CN107036355A - 包括蒸汽压缩系统的制冰机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种包括蒸汽压缩系统的制冰机，该制冰机可以包括压缩机、第一热交换器、膨胀装置、蒸发器、冰盘和水泵。第一热交换器可以从压缩机接收压缩的工作流体。膨胀装置可以从第一热交换器接收工作流体。蒸发器可以从膨胀装置接收工作流体。冰盘可以与蒸发器处于热传递关系。冰盘可以包括多个制冰模具。水泵可以与制冰模具流体连通，并且可以被配置成将水从水源泵送至制冰模具。

Description

包括蒸汽压缩系统的制冰机
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年5月5日提交的美国临时申请第62/332,010号和于2015年12月16日提交的美国临时申请第62/268,249号的权益。上述参考的申请的全部公开内容通过参引并入本文。
技术领域
本公开涉及包括蒸汽压缩系统的制冰机(例如自动商业制冰机)。
背景技术
本部分提供了与本公开有关的背景信息，并且不一定为现有技术。
自动商业制冰机以规则的间隔生产一批冰块。这种制冰机通常用于食品服务、食品保藏、酒店和健康服务行业。制冰机通常包括可以在冷冻模式和收冰模式下运行的蒸汽压缩系统。在冷冻模式中，蒸汽压缩系统使蒸汽压缩系统的蒸发器上形成的格栅板(即冰盘)中的水冷冻。在收冰模式中，蒸汽压缩系统使冰盘中的少量冰融化，以便冰块可以容易地从冰盘排出。
在制冰机行业中需要提供消耗较少能量同时保持或增加制冰水平的制冰机。本公开提供了一种制冰机和仿真模型，该仿真模型允许制冰机设计者和工程师快速评估改变一个或更多个系统设计选项和参数可以如何影响制冰机的能耗和制冰量。
发明内容
本部分提供了本公开的一般概述，而非对其全部范围或其特征的全部的全面公开。
在一种形式中，本公开提供了一种制冰机，该制冰机可以包括压缩机、第一热交换器、膨胀装置、蒸发器、冰盘和水泵。第一热交换器可以从压缩机接收压缩的工作流体。膨胀装置可以从第一热交换器接收工作流体。蒸发器可以从膨胀装置接收工作流体。冰盘可以与蒸发器处于热传递关系。冰盘可以包括多个制冰模具。水泵可以与制冰模具流体连通，并且可以被配置成将水从水源泵送至制冰模具。基于来自处理器的输出来指定压缩机、第一热交换器、膨胀装置和蒸发器中的至少一个的结构特性。处理器可以接收用于压缩机、第一热交换器、膨胀装置和蒸发器的第一组参数的第一组值。处理器可以基于水温、环境空气温度和第一组值的至少一部分来计算制冰机的第二组参数。第二组参数可以对应于制冰机在冷冻模式下的运行，在冷冻模式下，液态水通过蒸发器在制冰模具中被冷却。处理器可以基于水温、环境空气温度和第一组值的至少一部分来计算制冰机的第三组参数。第三组参数可以对应于制冰机在收冰模式下的运行，在收冰模式期间，预定量的冰被融化，直到将冰从制冰模具移除为止。
在一些配置中，制冰机包括布置在蒸发器内并且与水泵流体连通的水池。
在一些配置中，制冰机包括第二热交换器，该第二热交换器包括第一盘管和第二盘管。第一盘管可以从第一热交换器接收工作流体，并且可以被布置在膨胀装置的上游。第二盘管可以从蒸发器接收工作流体，并且可以被布置在压缩机的上游。
在另一形式中，本公开提供了一种方法，该方法可以包括：选择用于制冰机的一个或更多个硬件部件的第一组参数的第一组值；识别制冰机的进水口处的水温；识别围绕制冰机的环境空气温度；基于水温、环境空气温度和第一组值的至少一部分来计算制冰机的第二组参数，第二组参数对应于制冰机在冷冻模式下的运行，在冷冻模式下，液态水由蒸发器冷却；以及基于水温、环境空气温度和第一组值的至少一部分来计算制冰机的第三组参数，第三组参数对应于制冰机在收冰模式下的运行，在收冰模式期间，预定量的冰被融化，直到将冰从蒸发器移除为止。
在一些配置中，该方法包括：选择用于一个或更多个硬件部件的第一组参数的第二组值；基于第二组值的至少一部分来计算制冰机的第二组参数；基于第二组值的至少一部分来计算制冰机的第三组参数；以及将基于第一组值计算第二组参数和第三组参数的结果与基于第二组值计算第二组参数和第三组参数的结果进行比较。
在一些配置中，结果包括制冰机的能耗和制冰机的制冰量。
在一些配置中，该方法包括基于结果的比较来设计蒸汽压缩系统。
在一些配置中，设计蒸汽压缩系统包括基于结果的比较来选择压缩机。
在一些配置中，第一组参数包括压缩机容量、压缩机效率和/或压缩机马达速度。
在一些配置中，第一组参数包括冷凝器和蒸发器的几何参数。
在一些配置中，第一组参数包括在制冰机启动时的初始蒸发器压力和初始冷凝器压力。
在一些配置中，第一组参数包括冷凝器风扇的空气流率。
在一些配置中，该方法包括显示第二参数的值和第三组参数的值。
在一些配置中，第二组参数和第三组参数包括制冰机的能耗和制冰机的制冰量。
在一些配置中，第二组参数包括热交换器的第一管道与第二管道之间的热传递，第一管道包含膨胀装置的上游的经冷凝的制冷剂，第二管道接收蒸发器的下游和压缩机的吸入口的上游的制冷剂。
在一些配置中，第二组参数包括膨胀装置的流动面积。
在一些配置中，第三组参数包括旁通控制阀的流动面积。
在一些配置中，计算第二组参数和第三组参数包括使用隐式求解器来求解方程组，以在制冰机的蒸汽压缩系统的节点处满足基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律。
根据本文所提供的描述，另外的应用领域将变得显而易见。本概要中的描述和具体示例仅意在说明的目的，而非意在限制本公开的范围。
附图说明
在此描述的附图仅是为了说明所选定的实施方式，而非所有可能的实现形式，并且不意在限制本公开的范围。
图1是制冰机的示意表示；
图2是与输入接口和输出接口通信的仿真模块的示意表示；
图3是描绘仿真模型的初始化过程的流程图；
图4是一般概述仿真模型的冷冻模型的流程图；以及
图5是一般概述仿真模型的收冰模型的流程图。
贯穿附图中的数个视图，对应的附图标记指示对应的部件。
具体实施方式
现在将参照附图来更全面地描述示例性实施方式。
提供了示例性实施方式，以便本公开将是详尽的，并且将充分地将范围传达给本领域技术人员。阐明了许多具体细节例如具体部件、装置和方法的示例，以提供对本公开的实施方式的详尽理解。对于本领域技术人员而言将明显的是，不必使用具体细节，示例性实施方式可以以许多不同的方式来实施并且不应当被理解为限制本公开的范围。在某些示例性实施方式中，并未详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。
本文所使用的术语仅用于描述特定的示例性实施方式的目的，而并非意在进行限制。如本文所使用的那样，除非上下文另有明确说明，单数形式“一”、“一个”和“该”可以预期包括复数形式。术语“包含”、“包含有”、“包括”和“具有”是包括性的并且因而指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其的组的存在或附加。除非具体识别为执行次序，在此描述的方法步骤、过程和操作不应被理解为必须需要其以所讨论或说明的特定次序执行。还应理解的是，可以使用附加或替代的步骤。
当元件或层被提及为处于“在另一元件或层上”、“接合至另一元件或层”、“连接至另一元件或层”或“耦接至另一元件或层”时，其可以直接地位于其他元件或层上，直接地接合至、连接至或耦接至其他元件或层，或者可以存在中介元件或层。相反，当元件被提及为“直接地在另一元件或层上”、“直接地接合至另一元件或层”、“直接地连接至另一元件或层”或“直接地耦接至另一元件或层”时，可以不存在中介元件或层。用来描述元件之间的关系的其他词语(例如“之间”与“直接之间”、“相邻”与“直接相邻”等)应当以相似的方式来理解。如本文所使用的那样，术语“和/或”包括相关联的列举项中的一个或更多个的任意和所有组合。
尽管可以在此使用第一、第二、第三等术语来描述各个元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分进行区别。除非上下文明确说明，术语例如“第一”、“第二”和其他数字术语在此使用时并非意指次序或顺序。因此，下面讨论的第一元件、第一部件、第一区域、第一层或第一部分在不脱离示例性实施方式的教导的前提下可以被称作第二元件、第二部件、第二区域、第二层或第二部分。
出于易于说明的目的，本文中可以使用诸如“内”、“外”、“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等的空间相对术语，以描述附图中所图示的一个元件或特征与一个或更多个另一元件或者一个或更多个特征的关系。空间相对术语可以意在涵盖装置在使用或操作中的除附图中所描绘的定向之外的不同定向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为“在其他元件或特征的下方”或“在其他元件或特征的下面”的元件将于是被定向成“在其他元件或特征的上方”。因而，示例术语“下方”可涵盖上方和下方这两个定向。装置可以以其他方式来定向(旋转90度或者处于其他定向)，并且本文中所使用的空间相对描述词被相应地解释。
例如，本公开提供了制冰机例如自动商业制冰机10(在图1中示意性地示出)的仿真模型。如下面将更详细地描述的那样，仿真模型使得能够预测部件条件、在不同运行环境下的负载以及系统设计变化的评估。仿真模型部分地基于广义相关性来模拟制冰机10的瞬态操作。仿真模型确定制冰机10的属性中的时变变化，并且将性能结果聚集为机器容量和环境条件的函数。仿真模型可以进行快速“假设”分析，使得制冰机设计者和工程师能够快速评估各种系统设计选项(其例如包括热交换器尺寸、翅片表面的尺寸和形状、空气流率、水流率、环境空气温度、入口水温度、用于制冰机10的冷冻循环和收冰循环的压缩机容量和/或效率、制冷剂、吸入管线热交换器属性和/或膨胀阀属性)的影响。
如图2所示，仿真模型可以包括参数输入接口12(例如计算机键盘和/或鼠标)、仿真模块14(例如处理器)和输出接口16(例如计算机监视器和/或打印输出)。仿真模型的用户可以将多个实际的或假想的系统参数和环境参数输入到参数输入接口12中。仿真模块14可以基于用户所输入的参数来进行上述“假设”分析。输出接口16可以传送和/或显示由仿真模块14进行的分析的结果，以向用户提供各种系统设计选项的影响的模型。
现参照图1，将详细描述示例制冰机10。制冰机10包括容纳蒸汽压缩系统20和水处理系统22的柜体18。虽然未在附图中具体示出，但是柜体18可以包括冰块储存箱，冰块储存箱保存在制冰机10的运行期间已经收冰的冰块。冰块储存箱可以包括用户可以打开以使用箱内的冰块的门。
蒸汽压缩系统20可以包括压缩机24、第一热交换器26(例如冷凝器或气体冷却器)、第二热交换器28(例如过冷却器或吸入管线热交换器)、膨胀装置30(例如电子或恒温膨胀阀、固定孔或毛细管)和第三热交换器32(例如蒸发器)。例如，压缩机24可以是任何合适类型的压缩机，例如涡旋式、往复式或旋转式的压缩机。压缩机24可以将工作流体(例如制冷剂)从吸入压力压缩成排出压力。
排出管线34可以将压缩机24与第一热交换器26流体地连接。风扇27可以迫使环境空气通过第一热交换器26的翅片(未示出)，以冷却流动通过第一热交换器26的工作流体。第一热交换器26还可以与第二热交换器28的第一盘管36流体地连接。
膨胀装置30与第一盘管36和第三热交换器32的蒸发器盘管38流体地连接，并且被布置在第一盘管36的出口与蒸发器盘管38的入口37之间。第二热交换器28的第二盘管40可以与蒸发器盘管38的出口39流体地连接。吸入管线42将第二盘管40与压缩机24的吸入口44流体地连接。
旁通管线46可以从排出管线34延伸至蒸发器盘管38的入口37。旁通控制阀48可以沿着旁通管线46布置并且可以通过旁通管线46来控制流体流动。
水处理系统22可以包括进水阀50、水池52、池净化阀54、水泵56和冰盘58。进水阀50可以被布置在流体地连接至水源60(例如安装有制冰机10的建筑物的水管)的供水管线59上。进水阀50可以通过供水管线59来控制从水源60到水池52的水的流动。池净化阀54可以流体地连接至水池52和排水管62(例如安装有制冰机10的建筑物的排水管)，并且可以控制从水池52至排水管62的水的流动。可以选择性地打开池净化阀54，以净化来自水池52的一些水或全部水。
水泵56可沿着流体地连接至水池52和冰盘58的注水管线64布置。水泵56可以通过注水管线64来选择性地将水从水池52泵送至冰盘58。冰盘58可以包括多个模具66，水可以在多个模具66中冷冻以形成冰块。冰盘58可以安装在蒸发器盘管38上、与蒸发器盘管38一体地形成，或者以其他方式设置成与蒸发器盘管38形成热传递关系，使得可以在冰盘58中的液态水或冰与蒸发器盘管38中的工作流体之间交换热量。
继续参照图1，将详细描述制冰机10的运行。制冰机10可以以冷冻模式运行，在冷冻模式中，冰盘58中的液态水被冷却至其凝固点或超过其凝固点，并且制冰机10可以以收冰模式运行，在收冰模式中，冰盘58中的冰块被加热以允许冰块从冰盘58排出。控制模块(未示出)可以控制压缩机24、膨胀装置30、旁通控制阀48、进水阀50、池净化阀54和水泵56的操作。
当启动冷冻模式时，水泵56将水从水池52泵送到冰盘58的模具66中。进水阀50可根据需要打开和关闭，以向水池52提供足够量的水。
在冷冻模式下的运行期间，关闭旁通控制阀48，以防止热排出压力工作流体通过旁通管线46的流动。因此，在冷冻模式下，从压缩机24排出的排出压力工作流体可以通过排出管线34流动至第一热交换器26。
在第一热交换器26中，来自工作流体的热量可以被传递至环境空气。工作流体可以从第一热交换器26流动进入至第二热交换器28的第一盘管36中。来自第一盘管36中的工作流体的热量可以由第二热交换器28的第二盘管40中的吸入压力工作流体吸收，从而进一步冷却第一盘管36中的工作流体。工作流体在流动进入至蒸发器盘管38中之前可以从第一盘管36流动通过膨胀装置30。蒸发器盘管38中的冷却工作流体吸收来自冰盘58的模具66中的水的热量。在离开蒸发器盘管38之后，工作流体可以流动通过第二热交换器28的第二盘管40，并且接着(经由吸入口44)回流到压缩机24。
一旦冰盘58中的水被充分冷冻(即如基于水池水位、压缩机吸入压力、冰盘58上的冰的厚度等中的任一个所确定的，已经达到预定的冰批重量)，则制冰机10可以被切换至收冰模式。在收冰模式中，打开旁通控制阀48，以允许离开压缩机24的热排出压力工作流体流动通过旁通管线46并直接进入至蒸发器盘管38中。因此，在收冰模式中，蒸发器盘管38中的热工作流体对冰盘58中的冰进行加热，以融化每个模具66中的少量(例如5％至10％)的冰，从而允许冰盘58中的冰块通过重力从冰盘58落入(或者允许冰块通过其他装置被迫从冰盘58排出)制冰机10的冰块储存箱中。
在收冰模式的运行期间，可以通过打开池净化阀54来净化水池52中的水。在水池52的净化期间，来自水源60的新鲜水可以通过水处理系统22被冲洗并且被排出水池52(经由净化阀54)，以将任何杂质冲洗出水处理系统22。一旦冰块从冰盘58落出并进入到冰块储存箱中(例如，如通过蒸发器温度和/或时间所确定的那样)，则可以填充水池52(例如填充至比制造一批冰块所需的水多10％至40％的水位)，并且制冰机10可以切换回到冷冻模式。
虽然制冰机10在上面被描述为制造冰块，但是应当意识到的是，冰盘58的模具66也可以被配置成制造任何形状的冰，例如包括立方体、矩形棱柱、圆柱体、块状、片状或者新月体。
现参照图2至图5，将详细描述仿真模型的运行。如图3所示，仿真可以通过由用户输入到参数输入接口12(图2)中的各种参数开始。在框110处，可以输入机器参数。这样的机器参数可以包括：(i)要在冰盘58内形成的指定质量的冰Ml；(ii)第一热交换器26(冷凝器)的物理几何参数Vc；(iii)第三热交换器32(蒸发器)的物理几何参数Ve；(iv)压缩机24的压缩机构的物理几何参数Vp(例如压缩机构的排量)；(v)压缩机24的马达的速度ω；(vi)压缩机24的效率η(例如体积和/或等熵效率)；(vii)膨胀装置30的节流面积Av；(viii)膨胀装置30的增益Gv；(ix)膨胀装置30的时间常数τv；(x)由风扇27施加在第一热交换器26上的空气的体积流率以及(xi)制冷剂类型。
在框120处，可以由用户输入运行条件。运行条件可以包括经由供水管线59供应至水池52的水的温度Tw和通过风扇27施加在第一热交换器26上的环境空气的温度Tair。在框130处，可以由用户输入启动条件。启动条件可以包括：(i)初始启动蒸发器压力Peo；(ii)初始启动冷凝器压力Pco；(iii)蒸发器处的初始工作流体质量Xeo(即蒸汽与液体工作流体的比率)；以及冷凝器处的初始工作流体质量Xco(即蒸汽与液体工作流体的比率)。
在将上述参数输入到参数输入接口12之后，仿真模块14使用参数来运行冷冻模型200(即在图4中概述的制冰机10的冷冻模式的模型)和收冰模型300(即在图5中概述的制冰机10的收冰模式的模型)。仿真模块14可以使用诸如SimScape、LabVIEW等的隐式求解器(acausal建模)系统来运行隐式程序，以根据需要求解整体代数和微分方程组，使得在制冰机10的部件(即蒸汽压缩系统20和水处理系统22的部件)连接的节点处满足基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律。亦即，通过变量(例如质量流率和热流率)应该在节点处加和为零，并且节点处的跨变量(例如压力和焓)应当相等。
现参照图4，将描述冷冻模型200的一般步骤。如在框205处所指示的那样，制冰机10的冷冻模式可以通过处于温度Tw的供应的水(例如来自水源60)与水池52中的任何剩余水混合而开始。框210随时间(例如蒸汽压缩系统20在冷冻模式下运行期间的时间)增加。
在框215处，仿真模块14确定指定量的水是否已经在冰盘58中被冷冻(例如基于经过的时间、蒸发器温度等)。如果已经冷冻了指定量的水，那么仿真模块14切换至收冰模型300(图5)。如果未冷冻指定量的水，那么仿真模块14使用隐式求解器系统的隐式程序来确定各种系统参数(在框220至框255处)，以根据需要求解整体代数和微分方程组，从而在节点处满足基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律。
框220表示由隐式求解器程序使用的用于压缩机参数的等式。例如，由压缩机24递送至蒸汽压缩系统20的其他部件的工作流体的质量流率可以由以下等式确定：
其中，ηv是压缩机24的容积效率，ω是压缩机马达速度，ρcs是压缩机吸入气体密度，Vd是压缩机构的排量。
多变方法可以用于确定由压缩机24消耗的功率亦即，功率可以由以下等式确定：
其中，k是多方指数，ηd是压缩机效率，ω是压缩机马达速度，Vd是压缩机构的排量，pe是蒸发器压力，而pc是冷凝器压力。
替代性地，可以使用以下等式来确定由压缩机24消耗的功率
其中，C1至C10是特定压缩机的额定(rating)系数(其由压缩机制造商公开)，Te是蒸发器饱和温度，而Tc是冷凝器饱和温度。
压缩机排放室中的蒸汽工作流体的能量平衡可以用于确定离开压缩机24的工作流体的温度Td。经验压缩机壳体损耗因子fq可以用于补偿通过压缩机外壳壁至环境空气的热传递。
框225和框230表示由隐式求解器程序使用的空气侧和制冷剂侧冷凝器参数的等式。冷凝器(即第一热交换器26)可以通过将冷凝器的总的体积沿其长度划分为N个离散元素并使用有限差分法来建模。冷凝器散热可以使用以下等式来确定：
其中，∈c是冷凝器效率，Cpc是冷凝器热容量，Ta是环境空气温度，Tci是冷凝器的第i个元素中的工作流体温度。可以取决于由风扇27施加在冷凝器上的空气的流率冷凝器翅片材料和冷凝器翅片几何形状(例如光滑的、波纹状、波浪状和百叶窗状)来实现用于热传递相关性的合适的模型。冷凝器内的制冷剂属性可以由制冷剂质量和能量的守恒以及由摩擦引起的压降来控制。可以对这些方程进行积分，以去除空间相关性，从而产生集中参数的基于时间的常微分方程。
框235表示由隐式求解器程序使用的第二热交换器28(即液体管线/吸入管线热交换器)的模型。热流率可以在冷凝器液体管线内的工作流体的温度Tcl下在压缩机吸入管线(即第二热交换器28的第二盘管40)与冷凝器液体管线(即第二热交换器28的第一盘管36)之间确定。热流率可以使用以下等式来确定：
其中，Tcs是压缩机吸入管线(即第二盘管40)内的工作流体的温度，Tcl是冷凝器液体管线(即第一盘管36)内的工作流体的温度，hs是用于第二热交换器28的适当的传热系数，Ls是第一盘管36与第二盘管40彼此处于热传递关系的有效长度，以及Ds是盘管36、40的有效管体尺寸(例如直径)。
框240表示由隐式求解器程序使用的膨胀装置参数的等式。膨胀装置30限制流动并在蒸发器与冷凝器之间产生压力差。因此，可以使用以下等式来确定通过膨胀装置30的质量流率
其中，ρυ是通过膨胀装置30的工作流体的密度，pc是冷凝器压力，pe是蒸发器压力，而Aυ是通过膨胀装置30的有效流动面积(节流面积)。
通过膨胀装置30的有效流动面积Aυ对于孔和毛细管膨胀装置而言是固定的。对于热膨胀阀和电子膨胀阀，机械或电反馈系统改变有效流动面积Aυ以维持预定的蒸发器过热。有效流动面积Aυ可以基于膨胀装置30的反馈增益Gυ和时间常数τυ根据以下等式来确定：
Av＝Anom+Gv[(Tb-Te)-ΔTsh]，
其中Tb是热感测元件(例如热球)温度，ΔTsh是蒸发器过热(即饱和蒸发器温度与离开蒸发器的工作流体的温度之间的差)，并且Anom是膨胀装置30的标称流动面积(其可以由用户输入)。由于热膨胀阀的反馈是机械的(即热感测元件的温度响应)，所以可以通过以下等式来对响应滞后进行建模：
dTb/dt＝(Tb-Tev)/τv，
其中，Tev是离开蒸发器的工作流体的温度。
框245、框250和框255表示包括水侧和制冷剂侧的蒸发器参数以及由隐式求解器程序使用的冰形成参数的等式。蒸发器的制冷剂侧可以以类似于冷凝器的制冷剂侧的方式来建模，即通过沿其长度将蒸发器的总的体积分成N个离散元素并且使用有限差分方法来建模。蒸发器散热可以使用以下等式来确定：
其中，∈e是蒸发器效率，Cpe是蒸发器热容量，Tg是冰盘58的温度，Tei是蒸发器的第i个元素中的工作流体温度。
来自冰盘58中的冰的热传递和进入到蒸发器中的热传递包括通过液态水、冰、冰盘58和制冷剂的热传递。从冰盘58至冰的热流可以使用以下等式来确定：
其中，k是冰的导热系数，Ae是冰盘58的与水和冰接触的表面积，s是冰的厚度，hw是板上的流动液体的对流系数，Tw是水的温度，而Tl是冰的温度。一个或更多个冰的厚度在冷冻循环开始时为零，并且可以被认为与由给出的累积蒸发器热传递成比例。
在框260处，仿真模块14确定在节点处是否存在收敛(即通过变量(例如质量流率和热流率)在节点处是否加和为零且跨变量(例如压力和焓)在节点处是否相等)。仿真模块14使用隐式求解器系统来运行隐式程序，以根据需要求解上述方程组(例如上面关于框220至框255所描述的等式)，直到在节点处存在收敛(即在节点处满足基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律)为止。
一旦方程组被求解出在节点处收敛，则仿真模块14循环回到框210，其中时间(t)增加预定步长。此后，反复冷冻模型200，直到仿真模块14在框215处确定已经形成了预定量的冰。一旦形成了预定量的冰，则仿真模块14切换至收冰模型300，以在收冰模式下对制冰机10的运行进行建模。
现参照图5，将描述收冰模型300的一般步骤。在框305处，仿真模块14通过时间(例如蒸汽压缩系统20在收冰模式下运行期间的时间)增加。
在框310处，仿真模块14确定是否已经融化了冰盘58中的指定量的冰(例如基于经过的时间、蒸发器温度等)。如果已经融化了指定量的冰，那么仿真模块14切换回到冷冻模型200。如果未融化指定量的冰，那么仿真模块14继续使用隐式求解器系统的隐式程序来确定各种系统参数(在框315至框335处)，以根据需要求解整体代数和微分方程组，从而在节点处满足基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律。
框315表示由隐式求解器程序使用的用于压缩器参数的等式。这些等式可以包括上面关于框220所描述的等式。
框320表示由包括旁通控制阀48的参数的隐式求解器程序使用的等式。如上所述，在收冰模式期间，打开旁通控制阀48，以允许制冷剂绕过第一热交换器26和第二热交换器28以及膨胀装置30，而直接流到第三热交换器32(蒸发器)。可以使用以下等式来确定通过旁通控制阀48的制冷剂的质量流率
其中，ρd是从压缩机24排出的制冷剂的密度，pd是从压缩机24排出的制冷剂的压力，pe是蒸发器压力，而Ah是通过旁通控制阀48的有效流动面积(节流面积)。
框325至框335表示由隐式求解器程序使用的压缩器参数的等式。这些等式可以包括上面关于框220所描述的等式。
框325、框330和框335表示由对蒸发器参数和在收冰模式期间添加到冰的热量进行建模的隐式求解器程序使用的等式。这些等式可以包括上面关于框245、框250、框255所描述的等式。
在框340处，仿真模块14确定在节点处是否存在收敛(即通过变量(例如质量流率和热流率)在节点处是否加和为零且跨变量(例如压力和焓)在节点处是否相等)。仿真模块14使用隐式求解器系统来运行隐式程序，以根据需要求解上述方程组(例如上面关于框315至框335所描述的等式)，直到在节点处存在收敛(即在节点处满足基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律)为止。
一旦方程组被求解出在节点处收敛，则仿真模块14循环回到框305，其中时间(t)增加预定步长。此后，反复收冰模型300，直到仿真模块14在框310处确定已经融化了预定量的冰。一旦已经融化了预定量的冰，则仿真模块14在框345处将冰块质量重置为零(即一旦预定量的冰融化，则冰从冰盘58排出)，并且接着切换回到冷冻模型200，以在冷冻模式中对制冰机10的另一运行循环进行建模。
使用冷冻模型200和收冰模型300来对冷冻模式和收冰模式进行建模的上述过程可以重复预定数目的循环。仿真模块14可以计算在预定数目的循环期间的制冰机10的总的能耗和由制冰机10产生的冰的总的量(例如质量)以及/或者每个循环的能耗和产生的冰量。能耗和制冰数据可以被传送至输出接口16，输出接口16可以为用户显示和/或打印该数据。另外，仿真模块14可以确定用于预定数目的循环的总的冷冻时间和总的收冰时间以及/或者每个循环的冷冻时间和收冰时间，并且将该数据传送至输出接口16以供用户观看。
在通过预定数目的循环运行仿真模型之后，接着，仿真模型的用户可以改变输入参数(例如用户在框110、框120、框130处输入的参数)中的一个或更多个输入参数，并且再次针对预定数目的循环来运行仿真模型。以这种方式，用户可以比较仿真结果，以评估用户的一个或更多个参数变化是否以及如何有利于或妨碍制冰机10的性能。该过程可以被重复任意次数，以帮助用户设计更节能和/或更高效的制冰机。
将上述仿真模型的结果与在对完全仪器化的500磅生产量的制冰机的运行期间测量到的数据进行比较。仿真结果和测量数据包括：(1)循环时间(即冷冻循环和收冰循环的持续时间)；(2)每100磅冰的能量输入；以及(3)24小时运行期间的能量使用。仿真结果精确到实际测量数据的5％以内。
如上所述，本公开的仿真模型允许制冰机设计者和工程师快速评估各种系统设计选项(其例如包括热交换器尺寸、翅片表面的尺寸和形状、空气流率、水流率、环境空气温度、入口水温、压缩机容量和/或效率、制冷剂、吸入管线热交换器属性和/或膨胀阀属性)的影响。
仿真模型14的隐式求解器系统(例如SimScape、 LabVIEW等)使用acausal来建模，并且不利用预定计算过程来求解上述方程组。相反，可以在个案分析的基础上确定用于求解在节点处的收敛的方程组的步骤。
隐式求解器可以基于用户提供的初始条件来确定满足模型等式的所有系统变量的值。在初始化步骤期间指定的用户提供的值可以不是相应变量的实际值，而是在仿真开始时(时间＝0)的它们的目标值。取决于求解的结果，可能满足满足或可能不满足一些目标。
在计算初始条件之后，或者在随后事件(例如由旁通阀打开导致的不连续性)之后，隐式求解器执行瞬态初始化。瞬态初始化可以修复动态变量并且求解代数变量和动态变量的导数。瞬态初始化的目的是向瞬态求解阶段(例如隐式求解器求解方程的阶段)提供一组一致的初始条件。在瞬态求解阶段，连续微分方程在时间上被积分，以计算作为时间的函数的变量。隐式求解器根据瞬态求解的结果继续执行仿真，直到求解器遇到事件例如收冰为止。如果求解器遇到事件，则求解器返回到瞬态初始化的阶段，并且接着返回至瞬态求解阶段。循环持续直到仿真结束为止。
前面的描述本质上仅是说明性的，并且绝不旨在限制本公开、其应用或用途。可以以各种形式来实现本公开的广泛教导。因此，尽管本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应当被如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时其他修改将变得显而易见。应当理解的是，在不改变本公开的原理的情况下，可以以不同的次序(或同时地)执行方法中的一个或更多个步骤。此外，虽然实施方式中的每一个在上面被描述为具有某些特征，但是关于本公开的任何实施方式所描述的那些特征中的任意一个或更多个特征可以在其他实施方式中的任何一个的特征中实现，以及/或者与其他实施方式中的任何一个的特征组合，即使并没有明确描述该组合。换言之，所描述的实施方式不是相互排斥的，并且一个或更多个实施方式彼此的交换保持在本公开的范围内。
使用包括“连接”、“接合”、“结合”和“耦接”的各种术语来描述元件之间(例如模块之间)的空间和功能关系。除非明确地描述为“直接”，否则当在上述公开中描述第一元件与第二元件之间的关系时，该关系包括在第一元件与第二元件之间不存在其他中介元件的直接关系，并且也包括在第一元件与第二元件之间存在(空间上或功能上)一个或更多个中介元件的间接关系。如在本文所使用的那样，短语A、B和C中的至少一个应当被解释为表示使用非排他性逻辑或的逻辑(A或B或C)，并且不应当被解释为表示“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。
在附图中，如箭头所指示的箭头的方向通常示出了对说明重要的信息(例如数据或指令)的流动。例如，当元件A和元件B交换各种信息而从元件A传递至元件B的信息与说明相关时，则箭头可以从元件A指向元件B。该单向箭头并不意味着没有其他信息从元件B传递至元件A。此外，对于从元件A发送至元件B的信息，元件B可以向元件A发送对信息的请求或对信息的接收确认。
在本申请中，包括以下定义，术语“模块”或术语“控制器”可以用术语“电路”替代。术语“模块”可以指代执行代码的处理器硬件(共享、专用或组)和储存由处理器硬件执行的代码的存储器硬件(共享、专用或组)、或者是执行代码的处理器硬件(共享、专用或组)和储存由处理器硬件执行的代码的存储器硬件(共享、专用或组)的一部分，或者包括执行代码的处理器硬件(共享、专用或组)和储存由处理器硬件执行的代码的存储器硬件(共享、专用或组)。
模块可以包括一个或更多个接口电路。在一些示例中，接口电路可以包括连接至局域网(LAN)、因特网、广域网(WAN)或局域网(LAN)、因特网与广域网(WAN)的组合的有线或无线接口。本公开的任何给定模块的功能可以分布在经由接口电路连接的多个模块中。例如，多个模块可以允许负载平衡。在另一示例中，服务器(也被称为远程或云)模块可以代表客户端模块来实现一些功能。
如上所使用的术语“代码”可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指代程序、例程、函数、类、数据结构和/或对象。共享处理器硬件包括执行来自多个模块的一些或所有代码的单个微处理器。组处理器硬件包括微处理器，该微处理器与附加的微处理器结合来执行来自一个或更多个模块的一些或所有代码。对多个微处理器的引用包括离散管芯(die)上的多个微处理器、单个管芯上的多个微处理器、单个微处理器的多个核、单个微处理器的多个线程或者前述的组合。
共享存储器硬件包括储存来自多个模块的一些或所有代码的单个存储器装置。组存储器硬件包括与其他存储器装置组合来储存来自一个或更多个模块的一些或全部代码的存储器装置。
术语存储器硬件是术语计算机可读介质的子集。如本文所使用的术语计算机可读介质不包括通过介质(例如在载波上)传播的瞬时电信号或电磁信号；术语计算机可读介质因此被认为是有形的和非暂时性的。非暂时性计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储器装置(例如快闪存储器装置、可擦除可编程只读存储器装置或掩模只读存储器装置)、易失性存储器装置(例如静态随机存取存储器装置或动态随机存取存储器装置)、磁性存储媒体(例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)和光学存储媒体(例如CD、DVD或蓝光光盘)。
在本申请中所描述的设备和方法可以部分地或完全地由通过配置通用计算机来执行计算机程序中所体现的一个或更多个特定功能而创建的专用计算机来实现。上述功能框和流程图元素用作软件规范，其可以通过熟练技术人员或程序员的例行工作转换成计算机程序。
计算机程序包括储存在至少一个非暂时性计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于所储存的数据。计算机程序可以包括与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定装置交互的装置驱动程序、一个或更多个操作系统、用户应用程序、后台服务、后台应用程序等。
计算机程序可以包括：(i)要被解析的描述性文本，例如HTML(超文本标记语言)、XML(可扩展标记语言)或JSON(JavaScript对象符号)；(ii)汇编代码；(iii)目标代码，其由编译器从源代码生成；(iv)用于由解释器执行的源代码，；以及(v)用于由即时编译器编译和执行的源代码等。仅作为示例，可以使用来自包括以下项的语言的语法来写入源代码：C、C++、C#、Objective-C、Swift，Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、HTML5(超文本标记语言第5版)、Ada、ASP(动态服务器页面)、PHP(PHP：超文本预处理器)、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、VisualLua、MATLAB、SIMULINK和
权利要求中所述的元件均不旨在是35U.S.C.§112(f)的含义内的装置加功能元件，除非使用短语“装置用于”或在方法权利要求的情况下使用短语“操作用于”或“步骤用于”来明确地叙述元件。

Claims (20)

1.一种制冰机，包括：
压缩机；
第一热交换器，其从所述压缩机接收压缩的工作流体；
膨胀装置，其从所述第一热交换器接收工作流体；
蒸发器，其从所述膨胀装置接收工作流体；
冰盘，其与所述蒸发器处于热传递关系，所述冰盘包括多个制冰模具；以及
水泵，其与所述制冰模具流体连通，并且被配置成将水从水源泵送至所述制冰模具，
其中，基于来自处理器的输出来指定所述压缩机、所述第一热交换器、所述膨胀装置和所述蒸发器中的至少一个的结构特性，
所述处理器接收用于所述压缩机、所述第一热交换器、所述膨胀装置和所述蒸发器的第一组参数的第一组值，
所述处理器基于水温、环境空气温度和所述第一组值的至少一部分来计算所述制冰机的第二组参数，所述第二组参数对应于所述制冰机在冷冻模式下的运行，在所述冷冻模式下，液态水通过所述蒸发器在所述制冰模具中被冷却，并且
所述处理器基于所述水温、所述环境空气温度和所述第一组值的至少一部分来计算所述制冰机的第三组参数，所述第三组参数对应于所述制冰机在收冰模式下的运行，在所述收冰模式期间，预定量的冰被融化，直到将所述冰从所述制冰模具移除为止。
2.根据权利要求1所述的制冰机，进一步包括：
水池，其被布置在所述蒸发器内并且与所述水泵流体连通。
3.根据权利要求1所述的制冰机，进一步包括：
第二热交换器，其包括第一盘管和第二盘管，所述第一盘管从所述第一热交换器接收工作流体并且被布置在所述膨胀装置的上游，所述第二盘管从所述蒸发器接收工作流体并且被布置在所述压缩机的上游。
4.根据权利要求1所述的制冰机，其中，所述第一组参数包括压缩机容量、压缩机效率、压缩机马达速度、所述第一热交换器和所述蒸发器的几何参数、所述蒸发器和所述第一热交换器在所述制冰机启动时的初始压力和/或冷凝器风扇的空气流率中的一个或更多个。
5.根据权利要求1所述的制冰机，进一步包括显示所述第二组参数和所述第三组参数的值。
6.根据权利要求1所述的制冰机，其中，所述第二组参数和所述第三组参数包括所述制冰机的能耗和所述制冰机的制冰量。
7.根据权利要求1所述的制冰机，其中，所述第二组参数包括热交换器的第一管道与第二管道之间的热传递，所述第一管道包含膨胀装置的上游的经冷凝的制冷剂，所述第二管道接收蒸发器的下游和压缩机的吸入口的上游的制冷剂。
8.根据权利要求1所述的制冰机，其中，所述第二组参数包括膨胀装置的流动面积，并且其中，所述第三组参数包括旁通控制阀的流动面积。
9.一种方法，包括：
选择用于制冰机的一个或更多个硬件部件的第一组参数的第一组值；
识别所述制冰机的进水口处的水温；
识别围绕所述制冰机的环境空气温度；
基于所述水温、所述环境空气温度和所述第一组值的至少一部分来计算所述制冰机的第二组参数，所述第二组参数对应于所述制冰机在冷冻模式下的运行，在所述冷冻模式下，液态水被蒸发器冷却；以及
基于所述水温、所述环境空气温度和所述第一组值的至少一部分来计算所述制冰机的第三组参数，所述第三组参数对应于所述制冰机在收冰模式下的运行，在所述收冰模式期间，预定量的冰被融化，直到将所述冰从所述蒸发器移除为止。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
选择用于所述一个或更多个硬件部件的第一组参数的第二组值；
基于所述第二组值的至少一部分来计算所述制冰机的第二组参数；
基于所述第二组值的至少一部分来计算所述制冰机的第三组参数；以及
将基于所述第一组值计算所述第二组参数和所述第三组参数的结果与基于所述第二组值计算所述第二组参数和所述第三组参数的结果进行比较。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述结果包括所述制冰机的能耗和所述制冰机的制冰量。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括基于所述结果的比较来设计蒸汽压缩系统。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，设计所述蒸汽压缩系统包括基于所述结果的比较来选择压缩机。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一组参数包括压缩机容量、压缩机效率、压缩机马达速度、冷凝器和所述蒸发器的几何参数、在所述制冰机启动时的初始蒸发器压力和初始冷凝器压力和/或冷凝器风扇的空气流率中的一个或更多个。
15.根据权利要求9所述的方法，进一步包括显示所述第二组参数和所述第三组参数的值。
16.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二组参数和所述第三组参数包括所述制冰机的能耗和所述制冰机的制冰量。
17.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二组参数包括热交换器的第一管道与第二管道之间的热传递，所述第一管道包含膨胀装置的上游的经冷凝的制冷剂，所述第二管道接收蒸发器的下游和压缩机的吸入口的上游的制冷剂。
18.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二组参数包括膨胀装置的流动面积。
19.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第三组参数包括旁通控制阀的流动面积。
20.根据权利要求9所述的方法，其中，计算所述第二组参数和所述第三组参数包括使用隐式求解器来求解方程组，以在所述制冰机的蒸汽压缩系统的节点处满足基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律。
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