CN109579386A - 一种冷藏柜热气旁通化霜控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种冷藏柜热气旁通化霜控制系统及其控制方法，控制系统包括布置在冷藏柜当中的蒸发器室、压缩机间室和冷藏间室，蒸发器室中设置有蒸发风机和蒸发器，冷藏间室内的空气被蒸发风机从上部吸入，经过风道再由出风口送回冷藏间室；蒸发器与设置在压缩机间室内的压缩机之间设置旁通管路，旁通管路上设有通断阀、节阀以及止回阀；冷藏柜的柜体上设置有中央控制单元以及与门联动的开门计时器，开门计时器记录每次的开门时长，中央控制单元通过采集第n次冷藏柜开门时长、环境温湿度、冷藏柜内温湿度或者压缩机累计运行时间来判断是否需要化霜。本发明综合考虑冷藏柜开门累积时间、环境温湿度、冷藏柜设定温湿度等因素，避免出现化霜频繁或不足的问题。

Description

一种冷藏柜热气旁通化霜控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及冷藏柜化霜领域，具体涉及一种冷藏柜热气旁通化霜控制系统及其控制方法。
背景技术
在蒸气压缩制冷循环中，蒸发器结霜现象是不可避免的，随着霜层的累积，蒸发器换热性能下降，系统能耗增加，因此，化霜装置对冷冻冷藏设备而言是必不可少的。目前，市面上常见的风冷冰箱大多是采用电加热化霜。电加热管得电后，通过传导、辐射等形式将热量传递至蒸发器从而融化蒸发器表面的霜层。但化霜过程中，大部分热量被蒸发器翅片、柜内空气等吸收。这使得只有30％～40％的热量被霜层有效利用，同时在化霜过程中冷藏柜内温度、湿度快速升高，已无法满足储物的储存要求。尤其对于受温湿度双参数控制的医用冷柜、温度不宜剧烈波动的酒柜等，电加热化霜显然无法保证储物的储存品质。热气旁通化霜是利用压缩机排气口的高温气态制冷剂来融化蒸发器表面的霜层，一方面由于霜层是从内到外吸收热量，因此化霜效率高；另一方面，化霜期间压缩机的排气温度远远低于电加热化霜中加热管的温度，因此在化霜过程中可以保证冷藏柜内温度较低，更有利于储物的储存。但由于热气旁通化霜时间长以及会导致吸气带液的问题，并没有被广泛应用于冷藏柜。
此外，风冷冰箱的化霜依据有的是固定在压缩机运行一段时间或者上电一段时间后化霜，有的是综合根据压缩机累计运行时间和累计开门时间来化霜。但是，这些化霜控制方式由于忽略了环境温湿度以及用户使用状态的影响，往往会导致化霜过于频繁或者化霜不及时。这不仅会增加制冷系统不必要的能耗，还会导致冰箱的制冷性能变差。专利CN104930814公开了一种冰箱的化霜控制方法，它根据压缩机累计运行时间以及开门次数判断是否需要化霜，根据环境温湿度以及开门维持时间，通过公式计算出结霜量总和并获取化霜退出温度，当蒸发器温度达到这一温度时结束化霜。这一方法虽然较传统的化霜控制方法有一定的改进，但是，该方法一方面忽略了用户使用状态的影响，另一方面由于在除霜将要结束阶段，蒸发器温度上升较快，因此在除霜退出温度的把握上仍存在问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷藏柜热气旁通化霜控制系统及其控制方法，一方面针对目前电加热化霜的不足，将热气旁通化霜应用于冷藏柜，在化霜过程中既能保证化霜效率，又能够避免压缩机吸气带液；另一方面，针对目前风冷冰箱单纯采用压缩机累计运行时间和累计开门时间进行化霜的缺陷，综合考虑冷藏柜开门累积时间、环境温湿度、冷藏柜设定温湿度等因素，精准把握化霜的时机，避免出现化霜频繁或不足的问题。
为了实现上述目的，本发明的冷藏柜热气旁通化霜控制系统，包括分别布置在冷藏柜当中的蒸发器室、压缩机间室和冷藏间室，蒸发器室中设置有蒸发风机和蒸发器，冷藏间室内的空气被蒸发风机从上部吸入，经过风道再由出风口送回冷藏间室；所述的蒸发器与设置在压缩机间室内的压缩机之间设置旁通管路，旁通管路上设有用于控制该管路通断的通断阀、用于控制该管路制冷剂流量的调节阀以及用于防止制冷剂回流的止回阀；冷藏柜的柜体上设置有中央控制单元以及与门联动的开门计时器，开门计时器记录每次的开门时长，中央控制单元包括采集模块、计算模块和判断模块，通过采集第n次冷藏柜开门时长、环境温湿度、冷藏柜内温湿度或者压缩机累计运行时间来判断是否需要化霜。
所述的通断阀与调节阀布置在压缩机间室当中，止回阀布置在蒸发器室当中。
所述的蒸发器室中设置有储液器，储液器连接蒸发器的出口。
优选的，所述的调节阀为差压阀，差压阀由差压导阀与主阀构成，差压导阀通过压缩机吸排气口的压力信号来控制主阀动作，从而控制旁通管路的制冷剂流量。
所述的调节阀也可以包括电子控制器、微调阀以及分别设置在压缩机吸排气口的两个压力变送器，两个压力变送器将压缩机的吸排气压力信号传输至电子控制器，由电子控制器按照负反馈控制逻辑调节微调阀的开度，从而维持旁通管路的最优制冷剂流量。
本发明冷藏柜热气旁通化霜控制系统的化霜控制方法，包括以下步骤：
1)第n次开门期间，蒸发风机关闭，通过开门计时器记录此次开门时长tn；
2)冷藏柜上电期间，中央控制单元通过在固定的时间间隔Δt内实时采集环境中和冷藏柜内湿空气的温湿度数据，分别计算得到实时含湿量din和din’，在第n次开门结束后，计算第n次开门期间环境中和冷藏柜内的平均含湿量dn和dn’；
3)计算质量通量密度M，M表征单位时间、单位面积上环境进入冷藏柜内的湿空气质量，是质扩散系数和冷藏柜内外湿空气密度梯度的乘积；
质扩散系数同时考虑自然对流以及扩散作用的影响，其值取决于湿空气的压力和温度，主要靠实验确定，不同温度、压力下的质扩散系数在中央控制单元中存储，冷藏柜内外湿空气密度梯度根据采集的环境温湿度和冷藏柜内温湿度数据计算得到；
4)根据步骤1)、2)3)得到的数据，按照下式计算判断是否达到化霜条件：
上式的物理含义为开门期间累计进入冷藏间室的水蒸气含量，当水蒸气含量达到设定值时开始化霜；式中的M是质量通量密度，单位为kg/(m2·s)，A是柜内空气与环境空气接触的表面积，单位为m2，Mre为进入冷藏柜的参考水蒸气含量，单位为g。
优选的，当达到化霜条件后，判断压缩机是否处于开机状态，如果没有开机，则强制开机1分钟后，打开旁通管路开始化霜。化霜开始后，蒸发风机关闭，且风道通过风阀关闭；通过蒸发器温度传感器检测到蒸发器温度达到温度上限Tre时，先开启蒸发风机，30秒后关闭旁通管路，30秒后打开风道风阀。本发明调节阀的最佳开度由压缩机吸排气的压差信号决定，在化霜期间，当压力差减小时，增大阀门开度；当压力差增大时，减小阀门开度。调节阀可以为差压阀，差压阀由差压导阀与主阀构成，差压导阀通过压缩机吸排气口的压力信号来控制主阀动作，从而控制旁通管路的制冷剂流量。流量调节阀也可以由压力变送器、电子控制器和微调阀组成，压力变送器将压缩机的吸排气压力信号传至电子控制器，由电子控制器按照控制逻辑控制微调阀的开度，从而控制旁通管路的制冷剂流量。
优选的，进入冷藏柜的参考水蒸气含量Mre为700g～900g；
结束化霜时蒸发器温度上限Tre为12℃～15℃；
压缩机累计运行时间上限tre为24小时～30小时。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：利用压缩机吸排气压差的变化情况来保证较高的化霜效率，并且避免压缩机在旁通过程中的吸气带液现象，使热气旁通化霜应用于冷藏柜成为可能。热气旁通化霜相比于传统的电加热化霜方式，一方面化霜效率得到了提高，另一方面，冷藏柜内空气不会因为电加热管表面的高温而迅速升温，从而保证了储物的品质。现有的冷藏柜化霜控制策略仅利用压缩机累计运行时间以及开关门次数等数据推断蒸发器结霜情况，而忽略了外界环境的温湿度变化以及冷藏柜本身的运行工况等因素对蒸发器结霜造成的影响，从而导致化霜频繁或者化霜不足，增加系统功耗或者损害系统的制冷性能。本发明综合考虑了开门累计时间、环境温湿度、冷藏柜内温湿度等因素，通过公式判断开关门期间进入冷藏柜的水蒸气总量，使化霜周期更为合理，从而做到更加精准控制化霜切入点和化霜周期。这一化霜控制策略一方面避免了在环境高温高湿或者储物自身含湿量较高时化霜不足的危险，另一方面也减少了低负荷运行时不必要化霜所产生的能耗。
附图说明
图1本发明冷藏柜热气旁通化霜控制系统结构示意图；
图2本发明冷藏柜热气旁通化霜控制方法流程图；
图3本发明差压阀控制的调节阀结构示意图；
图4本发明压力变送器控制的调节阀结构示意图；
图中：1.压缩机；2.通断阀；3.调节阀；4.压缩机间室；5.旁通管路；6.风道；7.冷藏柜温湿度传感器；8.止回阀；9.储液器；10.蒸发器；11.蒸发风机；12.蒸发器温度传感器；13.蒸发器室；14.中央控制单元；15.冷藏柜温湿度显示板；16.开门计时器；17.冷藏柜门；18.冷藏间室；19.差压导阀；20.主阀；21.第一压力变送器；22.第二压力变送器；23.电子控制器；24.微调阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明的冷藏柜热气旁通化霜控制系统包括压缩机1、通断阀2、微调阀3、压缩机间室4、旁通管路5、风道6、冷藏柜温湿度传感器7、止回阀8、储液器9、蒸发器10、蒸发风机11、蒸发器温度传感器12、蒸发器室13、中央控制单元14、冷藏柜温湿度显示板15、开门计时器16、冷藏柜门17、冷藏间室18。
旁通管路5用于连接压缩机1以及蒸发器10，旁通管路5上设有用于控制该管路通断的通断阀2、用于控制该管路制冷剂流量的调节阀3以及用于防止制冷剂回流的止回阀8；在蒸发器10出口处设有储液器9，储液器9的容积在原则上应满足储存最多制冷剂时，制冷剂所占体积不超过储液器容积的90％，以免发生爆炸。调节阀3在化霜过程中存在最佳开度。
中央控制单元14包括采集模块、计算模块以及判断模块。旁通管路5的一端与压缩机1的排气口连接，另一端与蒸发器10的进口连接。通断阀2与调节阀3位于压缩机间室4内，止回阀8设置于蒸发器室13内，通过止回阀8的气/液体流动方向为流向蒸发器10。
参见图2，本发明冷藏柜热气旁通化霜控制系统的化霜控制方法，包括以下步骤：
1)在冷藏柜第n次开门期间，蒸发风机关闭，通过与门联动的开门计时器录此次开门时长tn。2)冷藏柜上电期间，控制模块通过在固定的时间间隔Δt内实时采集环境中和冷藏柜内湿空气的温湿度数据，分别计算得到实时含湿量din和din’，在第n次开门结束后计算第n次开门期间环境中和冷藏柜内的平均含湿量dn和dn’。3)计算质量通量密度M，M表征单位时间单位面积上环境进入冷藏柜内的湿空气的质量，是质扩散系数和冷藏柜内外湿空气的密度梯度的乘积，质扩散系数同时考虑自然对流以及扩散作用的影响，其值取决于湿空气的压力和温度，主要靠实验确定，不同温度、压力下的质扩散系数在中央控制单元14中存储，冷藏柜内外湿空气的密度梯度根据采集的环境温湿度和冷藏柜内温湿度数据计算得到。4)由步骤1)、2)、3)中采集以及计算得到的数据，判断模块通过公式(1)来判断是否达到化霜条件。
当满足公式(1)时，则进入化霜程序：
式中的M是质量通量密度，单位为kg/(m2·s)，A是柜内空气与环境空气接触的表面积，单位为m2，Mre为进入冷藏柜的参考水蒸气含量，单位为g。当达到化霜条件后，判断压缩机1是否处于开机状态，如果没开机，则强制压缩机1开机1分钟后，打开旁通管路开始化霜。化霜开始后，蒸发风机11关闭，且风道6通过风阀关闭。当监测到蒸发器10温度达到温度上限Tre时，先开启蒸发风机，30秒后关闭旁通管路，30秒后打开风道风阀。化霜结束。
根据本发明提出的化霜控制方法，优选在上述化霜规则外，还有一条辅助规则，即当压缩机累计运行时间达到上限tre时，强制化霜，避免上述化霜规则出现故障。为了保证化霜过程中流量调节阀3处于最佳开度，采用如下方案：最佳开度由压缩机1吸排气的压差信号决定，在化霜期间，当压力差减小时，增大阀门开度；当压力差增大时，减小阀门开度。参见图3，调节阀3为差压阀，差压阀由差压导阀19与主阀20构成，差压导阀19通过压缩机吸排气口的压力信号来控制主阀20动作，从而控制旁通管路的制冷剂流量。参见图4，调节阀3也可由第一压力变送器21、第二压力变送器22、电子控制器23和微调阀24组成，通过第一压力变送器21和第二压力变送器22将压缩机1的吸排气压力信号传至电子控制器23，由电子控制器23按照负反馈控制逻辑控制微调阀24的开度，从而控制旁通管路的制冷剂流量。
进入冷藏柜的参考水蒸气含量Mre为700g～900g；
结束化霜时蒸发器温度上限Tre为12℃～15℃；
压缩机累计运行时间上限tre为24小时～30小时。

Claims (9)

1.一种冷藏柜热气旁通化霜控制系统，其特征在于：包括分别布置在冷藏柜当中的蒸发器室(13)、压缩机间室(4)和冷藏间室(18)，蒸发器室(13)中设置有蒸发风机(11)和蒸发器(10)，冷藏间室(18)内的空气被蒸发风机(11)从上部吸入，经过风道(6)再由出风口送回冷藏间室(18)；所述的蒸发器(10)与设置在压缩机间室(4)内的压缩机(1)之间设置旁通管路(5)，旁通管路(5)上设有用于控制该管路通断的通断阀(2)、用于控制该管路制冷剂流量的调节阀(3)以及用于防止制冷剂回流的止回阀(8)；冷藏柜的柜体上设置有中央控制单元(14)以及与门联动的开门计时器(16)，开门计时器(16)记录每次的开门时长，中央控制单元(14)包括采集模块、计算模块和判断模块，通过采集第n次冷藏柜开门时长、环境温湿度、冷藏柜内温湿度或者压缩机累计运行时间来判断是否需要化霜。
2.根据权利要求1所述的冷藏柜热气旁通化霜控制系统，其特征在于：所述的通断阀(2)与调节阀(3)布置在压缩机间室(4)当中，止回阀(8)布置在蒸发器室(13)当中。
3.根据权利要求1所述的冷藏柜热气旁通化霜控制系统，其特征在于：蒸发器室(13)中设置有储液器(9)，储液器(9)连接蒸发器(10)的出口。
4.根据权利要求1所述的冷藏柜热气旁通化霜控制系统，其特征在于：所述的调节阀(3)为差压阀，差压阀由差压导阀(19)与主阀(20)构成，差压导阀(19)通过压缩机(1)吸排气口的压力信号来控制主阀(20)动作，从而控制旁通管路(5)的制冷剂流量。
5.根据权利要求1所述的冷藏柜热气旁通化霜控制系统，其特征在于：调节阀(3)包括电子控制器(23)、微调阀(24)以及分别设置在压缩机(1)吸排气口的两个压力变送器，两个压力变送器将压缩机(1)的吸排气压力信号传输至电子控制器(23)，由电子控制器(23)按照负反馈控制逻辑调节微调阀(24)的开度，从而维持旁通管路(5)的最优制冷剂流量。
6.一种基于权利要求1-5中任意一项所述冷藏柜热气旁通化霜控制系统的化霜控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)第n次开门期间，蒸发风机(11)关闭，通过开门计时器(16)记录此次开门时长tn；
2)冷藏柜上电期间，中央控制单元(14)通过在固定的时间间隔Δt内实时采集环境中和冷藏柜内湿空气的温湿度数据，分别计算得到实时含湿量din和din’，在第n次开门结束后，计算第n次开门期间环境中和冷藏柜内的平均含湿量dn和dn’；
3)计算质量通量密度M，M表征单位时间、单位面积上环境进入冷藏柜内的湿空气质量，是质扩散系数和冷藏柜内外湿空气密度梯度的乘积；
不同温度、压力下的质扩散系数在中央控制单元(14)中存储，冷藏柜内外湿空气密度梯度根据采集的环境温湿度和冷藏柜内温湿度数据计算得到；
4)根据步骤1)、2)3)得到的数据，按照下式计算判断是否达到化霜条件：
上式的物理含义为开门期间累计进入冷藏间室(18)的水蒸气含量，当水蒸气含量达到设定值时开始化霜；式中的M是质量通量密度，单位为kg/(m2·s)，A是柜内空气与环境空气接触的表面积，单位为m2，Mre为进入冷藏柜的参考水蒸气含量，单位为g。
7.根据权利要求6所述的化霜控制方法，其特征在于：达到化霜条件后，判断压缩机(1)是否处于开机状态，如果没有开机，则强制开机1分钟后，打开旁通管路(5)开始化霜。
8.根据权利要求6所述的化霜控制方法，其特征在于：化霜开始后，蒸发风机(11)关闭，且风道(6)通过风阀关闭；通过蒸发器温度传感器(12)检测到蒸发器(10)温度达到温度上限Tre时，先开启蒸发风机(11)，30秒后关闭旁通管路(5)，30秒后打开风道风阀。
9.根据权利要求8所述的化霜控制方法，其特征在于：
进入冷藏柜的参考水蒸气含量Mre为700g～900g；
结束化霜时蒸发器温度上限Tre为12℃～15℃；
压缩机累计运行时间上限tre为24小时～30小时。
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