Präzise Medientemperaturregelung

Präzise Medientemperaturregelung

Präzisionskälte- und Klimatechnik sind für viele Anwendungen unerlässlich und die Nachfrage nimmt ständig zu. Ein Beispiel ist die Forderung nach der Einhaltung einer Temperatur von exakt 20 °C in einem Messraum, in dem Maschinenbauteile auf Bruchteile von Millimetern genau vermessen werden. Dabei ist es wichtig, auch kleinste Temperaturänderungen auszuschließen, damit die Messergebnisse nicht verfälscht werden. Aber auch Anwendungen in der Lebensmittelindustrie sind denkbar. In solchen Anwendungen sind konstante Luftaustrittstemperaturen aus dem Verdampfer der Schlüssel zum Erfolg. Dies lässt sich mit einer elektronischen Saugdrosselungs- bzw. Medientemperaturregelung sehr gut realisieren.

Einbau in die Saugleitung

Bei einer Medientemperaturregelung für Kälteanlagen bis 54 mm Rohrgröße wird ein elektrisch angesteuertes Ventil (z.B. Typ „KVS“) in der Saugleitung montiert. Dieses Ventil ist mit einem Schrittmotor ausgestattet und wird mit einem elektronischen Regler (z.B. „EKC 368“) angesteuert. Als Fühler wird ein schnell reagierender Temperatursensor (z.B. „AKS 11“ oder „21“) eingesetzt. Dieser Fühler nimmt den Istwert der Luftausblastemperatur des Verdampfers auf und leitet ihn an den Regler weiter. Der Regler gleicht nun seinen Temperatursollwert mit dem Istwert ab und entscheidet, ob das Schrittmotorventil weiter geöffnet oder geschlossen werden soll.

Ein komplett geöffnetes Ventil sorgt für maximale Kühlung und somit niedrigste mögliche Ausblastemperatur in der konkreten Lastsituation. Ein fast geschlossenes Ventil steht für eine hohe Ausblastemperatur. Somit wird der Regler den Befehl „Ventil öffnen“ in Situationen, bei denen der Sollwert weit unter dem Istwert liegt, an das Ventil geben. Dies wäre z.B. beim Sollwert 0 °C und Istwert 15 °C der Fall. Schon bei einem Temperaturunterschied von nur 1 K gibt der Regler einen kleinen Öffnungsgrad vor, um einem Überschwingen der Regelung vorzubeugen. Mit einem solchen System sind Temperaturschwankungen von maximal +/- 0,5 K zu erwarten.

Verschiedene Einschwingverläufe im Startvorgang

Dem Startvorgang der Regelung ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Der Regler „EKC 368“ bietet drei verschiedene Einschwingverläufe zur Auswahl. Die erste Option ist die schnellstmögliche Abkühlung.

Bei dieser Einstellung wird ein sehr deutliches Unterschwingen in der Ausblastemperatur des Verdampfers in Kauf genommen, um eine schnelle Abkühlung und damit ein schnelleres Erreichen der Sollwerttemperatur zu ermöglichen. Die zweite Option erlaubt nur leichtes Unterschwingen. Die letzte Option ist ein gänzlicher Verzicht auf Ausblaswerte unter dem Sollwert wäh- rend der Startphase.

Dies bietet den Vorteil einer sehr sanften Kühlung unverpackter Ware, bei der jede unnötige Entfeuchtung vermieden wird. Allerdings muss in diesem Fall mehr Zeit bis zum Erreichen des gewünschten Sollwerts veranschlagt werden.

Bedienung

Die Bedienung des Reglers erfolgt über zwei Drucktasten. Über diese beiden Tasten, kombiniert mit einem dreistelligen Display, lässt sich der Regler komplett programmieren, wobei alle wichtigen Daten angezeigt werden. Damit kann jeder Monteur an der Anlage in den Regelkreis eingreifen oder sich relevante Daten anzeigen lassen. Im Reglermenü erscheinen nicht nur grundsätzlich einstellbare Werte, sondern es ist außerdem auch möglich, über das Eingreifen in Stabilitäts- und Verstärkungsfaktoren genau Einfluss auf bestimmte Abläufe zu nehmen.

Service

Besonders interessant für den Monteur bei Inbetriebnahme oder auch Service an der Anlage ist das Servicemenü der elektronischen Anstauregler. Alle Parameterwerte, die mit „u“ beginnen, zeigen Anlagen-Istwerte an, die für alle Arten von Fehlerdiagnosen bzw. für die Bewertung von Anlagenzuständen wichtig sind. Diese Werte geben Aufschluss über den Anlagenzustand.

Zum einen sind sie schnell auslesbar und müssen nicht mühsam mit dem Temperaturmessgerät ermittelt werden. Zum anderen sieht man sofort, welche Werte der Regler als gegeben annimmt. So gehört es zur Standardvorgehensweise eines erfahrenen Monteurs, bei elektronischen Systemen vor der eigentlichen Inbetriebnahme zunächst den Regelfühler und ggf. den Abtaufühler zu überprüfen (bei den üblichen Widerstandsfühlern ist dies recht einfach mit einem Ohm-Messgerät möglich. So hat ein „PT1000“-Fühler bei 0 °C einen Widerstand von 1000 Ohm), um langwierigen Fehlersuchen bei falsch durch den Sensor aufgenommenen Istwerten vorzubeugen. Durch einen Blick in das Servicemenü entfällt diese Vorgehensweise, denn hier kann direkt beurteilt werden (im Zweifelsfall selbst mit dem Thermometer nachmessen), ob der Wert realistisch ist oder nicht.

Stetige elektronische Ventile

Das „KVS“ ist ein stetiges Ventil, mit dem selbst geringste Schwankungen des Verdampfungsdrucks vermieden werden können. Der „EKC 368“ kann als P-, PI- oder PID-Regler eingesetzt werden. Bei der P-Regelung handelt es sich um eine Standardregelung gemäß der Abweichung (Beispiel: Ist die Luftausblastemperatur zu groß, wird der Öffnungs- grad des Ventils immer mit der gleichen Geschwindigkeit erhöht).

Bei der PI-Regelung kann die „Nachstellzeit“ (I Anteil) individuell verändert werden, was gleichzeitig zu einer Anpassung der Reaktionsgeschwindigkeit der Regelung führt. Mit anderen Worten: Die Regelung wird nervöser oder träger. Beides kann erforderlich sein. Der „D- Anteil“ bei der PID-Regelung optimiert außerdem die Regeleigenschaften bei plötzlicher Sollwertänderung. Dieser Regelmodus ist besonders dann ratsam, wenn das System mit einer externen Sollwertschiebung – z.B. durch eine übergeordnete Regelung – betrieben wird.

Feuchte

Kältefachleute wissen, dass das Thema „Feuchte“ in der Kältetechnik und ganz besonders bei unverpackter Ware, Fleisch, Gemüse und Obst eine wichtige Rolle spielt. Durch die konstant hohe Ausblastemperatur des „EKC-KVS“-Systems lässt sich jede unerwünschte Entfeuchtung vermeiden. Dennoch kann es in Kälteanlagen auch Situationen geben, in denen Entfeuchtung erforderlich ist. Hierfür werden üblicherweise indirekte Maßnahmen eingesetzt wie z. B. die Veränderung der Verdampferlüfterstufen bzw. der Verdampfergeschwindigkeit (d.h. langsamere Ventilatorgeschwindigkeit = tiefere Verdampfungstemperatur = Entfeuchtung und umgekehrt). Mit einem elektronischen Saugdrosselsystem kann dieser Punkt direkt beeinflusst werden: Einfach den Sollwert der Luftausblastemperatur mit einem externen Signal von 0 bis 10 V schieben und schon wird bei hohen Verdampfungstemperaturwerten keine oder kaum Entfeuchtung bzw. bei niedriger Verdampfung hohe Entfeuchtung erzielt. Natürlich gilt auch hier, dass der Taupunkt für eine Entfeuchtung immer unterschritten werden muss. Die Einjustierung eines solchen Systems kann durch die ausgeschiedene Kondensatmenge am Verdampfer stets recht einfach vorgenommen werden. Ein solches System eignet sich neben Gemüse- und Obstlagerung auch für Komfortklima-RLT-Anlagen und Klimaschränke.

Abtauung

Der „EKC 368“ bietet auch die Möglichkeit der Abtauregelung durch externe Einleitung über einen Eingangskontakt. Nach Einleitung der Abtauung ist ihr Standardablauf durch entsprechende Einstellung des Reglers festzulegen. Bei Heißgasabtauung schließt das „KVS“-Ventil während des Abtauvorgangs. Nach Ende der Abtauung öffnet das „KVS“-Ventil nicht schlagartig – wie etwa ein Standard-Magnetventil. Das ist besonders hinsichtlich der Entlastung des hohen Drucks (und ggf. der Flüssigkeit) im Verdampfer von Vorteil. Außerdem ist es nicht erforderlich, ein zusätzliches Ventil in die Saugleitung einzubauen, da der „KVS“ auch für diese Absperrfunktion verwendet werden kann.

Bei elektrischer Abtauung ist der „KVS“ geöffnet. Ein Abtaufühler im Verdampferpaket beendet die Abtauung, sobald die Temperatur des Verdampferpakets die am Fühler eingestellte Temperatur erreicht hat. Als Sicherheit kann im Kühlstellenregler noch eine maximale Abtaudauer eingestellt werden, die die Abtauung im Falle eines defekten Abtaufühlers oder ähnlicher Fehlfunktion beendet. Nach der Abtauung folgt die Abtropfzeit. Nach deren Abschluss wird der Kühlvorgang wieder eingeleitet. Vereinfacht dargestellt dient die Abtropfzeit schlicht dazu, das zu Wasser gewordene Eis am Verdampfer über den Kondensatablauf abzuleiten.

Lösung für große Anlagen

Falls größere Anschlussgrößen als 54 mm für die Saugleitung benötigt werden, empfiehlt es sich, eine Lösung mit einem Hauptventil einzusetzen. Dieses System besteht aus einem Hauptventil „ICS“, einem aufgeschraubten Pilotventil „CVQ“ und dem dazugehörigen Regler „EKC 361“ (ohne Abtaufunktionen – die Alternative „EKC 367“ ist mit praktisch den gleichen Abtaufunktionen ausgestattet wie „EKC 368“). Auch hier wird das Hauptventil mit Pilot in die Saugleitung eingebaut. Der Effekt der Regelung und die regelungstechnische Funktionsweise entspricht dem „KVS-EKC 368“-System. Allerdings wird beim „CVQ“ statt eines Schrittmotors eine Druckkartusche (Aktuator) zur Betätigung des Ventils benutzt. In diesem Aktuator sind ein „PTC“-Heizwiderstand und ein „NTC“-Widerstand eingebaut. Der „PTC“ kann vom Regler mit 24 V Wechselstrom angesteuert werden, so dass der Aktuator aufgeheizt wird. Durch diese Aufheizung wird das Ventil geschlossen bzw. geöffnet. Der „NTC“-Widerstand gibt der Regelung eine Rückmeldung über den Öffnungsgrad des Ventils mit dem Umweg über die innere Stellantriebstemperatur. Der Istwert dieser Stellantriebstemperatur sowie der momentane Sollwert können im Reglermenü des „EKC 361“ („367“) ausgelesen werden. Dies ist ein gutes Hilfsmittel bei der Fehlersuche. Liegt der Sollwert (momentane Stellantriebsreferenz) beispielsweise bei 100 °C und der Istwert ebenfalls (Soll- Istwertdeckung), so ist das Regelverhalten auf den ersten Blick in Ordnung. Liegt der momentane Sollwert bei 100 °C und der Istwert liegt bei z.B. 50 °C, ohne weiter zu steigen, dann handelt es sich um einen Fehler im Regler oder im Stellantrieb. In einem solchen Fall sollte geprüft werden, ob der Reglerausgang für den Heiz-„PTC“ korrekt an den „CVQ“ angeschlossen ist und 24V AC ausgibt.

Fernservice

Bei diesem Regelsystem besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit des Fernservices. Es ist möglich, den Regler mit einem LON-Modul auszustatten und über eine Mastereinheit die entsprechenden Daten aufzuzeichnen bzw. über eine Modemverbindung ortsungebunden in das Regelsystem einzugreifen. Dies kann über eine spezielle Software (Typ „Danfoss AKM“) erfolgen. Somit ist diese Medientemperaturregelung auf Wunsch in komplexe Danfoss-Regelsystem-Netzwerke integrierbar.