Kältekreislauf, komischer Regeleffekt?

[Alexander N. (aon)]

Schönen Abend,
ich weiß, das ist kein Kältetechnik-Forum, aber als 'Mechanik' geht das 
vielleicht durch :-)

Hab bei uns in einem Labor-Aufbau einen Umwälzthermostaten (von -5°C - 
95°C) im Einsatz, mit dem ich an sich SEHR zufrieden bin.

Umwälzthermostat Julabo FS18-HD:
Das Gerät hat einen Kältekreislauf dessen Kühlleistung über ein 
Magnetventil moduliert wird.
(Viele andere Geräte haben einen Kühler mit konstanter Leistung und 
regeln die Temperatur über einen Heizer).
(Um vorwegzunehmen: Ja neuere Systeme haben einen FU am Kompressor, aber 
darum gehts hier nicht).

Das Magnetventil öffnet offenbar einen Bypass am Kompressor über eine 
zusätzliche Drossel, ein Strömungsgeräusch ist dann gut zu hören.

Gerät funktioniert an sich, hat aber manchmal folgende Macke:

1. Situation: Temperatur ist stationär und wird gut geregelt (+-0,01°C)
2. Das Magnetventil taktet mit gleichbleibenden Ein/Aus-Zeiten (z.B: 4s 
ein, 4s aus)
3. Irgenwann sinkt die Temp. mal ein wenig stärker ab (-0,02°C)
4. Das Gerät versucht über die Ventilzeiten die Kühlleistung minimal zu 
reduzieren.
5. Die Temperatur schießt förmlich nach unten. (-0,15°C)
6. Der Regler versucht das Problem mit heizen zu lösen, das machts aber 
nur schlimmer. Zu dem Zeitpunkt ist es ohenhin schon zu spät, die 
Abweichungen für die angeschlossenen Messungen zu groß.
7. Das Spiel wiederholt sich in mehr oder weniger regelmäßigen 
Zeitabständen, die vom Temperaturniveau abhängen: je kälter umso kürzer 
die Intervalle dazwischen: 5 - 15 Minuten, z.B. 10+-2 Minuten @ 0°C, 
tritt aber nicht immer auf....
8. Das Verhalten wird auch vom Frostschutzgehalt im Wasser und vom 
Wasserstand beeinflusst. Möglicherweise ist das aber nur, weil dann die 
Parameter für den PID nicht mehr passen.

Die m.E. nach relevante Beobachtung ist, dass die Kühlleistung 
kurzfristig massiv zunimmt, wenn der Regler die Ventilöffnungszeiten 
erhöht.
Diese Beobachtung hab ich auch gemacht, wenn auf eine neue tiefere 
Solltemperatur runtergekühlt wird:
1. Magnetventil ist permanent zu, Kompressor läuft, System kühlt mit 
0,01°/s ab.
2. Temperatur nähert sich dem Sollwert, Regler beginnt das Magnetventil 
zu takten.
3. nach dem ersten Takt sinkt die Temp. für einige Sekunden mit -0,05°/s

Zustand der Anlage / durchgeführte Checks:
Kältemittel R134a ist vermutlich ausreichend, Schauglas (dürfte am 
Kondensatorausgang sein) manchmal zu 100% gefüllt, manchmal zu 50%, nie 
weniger.
Kondensator ist sauber, Lüfter dreht und bläst.
Messung des Drucks auf der Saugseite (auf der Druckseite ist kein 
Anschluss vorhanden) ist unauffällig.
Druck pendelt mit der Ventiltaktung, die Niveaus sind natürlich von den 
jeweiligen Temperaturverhältnissen abhängig (Dampfdruckkurve).

Hat jemand von den Profis eine Ahnung, woran das liegen könnte?
Danke, Alex

[Carypt C. (carypt)]

Hmm, ich bin völlig unerfahren, ich habe nur eine einfache pid-Steuerung 
an meiner Kochplatte. ich vermute nur.
Sieht nach einem auto-reset der pid-Steuerung aus, oder ? Da die 
Einstellungen, die für eine bestimmte Heizsituation für eine andere 
Heizsituation nicht genauso gut passen, könnte die auto-funktion die 
beste Lösung sein, die kalibriert sich dauernd neu ?

Hmmm, wenn ich da ins Manual schaue, auf 7.2 seite 21 gibt es da einen 
continual identification mode, könnte das die Ursache sein ? Vielleicht 
den single identification mode nehmen ?

[Chris K. (kathe)]

Alexander N. schrieb:
> (+-0,01°C)
Wirklich ?
Bitte genauere Details dazu wie du auf 0,01°C regelst und welche 
Sensoren und die weiteren Details.

Stell mal die Hysterese höher ein auf z.b. 0,1.

[Peter M. (Gast)]

Chris K. schrieb:
> Alexander N. schrieb:
>> (+-0,01°C)
> Wirklich ?
> Bitte genauere Details dazu wie du auf 0,01°C regelst und welche
> Sensoren und die weiteren Details.
>
> Stell mal die Hysterese höher ein auf z.b. 0,1.
Hättest Du in das Manual reingeschaut, das Carypt C. mit angehängt hat, 
dann würdest Du diese Frage nicht stellen.

[Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)]

> Kältemittel R134a
... ist schon mal schlecht, weil niemand ohne Kältemittelschein am 
Kältemittelkreislauf herumfummeln darf.

> ist vermutlich ausreichend, Schauglas (dürfte am Kondensatorausgang
> sein) manchmal zu 100% gefüllt, manchmal zu 50%, nie weniger.
Das ist noch schlechter, weil 50% gefüllt bzw. sobald da viel 
Kältemitteldampf sichtbar ist, kommt am Drosselorgan (nach dem die 
Verdampfung stattfindet) kein kontinuierlicher Strom an flüssigem 
Kältemittel mehr an. Dampfförmiges Kältemittel kann nicht nochmal 
verdampfen, dadurch sinkt die Kälteleistung und wenn es ein einfacher 
Kreislauf mit einem einfachen Kapillarrohr als Drosselorgan ist, wird 
die tatsächlich durchfließende Kältemittelmenge unberechenbar.

Ohne den Aufbau nun genau zu kennen und wie sich der Entwickler das 
vorgestellt hat: Kältemittelmangel führt zu Minderleistung, 
Minderleistung führt dazu, daß sich noch mehr flüssiges Kältemittel im 
Verflüssiger sammelt (da der Verflüssiger für die erreichte Leistung 
deutlich überdimensioniert ist und nicht vollflächig genutzt wird, das 
Kältemittel ist bspw. bereits auf halbem Wege vollständig kondensiert) 
und das führt zu sinkendem Hochdruck. Zu wenig Hochdruck bedeutet zu 
wenig Kältemitteldurchfluss durch das Drosselorgan zur Niederdruckseite 
und damit zu wenig Kälteleistung. Wenn man nun irgendwas macht wie durch 
ein Bypassventil Energie in Form von Wärme im Kompressor zu speichern 
und hinterher vermehrt in den Verflüssiger zu fördern, kann diese 
zusätzliche Wärme reichen, daß wieder mehr flüssiges Kältemittel aus dem 
Verflüssiger gedrückt wird und der Hochdruck steigt - und damit auch die 
Kälteleistung. Wenn das System dadurch aus dem Gleichgewicht kommt bzw. 
nicht mehr präzise genug zu regeln ist, könnte das für den Fehler 
ursächlich sein.

Der gleiche Effekt sorgt übrigens auch dafür, daß Kälteanlagen oft bei 
kaltem Wetter ausfallen, wo sie eigentlich besonders effizient laufen 
müssten. Es ist dann einfach nicht mehr genug (flüssiges) Kältemittel im 
System, um den Verflüssiger zu fluten und dadurch für einen 
ausreichenden Hochdruck zu sorgen, folglich kommt nicht genug 
Kältemittel beim Verdampfer an und das bewirkt dann Minderleistung, 
unerwartete Vereisung, die nicht mehr abtaut (durch den zu niedrigen 
Saugdruck zu niedrige Verdampfungstemperatur) und letztlich Abschaltung 
mit Unterdruckstörung.

Wenn Du kannst, mach doch mal eines oder ein paar Fotos vom Aufbau. Gibt 
es einen Aufkleber, auf dem die Kältemittelmenge angegeben ist? Besitzt 
das Ding einen Sammler für Kältemittel oder muss es mit dem Platz im 
Verflüssiger alleine auskommen?

Kältemittelmenge prüfen ist übrigens schwer, man muß dafür die komplette 
Füllung entnehmen und wiegen, danach die vorgegebene Menge füllen und 
die muss bei kleinen System mit Kapillarrohr (ohne Sammler) auch 
verdammt genau stimmen.

[Michi S. (mista_s)]

Alexander N. schrieb:
> Temperatur ist stationär und wird gut geregelt (+-0,01°C)

Was verwendest Du dafür als Temperatursensor? Pt100?
Dir ist bewußt, daß Auflösung und Genauigkeit zwei sehr verschiedene 
Dinge sind?

Ich bin bei so hochgenauen Temperaturmessungen immer etwas skeptisch, 
hab ich mal kurz zur Toleranz von Pt100 gesucht; für die Beste 
(genormte) Genauigkeitsklasse hab ich da als zulässige Toleranz 
gefunden: +- (0,1 + 0,0017 * |t|)

Bist Du Dir sicher, daß Dein Sensor mehr als zehnmal besser ist, als die 
beste Genauigkeitsklasse lt. Norm?


Alexander N. schrieb:
> 4. Das Gerät versucht über die Ventilzeiten die
> Kühlleistung minimal zu reduzieren.
> 5. Die Temperatur schießt förmlich nach unten. (-0,15°C)

Das ist natürlich schon irgendwie --- überraschend!

[Udo S. (urschmitt)]

Deine Regelgenauigkeit bzw. die Abweichungen die du angibt sind ja 
ziemlich "klein".
Geregelt wird wenn ich das verstehe ein Wasserbad (mit Frostschutz).
Könnte es sein, dass es einfach irgendwelche Wirbelströmungen im Bad 
sind, die unregelmäßig etwas wärmeres oder kälteres Wasser von anderen 
Bereichen des Bades zu dem Sensor spülen?
Wie wird sichergestellt, dass das Bad gleichmäßig durchmischt wird?

[Alexander N. (aon)]

MoinMoin und gleich vorweg Danke für alle Inputs.

Es geht hier aber nicht um Temperaturmessung, Auflösung vs. Genauigkeit 
usw.
Ja, wir haben geeignetes Equipment zu diesem Zweck (SPRT, 
Tripelpunktzelle, Kalibriergeräte)... das für diese Thematik aber keine 
Rolle spielt.
(Außer dass ich das jetzt protzig hier reinschreiben muss damit die 
Diskussion nicht in eine falsche Richtung abdriftet).

Und ja, Laien sollten nicht an Kühlkreisläufen rumpfuschen, selbst dann 
nicht wenn sie nicht der deutschen Legislative unterliegen. Der deutsche 
Kälteschein ist nur nicht das einzig relevante Kriterium dafür, ob 
jemand Laie ist oder nicht.


Es geht hier um einen Effekt des Kältekreislaufs (mit dem damit 
gekoppelten Wasservolumen). Das wurde mit der Anzeige des 
Umwälzthermostaten sowie mit den Temperaturfühlern in der daran 
angeschlossenen Anlage eindeutig identifiziert.
Die Frage ist, wodurch die kurzfristige 'Vorzeichenumkehr' in der 
Regelstrecke verursacht wird.
Es ist klar festgestellt worden, dass der Regler die Kühlleistung zu 
reduzieren versucht, diese aber im ersten Moment merklich steigt.
Alle Temperaturmessungen bestätigen das übereinstimmend, die Anzeige des 
Magnetventil-Taktes bestätigt das, und die Geräusche des Kältekreislaufs 
auch.

Die von mir vermutete Funktionsweise des Systems:
Wenn das Magnetventil öffnet steigt der Druck auf der Saugseite 
(überprüft), der auf der Druckseite sinkt (Annahme, keine 
Prüfungsmöglichkeit). Damit steigt der Siedepunkt auf der Saugseite -> 
Kühlleistung sollte sinken.
Bin mir aber nicht sicher wie sich der Druck auf der Druckseite dabei 
verhält:
Bei konstantem Volumenstrom im Kompressor müsste der Druck sinken, der 
Druckanstieg auf der Saugseite wirkt dem aber entgegen. -> Ich weiß es 
nicht.


Nehmen wir mal an es liegt an Kältemittelmangel:

Wenn Kältemittel gasförmig in den Verdampfer eintritt, dann findet dort 
kein Phasenübergang mehr statt -> Kühlleistung sinkt erheblich. Wenn das 
die Ursache ist, dann würde das also den Zustand mit geschlossenem 
Bypassventil betreffen.
Wenn in diesem Zustand dann das Ventil öffnet müsste also plötzlich mehr 
flüssiges Kältemittel in den Verdampfer gelangen um das Verhalten zu 
erklären (immerhin steigt ja der Druck und damit der Siedepunkt an!). 
Die Druckdifferenz müsste also schlagartig erheblich größer werden, um 
den Durchfluss durch die Kapillare zu erhöhen.
Ich mag mich irren, aber plausibel klingt das für mich nicht.

> Zu wenig Hochdruck bedeutet zu wenig Kältemitteldurchfluss
> durch das Drosselorgan zur Niederdruckseite
> und damit zu wenig Kälteleistung.

In dem System gilt die Dampfdruckkurve des Kältemittels.
Solange eine Flüssigphase vorhanden ist, ist der Druck mit der 
Temperatur fix verkoppelt.
Daher folgt auf geringere Kondensatortemperatur -> geringerer Hochdruck.

Wenn die Aussage
> Zu wenig Hochdruck bedeutet zu wenig Kältemitteldurchfluss
> durch das Drosselorgan zur Niederdruckseite
> und damit zu wenig Kälteleistung.
stimmt,
dann müsste man ja durch Heizen der temperaturabführenden Seite die 
Kälteleistung steigern können.

Je kälter es ist, umso geringer ist der Dampfdruck und umso MEHR 
Kältemittel ist in der Flüssigphase.
> Es ist dann einfach nicht mehr genug (flüssiges) Kältemittel im System,
> um den Verflüssiger zu fluten

Das bezweifle ich doch stark...

Nennfüllmenge ist 155g, nachdem das alles in einem engen Gehäuse verbaut 
ist, ist das mit den Bildern nicht so einfach.
Werds aber veruchen...

[Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)]

155g finde ich für R134a mit vermeintlich etwas Leistung ziemlich wenig.

Wie gesagt, ich weiß natürlich nicht ob ein Mangel vorliegt. Schnapp Dir 
doch mal ein Lecksuchgerät, alternativ kann man alles mit Seifenwasser 
prüfen, gibt auch spezielle Lecksuch-"Sprays" dafür, leider alles 'ne 
ziemliche Sauerei. Die Kunst dabei ist aber, das mit einem stetigen 
Strahl aufzutragen und nicht als Schaum. Als Schaum ist alles bereits 
voller Blasen und man sieht nicht mehr, wenn sich irgendwo kleine neue 
bilden (was so nicht sein sollte). Leider sieht man damit auch nicht 
alles, wenn sich ein Leck bspw. zwischen den Lamellen des Verflüssigers 
befindet, na dann viel Spaß beim Suchen.

Mich wundert ein bißchen, das System scheint ja eine Weile problemlos 
gelaufen zu sein. Daher kommt das Problem durch Alterung oder daß 
irgendwas fehlt. Hinzugekommen ist ziemlich sicher nichts. Evtl. noch 
ein bißchen abwarten und schauen, ob das Problem stärker wird.

[Alexander N. (aon)]

Hab mal Bilder gemacht von den Eingeweiden des Geräts.

In der Gesamtansicht ist links der Kondensator zu sehen, die 
Filterpatrone und mittig das Magnetventil.
Rechts hinter dem Kompressor gehen die Leitungen hinauf in den 
Wasser-Bereich des Geräts.
Das Wasserbecken befindet sich direkt über dem Kompressor.

Im Ventil-Foto ist die Leitung vom Kompressor zum Kondensator zu sehen, 
und die Abzweigung die zum Magnetvetil führt.

Im Schauglas-Bild sieht man, dass die Leitung die auf der abgewandten 
Seite des Kondensators unten rausführt zunächst durch die Filterpatrone 
läuft und dann zu dem Schauglas.
Im Schauglas sieht man (am Foto nicht zu erkennen) die kleine Bohrung, 
durch die das Kältemittel nach rechts weiterläuft um dann dann hinter 
dem Kompressor senkrecht nach oben in den Kühlteil zu gelangen.
Bei meinen Beobachtungen hab ich nie gesehen, dass der Füllstand im 
Schauglas so gering wurde, dass diese Bohrung Gasphase gesehen hätte.

Ich hätte vermutet, dass Gasphase im Schauglas erwünscht ist, sonst kann 
man ja nicht erkennen ob noch Kältemittel da ist oder nicht. Wenns zu 
100% voll ist sieht es genau so aus wie im völlig leeren Zustand.

Ich könnte natürlich auf Verdacht nachfüllen, aber nachdem ich nicht 
weiß wieviel drinnen ist....

Lecksuchen halte ich für aussichtslos, weil 155g verteilt über Jahre 
eine zu geringe Lekage ergeben um das zu finden.
Da würd bestenfalls ein UV-tracer helfen, aber so einer ist vermutlich 
nicht im System drinnen....

[Thomas R. (thomasr)]

Das Schauglas dient in erster Linie der Erkenntnis ob Wasser im System 
ist. Dann würde sich die Farbe des Ringes ändern.

Bei unbekannten Anlagen haben wir unter Volllast gefüllt bis im 
Schauglas gerade keine Blasen mehr zu sehen waren.

[Alexander N. (aon)]

Ich denke mit der zu geringen Füllmenge habt Ihr Recht.

Das Schauglas ist so ziemlich am tiefsten Punkt der Flüssigkeitsleitung, 
dort sollte wirklich kein gasförmiger Anteil sein.

Reporting folgt....

[Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)]

> [..] Schauglas [..]
> Wenns zu 100% voll ist sieht es genau so aus
> wie im völlig leeren Zustand.
Das ist korrekt bzw. man muss schon sehr genau hinschauen.
Aber wenn's da drin schäumt und brodelt, dann ist was komisch.

> Ich könnte natürlich auf Verdacht nachfüllen, aber nachdem
> ich nicht weiß wieviel drinnen ist....
Wenn Du keinen Kältemittelschein hast (glaube der basiert sogar auf 
EU-Recht), dann kannst Du das leider nicht. Evtl. wäre es möglich, eine 
kleine Menge nachzufüllen und auszuprobieren, ob's besser wird - aber 
der korrekte Weg wäre komplett absaugen und die entnommene Menge wiegen 
bzw. bei so kleinen Mengen und den unvermeidlichen Verlusten durch die 
Schläuche und das Absauggerät ist das schwierig... also bleibt nur 
absaugen und nach Vorgabe neu füllen. Das Geld steckt sowieso in der 
Arbeitszeit, die dafür draufgeht und nicht in den paar Gramm R134a.

> Lecksuchen halte ich für aussichtslos, weil 155g verteilt
> über Jahre eine zu geringe Lekage ergeben um das zu finden.
Die Leckage ist vermutlich nicht so alt wie das Gerät, sowas entsteht 
wenn irgendwas weggammelt oder eine verlötete Verbindung undicht wird. 
Durchscheuern schließe ich bei dem Gerät aus, die dabei entstehenden 
Undichtigkeiten sind meistens recht groß wenn das Kältemittel irgendwann 
mal durch bricht, da wären 155g R134a sehr schnell komplett weg.

Aber wenn man das Gerät sowieso neu füllt, spricht auch nichts gegen 
eine Dichtheitsprobe mittels Stickstoff. Dazu muss das Kältemittel raus 
und dann kommt mit maximal zulässigem Niederdruck (trockener!!) 
Stickstoff drauf, wenn man das Gerät dann ein paar Stunden oder ggf. 
1..2 Tage stehen lässt, darf der Druck nicht sonderlich stark absinken. 
Ein wenig Stickstoff kann sich im Kältemaschinenöl lösen oder die 
Temperatur kann sich verändern, daher sind geringe Abweichungen normal, 
aber wenn da am Ende deutlich was fehlt, dann muss man nach dem Leck 
suchen.

> Da würd bestenfalls ein UV-tracer helfen, aber so einer
> ist vermutlich nicht im System drinnen....
Kippt bitte auch keinen rein. Bitte auch kein Leak Seal oder ähnlichen 
Mist. Das macht's alles nicht wirklich besser und die meisten 
Kältetechniker hassen das Zeug. Das verträgt sich am Ende nicht mit dem 
Kältemaschinenöl, klebt den Filtertrockner und das Kapillarrohr zu und 
dann hat man so viel Spaß mit dem Gerät, daß es sehr schnell 
wirtschaftlicher wird, es durch ein Neugerät zu ersetzen.

[Purzel H. (hacky)]

Wenn der Temperatursensor lose ist, resp nicht mehr so guten Kontakt 
macht ergibt sich eine Verzoegerung der Messung, aehnlich einem Tiefpass 
im Sensorpfad. Das kann zu Schwingungen fuehren.

[Carypt C. (carypt)]

Mal geguckt, ob das Gerät im oben angesprochenen continual 
identification mode läuft ? Daß Pid-steuerungen beim Start überschießen 
ist ja normal.