[0001] Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine Kälteanlage, insbesondere
für Kühlräume, sowie ein Verfahren zum Steuern der Kühlraumtemperatur.
[0002] Es ist bekannt, bei einer Kälteanlage, mittels der die Temperatur in einem Kühlraum
auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, einen Sensor für die Ermittlung der Kühlraumtemperatur
vorzusehen, der in der Regel im Lufteintritt vor den Verdampfer angeordnet wird, sowie
einen Sensor zur Ermittlung der Temperatur des Kühlers im Verdampfer vorzusehen, der
im allgemeinen auf der Oberfläche des Kühlers angeordnet wird. Beim Auslegen einer
Kälteanlage wird eine Temperaturdifferenz Δt
1 in Kelvin zwischen gewünschter Kühlraumtemperatur und Verdampfertemperatur bzw. der
Temperatur festgelegt, bei der der Kälteträger verdampft. Bei Tiefkühlgut wird beispielsweise
eine Temperaturdifferenz Δt
1 von 10 K bei der Auslegung der Anlage festgelegt, beim Kühlen von Nahrungsmitteln
wie Gemüse beispielsweise ein Δt
1 von 7 K. Aus dieser von vorne herein festgelegten Temperaturdifferenz wird die Leistungsberechnung
für den Verdampfer ausgeführt.
[0003] Bei einer solchen Kälteanlage steuert der Sensor für die Kühlraumtemperatur über
eine Steuereinheit einen Ventilator für den Luftdurchtritt am Kühler und den Kältekreislauf
z. B. den Verdichter, während der Sensor an der Kühleroberfläche die Abtauendtemperatur
für eine Abtauheizung und dergleichen steuert. Nach Abtauende wird dann zuerst der
Verdichter durch den Sensor zur Ermittlung der Kühlraumtemperatur eingeschaltet und
nach Erreichen einer vorgegebenen Temperatur durch den Sensor an der Kühleroberfläche
der Ventilator des Verdampfers. In den dann folgenden Kühlzyklen werden der Ventilator
des Verdampfers und der Verdichter erneut durch den Sensor für die Kühlraumtemperatur
gesteuert.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperatursteuerung dieser Art so
auszubilden, dass sie bei einfachem Aufbau die Kühlraumtemperatur in zuverlässiger
Weise auf dem vorgegebenen Sollwert hält.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Dadurch,
dass nur ein einzelner Sensor an der Kühleroberfläche vorgesehen wird, mittels dem
über einen Korrekturfaktor die Kühlraumtemperatur ermittelt und auf der Basis der
ermittelten Kühlraumtemperatur die Kälteanlage gesteuert wird, ergibt sich ein einfacherer
Aufbau durch den Wegfall eines zweiten Sensors für die Kühlraumtemperatur. Dadurch,
dass ein einziger Sensor für die Steuerung der Kälteanlage verantwortlich ist, verringern
sich die Investitionskosten, der Installationsaufwand und mögliche Servicekosten.
Fehlerquellen werden dadurch minimiert, dass ein Vertauschen der Sensoren und der
Sensoranschlussleitungen ausgeschlossen ist. Leitungsgebundene Einkopplungen durch
elektromagnetische Störungen, wie sie in Sensoranschlussleitungen eingekoppelt werden
können und dann eine Steuereinheit negativ beeinflussen, werden durch Wegfall eines
Sensors um die Hälfte reduziert. Eine Steuereinheit mit nur einem Sensor ist in ihrer
Funktionssicherheit deutlich besser gegenüber dem Stand der Technik, weil alle Messgrößen
von einem einzigen Sensor ermittelt werden.
[0006] Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näfier erläutert. Es zeigen
Fig. 1 schematisch eine Kälteanlage für die Kühlung in einem Kühlraum,
Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Steuerung der Kühlraumtemperatur, und
Fig. 3 ein Diagramm zur Ermittlung des Korrekturwertes.
[0007] Fig. 1 zeigt ein Kälteaggregat 12 mit einem Verdampfer 9 für die Luftkühlung, in
dessen Gehäuse ein Ventilator 3 für den Luftdurchtritt, sowie ein Kühler 8 aus einer
vom Kälteträger durchströmten Verrohrung mit Kühllamellen 17 angeordnet ist, die vorzugsweise
aus Aluminium bestehen. Mit 6 ist eine beispielsweise elektrische Abtauheizung bezeichnet,
mittels der der Kühler 8 bei Vereisung abgetaut wird. Mit 7 ist ein Expansionsventil
bezeichnet. Anstelle einer elektrischen Abtauheizung kann auch eine andere Form einer
Abtauheizung vorgesehen werden.
[0008] Ferner umfasst das Kälteaggregat 12 einen Verdichter 4, einen luftgekühlten Verflüssiger
10 und einen Kälteträgersammler 11. In dem luftgekühlten Verflüssiger 10 ist ein Ventilator
13 und eine Verrohrung mit Kühllamellen 16 angeordnet. Über eine Saugleitung 15 strömt
gasförmiger Kälteträger vom Kühler 8 im Verdampfer 9 zum Verdichter 4 und durch den
Verflüssiger 10 und den Kälteträgersammler 11 strömt flüssiger Kälteträger durch eine
Leitung 14 über ein Magnetventil 5 zum Expansionsventil 7.
[0009] Am Kühler 8 des Verdampfers 9 ist ein Temperatursensor 2 angeordnet, mittels dem
die Oberflächentemperatur t
K des Kühlers 8 ermittelt wird. Bei einer bekannten Kälteanlage ist ein zweiter, nicht
dargestellter Sensor in dem zu kühlenden Raum bzw. im Lufteintritt vor dem Verdampfer
angeordnet, der die Temperatur der Kühlluft misst.
[0010] Bei der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Kälteanlage
ist nur ein einzelner Temperatursensor 2 an der Kühleroberfläche vorzugsweise zwischen
den Kühllamellen 17 vorgesehen, mittels dem die Oberflächentemperatur t
K des Kühlers 8 ermittelt wird.
[0011] Mit 1 ist eine Steuereinheit TC bezeichnet, welche den vom Sensor 2 gemessenen Temperaturwert
aufnimmt und über eine elektronische Steuervorrichtung den Ventilator 3, den Verdichter
4 und die Abtauheizung 6 schaltet.
[0012] Ein in der Steuereinheit 1 vorgesehenes Programm registriert die Oberflächentemperatur
t
K des Kühlers 8 und ermittelt über einen Korrekturwert zusätzlich die Temperatur der
Kühlluft bzw. die Kühlraumtemperatur.
[0013] Der Korrekturwert wird wie folgt ermittelt. Die Kälteanlage soll beispielsweise zum
Kühlen von Gemüse auf eine Kühlraumtemperatur von + 2° C ausgelegt werden. Hierbei
ist die Kälteanlage vom Anlagenbauer derart auszulegen, dass für den Sollwert von
+ 2° C eine Verdampfungstemperatur t
0 von - 5° C gewährleistet ist, so dass sich im praktischen Betrieb ein Δt
1 von 7 K einstellt. Das Δt
1 wird in bekannter Weise ermittelt als Differenz der Lufteintrittstemperatur t
L1 und der Verdampfungstemperatur t
0. Dies ist in den Normen DIN 8955 und ENV 328 zur Ermittlung der Kühlerleistung festgelegt.
Erfahrungswerte zeigen, dass einer bestimmten Verdampfungstemperatur t
0 des Kälteträgers im Verdampfer ein bestimmter Wert der Oberflächentemperatur t
K des Kühlers im Verdampfer zuzuordnen ist. Fig. 3 zeigt schematisch den Zusammenhang
zwischen Verdampfungstemperatur t
0 des Kälteträgers und Oberflächentemperatur t
K des Kühlers. Ein solcher Zusammenhang kann z. B. in Form einer Tabelle in der elektronischen
Steuereinheit 1 gespeichert werden. Nachdem die Temperaturdifferenz Δt
1 von vorne herein festliegt, kann über die Vorgabe der Solltemperatur von + 2° C und
die sich daraus ergebende Verdampfungstemperatur des Kälteträgers von - 5° C aus Fig.
3 eine Oberflächentemperatur des Kühlers t
K von - 1° C abgeleitet werden. Dieser Zusammenhang ergibt sich durch den Kühleraufbau
und die Auslegung des Verdampfers. Aus der so ermittelten Oberflächentemperatur t
K des Kühlers 8 im Verdampfer 9 wird bei diesem Beispiel ein Korrekturwert von 3 K
aus der Differenz zwischen Sollwert + 2° C und Oberflächentemperatur t
K von - 1° C ermittelt. Mit anderen Worten wird davon ausgegangen, dass nach der von
Δt
1 ausgehenden Auslegung der Kälteanlage die Kühllufttemperatur t
L bei diesem Beispiel um den Korrekturwert von 3 K über der Oberflächentemperatur t
K des Kühlers liegt.
[0014] Während zum Kühlen von Gemüse beispielsweise ein Sollwert von + 2° C und ein Korrekturwert
von 3 K angesetzt wird, wird beispielsweise für den Tiefkühlbereich ein Sollwert von
-20° C vorgegeben, aus dem sich über den vorgegebenen Wert von Δt
1 = 10 K einen Korrekturwert von 5 K ergibt. Der Wert von Δt
1 muss an der Steuereinheit 1 eingestellt werden. Aus dem eingestellten Δt
1 ermittelt die Steuereinheit 1 dann den Korrekturwert
[0015] Fig. 2 zeigt den Temperaturverlauf der Kühlraumtemperatur t
L und der Oberflächentemperatur t
K am Kühler 8 über der Zeit, wobei von einem Sollwert der Kühlraumtemperatur t
L von + 2° C ausgegangen wird, wie er beispielsweise für Gemüse als Kühlgut vorgesehen
wird. Ausgehend von einem Abschaltzustand der Kälteanlage, bei dem sowohl die Kühleroberflächentemperatur
t
K als auch die Kühlraumtemperatur t
L einen über + 2° C liegenden Wert haben, wird über die Steuereinheit 1 zunächst das
Kälteaggregat 12 und der Ventilator 3 im Verdampfer 9 eingeschaltet, um die Kühlraumtemperatur
t
L auf den Sollwert zu bringen. Bei laufendem Kälteaggregat 12 wird durch Zirkulation
des Kälteträgers im Kältekreislauf die Oberflächentemperatur am Kühler 8 abgesenkt.
Gleichzeitig wird durch den laufenden Ventilator 3 im Verdampfer 9 die Kühlraumtemperatur
t
L abgesenkt. Sobald der Sensor 2 eine Oberflächentemperatur t
K von - 1° C feststellt, ermittelt die Steuereinheit 1 durch Hinzurechnen des Korrekturwertes
von 3 K das Erreichen des Sollwertes t
L von + 2° C. Dies bedeutet, dass die Steuereinheit 1 den Verdichter 4 und den Ventilator
3 abschaltet. Der Ventilator 3 wird wieder eingeschaltet, wenn vom Sensor 2 über den
Korrekturwert eine Solltemperatur t
L am oberen Temperaturwert von + 2,5° C eines vorgegebenen Toleranzbereichs von ± 0,5
K um die Solltemperatur + 2° C in der Steuereinheit 1 angezeigt wird.
[0016] In Fig. 2 ist der Toleranzbereich um die Solltemperatur + 2° C durch strichpunktierte
Linien über und unter der Solltemperatur wiedergegeben. Zweckmäßigerweise wird der
Verdichter 4 über die Steuereinheit 1 abgeschaltet, wenn die über den Korrekturwert
ermittelte Kühllufttemperatur t
L den unter der Solltemperatur liegenden Toleranzwert erreicht. Hierauf steigt die
Oberflächentemperatur t
K am Kühler 8 wieder an, die über den Sensor 2 ermittelt wird, worauf zuerst der Ventilator
3 des Verdampfers 9 und dann der Verdichter 4 über die Steuereinheit 1 wieder eingeschaltet
wird, wenn die vom Sensor 2 festgestellte Oberflächentemperatur t
K des Kühlers 8 den über der Solltemperatur liegenden Toleranzwert von + 0,5 K anzeigt.
[0017] Diese Zyklen wiederholen sich, bis z. B. durch Vereisung am. Kühler 8 eine Oberflächentemperatur
t
K vom Sensor 2 ermittelt wird, aus der in der Steuereinheit 1 durch Vergleich mit vorgegebenen
Werten bzw. durch ein vorgegebenes Programm eine Vereisung des Kühlers 8 abgeleitet
werden kann. Hierauf wird über die Steuereinheit 1 der Verdichter 4 und der Ventilator
3 abgeschaltet und die Abtauheizung 6 eingeschaltet, bis über den Temperatursensor
2 wieder die vorgegebene Abtauendtemperatur am Kühler 8 angezeigt wird. Hierauf wird
die Abtauheizung 6 von der Steuereinheit 1 abgeschaltet und das Kälteaggregat 12 mit
dem Verdichter 4 wieder eingeschaltet. Der in Fig. 2 dargestellte Kühlzyklus beginnt
erneut, nachdem der Ventilator 3 des Verdampfers 9 nach einer zuvor festgelegten Oberflächentemperatur
des Kühlers 8 ebenfalls von der Steuereinheit 1 eingeschaltet wird.
[0018] Der im Kühler 8 angeordnete Temperatursensor 2 stellt eine neutrale Messstelle dar,
die nicht durch Parameter verfälscht werden kann, wie dies beispielsweise bei einem
Raumtemperatursensor der Fall ist, dessen Messwert z. B. dadurch verfälscht werden
kann, dass der Raumtemperatursensor durch falsch gestapeltes Kühlgut im Kühlraum abgedeckt
wird. Hierdurch ergibt sich aufgrund der beschriebenen Steuerung mit nur einem Sensor
2 über einen Korrekturfaktor ausgehend von dem vorher bestimmten Δt
1 eine zuverlässigere Steuerung als dies bei den bekannten Kälteanlagen mit zwei Sensoren
der Fall ist, von denen der Kühlluftsensor durch verschiedene Parameter verfälscht
werden kann und falsche Kühllufttemperaturen ermittelt werden können. Der Temperatursensor
2 ist zwischen den Kühllamellen geschützt angeordnet und kann durch Ein- und Auslagern
von Kühlgut nicht beschädigt werden.
[0019] Da der Verdampfer 9 einen Kältespeicher darstellt und die Oberflächentemperatur des
Kühlers 8 die Kühllufttemperatur im Raum über den Korrekturfaktor nicht immer zuverlässig
wiedergibt, beispielsweise weil durch Transmissionswärme vom Kühlgut die Kühlraumtemperatur
ansteigt, ohne dass sich dies sofort auf die Oberflächentemperatur t
K des Kühlers 8 auswirkt, wird nach einer vorgegebenen Zeit nach Feststellung durch
die Steuereinheit 1, dass der Sensor 2 einen Sollwert im Toleranzbereich angibt, der
Ventilator 3 eingeschaltet, damit Raumluft durch den Kühler 8 geleitet wird, um auf
diese Weise die tatsächliche Raumlufttemperatur zu überprüfen. Hierbei ist der Verdichter
4 noch ausgeschaltet, weil an der Steuereinheit 1 ein Signal vom Sensor 2 anliegt,
das die Kühlraumtemperatur im Toleranzbereich des Sollwertes wiedergibt. Bei wärmerer
Kühllufttemperatur innerhalb des Kühlraumes, in den z. B. noch nicht gekühltes Gut
nachgeladen wurde, steigt die Oberflächentemperatur t
K des Kühlers 8 durch die vom Ventilator 3 herangeführte wärmere Luft an, bis die Oberflächentemperatur
der Kühlers die Raumlufttemperatur angenommen hat. Dadurch meldet der Sensor 2 - ohne
den Korrekturfaktor zu berücksichtigen - einen Istwert der Raumtemperatur, der nicht
im Toleranzbereich der Solltemperatur liegt, weshalb die Steuereinheit 1 das Kälteaggregat
bzw. den Verdichter 4 einschaltet, um die Oberflächentempera t
K des Kühlers 8 auf einen Wert zurückzuführen, der mit Korrekturfaktor im Toleranzbereich
der Solltemperatur liegt.
[0020] Über die Oberflächentemperatur t
K des Kühlers 8 und den Korrekturfaktor wird indirekt die Raumlufttemperatur mittels
des Sensors 2 gemessen. Da sich aber nach Erreichen der Solltemperatur die Raumlufttemperatur
schneller ändern kann als dies durch die nur langsam folgende Oberflächentemperatur
am Kühler 8 festgestellt werden kann, muss die Raumlufttemperatur durch Einschalten
des Ventilators 3 auf diese Weise immer wieder bzw. in bestimmten Zeitabständen überprüft
werden, so dass die Steuereinheit 1 über den Sensor 2 die tatsächliche Raumtemperatur
messen kann.
[0021] Dadurch, dass der Ventilator 3 des Verdampfers 9 nach Erreichen der Solltemperatur
bei abgeschaltetem Verdichter 4 zuerst eingeschaltet wird und die Steuereinheit 1
über den Sensor 2 den Temperaturverlauf ohne Korrekturfaktor verfolgt, und der Verdichter
4 so lange ausgeschaltet bleibt, bis die Steuereinheit 1 über den Sensor 2 eine Oberflächentemperatur
t
K oberhalb des Sollwertes von + 2° C feststellt, wobei davon ausgegangen wird, dass
die Oberflächentemperatur t
K des Kühlers 8 die Kühlraumtemperatur angenommen hat, und erst dann der Verdichter
4 durch die Steuereinheit 1 einschaltet wird, ist durch dieses Verfahren die Taupunktunterschreitung
an der Oberfläche des Kühlers 8 zum Zeitpunkt der Verdichtereinschaltung aufgehoben.
[0022] Die vorteilhaften Merkmale des zuvor geschilderten Verfahrens sind: Deutlich geringerer
Masseverlust des Kühlgutes durch reduzierte Entfeuchtung der Kühlraumluft. Deutliche
Senkung des Energieverbrauchs und damit Senkung der Betriebskosten durch Nutzung der
Eis-Reifkristalle als Energiespeicher zum Kühlen der Raumluft. Hierdurch ergibt sich
ein verbesserter Wirkungsgrad des Luftkühlers, ein kürzerer Verdichterlauf innerhalb
der Kühlzyklen und somit eine längere Nutzungsdauer (Lebensdauer) des Verdichters.
Abtauintervalle werden durch den Ventilatorvorlauf ausgesetzt bzw. die Abtauzyklen
reduziert.
[0023] Die beschriebene Steuerung einer Kälteanlage ist nicht nur für Kühl- und Tiefkühlräume
anwendbar, sondern auch für Kühl- und Tiefkühlmöbel, bei denen der dem Ventilator
3 entsprechende Lüfter dauern in Betrieb ist und die vom Lüfter geförderte Kaltluft
der Raumluft entspricht, deren Temperatur über den Korrekturfaktor mittels des am
Kühler 8 angebrachten Temperatursensors 2 ermittelt wird. Derartige Kühl- und Tiefkühlmöbel
werden als Verkaufsinseln und Kühltheken in der Gewerbekälte und dergleichen verwendet.
Dies gilt auch insbesondere für raumlufttechnische Anlagen im Klimabereich.
[0024] Die beschriebene Steuerung der Raumlufttemperatur mittels eines einzigen Sensors
ist nicht von den jeweils verwendeten Kälteträgern abhängig. So kann der Verdampfer
9 auch ein Luftkühler sein, der nicht mit einer Direktexpansion, sondern mit gepumpten
Kälteträgern in Form flüssiger Lösungen, wie beispielsweise NH
3, oder Kaltsole in Zweikreiskälteanlagen, bzw. Flo Ice oder in CO
2 Anlagen betrieben wird.
[0025] Mittels der Steuereinheit 1 kann auch in an sich bekannter Weise das Magnetventil
5 in Verbundkälteanlagen angesteuert werden, sei es gleichzeitig mit der Ansteuerung
des Verdichters 4 oder auch getrennt davon.
1. Verfahren zum Steuern einer Kälteanlage mit einem Kühler (8) zum Kühlen von Kühlluft,
wobei mittels eines einzigen Sensors (2) die Oberflächentemperatur (tK) des Kühlers (8) gemessen und über einen Korrekturfaktor aus der Oberflächentemperatur
(tK) des Kühlers die Kühllufttemperatur (tL) abgeleitet wird, worauf auf der Basis des gemessenen Temperaturwertes (tK) und des abgeleiteten Temperaturwertes (tL) die Kälteanlage gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach einer vorgegebenen Zeit nach Feststellung über
den Temperatursensor (2), wonach sich die unter Einbeziehung des Korrekturfaktors
ergebende Kühllufttemperatur im Sollbereich befindet, das Kälteaggregat abgeschaltet
wird bzw. abgeschaltet bleibt und ein Ventilator (3) am Kühler (8) eingeschaltet wird,
um Kühlluft an den Kühler (8) heranzuführen, und die tatsächlich vorhandene Temperatur
(tL) der Kühlluft auf diese Weise durch den Temperatursensor (2) überprüft wird.
3. Steuervorrichtung für eine Kälteanlage mit einem Kühler (8) zum Kühlen von Kühlluft
beispielsweise in einem Kühlraum, mittels der die Kühllufttemperatur (tL) auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird,
umfassend einen einzelnen Sensor (2) zur Ermittlung der Oberflächentemperatur (tK) am Kühler (8) und eine Steuereinheit (1), die aus der gemessenen Oberflächentemperatur
des Kühlers (8) über einen Korrekturfaktor [K] die Kühllufttemperatur (tL) ableitet und auf der Basis der so ermittelten Kühllufttemperatur (tL) in Verbindung mit der gemessenen Oberflächentemperatur (tK) des Kühlers (8) die Kälteanlage steuert.
4. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Temperatursensor (2) zwischen den Kühllamellen
(17) des Kühlers (8) im Verdampfer (9) der Kälteanlage angeordnet ist.
5. Steuervorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, wobei die Steuereinheit (1) den Verdichter
(4), die Abtauheizung (6) und den Ventilator (3) im Verdampfer (9) einer Kälteanlage
in Abhängigkeit von dem gemessenen Temperaturwert (tK) an der Kühleroberfläche steuert.
6. Steuervorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, wobei die Steuereinheit (1) die über
den Korrekturwert ermittelte Kühllufttemperatur (tL) als Raumlufttemperatur in einem Display anzeigt und gegebenenfalls speichert und
protokolliert.