CN112189120A

CN112189120A - 终止蒸发器除霜的方法

Info

Publication number: CN112189120A
Application number: CN201980034556.3A
Authority: CN
Inventors: 鲁兹贝赫·艾扎迪-萨曼纳巴迪; 卡斯滕·莫尔海德·汤姆森
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2039-06-11
Also published as: US20210033325A1; ES2894502T3; EP3587964A1; EP3587964B1; CN112189120B; WO2019243106A1

Abstract

披露了一种终止蒸发器(104)除霜的方法。该蒸发器(104)是蒸气压缩系统(100)的一部分。该蒸气压缩系统(100)进一步包括压缩机单元(101)、排热换热器(102)、以及膨胀装置(103)。该压缩机单元(101)、该排热换热器(102)、该膨胀装置(103)以及该蒸发器(104)布置在制冷剂路径中，并且空气流流过该蒸发器(104)。当冰积聚在蒸发器(104)上时，蒸气压缩系统(100)以除霜模式运行。至少两个温度传感器(306，307)监测该蒸发器(104)的热气体入口(304)处的蒸发器入口温度T_e,入，以及该蒸发器(104)的热气体出口(305)处的蒸发器出口温度T_e,出。监测T_e,入与T_e,出之间的差，并且当T_e,入与T_e,出之间的差的变化速率接近零时，终止除霜。

Description

终止蒸发器除霜的方法

技术领域

本发明涉及一种通过至少监测蒸发器制冷剂入口处和蒸发器制冷剂出口处的温度来终止蒸发器除霜的方法。当这两个监测的温度之间的差的变化速率接近零时，终止除霜。

背景技术

制冷系统、热泵或空调系统等蒸气压缩系统通常受到控制以便以尽可能节能的方式提供所需的冷却能力或加热能力。在某些场景下，蒸气压缩系统的运行可能变得能效低，并且系统可能甚至变得不稳定或系统可能变得不能提供所需的冷却能力或加热能力。特别地，在蒸气压缩系统(例如具有冷却室的制冷系统)的运行期间，冰或霜将沉积在蒸发器的热传递表面上。即，冷却室中的水分凝结导致冰在制冷系统中的蒸发器上随时间积聚。堆积的冰会扰乱系统内部的空气循环。这导致冷却效率的降低，并且因此对热传递性能产生负面影响。在系统的冷却效率明显降低之前，必须先识别堆积的霜和冰。一旦识别出霜和冰，将启动除霜并且冰将开始融化。在除霜期间，加热蒸发器以融化堆积的冰。出于多种原因，期望该除霜模式持续的时间尽可能短。原因之一也是能效和能耗。另外，期望冷却室中包含的物品几乎所有时间都被冷却。因此，在最佳情况下，所有的冰和霜融化后，应立即终止除霜。

在商用制冷系统中，通常在除霜启动后的预定时间段之后终止除霜。在一个示例中，该预定时间段可能不足以进行完全除霜，并且系统在蒸发器上可能具有残留的冰。在另一示例中，预定时间段可能比进行完全除霜所需的时间长，并且在这种情况下，除霜消耗了过多的能量，导致系统处于非最佳条件的时间段太长。在又一个示例中，可以对系统进行编程以在蒸发器内部达到一定温度时终止除霜。就蒸发器的完全除霜而言，这种方法可能也不是最佳的，因为蒸发器的某些部分可能仍残留有冰。残留的冰会影响系统的运行并且使得在除霜后本应处于高水平的性能有所降低。此外，残留的冰可能加速新冰层的积聚。

US 2012/0042667披露了一种用于终止制冷单元的除霜功能的设备和方法。制冷单元包括：蒸发器；温度传感器，该温度传感器用于在除霜功能期间测量蒸发器的温度；以及控制器，该控制器被配置成计算温度变化的速率，并且当该速率满足特定标准(例如预定速率)、或该速率在蒸发器温度升高到水的凝固点以上之后急剧增加时终止除霜功能。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供一种以节能的方式终止蒸发器的完全除霜、从而在最佳时间段内提供完全除霜的方法。

本发明提供了一种终止蒸发器除霜的方法，该蒸发器是蒸气压缩系统的一部分，该蒸气压缩系统进一步包括压缩机单元、排热换热器、以及膨胀装置，该压缩机单元、该排热换热器、该膨胀装置以及该蒸发器布置在制冷剂路径中，并且空气流流过该蒸发器，该方法包括以下步骤：

-使该蒸气压缩系统以在除霜模式运行，

-通过至少两个温度传感器监测该蒸发器的热气体入口处的蒸发器入口温度T_e,入，以及该蒸发器的热气体出口处的蒸发器出口温度T_e,出，

-监测T_e,入与T_e,出之间的差的变化速率，并且

-当T_e,入与T_e,出之间的差的变化速率接近零时，终止除霜。

终止蒸发器除霜的方法是通过测量冰和金属(即蒸发器的结构支撑件)的热容量来执行的。堆积的冰会延迟蒸发器出口的升温。因此，通过监测蒸发器的不同位置处的至少两个温度，减少了在蒸发器上的一个位置上有冰而另一位置上没有冰的可能性。此外，仅当蒸发器的整个表面都去除了冰时，蒸发器的温度才可以稳定，即变得恒定。即，该方法依赖于蒸发器整体上的温度。当监测在蒸发器的不同部分处测量的至少两个温度之间的差的变化速率时，只要从蒸发器的表面上去除了所有的冰就终止除霜。

蒸气压缩系统包括蒸发器、压缩机单元、排热换热器、以及膨胀装置。可以存在多于一个蒸发器和多于一个膨胀装置。压缩机单元可以包括一个或多个压缩机。在本文的上下文中，术语“蒸气压缩系统”应当被解释为意指以下任何系统：其中流体介质流(比如制冷剂)循环并且被交替地压缩和膨胀，由此提供对一定体积的制冷或加热。因此，该蒸气压缩系统可以是制冷系统、空调系统、热泵等。

蒸发器布置在制冷剂路径中。制冷剂的液态部分在蒸发器中蒸发，同时在制冷剂与周围环境或流过蒸发器的辅助流体流之间发生热交换，使得热量被穿过蒸发器的制冷剂吸收。

压缩机单元接收来自蒸发器的制冷剂。然后，制冷剂通常呈气相，压缩机单元将该制冷剂压缩并且将该制冷剂进一步供应至排热换热器。

该排热换热器可以例如呈冷凝器的形式或呈气体冷却器的形式，在该冷凝器中制冷剂至少部分地冷凝，在该气体冷却器中制冷剂被冷却、但是保持呈气态或跨临界状态。排热换热器也布置在制冷剂路径中。

膨胀装置可以例如呈膨胀阀的形式。膨胀装置布置在制冷剂路径中，将制冷剂供应至一个或多个蒸发器。在制冷系统、空调系统、热泵等蒸气压缩系统中，流体介质(比如，制冷剂)由此交替地通过一个或多个压缩机进行压缩和通过一个或多个膨胀装置进行膨胀，并且在一个或多个排热换热器(例如，呈冷凝器或气体冷却器的形式)中以及一个或多个吸热换热器(例如，呈蒸发器的形式)中发生流体介质与周围环境之间的热交换。

根据本发明，蒸气压缩系统以除霜模式运行。启动除霜模式以去除蒸发器上的任何堆积的霜或冰。除霜模式可以在必要时(即，当堆积冰霜达到预定水平时)启动，或者可替代地根据预定义的时间表启动。当在除霜模式下运行时，蒸发器被加热，由此融化蒸发器上形成的任何霜或冰。可以通过蒸发器入口将热气体注入蒸发器来执行对蒸发器的加热。可替代地，可以以其他方式加热蒸发器，例如借助于电加热器。

在除霜期间，至少两个温度传感器监测热气体进入蒸发器的蒸发器入口处的温度T_e,入和热气体离开蒸发器的蒸发器出口处的温度T_e,出。可以在除霜模式开始时就监测该至少两个温度。可替代地，可以在除霜模式启动一段时间后开始监测温度，因为在除霜的初始阶段，没有冰会融化，而能量会消耗在加热蒸发器本身上。优选地，仅在几分钟之后、一旦蒸发器以及该蒸发器的管被加热好，就可以监测温度。当开始除霜循环时，将在温度差随着时间发生变化时存在大的阶跃。可以并不需要分析此阶跃。因此，为了更快地执行信号处理，延迟记录温度可能是有用的。在除霜期间，可以随时间连续监测温度。可替代地，可以以一定的频率间歇地测量温度。温度传感器可以放置在蒸发器的结构支撑件上和/或该蒸发器的一个或多个管上。这样，测量到了蒸发器的热气体入口附近的表面以及蒸发器的热气体出口附近的表面的温度。测量的温度可以传送至控制单元或处理器。

例如，借助于上述控制单元或处理器，监测T_e,入与T_e,出之间的差以及T_e,入与T_e,出之间的差的变化速率。通常，在除霜开始时，在热气体入口处和出口处相应的温度将基本相同。然后，蒸发器热气体入口处的温度会开始比蒸发器热气体出口处的温度上升得更快。这是所预料到的，因为热气体会加热蒸发器的结构支撑件，并且首先融化更靠近热气体入口的区域处的霜和冰。取决于霜或冰的量，蒸发器的入口和出口处的温度不同并且以不同方式升高的时间段可能变化。

随着霜和冰从蒸发器融化，蒸发器入口和出口的温度会稳定并达到恒定值。当两个温度均具有恒定值时，它们的差将保持恒定，因此差的变化速率将为零。当T_e,入与T_e,出之间的差的变化速率接近零时，蒸发器将以其表面没有冰或霜的期望的方式运行。因此，两个温度之间的差无变化表明所有的冰或霜都已去除，因此不需要进一步除霜。处理器可以分析差随时间的变化速率。如果差的变化速率持续一定时间段为零，则可以将来自处理器的信息传送至另一个控制单元，以便停止除霜。以此方式，一旦从蒸发器的所有表面上去除所有的霜或冰，就终止除霜。

在本发明的一个实施例中，当T_e,入与T_e,出之间的差的变化速率已经持续预定时间地小于预定阈值时，就可以执行终止除霜的步骤。在除霜期间并且持续一小段时间，会发生蒸发器入口和出口二者的温度以相同的方式变化。在此一小段时间期间，T_e,入与T_e,出之间的变化速率可以接近于零。这种情况可能会出现在例如蒸发器的温度达到水的凝固点，并且温度T_e,入和T_e,出二者可能由于堆积的冰而都接近水的凝固点，并且持续短时间段地保持相同的值时。为了避免过早终止除霜，变化速率要持续预定时间段地小于预定阈值。预定时间可以大于一分钟。预定阈值可以例如在0℃/s与5℃/s之间、例如在0℃/s与4℃/s之间、例如在0℃/s与3℃/s之间，例如在0℃/s与2℃/s之间、并且例如在0℃/s与1℃/s之间(零附近)，并且例如1℃/s、例如2℃/s、例如3℃/s、例如4℃/s、例如5℃/s。可替代地，可以在测量期间确定预定阈值，因为空气温度的动态行为可以取决于大小、形状和操作者的操作条件。

在该除霜模式期间，来自该压缩机单元的热气体可以被供应至该蒸发器的热气体入口并且通过该蒸发器的制冷剂通道。根据本实施例，可以借助于来自压缩机单元的热气体加热蒸发器。来自压缩机的热气体可以向后引导通过系统至蒸发器，例如通过适当地切换一个或多个阀。由此，冷却过程停止，并且系统在“反向模式”下运行，意味着制冷剂在系统中的流动变为反向。热气体的温度可以根据周围环境条件和蒸气压缩系统的条件而变化。通常，热气体温度明显高于冰的融化温度。热气体温度可以是至少10℃、例如至少20℃、并且例如至少30℃。此外，热气体温度不可以高于50℃。如果热气体太热，则融化的冰可能形成湿云。然后，该湿云可能会留在蒸发器附近，这是不希望的，因为融化的冰优选在融化时保持为液相。由融化的冰形成的水可通过排水管流出蒸发器。如果形成了湿云并且该湿云留在蒸发器周围，一旦除霜结束，湿云中的水分会再次沉积在蒸发器上，并且以与冰相同的方式使蒸发器的性能下降。

作为替代方案，可以以任何其他合适的方式来加热蒸发器，例如借助于电加热元件等。

热气体可以从顶部到底部逐渐加热蒸发器，即，热气体可以进入蒸发器的顶部管并且逐渐流到蒸发器的底部，同时加热蒸发器并且融化堆积的冰。由于出于安全原因或为了避免液体锤击的危险，通常将入口供给管布置在蒸发器的顶部，所以热气体可以从蒸发器的顶部进入蒸发器。当系统处于冷却模式时，热气体入口可以是出口。可替代地，热气体可以从底部到顶部逐渐加热蒸发器，即，热气体可以进入蒸发器的底部管并且逐渐流向蒸发器的顶部，同时加热蒸发器并且融化堆积的冰。

该蒸发器中的空气和该蒸发器周围的空气可以借助于对流加热。由于管、管周围的空气和蒸发器周围的空气的温度差，自然会发生对流。一旦蒸发器本身的表面和蒸发器的管被加热，对流就会开始。空气可以流入蒸发器风扇所在位置的方向并且流向蒸发器入口侧的开口。在除霜期间，可以关闭蒸发器的风扇，从而不会干扰除霜过程和热循环。

在本发明的一个实施例中，蒸发器可以处于满液状态。根据该实施例，该系统还可以包括用于制冷剂的液态部分的一个或多个接收器和泵。在蒸发器的整个长度上都存在液态制冷剂，并且可以允许液态制冷剂离开蒸发器。为了防止液态制冷剂到达压缩机单元，可以在蒸发器与压缩机单元之间的制冷剂路径中布置接收器。然后，接收器可以将制冷剂分离成气态部分和液态部分，并且气态部分可以被供应至压缩机单元。但是，当在蒸发器的整个长度上都存在液态制冷剂时，可以确保最大程度地利用蒸发器的潜在冷却能力。因此，蒸发器产生的大部分热量可以用于蒸发。因此，在工业应用中(例如大型冷却室)，可以使用满液式蒸发器以便最大化冷却能力。

可替代地，蒸发器可以处于非满液状态，即仅允许过热的气态制冷剂离开蒸发器。

如上所述的终止借助于热气体的除霜的方法可以用于任何类型的蒸发器中。

在本发明的一个实施例中，该方法可以进一步包括以下步骤：

-通过至少一个附加的温度传感器来监测离开蒸发器的空气的至少一个温度T_空气，

-监测温度T_空气的变化速率，并且

-当温度T_空气的变化速率接近零时终止除霜。

附图说明

现在将参考附图进一步详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了蒸气压缩系统的简化图，

图2示出了蒸发器的透视图(a)、(b)和在冷却模式下通过蒸发器的空气流(c)，

图3示出了以除霜模式运行的蒸发器中的自然空气流，

图4示出了没有堆积的冰的蒸发器管(a)和堆积有冰的蒸发器管(b)，

图5示出了当管上没有堆积的冰时，蒸发器管的表面温度随时间的变化图，以及

图6示出了当管上有堆积的冰时，蒸发器管的表面温度随时间的变化图。

具体实施方式

图1是蒸气压缩系统100的简化图，该蒸气压缩系统包括压缩机单元101、排热换热器102、膨胀装置103和蒸发器104。图1所示的压缩机单元101包括两个压缩机。注意，在本发明的范围内的是压缩机单元101包括仅一个压缩机(例如可变容量的压缩机)，或者压缩机单元101包括三个或更多个压缩机。流经系统100的制冷剂在被供应至排热换热器102之前，被压缩机单元101压缩。在排热换热器102中，制冷剂与流过排热换热器102的辅助流体流发生热交换，使得热量从制冷剂中排出。在排热换热器102呈冷凝器的形式的情况下，穿过该排热换热器102的制冷剂至少部分地被冷凝。在排热换热器102呈气体冷却器的形式的情况下，穿过排热换热器102的制冷剂被冷却、但是保持呈气态。

离开排热换热器102的制冷剂然后穿过膨胀装置103，该膨胀装置例如可以呈膨胀阀的形式。正穿过膨胀装置103的制冷剂经历膨胀并且被进一步供应至蒸发器104。在蒸发器104中，制冷剂与流过蒸发器104的辅助流体流发生热交换，使得热量被制冷剂吸收、同时制冷剂至少部分地被蒸发。离开蒸发器104的制冷剂然后被供应至压缩机单元101。

图2(a)和图2(b)示出了蒸发器104的通用模型的透视图。在蒸发器104中，液态制冷剂被蒸发成气态形式/蒸气。图2的蒸发器104包括多个管201，这些管引导液态制冷剂从中穿过并且这些管被封闭在蒸发器结构支撑件202中。管201通常可以以水平方式布置。管201的长度可以变化，并且该长度可以限定蒸发器104的一个尺寸。蒸发器104包括风扇203，该风扇驱动辅助空气流穿过蒸发器104并且流过蒸发器管201，如图2(c)中的箭头204所示。在制冷系统的情况下，液态制冷剂吸收来自穿过蒸发器104的空气的热量，由此降低了空气的温度，并且为与蒸发器104接触的封闭空间提供了冷却。封闭空间可以是例如制冷室。

图3(a)示出了以除霜模式运行的蒸发器104的截面。在除霜模式期间，关闭风扇203。在除霜模式下，管201可以从内部通过热气体加热。当用热气体除霜时，蒸发器104从顶部301被加热，并且当热气体流过管201时，蒸发器104的所有金属逐渐被加热。热气体将逐渐流向蒸发器104的底部302。由于热气体的质量和逐渐的冷却/冷凝，蒸发器的顶部301和底部302被有延迟地加热。热气体加热管201，加热并且融化积聚在管201和翅片(未示出)上的冰。在整个蒸发器104被加热的同时，也在发生与周围空气的对流，即，翅片与管201之间的空气量也在被加热。由于存在温度差，空气量将开始自然移动，如箭头300所示。空气量朝着风扇203的方向移动并且朝向蒸发器104入口侧303上的开口移动。

图3(b)和图3(c)示出具有水平连接的管201使得从蒸发器104的顶部到底部存在连续的流动路径的蒸发器104的相反两侧的透视图。蒸发器104顶部的中央供给管304被配置成供给每个顶部管201-t。制冷剂流过整个蒸发器104，直到该制冷剂通过中央吸入管305在蒸发器104的底部处离开。热气体也可以进入在蒸发器104的顶部处的中央供给管304，对其进行加热，然后在中央吸入管305处离开这些管。蒸发器104底部的中央吸入管305由底部管201-b供给。

在除霜期间，至少两个温度传感器306和307监测热气体进入蒸发器104的热气体入口304处的温度T_e,入和热气体离开蒸发器104的热气体出口305处的温度T_e,出。温度传感器306和307可以分别放置在中央供给管304和中央吸入管305的外侧。可替代地，温度传感器306可以放置在顶部管201-t之一上，并且温度传感器307可以放置在底部管201-b之一上。在又一替代方案中，传感器306和307可以放置在蒸发器的端部处的管的弯曲部上(未示出)。这样，测量到了蒸发器104的热气体入口304附近的表面以及蒸发器104的热气体出口305附近的表面的温度。

图4(a)示出了没有任何堆积的冰的简化的蒸发器管201。图4(a)示出了蒸发器管201的翅片400。图4(b)示出了有堆积的冰401的蒸发器管201。管201具有入口和出口，中央供给管304与该入口融合并且中央吸入管305与该出口融合，其中热气体可以进入和离开蒸发器。在除霜模式下，热气体被引入到管201的中央供给管304中。通常，管201的入口将具有比管的出口更高的温度。

图5示出了当管上没有堆积的冰时，蒸发器管的表面温度随时间的变化图。曲线501和502分别表示管入口和出口随时间变化的温度，并且曲线503是入口和出口温度之间的差。即使当蒸发器上没有冰时，也需要一些时间来达到稳定状态，即，达到两个温度之间的差的变化速率接近于零的点。如图5(b)所示，在区域504中，进行蒸发器自身的加热，这需要一定量的能量。一旦蒸发器开始被加热，热空气就开始与周围环境进行对流，如曲线505所示。当达到蒸发器稳定状态时(如虚线506所示)，热空气的对流占主导。

图6(a)示出了当管上有堆积的冰时，蒸发器管的表面温度随时间变化的图。曲线601代表管入口随时间变化的温度T_e,入，而曲线602代表管出口随时间变化的温度T_e,出。曲线603表示T_e,入与T_e,出之间的差。T_e,入与T_e,出之间的差随时间的导数，即曲线603的导数表示T_e,入与T_e,出之间的差的变化速率。通常，在除霜开始时，入口和出口处的温度应相同，如从曲线601和602可以看出。然后，蒸发器入口处的温度会开始比蒸发器出口处的温度上升得更快。这是所预料到的，因为热气体会加热蒸发器的结构支撑件，并且融化更靠近热气体入口的区域处的霜和冰。取决于霜或冰的量，蒸发器的入口和出口处的温度不同并且以不同方式升高的时间段可能变化。

随着霜和冰从蒸发器融化，蒸发器入口和出口的温度会稳定并达到恒定值，如曲线601和602的最后部分所示。当两个温度均具有恒定值时，它们的差变得恒定，因此差的变化速率接近零，如曲线603的最后部分所示。当T_e,入与T_e,出之间的差的变化速率接近零时，蒸发器就如同其表面上没有冰或霜一样运行，即如图5所示。因此，两个温度之间的差无变化表明所有的冰或霜都已去除，因此不需要进一步除霜。此时，除霜可以终止，因为所有的霜或冰都已从蒸发器中去除。进行完全除霜所需的时间可能取决于多种因素，例如蒸气压缩系统的大小、热气体的温度、要融化的冰量、除霜开始时系统的温度、周围环境条件(例如温度、压力、湿度)等。

图6(b)示出了没有冰的蒸发器与具有1.5mm的堆积冰的蒸发器之间的比较。从图6(b)可以看出，冰影响蒸发器的瞬态行为。从图中可以看出，在区域1中，主要进行蒸发器的加热。在区域2中，大部分冰融化，并且需要额外的热能力才能升高蒸发器管的温度并且融化冰。曲线下方的区域表示加热蒸发器和融化堆积冰所需的能量。当蒸发器无冰并且进行正常的热对流时，在区域3中达到稳定状态。自然，稳定状态出现的时间相比蒸发器上没有堆积的冰的情况要晚。

Claims

1.一种终止蒸发器(104)除霜的方法，该蒸发器(104)是蒸气压缩系统(100)的一部分，该蒸气压缩系统(100)进一步包括压缩机单元(101)、排热换热器(102)、以及膨胀装置(103)，该压缩机单元(101)、该排热换热器(102)、该膨胀装置(103)以及该蒸发器(104)布置在制冷剂路径中，并且空气流流过该蒸发器(104)，该方法包括以下步骤：

-使该蒸气压缩系统(100)以除霜模式运行，

-通过至少两个温度传感器(306，307)监测该蒸发器(104)的热气体入口(304)处的蒸发器入口温度T_e,入，以及该蒸发器(104)的热气体出口(305)处的蒸发器出口温度T_e,出，

-监测T_e,入与T_e,出之间的差的变化速率，并且

-当T_e,入与T_e,出之间的差的变化速率接近零时，终止除霜。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，当T_e,入与T_e,出之间的差的变化速率已经持续预定时间地小于预定阈值时，执行终止除霜的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在该除霜模式期间，来自该压缩机单元(101)的热气体被供应至该蒸发器(104)的热气体入口(304)，并且通过该蒸发器(104)的制冷剂通道(201)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，该热气体从顶部(301)到底部(302)逐渐加热该蒸发器(104)。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，该蒸发器(104)中的空气和该蒸发器(104)周围的空气借助于对流加热。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该蒸发器(104)处于满液状态。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，该蒸发器(104)处于非满液状态。