RÄHDER, Christian (Wiesenweg 6, Lückendorf, 02797, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren für die Steuerung und Regelung der Überhitzungstemperatur (TÜ) eines Kältemittels in einer Verdampfungseinrichtung im Kreislauf eines Anlagensystems einer Wärmepumpe oder Kühlanlage, dadurch gekennzeichnet, dass für die Sollwert- Bestimmung für die Regelgröße eine virtuelle Energiestrom- Bilanz gebildet wird, wobei die virtuelle Energiestrom-Bilanz derart gebildet wird, dass sich die virtuelle Energiestrom-Bilanz in allen Arbeitpunkten der Wärmepumpe oder Kühlanlage näherungsweise proportional zur realen Energiestrom-Bilanz verhält, indem eine virtuelle Wärmeleistung der Verdampfungseinrichtung (QWv) bestimmt wird, die funktionell abhängig ist von den bekannten Größen Überhitzungstemperatur (TÜ) , spezifische Wärmekapazität des Kältemittels (c''p(pv)) und spezifische Enthalpie (h' ' (pv) ) im Sattdampfzustand, Hub des Expansionsventils (YEXV) und einem Korrekturfaktor (KEXV) , welcher für jeden Arbeitspunkt des Expansionsventils gebildet wird. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über den Arbeitsbereich der Wärmepumpe oder Kühlanlage die Abhängigkeit zwischen virtueller Wärmeleistung (QWv) und Überhitzungstemperatur (TÜ) an der Stabilitätsgrenze des Regelungssystems ( [ QWv (TÜ) ] ste) als virtuelle MSS-Kennlinie ( [ QWv (TÜ) ] MSS) genutzt wird. 3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionswerte (TÜ,MSS) , die bei bekannter virtueller Wärmeleistung (QWv) aus der Funktion für die virtuelle MSS-Kennlinie ( [ QWv (TÜ) ] MSS) bestimmbar sind, für die Bestimmung des Sollwerts (Tü,soii) genutzt werden. 4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der Regelgröße ( Tü, soii ) außer von dem Wert ( TÜ ,MSS ) weiterhin von einem vorgebbaren Wert ( ü,min ) abhängt, der einen Mindestwert der Überhitzungstemperatur mit einem bestimmten Abstand zur MSS-Kennlinie darstellt, so dass ein stabiler Zustand erreicht wird. 5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlagensystem hinsichtlich einer stabilen bzw. instabilen Prozesssituation überwacht wird, wobei bei Erkennung einer instabilen Prozesssituation eine zusätzliche Überhöhungstemperatur ( Tü; instab ) dem Sollwert ( Tü, soii ) hinzuaddiert wird, um damit ein schnelles Schließen des Expansionsventils zu erreichen und den Regelungsprozess damit in den stabilen Arbeitsbereich zu überführen . 6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsweise des Prozesses und der Regeleinrichtung selbsttätig daraufhin kontrolliert wird, ob diese sich im stabilen Arbeitsbereich befinden, indem mittels auf messbare Größen und Parameter gestützten statischen und dynamischen Merkmalen die Stabilität bzw. Instabilität festgestellt wird. 7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der mit einem zeitlichen Abstand ( T ) aufeinanderfolgend aufgenommenen Prozess zustände eine selbsttätige Korrektur der virtuellen MSS-Kennlinie um den Wert (ATÜ ,MSS ) erfolgt, wodurch eine Anpassung an die im jeweiligen Arbeitspunkt tatsächlich bestehenden Prozesseigenschaften erreicht wird und somit die virtuelle MSS-Kennlinie im wesentlichen proportional zur realen MSS- Kennlinie verläuft. 8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass über festlegbare Zeitabschnitte (Atstabii ) die Stabilität und Stationarität des Verdampfungsprozesses dadurch festgestellt wird, dass für die Werte der messbaren und rechnerisch rekonstruierbaren Größen Toleranzbänder festgelegt werden, die nicht zu verlassen sind, damit eine Korrektur von Sollwert bzw. MSS-Kennlinie nur dann erfolgt, wenn sich der Prozess in einem stationären bzw. stabilen Zustand befindet. 9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen des Sollwerts ( Tü,soii ) oder von Punkten der virtuellen MSS-Kennlinie nur so groß zulässig sind, dass dadurch keine Schwankungen der Prozessgrößen, insbesondere der Regelgröße, entstehen, indem eine stetige Verstellung des wirksamen Sollwerts im Regler gewährleistet ist. 10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Monotonie des Verlaufs der virtuellen MSS- Kennlinie selbsttätig kontrolliert und gewährleistet wird. |
von Wärmepumpen und Kühlanlagen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Steuern einer Wärmepumpe beziehungsweise einer
Kühleinrichtung .
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur
Steuerung und Regelung des Verdampfungsprozesses einer Wärmepumpe bzw. Kühleinrichtung.
In einer Wärmepumpe bzw. Kühleinrichtung sind ein oder mehrere Verdampfer, ein oder mehrere Verdichter, ein oder mehrere Kondensator/en bzw. Verflüssiger und ein oder mehrere durch ein Regelgerät regelbare/s Expansionsventil/e in einem geschlossenen Kreislauf hintereinander angeordnet.
Bei einem z.B. aus der Patentschrift US-4523435 bekannten Regelgerät dieser Art wird das Expansionsventil so
gesteuert, dass möglichst keine unverdampfte
Kühlflüssigkeit aus dem Verdampfer über die Saugleitung in den Verdichter bzw. Kompressor gelangt. Zu diesem Zweck wird dort das Stellsignal des Expansionsventils in
Abhängigkeit von der Größe und Änderungsgeschwindigkeit der Überhitzungstemperatur des Dampfes im Verdampfer gesteuert, wobei der Sollwert der Überhitzungstemperatur fest
eingestellt wird. Ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind in der Patentschrift DE 37 13 869 C2 beschrieben. Dabei wird ein Sollwert der Überhitzungstemperatur des
Kältemittels den jeweiligen Betriebsbedingungen, wie
Kälteleistung, Unterkühlung, Verdampfungstemperatur usw., unabhängig von der Art des Kältemittels selbsttätig angepasst. Diese Anpassung wird dadurch bewirkt, dass der Überhitzungstemperatur-Sollwert in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit der Überhitzungstemperatur dann geändert wird, wenn die Überhitzungstemperatur
voreingestellte Grenzwerte über- bzw. unterschreitet.
Die Überhitzungstemperatur gemäß der DE 37 13 869 C2 wird als Differenz der Temperatur des Kältemittels am Ausgang und am Eingang der Verdampfereinrichtung über entsprechende Sensoren ermittelt.
Ein weiterer Ansatz zur Regelung von Kälte- und
Wärmepumpanlagen, bei denen der Dampfdruck starken
Schwankungen unterliegt, ist aus der Patentschrift DE 195 06 143 C2 bekannt. Dabei wird die Variabilität einer Anzahl von Abtastwerten der Temperatur des Kältemittels am Ausgang der Verdampfereinrichtung um einen Mittelwert der
Abtastwerte in einer Funktion charakterisiert. Die
Variabilität oder Streuung dieser Funktion dient als ein Maß für die Stabilität der Temperatur des Kältemittels am Ausgang der Verdampfereinrichtung. Je höher die Stabilität ist, umso geringer kann der Überhitzungstemperatur-Sollwert gewählt werden. Dabei wird eine Erhöhung des Sollwertes für die Variabilität der Dampftemperatur am Ausgang der
Verdampfereinrichtung bewirkt, wenn die
Verdampfungstemperatur des Kältemittels sehr instabil ist, d. h. sich ihre Variabilität erhöht. Gleichzeitig wird eine größere Variabilität der Dampftemperatur toleriert, wenn die Verdampfungstemperatur stärker schwankt. Die Größe der die Variabilität der Verdampfungstemperatur
charakterisierenden Funktion kann mit einem Faktor
gewichtet werden. Auf diese Weise wird eine Instabilität der Verdampfungstemperatur anders als eine Instabilität der Dampftemperatur berücksichtigt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Regeln einer Wärmepumpen- oder Kälteanlage bereitzustellen, das einen verbesserten
Wirkungsgrad der Anlage bewirkt.
Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst .
Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren für die Steuerung und Regelung der Überhitzungstemperatur eines Kältemittels in einer Verdampfungseinrichtung im Kreislauf eines Anlagensystems einer Wärmepumpe oder Kühlanlage, bereitgestellt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass für die Sollwert-Bestimmung für die Regelgröße eine
virtuelle Energiestrom-Bilanz gebildet wird, wobei die virtuelle Energiestrom-Bilanz derart gebildet wird, dass sich die virtuelle Energiestrom-Bilanz in allen
Arbeitpunkten der Wärmepumpe oder Kühlanlage näherungsweise proportional zur realen Energiestrom-Bilanz verhält, indem eine virtuelle Wärmeleistung der Verdampfungseinrichtung bestimmt wird, die funktionell abhängig ist von den
bekannten Größen Überhitzungstemperatur, spezifische
Wärmekapazität des Kältemittels und spezifische Enthalpie im Sattdampfzustand, Hub des Expansionsventils und einem Korrekturfaktor, welcher für jeden Arbeitspunkt des
Expansionsventils gebildet wird.
Vorzugsweise ist das Verfahren weiterhin dadurch
gekennzeichnet, dass über den Arbeitsbereich der Wärmepumpe oder Kühlanlage die Abhängigkeit zwischen virtueller
Wärmeleistung und Überhitzungstemperatur an der Stabilitätsgrenze des Regelungssystems als virtuelle MSS- Kennlinie genutzt wird.
Die Funktionswerte, die bei bekannter virtueller
Wärmeleistung aus der Funktion für die virtuelle MSS- Kennlinie bestimmbar sind, werden vorzugsweise für die Bestimmung des Sollwerts genutzt.
Weiterhin hängt vorzugsweise der Sollwert der Regelgröße außer von dem mittels virtueller MSS-Kennlinie bestimmbaren Wert weiterhin von einem vorgebbaren Wert ab, der einen Mindestwert der Überhitzungstemperatur mit einem bestimmten Abstand zur MSS-Kennlinie darstellt, so dass ein möglichst stabiler Zustand erreicht wird.
Das Anlagensystem kann hinsichtlich einer stabilen bzw. instabilen Prozesssituation überwacht werden, wobei bei Erkennung einer instabilen Prozesssituation eine
zusätzliche Überhöhungstemperatur dem Sollwert hinzuaddiert wird, um damit ein schnelles Schließen des
Expansionsventils zu erreichen und den Regelungsprozess damit in den stabilen Arbeitsbereich zu überführen.
Die Arbeitsweise des Prozesses und der Regeleinrichtung wird vorzugsweise selbsttätig daraufhin kontrolliert, ob diese sich im stabilen Arbeitsbereich befinden, indem mittels auf messbare Größen und Parameter gestützten statischen und dynamischen Merkmalen die Stabilität bzw. Instabilität festgestellt wird.
Weiterhin gilt vorzugsweise, dass in jedem der mit einem zeitlichen Abstand aufeinanderfolgend aufgenommenen
Prozesszustände eine selbsttätige Korrektur der virtuellen MSS-Kennlinie um einen solchen Wert erfolgt, dass eine Anpassung an die im jeweiligen Arbeitspunkt tatsächlich bestehenden Prozesseigenschaften erreicht wird und somit die virtuelle MSS-Kennlinie im wesentlichen proportional zur realen MSS-Kennlinie verläuft. Die Stabilität und Stationarität des Verdampfungsprozesses über festlegbare Zeitabschnitte wird vorzugsweise dadurch festgestellt, dass für die Werte der messbaren und
rechnerisch rekonstruierbaren Größen Toleranzbänder
festgelegt werden, die nicht zu verlassen sind, damit eine Korrektur von Sollwert bzw. MSS-Kennlinie nur dann erfolgt, wenn sich der Prozess in einem stationären bzw. stabilen Zustand befindet.
Änderungen des Sollwerts oder von Punkten der virtuellen MSS-Kennlinie sind vorzugsweise nur so groß zulässig, dass dadurch keine Schwankungen der Prozessgrößen, insbesondere der Regelgröße, entstehen, indem eine möglichst stetige Verstellung des wirksamen Sollwerts im Regler gewährleistet ist .
Weiterhin gilt vorzugsweise, dass die Monotonie des
Verlaufs der virtuellen MSS-Kennlinie selbsttätig
kontrolliert und gewährleistet wird. Im Folgenden ist die Erfindung anhand bevorzugter
Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die anhängenden Figuren beschrieben.
In den Figuren gilt:
Fig. 1 zeigt ein R&I-Fließbild (Rohrleitungs- und
Instrumentenfließbild) für Wärmepumpen bzw. Kühlanlagen mit Verdampfungsregelung; Fig. 2 zeigt reale und virtuelle MSS-Kennlinien; Fig. 3 zeigt einen Messdatenvergleich der Verläufe von realer und virtueller Wärmeleistung; Fig. 4 zeigt einen Verlauf der Überhit zungstemperatur mit verschiedenen Prozesssituationen;
Die Figuren 5a und 5b zeigen einen Programmablaufplan gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 6 zeigt Blockschema eines technisch ausgeführten
Steuer- und Regelsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Das Verfahren ist für die Steuerung und Regelung des
Verdampfungsprozesses einer Wärmepumpe bzw. Kühleinrichtung (siehe Figur 1) vorgesehen und dient insbesondere den
Aufgaben :
- Bestimmung des optimalen Sollwerts Tu,s 0 n — > Opt. für die Regelgröße, d.h. für die Überhit zungstemperatur
Tu, wobei das Optimum sowohl den hohen Wirkungsgrad des Verdampfungsprozesses einschließt als auch ein günstiges Stellverhalten des Regelungssystems bedingt.
- Kontrolle und Gewährleistung der stabilen Arbeitsweise des geregelten Verdampfungsprozesses.
- Kompensation von Störwirkungen, die zu Abweichungen der Regelgröße Tu von ihrem Sollwert T üiSo ii führen. Die drei genannten Aufgabenbereiche werden durch eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Steuer- und Regeleinrichtung in komplexer Weise gelöst, indem sowohl die Bestimmung des optimalen Sollwerts, als auch die
Störungskompensation in der Umgebung des optimalen
Sollwerts eine Stabilitätsprüfung einschließen. Funktionsweise des Verfahrens:
Die Bestimmung des optimalen Sollwerts für die
Überhit zungstemperatur u erfolgt durch Benutzung einer „Virtuellen MSS-Kennlinie Q WV 0 " Ü MSS ) ^ e Näherung zur Real-Kennlinie Q WI -O Ü MSS ) P ro P or tional verläuft (siehe dazu Figur 3) und den Zusammenhang zwischen der aus Messwerten bestimmbaren Überhit zungstemperatur (nach der Formel: u = T nV - T v (pv) ) und der virtuellen Wärmeleistung des
Verdampfers beschreibt, die aus der Formel folgt: - c + h*).-K EXV - y EXVJ (1)
Signalwerte und prozessspezifische Kennwerte in der Formel (1) sind:
y E xv = Stellhub y E xv des Expansionsventils;
h"(Pv) = Sattdampf-Enthalpie des Kältemittels im
Verdampfer;
c*(Pv) = spezifische Wärmekapazität des Sattdampfes;
ϋ,ι = Überhit zungstemperatur bei Druck p v ,i
Κ Ε χν = Korrektur-Koeffizient, ventilspezifisch, bestimmt sich aus Formel (2) : wobei Q Wr der gemäß Ventil-Daten für maximalen Hub
übertragbaren realen Wärmeleistung entspricht, und
der Index i den aktuellen Arbeitspunkt i, d.h. die Lage von Q Wv ,i im Bereich Q Wv = 0 ... Q Wv , E xv,max kennzeichnet.
Indem die Enthalpie h' ' mit der Temperatur im Verdampfer T v (pv) verknüpft ist, besteht auch ein Zusammenhang mit der Überhit zungstemperatur , so dass durch die erklärte
Bestimmung von K EXV ,i die zustandsabhängigen Eigenschaften des Verdampfungsprozesses berücksichtigt werden. Die nach den oben beschriebenen Zusammenhängen bestimmbare virtuelle MSS-Kennlinie beschreibt den Verlauf der
Abhängigkeit Q VW CO MSS ) ' d.h. der Grenzlinie zwischen stabiler und instabiler Arbeitsweise des Regelungs- prozesses näherungsweise so, wie dies von der realen MSS- Kennlinie Q WI -C ÜMSS ) bekannt ist.
Durch ein Funktionsmodul der Steuer- und Regeleinrichtung können aus den bekannten Werten von T nV , Pv bzw. T v und Y EXV in jedem Abtastschritt- oder Arbeitspunkt i die
Überhit zungstemperatur Tu,Mss,i / die virtuelle Wärmeleistung Q Wvi und der Anstiegswinkel 0C TnV der Temperatur am
Verdampferaustritt bestimmt werden, so wie dies in Figur 4 dargestellt ist.
Dazu erfolgt selbsttätig eine Stabilitätsprüfung nach statischen und dynamischen Kriterien. Als Merkmale für einen stabilen Prozesszustand im Arbeitspunkt i werden der in Figur 4 erklärte Anstiegswinkel (Χτην und der Abstand der Überhit zungstemperatur υ,± von dem Grenzwert Tu,Mss,i (wie in Figur 2 dargestellt) auf die Einhaltung der
Stabilitätsbedingungen hin untersucht.
Ein Punkt der virtuellen MSS-Kennlinie Q Wv (T ÜMSS ) wird bestätigt, wenn der Wert der virtuellen
WärmeleistungQ Wvi aus den bekannten Werten im Abtastpunkt i zu einem Wert der Überhit zungstemperatur υ,± gehört, der genau auf der virtuellen MSS-Kennlinie liegt, so dass die Bedingung erfüllt ist: Ü ,± = Tu, M ss,i-
Wird aber erkannt, dass υ,± Tu, M ss,i gilt und zugleich a Tn v auf instabiles Verhalten hinweist, so wird in einem oder mehreren Änderungsschritten der Wert für T U , M SS,I SO
korrigiert, dass für Q Wvi ein Punkt der virtuellen MSS- Kennlinie erreicht wird. Wenn erkannt wird, dass der Grenzwert Tu,Mss,i durch den aktuellen Messwert u,± überschritten ist, d.h. der
Verdampfungsprozess stabil arbeitet, aber die zugeführte Energie aus der Wärmequelle (z.B. Sole- oder Luftstrom) nicht optimal genutzt ist, erfolgt durch den Regler eine solche Verstellung am Expansionsventil, die eine Erhöhung des Kältemittel-Mengenstroms bewirkt und damit eine
Verringerung von υ,± um ΔΤυ, ι erreicht. Dies erfolgt so lange, bis der Prozesszustand der Stabilitätsgrenze so nahe gekommen ist, dass υ,± ~ T u, M ss, i erkennbar ist.
Wird hingegen die Unterschreitung des Wertes Tu,Mss,i
festgestellt, der durch die MSS-Kennlinie festgelegt ist, d.h. ein instabiler Prozesszustand erkannt, dann wird vom
Regler der Kältemittel-Mengenstrom so lange verringert, bis ebenfalls der Prozesszustand der Stabilitätsgrenze so nahe gekommen ist, dass υ,± ~ T u, M ss, i erkennbar ist. Indem die Kontrolle und Korrektur der virtuellen MSS- Kennlinie für jeden abgetasteten Arbeitspunkt i erfolgt, realisiert sich durch das Verfahren eine quasi permanente selbsttätige Nachführung der virtuellen MSS-Kennlinie und damit der Basisfunktion für die Bestimmung des optimalen Sollwerts Ttj, soii, i -
Die durch die virtuelle MSS-Kennlinie festgelegte kritische Überhit zungstemperatur Ttj, M ss ist eine vom Prozesszustand abhängige Variable und berücksichtigt Änderungen des
Prozessverhalten für verschiedene Arbeitspunkte.
Ein optimales Betriebsverhalten des Verdampfers wird dadurch gesichert, dass der Sollwert für die Regelgröße ( T u, soii ) sich aus der Formel (3) bestimmt: Ü.Soll=T Ü,.MSS + Τ η Ü.min (3) wobei u, min einen anlagenspezifisch festzulegenden Wert zugewiesen bekommt, d.h. als Konstante oder
zustandsabhängige Variable wirksam ist und sicherstellt, dass eine Mindest-Überhit zung im Verdampfer erfolgt.
Mit der Kenntnis von Tu,Mss,i ist indirekt auch ein Sollwert Tü, soii , i zu bestimmen, der einen gesicherten Abstand u, min zur Stabilitätsgrenze besitzt und anlagenspezifisch
eingestellt werden kann. Damit wird der Verdampfungsprozess in allen Arbeitspunkten dicht entlang der MSS-Kennlinie realisiert, d.h. mit gutem Wirkungsgrad, arbeitet dabei aber sicher stabil.
Zudem wird eine günstige Arbeitsweise der Regelung dadurch unterstützt, dass die Regelgröße eine zulässige
Schwankungsbreite um den Sollwert von ± ΔΤ Το ι besitzt, die nicht oder nur zu geringen Änderungen der Stellgröße y E xv führt.
Schwingungen bzw. Schwankungen der Prozessgrößen und der Stelleinrichtung werden weitgehend vermieden, indem eine Nachführungssteuerungsfunktion für eine nahezu stetige Sollwertänderung sorgt.
Für jeden Abtastzyklus kann eine Änderung des Grenzwerts der Überhit zungstemperatur Ttj, M ss bzw. des Sollwerts T u, soii nach der Formel (4) bestimmt werden: wobei t Aus gi eine vorzugebende Zeitdauer für einen Umschaltvorgang von T u, s 0 n zwischen zwei Arbeitspunkten oder -bereichen ist. Durch eine weitere Steuerungsfunktion wird sichergestellt, dass die virtuelle MSS-Kennlinie ebenso wie die reale MSS- Kennlinie einen den physikalischen Zusammenhängen
geschuldeten monotonen Funktionsverlauf einhält. Fig. 1 zeigt schematisch den Anlagenaufbau einer Wärmepumpe bzw. Kälteanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung, wobei ein Verdampfer 3, ein Verdichter 2, ein Kondensator 1 und ein Expansionsventil in einem Kreislauf angeordnet sind, in dem ein Kältemittel zirkuliert.
Das als R&I-Fließbild ausgeführte Anlagenschema einer
Wärmepumpe mit beliebiger Wärmequelle (Luft, Sole, Wasser, Abwasser) gemäß Fig. 1 erläutert speziell die Anordnung des Verdampfers 3, der die Wärmeübertragung vom wärmetragenden Medium an das Kältemittel realisiert. Für die energetische Effizienz des Verdampfungsprozesses ist wichtig, dass die Temperatur des Kältemittels am Verdampfereintritt möglichst niedrig ist, damit eine höchstmögliche mittlere
Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträger und Kältemittel für einen maximalen Wärmestrom zwischen den Medien sorgt.
Die Figuren 2 und 3 zeigen reale und virtuelle MSS- Kennlinen sowie gemessene reale Verläufe. Die MSS-Kennlinie entspricht einer Grenzlinie zwischen einer stabilen Arbeitsweise des Verdampfungsprozesses und einem instabilen Betrieb des Verdampfers und damit des Regelkreises für den Austrittszustand des Kältemittels am Verdampfer . Mit steigender Wärmeleistung erhöht sich die
Überhitzungstemperatur, d.h. die Temperaturdifferenz des Kältemittels zwischen Verdampfereintritt und -austritt, wobei der Zusammenhang in Fig. 2 dargestellt ist.
Mit u, min ist eine minimale Temperaturerhöhung festgelegt. Im instabilen Bereich unterschreitet Tu den für den
Kreisprozess optimalen Sollwert Tu,s 0 n und mittels
Verstellung des Expansionsventils als Stellglied dieses Regelkreises wird durch den Verdampfungsregler der
Mengenstrom des Kältemittels verringert. Dieser
Regelungsvorgang muss schnell erfolgen, so dass es zu
Schwingungen kommt. Überschreitet Tu den Sollwert, dann arbeitet diese Regelung zwar stabil, aber nicht
technologisch optimal.
Der Verdampfungsregler, dessen Arbeitsweise durch die neue Funktionsvorschrift gegenüber dem Stand der Technik zu einer Verbesserung des Verhaltens des Verdampfungsprozesses entlang der MSS-Kennlinie führt, sorgt für eine gegenüber dem Stand der Technik genauere Betriebsführung des
Verdampfers . Der reale Wärmestrom vom Wärmeträger an das Kältemittel ist auf Grundlage der Messgrößen p nV und T nV und deren
Informationsauswertung nicht bestimmbar.
Indem der vom Regler bestimmte und damit bekannte Stellhub, der mit dem Kälte-Mittelstrom korreliert, als
Informationsgröße genutzt wird, kann die virtuelle Wärme ¬ leistung ermittelt werden, die sich näherungsweise
proportional zur realen Wärmeleistung verhält, wie durch die Verläufe der Größen in Fig. 3 dargestellt ist. Indem außerdem eine Information aus der bestimmbaren
Änderungsgeschwindigkeit der gemessenen Temperatur T nV gewonnen wird, zeigt sich am Winkel (Χτην , dass bei
Erreichen des MSS-Zustands ein schnelles und starkes
Absinken von T nV eintritt, wie aus Fig. 4 erkennbar ist.
Dieses Verhalten resultiert daraus, dass zwischen dem
Winkel (Χτην und der Wärmeleistungsbilanz am Verdampfer eine physikalisch gut erklärbare Korrelation besteht.
Durch die Figuren 2 bis 4 wird deutlich, dass die für die neuartige Funktionsvorschrift benutzten realen Messgrößen p nV , T nV , y E xv und die daraus bestimmbare virtuelle
Prozessgröße Q Wv eine sichere Informationsgrundlage für die Prozessbeobachtung bilden.
In den Figuren 5a und 5b ist die Aufnahme der gemessenen Prozessgrößen und deren Informationsauswertung
veranschaulicht . Durch die permanente und sichere Beobachtung und Führung des Verdampfungsprozesses entlang der virtuellen MSS- Kennlinie werden Abweichungen vom energetisch optimalen Prozessverlauf zum einen sicher erkannt und können damit zur Grundlage einer solchen Sollwerteinstellung für Tu,soii genutzt werden, die sowohl analytisch bestimmbar ist und zum anderen eine Nachführung der virtuellen MSS-Kennlinie erlaubt, damit diese möglichst dicht an der realen MSS- Kennlinie verläuft. Für die Bestimmung der virtuellen Wärmeleistung des
Verdampfungsprozesses, die als Ersatzgröße zur
tatsächlichen, aber durch die vorhandenen Messdaten nicht ermittelbaren Wärmeleistung eine für das Verfahren
entscheidende Bewertungsgrundlage des Verdampfungsprozesses ist, werden die Mess- bzw. bekannten Größen T nV (Temperatur des Kältemittels am Verdampferaustritt) , p v (Druck des Kältemittels im Verdampfer) und y E xv (Ventilhub des
Expansionsventils) in einem Arbeitstakt des Reglers
aufgenommen .
Aus dem Druck p v kann unter der Annahme, dass dieser über die gesamte Verdampferfläche (-länge) näherungsweise konstant ist aus den in jedem Arbeitspunkt i gemessenen p v ,i sowie den thermodynamischen Kennwerten des jeweiligen
Kältemittels c' ' Vi und h' ' ± (spezifische Wärmekapazität und Enthalpie im Sättigungszustand) zunächst die Temperatur des Kältemittels Τ ν ,ι (Ρν,ι) und daraus die
Überhitzungstemperatur Ü,± mittels des Zusammenhangs
gewonnen worden.
Für den mittels Filter geglätteten Zeitverlauf der Größe T nV wird deren Anstieg
ΔΤ, nV
t t TnV — " (6)
At über die wählbare Zeitlänge At bestimmt, der auch als
Änderungsgeschwindigkeit der Größe T nV zu verstehen ist und für die Prozessbewertung in der Umgebung der MSS-Kennlinie genutzt wird. Bei einem kleinen Zeitschritt At kann
vorteilhafterweise durch eine Mittelwertbildung für die Abhängigkeit a Tn v(T g i) über eine Zeitlänge T g , = n-At die
Wirkung von stochastischen Einflüsse verringert werden. Die Bestimmung der virtuellen Wärmeleistung Q Wv erfolgt im Arbeitspunkt bzw. Arbeitsbereich (AB) (Index i) mittels des Zusammenhangs :
Qwv,i = T 0 - c + h* )- K EXV - y EXVJ (6)
Darin ist K EXV ein Koeffizient, der im Nennarbeitspunkt des Expansionsventils die Wärmeleistung des Kältemittels für den Ventilhub Y EXV , N ausdrückt. Der Wert für K EXV kann aus den Herstellerangaben für das Expansionsventil ermittelt werden.
Der Index i des aktuellen Arbeitsbereichs (AB) ergibt sich aus der wählbaren Gesamt-Anzahl m der Arbeitsbereiche über die MSS-Kennlinie durch die Beziehun :
x
Mit dem Index j ist der im vorhergehenden Schritt
ausgewertete Prozesszustand benannt. Durch einen Vergleich der Werte für i und j wird ermittelt, ob der für die
Auswertung von Prozesszustand i benötigte Wert für Ttj, M ss = T Ü ,MSS,I mit dem Wert für Ttj, M ss,j aus der MSS-Kennlinie übereinstimmt. Ist das nicht der Fall, dann wird T Ü , M SS für den aktuellen Arbeitsbereich aus der MSS-Kennlinie
entnommen .
Ist aber die Bedingung i j zutreffend, dann wird mittels weicher Umschaltung auf den Wert für T Ü , M SS des aktuellen Arbeitsbereichs gestellt. Der Sollwert Tu,soii für den Regler wird dann auf den Wert
T Ü So|| = T ü m + T Ü MSS gestellt, wobei Tu,min ein vorzugebender Wert i
n ist, der die spezifischen Eigenschaften des jeweiligen Verdampfersystems berücksichtigt .
Gemäß Fig. 5b erfolgt zunächst eine Kontrolle, ob die
Bedingung u < u,min zutrifft und sich der Prozess in einem unzulässigen Zustand befindet. Für den Fall „J=ja" wird das Expansionsventil um den Wert Ay EXV so geändert, dass der Mengenstrom des Kältemittels reduziert wird, um den Wert für u anzuheben.
Mit dem Zählparameter „Zähler 2" erfolgt ein Vergleich der Zeitschritte mit der näherungsweise konstanten und
vorzugebenden Totzeit t v ,tot welche auftritt, wenn sich der Zustand des Verdampfungsprozesses von der MSS-Kennlinie entfernt. Ist „Zähler 2" größer oder gleich tv,tot / dann wird der aktuelle Sollwert Tu,s 0 ii um den Wert ÄT Ü , M SS
geändert und anschließend „Zähler 2" wieder zurück gesetzt. Wenn „Zähler 2" kleiner als t v ,tot ist, dann wird lediglich „Zähler 1" zurückgesetzt.
Ergibt der Vergleich von u mit u,min, dass die minimale Überhit zungstemperatur nicht (N) unterschritten ist, dann befindet sich der Verdampfungsprozess im zulässigen Bereich der MSS-Kennlinie. Mit der Annahme, dass wegen der Regelung näherungsweise gilt: u = Tu,s 0 n, erfolgt die Bestimmung des dynamischen Parameters Anstieg C T nv-
Wenn (X T nv > 0 zutrifft, dann bleibt der Sollwert Tu,s 0 n für den Regler weiter gültig und der Zählparameter „Zähler 1" für die Anzahl der Zeitschritte zur Erkennung eines
stabilen Verdampfungszustands wird erhöht.
Ist dagegen a Tn v < CC T nv,Mss, d.h. dem Wert für die Dynamik des Prozesses am MSS-Zustand, dann wird wiederum das Expansionsventil um den Wert Ay EXV verstellt, um die
Stabilität zu sichern.
Nach dieser beschriebenen Kontrolle, wie und ob sich der Prozess an der MSS-Kennlinie befindet wird die Arbeitsweise der permanent wirksamen Annäherung an den MSS- Zustand erklärt, indem für den aktuellen Arbeitsbereich durch
Auswertung der Funktion Q Wv =f Q ±AT ÜTo|eranz ) eine Nachführung des Sollwerts T üiSo ii um den Korrekturwert ΔΤυ,Annäherg als erforderlich erkannt wird oder nicht, um durch den Regler den Prozess wieder in die Nähe der MSS-Kennlinie zu
bringen .
Dazu erfolgt zunächst eine Kontrolle, ob der Zählparameter „Zähler 1" >= At sta bii ist, wobei At sta bii eine mit beliebigem Wert vorzugebende Größe ist, die das dynamische Verhalten eines Verdampfers bzw. der Wärmepumpe berücksichtigt und eine Aussage erlaubt, ob sich der Verdampfungsprozess über diese Mindest Zeitdauer von At sta bii in einem stabilen Zustand befindet. Wenn die Bedingung für „Zähler 1" erfüllt ist wird weiterhin kontrolliert, ob gerade noch ein
Annäherungsvorgang aus dem vorhergehenden Arbeitsschritt aktiv ist. Wird die Annäherungsfunktion gestartet, dann erfolgt zunächst die Kontrolle, ob der Zählparameter „Zähler 3" kleiner ist als die Vorgabezeit für ein
Annäherungsintervall At Anri äherg · Wenn die Bedingung gilt:
„Zähler 3" < At An näherg, dann wird der Wert für „Zähler 3" erhöht, ist die Bedingung nicht erfüllt, dann erfolgt die oben beschriebene Kontrolle, ob sich der aktuelle Wert für Tu im Toleranzbereich ± AT Ü , Toleranz befindet und eine eventuell erforderliche Sollwertänderung. Danach wird kontrolliert, ob die MSS-Kennlinie monoton steigend verläuft. Wenn dies zutrifft, ist die Nachführung beendet.
Ist hingegen die Monotonie-Bedingung nicht erfüllt, beginnt eine sichere Rückführung in den stabilen Arbeitsbereich, um die Monotonie wieder zu sichern.
In Fig. 5a ist ein Teil zur Sollwertbestimmung anhand eines Programmablaufplans gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Über Sensoren werden die Temperatur nach dem Verdampfer T nV und der Druck im Verdampfer p v erfasst. Die Ventilstellung Y EXV ist bekannt, da es sich dabei um die Stellgröße des Reglers handelt. Unter Nutzung kältemittelspezifischer Regressionsgleichungen werden c p 1 1 (p v ) , h 1 1 (p v ) und die Verdampfungstemperatur T v (p v ) berechnet. Die
Überhitzungstemperatur To ist die Differenz aus T nV und T v . Für die MSS- Erkennung wird der geglättete Anstieg von n y verwendet, welcher in der Variablen a TnV hinterlegt wird. Die Berechnung der virtuellen Leistung erfolgt über die Formel (8) :
Der aktuelle Arbeitsbereich (AB) mit Index i ergibt sich als ganzzahliger Wert aus dem Verhältnis von aktueller virtueller Leistung zu der maximalen Leistung des
Expansionsventils, multipliziert mit der Anzahl der
festgelegten Arbeitsbereiche m, wie in Formel (7)
angegeben . Stimmt i mit dem Arbeitsbereich des vorhergehend berechneten Zyklus j überein, so wird Ttj /MS s(i) aus der Kennlinie ausgelesen und der Sollwert TQ, SOII als Summe der minimalen Überhitzungstemperatur Ttj /IRin und T(j /MSS gebildet. Bei einer Abweichung von i zu j wird T(j /MSS durch weiches Umschalten auf den neuen Kennlinienwert angeglichen.
In Fig. 5b ist ein Teil zur selbsttätigen Nachführung der MSS-Kennlinie anhand des Programmablaufplans gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
Wird der Grenzwert Ttj /IRin von T nicht unterschritten und ist a Tn v - & Tn v,Mss so wird die Überhitzungstemperatur nach dem Sollwert TQ, SOII geregelt. Der MSS- Zustand gilt als erkannt bzw. wird angenommen, wenn eine dieser Bedingungen nicht erfüllt ist. Um den Prozess wieder in einen stabilen
Arbeitspunkt zu führen, wird das Expansionsventil um den Betrag Ay EXV geschlossen. Es erfolgt eine zyklische Erhöhung des hinterlegten AB-spezifischen Sollwerts im Intervall A t v ,tot um den Betrag ΔΤΟ,Μ ΞΞ · Zählerl wird auf 0 gesetzt.
Bedingung für das Verlassen des MSS ist, dass entweder a TnV >0 oder Tfj^ Tfj r SOll ist. Ist dies der Fall, so erfolgt eine zyklische Erhöhung von Zählerl um die Zykluszeit, bis die als Parameter eingestellte notwendige Stabilitätszeit
& tstabil vergangen ist. Dann befindet sich der Prozess wieder in einem stabilen Arbeitspunkt (AP) .
Wenn die Annäherungsfunktion aktiviert ist, erfolgt eine zyklische Erhöhung von Zähler3 um die Zykluszeit. Ist
Zähler3 ^ A t^n^erg und befindet sich To innerhalb eines
Toleranzbandes T f j r SOll ± A T f j f Tol eranz , so wird der im aktuellen AB i hinterlegte Sollwert um A T{j / Annähecq verringert und
Zähler3 zurückgesetzt. Die Monotonie der MSS-Kennlinie wird geprüft. Ist diese nicht monoton steigend, so erfolgt eine Anpassung der Sollwerte um i, um eine monoton steigende MSS-Kennlinie sicherzustellen .
In Fig. 6 wird anhand einer Block-Darstellung des Ablaufes der funktionswichtigsten Aktivitäten eine vereinfachte, kompakte Erläuterung des seiner Funktionsweise nach
energiebilanzgesteuerten Reglers für Verdampfungsregelungen von Wärmepumpen gegeben.
Durch Erfassen des energetischen Bilanzzustands der Anlage mittels Sensoren, die beispielsweise Druck/Temperatur am Ein-/Ausgang des Verdampfers sowie den Stellhub des
Expansionsventils abtasten, kann der Zustand des Systems bestimmt werden.
Insbesondere kann das Verfahren in einem Regler
implementiert werden, wobei die Funktionsvorschrift des Reglers derart ausgestaltet ist, dass anhand der erfassten Werte und einem in dem Regler implementierten Modell des Systems sowie durch Abschätzen einer virtuellen Leistung der Anlage eine virtuelle MSS-Kennlinie berechnet wird. Weiterhin kann der Regler angepasst sein, die Anlage über Stellen des Expansionsventils auf einen Wert nahe der virtuellen MSS-Kennlinie zu betreiben.
Gleichzeitig wird das System überwacht, ob sich dieses in einem stabilen Zustand befindet (bzw. der Verdampfer im stabilen Bereich arbeitet) , beispielsweise durch Auswerten des Gradienten des Temperaturverlaufs am Ausgang des
Verdampfers . Wenn eine Instabilität erkannt wird, kann eine Ausgleichsregelung der Anlage (entsprechendes Stellen des Expansionsventils) erfolgen und der entsprechende Wert der virtuellen MSS-Kennlinie wird mit dem tatsächlichen Wert des Übergangs in den instabilen Bereich überschrieben werden .
Dadurch kann beispielsweise ein verbesserter Wirkungsgrad bei geringerem Anlagenverschleiß erreicht werden.
Ein Verfahren für die Steuerung und Regelung der
Überhitzungstemperatur eines Kältemittels in einer
Verdampfungseinrichtung im Kreislauf eines Anlagensystems einer Wärmepumpe oder Kühlanlage, ist dadurch
gekennzeichnet, dass für die Sollwert-Bestimmung für die Regelgröße eine virtuelle Energiestrom-Bilanz gebildet wird, wobei die virtuelle Energiestrom-Bilanz derart gebildet wird, dass sich die virtuelle Energiestrom-Bilanz in allen Arbeitpunkten der Wärmepumpe oder Kühlanlage näherungsweise proportional zur realen Energiestrom-Bilanz verhält, indem eine virtuelle Wärmeleistung der
Verdampfungseinrichtung bestimmt wird, die funktionell abhängig ist von den bekannten Größen
Überhitzungstemperatur, spezifische Wärmekapazität des Kältemittels und spezifische Enthalpie im Sattdampfzustand, Hub des Expansionsventils und einem Korrekturfaktor, welcher für jeden Arbeitspunkt des Expansionsventils gebildet wird.