EP1497598B1

EP1497598B1 - Verfahren zum auswerten einer nicht gemessenen betriebsgrösse in einer kälteanlage

Info

Publication number: EP1497598B1
Application number: EP03746813A
Authority: EP
Inventors: Claus Thybo
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: JP2005527769A; DK1497598T3; AU2003226944A1; EP1497598A1; DE10217974A1; WO2003089855A1; DE10217974B4; US7650758B2; ATE343109T1; JP3976735B2; US20050166608A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten einer nicht gemessenen Betriebsgröße in einer Kälteanlage, die aus mindestens einem Signal, das zu vorbestimmten Zeitpunkten abgetastet wird, ableitbar ist. So ein Verfahren ist aus US-A-6 128 910 bekannt.
Zur Steuerung von Kälteanlagen ist es vielfach erforderlich, Informationen aus der Kälteanlage auszuwerten. Bei diesen Informationen handelt es sich primär um Temperaturinformationen. Möglich sind aber auch Informationen über Drücke oder Kältemittel- oder Luftströme, die man auswerten möchte. Gelegentlich werden Informationen auch indirekt gewonnen, beispielsweise eine Druckinformation über eine Temperaturinformation. Derartige Informationen dienen aber nicht nur zur Steuerung der Kälteanlage, sondern auch dazu, Fehler möglichst frühzeitig zu erkennen, d.h. so frühzeitig, daß das zu kühlende Gut noch nicht beschädigt ist. Günstig ist auch eine Erkennung zu einem Zeitpunkt, an dem zwar noch keine nennenswerte Temperaturerhöhung eingetreten ist, die Kälteanlage durch einen nicht optimalen Betrieb aber stark belastet wird.
Die Signale ändern sich in einer Kälteanlage nur relativ langsam. Es ist daher schwierig, einen Trend zu erkennen, wenn sich die Signale in einen Bereich bewegen, der auf einen Fehler hindeuten könnte. Da die Signale über Sensoren ermittelt werden, die die betreffenden physikalischen Größen zu vorbestimmten Zeitpunkten auswerten, oder ein permanent ermitteltes Signal nur zu vorbestimmten Zeiten abgetastet wird, kommt es häufig vor, daß sich der Signalverlauf als "hochfrequente" Kurvenform darstellt, d.h. der Mittelwert des Signals gibt zwar den Verlauf der ermittelten physikalischen Größe wieder. Die Größe wird jedoch mit teilweise erheblichen Ausschlägen nach oben und nach unten dargestellt, was die Auswertung weiter erschwert. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Signal durch eine Differenzbildung zustande gekommen ist, beispielsweise um eine Temperaturdifferenz über einen Wärmetauscher zu ermitteln. Der Begriff "hochfrequent" ist hier natürlich relativ gemeint. Die Frequenz ist hoch, gemessen an der Änderungsgeschwindigkeit von physikalischen Größen, wie der Temperatur, in einer Kälteanlage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fehler frühzeitig erkennen zu können.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß man einen Fehlerindikator durch folgende Schritte bildet:

a) der Fehlerindikator wird in einem ersten Zeitpunkt auf einen Vorgabewert gesetzt,
b) es wird eine Summe aus dem Fehlerindikator eines vorbestimmten früheren Zeitpunkts und einer von einem Schätzwert für die Betriebsgröße unter Berücksichtigung von mindestens einer signalabhängigen Größe ersten abgeleiteten Größe gebildet und
c) der Fehlerindikator wird auf den Wert der Summe gesetzt, wenn die Summe größer als der Vorgabewert ist, und auf den Vorgabewert, wenn die Summe kleiner oder gleich dem Vorgabewert ist. Bei dieser Vorgehensweise wird in dem Fall, daß sich das Signal oder die damit zusammenhängende physikalische Größe praktisch nicht ändert, der Fehlerindikator auf dem Vorgabewert bleiben, weil man davon ausgehen kann, daß sich das Signal auch bei Schwankungen statistisch gesehen um einen Mittelwert herum verteilt. Gegenüber einer reinen Mittelwertbildung hat diese Vorgehensweise aber den Vorteil, daß man einen Trend in dem Signal wesentlich besser erkennen kann. Dementsprechend wird eine Fehlererkennung frühzeitiger möglich.

Bevorzugterweise ist der Vorgabewert Null. Die Abweichung von dem Wert Null läßt sich relativ einfach erkennen. Die Ermittlung des Fehlerindikators wird vereinfacht.
Vorzugsweise wird zur Bildung der Summe der Fehlerindikator des letzten Zeitpunkts verwendet. Der Fehlerindikator wird also von Abtastzeitpunkt zu Abtastzeitpunkt aktualisiert. Dies ermöglicht schnelle Reaktionszeiten und erlaubt es, den Fehlerindikator sozusagen kontinuierlich zu bilden.
Bevorzugterweise ermittelt man den Schätzwert experimentell bei einem fehlerfreien Betrieb der Kälteanlage. Wenn die Kälteanlage fehlerfrei über einen vorbestimmten Zeitraum läuft, beispielsweise 100 Minuten, dann kann man davon ausgehen, daß ein dabei ermittelter Mittelwert repräsentativ für einen fehlerfreien Betrieb ist. Im weiteren Betrieb der Kälteanlage kann man dann diesen Schätzwert verwenden, um den Fehlerindikator zu bilden.
Bevorzugterweise verwendet man zur Bildung der ersten abgeleiteten Größe ein Residuum, das durch eine Differenz zwischen dem Schätzwert oder einer davon abgeleiteten zweiten Größe und einer signalabhängigen Größe gebildet ist. Der Schätzwert oder die davon abgeleitete zweite Größe, in deren Ableitung auch signalabhängige Komponenten einfließen können, ist dann sozusagen ein Ausgangswert, mit dem die signalabhängige Größe verglichen wird. Als Unterschied ergibt sich dann das Residuum. Im ungestörten Fall wird das Residuum um den Wert Null herum schwanken, d.h. im Mittel hat das Residuum den Wert Null. Im Fehlerfall wird sich jedoch die signalabhängige Größe auf Dauer vom Schätzwert unterscheiden und zwar in der Regel in eine Richtung. Dementsprechend wird das Residuum einen von Null verschiedenen Wert annehmen, der sich dann im Fehlerindikator zeigt.
Bevorzugterweise ist die erste abgeleitete Größe gebildet aus der Differenz des Residuums und eines vorbestimmten Zuverlässigkeits-Werts, wobei die Differenz mit einer Proportionalitätskonstanten multipliziert wird. Mit dieser Vorgehensweise korrigiert man das Residuum so, daß größere Schwankungen zugelassen werden. Der Zuverlässigkeits-Wert wird bei jedem Abtastzeitpunkt bzw. bei jedem Zeitpunkt des Auswertens vom Residuum abgezogen. Dabei wird sich im fehlerfreien Betrieb vielfach die Situation ergeben, daß die abgeleitete Größe einen Wert kleiner Null hat. Wenn das Residuum hingegen auf Dauer größer als der vorbestimmte Zuverlässigkeits-Wert ist, dann wird sich der Fehlerindikator vergrößern, was auf einen Fehler hindeutet. Wenn man den Absolutwert des Residuums verwendet, dann bekommt man einen Zuwachs des Fehlerindikators auch bei einem Residuum, das auf Dauer zu klein ist.
Bevorzugterweise verwendet man als Betriebsgröße die Größe eines ersten Medienstromes eines Wärme- oder Kältetransportmediums, insbesondere eines Luftmassenstromes. Der Luftmassenstrom ist eine wichtige Größe für den Betrieb der Kälteanlage. Beispielsweise dient er in Verkaufskühltruhen dazu, die eigentliche "Kälte" zu den zu kühlenden Produkten zu transportieren. Verkaufskühltruhen werden in einem Supermarkt verwendet, um gekühlte oder tiefgefrorene Produkte zum Verkauf bereitzuhalten. Um diese Produkte auf der gewünschten niedrigen Temperatur zu halten, wird laufend oder intermittierend ein Luftstrom über einen Vorratsraum geleitet, in dem die Produkte angeordnet sind. Die gekühlte Luft sinkt dann teilweise in den Vorratsraum ab. Eine Störung des Luftstroms kann zu erheblichen Problemen führen. Im schlechtesten Fall wird nicht mehr genügend Kälte zu den Produkten transportiert, so daß deren Temperatur ansteigt. Wenn man einen Fehler erst zu diesem Zeitpunkt erkennt, ist es zu spät. Die Produkte sind dann vielfach schon verdorben. Hier ist also eine frühzeitige Erkennung eines Fehlers von besonderer Bedeutung. Eine frühzeitige Erkennung ist aber auch von Vorteil, weil man dann eine Überlastung der Kälteanlage verhindern kann. Wenn sich beispielsweise der Verdampfer durch eine Eisablagerung zusetzt und dadurch nur ein verminderter Wärmeübergang vom Kältemittel auf die Luft möglich ist, wird man zwar über einen gewissen Zeitraum noch genügend Kälteleistung an die Luft übertragen können. Die Kälteanlage muß aber mit einer höheren Leistung arbeiten, was sich nachteilig auf die Lebensdauer und die Betriebszuverlässigkeit auswirken kann. Ähnliches gilt dann, wenn eines von mehreren Gebläsen ausfällt, das die Luft durch einen Luftkanal und über die zu kühlenden Produkte fördert. Die übrigen Gebläse sind zwar in der Regel in der Lage, Luft in einer Menge zu fördern, die ausreicht, um die Produkte zu kühlen. Die Gebläse werden aber unverhältnismäßig stark belastet, weil sie öfter oder länger in Betrieb gesetzt werden. Wenn man eine Störung des Luftstroms also frühzeitig erkennen und eine Fehlermeldung erzeugen kann, dann werden derartige Probleme nur in einem verringerten Maße auftreten.
Hierbei ist bevorzugt, daß man die Größe des ersten Medienstromes aus einem Wärmeübergang zwischen dem ersten Medienstrom und einem zweiten Medienstrom eines Wärme- oder Kälteträgers in einem Wärmetauscher berechnet. Man geht dabei davon aus, daß die Wärme, die dem ersten Medienstrom, z.B. der Luft entnommen wird, vollständig auf den zweiten Medienstrom, z.B. das Kältemittel im Wärmetauscher übergeht. Wenn man den Wärmeinhalt des Kältemittels vor und hinter dem Wärmetauscher feststellt, kann man hieraus die Masse pro Zeit der durchgeströmten Luft berechnen, wenn man die Enthalpiedifferenz der Luft über den Wärmetauscher kennt.
Bevorzugterweise ist die zweite abgeleitete Größe die Änderung der Enthalpie des ersten Medienstromes über den Wärmetauscher. Die Enthalpie des ersten Medienstromes erlaubt eine Aussage über den Wärmeinhalt des ersten Medienstromes. Wenn man die Änderung der Enthalpie ermittelt, dann ermittelt man die Änderung des Wärmeinhalts über den Wärmetauscher. Da dieser Wärmeinhalt vollständig an den zweiten Medienstrom, z.B. das Kältemittel, abgegeben werden soll, läßt sich hieraus die notwendige Information über die Betriebsgröße des ersten Medienstromes, z.B. des Luftstromes, gewinnen.
Bevorzugterweise ist die signalabhängige Größe die Änderung der Enthalpie des zweiten Medienstromes über den Wärmetauscher. Wie oben ausgeführt, geht man davon aus, daß die Wärme, die aus dem ersten Medienstrom im Wärmetauscher entnommen wird, vollständig auf den zweiten Medienstrom übergeht. Wenn man nun die Änderung der Enthalpie des zweiten Medienstromes ermittelt, dann gewinnt man die Information über die Änderung der Enthalpie des ersten Medienstromes.
Vorzugsweise ermittelt man zur Bestimmung der Enthalpie des zweiten Medienstromes einen Massenstrom und eine spezifische Enthalpiedifferenz des zweiten Medienstromes über den Wärmetauscher. Die Enthalpie ist ein Produkt aus dem Massenstrom und der spezifischen Enthalpiedifferenz. Die spezifische Enthalpiedifferenz ergibt sich aus der spezifischen Enthalpie des zweiten Medienstromes, z.B. des Kältemittels, vor und hinter dem Wärmetauscher. Die spezifische Enthalpie eines Kältemittels ist eine Stoff- und Zustandseigenschaft und variiert von Kältemittel zu Kältemittel. Allerdings stellen die Kältemittelhersteller in der Regel sogenannte Log p, h-Diagramme für jedes Kältemittel bereit. Anhand derartiger Diagramme läßt sich die spezifische Enthalpie des Kältemittels bestimmen. Man benötigt dabei die Temperatur und den Druck am Expansionsventileintritt. Diese Größen können mit Hilfe von einem Temperaturfühler oder einem Drucksensor gemessen werden. Die spezifische Enthalpie am Verdampferaustritt wird mit Hilfe von zwei Meßwerten bestimmt: zum einen die Temperatur am Verdampferaustritt und zum anderen entweder den Druck am Verdampferaustritt oder die Siedetemperatur. Die Temperatur am Verdampferaustritt kann mit einem Temperaturfühler gemessen werden und man kann den Druck am Verdampferaustritt mit einem Drucksensor messen. Anstelle der Log p, h-Diagramme kann man natürlich auch Werte verwenden, die in Tabellen abgelegt sind. Dies ist für eine automatische Berechnung vielfach günstiger. In manchen Fällen stellen die Kältemittelhersteller auch Zustandsgleichungen für das Kältemittel zur Verfügung.
Vorzugsweise bestimmt man den zweiten Medienstrom aus einer Druckdifferenz über und dem Öffnungsgrad eines Expansionsventils. Insbesondere bei Anlagen mit elektronisch gesteuerten Expansionsventilen ist der Durchfluß in vielen Fällen proportional zum Öffnungsgrad des Expansionsventils. Bei pulsbreitenmodulierten Expansionsventilen entspricht der Öffnungsgrad der Öffnungsdauer. Zusätzlich benötigt man noch die Druckdifferenz über das Ventil und gegebenenfalls die Unterkühlung des Kältemittels beim Ventileintritt. Bei den meisten Anlagen stehen diese Werte zur Verfügung, weil man Drucksensoren zur Verfügung hat, die den Druck im Kondensator oder Verflüssiger und den Druck im Verdampfer messen. Die Unterkühlung ist in vielen Fällen vernachlässigbar und braucht deshalb nicht gesondert gemessen zu werden. Der Massendurchfluß des Kältemittels durch das Ventil kann dann mit Hilfe einer Ventilcharakteristik, der Druckdifferenz und dem Öffnungsgrad oder der Öffnungsdauer berechnet werden.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann man den zweiten Medienstrom aus Betriebsdaten und einer Differenz der absoluten Drücke über einen Verdichter zusammen mit der Temperatur am Eingang des Verdichters ermitteln. Bei den Betriebsdaten handelt es sich beispielsweise um die Drehzahl und/oder die Antriebsleistung des Verdichters.
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
_Air die von der Luft tatsächlich entnommene Wärme pro Zeit und
_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
_Ref ist die folgende Gleichung: ${\overset{•}{Q}}_{Ref} = {\overset{•}{m}}_{Ref} (h_{Ref, out} - h_{Ref, in})$

wobei
_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 (
_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
_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
_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
_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
_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
_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
_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 ${\overset{•}{m}}_{Air} (h_{Ref, out} - h_{Ref, in}) = {\overset{•}{m}}_{Air} (h_{Air, in} - h_{Air, out})$
Daraus kann der tatsächliche Luftmassendurchfluß
_Air gefunden werden, indem man
_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
_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
_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: $r = {\overline{\overset{•}{m}}}_{Air} (h_{Air, in} - h_{Air, out}) - {\overset{•}{m}}_{Air} (h_{Ref, out} - h_{Ref, in})$
_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 µ₁ 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 µ₁ 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: $Q_{K T} = c \cdot {\overset{•}{m}}_{KT} (T_{nach} - T_{vor})$

wobei c die spezifische Wärmekapazität der Sole, T_nach die Temperatur nach dem Wärmetauscher, T_vor die Temperatur vor dem Wärmetauscher und
_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
_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 Auswerten einer nicht gemessenen Betriebsgröße in einer Kälteanlage, die aus mindestens einem Signal, das zu vorbestimmten Zeitpunkten abgetastet wird, ableitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Auswerten einen Fehlerindikator durch folgende Schritte bildet:
a) der Fehlerindikator wird in einem ersten Zeitpunkt auf einen Vorgabewert gesetzt,

b) es wird eine Summe aus dem Fehlerindikator eines vorbestimmten früheren Zeitpunkts und einer von einem Schätzwert für die Betriebsgröße unter Berücksichtigung von mindestens einer signalabhängigen Größe ersten abgeleiteten Größe gebildet und

c) der Fehlerindikator wird auf den Wert der Summe gesetzt, wenn die Summe größer als der Vorgabewert ist, und auf den Vorgabewert, wenn die Summe kleiner oder gleich dem Vorgabewert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgabewert Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Summe der Fehlerindikator des letzten Zeitpunkts verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schätzwert experimentell bei einem fehlerfreien Betrieb der Kälteanlage ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bildung der ersten abgeleiteten Größe ein Residuum verwendet, das durch eine Differenz zwischen dem Schätzwert oder einer davon abgeleiteten zweiten Größe und der signalabhängigen Größe gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste abgeleitete Größe gebildet ist aus der Differenz des Residuums und eines vorbestimmten Zuverlässigkeits-Werts, wobei die Differenz mit einer Proportionalitätskonstanten multipliziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als Betriebsgröße die Größe eines ersten Medienstromes eines Wärme- oder Kältetransportmediums, insbesondere eines Luftmassenstromes verwendet.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Größe des ersten Medienstromes aus einem Wärmeübergang zwischen dem ersten Medienstrom und einem zweiten Medienstrom eines Wärme- oder Kälteträgers in einem Wärmetauscher berechnet.
Verfahren nach Ansprüche 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite abgeleitete Größe die Änderung der Enthalpie des ersten Medienstromes über den Wärmetauscher ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die signalabhängige Größe die Änderung der Enthalpie des zweiten Medienstromes über den Wärmetauscher ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bestimmung der Enthalpie des zweiten Medienstromes einen Massenstrom und eine spezifische Enthalpiedifferenz des zweiten Medienstromes über den Wärmetauscher ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man den zweiten Medienstrom aus einer Druckdifferenz über und dem Öffnungsgrad eines Expansionsventils bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man den zweiten Medienstrom aus Betriebsdaten und einer Differenz der absoluten Drücke über einen Verdichter zusammen mit der Temperatur am Eingang des Verdichters ermittelt.