Verfahren zur Regelung der Temperatur in einem fluidführenden Kreislauf Method for controlling the temperature in a fluid-carrying circuit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines in einem Kreislauf zur Kühlung oder Erwärmung mindestens einer Vorrichtung geführten Fluids, wobei in dem Kreislauf mindestens ein Wärmetauscher vorgesehen ist zur Abgabe oder Aufnahme von Wärme durch das Fluid, welches den Wärmetauscher mit einer Einlauftemperatur erreicht und mit einer Auslauftemperatur verlässt. The invention relates to a method for controlling the temperature of a circulating in a circuit for cooling or heating at least one device guided fluid, wherein in the circuit at least one heat exchanger is provided for discharging or receiving heat by the fluid, which reaches the heat exchanger with an inlet temperature and leaves with an outlet temperature.
Wärmetauscher finden einen breiten Einsatz in nahezu allen Bereichen der produzierenden Industrie, siehe R.C. Shah und D.P. Sekulic, Fundamentals of Heat Exchanger Design, New Jersey: John Wiley & Sons, 2003. Häufig werden dabei Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmetauscher eingesetzt, bei denen der Volumenstrom einer Seite, wie ein Volumenstrom in einem weiteren, zweiten Kreislauf, über ein Ventil gezielt vorgegeben werden kann. In vielen Anwendungen ist neben der stationären Genauigkeit der einzustellen- den Auslauftemperatur auch eine hohe Dynamik bei gleichzeitig großem Arbeitsbereich des geregelten Wärmetauschers gefordert. Üblicherweise werden in der Industrie dazu lineare konzentriert-parametrische Regelungsstrategien eingesetzt. Das mathematische Modell eines Wärmetauschers weist allerdings aufgrund der konvektiven Wärmeübertragung zwischen der Kalt- und der Warmwasserseite ein nichtlineares, verteilt-parametrischesHeat exchangers are widely used in almost all sectors of the manufacturing industry, see R.C. Shah and D.P. Sekulic, Fundamentals of Heat Exchanger Design, New Jersey: John Wiley & Sons, 2003. Liquid-liquid heat exchangers are frequently used, in which the volume flow on one side, such as a volume flow in another, second circuit, is specifically predefined via a valve can be. In many applications, in addition to the stationary accuracy of the outlet temperature to be set, high dynamics and at the same time a large working range of the regulated heat exchanger are required. Traditionally, linear concentrated parametric control strategies are used in the industry. However, the mathematical model of a heat exchanger has a non-linear, distributed-parametric due to the convective heat transfer between the cold and the hot water side
Systemverhalten auf, was in der Folge beim Einsatz von linearen Regelungsstrategien zu zwei grundlegenden Problemen führt: i) Wegen des großen
Arbeitsbereiches und des damit einhergehenden nichtlinearen Verhaltens stößt die lineare Regelung inhärent an ihre Grenzen, was sich in Form einer geringen Regelgüte bis hin zu einem instabilen Regelverhalten äußert, ii) Aufgrund der stark variierenden Einsatzgebiete und der damit verbundenen hohen Produktvielfalt der eingesetzten Wärmetauscher müssen die Reglerparameter für jedes System und jeden Arbeitsbereich neu ausgelegt werden. System behavior, which then leads to two fundamental problems when using linear control strategies: i) Because of the large Working range and the associated non-linear behavior, the linear control inherently reaches its limits, which manifests itself in the form of a low control quality up to an unstable control behavior, ii) Due to the widely varying applications and the associated high product diversity of the heat exchangers used, the controller parameters be redesigned for each system and workspace.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Reglerstruktur bereitzustellen, welche in einem großen Arbeitsbereich ohne gesonderte Anpassung von Reglerparametern eine zuverlässige Regelung der Temperatur eines in einem Kreislauf zur Kühlung oder Erwärmung mindestens einer Vorrichtung geführten Fluids ermöglicht. The object of the invention is to provide a controller structure which, in a large operating range without a separate adaptation of controller parameters, enables reliable regulation of the temperature of a fluid circulated in order to cool or heat at least one device.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 in seiner Gesamtheit. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass aus der Einlauf- und der Auslauftemperatur des Fluids am Wärmetauscher und/oder dem Volumenstrom des im Kreislauf geführten Fluids die an der Vorrichtung aufzubringende Kühl- oder Heizleistung bestimmt und entsprechend die Abgabe oder Aufnahme von Wärme am Wärmetauscher eingestellt wird. This object is achieved by a method having the features of claim 1 in its entirety. An inventive method is characterized in that determined from the inlet and the outlet temperature of the fluid at the heat exchanger and / or the volume flow of circulating fluid to be applied to the device cooling or heating power and accordingly the delivery or absorption of heat at the heat exchanger is set.
Im Unterschied zu bekannten Verfahren, bei denen die Auslauftemperatur am Auslauf bzw. Ausgang des Wärmetauschers zum Kreislauf geregelt wird, wird erfindungsgemäß die Kühl- bzw. Heizleistung im Kreislauf geregelt. Hierzu wird auf Basis der gewünschten Temperatur zur Kühlung oder Erwärmung der mindestens einen Vorrichtung die gewünschte Kühl- bzw. Heizleistung im Kreislauf berechnet und diese dient als Sollgröße für die erfindungsgemäße Regelung. Hieraus ergibt sich der Vorteil einer Kompensation des unterschiedlichen dynamischen Verhaltens der Regelstrecke für unterschiedliche Volumenströme von den Wärmetauscher zur Abkühlung oder Erwärmung an- oder durchströmendem Fluid.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die dementsprechende Regelungsstrategie unabhängig von der Bauweise des Wärmetauschers, beispielsweise als Rohrwärmetauscher oder als Plattenwärmetauscher, unabhängig von der Betriebsart als Kühlsystem oder als Heizsystem, unabhängig von der Strömungsführung als Gleich- oder Gegenstromwärmetauscher sowie unabhängig vom gewählten Arbeitsbereich durchgeführt werden kann und dabei ein Regelverhalten erreicht wird, das ein sehr gutes Folgeverhalten bei gleichzeitig hoher Robustheit gegenüber Störungen der Einlauftemperaturen sowie des nicht ak- tuierten Volumenstroms zeigt. In contrast to known methods, in which the outlet temperature is regulated at the outlet or outlet of the heat exchanger to the circuit, the cooling or heating power is controlled in the circuit according to the invention. For this purpose, the desired cooling or heating power in the circuit is calculated on the basis of the desired temperature for cooling or heating of the at least one device and this serves as a target value for the control according to the invention. This results in the advantage of a compensation of the different dynamic behavior of the controlled system for different volume flows of the heat exchanger for cooling or heating or flowing fluid. An essential advantage of the invention is that the inventive method or the corresponding control strategy, regardless of the design of the heat exchanger, such as a tube heat exchanger or plate heat exchanger, regardless of the operating mode as a cooling system or as a heating system, regardless of the flow as a DC or countercurrent heat exchanger and can be carried out regardless of the selected work area and thereby a control behavior is achieved, which shows a very good follow-up behavior at the same time high robustness against disturbances of the inlet temperatures and the unactuated flow rate.
In einer ersten Variante der Erfindung ist mindestens ein Wärmetauscher von einem über einen Lüfter zugeführten Fluidstrom, insbesondere einem Luftstrom, anströmbar, wobei entsprechend der am Wärmetauscher zwi- sehen dem Fluid und dem Fluidstrom auszutauschenden Wärme die Drehzahl des Lüfters geregelt wird. Erfindungsgemäß findet eine leistungsbasierte Regelung des Wärmetauschers, der im vom Lüfter erzeugten Fluidstrom angeordnet und vom Fluidstrom angeströmt ist, mit der Drehzahl des Lüfters als Stellgröße statt. In a first variant of the invention, at least one heat exchanger can be flowed in by a fluid flow, in particular an air flow, supplied via a fan, the speed of the fan being regulated in accordance with the heat to be exchanged between the fluid and the fluid flow on the heat exchanger. According to the invention, a power-based control of the heat exchanger, which is arranged in the fluid flow generated by the fan and is impinged by the fluid flow, takes place with the speed of the fan as a manipulated variable.
In einer zweiten Variante der Erfindung ist mindestens ein Wärmetauscher von einem weiteren Fluid durchströmbar, wobei entsprechend der am Wärmetauscher zwischen dem Fluid und dem weiteren Fluid auszutauschenden Wärme der weitere Volumenstrom des weiteren Fluids durch den Wärmetauscher und/oder die weitere Einlauftemperatur des weiteren Fluids am Wärmetauscher geregelt wird. Vorzugsweise ist das weitere Fluid in einem weiteren Kreislauf geführt und der Wärmetauscher im weiteren Kreislauf angeordnet. Erfindungsgemäß findet eine leistungsbasierte Regelung des zwischen den beiden Kreisläufen angeordneten Wärmetauschers mit dem weiteren Volumenstrom des weiteren Kreislaufs als Stellgröße statt.
Typischerweise ist im ersten Kreislauf das wärmere Fluid und im weiteren, zweiten Kreislauf das kältere Fluid geführt. Das jeweilige Fluid kann eine Flüssigkeit, wie eine Wasser-Glykol-Mischung, sein. Im ersten Kreislauf ist als Vorrichtung beispielsweise eine zu kühlende Werkzeugmaschine ange- ordnet, welche mit einer konstanten Kühlmitteltemperatur versorgt werden soll. Dabei soll ein im Rücklauf befindlicher Plattenwärmetauscher die vom Prozess zugeführte Leistung abführen, um eine konstante Tanktemperatur und damit Vorlauftemperatur für die Werkzeugmaschine im ersten Kreislauf zu gewährleisten. Der Wärmetauscher kann beispielsweise ein Plattenwär- metauscher mit 40 Platten sein. Zur Regelung stehen die jeweiligen Ein- und Auslauftemperaturen der beiden Kreisläufe am Wärmetauscher zur Verfügung. Der erste Volumenstrom im ersten Kreislauf kann ebenfalls gemessen werden. In den meisten Anwendungen des betrachteten Kühlsystems treten jedoch keinerlei Änderungen des ersten Volumenstroms im ersten Kreislauf auf, weshalb in derartigen Fällen auf eine Volumenstromsensorik im ersten Kreislauf verzichtet werden kann. In a second variant of the invention, at least one heat exchanger can be flowed through by a further fluid, wherein, according to the heat to be exchanged between the fluid and the further fluid at the heat exchanger, the further volume flow of the further fluid through the heat exchanger and / or the further inlet temperature of the further fluid at the heat exchanger is regulated. Preferably, the further fluid is passed in a further circuit and arranged the heat exchanger in the further circuit. According to the invention, a power-based regulation of the heat exchanger arranged between the two circuits takes place with the further volume flow of the further circuit as a manipulated variable. Typically, the warmer fluid is conducted in the first circuit and the colder fluid in the second circuit. The particular fluid may be a liquid, such as a water-glycol mixture. In the first circuit, for example, a machine tool to be cooled is arranged as the device, which is to be supplied with a constant coolant temperature. In this case, a plate heat exchanger located in the return should dissipate the power supplied by the process in order to ensure a constant tank temperature and thus flow temperature for the machine tool in the first cycle. The heat exchanger can be, for example, a plate heat exchanger with 40 plates. For regulation, the respective inlet and outlet temperatures of the two circuits on the heat exchanger are available. The first volume flow in the first circuit can also be measured. In most applications of the considered cooling system, however, no changes in the first volume flow occur in the first circuit, which is why in such cases, a volumetric flow sensor in the first circuit can be dispensed with.
Vorteilhafterweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den folgenden Verfahrensablauf: das Einlesen zumindest einer Einlauf- und zumindest ei- ner Auslauftemperatur und/oder zumindest eines Volumenstroms als Sensorwerte, die Bestimmung der aktuell an der Vorrichtung abgeführten Kühlbzw. Heizleistung, der am Wärmetauscher auszutauschenden Leistung und/oder der Störung aus Sensorwerten und Stoffparametern, die Bestimmung mindestens einer virtuellen Stellgröße gemäß einer Vorsteuerung und/oder einem vorgegebenen Regelgesetz, die Transformation von virtueller Stellgröße in eine reale Stellgröße, und die Übergabe der Stellgröße an einen entsprechenden Regler. Advantageously, the method according to the invention comprises the following method sequence: the reading of at least one inlet and at least one outlet temperature and / or at least one volume flow as sensor values, the determination of the cooling time currently discharged at the device. Heat output, the power to be exchanged at the heat exchanger and / or the disturbance from sensor values and substance parameters, the determination of at least one virtual manipulated variable according to a precontrol and / or a predetermined control law, the transformation of virtual manipulated variable into a real manipulated variable, and the transfer of the manipulated variable to one corresponding regulator.
Aus der am Wärmetauscher zu- oder abzuführenden Leistung und der ge- wünschten Auslauftemperatur im ersten Kreislauf lässt sich ein mit einem P- Regler stabilisierbares Fehlersystem im Sinne einer Eingangs-Ausgangs-
Linearisierung erzeugen. Folglich wird ein Regelgesetz bestimmt, das ein stabiles Fehlersystem garantiert, wobei eine virtuelle Stellgröße gewählt wird. Eine Rückrechnung von der virtuellen Stellgröße auf die reale Stellgröße ist im Allgemeinen analytisch nicht möglich, weshalb in den meisten Fällen auf ein numerisches Lösungsverfahren zurückgegriffen werden muss. Die reale Stellgröße ist beispielsweise der weitere bzw. zweite Volumenstrom des im weiteren bzw. zweiten Kreislauf geführten, den Wärmetauscher durchströmenden Fluids oder die Drehzahl des Lüfters zur Erzeugung eines den Wärmetauscher anströmenden Fluidstroms, eines Kühl- oder ei- nes Heizstroms. From the power to be dissipated or dissipated at the heat exchanger and the desired outlet temperature in the first circuit, an error system stabilizable with a P controller can be used in the sense of an input-output circuit. Generate linearization. Consequently, a control law is determined which guarantees a stable error system, wherein a virtual control variable is selected. Recalculation from the virtual manipulated variable to the real manipulated variable is generally not analytically possible, which is why in most cases a numerical solution method must be used. The real manipulated variable is, for example, the further or second volume flow of the fluid passed through the further or second circuit, the fluid flowing through the heat exchanger, or the speed of the fan for generating a fluid flow, a cooling current or a heating current flowing to the heat exchanger.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Transformation von virtueller Stellgröße zu realer Stellgröße der weitere bzw. zweite Volumenstrom aus dem Wärmedurchgangskoeffizienten für den Wärmetauscher bestimmt. Besonders bevorzugt ist ein Beobachter für den Wärmedurchgangskoeffizienten am Wärmetauscher vorgesehen, anders ausgedrückt beinhaltet die Regelung einen Beobachter für den Wärmedurchgangskoeffizienten am Wärmetauscher. Bei einer Wahl des zweiten Volumenstroms als Stellgröße darf die nicht-lineare Abhängigkeit des Wärmedurchgangskoeffizienten vom Volumenstrom nicht vernachlässigt werden. Ausführliche experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass gerade die Berücksichtigung dieses Effektes entscheidend für die Modellqualität und damit die Güte der modellbasierten Regel ungsstrategie ist, vergleiche A. Michel, W. Kemmetmüller und A. Kugi,„Modellierung und Re- gelung eines Plattenwärmetauschers", in Workshop GMA-Fachausschuss 1 .40, 2010. Neben einer modellbasierten Regelungsstrategie besteht auch eine Möglichkeit, den mathematischen Zusammenhang zwischen dem Wärmedurchgangskoeffizienten und dem Volumenstrom online zu approximieren, wodurch aufwendige experimentelle Identifikationen entfallen können.
In einer ersten Variante wird der weitere bzw. zweite Volumenstrom aus dem gewünschten Wärmedurchgangskoeffizienten mittels mindestens einer semiempirischen Ähnlichkeitsbeziehung sowie der Definition des Wärmedurchgangskoeffizienten bestimmt. Der Wärmedurchgangskoeffizient stellt die wichtigste Kenngröße eines Wärmetauschers dar und ist stark abhängig vom gewählten Wärmetauschertyp. Allenfalls für einfache Geometrien kann eine analytische Lösung gefunden werden, für komplexe Geometrien, wie sie beispielsweise bei den typischerweise eingesetzten Plattenwärmetauschern auftreten, ist dies jedoch nicht mehr möglich. Um den Wärmeüber- gang dennoch vergleichsweise einfach zu beschreiben, werden semiempirische ähnlichkeitstheoretische Ansätze verwendet, wie sie in der Konstruktionsphase von Wärmetauschern zum Einsatz kommen, vergleiche VDI- Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, VDI- Wärmeatlas, 9. Auflage, Berlin/Heidelberg: Springer, 2002. Diese Näherun- gen bzw. semiempirischen ähnlichkeitstheoretischen Ansätze setzen die Nußeltzahl in Abhängigkeit zur Prandtlzahl und Reynoldszahl. Der Einfachheit halber kann der Wärmedurchgangskoeffizient durch den globalen, über die Tempe rat urmittel werte von Ein- und Auslauftemperatur für den jeweiligen Kreislauf berechneten Wärmedurchgangskoeffizienten approxi- miert werden. Insgesamt ergibt sich ein verteilt-parametrisches Modell, aus welchem ein Reglerentwurfsmodell und ein Reglergesetz abgeleitet werden können. In a preferred variant of the method according to the invention, the further or second volume flow from the heat transfer coefficient for the heat exchanger is determined during the transformation from virtual manipulated variable to real manipulated variable. Particularly preferably, an observer for the heat transfer coefficient is provided on the heat exchanger, in other words, the control includes an observer for the heat transfer coefficient at the heat exchanger. When selecting the second volumetric flow as a manipulated variable, the non-linear dependence of the heat transfer coefficient on the volumetric flow must not be neglected. Extensive experimental investigations have shown that it is precisely the consideration of this effect that is decisive for the model quality and thus the quality of the model-based control strategy, cf. A. Michel, W. Kemmetmüller and A. Kugi, "Modeling and Regulating a Plate Heat Exchanger" Workshop GMA-Fachausschuss 1 .40, 2010. In addition to a model-based control strategy, it is also possible to approximate the mathematical relationship between the heat transfer coefficient and the volume flow online, which means that complex experimental identifications can be omitted. In a first variant, the further or second volume flow is determined from the desired heat transfer coefficient by means of at least one semiempirical similarity relationship and the definition of the heat transfer coefficient. The heat transfer coefficient is the most important characteristic of a heat exchanger and is highly dependent on the chosen heat exchanger type. At most, for simple geometries, an analytical solution can be found, but this is no longer possible for complex geometries, as occur, for example, in the plate heat exchangers typically used. In order to describe the heat transfer comparatively easily, semiempirische similarity-theoretical approaches are used, as they come in the design phase of heat exchangers are used, see VDI Society Process Engineering and Chemical Engineering, VDI Heat Atlas, 9th edition, Berlin / Heidelberg: Springer, 2002. These approximations or semiempirical similarity-theoretical approaches set the Nusselt number in relation to the Prandtl number and Reynolds number. For the sake of simplicity, the heat transfer coefficient can be approximated by the global heat transfer coefficients calculated for the respective circuit via the temperature values of inlet and outlet temperature. Overall, a distributed parametric model results, from which a controller design model and a controller law can be derived.
In einer zweiten Variante wird der weitere bzw. zweite Volumenstrom aus dem gewünschten Wärmedurchgangskoeffizienten mittels einer Approximation über eine stationäre Leistungsbilanz bestimmt. Hierbei wird der zwischen den beiden Seiten bzw. Kammern des Wärmetauschers ausgetauschte Wärmefluss und eine einfache Beziehung zwischen dem Wärmedurchgangskoeffizienten und dem zweiten Volumenstrom berücksichtigt, wodurch eine aufwendige numerische Berechnung des zweiten Volumenstroms entfallen kann. In einer Simulationsstudie ist das verteilt-
parametrische Modell mit Hilfe der Finite-Volumen-Methode durch ein konzentriert-parametrisches System mit 100 Zuständen approximiert worden. Des Weiteren ist die Dynamik typischer Temperatursensoren berücksichtigt worden. Die Simulationsstudie hat zu dem Ergebnis geführt, dass die gewählte Regel ungsstrategie eine sehr hohe Regelungsgüte aufweist, unabhängig davon, ob der zweite Volumenstrom als Stellgröße über eine numerische Inversion oder über eine stationäre Leistungsbilanz bestimmt wird. Obwohl das System starken Störungen bezüglich der zugeführten Leistung des Prozesses, anders ausgedrückt beim Kühlen der Vorrichtung, wie einer Werkzeugmaschine, der zweiten Einlauftemperatur sowie des ersten Volumenstroms unterworfen ist, folgt die im ersten Kreislauf abgeführte Leistung in beiden Fällen sehr gut ihrem Sollwert, so dass die Tanktemperatur im ersten Kreislauf und folglich die Vorlauftemperatur für die zu kühlende Vorrichtung, wie einer Werkzeugmaschine, nahezu konstant bleibt. Zum anderen kann durch den Einsatz des Regel ungskonzeptes mit der Approximation des Wärmedurchgangskoeffizienten mittels der stationären Leistungsbilanz auf eine aufwendig experimentelle Identifikation des eingesetzten Wärme- tauschers verzichtet werden. Somit besitzt die hergeleitete Regelungsstrategie eine sehr hohe Adaptionsfähigkeit bei gleichzeitig hoher Regelgüte. Des Weiteren ist der numerische Aufwand des Regelgesetzes sehr gering, wodurch es leicht in gängige Steuergeräte implementiert werden kann. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung. Die vorstehend genannten und die weiter angeführten Merkmale können erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwirklicht sein. Die in den Figuren gezeigten Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich zu verstehen. Es zeigt:
Fig. 1 ein fluidführendes System mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Regel ung; In a second variant, the further or second volume flow from the desired heat transfer coefficient is determined by means of an approximation via a steady-state power balance. Here, the exchanged between the two sides or chambers of the heat exchanger heat flow and a simple relationship between the heat transfer coefficient and the second volume flow is taken into account, whereby a complex numerical calculation of the second volume flow can be omitted. In a simulation study, this is distributed Parametric model has been approximated using the finite-volume method by a concentrated-parametric system with 100 states. Furthermore, the dynamics of typical temperature sensors have been considered. The simulation study has led to the conclusion that the selected control strategy has a very high control quality, regardless of whether the second volume flow is determined as a manipulated variable via a numerical inversion or via a stationary power balance. Although the system is subject to strong disturbances in the supplied power of the process, in other words when cooling the device, such as a machine tool, the second inlet temperature and the first volume flow, the power dissipated in the first circuit in both cases follows very well their setpoint, so that the tank temperature in the first cycle and consequently the flow temperature for the device to be cooled, such as a machine tool, remains almost constant. On the other hand, through the use of the control concept with the approximation of the heat transfer coefficient by means of the stationary power balance, a costly experimental identification of the heat exchanger used can be dispensed with. Thus, the derived control strategy has a very high adaptability with high control quality. Furthermore, the numerical complexity of the control law is very low, which makes it easy to implement in common control devices. Further advantages and features of the invention will become apparent from the figures and the following description of the drawing. The above-mentioned and the further cited features can be inventively realized individually or in any combination with each other. The features shown in the figures are purely schematic and not to scale. It shows: 1 shows a fluid-carrying system with a rule known from the prior art rule;
Fig. 2a-2e jeweils ein fluidführendes System mit einer erfindungsgemä- ßen Regelung; FIGS. 2a-2e each show a fluid-carrying system with a regulation according to the invention;
Fig. 3 eine Reglerstruktur zur Durchführung des erfindungsgemäßen Fig. 3 shows a controller structure for carrying out the inventive
Verfahrens zur Regelung; und Fig. 4 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung. Method of regulation; and FIG. 4 shows a flow chart of the method according to the invention for regulation.
Fig. 1 zeigt ein fluidführendes System mit einem Wärmetauscher 1 0, wel- eher zwischen einem fluidführenden ersten Kreislauf I und einem weiteren fluidführenden, zweiten Kreislauf II angeordnet ist. I m ersten Kreislauf I sind weiter ein erstes Reservoir Ri für das jeweilige Fluid, eine Motor-Pumpen- Einheit 12 zur Förderung von Fluid in einem ersten Volumenstrom qi im ersten Kreislauf I sowie eine als Werkzeugmaschine ausgebildete Vorrich- tung 14, die durch das im ersten Kreislauf I geführte Fluid gekühlt wird, angeordnet. Das Fluid im ersten Kreislauf I verlässt den Wärmetauscher 10 mit einer ersten Auslauftemperatur Tiout, erreicht die Vorrichtung 14 mit einer Vorlauftemperatur T Vorlauf U nd erreicht den Wärmetauscher 10 mit einer ersten Einlauftemperatur Tun. Bei einem konstanten ersten Volumenstrom 1 shows a fluid-carrying system with a heat exchanger 10, which is arranged between a fluid-carrying first circuit I and a further fluid-carrying, second circuit II. In the first circuit I are further a first reservoir Ri for the respective fluid, a motor-pump unit 12 for conveying fluid in a first volume flow qi in the first circuit I as well as a trained as a machine tool device 14, by the in first circuit I guided fluid is cooled, arranged. The fluid in the first circuit I leaves the heat exchanger 10 with a first outlet temperature Tiout, reaches the device 14 with a flow temperature T flow U nd reaches the heat exchanger 10 with a first inlet temperature Tun. At a constant first volume flow
= const unterscheidet sich die Vorlauftemperatur Tvoriauf von der im ersten Reservoir Ri bzw. an der entsprechenden Ausgangsseite des Wärmetauschers 10 anstehenden ersten Auslauftemperatur Tiout ledigl ich durch einen konstanten Wert. Durch die an der Vorrichtung 14 aufgebrachte Kühlleistung ist das Fluid entsprechend erwärmt bzw. aufgeheizt und folgl ich die erste Einlauftemperatur Tun gegenüber der Vorlauftemperatur Tvoriauf bzw. der ersten Auslauftemperatur Tiout erhöht.
Im zweiten Kreislauf II wird über ein elektromagnetisch betätigbares, vorgespanntes Ventil 16 der zweite Volumenstrom qn für im zweiten Kreislauf II geführtes Fluid vorgegeben bzw. eingestellt. Das im zweiten Kreislauf II geführte Fluid erreicht den Wärmetauscher 10 mit einer zweiten Einlauftemperatur Tiiin und verlässt diesen mit einer zweiten Auslauftemperatur Tnout, wobei die zweite Auslauftemperatur Tnout gegenüber der zweiten Einlauftemperatur Tiiin durch Wärmeübertrag vom im ersten Kreislauf I geführten wärmeren Fluid an das im zweiten Kreislauf II geführte kältere Fluid im Bereich des Wärmetauschers 10 erhöht ist. Entsprechend des ersten Reservoirs Ri im ersten Kreislauf I ist im zweiten Kreislauf II ein zweites Reservoir Rn für das entsprechende Fluid vorgesehen. = const, the flow temperature Tvoriauf differs from the first outlet temperature Tiout present in the first reservoir Ri or on the corresponding outlet side of the heat exchanger 10 by a constant value. Due to the cooling power applied to the device 14, the fluid is heated or heated accordingly and I follow the first inlet temperature Tun compared to the flow temperature Tvoriauf or the first outlet temperature Tiout increased. In the second circuit II, the second volume flow qn for fluid conducted in the second circuit II is set or set via an electromagnetically actuated, prestressed valve 16. The guided in the second circuit II fluid reaches the heat exchanger 10 with a second inlet temperature Tiiin and leaves it with a second outlet temperature Tnout, wherein the second outlet temperature Tnout compared to the second inlet temperature Tiiin by heat transfer from the guided in the first circuit I warmer fluid to that in the second circuit II guided colder fluid is increased in the region of the heat exchanger 10. Corresponding to the first reservoir Ri in the first circuit I, a second reservoir Rn for the corresponding fluid is provided in the second circuit II.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Reglerstruktur wird mittels eines als PID-Regler ausgebildeten linearen Reglers die erste Auslauftemperatur Tiout im ersten Kreislauf I geregelt und als Messgröße erfasst. Als Stellgröße dient der zweite Volumenstrom qn im zweiten Kreislauf II, welcher in Abhängigkeit vom Fluiddruck im zweiten Kreislauf II durch die entsprechende Stellung des Ventils 16 eingestellt wird. In the case of the regulator structure known from the prior art, the first outlet temperature Tiout in the first circuit I is regulated by means of a linear regulator designed as a PID controller and detected as a measured variable. The second volume flow qn in the second circuit II, which is adjusted as a function of the fluid pressure in the second circuit II by the corresponding position of the valve 16, serves as the manipulated variable.
Die Fig. 2a-2e zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Lösung unterscheiden sich von Fig. 1 darin, dass als Messgrößen zumindest die Einlauftemperatur Tun und die Auslauftemperatur Tiout des im ersten Kreislauf I geführten, den Wärmetauscher 10 durchströmenden Fluids sowie der erste Volumenstrom qi des Fluids im ersten Kreislauf I erfasst werden. FIGS. 2a-2e for illustrating the solution according to the invention differ from FIG. 1 in that at least the inlet temperature Tun and the outlet temperature Tiout of the fluid flowing through the heat exchanger 10 and the first volume flow qi of the fluid in the first circuit I are shown as measured variables first circuit I are detected.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2a werden als Messgrößen die Einlauftemperaturen Tiin, Tiiin und die Auslauftemperaturen Tiout, Tnout in beiden Kreisläufen I, II sowie der erste Volumenstrom qi im ersten Kreislauf I erfasst. Es wird weiter die zur Kühlung der Vorrichtung 14 als konstante Größe erforderliche erste Auslauftemperatur Tiout bzw. die entsprechende Vorlauftempe-
ratur Tvoriauf geregelt, wobei bei der erfindungsgemäßen Reglerstruktur ein nichtlinearer Regler Anwendung findet. Die Stellgröße ist weiterhin der zweite Volumenstrom qn im zweiten Kreislauf II, welcher in Abhängigkeit vom Fluiddruck über das Ventil 16 eingestellt wird. In the exemplary embodiment of FIG. 2 a, the inlet temperatures Tiin, Tiiin and the outlet temperatures Tiout, Tnout in both circuits I, II as well as the first volume flow qi in the first circuit I are detected as measured variables. Furthermore, the first outlet temperature Tiout required for cooling the device 14 as a constant variable or the corresponding flow temperature Tvoriauf regulated, wherein in the controller structure according to the invention, a non-linear regulator is used. The manipulated variable is still the second volume flow qn in the second circuit II, which is adjusted in dependence on the fluid pressure via the valve 16.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2b wird zusätzlich der zweite Volumenstrom qn im zweiten Kreislauf II erfasst. In the embodiment of FIG. 2b, the second volume flow qn is additionally detected in the second circuit II.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2c ist anstelle eines Ventils zur Einstellung des Fluidstroms und des Fluiddrucks im weiteren bzw. zweiten Kreislauf II eine weitere Motor-Pumpen-Einheit 1 3 vorgesehen. Die weitere Motor- Pumpen-Einheit 13 fördert entsprechend des gewünschten zweiten Volumenstroms qn Fluid vom zweiten Reservoir Rn zum Wärmetauscher 10 und nach Durchtritt des Wärmetauschers 10 wieder zurück zum zweiten Reser- voir Rn. In Fig. 2c ist gezeigt, dass die Leistung der Pumpe der im ersten Kreislauf I angeordneten Motor-Pumpen-Einheit 12 bedarfsgerecht einstellbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistung der Pumpe der im weiteren bzw. zweiten Kreislauf II angeordneten weiteren Motor-Pumpen- Einheit 13 einstellbar ausgebildet sein. In the embodiment of FIG. 2c, a further motor-pump unit 1 3 is provided instead of a valve for adjusting the fluid flow and the fluid pressure in the further or second circuit II. The further motor-pump unit 13 delivers according to the desired second volume flow qn fluid from the second reservoir Rn to the heat exchanger 10 and after passage of the heat exchanger 10 again back to the second Reservoir Rn. FIG. 2 c shows that the power of the pump of the motor-pump unit 12 arranged in the first circuit I can be adjusted as required. Alternatively or additionally, the power of the pump of the further motor-pump unit 13 arranged in the further or second circuit II can be configured to be adjustable.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2d ist gegenüber der Anordnung aus Fig. 2b derart abgeändert, dass der erste Kreislauf I und der zweite Kreislauf II miteinander vertauscht sind. Dies veranschaulicht, dass beide Kreisläufe I, II sowohl als Kühl- oder Heizkreislauf als auch als Temperierkreislauf für den Wärmetauscher 10 ausgebildet sein können. The embodiment of Fig. 2d is compared to the arrangement of Fig. 2b modified such that the first circuit I and the second circuit II are interchanged. This illustrates that both circuits I, II can be designed both as a cooling or heating circuit and as a tempering circuit for the heat exchanger 10.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2e wird der Wärmetauscher 10 nicht durch ein ihn durchströmendes Fluid, sondern durch ein ihn anströmendes Fluid temperiert. Ein Motor 15 treibt einen Lüfter 1 7 an, welcher einen Fl u- idstrom, hier einen Luftstrom, zur Abführung von vom Wärmetauscher 10 abgegebener Abwärme oder zur Zuführung von Wärme zum Wärmetau-
scher 10 erzeugt. Durch den Motor 1 5 wird die Drehzahl des Lüfters 1 7 und entsprechend die Temperierung, genauer die Kühlung oder die Erwärmung, des Wärmetauschers 10 vorgegeben, erhöht oder erniedrigt. Der Wärmetauscher 10, der Lüfter 1 7 sowie dessen Motor 1 5 können in einer gemeinsamen baulichen Einheit 19, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse, angeordnet sein. In the embodiment of FIG. 2e, the heat exchanger 10 is not tempered by a fluid flowing through it, but by a fluid flowing against it. A motor 15 drives a fan 1 7 which has a fluid flow, here an air flow, for the removal of waste heat emitted by the heat exchanger 10 or for the supply of heat to the heat exchanger. shear 10 produced. By the engine 1 5, the speed of the fan 1 7 and according to the temperature, more precisely the cooling or heating, the heat exchanger 10 is given, increased or decreased. The heat exchanger 10, the fan 1 7 and the motor 1 5 can be arranged in a common structural unit 19, in particular in a common housing.
Die die Reglerstruktur bzw. eine entsprechende Reglerstrecke für die erfindungsgemäße Lösung aufzeigende Fig. 3 zeigt, dass zunächst die erste Aus- lauftemperatur Tiout als Sollgröße an eine Einrichtung 18 übergeben wird, welche als weitere Eingangsgrößen beispielsweise die erste Einlauftemperatur Tun und den ersten Volumenstrom qi erhält und die gewünschte, im ersten Kreislauf I oder durch den Lüfter 1 7 abzuführende Leistung ΔΡι, soii berechnet und an eine Reglereinrichtung 20 übergibt. 3 shows that the first outflow temperature Tiout is first transferred as a setpoint quantity to a device 18, which receives, for example, the first inlet temperature Tun and the first volume flow qi as further input variables and the desired, in the first circuit I or through the fan 1 7 dissipated power ΔΡι, soii calculated and passes to a regulator device 20.
In der Reglereinrichtung 20 wird die über den Wärmetauscher 10 abzuführende Leistung als virtuelle Stellgröße ui berechnet und weiter in einer Umrechnungseinrichtung 22 beispielsweise aus den Einlauf- und Auslauftemperaturen Tiin-Tnout und dem ersten Volumenstrom qi als Sensorwerte der zweite Volumenstrom qn als reale Stellgröße berechnet. Über die Einstellung des zweiten Volumenstroms qn über das Ventil 16 oder die weitere Motor-Pumpen-Einheit 1 3 wird der Wärmetauscher 10 zur Kühlung des entsprechenden Fluids eingesetzt und gibt, beeinflusst von den Einflussbzw. Störgrößen, den Ein- und Auslauftemperaturen Tiin-Tnout sowie des ers- ten Volumenstroms qi, die tatsächliche erste Auslauftemperatur Tiout aus. Die tatsächliche erste Auslauftemperatur Tiout wird über die Einrichtung 18 abgefragt und unter Berücksichtigung der ersten Einlauftemperatur Tun und des ersten Volumenstroms qi die am Wärmetauscher 10 abgeführte Leistung APi,ist berechnet und zurück an die Reglereinrichtung 20 gegeben.
In Fig. 4 ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Schritt S1 werden die Einlauf- und Auslauftemperaturen Tim- Tiiout sowie der erste Volumenstrom qi als Sensorwerte eingelesen. Falls eine der Größen bekannt ist, kann auf deren Messung verzichtet werden, bei- spielsweise ist oftmals der erste Volumenstrom qi konstant. In einem sich anschließenden zweiten Schritt S2 wird aus den Sensorwerten und Stoffparametern die aktuell übertragene, d.h. ab- oder zugeführte, Leistung ΔΡι, ist, die am Wärmetauscher 10 übertragene Leistung ΔΡι, soii und/oder die Störung bestimmt. In einem dritten Schritt S3 wird eine virtuelle Stellgröße ui gemäß einer Vorsteuerung und/oder einem vorgegebenen Regelgesetz bestimmt. In einem sich anschließenden vierten Schritt S4 wird aus der virtuellen Stellgröße ui der einzustellende Wärmedurchgangskoeffizient U für den Wärmetauscher 10 bestimmt. Im fünften Schritt S5 wird aus dem gewünschten Wärmedurchgangskoeffizient U der zweite Volumenstrom qn bestimmt, wobei in einer ersten Alternative S5a die Bestimmung mittels einer semiempirischen Ähnlichkeitsbeziehung sowie der Definition des Wärmedurchgangskoeffizienten U erfolgt und in einer zweiten Alternative S5b die Bestimmung mittels der Approxi- mation über eine stationäre Leistungsbilanz erfolgt. In einem sich anschließenden sechsten Schritt S6 wird der gewünschte zweite Volumenstrom qn an einen Volumenstromregler übergeben. Als erstes Ergebnis Ea wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Leistungsregelung, wie in den Fig. 3 und 4 jeweils gestrichelt umrandet, erreicht. Weiter wird als zweites Er- gebnis Eb über eine stationäre Leistungsbilanz vom Wärmedurchgangskoeffizienten U für den Wärmetauscher 10 auf den zweiten Volumenstrom qn als reale Stellgröße zurückgerechnet, wie in den Fig. 3 und 4 jeweils mit einer gepunkteten Umrandung dargestellt.
In the regulator device 20, the power to be dissipated via the heat exchanger 10 is calculated as a virtual manipulated variable ui and further calculated in a conversion device 22 from the inlet and outlet temperatures Tiin-Tnout and the first volume flow qi as sensor values of the second volume flow qn as a real manipulated variable. About the setting of the second volume flow qn via the valve 16 or the further motor-pump unit 1 3, the heat exchanger 10 is used to cool the corresponding fluid and are, influenced by the influence or. Disturbance variables, the inlet and outlet temperatures Tiin-Tnout and the first volume flow qi, the actual first outlet temperature Tiout off. The actual first outlet temperature Tiout is interrogated via the device 18 and taking into account the first inlet temperature Tun and the first volume flow qi the dissipated power at the heat exchanger 10 APi, is calculated and given back to the regulator device 20. 4, the sequence of the method according to the invention is shown. In a first step S1, the inlet and outlet temperatures TimTiout and the first volume flow qi are read in as sensor values. If one of the variables is known, its measurement can be dispensed with; for example, the first volume flow qi is often constant. In a subsequent second step S2 is from the sensor values and material parameters, the currently transmitted, ie discharged or supplied, power ΔΡι, the power transferred to the heat exchanger 10 ΔΡι, soii and / or determines the disturbance. In a third step S3, a virtual manipulated variable ui is determined in accordance with a precontrol and / or a predetermined control law. In a subsequent fourth step S4, the heat transfer coefficient U to be set for the heat exchanger 10 is determined from the virtual manipulated variable ui. In the fifth step S5, the second volume flow qn is determined from the desired heat transfer coefficient U, wherein in a first alternative S5a the determination is made by means of a semiempirical similarity relationship and the definition of the heat transfer coefficient U and in a second alternative S5b the determination by means of approximation via a stationary current account. In a subsequent sixth step S6, the desired second volume flow qn is transferred to a volume flow controller. As the first result Ea, in the method according to the invention, a power control, as shown in dashed lines in FIGS. 3 and 4, is achieved. Furthermore, the second result Eb is calculated back to the second volume flow qn as a real manipulated variable via a stationary power balance from the heat transfer coefficient U for the heat exchanger 10, as shown in FIGS. 3 and 4 in each case with a dotted border.