 verläuft auf beiden Seiten von und unter der Aufbewahrungskammer 15. Nach der Passage des Luftkanals 16 kommt ein Luftstrom 17, gezeigt durch Pfeile, in eine Kühlzone 18 über der Kühlkammer 15. Die Luft wird dann wieder zum Einlauf des Luftkanals 16 geführt, wo es eine Mischzone 19 gibt. In der Mischzone 19 wird der Luftstrom 17 mit Umgebungsluft gemischt. Dadurch wird Luft, die die Aufbewahrungskammer erreicht hat oder irgendwie in die Umgebung entwichen ist, ersetzt. In dem Luftkanal 16 ist eine Abblasevorrichtung 20 vorgesehen, die aus einem oder mehreren Ventilatoren bestehen kann. Die Abblasevorrichtung 20 sichert, daß der Luftstrom 17 in den Luftkanal 16 bewegt werden kann. Der gekühlte Verkaufsautomat umfaßt einen Teil eines einfachen Kältesystems wie gezeigt in 1, da ein Verdampfer 8 des Systems in dem Luftkanal 16 angebracht ist. Der Verdampfer 8 ist ein Wärmetauscher, der Wärme zwischen dem Kältemittel im Kältesystem und dem Luftstrom 17 austauscht. Im Verdampfer 8 nimmt das Kältemittel vom Luftstrom 17 Wärme auf, der dadurch gekühlt wird. Der Zyklus des Kältesystems ist so wie anhand der 1 und 2 beschrieben und mit den darin angewandten Nummern.
Wie gesagt ist es in Kälte- oder Wärmepumpensystemen äußerst vorteilhaft, Entspannungsgas ermitteln zu können, d.h. das Vorhandensein von Gas am Eingang des Expansionsgerätes. Die Wirkung von Entspannungsgas ist ein reduzierter Massendurchfluß durch das Expansionsgerät, verglichen mit dem Massendurchfluß in der Normalsituation bei ausschließlich flüssigem Kältemittel am Eingang des Expansionsgerätes. Wenn der Kältemittelmassendurchfluß im Kältesystem kleiner ist als der theoretische Kältemittelmassendurchfluß, der ausschließlich durch Flüssigphasenkältemittel am Eingang des Expansionsgerätes bereitgestellt wird, ist dieser Unterschied ein Indikator für das Vorhandensein von Entspannungsgas. Der Kältemittelmassendurchfluß kann direkt mit einem Durchflußmesser gemessen werden. Solche Durchflußmesser sind aber verhältnismäßig aufwendig und können außerdem den Durchfluß behindern und einen Druckabfall bewirken, was in sich zur Bildung von Entspannungsgas führen und durchaus den Wirkungsgrad des Systems beeinflussen kann. Es wird deshalb bevorzugt, den Kältemittelmassendurchfluß mit anderen Mitteln festzustellen, und eine mögliche Methode ist die Feststellung des Kältemittelmassendurchflusses aufgrund des Prinzips der Bewahrung von Energie oder eines Energiegleichgewichts an einem der Wärmetauscher des Kältesystems, d.h. dem Verdampfer 8 oder dem Kondensator 6. Im Folgenden wird auf den Verdampfer 8 hingewiesen, der Fachmann wird aber erkennen, daß auch der Kondensator 6 gleichermaßen genutzt werden könnte.
Das Energiegleichgewicht des Verdampfers 8 basiert auf der folgenden Gleichung: Q .Air = Q .Ref (1)wobei Q .Air die Wärme ist, die pro Zeiteinheit von der Luft entfernt wird, d.h. der Wärmestrom, der von der Luft geliefert wird, und Q .Ref ist die vom Kältemittel pro Zeiteinheit aufgenommene Wärme, d.h. der Wärmestrom, der dem Kältemittel zugeführt wird.
Die Grundlage für die Bestimmung des Wärmestroms des Kältemittels (Q .Ref), d.h. die Wärme, die pro Zeiteinheit dem Kältemittel zugeführt wird, ist die folgende Gleichung: Q .Ref = ṁRef(hRef,Out – hRef,In) (2)wobei ṁ_Ref der Kältemittelmassendurchfluß ist. h_Ref,Out ist die spezifische Enthalpie des Kältemittels am Verdampferausgang, und h_Ref,In ist die spezifische Enthalpie des Kältemittels am Verdampfereingang. Die spezifische Enthalpie eines Kältemittels ist eine Material- und Zustandseigenschaft des Kältemittels und die spezifische Enthalpie kann für jedes Kältemittel bestimmt werden. Der Kältemittelhersteller liefert ein log p, h-Diagramm nach 2 für das Kältemittel. Mit Hilfe dieses Diagramms kann die spezifische Enthalpiedifferenz über den Verdampfer bestimmt werden. Um zum Beispiel h_Ref,In mit Hilfe eines log p, h-Diagramms zu bestimmen, muß man lediglich die Temperatur und den Druck des Kältemittels am Expansionsgeräteingang (T_Ref,In bzw. P_Con) kennen. Diese Parameter können mit einem Temperatursensor oder einem Drucksensor gemessen werden. Meßpunkte, Meßpunktparameter und Parameter des Verdampfers 8 und des Kältesystems gehen aus 4 hervor, die eine Skizze ist, die einen Teil des gekühlten Verkaufsautomaten nach 3 zeigt.
Zur Bestimmung der spezifischen Enthalpie am Verdampferausgang sind zwei Meßwerte erforderlich: die Temperatur am Verdampferausgang (T_Ref,out) und entweder der Druck am Ausgang (P_Ref,out) oder die Sättigungstemperatur (T_Ref,sat). Die Temperatur am Ausgang des Verdampfers 8 kann mit einem Temperatursensor und der Druck am Ausgang kann mit einem Drucksensor gemessen werden.
Anstelle des log p, h-Diagramms ist es selbstverständlich auch möglich, Werte aus einer Tabelle oder einer Liste anzuwenden, was die Berechnung mit Hilfe eines Computers erleichtert. Oft liefern die Kältemittelhersteller auch Zustandsgleichungen für das Kältemittel.
Der Massendurchfluß des Kältemittels kann durch die Annahme von lediglich Flüssigphasenkältemittel am Expansionsgeräteingang bestimmt werden. In Kältesystemen mit einem elektronisch geregelten Expansionsventil, z.B. unter Anwendung von Pulsweitenmodulation, ist es möglich, den theoretischen Kältemittelmassendurchfluß aufgrund der Öffnungspassage und/oder des Öffnungszeitraums des Ventils zu bestimmen, wenn die Differenz zwischen dem absoluten Druck über das Ventil und die Unterkühlung (T_v,in) am Expansionsventileingang bekannt ist. Entsprechend kann der Kältemittelmassendurchfluß in Kältesystemen, die ein Expansionsgerät mit einer wohlbekannten Öffnungspassage verwenden, z.B. eine feste Düse oder ein Kapillarrohr, bestimmt werden. In den meisten Systemen sind die obengenannten Parameter schon bekannt, weil es Drucksensoren gibt, die den Druck im Kondensator 6 messen. In vielen Fällen ist die Unterkühlung in etwa konstant, klein und leicht zu bewerten, und sie muß daher nicht gemessen werden. Der theoretische Kältemittelmassendurchfluß durch das Expansionsventil kann dann anhand einer Ventilcharakteristik, der Druckdifferenz, der Unterkühlung, der Ventilöffnungspassage und/oder dem Ventilöffnungszeitraum berechnet werden. Bei vielen pulsbreitenmodulierten Expansionsventilen ergibt sich bei konstanter Unterkühlung, daß der theoretische Kältemittelmassendurchfluß annähernd proportional zur Differenz zwischen dem absoluten Druck vor und nach dem Öffnungszeitraum des Ventils ist. In diesem Fall kann der theoretische Massendurchfluß mit der folgenden Gleichung berechnet werden: ṁRef = kexp·(Pcon – PRef,out)·OP (3)wobei P_con der absolute Druck im Kondensator, P_Ref,out der Druck im Verdampfer, OP der Öffnungszeitraum und k_exp eine Proportionalitätskonstante ist, die von dem Ventil und der Unterkühlung abhängt. In einigen Fällen ist die Unterkühlung des Kältemittels so groß, daß es notwendig ist, die Unterkühlung zu messen, weil der Kältemitteldurchfluß durch das Expansionsventil von der Unterkühlung beeinflußt wird. In vielen Fällen ist es aber nur notwendig, den absoluten Druck vor und nach dem Ventil und die Öffnungspassage und/oder den Öffnungszeitraum des Ventils zu bestimmen, weil die Unterkühlung ein kleiner und annähernd konstanter Wert ist, und die Unterkühlung kann dann in einer Ventilcharakteristik oder einer Proportionalitätskonstante berücksichtigt werden.
Entsprechend kann der Wärmestrom der Luft (Q .Air), d.h. die von der Luft pro Zeiteinheit aufgenommene Wärme nach der folgenden Gleichung bestimmt werden: Q .Air = ṁAir(hAir,in – hAir,out) (4)wobei ṁ_Air der Massendurchfluß von Luft pro Stundeneinheit, h_Air,in die spezifische Enthalpie der Luft vor dem Verdampfer und h_Air,out die spezifische Enthalpie der Luft nach dem Verdampfer ist.
Die spezifische Enthalpie der Luft kann aufgrund der folgenden Gleichung berechnet werden: hAir 1,006·t + x(2501 + 1,8·t), [h] = kJ/kg (5)wobei t die Temperatur der Luft, d.h. T_Eva,in vor dem Verdampfer und T_Eva,out nach dem Verdampfer ist. x bezeichnet die absolute Feuchtigkeit der Luft. Die absolute Feuchtigkeit der Luft kann nach der folgenden Gleichung berechnet werden:
Hier ist P_W der Teildruck des Wasserdampfes in der Luft und P_Amb ist der Luftdruck. P_Amb kann gemessen oder ein Standardatmosphärendruck kann angewandt werden. Die Abweichung des wirklichen Drucks vom Standardatmosphärendruck ist nicht von wesentlicher Bedeutung in der Berechnung der Menge an Wärme pro Zeiteinheit geliefert von der Luft. Der Teildruck des Wasserdampfes wird mit Hilfe der relativen Feuchtigkeit der Luft und des gesättigten Wasserdampfdruckes bestimmt und kann mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnet werden: PW = PW,Sat·RH (7)
Hier ist RH die relative Feuchtigkeit der Luft und P_W,Sat ist der gesättigte Druck des Wasserdampfes. P_W,Sat hängt ausschließlich von der Temperatur ab und kann in thermodynamischen Lehrbüchern gefunden werden. Die relative Luftfeuchtigkeit kann gemessen oder ein typischer Wert kann in der Berechnung verwendet werden.
Wenn die Gleichungen (2) und (4), wie angedeutet in Gleichung (1), gleich gesetzt werden, findet man folgendes: ṁRef(hRef,Out – hRef,In) = ṁAir(hAir,In – hAir,Out) (8)
Daraus kann der Luftmassendurchfluß ṁ_Air durch Isolierung von ṁ_Air gefunden werden:
Wenn ein fehlerloser Luftdurchfluß angenommen wird, kann diese Gleichung zur Beurteilung des Betriebs des Systems angewandt werden.
In vielen Fällen wird es empfohlen, den theoretischen Luftmassendurchfluß durch das System zu registrieren. Z.B. kann dieser theoretische Luftmassendurchfluß über einen gewissen Zeitraum registriert werden, in dem die Kühlanlage unter stabilen und fehlerfreien Betriebsbedingungen arbeitet. Ein solcher Zeitraum könnte z.B. 100 Minuten sein.
Eine gewisse Schwierigkeit liegt in der Tatsache, daß die Signale von den verschiedenen Sensoren (Thermometern, Drucksensoren) gewissen Variationen unterworfen sind. Diese Variationen können in entgegengesetzter Phase sein, so daß ein Signal für den theoretischen Kältemitteldurchfluß erreicht wird, das in der Analyse gewisse Schwierigkeiten bereitet. Diese Variationen oder Schwankungen sind das Ergebnis der dynamischen Bedingungen in der Kühlanlage. Es ist deshalb vorteilhaft, regelmäßig, z.B. einmal pro Minute, einen Wert festzustellen, der im Folgenden "Restwert" (Residual) genannt wird, aufgrund des Energiegleichgewichts nach der Gleichung (1): r = Q .Air – Q .Ref so daß aufgrund der Gleichungen (2) und (4) der Restwert wie folgt gefunden werden kann: r = ṁ –Air(hAir,In – hAir,Out) – ṁRef(hRef,Out – hRef,In) (10)wobei ṁ –Air der geschätzte Luftmassendurchfluß ist, der, wie oben erwähnt, festgestellt wird, d.h. als ein Durchschnitt über einen Zeitraum mit fehlerlosem Betrieb. Eine andere Möglichkeit besteht in der Annahme, daß
ein konstanter Wert ist, der in dem sehr einfachen Beispiel eines gekühlten Verkaufsautomaten wie in 3 und 4 mit einem konstant arbeitenden Gebläse festgestellt werden kann.
In einer fehlerfrei arbeitenden Kühlanlage hat der Restwert r einen durchschnittlichen Wert von Null, obwohl er erheblichen Variationen ausgesetzt ist. Um einen Fehler früh entdecken zu können, der sich als eine Tendenz im Restwert bemerkbar macht, wird angenommen, daß der registrierte Wert des Restwerts r einer Gauss-Verteilung um einen Durchschnittswert herum unterworfen ist, und unabhängig davon ist, ob die Kühlanlage fehlerfrei arbeitet oder ein Fehler entstanden ist.
Im Prinzip sollte der Restwert Null sein, ungeachtet ob ein Fehler in der Anlage vorhanden ist oder nicht, da das Prinzip der Energieeinsparung oder des Energiegleichgewichts selbstverständlich immer gilt. Wenn dies in den obigen Gleichungen nicht der Fall ist, ist das so, weil die Voraussetzung für die Anwendung der angewandten Gleichungen nicht erfüllt wird, wenn in der Anlage ein Fehler vorhanden ist.
Beim Auftreten von Entspannungsgas im Expansionsgerät ändert sich die Ventilcharakteristik, so daß k_Exp mehrere Male kleiner wird. Dies wird bei der Berechnung nicht berücksichtigt, so daß die in den Gleichungen angewandte Wärmedurchflußrate des Kältemittels Q .Ref sehr viel größer ist als in der Wirklichkeit. Für die Luftdurchflußrate (Q .Air) ist die Berechnung korrekt (wenn angenommen wird, daß ein Fehler, der den Luftdurchfluß über den Wärmetauscher reduziert, nicht entstanden ist), was bedeutet, daß der berechnete Wert für die Wärmedurchflußrate der Luft (Q .Air) über den Wärmetauscher gleich der tatsächlichen Wärmedurchflußrate der Luft ist. Dies bedeutet, daß der Durchschnitt des Restwerts negativ wird, wenn Entspannungsgas im Expansionsgerät vorhanden ist.
Wenn ein Fehler einen reduzierten Luftdurchfluß über den Wärmetauscher verursacht (ein defektes Gebläse oder Vereisen des Wärmetauschers), ist der Luftmassendurchfluß kleiner als der Wert für den Luftmassendurchfluß ṁ –Air , der in den Berechnungen angewandt wird. Dies bedeutet, daß die Rate des Wärmedurchflusses der Luft, die in den Berechnungen verwendet wird, größer ist als die tatsächliche Rate des Wärmedurchflusses der Luft in der Wirklichkeit, d.h. pro Zeiteinheit wird weniger Wärme als erwartet von der Luft entfernt. Die Folge ist (angenommen, daß die Wärmedurchflußrate des Kältemittels korrekt ist, also kein Entspannungsgas), daß der Restwert positiv wird, wenn ein Fehler entsteht, der einen reduzierten Luftdurchfluß über den Wärmetauscher verursacht.
Um jegliche Schwankungen und Schwingungen aus dem Restwertsignal zu filtern, werden statistische Operationen durch Untersuchung der folgenden Hypothesen durchgeführt:

1. Der Durchschnittswert des Restwerts r ist μ₁ (mit μ₁ < 0). Entsprechend einem Test für Entspannungsgas.
2. Der Durchschnittswert des Restwerts r ist μ₂ (mit μ₂ > 0). Entsprechend einem Test für reduzierten Luftdurchfluß.

Die Untersuchung wird durch Berechnung von zwei Fehlerindikatoren nach den folgenden Gleichungen ausgeführt:

1. Test für Entspannungsgas:
wobei S_μ1,i nach der folgenden Gleichung berechnet wird:
wobei k₁ eine Proportionalitätskonstante ist, μ₀ ein erster Empfindlichkeitswert, μ₁ ein zweiter Empfindlichkeitswert, der wie oben angedeutet negativ ist.
2. Test für reduzierten Luftdurchfluß:
wobei S_μ2,i nach der folgenden Gleichung berechnet wird:
wobei k₁ eine Proportionalitätskonstante ist, μ₀ ein erster Empfindlichkeitswert, μ₁ ein zweiter Empfindlichkeitswert, der wie oben angedeutet positiv ist.

In der Gleichung (11) ist selbstverständlich vorausgesetzt, daß der Fehlerindikator S_μ2,i, d.h. zum ersten Zeitpunkt, auf Null eingestellt ist. Zu einem späteren Zeitpunkt wird S_μ2,i nach Gleichung (12) angewandt, und die Summe dieses Wertes und des Fehlerindikators S_μ2,i zu einem früheren Zeitpunkt wird berechnet. Wenn diese Summe größer als Null ist, wird der Fehlerindikator auf diesen neuen Wert eingestellt. Wenn die Summe gleich oder kleiner als Null ist, wird der Fehlerindikator auf Null eingestellt. Im einfachsten Fall wird μ₀ auf Null eingestellt. μ₁ ist ein gewählter Wert, der z.B. andeutet, daß ein Fehler entstanden ist. Der Parameter μ₁ ist ein Kriterium dafür, wie oft ein Fehlalarm in Bezug auf Entspannungsgasbestimmung akzeptiert werden kann.
Entsprechend wird in Gleichung (13) selbstverständlich vorausgesetzt, daß der Fehlerindikator S_μ2,i, d.h. zu einem ersten Zeitpunkt, auf Null eingestellt ist. Zu einem späteren Zeitpunkt wird S_μ2,i gemäß der Gleichung (14) verwendet, und die Summe dieses Wertes und des Fehlerindikators S_μ2,i zu einem früheren Zeitpunkt wird berechnet. Wenn diese Summe größer als Null ist, wird der Fehlerindikator auf diesen neuen Wert eingestellt. Wenn diese Summe gleich oder kleiner als Null ist, wird der Fehlerindikator auf Null eingestellt. Im einfach sten Fall kann μ₀ auf Null eingestellt werden. μ₂ ist ein geschätzter Wert, der z.B. feststellt, daß ein Fehler entstanden ist. Der Parameter μ₂ ist ein Kriterium dafür, wie oft ein Fehlalarm in Bezug auf Luftmassendurchfluß akzeptiert werden kann.
Wenn z.B. ein Fehler dadurch entsteht, daß Entspannungsgas im Expansionsventileingang vorhanden ist, wird der Fehlerindikator wachsen, da die periodisch registrierten Werte von S_μ1,i im Durchschnitt größer als Null sind. Wenn der Fehlerindikator einen vorgegebenen Wert erreicht, wird ein Alarm aktiviert, der anzeigt, daß der Kältemittelmassendurchfluß reduziert ist. Wenn ein Wert kleiner als μ₁ gewählt wird, d.h. ein negativerer Wert, werden weniger falsche Alarme erlebt, es besteht aber die Gefahr, daß die Empfindlichkeit in Bezug auf die Feststellung von Fehlern reduziert ist.
Das Arbeitsprinzip der Filtrierung nach den Gleichungen (11) und (13) wird anhand der 5 und 6 beschrieben. In 5 zeigt die x-Achse die Zeit in Minuten und die y-Achse den Restwert r. Zwischen t = 200 und 330 Minuten gab es einen Gebläsefehler, der einen erheblichen Anstieg des Restwerts verursachte. Weiter war in den Zeiträumen t = 1090 bis 1147 und t = 1455 bis 1780 Entspannungsgas vorhanden, was aus einer erheblichen Reduzierung des Restwerts auf einen Wert um etwa –10 × 10⁶ hervorgeht. Wie es aber hervorgeht, ist das Signal ziemlich erheblichen Schwankungen und Variationen unterworfen, was die Beurteilung schwierig macht.
Die verschiedenen Fehlersituationen gehen aus 5 hervor, eine bessere Möglichkeit der Identifizierung gibt es aber bei einer Überwachung der Fehlerindikatoren S_μ1,i und S_μ2,i, deren Verhalten aus 6 hervorgeht, in der die strichpunktierte Linie S_μ1,i darstellt und die durchgezogene Linie S_μ2,i darstellt. Hier ist der Wert der Fehlerindikatoren S_μ2,i, S_μ2,i auf der y-Achse und die Zeit in Minuten ist auf der x-Achse. Der Fehlerindikator S_μ2,i wächst ständig über den Zeitraum zwischen t = 200 und 330 Minuten aufgrund des Gebläsefehlers. Ein Alarm kann ausgelöst werden, wenn S_μ2,i einen Wert von z.B. 0,2 × 10⁹ übersteigt. Wie aus einem Vergleich der 5 und 6 hervorgeht, ist frühe Feststellung möglich, insbesondere wenn der Fehlerindikator angewandt wird. Entsprechend steigt der Fehlerindikator S_μ1,i in dem Zeitraum zwischen t = 1090 und 1147 aufgrund von Entspannungsgas an, geht dann stufenweise auf Null zurück und steigt dann in dem Zeitraum t = 1455 und 1780 wieder an, wenn wieder Entspannungsgas im Ventileinlauf vorhanden ist. Die Fehlerindikatoren S_μ1,i, S_μ2,i können auf Null zurückgestellt werden, wenn die Kühlanlage lange genug fehlerfrei gearbeitet hat. In der Praxis werden die Fehlerindikatoren S_μ1,i, S_μ2,i auch immer auf Null zurückgestellt, wenn ein Fehler korrigiert worden ist.
Wie aus den 5 und 6 hervorgeht, ist es somit möglich, das System gleichzeitig in Bezug auf reduzierten Luftdurchfluß und Entspannungsgas am Eingang des Expansionsgerätes zu beurteilen, und zwar durch Beurteilung der Fehlerindikatoren unter Anwendung der Kriterien μ₁ und μ₂.
Außerdem ist es mit Hilfe des Verfahrens und des Gerätes gemäß der Erfindung möglich, wertvolle Informationen über das Design der Kühlanlage zu gewinnen. Viele Kühlanlagen sind maßgeschneidert für die spezifische Anwendung, z.B. für Läden mit einem oder mehreren gekühlten Verkaufsautomaten, und ab und zu sind diese Kühlanlagen nicht optimal, z.B. wegen langen Rohren, Druckabfälle verursacht durch Rohrbeugungen oder dergleichen, oder Rohren, die durch die Umgebung Hitze ausgesetzt werden. Mit dem Verfahren und dem Gerät wird es möglich sein festzustellen, daß die Kühlanlage nicht optimal ist, und ein Experte könnte gerufen werden, um das System zu beurteilen und Verbesserungen der Anlage und/oder Verbesserungen künftiger Anlagen vorzuschlagen.
Ein weiterer Vorteil des Gerätes ist, daß es in jede Kühl- oder Wärmepumpenanlage ohne große Eingriffe in das Kühlsystem nachgerüstet werden kann. Das Gerät verwendet Signale von Sensoren, die üblicherweise auch so in der Kühlanlage vorhanden sind, oder Sensoren, die zu einem sehr niedrigen Preis nachgerüstet werden können.
In der obigen Beschreibung wurde ein einfaches Beispiel angewandt, um das Prinzip der Erfindung darzustellen, wie aber ein Fachmann gleich erkennen wird, kann die Erfindung in komplexeren Anlagen mit einer Mehrzahl von Wärmetauschern, d.h. mehr als einem Kondensator und/oder mehr als einem Verdampfer, angewandt werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Entspannungsgas (flashgas) in einem Dampfverdichtungskälte- oder -wärmepumpensystem mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsgerät und einem Verdampfer, die durch Rohre miteinander verbunden sind zur Bildung eines Durchflußweges für ein Kältemittel, gekennzeichnet durch die Bestimmung einer ersten Wärmestromrate eines Wärmetauscherfluids über einen Wärmetauscher des Systems und einer zweiten Wärmestromrate des Kältemittels über den Wärmetauscher, wobei die Wärmestromraten verwendet werden, um ein Energiegleichgewicht zu erzeugen, von dem ein Parameter zur Überwachung des Kältemitteldurchflusses abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher der Verdampfer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher der Kondensator ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Bestimmung der ersten Wärmestromrate durch die Bestimmung eines Wärmetauscherfluid-Massendurchflusses und einer spezi fischen Enthalpieänderung des Wärmetauscherfluids über den Wärmetauscher.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Bestimmung des Wärmetauscherfluid-Massendurchflusses als Konstante aufgrund von empirischen Daten oder Daten, die während eines störfreien Systembetriebs eingesammelt worden sind.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch die Bestimmung einer spezifischen Enthalpieänderung des Wärmetauscherfluids über den Wärmetauscher aufgrund von Messungen der Wärmetauscherfluidtemperatur vor und nach dem Wärmetauscher.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Bestimmung der zweiten Wärmestromrate durch die Bestimmung eines Kältemittelmassendurchflusses und einer spezifischen Enthalpieänderung des Kältemittels über den Wärmetauscher.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Bestimmung des Kältemittelmassendurchflusses aufgrund einer Durchflußcharakteristik des Expansionsgerätes, der Öffnungspassage und/oder des Öffnungszeitraums des Expansionsgerätes und eines absoluten Drucks vor und nach dem Expansionsgerät, und, wenn nötig, jegliche Unterkühlung des Kältemittels am Expansionsgeräteinlaß.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch die Bestimmung der spezifischen Enthalpiedifferenz des Kältemitteldurchflusses aufgrund der Registrierung der Temperatur und des Drucks des Kältemittels am Expansionsgeräteinlaß und der Registrierung der Kältemittelverdampferausgangstemperatur und des Kältemittelverdampferausgangsdrucks oder der Sättigungstemperatur des Kältemittels am Verdampfereinlaß.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Bestimmung eines Restwerts als Differenz zwischen der ersten Wärmestromrate und der zweiten Wärmestromrate.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Angabe eines Fehlerindikators mit Hilfe des Restwertes, wobei die Fehleranzeige nach der folgenden Formel angegeben wird:
wobei S_μ1,i nach der folgenden Gleichung berechnet wird:
mit r_i: Restwert k₁: Proportionalitätskonstante μ₀: erster Empfindlichkeitswert μ₁: zweiter Empfindlichkeitswert
Ein Entspannungsgas-Bestimmungsgerät für ein Dampfverdichtungskälte- oder -wärmepumpensystem mit einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsgerät und einem Verdampfer, die durch Rohre miteinander verbunden sind und einen Durchflußweg für ein Kältemittel bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät Mittel zur Bestimmung einer ersten Wärmestromrate eines Wärmetauscher-Fluiddurchflusses über einen Wärmetauscher des Systems und einer zweiten Wärmestromrate des Kältemittels über den Wärmetauscher, wobei die Wärmestromraten zur Etablierung eines Energiegleichgewichts genutzt werden, um einen Parameter zur Überwachung des Kältemitteldurchflusses abzuleiten, wobei das Gerät zusätzlich Bewertungsmittel zur Bewertung des Kältemittelmassendurchflusses aufweist, und ein Ausgangssignal erzeugt.
Ein Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der ersten Wärmestromrate Mittel zur Bestimmung der Wärmetauscherfluidtemperatur vor und nach einem Wärmetauscher aufweisen.
Ein Gerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der zweiten Wärmestromrate Mittel zur Bestimmung der Kältemitteltemperatur und des Kältemitteldrucks am Expansionsgeräteinlaß und Mittel zur Bestimmung des Drucks am Expansionsgerätauslaß oder der Sättigungstemperatur aufweisen.
Ein Gerät nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der zweiten Wärmestromrate Mittel zur Bestimmung des absoluten Kältemitteldrucks vor und nach dem Expansionsgerät und Mittel zur Bestimmung einer Öffnungspassage oder eines Öffnungszeitraums des Expansionsgeräts aufweisen.
Ein Gerät nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungsmittel Mittel zur Bestimmung eines Restwertes als Differenz zwischen einem ersten Wert, gebildet aus dem Massendurchfluß des Wärmetauscher-Fluiddurchflusses und der spezifischen Enthalpieänderung über den Wärmetauscher des Systems, und einem zweiten Wert, gebildet aus dem Kältemittelmassendurchfluß und der spezifischen Kältemittelenthalpieänderung über einen Wärmetauscher des Systems, aufweisen.
Ein Gerät nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät zusätzlich Speichermittel zur Speicherung des Ausgangssignals und Mittel zum Vergleichen dieses Ausgangssignals mit einem früher gespeicherten Ausgangssignal aufweist.