ES2223389T3 - Control de recalentamiento para capacidad optima bajo condiciones de limitacion de energia y que utiliza una valvula de modulacion de succion. - Google Patents
Control de recalentamiento para capacidad optima bajo condiciones de limitacion de energia y que utiliza una valvula de modulacion de succion.Info
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Abstract
Un procedimiento para la optimización de la capacidad refrigerante de una unidad de refrigeración bajo condiciones controladas de limitación de energía, comprendiendo dicha unidad de refrigeración comprendiendo un compresor (116), un condensador (114), un evaporador (126) y una válvula de expansión electrónica (144), comprendiendo dicho procedimiento los pasos de: i vigilar el consumo de corriente de la unidad de refrigeración siendo dicha corriente siendo indicativa del consumo de energía de la unidad, ii comparar dicho consumo de corriente con un límite de corriente extraída deseada preestablecida; y caracterizado por el paso de: iii incrementar selectivamente la válvula de expansión estableciendo el recalentamiento deseado cuando dicho consumo de corriente excede dicho límite de corriente extraída deseado preestablecido, por lo que se restringe la válvula de expansión electrónica (144) para disminuir el flujo másico refrigerante en la unidad de refrigeración y disminuir el consumo de energía resultante de dicha unidad de refrigeración.
Description
Control del recalentamiento para capacidad óptima
bajo condiciones de limitación de energía y que utiliza una válvula
de modulación de succión.
El campo del invento presente se refiere a
sistemas de control para sistemas de refrigeración para transporte.
Más específicamente, el invento presente está enfocado a conseguir
la máxima capacidad refrigerante del sistema cuando el sistema está
limitado en su capacidad energética por medio del ajuste de la
regulación del recalentamiento de la válvula de expansión.
Un sistema de refrigeración para transporte usado
para controlar espacios cerrados, tales como las cajas utilizadas en
camiones, remolques, contenedores o unidades intermodales similares,
funciona absorbiendo calor del espacio cerrado y liberando el calor
a la atmósfera fuera de la caja. Un problema, de las crecientes
exigencias económicas y ambientales, al que se enfrentan los
diseñadores de tales sistemas es que las exigencias funcionales en
aumento las tiene que afrontar el sistema mientras que al mismo
tiempo, las limitaciones en el suministro de energía están así mismo
aumentando.
Los sistemas de refrigeración para transporte
existentes muestran la capacidad para aumentar los ciclos de
calentamiento con gas caliente y de descongelación con gas caliente
de un sistema de refrigeración para transporte, mientras que reducen
la dependencia de la cantidad de calor absorbida en el tanque
acumulador del sistema. Por ejemplo, la patente de EE.UU. Nº
4.903.495 (Howland et al.) expone un sistema en el que la
válvula de expansión termostática normal (TXV) de un sistema de
refrigeración para transporte es sustituida por un tipo de TXV que
incluye un limitador de presión. Este tipo de válvula cierra cuando
se alcanza una presión de operación deseada máxima predeterminada, y
se conoce como una válvula de presión de operación máxima o válvula
"MOP". Sin embargo, tales dispositivos implican el uso de un
equipo adicional complejo que incluye la incorporación de un
condensador secundario y que hace circular un caudal de fluido a
través del condensador. Además, tales configuraciones no están
dirigidas a controlar el sistema de refrigeración para transporte
sino a controlar simultáneamente el flujo de refrigerante en la
válvula de expansión de modo que se limita el consumo de energía
mientras que se minimiza la pérdida de capacidad de refrigeración
del sistema.
Un sistema más de acondicionamiento de aire se
describe en la GB-A-2287783.
Los inventores del presente invento han
reconocido la necesidad de un sistema de refrigeración controlado
para transporte que limite el caudal másico de refrigerante a través
del sistema mientras que al mismo tiempo evite una caída brusca de
la capacidad de refrigeración.
El invento presente proporciona un procedimiento
para optimizar la capacidad de refrigeración de una unidad de
refrigeración, como se reivindica en la reivindicación 1.
El método de control preferido de este invento
proporciona una unidad de refrigeración para un sistema de
transporte que tiene un controlador que vigila y limita el consumo
de energía a través de la limitación del caudal másico de
refrigerante. Específicamente, el sistema tiene ciertos límites de
suministro de energía (es decir, las limitaciones de diseño del
generador magnético permanente mientras que opera en modo diesel o
las limitaciones de energía propia en modo eléctrico) los cuales se
cumplen por medio de un algoritmo implementado por el
microprocesador del controlador del sistema. Este algoritmo vigila o
controla indirectamente la energía (y el caudal másico), a través de
la corriente eléctrica que es consumida por el sistema. Siempre que
la corriente consumida por el sistema exceda un cierto límite
predeterminado, el controlador emite una señal que reduce el caudal
másico del sistema para reducir la corriente consumida por el
sistema.
A falta de control del invento presente, el
controlador tendría que reducir el flujo másico mediante el cierre
gradual de la válvula de modulación de succión (o "SMV") hasta
que la corriente caiga por debajo del límite preseleccionado. Sin
embargo, el caudal másico más bajo causado por la restricción
impuesta a través de la SMV produce, además de un consumo de
corriente más bajo, una brusca caída en la capacidad de
refrigeración.
Los solicitantes han encontrado que mediante la
restricción del flujo de refrigerante en la válvula de expansión (es
decir, antes de la entrada al evaporador) se origina una reducción
comparable en consumo de energía con una caída menor de la capacidad
de refrigeración. Por lo tanto, cuando el consumo de corriente del
sistema excede los límites preseleccionados, el algoritmo
controlador del invento presente incrementa gradualmente la
regulación del recalentamiento deseado, lo que provoca que se cierre
la válvula de expansión, restringiendo de este modo el flujo de
refrigerante y reduciendo el consumo de energía. Preferiblemente, el
controlador continúa incrementando el recalentamiento deseado hasta
que o bien el consumo de corriente cae por debajo del límite o se
consigue una máxima regulación del recalentamiento.
Una vez que la corriente consumida en el sistema
cae por debajo del límite preseleccionado por una cantidad
establecida, el controlador emite señales adicionales que disminuyen
gradualmente el recalentamiento deseado para maximizar la capacidad.
Tales señales adicionales del controlador disminuyen preferiblemente
el retorno del recalentamiento deseado a su valor base original
durante tanto tiempo como la corriente consumida en el sistema
permanece dentro de niveles aceptables. Muy preferentemente, la
implementación de estos controles lleva al máximo la posición de la
válvula de modulación de succión, haciendo de este modo máxima la
capacidad de refrigeración bajo condiciones de limitación de
energía.
De acuerdo con ello, un objeto del presente
invento, en al menos una realización preferida, es proporcionar la
optimización de la capacidad de refrigeración bajo condiciones de
limitación de energía.
Un objeto más del presente invento, en al menos
una realización preferida, es optimizar la capacidad de
refrigeración bajo las condiciones de limitación de energía a través
del control de la válvula de expansión.
Otro objeto todavía del presente invento, en al
menos una realización preferida, es proporcionar un procedimiento y
un sistema que optimicen la capacidad de refrigeración de un sistema
bajo condiciones de limitación, mientras que maximiza o limita la
restricción de la válvula de modulación de succión.
Estos y otros objetos, características, y
ventajas del invento presente resultarán más evidentes a la vista de
la siguiente descripción detallada de un mejor modo de realización
del mismo, y como se ilustra en los dibujos que se adjuntan.
La figura 1 muestra un esquema del sistema de
refrigeración para transporte del invento presente;
La figura 2 muestra un esquema de bloques de una
primera realización preferida de un controlador del presente
invento; y
La figura 2A muestra un esquema de bloques de una
segunda realización preferida de un controlador del invento
presente.
El invento que es el objeto de la presente
solicitud es uno de una serie de solicitudes que tienen relación con
el diseño y control de sistemas de refrigeración para transporte,
incluyendo las otras solicitudes codependientes: "Voltage Control
Using Engine Speed" (US 6,226,998); "Economy Mode for Transport
Refrigeration Units" (US 6,044,651); "Compressor Operating
Envelope Management" (US 6,301,911); "High Engine Coolant
Temperature Control" (US 6,148,627); "Generator Power
Management" (US 6,196,012); y "Electronic Expansion Valve
Control Without Pressure Sensor Reading" (US 6,148,627). Estos
inventos son diseñados preferiblemente para su uso en sistemas de
refrigeración para transporte del tipo descrito en las solicitudes
copendientes tituladas: "Electrically Powered Trailer
Refrigeration Unit With Integrally Mounted Diesel Driven Permanent
Magnet Generator (US 6,223,546);" y "Transport Refrigeration
Unit With Synchronous Generator Power System," (EP
1,046,525).
La figura 1 muestra una representación
esquemática del sistema de refrigeración para transporte 100 del
invento presente. El refrigerante (el cual, en su realización más
preferida, es R404A), que se usa para enfriar el aire de la caja (es
decir, el aire dentro del contenedor, remolque o camión) del sistema
de refrigeración para transporte 100, es primero comprimido por
medio de un compresor 116, el cual es accionado por un motor 118,
que preferiblemente es un motor de accionamiento eléctrico integrado
accionado por un generador síncrono 120 que opera a baja velocidad
(más preferentemente a 45 Hz) o a alta velocidad (más
preferentemente a 65 Hz). Otra realización preferida del invento
presente, sin embargo, prevé que el motor 118 sea motor diesel, más
preferentemente de 2.200 cm^{3}de cilindrada, de cuatro cilindros,
que funcione preferentemente a alta velocidad (alrededor de 1.950
rpm) o a baja velocidad (alrededor de 1.350 rpm). El motor o máquina
118 preferentemente acciona a un compresor 116 de 6 cilindros que
tiene una cilindrada de 600 cm^{3}, teniendo el compresor 116
además dos válvulas de seguridad, cada una para que descargue
selectivamente un par de cilindros bajo condiciones de operación
selectiva. En el condensador, el refrigerante (preferentemente en
estado de vapor) es comprimido a una temperatura y presión más
altas. El refrigerante pasa entonces al condensador 114 enfriado por
aire, el cual incluye una pluralidad de aletas y tubos del serpentín
condensador 122, que reciben aire, típicamente soplado por un
ventilador de condensador (no mostrado). Mediante la eliminación del
calor latente a través de esta fase, el refrigerante se condensa a
líquido a una presión alta/temperatura alta y fluye al acumulador
132 que proporciona el almacenamiento para el líquido refrigerante
en exceso durante la operación a baja temperatura. Desde el
acumulador 132, el refrigerante fluye a través de la unidad
subenfriadora 140, después a un filtro-secador 124
que mantiene al refrigerante limpio y seco, y después a un
intercambiador de calor 142 que aumenta el subenfriamiento del
refrigerante.
Finalmente, el refrigerante fluye hacia una
válvula de expansión electrónica 144 (la "EXV"). Cuando el
refrigerante líquido pasa a través del orificio de la EXV, al menos
algo de él se vaporiza. Después el refrigerante fluye a través de
los tubos o serpentines 126 del evaporador 112, los cuales absorben
el calor del aire de retorno (es decir, el aire que retorna de la
caja) y de este modo, el refrigerante líquido restante se vaporiza.
El aire de retorno es preferiblemente aspirado o impulsado a través
de los tubos o serpentines 126 por al menos un ventilador del
evaporador (no mostrado).El vapor refrigerante es después aspirado
de nuevo desde el intercambiador 112, a través de la válvula de
modulación de succión (o "SMV"), hacia el compresor.
Muchos de los puntos del sistema de refrigeración
para transporte son vigilados y controlados por un controlador 150.
Como se muestra en las figuras 2 y 2A el controlador 150 incluye
preferentemente un microprocesador 154 y su memoria asociada 156. La
memoria 156 del controlador 150 puede contener un operador o usuario
preseleccionado, valores deseados para varios parámetros de
operación dentro del sistema, incluyendo, pero no limitado a,
temperatura de rocío para varios lugares dentro del sistema 100 o de
la caja, límites de presión, límites de corriente, límites de
velocidad del motor y una variedad de otros parámetros de operación
deseados o límites con el sistema 100. El controlador 150 incluye
más preferiblemente un panel de microprocesador 160 que contiene un
microprocesador 154 y una memoria 156, un panel 162 de
entrada/salida (I/O), que contiene un convertidor 156 de analógico a
digital que recibe entradas de temperatura y entradas de presión de
varios puntos del sistema, entradas de corriente alterna, entradas
de corriente continua, entradas de voltaje y entradas de nivel de
humedad. Además, el panel de I/O 162 incluye circuitos activadores o
transistores de efecto de campo ("FETs") que reciben señales o
corriente desde el controlador 150 y controlan sucesivamente varios
dispositivos externos o periféricos en el sistema 100, tal como el
SMV 130 y el EXV 144.
Entre los sensores y transductores específicos
más preferentemente vigilados mediante el controlador 150 se
incluye: el sensor de la temperatura del aire de retorno (RAT) que
introduce en el procesador 154 un valor de resistencia variable, de
acuerdo con la temperatura del aire de retorno al evaporador; el
sensor de la temperatura del aire ambiente (AAT) el cual envía al
microprocesador 154 un valor de resistencia variable de acuerdo con
la temperatura del aire ambiente leída en la parte delantera del
condensador 114; el sensor de la temperatura de succión del
compresor (CST); el cual envía al microprocesador un valor de
resistencia variable de acuerdo con la temperatura de succión del
compresor; el sensor de la temperatura de descarga del compresor
(CDT) que envía al microprocesador 154 un valor de resistencia de
acuerdo con la temperatura de descarga del compresor en el interior
de la cabeza de cilindro del compresor 116; el sensor de la
temperatura de salida del evaporador (EVOT), que envía al
microprocesador 154 un valor de resistencia variable de acuerdo con
la temperatura de salida del evaporador 112; el sensor de la
temperatura del generador (GENT), que envía al microprocesador 154
un valor de resistencia de acuerdo con la temperatura del generador;
el sensor de la temperatura del refrigerante del motor (ENCT), que
envía al microprocesador 154 un valor de resistencia variable de
acuerdo con la temperatura del refrigerante del motor 118; el
transductor de la presión de succión del compresor (CSP), que envía
al microprocesador 154 un valor de resistencia variable de acuerdo
con el valor de succión del compresor 116; el transductor de la
presión de descarga del compresor (CDP), que envía al
microprocesador 154 un valor de resistencia variable de acuerdo con
el valor de descarga del compresor 116; el transductor de la presión
de salida del evaporador (EVOP), que envía al microprocesador 154 un
valor de resistencia variable de acuerdo con la presión de salida
del evaporador 112; un interruptor para la presión del aceite del
motor (ENOPS), que envía al microprocesador 154 un valor de la
presión del aceite del motor 118; y un transductor de revoluciones
por minuto del motor (ENRPM), que envía al microprocesador 154 un
valor de resistencia variable de acuerdo con las revoluciones por
minuto del motor 118.
En el invento presente, el controlador 150 vigila
y determina si la corriente extraída del sistema excede el límite de
corriente (y por lo tanto excede el límite de energía) del sistema
100. En la realización más preferida del presente invento, ese
límite de corriente es alrededor de 25 amperios. De este modo, la
implementación del invento presente requiere una entrada del sensor
de corriente (CT2) al panel de I/O 156 que refleje la corriente
consumida en el sistema. Este valor es enviado al microprocesador
154, que compara ese valor de consumo de corriente con un valor
límite preseleccionado de corriente extraída almacenado en la
memoria 156.
Si el valor de la corriente consumida excede al
valor límite preseleccionado, el microprocesador 154 implementa un
algoritmo que incrementa el nivel del recalentamiento deseado ya
almacenado en la memoria. Como resultado de ello, el microprocesador
(a través del circuito 162 de activación del motor) emite una señal
de control que cierra gradualmente la válvula de expansión 144 con
objeto de conseguir el nivel de recalentamiento deseado.
Este cierre de la válvula de expansión 144 limita
el caudal másico del refrigerante que pasa a través del evaporador
112, y eventualmente tiene como resultado un caudal más bajo de
fluido que es manejado por el compresor 116, reduciendo de este modo
el consumo de energía y la corriente consumida en el sistema. El
nivel de recalentamiento deseado es además incrementado por el
controlador 150 hasta que o bien: a) la corriente consumida
detectada y transmitida al controlador cae por debajo de un límite
aceptable (preferiblemente de al menos 1 amperio por debajo del
límite corriente del sistema); o b) hasta que el nivel de
recalentamiento alcanza un límite preseleccionado.
Una vez que el consumo de corriente transmitida
al controlador 150 cae por debajo de un límite aceptable, el
algoritmo dentro del controlador 150 procede a rebajar gradualmente
el nivel de recalentamiento deseado para llevar al máximo la
capacidad de refrigeración del sistema 100. El recalentamiento
deseado puede ser reducido hasta que alcanza su valor base original,
según está almacenado en la memoria 156 del controlador 150. De este
modo, en tanto que el aumento del recalentamiento tenga como
resultado en una caída de la corriente consumida por debajo del
límite del sistema, el sistema puede optimizar la capacidad
refrigerante bajo condiciones límite de energía evitando el cierre
innecesario de la válvula de modulación de succión 144.
Claims (6)
1. Un procedimiento para la optimización de la
capacidad refrigerante de una unidad de refrigeración bajo
condiciones controladas de limitación de energía, comprendiendo
dicha unidad de refrigeración comprendiendo un compresor (116), un
condensador (114), un evaporador (126) y una válvula de expansión
electrónica (144), comprendiendo dicho procedimiento los pasos
de:
- i
- vigilar el consumo de corriente de la unidad de refrigeración siendo dicha corriente siendo indicativa del consumo de energía de la unidad,
- ii
- comparar dicho consumo de corriente con un límite de corriente extraída deseada preestablecida; y caracterizado por el paso de:
- iii
- incrementar selectivamente la válvula de expansión estableciendo el recalentamiento deseado cuando dicho consumo de corriente excede dicho límite de corriente extraída deseado preestablecido, por lo que se restringe la válvula de expansión electrónica (144) para disminuir el flujo másico refrigerante en la unidad de refrigeración y disminuir el consumo de energía resultante de dicha unidad de refrigeración.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, que
comprende además los pasos de:
- iv
- vigilar además la corriente consumida por la unidad de refrigeración;
- v
- comparar dicha corriente consumida con el límite de la corriente extraída deseada preestablecida; y
- vi
- disminuir selectivamente el establecimiento del recalentamiento deseado a su valor original cuando dicha corriente consumida cae por debajo de dicho límite de corriente extraída deseado preestablecido.
3. El procedimiento de la reivindicación 1 ó 2,
en el que dicha unidad de refrigeración comprende además una válvula
de modulación de succión (130) y en el que la válvula de modulación
de succión (130) de dicho sistema de refrigeración se mantiene con
una apertura constante a través de los pasos del procedimiento.
4. El procedimiento de la reivindicación 3, en
el que la válvula de modulación de succión de dichos sistemas de
refrigeración se mantiene en su apertura máxima.
5. El procedimiento de cualquier reivindicación
precedente, en el que dicha unidad de refrigeración es una unidad de
refrigeración para transporte.
6. El procedimiento de cualquier reivindicación
precedente, en el que el paso de aumentar selectivamente el
recalentamiento deseado está limitado por un algoritmo en un
controlador (150) para la unidad, estando definido dicho algoritmo
como una función de la temperatura de descarga del compresor.
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