WO2009080415A1 - Verfahren zur leistungsregelung einer sorptionskälteanlage und vorrichtung hierfür - Google Patents

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brine
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Thomas BÜTTNER
Walter Mittelbach
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Sortech Ag
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    • F25B17/083—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type the absorbent or adsorbent being a solid, e.g. salt with two or more boiler-sorbers operating alternately
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Definitions

  • the invention relates to a method for power control of a sorption refrigeration system according to claim 1 and a device therefor according to the preamble of claim 4.
  • cyclic charging of an adsorber unit is carried out firstly with a hot fluid, in particular hot water, for desorbing and expelling an adsorbate and secondly with a cold fluid for removing the resulting heat of adsorption.
  • a condenser with a coolant for example cooling water
  • an evaporator with a coolant fluid flows through substantially continuously.
  • the admission of the adsorber usually takes place by means of controlled changeover valves.
  • the control of the valves is carried out by a control unit.
  • a fixed time cycle is generally specified for this purpose, so that adsorptions and desorptions are carried out in a defined, suitably predeterminable, but fixed time constant during the course of the process.
  • phases are run through in a cyclical process.
  • an adsorbate is adsorbed in the adsorber unit, whereby heat is released.
  • a desorption and expulsion of the adsorbate wherein heat is absorbed.
  • use is made of divided adsorber units in which a first adsorber performs adsorption and a second adsorber desorbs.
  • the achievable cooling capacities and the efficiencies (COP) of the plant are correlated with the periods of the sorption phases. Short phase durations mean that the adsorptions and desorptions tend to be incomplete. This requires a high cooling capacity, but a reduced system efficiency (COP).
  • Prolonged phase durations result in more complete adsorption and desorption.
  • the cooling capacity is lower, but the system efficiency increases.
  • the sorption refrigeration system is based on a specific, more or less efficient ducked working point. However, this is rigid and can not react to changing operating conditions, for example, a fluctuating cooling load. The selected operating point is then no longer in the optimum range and the sorption refrigeration system is inefficient.
  • the object of the invention to provide a method for power control of a sorption refrigeration system, with the operating point of the system can be automatically and flexibly adapted to changing conditions and in particular the cooling capacity or the system efficiency remain in an optimum conditions of use conditions.
  • a temperature measurement of the refrigerant takes place in the return of the evaporator.
  • an averaged refrigerant carrier outlet temperature is calculated in conjunction with a comparison of the averaged refrigerant outlet temperature with a current refrigerant outlet temperature.
  • a control signal is triggered as a function of the difference between the averaged brine outlet temperature and the current brine outlet temperature.
  • the method aims to optimize the refrigeration capacity of the system by adjusting the duration of the adsorption process as a function of the instantaneous outlet temperature of the refrigerant.
  • the fact is exploited that the temperature of the brine increases with increasing length of the adsorption process because it becomes ineffective with increasing duration.
  • the mean value for the instantaneous outlet temperature of the refrigerant is the average outlet temperature of the refrigerant. This is a device constant obtained from the currently proceeding adsorption process or else can be specified in the particular adsorber present.
  • the sorption phase in the adsorber unit is essentially ended at a point in time when the difference between the averaged brine outlet temperature and the current brine outlet temperature disappears, ie, approaches zero.
  • the current outlet temperature of the brine corresponds to the average outlet temperature.
  • the fact is exploited that fluctuate at different passes of individual sorption, the current outlet temperatures of the refrigerant around the average outlet temperature around.
  • the intersection of both time courses then marks a point in time, from which the currently occurring adsorption loses effectiveness. If the adsorption process is terminated at this time, the cooling capacity achievable in the current adsorption phase is maximized.
  • the averaged brine outlet temperature may be specified as a brine temperature set point in one embodiment of the method.
  • the time duration of the first and third phases within the system can now be defined by specifying this setpoint.
  • a sorption refrigeration system comprises an adsorber, a condenser and an evaporator through which a refrigerant fluid flows with a valve device for the controlled admission of the adsorber device.
  • a temperature measuring device is provided in the return of the evaporator.
  • This is connected to a control unit, which has a computing element for determining a coolant outlet temperature averaged over at least one adsorption phase and a comparison element for comparing the averaged coolant outlet temperature with a current coolant outlet temperature.
  • an actuator is provided for setting the valve device as a function of the difference between the averaged brine outlet temperature and a current brine outlet temperature.
  • the adsorber expediently consists of an alternately loadable arrangement of a first adsorber and a second adsorber.
  • a first valve device regulating the flow to both adsorbers and a second valve device regulating the return of both adsorbers are provided.
  • the first and / or the second valve device consists of an arrangement of pairs switched 3-way switching valves.
  • the refrigerant fluid is water in one embodiment.
  • 3 to 5 are diagrams with typical time courses of the averaged and current refrigerant outlet temperature
  • FIG. 6 shows a sign function according to FIG. 5.
  • Fig. 1 shows a hydraulic circuit diagram of an exemplary sorption refrigeration system.
  • the sorption refrigeration system has a hot reservoir HT, a coolant reservoir MT and a coolant reservoir LT.
  • the hot reservoir includes a heating means for desorbing and expelling an adsorbate.
  • hot water is adopted as the heating means.
  • the coolant reservoir contains a fluid for removing the heat of adsorption. In the embodiments described below, water is used as the coolant.
  • the brine reservoir contains a fluid which is deprived of heat in an evaporator E.
  • the brine consists of cold water.
  • the coolant circuit consists of a between one outlet LT_IN of the refrigerant reservoir LT and an inlet E_IN of the evaporator E extending refrigerant feed line and between an outlet E_OUT of the evaporator and a return LT_OUT of the refrigerant reservoir LT extending refrigerant return line.
  • Adsorber As Adsorber nowadays a two-part arrangement of alternately acted and working in push-pull adsorbers Al and A2 is provided.
  • a brine return sensor T_LTS_OUT is connected, which measures the temperature of the refrigerant in the return of the evaporator E.
  • a coolant supply line Between an outlet MT_IN and an input C_IN of a capacitor C extends a coolant supply line. This is connected to a coolant return line extending between an output C_OUT of the capacitor C and a return MTJDUT of the coolant reservoir to a coolant circuit. In the coolant return line, a coolant return sensor T_MTS_OUT is connected, which measures the temperature of the coolant in the condenser return line.
  • a control unit SE registers the temperature signals from the refrigerant return sensor T_LTS_OUT and controls the operation of the valve devices described below.
  • a first valve device HV_IN controls the flow of the first adsorber Al and the second adsorber A2 with the hot water from the hot reservoir HT or with the cooling water from the coolant reservoir MT
  • a second valve device HV_OUT controls the return of the two adsorbers.
  • Each valve device contains three-way valves connected by the control unit as switching actuators.
  • the valve device HV_IN consists of a first three-way valve HV_A1_IN, which regulates the charging of the adsorber Al.
  • a middle connection AB of the Dreiwegeven- tils HV_A1_IN is coupled to an input A1_IN of the adsorber Al.
  • a wing A of this three-way valve opens into the coolant supply line of the coolant circuit, a wing B is connected to an outlet HT_IN of the hot reservoir HT.
  • the flow of the adsorber A2 is controlled.
  • the middle connection AB of this three-way valve is connected to the inlet A2_IN of the adsorber A2, the wing A is connected to the outlet HT_IN of the hot reservoir HT, the wing B coupled to the coolant supply line.
  • a second valve device HVJDUT controls the return of the first adsorber Al and second adsorber A2 to the hot reservoir HT and coolant reservoir MT.
  • the valve device HVJDUT consists of a first three-way valve HV_A1 JDUT for controlling the return from the adsorber Al.
  • a middle port AB of this three-way valve is coupled to the outlet AlJDUT of the adsorber Al.
  • a wing A of the three-way valve opens into the running between a condenser C and the cooling water reservoir MT coolant return line.
  • a wing B is connected to a return HTJDUT of the hot reservoir HT.
  • the middle port AB of this three-way valve is connected to the outlet A2JDUT of the adsorber A2.
  • the wing A of this three-way valve is coupled to the return HTJDUT of the hot reservoir HT.
  • the wing B opens into the running between the condenser C and the coolant reservoir MT coolant return line.
  • the adsorbers each carry out adsorption or desorption in push-pull.
  • the valve means are connected so that in the adsorber Al adsorption and in the adsorber A2 desorption is carried out.
  • the adsorber Al is supplied with coolant from the coolant supply line.
  • the coolant passes through the valve HV_A1JDUT, in particular from its center AB and its wings A in the coolant return line and flows there again to the coolant reservoir MT back.
  • the adsorber A2 is supplied with hot water from the hot reservoir HT via the valve HV_A2_IN, in particular via its wing A and its center AB.
  • the hot water then flows through the valve HV_A2_UT, in particular via its wing A and its center AB in the
  • FIG. 1a shows an example of a time-dependent temperature profile occurring in the adsorbers A1 and A2.
  • Time ti marks the beginning of the heat recovery phase, t 2 whose
  • the execution of the heat recovery takes place exclusively via a special combination of valve positions, so that no additional pump is required to transport the heat transfer fluid with the higher temperature from the adsorber Al to the adsorber A2.
  • valve HV_A1_IN is connected in the flow direction between the terminals A and AB and the valve HV_A1_OUT in the forward direction between the terminals AB and A.
  • the valve HV_A2_IN is correspondingly in the forward direction between the terminals A and AB and the valve HV_A2_OUT is connected in the forward direction between the terminals AB and B.
  • the cold recooling fluid flows from the coolant reservoir MT into the adsorber Al to be cooled, while its return is not conducted immediately into the coolant reservoir MT, but first into the return of the hot reservoir HT. This takes place until a defined temperature T x is established in the recooling fluid.
  • the currently cold adsorber A2 is connected to the flow of the hot reservoir HT, while the first still cold return from the adsorber A2 is heated and is led to reach a temperature T y in the return of the coolant reservoir MT.
  • the heat recovery phase is terminated at the time t 2 when the temperature difference between the temperatures T x and T y has reached a given value ⁇ T WR . Thereafter, a second sorption phase is initiated.
  • the valve devices are switched in the manner shown in FIG.
  • the three-way valve HV_A1_IN is now switched so that the inlet A1_IN of the adsorber Al is charged with hot water via its wing B and its middle part AB.
  • the three-way valve HV_A1_OUT is set so that a return flow from the outlet A1_OUT of the adsorber Al to the hot reservoir HT occurs.
  • the adsorber A2 is supplied with coolant from the coolant supply line.
  • the coolant passes through the valve HV_A2_OUT, in particular from its center AB and its wing B in the coolant return line and flows there again to the coolant reservoir MT back.
  • a desorption is now operated in the adsorber A2.
  • control unit SE registers the temperature of the refrigerant in the return flow of the evaporator E via the temperature sensor T_LTS_OUT and responds to the valve devices HV_IN and HV_OUT in dependence on the temperature profile measured in the process.
  • the diagram in Fig. 3 illustrates this. Shown is a temperature of the refrigerant applied over time. At the temperature sensor, a time characteristic of the current coolant temperature T act is measured and transmitted to the control unit. The control unit calculates in an arithmetic unit RE contained therein an averaged brine temperature Tg em and compares it in the comparison unit VG with the current temperature T act of the brine.
  • the beginning of a sorption phase is designated by the reference symbol A and the end of the sorption phase by the letter B.
  • the averaged temperature curve describes an average temperature curve in the brine during a sorption phase as determined from a series of sorption cycles. As can be seen from the diagram, the temperature of the brine first drops steeply over time and approaches a constant final value towards the end of the sorption phase. At shut-off time B, the temperature of the brine rises again abruptly and approaches a temporary maximum value before a re-sorption phase begins.
  • the temperature T akt of the cooling carrier currently measured during a single sorption phase can differ significantly from the average temperature T gem over its time course.
  • the current temperature reaches between see the sorption phases a significantly higher maximum and undergo during the sorption phase lying well below the averaged temperature curve minimum.
  • the current brine temperature continuously rises during the sorption phase, cuts the curve of the averaged temperature Tg em at time B 1 and exceeds it by time B. This means that the cooling capacity in the sorption phase decreases between time B 1 and time B ,
  • the sorption phase is terminated at time B 1 .
  • the control unit continuously compares the current temperature of the refrigerant in the comparison member and outputs at the time B 1 a control pulse to the valve devices HV_IN and HV_OUT, ie to the three-way valves HV_A1_IN, HV_A2_IN, HV_A1_OUT and HV_A2_OUT contained therein, so that the sorption at least in one the two adsorbers are stopped.
  • the time span defined by the interval between A and B 1 can be established by a suitable specification of the averaged brine temperature.
  • a parallel shift of the averaged temperature curve to lower temperatures shortens the duration of the sorption phase.
  • the sorption phase then ends at a new time B 2 .
  • the system efficiency is thereby reduced, but the achievable cooling capacity increases.
  • a parallel shift, which is not shown here, of the averaged temperature curve to higher temperatures leads in a corresponding manner to an opposite effect.
  • FIG. 5 shows an averaged temperature curve in the form of a temporally constant simple threshold value.
  • a temperature specification can be realized most easily.
  • two intersections between the curve of the current brine temperature and the line of the threshold value are possible with such a threshold value, which are designated in the figure by the reference symbols B 1 and B 3 .
  • the sign of the difference in the expression T akt -T gem can be evaluated in the control unit.
  • the varying by different conditions of use potential for cooling the sorption refrigeration system is taken into account by the length of the sorbent phases and thus the duty cycle of the system is automatically regulated by the system itself by the control using the predetermined temperature of the refrigerant. This ensures that, starting from the predetermined setpoint temperature of the refrigerant, there is always a mode of operation optimized for the plant efficiency, with the duration of the working cycles being variably adjusted.
  • HV_A1_IN Three-way valve for adsorber 1
  • HV_A2_IN Three-way valve for adsorber 2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung einer Sorptionskälteanlage mit einer Adsorbereinheit, einem Kondensator (C) und einem mit einem Kälteträgerfluid (KT) durchströmten Verdampfer (E) mit einer Wechselbeaufschlagung der Adsorbereinheit durch eine über eine Steuereinheit betriebene Ventileinrichtung (HV_IN, HV_OUT) mit einem Kreisprozess aus mindestens einer Sorptionsphase und mindestens einer Wärmerückgewinnungsphase, wobei im Rücklauf des Verdampfers ein Messen einer aktuellen Kälteträgeraustrittstemperatur (Takt) erfolgt, während der ersten und zweiten Sorptionsphase eine Berechnung einer gemittelten Kälteträgeraustrittstemperatur (Tgem) mit einem Vergleich mit der aktuellen Kälteträgeraustrittstemperatur (Takt) ausgeführt wird und ein Steuersignal zu der Beendigung der Sorptionsphase in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der gemittelten Kälteträgeraustrittstemperatur (Tgem) und der aktuellen Kälteträgeraustrittstemperatur (Takt) ausgelöst wird. Es wird eine entsprechende Vorrichtung angegeben.

Description

Verfahren zur Leistungsregelung einer Sorptionskälteanlage und
Vorrichtung hierfür
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung einer Sorptionskälteanlage nach dem Anspruch 1 und eine Vorrichtung hierfür nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Bei Sorptionskälteanlagen, insbesondere Adsorptionswärmepumpen oder Adsorptionskältemaschinen, wird ein zyklisches Beaufschlagen einer Adsorbereinheit zum einen mit einem heißen Fluid, insbesondere Heißwasser, zum Desorbieren und Austreiben eines Adsorbats und zum anderen mit einem kalten Fluid zum Abführen der anfallenden Adsorptionswärme ausgeführt. Dabei werden ein Kondensator mit einem Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, und ein Verdampfer mit einem Kälteträgerfluid im wesentlichen kontinuierlich durchströmt.
Die Beaufschlagung der Adsorbereinheit erfolgt üblicherweise mittels gesteuerter Umschaltventile. Die Ansteuerung der Ventile erfolgt durch eine Steuereinheit. Nach dem Stand der Technik wird hierfür in der Regel ein fester Zeittakt vorgegeben, sodass in einer definierten, zweckmäßig vorgebbaren, aber während des Prozessverlaufs fixen Zeitkonstante Adsorptionen und Desorptionen ausgeführt werden.
Hierzu werden nach dem Stand der Technik Phasen in einem zyklischen Prozess durchlaufen. In der ersten Phase wird in der Adsorbereinheit ein Adsorbat adsorbiert, wobei Wärme abgegeben wird. In einer zweiten Phase erfolgt eine Desorption und ein Austreiben des Adsorbats, wobei Wärme aufgenommen wird. Meist wird auf geteilte Adsorbereinheiten zurückgegriffen, bei denen ein erster Adsorber eine Adsorption und ein zweiter Adsorber eine Desorption ausführt.
Die dabei erreichbaren Kälteleistungen und die Wirkungsgrade (COP) der Anlage sind dabei mit den Zeitdauern der Sorptionsphasen korreliert. Kurze Phasendauern bedeuten, dass die Adsorptionen und Desorptionen tendenziell unvollständig ausgeführt werden. Dies bedingt eine hohe Kälteleistung, aber einen herabgesetzten Anlagewirkungsgrad (COP).
Verlängerte Phasendauern bedingen ein vollständigeres Adsorbieren und Desorbieren. Die Kälteleistung ist dabei geringer, der Anlagewirkungsgrad steigt dabei jedoch. Bei der im Stand der Technik üblichen fixen Vorgabe der Zeitkonstanten für die jeweiligen Phasen ist die Sorptionskälteanlage auf einen bestimmten, mehr oder weniger effizi- enten Arbeitspunkt festgelegt. Dieser ist jedoch starr und kann auf wechselnde Einsatzbedingungen, zum Beispiel eine schwankende Kühllast, nicht reagieren. Der gewählte Arbeitspunkt liegt dann nicht mehr im optimalen Bereich und die Sorptionskälteanlage arbeitet ineffizient.
Es ergibt sich aus dem Vorgenannten die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Leistungsregelung einer Sorptionskälteanlage anzugeben, mit dem der Arbeitspunkt der Anlage selbsttätig und flexibel auf wechselnde Einsatzbedingungen angepasst werden kann und insbesondere die Kälteleistung bzw. der Anlagenwirkungsgrad in einem den Einsatzbedingungen entsprechenden Optimum verbleiben.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zur Leistungsregelung einer Sorptionskälteanlage gemäß der Lehre des Anspruchs 1 und einer Sorptionskälteanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 4, wobei die jeweiligen Unteransprüche zweckmäßige bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung enthalten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Verbindung mit den eingangs genannten Verfahrensschritten erfolgt eine Temperaturmessung des Kälteträgers im Rücklauf des Verdampfers. In der Sorptionsphase erfolgt eine Berechnung einer gemittelten Kälte- trägeraustrittstemperatur in Verbindung mit einem Vergleich der gemittelten Kälteträ- geraustrittstemperatur mit einer aktuellen Kälteträgeraustrittstemperatur.
Zur Beendigung der Sorptionsphase wird in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der gemittelten Kälteträgeraustrittstemperatur und der aktuellen Kälteträgeraustrittstemperatur ein Steuersignal ausgelöst.
Das Verfahren zielt darauf ab, die Kälteleistung der Anlage dadurch zu optimieren, indem die Zeitdauer des Adsorptionsprozesses in Abhängigkeit von der momentanen Austrittstemperatur des Kälteträgers eingestellt wird. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass die Temperatur des Kälteträgers mit zunehmender Länge des Adsorptionsprozesses ansteigt, weil dieser bei zunehmender Zeitdauer ineffektiv wird. Als Vergleichsgröße für die momentane Austrittstemperatur des Kälteträgers dient dabei die gemittelte Austrittstemperatur des Kälteträgers. Diese ist eine aus dem gegenwärtig ablaufenden Adsorptionsprozess gewonnene oder auch vorgebbare Gerätekonstante des jeweils vorliegenden Adsorbers. Bevorzugt wird die Sorptionsphase in der Adsorbereinheit im wesentlichen zu einem Zeitpunkt beendet, wenn die Differenz zwischen der gemittelten Kälteträgeraustritts- temperatur und der aktuellen Kälteträgeraustrittstemperatur verschwindet, d. h. gegen Null geht.
An diesem Punkt entspricht die aktuelle Austrittstemperatur des Kälteträgers der gemittelten Austrittstemperatur. Bei einer solchen Vorgehensweise wird der Umstand ausgenutzt, dass bei verschiedenen Durchläufen einzelner Sorptionsphasen die aktuellen Austrittstemperaturen des Kälteträgers um die gemittelte Austrittstemperatur herum schwanken. Der Schnittpunkt beider Zeitverläufe markiert dann einen Zeitpunkt, ab dem die momentan ablaufende Adsorption an Effektivität verliert. Wird nun der Adsorptionsprozess an diesem Zeitpunkt beendet, maximiert sich die in der aktuell ablaufenden Adsorptionsphase erreichbare Kälteleistung.
Die gemittelte Kälteträgeraustrittstemperatur kann bei einer Ausführungsform des Verfahrens als ein Kälteträgertemperatursollwert vorgegeben werden. In Verbindung mit den genannten Verfahrensschritten kann nun über die Vorgabe dieses Sollwertes die Zeitdauer der ersten und dritten Phase innerhalb der Anlage festgelegt werden.
Der Ablauf der Adsorptionsphasen innerhalb der Anlage wird dadurch nicht mehr durch die Vorgabe von für die Kälteleistung nicht ursächlich relevanten Zeitdauern der einzelnen Phasen bestimmt, sondern durch einen die Wirkung der Anlage eindeutiger beschreibenden Betriebsparameter in Form einer Temperatur, auf den sich die Anlage wie beschrieben selbsttätig einregelt.
Eine Sorptionskälteanlage umfasst eine Adsorbereinrichtung, einen Kondensator und einen mit einem Kälteträgerfluid durchströmten Verdampfer mit einer Ventileinrichtung zur gesteuerten Beaufschlagung der Adsorbereinrichtung. Erfindungsgemäß ist im Rücklauf des Verdampfers eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen. Diese ist mit einer Steuereinheit verbunden, die ein Rechenglied zum Bestimmen einer über mindestens eine Adsorptionsphase gemittelten Kälteträgeraustrittstemperatur und ein Vergleichsglied zum Vergleich der gemittelten Kälteträgeraustrittstemperatur mit einer aktuellen Kälteträgeraustrittstemperatur aufweist. Weiterhin ist ein Aktor zum Stellen der Ventileinrichtung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der gemittelten Kälteträgeraustrittstemperatur und einer aktuellen Kälteträgeraustrittstemperatur vorgesehen. Die Adsorbereinrichtung besteht zweckmäßigerweise aus einer wechselnd beaufschlagbaren Anordnung aus einem ersten Adsorber und einem zweiten Adsorber.
In Verbindung damit ist eine den Vorlauf zu beiden Adsorbern regulierende erste Ventileinrichtung und eine den Rücklauf von beiden Adsorbern regulierende zweite Ventileinrichtung vorgesehen.
Die erste und/oder die zweite Ventileinrichtung besteht aus einer Anordnung aus jeweils paarweise geschalteten 3-Wege-Umschaltventilen. Das Kälteträgerfluid ist bei einer Ausführungsform Wasser.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Sorptionskältemaschine sollen nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen näher beschrieben werden. Es werden für gleiche oder gleichwirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten Figuren 1 bis 6.
Es zeigen:
Fig. 1 einen beispielhaften hydraulischen Schaltplan in der ersten Sorptionsphase,
Fig. Ia einen beispielhaften Temperaturverlauf während einer Wärmerückgewinnungsphase,
Fig. 2 einen hydraulischen Schaltplan in der zweiten Sorptionsphase,
Fig. 3 bis 5 Diagramme mit typischen Zeitverläufen der gemittelten und aktuellen Kältemittelaustrittstemperatur und
Fig. 6 eine Vorzeichenfunktion gemäß Figur 5.
Fig. 1 zeigt einen hydraulischen Schaltplan einer beispielhaften Sorptionskälteanlage. In diesem Schaltplan sind die Flüsse während der ersten Sorptionsphase hervorgehoben. Die Sorptionskälteanlage weist ein Heißreservoir HT, ein Kühlmittelreservoir MT und ein Kälteträgerreservoir LT auf. Das Heißreservoir beinhaltet ein Heizmittel zum Desorbieren und Austreiben eines Adsorbats. In den folgenden Ausführungsformen wird als Heizmittel Heißwasser angenommen. Das Kühlmittelreservoir enthält ein Fluid zum Abführen der Adsorptionswärme. In den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen wird als Kühlmittel Wasser verwendet.
Das Kälteträgerreservoir enthält ein Fluid, dem in einem Verdampfer E Wärme entzogen wird. Bei den nachfolgenden Ausführungsformen besteht der Kälteträger aus Kaltwasser. Der Kälteträgerkreislauf besteht aus einer zwischen einem Auslass LT_IN des Kälteträgerreservoirs LT und einem Eingang E_IN des Verdampfers E verlaufenden Kälteträgervorlaufleitung und einer zwischen einem Ausgang E_OUT des Verdampfers und einem Rücklauf LT_OUT des Kälteträgerreservoirs LT verlaufenden Kälteträgerrücklaufleitung.
Als Adsorbereinrichtung ist eine zweiteilige Anordnung aus wechselnd beaufschlagten und im Gegentakt arbeitenden Adsorbern Al und A2 vorgesehen.
In die Kälteträgerrücklaufleitung ist ein Kälteträgerrücklaufsensor T_LTS_OUT geschaltet, der die Temperatur des Kälteträgers im Rücklauf des Verdampfers E misst.
Zwischen einem Auslass MT_IN und einem Eingang C_IN eines Kondensators C verläuft eine Kühlmittelvorlaufleitung. Diese ist mit einer zwischen einem Ausgang C_OUT des Kondensators C und einem Rücklauf MTJDUT des Kühlmittelreservoirs verlaufenden Kühlmittelrücklaufleitung zu einem Kühlmittelkreislauf geschaltet. In der Kühlmittelrücklaufleitung ist ein Kühlmittelrücklaufsensor T_MTS_OUT geschaltet, der die Temperatur des Kühlmittels im Kondensatorrücklauf misst.
Eine Steuereinheit SE registriert die Temperatursignale vom Kälteträgerrücklaufsensor T_LTS_OUT und steuert den Betrieb der nachfolgend beschriebenen Ventileinrichtungen.
Es sind zwei Ventileinrichtungen zur Steuerung der Sorptionskälteanlage vorgesehen. Eine erste Ventileinrichtung HV_IN steuert den Vorlauf des ersten Adsorbers Al und des zweiten Adsorbers A2 mit dem Heißwasser aus dem Heißreservoir HT bzw. mit dem Kühlwasser aus dem Kühlmittelreservoir MT, eine zweite Ventileinrichtung HV_OUT steuert den Rücklauf der beiden Adsorber. Jede Ventileinrichtung enthält von der Steuereinheit geschaltete Dreiwegeventile als Schaltaktoren.
Die Ventileinrichtung HV_IN besteht aus einem ersten Dreiwegeventil HV_A1_IN, das das Beschicken des Adsorbers Al regelt. Ein mittlerer Anschluss AB des Dreiwegeven- tils HV_A1_IN ist mit einem Eingang A1_IN des Adsorbers Al gekoppelt. Ein Flügel A dieses Dreiwegeventils mündet in die Kühlmittelvorlaufleitung des Kühlmittelkreislaufs, ein Flügel B ist mit einem Auslass HT_IN des Heißreservoirs HT verbunden.
Über ein in der Ventileinrichtung HV_IN angeordnetes zweites Dreiwegeventil HV_A2_IN wird der Vorlauf des Adsorbers A2 geregelt. Der mittlere Anschluss AB dieses Dreiwegeventils ist mit dem Eingang A2_IN des Adsorbers A2 verbunden, der Flügel A ist mit dem Auslass HT_IN des Heißreservoirs HT verbunden, der Flügel B mit der Kühlmittelvorlaufleitung gekoppelt.
Eine zweite Ventileinrichtung HVJDUT steuert den Rücklauf des ersten Adsorbers Al und zweiten Adsorbers A2 zum Heißreservoir HT und Kühlmittelreservoir MT. Die Ventileinrichtung HVJDUT besteht aus einem ersten Dreiwegeventil HV_A1 JDUT zum Steuern des Rücklaufs aus dem Adsorber Al. Ein mittlerer Anschluss AB dieses Dreiwegeventils ist mit dem Ausgang AlJDUT des Adsorbers Al gekoppelt. Ein Flügel A des Dreiwegeventils mündet in die zwischen einem Kondensator C und dem Kühlwasserreservoir MT verlaufende Kühlmittelrücklaufleitung ein. Ein Flügel B ist mit einem Rücklauf HTJDUT des Heißreservoirs HT verbunden.
In zweites Dreiwegeventil HV_A2JDUT steuert den Rücklauf des Adsorbers A2. der mittlere Anschluss AB dieses Dreiwegeventils ist mit dem Ausgang A2JDUT des Adsorbers A2 verbunden. Der Flügel A dieses Dreiwegeventils ist mit dem Rücklauf HTJDUT des Heißreservoirs HT gekoppelt. Der Flügel B mündet in die zwischen den Kondensator C und dem Kühlmittelreservoir MT verlaufende Kühlmittelrücklaufleitung.
Die Adsorber führen jeweils im Gegentakt Adsorptionen bzw. Desorptionen aus. Bei der in Fig. 1 gezeigten ersten Sorptionsphase sind die Ventileinrichtungen so geschaltet, dass im Adsorber Al eine Adsorption und im Adsorber A2 eine Desorption ausgeführt wird. Über das Ventil HV_A1_IN, insbesondere über dessen geöffneten Flügel A und das Mittelstück AB, wird der Adsorber Al mit Kühlmittel aus der Kühlmittelvorlaufleitung versorgt. Das Kühlmittel gelangt über das Ventil HV_A1JDUT, insbesondere von dessen Mittelstück AB und dessen Flügel A in die Kühlmittelrücklaufleitung und fließt dort wieder zum Kühlmittelreservoir MT zurück.
Zum Ausführen der Desorption wird der Adsorber A2 über das Ventil HV_A2_IN, insbesondere über dessen Flügel A und dessen Mittelstück AB mit Heißwasser aus dem Heißreservoir HT versorgt. Das Heißwasser fließt anschließend über das Ventil HV_A2_0UT, insbesondere über dessen Flügel A und dessen Mittelstück AB in das
Heißreservoir HT zurück.
In der nachfolgenden Wärmerückgewinnungsphase findet nun ein Wärmeübergang vom Adsorber Al zum Adsorber A2 statt. Fig. Ia zeigt einen sich dabei einstellenden beispielhaften zeitabhängigen Temperaturverlauf in den Adsorbern Al und A2. Der
Zeitpunkt ti markiert dabei den Beginn der Wärmerückgewinnungsphase, t2 deren
Ende.
Die Ausführung der Wärmerückgewinnung erfolgt ausschließlich über eine spezielle Kombination der Ventilstellungen, sodass keine zusätzliche Pumpe erforderlich ist, um das Wärmeträgerfluid mit der höheren Temperatur vom Adsorber Al zum Adsorber A2 zu transportieren.
Vielmehr wird das Ventil HV_A1_IN in Durchflussrichtung zwischen den Anschlüssen A und AB und das Ventil HV_A1_OUT in Durchlassrichtung zwischen den Anschlüssen AB und A geschaltet. Das Ventil HV_A2_IN steht entsprechend dazu in Durchlassrichtung zwischen den Anschlüssen A und AB und das Ventil HV_A2_OUT ist in Durchlassrichtung zwischen den Anschlüssen AB und B geschaltet.
Bei diesen Ventilstellungen strömt das kalte Rückkühlfluid aus dem Kühlmittelreservoir MT in den zu kühlenden Adsorber Al, während dessen Rücklauf nicht sofort in das Kühlmittelreservoir MT, sondern zunächst in den Rücklauf des Heißreservoirs HT geführt wird. Dies erfolgt so lange, bis sich eine definierte Temperatur Tx im Rückkühlfluid einstellt. Gleichzeitig wird der momentan kalte Adsorber A2 mit dem Vorlauf des Heißreservoirs HT verbunden, während der zunächst noch kalte Rücklauf aus dem Adsorber A2 sich erwärmt und bis zum Erreichen einer Temperatur Ty in den Rücklauf des Kühlmittelreservoirs MT geführt wird.
Die Wärmerückgewinnungsphase wird dann zu dem Zeitpunkt t2 beendet, wenn die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen Tx und Ty einen gegebenen Wert ΔTWR erreicht hat. Danach wird eine zweite Sorptionsphase eingeleitet.
Bei der zweiten Sorptionsphase werden die Ventileinrichtungen in der in Fig. 2 dargestellten Weise geschaltet. In dem Adsorber Al wird nun eine Desorption betrieben. Das Dreiwegeventil HV_A1_IN wird nun so geschaltet, dass über dessen Flügel B und dessen Mittelteil AB der Eingang A1_IN des Adsorbers Al mit Heißwasser beschickt wird. Entsprechend wird das Dreiwegeventil HV_A1_OUT so gestellt, dass ein Rück- fluss vom Ausgang A1_OUT des Adsorbers Al zum Heißreservoir HT erfolgt. Über das Ventil HV_A2_IN, insbesondere über dessen geöffneten Flügel B und das Mittelstück AB, wird der Adsorber A2 mit Kühlmittel aus der Kühlmittelvorlaufleitung versorgt. Das Kühlmittel gelangt über das Ventil HV_A2_OUT, insbesondere von dessen Mittelstück AB und dessen Flügel B in die Kühlmittelrücklaufleitung und fließt dort wieder zum Kühlmittelreservoir MT zurück. Damit wird nun in dem Adsorber A2 eine Desorption betrieben.
Bei einer darauf folgenden Wärmerückgewinnungsphase werden die Ventile so geschaltet, dass eine Wärmerückgewinnung vom Adsorber A2 zum Adsorber Al erfolgt. Die bereits im Zusammenhang mit Fig. Ia gemachten Angaben sind nun dementsprechend auszulegen.
Die Steuereinheit SE registriert während der Sorptionsphasen über den Temperatursensor T_LTS_OUT die Temperatur des Kälteträgers im Rücklauf des Verdampfers E und spricht die Ventileinrichtungen HV_IN und HV_OUT in Abhängigkeit von dem dabei gemessenen Temperaturverlauf an.
Das Diagramm im Fig. 3 illustriert dies. Dargestellt ist eine über der Zeit aufgetragene Temperatur des Kälteträgers. Am Temperatursensor wird ein Zeitverlauf der aktuellen Kälteträgertemperatur Takt gemessen und an die Steuereinheit übertragen. Die Steuereinheit errechnet in einer darin enthaltenen Recheneinheit RE eine gemittelte Kälteträgertemperatur Tgem und vergleicht diese in der Vergleichseinheit VG mit der aktuellen Temperatur Takt des Kälteträgers.
In dem Diagramm ist der Beginn einer Sorptionsphase mit dem Bezugszeichen A und das Ende der Sorptionsphase mit dem Buchstaben B bezeichnet. Die Kurve der gemit- telten Temperatur beschreibt einen aus einer Reihe von Sorptionszyklen ermittelten durchschnittlichen Temperaturverlauf im Kälteträger während einer Sorptionsphase. Wie aus dem Diagramm zu entnehmen ist, fällt die Temperatur des Kälteträgers im Zeitverlauf zunächst steil ab und nähert sich gegen Ende der Sorptionsphase einem konstanten Endwert. Zum Abschaltzeitpunkt B steigt die Temperatur des Kälteträgers erneut sprunghaft an und nähert sich einem vorübergehenden Maximalwert, bevor eine erneute Sorptionsphase einsetzt.
Die bei einer einzelnen Sorptionsphase aktuell gemessene Temperatur Takt des Kühlträgers kann sich in ihrem Zeitverlauf deutlich von der mittleren Temperatur Tgem unterscheiden. Bei dem hier gezeigten Beispiel erreicht die aktuelle Temperatur zwi- sehen den Sorptionsphasen ein deutlich höheres Maximum und durchläuft während der Sorptionsphase ein deutlich unter der gemittelten Temperaturkurve liegendes Minimum. Die aktuelle Kälteträgertemperatur steigt danach während der Sorptionsphase kontinuierlich an, schneidet im Zeitpunkt B1 die Kurve der gemittelten Temperatur Tgem und übersteigt diese bis zum Zeitpunkt B. Dies bedeutet, dass die Kälteleistung in der Sorptionsphase zwischen dem Zeitpunkt B1 und dem Zeitpunkt B absinkt.
Erfindungsgemäß wird nun die Sorptionsphase am Zeitpunkt B1 beendet. Die Steuereinheit vergleicht dazu fortlaufend die aktuelle Temperatur des Kälteträgers in dem Vergleichsglied und gibt im Zeitpunkt B1 einen Steuerimpuls an die Ventileinrichtungen HV_IN und HV_OUT, d.h. an die darin enthaltenen Dreiwegeventile HV_A1_IN, HV_A2_IN, HV_A1_OUT und HV_A2_OUT, aus, sodass die Sorptionsvorgänge mindestens in einem der beiden Adsorber beendet werden.
Aus dem Diagramm in Fig. 4 ist zu entnehmen, dass die durch das Intervall zwischen A und B1 definierte Zeitspanne durch eine zweckmäßige Vorgabe der gemittelten Kälteträgertemperatur festgelegt werden kann. Eine Parallelverschiebung der gemittelten Temperaturkurve zu niedrigeren Temperaturen verkürzt die Zeitdauer der Sorptionsphase. Die Sorptionsphase endet dann zu einem neuen Zeitpunkt B2. Der Anlagenwirkungsgrad ist dadurch verringert, die erreichbare Kälteleistung erhöht sich jedoch. Eine hier nicht dargestellte Parallelverschiebung der gemittelten Temperaturkurve zu höheren Temperaturen führt in entsprechender Weise zu einem dazu gegenteiligen Effekt.
Fig. 5 zeigt eine gemittelte Temperaturkurve in Form eines zeitlich konstanten einfachen Schwellwertes. Eine derartige Temperaturvorgabe lässt sich am einfachsten realisieren. Bei einem derartigen Schwellwert sind prinzipiell zwei Schnittpunkte zwischen der Kurve der aktuellen Kälteträgertemperatur und der Linie des Schwellwertes möglich, die in der Figur mit den Bezugszeichen B1 und B3 bezeichnet sind. Zur Auswahl des richtigen Schnittpunktes zwischen beiden Kurven, d.h. des für die Beendigung der Sorptionsphase richtigen Zeitpunktes, kann in der Steuereinheit das Vorzeichen der Differenz in dem Ausdruck Takt - Tgem ausgewertet werden.
Fig. 6 zeigt die Vorzeichenfunktion sign( Takt - Tgem) gemäß den Kurven aus Fig. 5.
Es ist erkennbar, dass im Zeitpunkt B3 ein Vorzeichensprung von + nach - erfolgt, während sich der Zeitpunkt B1 durch einen Sprung der Vorzeichenfunktion von - nach + auszeichnet. Bei einer zeitlich hinreichend engen Registrierung der aktuellen Kälteträgertemperatur kann der an den Zeitpunkten B3 und B1 erfolgende Vorzeichenwechsel der Differenz zusammen mit seiner Richtung quasi instantan festgestellt und die entsprechenden Steuerimpulse an die Ventileinrichtungen ausgegeben werden.
Die vorhergehend beschriebenen Vorgehensweisen bieten einen gegenüber konventionellen Anlagen entscheidenden Vorteil. Durch die Kenntnis der gemittelten Temperatur des Kälteträgers und der damit verbundenen Regelung wird das Einstellen einer maximalen Kälteleistung möglich. Desweiteren ist bei einer derartigen Regelung das exakte Vorgeben und Einhalten von Sollwerten der Kälteträgertemperatur möglich. Bei einer entsprechenden Wahl eines Sollwertes werden die Sorptionsphasen länger ausgefahren, wodurch sich der Anlagenwirkungsgrad verbessert, aber geringere Kälteleistungen bei insgesamt gesteigerter Effizienz möglich sind. Durch die Wahl des Sollwertes ist eine bedarfsgerechte Kälteerzeugung möglich.
Das durch unterschiedliche Einsatzbedingungen variierende Potential zur Kälteerzeugung der Sorptionskälteanlage wird dadurch berücksichtigt, indem durch die Steuerung mithilfe der einmal vorgegebenen Solltemperatur des Kälteträgers die Länge der Sorptionsphasen und damit des Arbeitszyklus der Anlage selbständig durch die Anlage selbst reguliert wird. Damit wird erreicht, dass ausgehend von der vorgegebenen Solltemperatur des Kälteträgers stets eine auf den Anlagenwirkungsgrad hin optimierte Betriebsweise erfolgt, wobei die Zeitdauer der Arbeitszyklen variabel angepasst sind.
Durch die Vorgabe eines festen Sollwertes für die Kälteträgertemperatur kann somit auch ein optimaler Betrieb der Sorptionskälteanlage bei unterschiedlich ausgebildeten Kühlstellen, d.h. unterschiedlichen Arten von Kälteabnehmern, gewährleistet werden. Dies betrifft insbesondere in den Kälteträgerkreislauf integrierte Wärmetauscherlüftereinheiten mit einer Temperatur von beispielsweise 12°C am Auslass LT_IN des Kälteträgerreservoirs und 7°C am Rücklauf LTJDUT des Kälteträgerreservoirs im Vergleich zu Kühldeckenanordnungen in Raumwänden, Böden und Decken, bei denen sich die Temperatur im Kälteträgerkreislauf zwischen dem Auslass LT_IN und dem Rücklauf LT_OUT beispielsweise in einem Bereich von 18°C und 15°C ändert.
Bezugszeichenliste
Al erster Adsorber
A2 zweiter Adsorber HT Heißreservoir
HV_IN Vorlauf-Ventileinrichtung
HV_A1_IN Dreiwegeventil für Adsorber 1 HV_A2_IN Dreiwegeventil für Adsorber 2
HVJDUT Rücklauf-Ventileinrichtung HV_A1_OUT Dreiwegeventil für Adsorber 1 HV_A2_OUT Dreiwegeventil für Adsorber 2
MT Kühlmittelreservoir
MT_IN Auslass
MT_OUT Rücklauf
LT Kälteträgerreservoir
LT_IN Auslass
LTJDUT Rücklauf
E Verdampfer
E_IN Verdampfereingang
EJDUT Verdampferausgang
C Kondensator
C_IN Eingang
CJDUT Ausgang
SE Steuereinheit
TJ.TSJDUT Kälteträgerrücklaufsensor T MTS OUT Kühlmittelrücklaufsensor

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Leistungsregelung einer Sorptionskälteanlage mit einer Adsorber- einheit (Al, A2), einem Kondensator (C) und einem mit einem Kälteträgerfluid (KT) durchströmten Verdampfer (E), mit einer Wechselbeaufschlagung der Adsor- bereinheit durch eine über eine Steuereinheit betriebene Ventileinrichtung (HV_IN, HV_OUT) sowie mit einem Kreisprozess aus mindestens einer Sorptionsphase und mindestens einer Wärmerückgewinnungsphase, wobei
- im Rücklauf des Verdampfers ein Messen einer aktuellen Kälteträgeraustritts- temperatur (Takt) erfolgt,
- während der ersten und zweiten Sorptionsphase eine Berechnung einer gemit- telten Kälteträgeraustrittstemperatur (Tgem) mit einem Vergleich mit der aktuellen Kälteträgeraustrittstemperatur (Takt) ausgeführt wird und
- ein Steuersignal zu der Beendigung der Sorptionsphase in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der gemittelten Kälteträgeraustrittstemperatur (Tgem) und der aktuellen Kälteträgeraustrittstemperatur (Takt) ausgelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionsphase in der Adsorbereinheit im wesentlichen zu einem Zeitpunkt beendet wird, wenn die Differenz zwischen der gemittelten Kälteträgeraustrittstemperatur (Tgem) und der aktuellen Kälteträgeraustrittstemperatur (Takt) verschwindet.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemittelte Kälteträgeraustrittstemperatur (Tgem) als ein Kälteträgertemperatursollwert (Tsoii) vorgegeben und die Dauer der Sorptionsphase über das Einstellen des Kälteträgertemperatursollwerts bestimmt wird.
4. Sorptionskältevorrichtung, umfassend eine Adsorbereinrichtung, einen Kondensator (C) und einen mit einem Kälteträgerfluid (KT) durchströmten Verdampfer (E) mit einer Ventileinrichtung (HV_IN, HVJDUT) zur gesteuerten Beaufschlagung der Adsorbereinrichtung, gekennzeichnet durch eine im Rücklauf des Verdampfers angeordnete Temperaturmesseinrichtung in
Form eines Kälteträgerrücklaufsensors (T_LTS_OUT), eine Steuereinheit (SE) mit einer Recheneinheit (RE) zum Bestimmen einer über mindestens eine Adsorptionsphase gemittelten Kälteträgeraustrittstemperatur und einem Vergleichsglied (VG) zum Vergleich der gemittelten Kälteträgeraustrittstemperatur mit einer aktuellen Kälteträgeraustrittstemperatur und einem von der Steuereinheit betriebenen Aktor zum Stellen der Ventileinrichtung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der gemittelten Kälteträgeraustrittstemperatur und einer aktuellen Kälteträgeraustrittstemperatur.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorbereinrichtung aus einer wechselnd beaufschlagbaren Anordnung aus einem ersten Adsorber (Al) und einem zweiten Adsorber (A2) besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Vorlauf zu beiden Adsorbern regulierende ersten Ventileinrichtung (HV_IN) und eine den Rücklauf von den beiden Adsorbern regulierende zweiten Ventileinrichtung (HV_OUT) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Ventileinrichtung eine Anordnung aus jeweils paarweise geschalteten 3-Wege-Umschaltventilen (HV_A1_IN, HV_A2_IN, HV_A1_OUT, HV_A2_OUT) als Schaltungsaktoren aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteträgerfluid Wasser ist.
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