DE3517219C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steueranordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art.

Kälteanlagen enthalten allgemein einen Verdampfer oder Küh­ ler, einen Kompressor und einen Kondensator. Üblicherweise zirkuliert ein Wärmeübertragungsfluid durch eine Rohrleitung in dem Verdampfer, um Wärme auf das Kältemittel in dem Ver­ dampfer zu übertragen. Dieses Wärmeübertragungsfluid, das dadurch abgekühlt wird, ist normalerweise Wasser, das zu ei­ nem entfernten Ort fließt, um einen Kühlbedarf zu decken. Das Kältemittel in dem Verdampfer verdampft, wenn es Wärme aus dem Wärmeübertragungsfluid absorbiert, und der Kompres­ sor empfängt diesen Kältemitteldampf, komprimiert ihn und gibt den komprimierten Dampf an den Kondensator ab. In dem Kondensator wird der Kältemitteldampf kondensiert und wieder an den Verdampfer abgegeben, wo der Kälteerzeugungszyklus wieder beginnt.

Zum Maximieren des Betriebswirkungsgrades ist es erwünscht, die Arbeit, die der Kompressor leistet, der Arbeit anzupas­ sen, die erforderlich ist, um die Kälte zu erzeugen, die von der Kälteanlage geliefert werden soll. Gewöhnlich erfolgt das durch eine Steueranordnung, die bei überschüssiger Kühl­ kapazität der Kältenanlage die Kühlkapazität erniedrigt. Die Steueranordnung steuert die Leitschaufeln, die zwischen dem Kompressor und dem Verdampfer angeordnet und zwischen einer voll offenen und einer voll geschlossenen Stellung bewegbar sind. Wenn die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids sinkt, was eine Verringerung der Kühllast, d. h. des durch die Käl­ teanlage zu deckenden Kältebedarfes anzeigt, werden die Leit­ schaufeln in Richtung ihrer voll geschlossenen Stellung bewegt, wodurch die durch den Kompressor strömende Kältemitteldampf­ menge verringert wird. Dadurch wird die Arbeit verringert, die der Kompressor leisten muß, wodurch die Energiemenge verringert wird, die zum Betreiben der Kälteanlage benötigt wird. Gleichzeitig hat das den Effekt, daß die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids erhöht wird. Wenn die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids steigt, was eine Zunahme der Kühllast anzeigt, bewegen sich die Leitschaufeln in Richtung ihrer voll offenen Stellung. Dadurch wird die durch den Kompressor strömende Kältemitteldampfmenge vergrößert, der Kompressor leistet mehr Arbeit, und die Temperatur des Wärmeübertragungs­ fluids wird verringert. Auf diese Weise hält der Kompressor die Temperatur des den Verdampfer verlassenden Wärmeübertra­ gungsfluids auf einer Solltemperatur oder innerhalb eines Solltemperaturbereiches.

Wenn die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids während der beschriebenen Folge der Kühlkapazitätssteuerung sinkt, müssen die Leitschaufeln schnell genug geschlossen werden, um zu verhindern, daß die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids, das wie erwähnt Wasser ist, unter den Gefrierpunkt sinkt. Das ist notwendig, weil das Gefrieren des Wassers die Rohrleitung in dem Verdampfer blockieren oder zerreißen und dadurch die Kälteanlage funktionsuntüchtig machen würde.

Eine bekannte Steueranordnung, nämlich der elektronische Kühlregler, Modell CP-8142-024, der Barber-Coleman Company, Rockford, Illinois, bewirkt, wenn die Temperatur des Wärme­ übertragungsfluids unter die vorgegebene Solltemperatur um ein vorbestimmtes Ausmaß sinkt, daß eine Kühlkapazitätssteuervor­ richtung ständig durch einen Stellantrieb verstellt wird, dem ein Strom von elektrischen Impulsen zugeführt wird. Das vorbestimmte Ausmaß an Abweichung, bevor der Stellantrieb ständig gespeist wird, bildet einen Totbereich, in welchem die Kühlkapazitätssteuervorrichtung nicht verstellt wird. Die Impulsfrequenz des Stroms von elektrischen Impulsen, der dem Stellantrieb zugeführt wird, bestimmt die Gesamtverstellge­ schwindigkeit der Kühlkapazitätssteuervorrichtung. Diese Im­ pulsfrequenz kann auf einen Minimalwert, einen Mittelwert oder einen Maximalwert eingestellt werden, wodurch eine be­ grenzte Möglichkeit besteht, den Betrieb der Steueranordnung maßzuschneidern. Die Größe des Totbereiches hängt davon ab, welche Impulsfrequenzeinstellung gewählt wird, und die Im­ pulsfrequenz selbst ist eine Analogfunktion der Abweichung der Tem­ peratur des Wärmeübertragungsfluids von der vorgegebenen Solltemperatur, wodurch diese Steueranordnung für die Verwen­ dung in Verbindung mit einem Prozessor zum Steuern des Ge­ samtbetriebes einschließlich der Kühlkapazität einer Kältean­ lage nicht besonders geeignet ist.

Eine Steueranordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art ist aus der US-PS 42 75 987 bekannt. Bei die­ ser bekannten Steueranordnung wird ein das Kältemittel kom­ primierender Zentrifugalkompressor, dessen Pumpeigenschaften unbekannt sind, durch Verändern der Kompressormotordrehzahl in Abhängigkeit von der Leitschaufelposition so nahe wie mög­ lich bei der Pumpkennlinie betrieben. Die notwendige Anpas­ sung wird dabei durch zwei einstellbare Potentiometer erzielt, so daß sich eine Funktion mit zwei Freiheitsgraden bilden läßt, welche Pumpen verhindert.

Die US-PS 42 83 921 beschreibt eine Steuer- und Alarmanord­ nung zur Steuerung der Temperatur eines Gefrierfaches. Zu diesem Zweck liefert ein Temperatursensor einem Mikrocomputer ein Signal, das die Gefrierfachtemperatur angibt. Mit einem Temperaturwählschalter werden die obere und die untere Grenze eines Solltemperaturbereiches für das Gefrierfach festgelegt, und mit einem weiteren Wählschalter wird ein Temperaturgrenz­ wert festgelegt, bei dem Alarm gegeben werden soll. Der Mikro­ computer vergleicht die Gefrierfachtemperatur mit den vorgege­ benen Grenzwerten und hält durch Steuerung eines Kältemittel­ ventils die Gefrierfachtemperatur innerhalb des gewünschten Bereiches. Wenn diese Temperatur den Alarmgrenzwert erreicht, wird Alarm gegeben.

Bei keiner der beiden vorerwähnten bekannten Steueranordnun­ gen ist also eine besonders effiziente und wirksame Prozessor­ steuerung für die Herabsetzung der Kühlkapazität der Kältean­ lage vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine effiziente und wirksame Prozessorsteuerung für die Herabsetzung der Kühlkapazität ei­ ner Kälteanlage zu schaffen, welche auf eine Abnahme der Kühl­ last genauer anspricht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Der Temperaturbereich zwischen der vorgegebenen Solltempera­ tur und dem oberen der beiden manuell einzugebenden und unter der Solltemperatur liegenden Temperaturgrenzwerte ist ein Tot­ bereich, in welchem der Prozessor die Kühlkapazität nicht verändert. Wenn dagegen Temperaturabweichungen des Wärmeüber­ tragungsfluids zwischen den beiden manuell einzugebenden Grenzwerten vorliegen, veranlaßt die Steueranordnung den Pro­ zessor, die Kühlkapazität allmählich und gesteuert zu verrin­ gern. Wenn beispielsweise die vorgegebene Solltemperatur 7°C und der obere der beiden manuell einzugebenden Grenzwerte 6°C beträgt, erfolgt keine Verringerung der Kühlkapazität der Kälteanlage, solange die Temperaturabweichung den zwi­ schen diesen beiden Temperaturen gelegenen Totbereich nicht verläßt. Die abgefühlte Temperatur des Wärmeübertragungs­ fluids kann zwischen diesen beiden Temperaturen variieren, ohne daß es zu einer Verringerung der Kühlkapazität kommt. Der untere der beiden manuell einzugebenden Grenzwerte kann beispielsweise 5°C betragen. Sollte die Temperaturabweichung also zwischen 6 und 5°C liegen, wird die Steueranordnung be­ wirken, daß die Kühlkapazität der Kälteanlage mit einer er­ sten Geschwindigkeit vermindert wird, um ein übermäßiges Küh­ len des Wärmeübertragungsfluids zu verhindern. Unterhalb des unteren der beiden manuell einzugebenden Grenzwerte, also un­ terhalb 5°C, erfolgt die Verminderung der Kühlkapazität mit einer zweiten Geschwindigkeit, die größer ist als die erste Geschwindigkeit, um die Temperaturabweichung des Wärmeüber­ tragungsfluids noch schneller zu kompensieren. Die Steueran­ ordnung nach der Erfindung verhindert durch den Totbereich somit eine Überkompensation des Regelvorgangs, und durch die beiden manuell einzugebenden Grenzwerte ermöglicht sie, die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids je nach Größe der Tem­ peraturabweichung allmählich oder sehr schnell wieder auf den Sollwert zu bringen. Der Prozessor erzeugt dabei ein Steuer­ signal, welches eine Stufenfunktion der ermittelten Tempera­ turabweichung ist. Diese Stufenfunktion kann leicht in den Prozessor einprogrammiert werden, weil die Stufenfunktion eine Digitalfunktion ist. Durch richtiges Wählen der Kennda­ ten der Stufenfunktion wird auf vorerwähnte Weise eine Über­ kompensation verhindert, und trotzdem läßt sich die Kühlkapa­ zität der Kälteanlage mit einer maximalen Geschwindigkeit vermindern, um unerwünschtes Gefrieren des Wärmeübertragungs­ fluids, das durch den Betrieb der Kälteanlage gekühlt wird, zu verhindern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Zentrifugaldampfkompressionskälte­ anlage mit einer Steueranordnung nach der Erfindung, und

Fig. 2 ein Diagramm, welches das Arbeits­ prinzip der in Fig. 1 gezeigten Steueranordnung veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt eine Dampfkompressionskälteanlage 1 mit einem Kältemittelkompressor 2 und einer Steueranordnung 3 zum Ver­ ändern der Kühlkapazität der Kälteanlage 1. Gemäß Fig. 1 weist die Kälteanlage 1 einen Kondensator 4, einen Verdampfer 5 und ein Expansionsventil 6 auf. Im Betrieb wird komprimier­ tes gasförmiges Kältemittel von dem Kompressor 2 über eine Kompressorauslaßleitung 7 an den Kondensator 4 abgegeben, in welchem das gasförmige Kältemittel durch relativ kaltes Was­ ser kondensiert wird, welches durch eine Rohrleitung 8 in dem Kondensator 4 strömt. Das kondensierte flüssige Kältemittel aus dem Kondensator 4 geht durch das Expansionsventil 6 in einer Kältemittelleitung 9 zu dem Verdampfer 5. Das flüssige Kältemittel wird in dem Verdampfer 5 verdampft, um ein Wärme­ übertragungsfluid, beispielsweise Wasser, zu kühlen, das durch eine Rohrleitung 10 in dem Verdampfer 5 strömt. Dieses kalte Wärmeübertragungsfluid wird zum Kühlen eines Gebäudes oder für andere derartige Zwecke benutzt. Das gasförmige Kältemittel aus dem Verdampfer 5 strömt über eine Kompressor­ saugleitung 11 unter der Steuerung von Leitschaufeln 12 zu­ rück zu dem Kompressor 2. Das gasförmige Kältemittel, das in dem Kompressor 2 über die Leitschaufeln 12 eintritt, wird durch den Kompressor 2 komprimiert und über die Kompressor­ auslaßleitung 7 abgegeben, wodurch der Kälteerzeugungszyklus vollendet ist. Dieser Kälteerzeugungszyklus wird während des normalen Betriebes der Kälteanlage 1 ständig wiederholt.

Die Leitschaufeln 12 werden durch einen Leitschaufelstellan­ trieb 14 geöffnet und geschlossen, der durch die Steueranord­ nung 3 gesteuert wird, welche eine Anlagenschnittstellenkarte 16, einen Prozessor 17, eine Sollwert- und Anzeigekarte 18 und eine Eingabevorrichtung 19 aufweist. Außerdem ist ein Temperatursensor 13 zum Abfühlen der Temperatur des den Ver­ dampfer 5 über die Rohrleitung 10 verlassenden Wärmeübertra­ gungsfluids durch eine elektrische Leitung 20 direkt mit dem Prozessor 17 verbunden.

Der Temperatursensor 13 ist in dem dargestellten Beispiel ein Thermistor, dessen Abfühlteil in dem den Verdampfer 5 verlassenden Wärmeübertragungsfluid angeordnet ist und dessen Widerstandswert durch den Prozessor 17 überwacht wird, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Der Prozessor 17 verarbeitet Eingangssignale gemäß vorpro­ grammierten Prozeduren und weist einen Mikrocomputer auf.

Die Eingabevorrichtung 19 ist in dem dargestellten Beispiel ein DIP (Schaltungsgehäuse mit zwei Reihen von Anschlußstif­ ten)-Schalter. Der Schalter 19 ist zwar als gesonderte Schal­ tungskomponente in Fig. 1 dargestellt, er könnte jedoch auch Teil des Prozessors 17 sein.

Die Sollwert- und Anzeigekarte 18 weist eine Anzeigeeinrich­ tung auf, die Leuchtdioden- oder Flüssigkristallanzeigevor­ richtungen enthält und unter der Steuerung des Prozessors 17 steht. Außerdem enthält die Sollwert- und Anzeigekarte 18 ein Sollwertpotentiometer, mit dem an dem Prozessor 17 eine Soll­ temperatur für das den Verdampfer 5 über die Rohrleitung 10 verlassende gekühlte Wärmeübertragungsfluid einstellbar ist.

Weiter enthält die Anlagenschnittstellenkarte 16 Triac-Schal­ ter zum Steuern der Zufuhr von elektrischem Strom über eine elektrische Leitung 21 zu dem Leitschaufelstellantrieb 14. Die Triac-Schalter werden durch Steuersignale aus dem Pro­ zessor 17 gesteuert.

Der Leitschaufelstellantrieb 14 bewegt die Leitschaufeln 12 in Richtung ihrer offenen oder ihrer geschlossenen Stellung und ist beispielsweise ein Elektromotor. Der Leitschaufel­ stellantrieb 14 bewegt die Leitschaufeln 12 mit einer kon­ stanten, festen Geschwindigkeit nur während desjenigen Teils eines gewählten Basiszeitintervalls, während welchem der pas­ sende Triac-Schalter auf der Anlagenschnittstellenkarte 16 betätigt ist. Die effektive Gesamtgeschwindigkeit des Öffnens oder Schließens der Leitschaufeln 12 wird durch den Prozessor 17 bestimmt, welcher den geeigneten Triac-Schalter wiederholt aktiviert und dann inaktiviert, um eine Reihe elektrischer Im­ pulse mit einem gewünschten Tastverhältnis an den Leitschau­ felstellantrieb 14 anzulegen. Wenn beispielsweise ein Basis­ zeitintervall von 35 s gewählt wird und es erwünscht ist, die Leitschaufeln 12 mit einer effektiven Gesamtgeschwindigkeit von 50% der festen, konstanten Betätigungsgeschwindigkeit der Leitschaufeln 12 zu öffnen, dann wird der geeignete Triac-Schalter wiederholt betätigt und dann inaktiviert, um den Leitschaufelstellantrieb 14 für nur 17,5 s des Basiszeit­ intervalls von 35 s zu speisen. Wenn es erwünscht ist, die Leitschaufeln 12 mit einer effektiven Gesamtgeschwindigkeit von 25% der festen, konstanten Betätigungsgeschwindigkeit zu öffnen, wird der geeigneten Triac-Schalter wiederholt be­ tätigt und dann inaktiviert, um den Leitschaufelstellantrieb 14 für nur 8,75 s des Basiszeitintervalls von 35 s zu spei­ sen. Das Basiszeitintervall wird so gewählt, daß es mit den Betätigungsmöglichkeiten der Leitschaufeln 12 und des Leit­ schaufelstellantriebs 14 kompatibel ist.

Gemäß Fig. 1 empfängt im Betrieb der Prozessor 17 der Steuer­ anordnung 3 elektrische Signale aus dem Temperatursensor 13, dem Schalter 19 und der Sollwert- und Anzeigekarte 18. Das elektrische Signal aus dem Temperatursensor 13 gibt die Tem­ peratur des den Verdampfer 5 verlassenden Wärmeübertragungs­ fluids in der Leitung 10 an. Das elektrische Signal aus der Sollwert- und Anzeigekarte 18 gibt die durch die Bedienungs­ person manuell eingegebene Solltemperatur des Wärmeübertra­ gungsfluids an. Das elektrische Signal aus dem Schalter 19 entspricht einer durch die Bedienungsperson gewählten Ein­ stellung für einen gewünschten Totbereich für die Steueran­ ordnung 3. Der Totbereich ist ein Temperaturbereich um die vorgegebene Solltemperatur des Wärmeübertragungsfluids, in welchem die Steueranordnung 3 nicht tätig wird.

Der Prozessor 17 ermittelt, ob die abgefühlte Temperatur des den Verdampfer 5 verlassende Wärmeübertragungsfluids um ein Ausmaß niedriger als die vorgegebene Solltemperatur ist, welches den unteren Grenzwert des gewählten Totbereiches übersteigt. Wenn die abgefühlte Temperatur des Wärmeübertra­ gungsfluids niedriger als der untere Grenzwert des gewählten Totbereiches ist, legt der Prozessor 17 Steuersignale zum Steuern des Leitschaufelstellantriebs 14 an die Triac-Schalter auf der Anlagenschnittstellenkarte 16 an. Diese Steuersignale sind eine Stufenfunktion der Differenz zwischen der abgefühl­ ten Temperatur des den Verdampfer 5 verlassenden Wärmeübertra­ gungsfluids und der vorgegebenen Solltemperatur und steuern die Triac-Schalter auf der Anlagenschnittstellenkarte 16, da­ mit elektrischer Strom über die Leitung 21 dem Leitschaufel­ stellantrieb 14 zugeführt wird. Der Leitschaufelstellantrieb 14 schließt die Leitschaufeln 12 mit einer effektiven Gesamt­ geschwindigkeit, die eine Stufenfunktion der Differenz zwischen der abgefühlten Temperatur des den Verdampfer 5 verlassenden Wärmeübertragungsfluids und der vorgegebenen Solltemperatur ist.

Fig. 2 zeigt, wie die Steueranordnung 3 den Betrieb der Leitschaufeln 12 in der Kälteanlage 1 stufenweise steuert. Die Kurve A in Fig. 2 stellt eine hypothetische Betätigungs­ kurve für die Leitschaufeln 12 als Funktion der Abweichung (in Grad Celsius) der Temperatur des den Verdampfer 5 ver­ lassenden Wärmeübertragungsfluids von einer vorgegebenen Solltemperatur dar. Ein unterer Grenzwert von -0,56°C ist für den gewählten Temperaturbereich um die Solltemperatur gezeigt. Auf der vertikalen Achse in Fig. 2 ist die effek­ tive Gesamtgeschwindigkeit des Schließens der Leitschaufeln 12 in Prozent der konstanten, festen Leitschaufelbetätigungs­ geschwindigkeit aufgetragen. Das heißt, die vertikale Achse in Fig. 2 zeigt in Prozent die relative Einschaltdauer des Leitschaufelstellantriebs 14 (und daher der Leitschaufeln 12), die durch die wiederholte Betätigung und die anschlie­ ßende Inaktivierung des geeigneten Triac-Schalters auf der Anlagenschnittstellenkarte 16 bestimmt wird, welche durch den Prozessor 17 auf oben beschriebene Weise gesteuert wird.

Wie die Kurve A in Fig. 2 zeigt, werden, nachdem die Abweichung der Temperatur des den Verdampfer 5 verlassenden Wärmeübertragungs­ fluids von der vorgegebenen Solltemperatur unter den unteren Grenzwert von -0,56°C des gewählten Totbereiches gesunken ist, die Leitschaufeln in ihre voll geschlossene Stellung mit ei­ ner effektiven Gesamtgeschwindigkeit bewegt, die ungefähr 20% der konstanten, festen Leitschaufelbetätigungsgeschwindigkeit ist. Das gibt der Steueranordnung 3 die Gelegenheit, die Tem­ peratur des Wärmeübertragungsfluids auf allmähliche, gesteuer­ te Weise wieder auf die vorgegebene Solltemperatur zu bringen, wodurch ein unerwünschtes Pendeln um die Solltemperatur durch die Steueranordnung 3 verhindert wird. Weiter zeigt jedoch die Kurve A in Fig. 2, daß, wenn die Abweichung der Temperatur des den Verdampfer 5 verlassenden Wärmeübertragungsfluids von der ge­ wählten Solltemperatur unter einen gewählten niedrigeren zwei­ ten Grenzwert sinkt (gemäß der Darstellung in Fig. 2 -1,12°C), die Leitschaufeln 12 in ihre voll geschlossene Stellung mit einer effektiven Gesamtgeschwindigkeit bewegt werden, die 100% der konstanten, festen Leitschaufelbetätigungsgeschwin­ digkeit ist. Dadurch wird das unerwünschte Gefrieren des Wärmeübertragungsfluids in der Rohrleitung 10 in dem Verdamp­ fer 5 aufgrund eines Betriebes der Kälteanlage 1 mit über­ schüssiger Kühlkapazität verhindert.

Selbstverständlich ist die in Fig. 2 gezeigte Kurve A eine willkürliche Kurve, die gewählt worden ist, um die Betäti­ gung der Leitschaufeln 12 zu veranschaulichen. In einer tatsächlichen Kälteanlage 1 werden der untere Grenzwert des Totbereiches, der Temperaturgrenzwert für das Umschalten von einer relativ niedrigen effektiven Gesamtgeschwindig­ keit des Leitschaufelschließens auf eine relativ hohe Geschwindigkeit des Leitschaufelschließens und die tatsäch­ lichen Leitschaufelschließgeschwindigkeiten, die zu verwen­ den sind, alle auf der Basis einer Anzahl von Faktoren gewählt, wie beispielsweise dem Gefrierpunkt des Wärmeüber­ tragungsfluids, das durch den Verdampfer 5 gekühlt wird, und dem Sicherheitsspielraum, der bezüglich des Verhinderns des Gefrierens des Wärmeübertragungsfluids in der Rohrlei­ tung 10 des Verdampfers 5 erwünscht ist.

Claims (1)

1. Steueranordnung für eine ein Wärmeübertragungsfluid kühlende Kälteanlage, welche bei überschüssiger Kühlkapazität der Kälteanlage die Kühlkapazität erniedrigt, um die Temperatur­ abweichung der Isttemperatur des Wärmeübertragungsfluids von einer vorgegebenen Solltemperatur herabzusetzen, gekennzeichnet durch eine Eingabevorrichtung (19), die zweimal manuell einzugebende, voneinander verschiedene und unterhalb der Solltemperatur des Wärmeübertragungsfluids liegende Temperaturgrenzwerte an einen Prozessor (17) weitergibt, welcher bei Isttemperaturen des Wärmeübertragungsfluids zwischen der Solltemperatur und dem oberen der beiden manuell einzugebenden Grenzwerte die Kühlkapazität aufrechterhält und welcher bei Isttemeraturen des Wärmeübertragungsfluids zwischen diesen beiden Grenzwer­ ten die Kühlkapazität mit einer ersten Geschwindigkeit und bei Isttemperaturen unterhalb des unteren dieser beiden Grenz­ werte die Kühlkapazität mit einer zweiten Geschwindigkeit vermindert, welche größer ist als die erste Geschwindigkeit.