DE2611589A1

DE2611589A1 - Verfahren zur energieoptimalen regelung des verbundes von waermetauschern und den uebrigen teilen eines linkslaufenden kreisprozesses, insbesondere wasserrueckkuehlanlagen fuer kaelteanlagen

Info

Publication number: DE2611589A1
Application number: DE19762611589
Authority: DE
Inventors: Ekkehard B Dipl Ing Bretting
Original assignee: Individual
Current assignee: BRETTING, EKKEHARD B., DIPL.-ING., 7302 OSTFILDERN
Priority date: 1976-03-19
Filing date: 1976-03-19
Publication date: 1977-09-22

Description

Verfallron zur energieoptimalen Regelung des Verbündet; von Wärmetauschern und den übrigen Teilen eines linkslaufenden Kreisprozesses insbesondere Wasserrückkühlanlago für Kälteanlagen

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren, welches die Energieabgabe in Wärmetauschern auch unter unterschiedlichen Bedingungen des Wärmeaufnehmenden Mediums steuert. Dieses Regelvorfahren hat starke Rückwirkungen auf die Energieaufnahme des thermodynamischen Kreisprozesses z.B. bei Kälteanlagen für die Nahrungsmittelindustrie, zur Speiseeiserzeugung, bei Kühlhäusern und Schlachthäusern sowie bei Klimaanlagen.

Die Abwärme von Industrieanlagen muss durch die vielseitigen Wärmetauscher in einem irreversiblen Prozess an die Umgebung Luft, Wasser oder Erde abgegeben werden. Eine Kälteanlage z.B. muss die Kälteleistung zuzüglich der äquivalenten Motorleistung über den Verflüssiger an die Umgebung abgeben, wobei oft eine Wasserrückkühlanlage benutzt wird. Die Auslegung und der Betrieb der Wasserrückkühlanlagen wird oft nur für die Grenzfälle der Anlage festgelegt, ohne dass Methoden zur Energieeinsparungen bei wechselnden Betriebsbedingungen berücksichtigt werden. Im Beispiel der Wasserrückkühlung einer Kälteanlage mit den Hauptbestandteilen des Verdunstungsrückkühlers wird bisher mit festen Betriebspunkten (z.B. Sommer- und Wintereinstellung) gearbeitet, ohne dass die variablen meteorologischen Bedingungen des wärmeaufnehmenden Mediums Luft - wie Temperatur, relative Feuchte und Taupunkt - regeltechnisch berücksichtigt wurden. Die Hauptprobleme der Steuerung von Kälteanlagen beziehen sich bisher auf Gebiete wie automatische Temperaturhaltung, Abtauung der Verdampfer, Anfahrentlastung der Verdichter etc., ohne dass praktische Regeleinrichtungen zur Verbesserung des Wirkungsgrades angegeben werden. Eine wichtige Stelle zur Optimierung solcher Anlagen ist der Wärmetauscher zur Wärmeabgabe an die Umgebung.

Zwar gibt es Konstruktionen die auf verschiedene Betriebsverhältnisse ausgelegt sind, um Nebel- und Eisbildung zu verhindern (Offenlegungsschrift 1812111.D Klasse 17e.2/3o). Die darin enthaltene Regelung steuert zwar Wassertemperaturen, aber nicht das Niveau des Wärmetransportes in Abhängigkeit der meteorologischen Aussenbcdingungen. Der Erfindung liegt daher die Lösung der Aufgabe zugrunde, das Niveau des Wärmetransportes in Wärmetauschern und Wasserrückkühlanlagen

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kontinuierlich so zu steuern, dass der Energieverbrauch der Gesamtanlage bei wechselnden inneren und äusseren Bedingungen und unter Berücksichtigung der Bauart der Einzelteile ein Minimum wird. Angewendet auf das Beispiel eines Verdunstungsrückkühlers einer Kälteanlage liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Kondensationsniveau des Kältemittels so einzuregeln, dass bei gegebener Bauart des Riickkühlers (mit variabler Energieaufnahme für den Gegenstrom von Wasser und Luft) und verschiedenen Kälteleistungen der ein- oder mehrstufigen Kälteanlage die gesamte Antriebsenergie ein Minimum wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Temperaturniveau der Kondensation indirekt mit dem Temperaturniveau des Wärmetauschers mittels eines Regelgerätes so gesteuert wird, dass bei bestmöglicher Ausnutzung des Wärmetauschers der Unterschied zwischen Temperaturen des wärmeaufnehmenden Mediums und dem abgebenden Medium möglichst klein gehalten wird. Erfindungsgemäss regelt das Verfahren die Kaltwassertemperatur eines Verdunstungsrückkühlers kontinuierlich so nahe an die Feuchtlufttemperatur heran, wie es nach Bauart des Rückkühlers in Abhängigkeit von Austauschfläche, Wasser- und Luftmenge sinnvoll ist. Dazu wird mit einem Messwertaufnehmer die Feuchtlufttemperatur gemessen und zur Steuerung und Regelung der Luft- und Wassermengen weiterverarbeitet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, dass das Niveau der Wärmeabgabe und damit auch das Niveau der Kältemittelverflüssigung kontinuierlich soweit abgesenkt werden kann, um den Energiebedarf für die Aufrechterhaltung eines linkslaufenden Kreisprozesses soweit zu verringern, wie es nach den Aussenbedingungen möglich ist. Dies entspricht einer dauernden Optimierung des Wirkungsgrades und überwindet die bisher üblichen Festeinstellungen des Austauschniveaus, bei denen über lange Perioden der Betriebsdauer die Energieeinsparungen ungenützt bleiben. Als zusätzlichen Vorteil der Erfindung bringt die Erniedrigung des Verflüssigungsniveaus eine Erhöhung der spezifischen Kälteleistung und damit - bei konstantem Kälteverbrauch - eine Herabsetzung der Betriebsstunden für Anlagenteile mitsich. Dadurch reduzieren sich Wartung und Verschleiss der Anlagenteile.

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Ala Ausführungsbeispiel für dieses Regelsystem wird ein Wasscrrüekkühlwerk benützt, dessen Kenngrössen in der Figur 3 dargestellt sind. Dabei ist erkenntlich, dass dem schwankenden Verlauf der Temperatur T , welcher genügend genau die Grenztemperatur der Sättigung annähert, die Vorgabe für die Solltemperatur T _Ί mit dem Kühlgrenzabstand C₀ zugeordnet ist. Der Kühlgrenzabstand C₀ ist die Temperaturdifferenz, die durch die Grosse der Austauschfläche bestimmt wird. Die Regelung der Kaltwassertemperatur T erfolgt innerhalb einer Bandbreite, die durch die variable Grosse C. festgelegt wird. Als obere oder untere Begrenzung dieses Regelverfahrens werden noch weitere variable Grossen angegeben, wie z.B. die Temperaturbegrenzung C_, die das Absenken der Temperatur Τ_ωττ unter die

Temperatur C verhindert, um Grenzbedingungen zu erhalten, wie z.B. ein ο

Mindestverflussigervordruck in der Kälteanlage. Die verschiedenen Betriebskennlinien eines solchen Kühlturms sind in der Figur 4 in einem dafür geeigneten Diagramm aufgetragen. Dabei stellt die Betriebslinie II die bisher übliche Festeinstellung dar, bei der die umgesetzte Wassermenge, Luftmenge und Temperaturniveau konstant gehalten werden. Dagegen kennzeichnet die Betriebslinie I den Zustand eines bestimmten Kühlturm dar, der bezogen auf den Zustand des wärmeaufnehmenden Mediums (Luft), bezogen auf die zu übertragende Leistung (bedingt z.B. durch Kälteleistung und Motorleistung) und bezogen auf die eigene Antriebsleistung (Antrieb von Wasserpumpen und Ventilatoren zur Regulierung der Wasser- und Luftdurchsätze) eine Minimierung der Gesamtantriebsenergie ermöglicht, Dieses energieoptimale Regelungsverfahren geschieht erfindungsgemäss durch die richtige Zuordnung durch 3 Grossen:

1. Das Niveau des Wärmetauschers:

Es wird im Beispiel des Wasserrückkühlwerkes soweit wie möglich entsprechend dem Zustand des wärmeaufnehmenden Mediums (z.B. atmosphärische Luft) und entsprechender Austauschfläche (z.B. Kühlturmgrösse, Höhe, Flache, Regendichte) abgesenkt. Bei festgehaltenem Wasserdurchsatz ändert sich bei dieser Nieveauänderung die Kühlbreite.

2. Die Regulierung der Luftmenge:

Sie ermöglicht einmal die Absenkung des Austauschniveaus und andererseits die Kühlbreite. Die optimale Luftmenge wird meistens überschritten.

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3. Die Regulierung der zirkulierenden Wassermenge:

Sie bestimmt die Kühlturmbreite, die Regendichte und die Leistung und beeinflusst ebenfalls das Regelverhalten.

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Claims

/f. c5.

Patentansiu'üche

I./Verfahren zur energieoptimalen Regelung des Verbundsystems von Wärmetauschern und den übrigen Teilen eines linkslaufenden Kreisprozesses, insbesondere Verfahren zur energieoptimalen Regelung von Wasserrückkühlanlagen im Verbund mit Kälteanlagen, gekennzeichnet durch die automatische Einstellung des günstigsten Betriebszustandes für diesen Wärmetauscher durch die richtige Zuordnung von Austauschniveau und Stoffmengen der austauschenden Medien, wobei dieser günstigste Betriebszustand einer Wasserrückkühlanlage bei einer Kälteanlage durch dieses Verfahren kontinuierlich und durch Variation vom Temperaturniveau des Wärmetauschers und durch Variation von Wasser- und Luftmenge so einreguliert wird, dass die geringstmögliche Energie für die Gesamtanlage P„ = P + P + P_(FIG 1) verbraucht wird, dergestalt, dass der Taupunkt T (oder T) mittels eines Messgerätes gemessen wird und zuzüglich einer variablen Temperaturdifferenz C zur

Berücksichtigung des Kühlgrenzabstandes(T - T ) als Vorgabetem-

WU t

peratur T _Ί für die Regelung der Kaltivassertemperatur T benutzt

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wird, die ihrerseits in der einstellbaren Bandbreite C von der Vorgabetemperatur T ₁ abweichen kann, ehe es zu einem Steuerimpuls zur Veränderung der Massenströme von Luft m und Wasser m und dadurch zur Veränderung der Betriebslinie FIG3 kommt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Luftstroms m, FlG 1 im Kühlturmbetrieb durch Steuerimpulse so eingestellt wird, dass einerseits der bauartbestimmte Kühlgrenzabstand durch Erhöhung der Luftmenge m, erreicht wird und andererseits die Antriebsenergie P_ zur Umwälzung der Luftmengen nach Erreichen des bauartbestimmten Kühlgrenzabstandes Min.(T..„ - T) entsprechend dem Energieminimum für die Gesamtanlage nicht überschritten wird.

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3. Vorfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Wasserstromes im Kühlturmbetrieb so eingeregelt wird, dass einerseits die bauartbestimmte Kühlbreite (Τ._ΓΟ - ^T,,,_IT) durch Erhöhung der Wassermenge und Regendichte ausgenützt werden kann und andererseits die Antriebsenergie P zur Umwälzung der Wassermengen nach dem Erreichen der bauartbestimmten Kühlbreitc (T - T,_rn) entsprechend dem Energieminimum (P + P + P) für die Gesamtanlage nicht

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überschritten wird.
4. Verfahren nach einer der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsbereich des Wärmetauschers oder l/asserrückkühlers durch Steuerimpulse zur Regulierung von Luft- und Wassermengen so gegeben werden, dass eine weitere variable untere oder obere Grenze C_ nicht verlassen wird, um die Grenzzustände zu vermeiden, die Teilfunktionen der Gesamtanlage gefährden.
5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Regelgerät (Fig. 1) zur Abgabe der Steuerimpulse für die Steuerung der Luftmenge m, und Wassermengen m die Zustandsmessung des wärmeaufnehmenden Mediums z.B. durch Messung der Temperatur T und der Feuchtkugeltemperatur T_ Luft vor dem Wärmetauscher (Wasserrückkühler) und die Zustandsmessung des wärmeabgebenden Mediums bei der Verwendung von Wasser als Zwischenmedium I durch Messung der Wassereintrittstemperatur T,_r_ und der Wasseraustrittstemperatur T oder umschaltbar eine Festeinstellung mit einer Kombination der sonst gemessenen Grossen verwendet, und gleichzeitig alle gemessenen Werte mit Instrumenten angezeigt oder aufschreibt.

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