Thermocontrol für Absorberkühlschränke: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 11. Januar 2022, 10:15 Uhr

Autoren: Nicolas-Pascal Kosellek & Hendrik Schlemmer

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Mirek Göbel & Prof. Dr.-Ing. Ulrich Schneider

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Einleitung

Da die Kühlleistung von Absorberkühlschränken stark von der Umgebungstemperatur an den Kühlrippen abhängt, ist es von Vorteil, diese über Temperatursensoren zu überwachen und aktiv in einem Temperaturfenster zuhalten.
Gerade im Wohnmobilbereich sind diese Kühlschränke häufig serienmäßig verbaut, sodass hier oft das Problem eines Hitzestaus im Abluftbereich entsteht. Dies wirkt sich negativ auf die Kühlleistung des Absorberkühlschrankes aus. Erhöhte Außentemperaturen, wie sie in südlichen Urlaubsregionen auftreten, verschärfen die Problematik.
Außentemperaturen im Bereich der Frostgrenze erschweren wiederum das Erreichen des optimalen Temperaturfensters.

Anforderungen

MUSS-Anforderungen

• Messung der Außentemperatur

• Messung der Kühlrippentemperatur

• Ansteuerung der Lüftungsklappen mittels eines Servomotors

• Regelung der Lüfterdrehzahl

• Ausgabe der Sensorwerte auf einem Display

• Stromversorgung über 12V-Boardspannung

• Notstellung der Lüftungsgitter

KANN-Anforderungen:

• USV-Versorgung zur Notsteuerung bei Ausfall der 12V-Boardspannung

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Die Regelung des Temperaturfensters wird realisiert über eine zusammenhängende Steuerung der Luftauslassklappe in Verbindung mit zwei parallel laufenden Lüftern zur Erzeugung eines optimierten Abluftstroms.

Für die Steuerung des Lüftungsgitters wird ein Servomotor benötigt, welcher die Luftzufuhr regelt. Die zwei vorhandenen Temperatursensoren messen die Temperatur oberhalb der Kühlrippen und die Außentemperatur. Die Erzeugung des Abluftstroms erfolgt über zwei, in der Drehzahl regelbare Lüfter. Die Regelung der Lüfterdrehzahl wird durch den Arduino zum Erhalt der Temperatur, im optimalen Arbeitsbereich, gesteuert.

Die aktuellen Temperaturen, Lüfterdrehzahl und der Öffnungsgrad des Lüftungsgitters werden für den Benutzer sichtbar auf einem LCD-Display ausgegeben. Sollten Fehler in der Regelung oder beim Verstellen des Lüftungsgitters auftreten, wird der Benutzer durch einen Signalton gewarnt und eine Notstellung angefahren.

Die Thermocontrol wird durch ein geschaltetes Plus-Signal vom Kühlschrank mit Spannung versorgt und beginnt die Regelung automatisiert.

Abbildung Nr.1: Funktionaler Systementwurf - Thermocontrol Absorberkühlschrank

Komponentenspezifikation

Komponente	Beschreibung	Abbildung
Arduino UNO	Microcontroller 14 digitale I/O Pins 6 analoge Eingänge	Arduino Uno Board
LCD-Display	I2C-Verbindung 16x2 Pixel Auflösung Hintergrundbeleuchtung	I2C LCD Display
2x PWM-Lüfter	be Quiet! Gehäuse Lüfter Pure Wings 2 120mm Durchmesser 12V / 2,4W Dienen zur Erzeugung eines Abluftstromes zur Abführung der Wärme	be Quiet! Gehäuse Lüfter
2x Ein/Aus Schalter	Zwei Schaltzustände Dient zum Umschalten zwischen verschiedenen Modis	Ein-Aus Schalter
Potentiometer	10kOhm Potentiometer Dient zur Simulation der Lamellentemperatur	10kOhm Potentiometer
Ultraschallsensor	Misst den Abstand zu einem beliebigen Objekt Dient zur Erkennung der Abdeckung	Ultraschallsensor HC-SR04
RGB-LED	4-Pin RGB LED (ROT/GRÜN/BLAU) Dient zur Darstellung des Systemzustandes	RGB-Led
1-Kanal Relais Modul	Max. 10A / 30VDC Dient zur Spannungsfreigabe der Lüfter	1-Kanel Relais Modul
Piezo-Speaker	Lautsprecher nach dem Piezo-Prinzip Dient zur Ausgabe eines Signaltons	Piezo-Speaker

Umsetzung (HW/SW)

Abbildung Nr.X: Rückansicht der Thermocontrol im Demo-Ständer

Komponententest

Die verwendeten Komponenten wie zum Beispiel die Lüfter oder das Drehpotenziometer wurden vor der Integration in das System getestet. Dies erfolgte über das Schreiben kleiner Testprogramme, indem die fehlerfreie Funktion erkannt werden konnte.

Folgende Testprogramme wurden angelegt und erfolgreich getestet:

LCD_Display.ino
Potentiometer.ino
PWM_Auswertung.ino
Ultraschall.ino

Unter folgendem Link [SVN-Link SVN] sind die Beispielprogramme vorhanden.

Ergebnis

Abbildung Nr.X: Vorderansicht der Thermocontrol im Demo-Ständer

Das Ergebnis des Fachpraktikums ist eine smarte Ablufttemperatursteuerung für den Einsatz mit Absorberkühlschränken.
Bei steigenden Temperaturen erhöht sich die Drehzahl der Lüfter,gemäß Abbildung X, sodass eine optimale Arbeitstemperatur des Absorberkühlschrankes gewährleistet werden kann. Ebenfalls wurde eine optische Kontrolle mittels einer RGB-LED umgesetzt, sowie eine akustische Ausgabe über einen Piezo-Speaker.
Durch das Display, welcher im realen Verbau im Innenraum vorzufinden wäre, ermöglicht die Thermocontrol dem Anwender, durch die Ausgabe der Temperaturen und der Lüfter Drehzahlen, ein sicheres Gefühl zu haben, dass der Kühlschrank optimale Kühlleistungen erbringen kann.
Das Problem gerade in warmen Urlaubsregionen von einem kühlen Getränk zu Träumen fällt von nun an weg und der Traum wird zur Realität!

Zusammenfassung

Lessons Learned

Durch die Arbeit an dem Projekt Thermocontrol für Absorberkühlschränke konnten wir das gemeinsame Arbeiten an einem realen Projekt erlernen. Es mussten alle Teilaufgaben für das erfolgreiche Abschließen der Arbeit geplant und durchgeführt werden. Die Disziplinen waren unter anderen Aufgeteilt in:

Programmierung: Dort wurden die bisherigen Kenntnisse aus dem Fach Informatik und den dazugehörigen Praktika gefordert und weiter in Eigeninitiative ausgebaut, gerade die Programmierung in der Sprache C kam zum Einsatz.
Projektplanung: Die Durchführung eines eigenen Projekts wurde bislang nur theoretisch oder im Praxissemester vertieft, sodass das Projekt uns die Möglichkeit bat unser theoretisches Wissen mit praktischen Erfahrungen zu füllen.
Elektrotechnik: Sicherlich mussten auch die erlernten Grundlagen des Faches Elektrotechnik eingesetzt werden, um die Schaltungen richtig umsetzen zu können und auch die Widerstände zu bestimmen.
Handwerkliches Geschick: Während der gesamten Bauphase standen wir immer wieder vor kleinen oder auch großen Hürden, welche wir jedoch gut durch den richtigen Einsatz von Werkzeugen und der Bearbeitung von Werkstücken bewältigen konnten.

Es ist auf jeden Fall festzuhalten, dass dieses Projekt dem Lernerfolg in vielen Aspekten des Studiums weiterhilft und einem einen kleinen, aber doch sehr hilfreichen, Einblick in die praktische Arbeit bietet.

Projektunterlagen

Projektplan

Zu Beginn des Projektes wurde folgender Projektplan festgelegt. Die jeweiligen Aufgaben innerhalb des Projektes wurde gemäß dem Projektplan ausgeführt und abgearbeitet.

Projektdurchführung

Zu Beginn des Projektes zur Erstellung einer Thermocontrol, wurde Überlegungen angestellt, wie der Systemaufbau zu gestalten ist. Ebenfalls wurde in diesem Arbeitsschritt auch die notwendigen Bauteile definiert.
Durch den zuvor getätigten Kauf der Funduino-Arduino Box, war nur die Beschaffung der Lüfter und eines Potentiometer notwendig. Im ersten Versuchsaufbau, wurden Lüfter ohne interne PWM-Steuerung verwendet, sodass ebenfalls eine Transistorschaltung notwendig war. Aufgrund der Möglichkeit zur Verwendung von PWM gesteuerten Lüftern wurde die Schaltung im Laufe des Projektes ersetzt. Dieser Austausch hatte aber keine weiteren Auswirkungen auf den Projektaufbau. Weiter ausgeführt ist dieser Punkt in "Lessons Learned".
Zeitgleich wurde mit dem Hardware-Aufbau und des Fertigung des Demo-Ständers begonnen.
Abschließend konnte das Gesamtsystem aufgebaut werden und erfolgreich getestet werden.

YouTube Video

Im nachfolgenden Video ist das Projektergebnis darstellt:

Weblinks

Literatur