EP1497597B1

EP1497597B1 - Verfahren zum entdecken von änderungen in einem ersten medienstrom eines wärme-oder kältetransportmediums in einer kälteanlage

Info

Publication number: EP1497597B1
Application number: EP03746812A
Authority: EP
Inventors: Claus Thybo; Bjarne Dindler Rasmussen; Roozbeh Izadi-Zamanabad
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2002-04-22
Filing date: 2003-04-12
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2023-04-12
Also published as: US20050172647A1; WO2003089854A1; ATE343108T1; DE10217975B4; EP1497597A1; DE10217975A1; JP2005533230A; AU2003226943A1; DK1497597T3; US7685830B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entdecken von Änderungen in einem ersten Medienstrom eines Wärme- oder Kältetransportmediums in einer Kälteanlage, in der der erste Medienstrom durch einen Wärmetauscher geführt wird, in dem ein Wärmeübergang zwischen dem ersten Medienstrom und einem zweiten Medienstrom eines Wärme- oder Kälteträgers erfolgt.
Die US 6,128,910 beschreibt ein Verfahren zur Diagnostisierung einer Kälteanlage zum Kühlen von Luft. Bei dem Verfahren werden physikalische Grössen der Luft, die einem Värmetauscher der Anlage passiert, mit einer Fühleranordnung (48), die Teil einer Messeinheit (44) ist, gemessen. Die gemessenen Grössen sind: Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Volumenstrom der Luft. Anhand der Lufttemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit wird die Enthalpieänderung der Luft bei Passage des Wärmetauschers bestimmt. Die Änderung wird, zusammen mit dem Volumenstrom, benutzt um verringerte Luftdurchströmung, verringerte Wärmeübertragung, sowie verringerter SHR festzustellen. Anhand zusätzlicher Messungen der Kältemitteltemperatur in der Saugleitung sowie der Temperatur des flüssigen Kältemittels zwischen Verflüssiger und Expansionsventil, kann die Kältemittelfüllung untersucht werden.
Um die Erfindung zu erläutern, wird nachfolgend eine Verkaufskühltruhe als Beispiel für eine Kälteanlage gewählt. Sie ist aber auch bei anderen Kälteanlagen anwendbar. Bei einer Verkaufskühltruhe, wie sie beispielsweise in Supermärkten verwendet wird, um gekühlte oder gefrorene Produkte zum Verkauf bereitzuhalten, zirkuliert ein Luftstrom, der den ersten Medienstrom bildet, in einem Luftkanal, in dem ein Verdampfer angeordnet ist. Der Verdampfer ist ein Wärmetauscher, dem auf einer Seite ein Kältemittel, also der zweite Medienstrom, in einem flüssigen oder zweiphasigen Zustand (gasförmig und flüssig) zugeführt wird. Wenn die Luft auf der anderen Seite über den Verdampfer geführt wird, erfolgt ein Wärmeübergang von der Luft auf das Kältemittel und die Luft wird gekühlt. Ein anderes Beispiel für einen Wärmetauscher ist der Kondensator, über den Luft geführt wird, um das Kältemittel zu verflüssigen. Dabei wird dem Kältemittel Wärme entzogen.
Man möchte bei einer derartigen Kälteanlage mit einer gewissen Zuverlässigkeit feststellen können, ob der Luftstrom in einem ausreichenden Maße zirkulieren kann, d.h., man möchte feststellen, ob Störungen aufgetreten sind. Derartige Störungen können beispielsweise dadurch verursacht werden, daß ein Ventilator ausfällt, daß der Verdampfer vereist, daß sich Verschmutzungen im Luftkanal festsetzen oder Gegenstände, wie Verkaufsschilder oder Waren, den Luftkanal versperren und den Strömungswiderstand für die Luftmenge vergrößern und dadurch den Luftstrom behindern.
Eine derartige Fehlererkennung sollte möglichst erfolgen, bevor die Kühlleistung der Kälteanlage zu stark abgenommen hat. Wenn ein Fehler sich erst bei einer Temperaturerhöhung erkennen läßt, kann es für die gekühlten oder gefrorenen Produkte bereits zu spät sein, d.h. es besteht das Risiko, daß diese Produkte verderben. In vielen Fällen bedeutet eine Störung des Luftstroms aber bereits lange vor einer Beschädigung der gekühlten Produkte, daß die Kälteanlage nicht in ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben wird. Wenn also ein Fehler aufgetreten ist, können einzelne Komponenten der Kälteanlage öfter belastet werden, was ihre Lebensdauer herabsetzt. Dies läßt sich problemlos am Beispiel von Ventilatoren nachvollziehen. Wenn einer von mehreren Ventilatoren ausfällt, können der oder die übrigen Ventilatoren nach wie vor noch den zur Erzeugung der Kälteleistung erforderlichen Luftstrom durch die Kälteanlage treiben. Die verbleibenden Ventilatoren werden aber öfter belastet. Neben einer Verringerung der Lebensdauer der Komponenten, beispielsweise der Ventilatoren, hat ein Fehler den Nachteil eines erhöhten Energieverbrauchs. Die Kälteanlage wird nicht in ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben. Auch aus diesem Grunde ist die Erkennung von Fehlern wichtig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Änderungen im ersten Medienstrom möglichst früh erkennen zu können.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß man zur Überwachung des durch den Wärmetauscher strömenden ersten Medienstromes die Änderung der Enthalpie des zweiten Medienstromes oder eine davon abgeleitete Größe ermittelt.
Wenn der erste Medienstrom durch einen Luftstrom gebildet ist, ist die Ermittlung der Masse der durchströmenden Luft durch eine Messung des Luftstromes selbst relativ schwierig. Eine derartige Messung würde im übrigen den Luftstrom auch behindern, was unerwünscht ist. Man wählt daher einen anderen Weg: man geht davon aus, daß der Luftstrom eine gewisse Wärmemenge transportiert und damit einen gewissen Energieinhalt hat. Der Energieinhalt läßt sich auch als Enthalpie bezeichnen. Diese Wärmemenge wird im Wärmetauscher an das Kältemittel abgegeben (oder im Falle des Kondensators vom Kältemittel abgegeben). Wenn man nun diese Wärmemenge erfassen kann, dann hat man eine Aussage darüber, wie viel Luft durch den Verdampfer, d.h. den Wärmetauscher geführt wird. Diese Aussage reicht aus, um zu erkennen, ob ein Fehler aufgetreten ist oder nicht. Die von der Luft abgegebene Wärme pro Zeit entspricht der vom Kältemittel aufgenommenen Wärme pro Zeit. Dieses Gleichgewicht ist die Grundlage des Verfahrens zur Entdeckung eines verringerten Luftstromes im Kanal. Man kann diese tatsächliche Luftmenge beispielsweise mit einem Sollwert vergleichen. Wenn dieser Istwert nicht mit dem Sollwert übereinstimmt, wird dies als eine Verringerung des Luftstromes interpretiert und man kann beispielsweise einen Fehler anzeigen. Diese Fehleranzeige kann in einem relativ frühen Stadium erfolgen, also lange bevor eine starke Überlastung der Kälteanlage aufgetreten ist oder sogar eine unerwünschte Temperaturerhöhung eingetreten ist. Die gleiche Vorgehensweise gilt natürlich auch dann, wenn anstelle von Luft ein anderes Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit oder eine Sole, als erster Medienstrom verwendet wird.
Vorzugsweise ermittelt man zur Bestimmung der Änderung der Enthalpie des zweiten Medienstromes einen Massenstrom und eine spezifische Enthalpiedifferenz des zweiten Medienstromes über den Wärmetauscher. Die spezifische Enthalpie eines Kältemittels ist eine Stoff- und Zustandseigenschaft und variiert von Kältemittel zu Kältemittel, oder allgemeiner, von zweitem Medienstrom zu zweitem Medienstrom. Die spezifische Enthalpie ist die Enthalpie pro Masse. Da aber bekannt ist, welches Kältemittel verwendet wird, läßt sich anhand von gemessenen Größen, wie Temperaturen, Drücken oder ähnlichem, die spezifische Enthalpie des zweiten Medienstromes vor und nach dem Wärmetauscher feststellen. Daraus läßt sich eine spezifische Enthalpiedifferenz bilden, die gemeinsam mit dem Massenstrom eine Aussage über die Enthalpie erlaubt.
Hierbei ist besonders bevorzugt, daß man zur Bestimmung der spezifischen Enthalpiedifferenz des zweiten Medienstromes am Eingang des Expansionsventils die Temperatur und den Druck des zweiten Medienstromes und am Ausgang des Wärmetauschers die Temperatur des zweiten Medienstromes und entweder den Druck am Ausgang des Wärmetauschers oder die Siedetemperatur des zweiten Medienstromes am Eingang des Wärmetauschers ermittelt. Die Sensoren zur Ermittlung der Temperatur und des Drucks des zweiten Medienstromes, hier des Kältemittels, sind in den meisten Fällen ohnehin vorhanden. Sie werden benötigt, um die Kälteanlage entsprechend steuern zu können. Man kann den Druck des Kältemittels auch am Eingang messen und daraus den Druck am Ausgang des Wärmetauschers ermitteln, indem man den Druckabfall im Verdampfer berücksichtigt. Anhand der gemessenen oder berechneten Werte kann man dann mit Hilfe von Diagrammen, die von den Kältemittelherstellern zur Verfügung gestellt werden (sogenannte Log p, h-Diagramme) die spezifische Enthalpie bestimmen. In vielen Fällen kann dies auch automatisch erfolgen, wenn die entsprechenden Beziehungen in Tabellen abgelegt sind oder über Zustandsgleichungen zur Verfügung stehen.
Vorzugsweise ermittelt man auch eine spezifische Enthalpiedifferenz des ersten Medienstromes über den Wärmetauscher. Die spezifische Enthalpiedifferenz des ersten Medienstromes erlaubt es, auf relativ einfache Weise die Masse pro Zeit des ersten Medienstromes, z.B. der Luft, zu berechnen, wie weiter unten gezeigt werden wird.
Bevorzugterweise bestimmt man den zweiten Medienstrom aus einer Druckdifferenz über und dem Öffnungsgrad eines Expansionsventils. Wenn es sich um ein pulsbreitenmoduliertes Expansionsventil handelt, dann wird der Öffnungsgrad durch die Öffnungsdauer bzw. das Tastverhältnis ersetzt. Der Massenstrom des zweiten Medienstromes, z.B. des Kältemittels, ist dann proportional der Druckdifferenz und der Öffnungsdauer. Der Kältemittelstrom läßt sich auf diese Weise relativ einfach ermitteln. Die Unterkühlung des Kältemittels ist allerdings in machen Fällen so groß, daß es notwendig ist, auch die Unterkühlung zu messen, weil der Kältemittelstrom, d.h. der zweite Medienstrom, durch das Expansionsventil von der Unterkühlung beeinflußt wird. In vielen Fällen braucht man aber nur die Druckdifferenz und den Öffnungsgrad des Ventils zu kennen, weil die Unterkühlung eine feste Größe der Kälteanlage ist, die dann in einer Ventilcharakteristik oder in einer Proportionalitätskonstante berücksichtigt werden kann. Mit "Öffnungsgrad" kann auch die Öffnungsdauer bei pulsbreitenmodulierten Ventilen verstanden werden, d.h. das Tastverhältnis.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann man den zweiten Medienstrom auch aus Betriebsdaten und einer Differenz der absoluten Drücke über einen Verdichter zusammen mit der Temperatur des zweiten Medienstromes am Verdichtereingang ermitteln. Bei den Betriebsdaten handelt es sich beispielsweise um die Drehzahl des Verdichters, die zusammen mit dem Druck über den Verdichter eine Aussage über die Kältemittelmenge erlaubt. Hierzu ist lediglich die Kenntnis der Verdichtereigenschaften erforderlich.
Bevorzugterweise ermittelt man den ersten Medienstrom aus dem zweiten Medienstrom und einem Quotienten aus der spezifischen Enthalpiedifferenz des zweiten Medienstromes und der spezifischen Enthalpiedifferenz des ersten Medienstromes über den Wärmetauscher. Wie oben erläutert, geht man davon aus, daß zwischen der Wärmemenge, die von der Luft an das Kältemittel übertragen wird, und der Wärmemenge, die vom Kältemittel aus der Luft aufgenommen wird, ein Gleichgewicht besteht, d.h. beide Größen stimmen überein. Vereinfacht ausgedrückt ist die Wärmemenge der Luft das Produkt aus dem Massenstrom der Luft durch den Wärmetauscher und der spezifischen Enthalpiedifferenz der Luft über den Wärmetauscher. Die Wärmemenge des Kältemittels ist das Produkt aus dem Kältemittelstrom, d.h. Masse des Kältemittels pro Zeit, durch den Wärmetauscher und der spezifischen Enthalpiedifferenz über den Wärmetauscher. Durch einen einfachen Dreisatz läßt sich dann der Massenstrom der Luft (oder allgemeiner: des ersten Medienstromes) durch den Wärmetauscher bestimmen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß man den ersten Medienstrom mit einem Sollwert vergleicht. Wenn der tatsächlich ermittelte, d.h. aus den oben angegebenen Größen berechnete erste Medienstrom nicht mit dem Sollwert übereinstimmt, kann eine Fehlermeldung erzeugt werden.
In einer Alternative ist hingegen vorgesehen, daß man ein Residuum als Differenz aus einer ersten Größe, die aus einem vorgegebenen Massenstrom des ersten Medienstromes und der spezifischen Enthalpiedifferenz gebildet wird, und einer zweiten Größe bildet, die der Änderung der Enthalpie des zweiten Medienstromes entspricht, und das Residuum überwacht. Diese Vorgehensweise erleichtert die Auswertung der ermittelten Signale. Aufgrund der Trägheit der einzelnen Sensoren, die Temperaturen, Drücke und Massendurchfluß ermitteln, ist es möglich, daß man in dem Signal, das den ersten Medienstrom, z.B. den Luftmassenstrom, wiedergibt, erhebliche Schwankungen beobachten kann. Diese Schwankungen haben bezogen auf die "Trägheit" der Kälteanlage eine relativ hohe Frequenz. Es ist also schwierig, in einem derartig "hochfrequenten" Signal einen Trend zu erkennen, der auf einen Fehler hindeutet. Wenn man aus dem Luftmassensignal hingegen ein Residuum gewinnt, dann ist die Überwachung des Residuums wesentlich einfacher und erlaubt eine ausreichende Überwachung des Luftmassenstromes.
Hierbei ist besonders bevorzugt, daß man als vorgegebenen Massenstrom des ersten Medienstromes einen Mittelwert über einen vorbestimmten Zeitraum verwendet. Man geht dabei davon aus, daß man den Massenstrom in einem "fehlerfreien" Betrieb ermittelt. Wenn sich dann im Betrieb Abweichungen von diesem vorher ermittelten Massenstrom ergeben, die über einen vorbestimmten kürzeren oder längeren Zeitraum anhalten, dann ist dies ein Zeichen für einen Fehler.
Vorzugsweise bildet man mit Hilfe des Residuums einen Fehlerindikator S_i nach folgender Vorschrift: $S_{i} = {\begin{cases} S_{i - 1} + s_{i}, wenn S_{i - 1} + s_{i} > 0 \\ 0, wenn S_{i - 1} + s_{i} \leq 0 \end{cases}$

wobei s_i nach der folgenden Vorschrift berechnet wird: $s_{i} = k_{1} (r_{i} - \frac{μ_{0} + μ_{1}}{2})$
worin

i: Index eines Abtastzeitpunkts
r_i: Residuum
k₁: Proportionalitätskonstante
µ ₀: erster Zuverlässigkeits-Wert
µ ₁: zweiter Zuverlässigkeits-Wert.

Der erste Zuverlässigkeits-Wert wird in den meisten Fällen auf Null gesetzt. Der zweite Zuverlässigkeits-Wert µ₁ bildet ein Kriterium dafür, wie oft man einen falschen Alarm akzeptieren muß. Wenn man weniger falsche Alarme haben möchte, muß man eine spätere Entdeckung eines Fehlers in Kauf nehmen. Wenn die Luftzirkulation eingeschränkt wird, weil beispielsweise ein Gebläse nicht länger läuft, dann wird der Fehlerindikator mit der Zeit größer werden, weil die periodisch ermittelten Werte des Residuums r_i im Durchschnitt größer als Null werden. Wenn der Fehlerindikator S_i eine vorbestimmte Größe erreicht hat, dann wird ein Alarm ausgelöst, der anzeigt, daß ein Fehler aufgetreten ist. Der zweite Zuverlässigkeits-Wert ist ein Erfahrungswert, der allerdings vom Hersteller vorgegeben werden kann.
Vorzugsweise leitet man bei Entdecken einer vorbestimmten Änderung einen Abtauvorgang ein. Beispielsweise kann man den Abtauvorgang einleiten, wenn der Fehlerindikator einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet. Mit dem Verfahren lassen sich Abtauvorgänge dann einleiten, wenn sie notwendig sind, die Vereisung des Verdampfers aber noch keine negativen Auswirkungen zeigt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1: eine schematische Ansicht einer Kälteanlage,
Fig. 2: eine schematische Ansicht mit der Darstellung von Größen um einen Wärmetauscher,
Fig. 3: die Darstellung eines Residuums in einem ersten Fehlerfall,
Fig. 4: den Verlauf eines Fehlerindikators für den ersten Fehlerfall,
Fig. 5: den Verlauf des Residuums für einen zweiten Fehlerfall und
Fig. 6: die Darstellung des Fehlerindikators für den zweiten Fehlerfall.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Kälteanlage 1 in Form einer Verkaufskühltruhe, wie sie beispielsweise in Supermärkten zum Verkaufen von gekühlten oder gefrorenen Lebensmitteln verwendet wird. Die Kälteanlage 1 weist einen Vorratsraum 2 auf, in dem die Lebensmittel gelagert werden. Ein Luftkanal 3 ist um den Vorratsraum 2 herumgeführt, d.h. er befindet sich an beiden Seiten und unterhalb des Vorratsraums 2. Ein Luftstrom 4, der durch Pfeile dargestellt ist, gelangt nach dem Durchlaufen des Luftkanals 3 in eine Kühlzone 5 oberhalb des Vorratsraums 2. Die Luft wird dann wieder zum Eingang des Luftkanals 3 geführt, wo sich eine Mischzone 6 befindet. In der Mischzone wird der Luftstrom 4 mit Umgebungsluft vermischt. Dabei wird z.B. die gekühlte Luft ersetzt, die in den Vorratsraum 2 gelangt ist oder sonstwie in die Umgebung verschwunden ist.
Im Luftkanal 3 ist eine Gebläseanordnung 7 angeordnet, die durch einen oder mehrere Ventilatoren gebildet sein kann. Die Gebläseanordnung 7 sorgt dafür, daß der Luftstrom 4 im Luftkanal 3 bewegt werden kann. Für die nachfolgende Beschreibung wird davon ausgegangen, daß die Gebläseanordnung 7 den Luftstrom 4 so antreibt, daß die Masse der Luft pro Zeit, die durch den Luftkanal 3 bewegt wird, konstant ist, solange die Gebläseanordnung 7 läuft und die Anlage fehlerfrei arbeitet.
Im Luftkanal 3 ist ein Verdampfer 8 eines Kältemittelkreislaufs angeordnet. Dem Verdampfer 8 wird durch ein Expansionsventil 9 Kältemittel aus einem Kondensator oder Verflüssiger 10 zugeführt. Der Kondensator 10 wird durch einen Verdichter oder Kompressor 11 versorgt, dessen Eingang wiederum mit dem Verdampfer 8 verbunden ist, so daß das Kältemittel in an sich bekannter Weise im Kreis geführt wird. Der Kondensator 10 ist mit einem Gebläse 12 versehen, mit dessen Hilfe Luft aus der Umgebung über den Kondensator 10 geblasen werden kann, um dort Wärme abzuführen.
Die Arbeitsweise eines derartigen Kältemittelkreislaufs ist an sich bekannt. In der Anlage zirkuliert ein Kältemittel. Das Kältemittel verläßt den Verdichter 11 als Gas unter hohem Druck und mit hoher Temperatur. Im Kondensator 10 wird das Kältemittel verflüssigt, wobei es Wärme abgibt. Nach der Verflüssigung passiert das Kältemittel das Expansionsventil 9, wo es entspannt wird. Nach der Entspannung ist das Kältemittel zweiphasig, d.h. flüssig und gasförmig. Das zweiphasige Kältemittel wird dem Verdampfer 8 zugeführt. Die flüssige Phase verdampft dort unter Wärmeaufnahme, wobei die Wärme aus dem Luftstrom 4 entnommen wird. Nachdem das restliche Kältemittel verdampft ist, wird das Kältemittel noch leicht erwärmt und kommt als überhitztes Gas aus dem Verdampfer 8 heraus. Danach wird es dem Verdichter 11 wieder zugeführt und dort verdichtet.
Man möchte nun überwachen, ob der Luftstrom 4 ungestört durch den Luftkanal 3 hindurchströmen kann. Störungen können sich beispielsweise dadurch ergeben, daß die Gebläseanordnung 7 einen Defekt aufweist und nicht mehr genügend Luft fördert. Beispielsweise kann von einer Gebläseeinheit mit mehreren Gebläsen eines ausfallen. Die übrigen Gebläse können dann zwar noch eine gewisse Luftmenge durch den Luftkanal 3 fördern, so daß die Temperatur im Vorratsraum 2 nicht über einen erlaubten Wert hinaus ansteigt. Dadurch wird aber die Kälteanlage stark belastet, was Spätschäden nach sich ziehen kann. Beispielsweise werden Elemente der Kälteanlage, wie Ventilatoren, öfter in Betrieb genommen. Ein anderer Fehlerfall ist beispielsweise die Vereisung des Verdampfers durch Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft, die sich am Verdampfer niederschlägt.
Mit anderen Worten möchte man also in der Lage sein, die Luftmenge pro Zeit, die durch den Luftkanal 3 strömt, permanent zu überwachen. Die Überwachung kann dabei durchaus getaktet erfolgen, also in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, die beispielsweise zeitlich einen Abstand in der Größenordnung von einer Minute aufweisen. Allerdings ist die Ermittlung der Masse pro Zeit des Luftstromes 4 mit normalen Meßvorrichtungen relativ aufwendig. Man verwendet daher eine indirekte Messung, indem man den Wärmeinhalt des Kältemittels, den das Kältemittel im Verdampfer 8 aufgenommen hat, ermittelt.
Dabei legt man folgende Überlegung zugrunde: die zum Verdampfen des Kältemittels benötigte Wärme wird im Verdampfer 8, der als Wärmetauscher wirkt, von der Luft aufgenommen. Dementsprechend gilt folgende Gleichung: ${\overset{•}{Q}}_{Air} = {\overset{•}{Q}}_{Ref}$

wobei Q̇ _Air die von der Luft tatsächlich entnommene Wärme pro Zeit und Q̇ _Ref die vom Kältemittel aufgenommene Wärme pro Zeit ist. Mit dieser Gleichung kann man den Istwert für den Massenstrom, d.h. die Masse pro Zeit, für die durch den Luftkanal 3 strömende Luft bestimmen, wenn man die vom Kältemittel aufgenommene Wärme bestimmen kann. Den tatsächlichen Massenstrom der Luft kann man dann mit einem Sollwert vergleichen. Wenn der Istwert nicht mit dem Sollwert übereinstimmt, wird dies als ein Fehler interpretiert, d.h. als ein behinderter Luftstrom 4. Eine entsprechende Fehlermeldung für die Anlage kann ausgegeben werden.
Die Grundlage für die Bestimmung von Q̇ _Ref ist die folgende Gleichung: ${\overset{•}{Q}}_{Ref} = {\overset{•}{m}}_{Ref} (h_{Ref, out} - h_{Ref, in})$

wobei ṁ _Ref die Kältemittelmasse pro Zeit ist, die durch den Verdampfer strömt, h_Ref,out ist die spezifische Enthalpie des Kältemittels am Verdampferaustritt und h_Ref,in ist die spezifische Enthalpie am Expansionsventileintritt.
Die spezifische Enthalpie eines Kältemittels ist eine Stoff- und Zustandseigenschaft, die von Kältemittel zu Kältemittel variiert, für jedes Kältemittel aber bestimmbar ist. Die Kältemittelhersteller stellen daher sogenannte Log p, h-Diagramme für jedes Kältemittel bereit. Anhand dieser Diagramme kann die spezifische Enthalpiedifferenz über den Verdampfer 8 bestimmt werden. Um beispielsweise h_Ref,in mit einem solchen Log p, h-Diagramm zu bestimmen, braucht man nur die Temperatur des Kältemittels am Expansionsventileingang (T_Ref,in) und den Druck am Expansionsventileingang (P_Con). Diese Größen können mit Hilfe von einem Temperaturfühler oder einem Drucksensor gemessen werden. Die Meßstellen sind in Fig. 2 schematisch dargestellt.
Um die spezifische Enthalpie am Verdampferaustritt zu bestimmen, braucht man zwei Meßwerte: die Temperatur am Verdampferaustritt (T_Ref,out) und entweder den Druck am Austritt (P_Ref,out) oder die Siedetemperatur (T_Ref,in). Die Temperatur am Austritt (T_Ref,out) kann mit einem Temperaturfühler gemessen werden. Der Druck am Ausgang des Verdampfers 8 (P_Ref,out) kann mit einem Drucksensor gemessen werden.
Anstelle der Log p, h-Diagramme kann man natürlich auch Tabellenwerte verwenden, was die Berechnung mit Hilfe eines Prozessors vereinfacht. In vielen Fällen stellen die Kältemittelhersteller auch Zustandsgleichungen für die Kältemittel zu Verfügung.
Der Massendurchfluß des Kältemittels (ṁ _Ref) kann entweder mit einem Durchflußmesser bestimmt werden. Bei Anlagen mit elektronisch gesteuerten Expansionsventilen, die pulsbreitenmoduliert betrieben werden, ist es möglich, über den Öffnungsgrad oder die Öffnungsdauer den Massendurchfluß ṁ _Ref zu bestimmen, wenn die Druckdifferenz über das Ventil und die Unterkühlung am Eingang des Expansionsventils 10 (T_Vin) bekannt ist. Bei den meisten Anlagen ist dies der Fall, weil man Drucksensoren zur Verfügung hat, die den Druck im Verflüssiger 10 messen. Die Unterkühlung ist in vielen Fällen konstant und abschätzbar und braucht deshalb nicht gemessen zu werden. Der Massendurchfluß m _Ref durch das Expansionsventil 9 kann dann mit Hilfe einer Ventilcharakteristik, der Druckdifferenz, der Unterkühlung und dem Öffnungsgrad bzw. der Öffnungsdauer berechnet werden. Bei vielen pulsbreitenmodulierten Expansionsventilen 9 hat es sich gezeigt, daß der Durchfluß m _Ref annähernd proportional zu der Druckdifferenz und der Öffnungsdauer ist. In diesem Fall kann man den Durchfluß nach folgender Gleichung bestimmen: ${\overset{•}{m}}_{Ref} = k_{Exp} \cdot (P_{Con} - P_{Ref, out}) \cdot O D$

wobei P_Con der Druck im Verflüssiger 10, P_Ref,out der Druck im Verdampfer, OD die Öffnungsdauer und k_Exp eine Proportionalitätskonstante ist, die vom Ventil abhängt. In manchen Fällen ist die Unterkühlung des Kältemittels so groß, daß es notwendig ist, die Unterkühlung zu messen, weil der Kältemittelstrom durch das Expansionsventil von der Unterkühlung beeinflußt wird. In vielen Fällen benötigt man aber nur die Druckdifferenz und den Öffnungsgrad des Ventils, weil die Unterkühlung eine feste Größe der Kälteanlage ist, die dann in einer Ventilcharakteristik oder in einer Proportionalitätskonstante berücksichtigt werden kann. Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung des Massendurchflusses ṁ _Ref besteht darin, Größen vom Verdichter 11 auszuwerten, beispielsweise die Drehzahl des Verdichters, den Druck am Verdichtereintritt und -austritt, die Temperatur am Verdichtereintritt und eine Verdichtercharakteristik.
Für die tatsächlich aus der Luft entnommene Wärme pro Zeit Q̇ _Air kann prinzipiell dieselbe Gleichung verwendet werden wie für die Wärme pro Zeit, die das Kältemittel abgibt. ${\overset{•}{Q}}_{Air} = {\overset{•}{m}}_{Air} (h_{Air, in} - h_{Air, out})$

wobei ṁ _Air den Massendurchfluß von Luft, h_Air,in die spezifische Enthalpie der Luft vor dem Verdampfer und h_Air,out die spezifische Enthalpie der Luft nach dem Verdampfer bezeichnet.
Die spezifische Enthalpie der Luft kann mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnet werden: $h_{Air} = 1, 006 \cdot t + x (2501 + 1, 8 \cdot t), [h] = kJ / kg$

wobei t die Temperatur der Luft ist, also T_Eva,in vor dem Verdampfer und T_EVa,out hinter dem Verdampfer. "x" wird als Feuchtigkeitsverhältnis der Luft bezeichnet. Das Feuchtigkeitsverhältnis der Luft kann durch folgende Gleichung berechnet werden: $x = 0, 62198 \cdot \frac{p_{W}}{p_{Amb} - p_{W}}$
Hier ist p_w der Partialdruck des Wasserdampfes in der Luft und p_Amb ist der Druck der Luft. p_Amb kann entweder gemessen werden oder man verwendet für diese Größe einfach einen Standard-Atmosphärendruck. Die Abweichung des tatsächlichen Drucks vom Standard-Atmosphärendruck spielt keine signifikante Rolle bei der Berechnung der von der Luft abgegebenen Wärmemenge pro Zeit. Der Partialdruck des Wasserdampfes ist durch die relative Feuchtigkeit der Luft und den Partialdruck des Wasserdampfes in gesättigter Luft bestimmt und kann anhand der folgenden Gleichung berechnet werden: $p_{W} = p_{W, Sat} \cdot R H$
Hierbei ist RH die relative Luftfeuchtigkeit und Pw,sat der Partialdruck des Wasserdampfes in gesättigter Luft. P_w,sat hängt allein von der Lufttemperatur ab und kann in thermodynamischen Nachschlagewerken gefunden werden. Die relative Luftfeuchtigkeit RH kann gemessen werden oder man verwendet bei der Berechnung typische Werte.
Wenn man die Gleichungen (2) und (4) gleichsetzt, wie in Gleichung (1) vorausgesetzt, dann ergibt sich ${\overset{•}{m}}_{Ref} (h_{Ref, out} - h_{Ref, in}) = {\overset{•}{m}}_{Air} (h_{Air, in} - h_{Air, out})$
Daraus kann der tatsächliche Luftmassendurchfluß ṁ _Air gefunden werden, indem man ṁ _Air isoliert: ${\overset{•}{m}}_{Air} = {\overset{•}{m}}_{Ref} \frac{(h_{Ref, out} - h_{Ref, in})}{(h_{Air, in} - h_{Air, out})}$
Dieser Istwert für den Luftmassendurchfluß ṁ _Air kann dann mit einem Sollwert verglichen werden und bei wesentlichen Unterschieden zwischen dem Istwert und dem Sollwert kann der Betreiber der Kälteanlage durch eine Fehlermeldung darauf aufmerksam gemacht werden, daß die Anlage nicht optimal läuft.
In vielen Fällen empfiehlt es sich, den Sollwert für den Luftstrom in einer Anlage zu ermitteln. Beispielsweise kann dieser Sollwert als Durchschnittswert über einen gewissen Zeitraum ermittelt werden, in dem die Anlage unter stabilen und fehlerfreien Betriebsbedingungen läuft. Ein derartiger Zeitraum kann beispielsweise 100 Minuten betragen.
Eine gewisse Schwierigkeit ergibt sich allerdings dadurch, daß die von den einzelnen Sensoren (Thermometer, Drucksensoren) abgegebenen Signale erheblichen Schwankungen unterworfen sind. Diese Schwankungen können durchaus gegenläufig sein, so daß man für die Größe ṁ _Air ein Signal erhält, das gewisse Schwierigkeiten bei der Auswertung bietet. Diese Schwankungen sind ein Resultat der dynamischen Verhältnisse im Kühlsystem. Deswegen kann es günstig sein, anstelle der Gleichung (9) in regelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise einmal pro Minute, eine Größe zu berechnen, die nachfolgend als "Residuum" bezeichnet wird: $r = {\overline{\overset{•}{m}}}_{Air} (h_{Air, in} - h_{Air, out}) - {\overset{•}{m}}_{Ref} (h_{Ref, out} - h_{Ref, in})$
${\overline{\overset{•}{m}}}_{Air}$
ist ein geschätzter Wert für den Luftmassendurchfluß bei fehlerlosen Betriebsbedingungen. Anstelle einer Schätzung kann man auch einen Wert verwenden, der sich als Mittelwert über einen gewissen Zeitraum aus Gleichung (9) bei fehlerfreien Betriebsbedingungen ermittelt.
Bei einer Anlage, die fehlerfrei läuft, sollte das Residuum r einen Durchschnittswert von Null geben, obwohl es tatsächlich erheblichen Schwankungen unterliegt. Um einen Fehler, der sich durch eine Tendenz des Residuums auszeichnet, frühzeitig erkennen zu können, nimmt man an, daß der ermittelte Wert für das Residuum r normalverteilt um einen Durchschnittswert ist und zwar unabhängig davon, ob die Anlage fehlerlos arbeitet oder ein Fehler aufgetreten ist. Man berechnet dann einen Fehlerindikator S_i nach folgender Beziehung: $S_{i} = {\begin{cases} S_{i - 1} + s_{i}, wenn S_{i - 1} + s_{i} > 0 \\ 0, wenn S_{i - 1} + s_{i} \leq 0 \end{cases}$
wo s_i mit der folgenden Gleichung berechnet werden kann: $s_{i} = k_{1} (r_{i} - \frac{μ_{0} + μ_{1}}{2})$
Hierbei ist natürlich vorausgesetzt, daß der Fehlerindikator S_i, d.h. zum ersten Zeitpunkt, auf Null gesetzt worden ist. Zu einem späteren Zeitpunkt verwendet man s_i aus der Gleichung (12) und bildet die Summe aus diesem Wert mit dem Fehlerindikator S_i aus einem früheren Zeitpunkt. Wenn diese Summe größer Null ist, wird der Fehlerindikator auf diesen neuen Wert gesetzt. Wenn diese Summe gleich oder kleiner als Null ist, wird der Fehlerindikator auf Null gesetzt. In Gleichung (12) ist k₁ eine Proportionalitätskonstante. µ₀ kann im einfachsten Fall auf den Wert Null gesetzt werden. µ₁ ist ein geschätzter Wert, der sich beispielsweise dadurch ermitteln läßt, daß man einen Fehler erzeugt und den Durchschnittswert des Residuums r bei diesem Fehler ermittelt. Der Wert µ ₁ ist ein Kriterium dafür, wie oft man einen falschen Alarm akzeptieren muß. Die beiden µ-Werte werden deswegen auch als Zuverlässigkeits-Werte bezeichnet.
Wenn beispielsweise ein Fehler dadurch auftritt, daß ein Gebläse aus der Gebläseanordnung 7 nicht läuft, dann wird der Fehlerindikator S_i größer werden, weil die periodisch ermittelten Werte des Residuums r_i im Durchschnitt größer als Null werden. Wenn der Fehlerindikator eine vorbestimmte Größe erreicht hat, dann wird ein Alarm ausgelöst, der anzeigt, daß die Luftzirkulation eingeschränkt ist. Wenn man µ ₁ größer macht, bekommt man zwar weniger Fehlalarme, riskiert aber auch ein späteres Entdecken eines Fehlers.
Die Wirkungsweise der Filterung nach Gleichung (11) soll anhand der Fig. 3 und 4 erläutert werden. In Fig. 3 ist nach rechts die Zeit in Minuten und nach oben das Residuum r aufgetragen. Zwischen t = 510 und t = 644 Minuten ist ein Gebläse der Gebläseanordnung 7 ausgefallen. Dies äußert sich in einem erhöhten Wert des Residuums r. Diese Erhöhung ist zwar anhand von Fig. 3 bereits zu erkennen. Eine bessere Erkennungsmöglichkeit ergibt sich jedoch, wenn man den Fehlerindikator S_i betrachtet, dessen Verlauf in Fig. 4 dargestellt ist. Hier ist der Fehlerindikator S_i nach oben und die Zeit t in Minuten nach rechts aufgetragen. Der Fehlerindikator steigt also in der Zeit zwischen t = 510 Minuten und t = 644 Minuten kontinuierlich an. Man kann beispielsweise beim Überschreiten des Wertes S_i von 0,2 x 10⁸ einen Alarm auslösen.
In der Zeit zwischen t = 700 und t = 824 Minuten wird ebenfalls ein Gebläse der Gebläseanordnung 7 stillgesetzt. Der Fehlerindikator S_i steigt weiter an. Zwischen diesen beiden Störungszuständen waren wieder beide Gebläse aktiv. Der Fehlerindikator S_i wird also verringert, geht aber nicht auf Null zurück. Der Fehlerindikator S_i wird im Fehlerfall zuverlässig erhöht. In der Zeit von 0 bis 510 Minuten bewegt sich der Fehlerindikator S_i in der Gegend des Nullpunkts. Der Fehlerindikator S_i würde auf Null zurückgehen, wenn die Anlage lange genug fehlerfrei läuft. In der Praxis wird man allerdings den Fehlerindikator S_i auf Null setzen, wenn ein Fehler behoben worden ist.
Die Fig. 5 und 6 zeigen die Entwicklung des Residuums r und die Entwicklung des Fehlerindikators S_i in dem Fall, wo der Verdampfer 8 langsam vereist. Hierbei ist in Fig. 5 das Residuum r und in Fig. 6 der Fehlerindikator S_i nach oben aufgetragen, während die Zeit t nach rechts in Minuten aufgetragen ist.
In Fig. 5 ist zu erkennen, daß der Mittelwert des Residuums r allmählich ansteigt. Es ist allerdings ebenfalls zu erkennen, daß dieser Anstieg mit der für eine Fehlermeldung notwendigen Sicherheit nur schwer quantitativ zu erfassen ist. Bei t = 600 Minuten tritt eine beginnende Vereisung des Verdampfers 8 auf. Erst bei t = 1200 Minuten könnte man eine derartige Vereisung erfassen durch eine verminderte Leistungsfähigkeit der Kälteanlage.
Wenn man beispielsweise den Grenzwert für den Fehlerindikator auf 1 x 10⁷ setzt, dann würde ein Fehler bereits bei etwa t = 750 Minuten entdeckt werden, also wesentlich früher, als durch eine verminderte Leistungsfähigkeit der Anlage.
Das Verfahren kann auch dazu verwendet werden, einen Abtauvorgang zu starten. Der Abtauvorgang wird dann gestartet, wenn der Fehlerindikator S_i eine vorbestimmte Größe erreicht.
Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist ein frühes Entdecken von Fehlern, obwohl nicht mehr Sensoren verwendet werden, als bei einer typischen Anlage vorhanden sind. Die Fehler werden entdeckt, bevor sie höhere Temperaturen in der Kälteanlage bewirken. Auch werden Fehler entdeckt, bevor die Anlage nicht mehr optimal läuft, wenn man die verbrauchte Energie als Maß nimmt.
Dargestellt wurde die Überwachung der Luftströme am Verdampfer 8. Selbstverständlich kann man eine ähnliche Überwachung auch am Kondensator 10 durchführen. In diesem Fall sind die Berechnungen sogar einfacher, weil keine Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft entnommen wird, wenn die Luft den Kondensator 10 passiert. Dementsprechend kondensiert auch kein Wasser aus der Luft am Kondensator 10, weil dieser wärmer ist. Nachteilig ist es bei der Verwendung des Verfahrens am Kondensator 10, daß zwei zusätzliche Temperaturfühler erforderlich sind, die die Temperatur der Luft vor und nach dem Kondensator messen.
Beschrieben wurde das Verfahren für den Fall, daß der Luftstrom konstant ist und eine Anpassung an unterschiedliche Kälteleistungs-Anforderungen dadurch erzielt wird, daß der Luftstrom intermittierend erzeugt wird. Es ist aber prinzipiell auch möglich, in gewissen Grenzen eine Variation des Luftstromes zuzulassen, wenn man zusätzlich die Antriebsleistung oder die Drehzahl der Gebläse berücksichtigt.
Das Verfahren zur Entdeckung von Änderungen in dem ersten Medienstrom kann auch bei Anlagen verwendet werden, die mit einer indirekten Kühlung arbeiten. Bei solchen Anlagen hat man einen primären Medienstrom, in dem Kältemittel zirkuliert, und einen sekundären Medienstrom, wo ein Kälteträger, z.B. Sole, zirkuliert. Im Verdampfer kühlt der erste Medienstrom den zweiten Medienstrom. Der zweite Medienstrom kühlt dann z.B. die Luft in einem Wärmetauscher. Man kann dieses Verfahren am Verdampfer, aber auch am Luft/Kälteträger-Wärmetauscher verwenden. An der Luftseite des Wärmetauschers ändern sich die Berechnungen nicht. Die Enthalpiesteigerung kann, wenn der Kälteträger im Wärmetauscher nicht einem Verdampfungsprozeß unterzogen wird, sondern nur einer Temperatursteigerung, mit der nachfolgenden Formel berechnet werden: $Q_{K T} = c \cdot m_{K T} (T_{nach} - T_{vor})$

wobei c die spezifische Wärmekapazität der Sole, T_nach die Temperatur nach dem Wärmetauscher, T_vor die Temperatur vor dem Wärmetauscher und m _KT der Massenstrom des Kälteträgers ist. Die Konstante c kann in Nachschlagewerken gefunden werden, während die beiden Temperaturen gemessen werden können, z.B. mit Temperaturfühlern. Der Massenstrom m _KT kann durch einen Massendurchflußmesser bestimmt werden. Andere Möglichkeiten sind natürlich auch denkbar. Q_KT ersetzt dann in den weiteren Berechnungen Q_Ref.

Claims

Verfahren zum Entdecken von Änderungen in einem ersten Medienstrom eines Wärme- oder Kältetransportmediums in einer Kälteanlage, in der der erste Medienstrom durch einen Wärmetauscher geführt wird, in dem ein Wärmeübergang zwischen dem ersten Medienstrom und einem zweiten Medienstrom eines Wärme- oder Kälteträgers erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Überwachung des durch den Wärmetauscher strömenden ersten Medienstromes die Änderung der Enthalpie des zweiten Medienstromes oder eine davon abgeleitete Größe ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bestimmung der Änderung der Enthalpie des zweiten Medienstromes einen Massenstrom und eine spezifische Enthalpiedifferenz des zweiten Medienstromes über den Wärmetauscher ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bestimmung der spezifischen Enthalpiedifferenz des zweiten Medienstromes am Eingang des Expansionsventils die Temperatur und den Druck des zweiten Medienstromes und am Ausgang des Wärmetauschers die Temperatur des zweiten Medienstromes und entweder den Druck am Ausgang des Wärmetauschers oder die Siedetemperatur des zweiten Medienstromes am Eingang des Wärmetauschers ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man eine spezifische Enthalpiedifferenz des ersten Medienstromes über den Wärmetauscher ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den zweiten Medienstrom aus einer Druckdifferenz über und dem Öffnungsgrad eines Expansionsventils bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den zweiten Medienstrom aus Betriebsdaten und einer Differenz der absoluten Drücke über einen Verdichter zusammen mit der Temperatur des zweiten Medienstromes am Verdichter ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den ersten Medienstrom aus dem zweiten Medienstrom und einem Quotienten aus der spezifischen Enthalpiedifferenz des zweiten Medienstromes und der spezifischen Enthalpiedifferenz des ersten Medienstromes über den Wärmetauscher ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man den ersten Medienstrom mit einem Sollwert vergleicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Residuum als Differenz aus einer ersten Größe, die aus einem vorgegebenen Massenstrom des ersten Medienstromes und der spezifischen Enthalpiedifferenz gebildet wird, und einer zweiten Größe bildet, die der Änderung der Enthalpie des zweiten Medienstromes entspricht, und das Residuum überwacht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als vorgegebenen Massenstrom des ersten Medienstromes einen Mittelwert über einen vorbestimmten Zeitraum verwendet.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Hilfe des Residuums einen Fehlerindikator S_i nach folgender Vorschrift bildet: $S_{i} = {\begin{cases} S_{i - 1} + s_{i}, wenn S_{i - 1} + s_{i} > 0 \\ 0, wenn S_{i - 1} + s_{i} \leq 0 \end{cases}$
mit $s_{i} = k_{1} (r_{i} - \frac{μ_{0} + μ_{1}}{2})$
wobei
r_i: Residuum

k₁: Proportionalitätskonstante

µ₀: erster Zuverlässigkeits-Wert

µ₁: zweiter Zuverlässigkeits-Wert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Entdecken einer vorbestimmten Änderung einen Abtauvorgang einleitet.