ES2311496T3 - Sistema electronico integrado de gestion de refrigerante. - Google Patents
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Abstract
Un proceso para eliminar la ocurrencia de casos de "congelación elevada" dentro de un sistema (100) de refrigeración para transporte, comprendiendo dicho proceso los pasos de: i detectar la temperatura del aire de retorno (RAT) del aire que retorna a un evaporador (112); ii comparar dicha temperatura del aire de retorno con un límite preseleccionado; y iii desviar de forma selectiva el refrigerante a un condensador a través de una válvula electrónica de gas caliente (ESV) a un evaporador (112) en respuesta a las temperaturas del aire de retorno (RAT) por debajo del límite preseleccionado, reduciendo así la capacidad de enfriamiento del sistema de refrigeración para transporte (100).
Description
Sistema electrónico integrado de gestión de
refrigerante.
El campo del presente invento se refiere a
sistemas de control de sistemas de refrigeración para transporte.
Más específicamente, el presente invento está dirigido a la gestión
del refrigerante en un sistema de refrigeración para transporte,
con una o más válvulas electrónicas, que incluye la válvula
electrónica de gas caliente (ESV).
Un sistema de refrigeración para transporte
usado para controlar zonas encerradas, tales como la caja aislada
usada en camiones, remolques, contenedores, o unidades intermodales
similares, funciona absorbiendo calor de la zona encerrada y
liberando el calor fuera de la caja al medio ambiente.
Los sistemas de refrigeración para transporte
actualmente emplean una variedad de controles para gestionar los
parámetros operativos de un sistema de refrigeración para el
transporte. La patente de EEUU Nº 6.044.651 explica un modo de
operación económico de una unidad de refrigeración para el
transporte. La patente de EEUU Nº 3.665.725 explica un sistema de
refrigeración que tiene control de capacidad. Como puede verse en
las patentes de EEUU N^{os} 5.626.027 y 5.577.390, ambas cedidas
al cesionario del presente invento, los compresores pueden ser
hechos funcionar en un modo con varias etapas o en modos de una
etapa que depende de la temperatura de funcionamiento. Tales
referencias discuten adicionalmente de forma general el uso de la
modulación de succión para el control de la capacidad. Sin embargo,
los inventores creen que los diseños comerciales de la técnica
anterior actualmente disponibles, que incluyen los vendidos por el
cesionario, no ofrecen un sistema simplificado de tuberías de
refrigeración para el transporte que utiliza un control electrónico
integrado del refrigerante.
Los solicitantes han considerado que, con el fin
de optimizar la gestión de un sistema de refrigeración para el
transporte, a la vez que se simplifica el sistema de tuberías
utilizado, es conveniente mejorar la capacidad y la demanda de
control de potencia utilizando una válvula electrónica de gas
caliente.
De acuerdo con el presente invento, se
proporciona un proceso para eliminar las incidencias de casos de
"alta refrigeración" dentro de una unidad de refrigeración
para el transporte como se reivindica en la reivindicación 1.
En el presente invento, la ESV se utiliza para
controlar las condiciones de "congelación elevada" que se
producen cuando el sistema funciona en o cerca de condiciones de
temperatura de congelación.
La Figura 1 muestra un esquema de los sistemas
de refrigeración para el transporte existentes en modo de
enfriamiento;
la Figura 2 muestra un esquema del sistema de
refrigeración para el transporte del presente invento en modo de
enfriamiento;
la Figura 3 muestra un esquema de los sistemas
de refrigeración para el transporte existentes en modo de
calentamiento/descongelación;
la Figura 4 muestra un esquema del sistema de
refrigeración para el transporte del presente invento en modo de
calentamiento/descongelación;
la Figura 5 muestra un esquema de la
configuración de la válvula electrónica de gas caliente en conexión
con el microcontrolador;
la Figura 6 muestra un esquema de bloques de un
controlador del presente invento; y
la Figura 7 muestra un esquema de bloques de un
segundo controlador.
Las Figuras 1 y 3 muestran representaciones
esquemáticas del ejemplo de sistemas de refrigeración para
transporte de la técnica anterior. Tales sistemas incluyen
típicamente un compresor 116, que es accionado por un motor 118,
para comprimir el refrigerante. En el compresor el refrigerante
(preferiblemente en forma de vapor) es comprimido a una temperatura
y presión mayores. El refrigerante mueve entonces el condensador 114
enfriado por aire, que incluye una pluralidad de aletas y tubos 122
del serpentín del condensador, que recibe aire, normalmente
generado por un ventilador del condensador (no mostrado). Retirando
el calor latente en esta fase, el refrigerante se condensa en un
líquido a alta presión/alta temperatura y fluye hacia un colector
132 que proporciona almacenamiento del líquido refrigerante en
exceso durante el funcionamiento a baja temperatura. Desde el
colector 132 el refrigerante fluye a través de la unidad
subenfriadora 140, después hacia un filtro-secador
124 que mantiene el refrigerante limpio y seco, y después hacia un
intercambiador de calor 142 que aumenta el subenfriamiento del
refrigerante. Finalmente, el refrigerante fluye a través del
evaporador 112 antes de volver a entrar en el compresor 116. La
tasa de flujo de refrigerante a través del evaporador 112 en la
técnica anterior estaría modulado mediante una válvula mecánica de
expansión térmica ("TXV") 111 que responde a la
retroalimentación desde el evaporador a través de una bola de la
válvula de expansión 113. El flujo de refrigerante está además
controlado en tales diseños por una válvula pequeña de gas caliente
(SV4) 115 y una válvula mayor de gas caliente (SV3) 117 que trabaja
para evitar la sobrecarga y minimizar el flujo de retorno.
Las Figuras 2 y 4 ilustran representaciones
esquemáticas del sistema de refrigeración para transporte 100 del
presente invento. El refrigerante (que, en su realización más
preferida es R404A) se usa para enfriar el aire de la caja (es
decir, el aire dentro del contenedor o remolque o camión) del
sistema de refrigeración para transporte 100. El motor 118 es,
preferiblemente, un motor eléctrico accionado por un generador
síncrono (no mostrado) que funciona a baja velocidad (más
preferiblemente a 45 Hz) o a alta velocidad (más preferiblemente a
65 Hz). Sin embargo, una segunda realización preferida del presente
invento, se prefiere que el motor 118 sea un motor diesel, más
preferiblemente de cuatro cilindros, con 2.200 cc de cilindrada, que
preferiblemente funciona a alta velocidad (aproximadamente 1.950
rpm) o a baja velocidad (aproximadamente 1.350 rpm). El motor
eléctrico o diesel 118 más preferiblemente acciona un compresor 116
de seis cilindros que tiene una cilindrada de 600 cc.
El flujo del refrigerante pasa a través de una
válvula electrónica de expansión 144 (la "EXV") antes de pasar
a través del evaporador 112. A medida que el líquido refrigerante
pasa a través del orificio de la EXV, al menos parte de él se
evapora. El refrigerante fluye a continuación a través de los tubos
o serpentines 126 del evaporador 112 que absorben calor del aire de
retorno (esto es, del aire que vuelve de la caja) y al hacer esto,
evapora el refrigerante líquido que queda. El aire de retorno es
preferiblemente extraído o empujado a través de los tubos o
serpentines 126 por al menos un ventilador evaporador (no mostrado).
El vapor refrigerante es después llevado desde el intercambiador
112 a través de una válvula electrónica de modulación de succión (o
"EMV") de vuelta al compresor.
De acuerdo con el presente invento, se usa una
válvula electrónica de gas caliente ("ESV") 120 en lugar de
las válvulas solenoidales de gas caliente SV3 y SV4. Se puede actuar
sobre la ESV 120 para que se abra lentamente en casos tales como
presión de succión y niveles de calor en exceso inaceptables que
abandonan el evaporador 112 (similar a los controles usados por la
EXV 144). La ESV 120 es particularmente útil en condiciones de
"congelación elevada", esto es, un fenómeno que ocurre cuando
el sistema de refrigeración funciona en o cerca de temperaturas de
congelación. El aire que abandona el serpentín del evaporador 112 en
tales condiciones puede, de hecho, estar muy por debajo de la
congelación y puede así congelar la parte superior de las cargas
perecederas a menos de que se tomen medidas de aislamiento de la
carga potencialmente caras y que llevan mucho tiempo. La ESV 120
del presente sistema integrado de control tiene en cuenta este
fenómeno mediante la detección de la temperatura del aire de
retorno (RAT) del aire que retorna al evaporador a través del sensor
de suministro de aire (SAS) del evaporador 112 cuando la
temperatura del aire de retorno desciende por debajo de un
determinado límite. En tales casos, como se ve por ejemplo en las
Figuras 4 y 5, el SAS preferiblemente indica un microprocesador 150
para desviar gas caliente directamente al evaporador 112, reduciendo
así la capacidad de enfriamiento y manteniendo la temperatura de un
producto por encima de la congelación.
Muchos de los puntos del sistema de
refrigeración para transporte están monitorizados y controlados por
un controlador 150. Como se ve en las Figuras 6 y 7, el controlador
150 incluye un microprocesador 154 y su memoria asociada 156. La
memoria 156 del controlador 150 puede contener valores deseados,
preseleccionados por el operador o por el propietario, los valores
deseados de los diversos parámetros de funcionamiento dentro del
sistema, que incluyen, pero no están limitados a, puntos de fijación
de temperatura en diversos sitios dentro del sistema 100 o de la
caja, a límites de presión, a límites de corriente, a límites de
velocidad del motor, y a una variedad de otros parámetros o límites
de funcionamiento deseados con el sistema 100. El controlador 150
incluye una placa de microprocesador 160 que contiene un
microprocesador 154 y una memoria 156, una placa de entrada/salida
(I/O) 162, que contiene un convertidor analógico a digital 156 que
recibe datos de temperatura y datos de presión de diversos puntos
del sistema, datos de corriente alterna, datos de corriente
continua, datos de voltaje y datos del nivel de humedad. Además, la
placa I/O 162 incluye circuitos de mando o transistores de efecto
campo ("FETs") y contactores disyuntores que reciben señales o
corriente del controlador 150 y a su vez controlan diversos
dispositivos exteriores o periféricos del sistema 100, tal como la
EMV 130, la EXV 144 y la velocidad del motor 118 mediante un
solenoide (no mostrado).
Los sensores específicos y los transductores
monitorizados por el controlador 150 están: el sensor de 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 del evaporador; la temperatura ambiental del aire
(SAS) que introduce en el procesador 154 un valor de resistencia
variable de acuerdo con la temperatura ambiental del aire leída
enfrente del condensador 114; el sensor (CST) de temperatura de
succión del compresor, que introduce en el microprocesador un valor
de resistencia variable de acuerdo con la temperatura de succión del
compresor; el sensor (CDT) de temperatura de descarga del
compresor, que introduce en el microprocesador 154 un valor de
resistencia de acuerdo con la temperatura dentro de la cabeza del
cilindro del compresor 116; el sensor (EVAP) de temperatura de
salida del evaporador, que introduce en el microprocesador 154 un
valor de resistencia variable de acuerdo con la temperatura de
salida del evaporador 112; el sensor de temperatura del generador
(GENT), que introduce en el microprocesador 154 un valor de
resistencia de acuerdo con la temperatura del generador; el sensor
(ENCT) de temperatura del fluido refrigerante del motor, que
introduce en el microprocesador 154 un valor de resistencia
variable de acuerdo con la temperatura del fluido refrigerante del
motor 118; el transductor (CSP) de presión de succión del
compresor, que introduce en el microprocesador 154 un voltaje
variable de acuerdo con el valor de succión del compresor del
compresor 116; el transductor de presión de descarga del compresor
(CDP), que introduce en el microprocesador 154 un voltaje variable
de acuerdo con el valor de descarga del compresor del compresor
116; el transductor de presión de salida del evaporador (EPT), que
introduce en el microprocesador 154 un voltaje variable de acuerdo
con la presión de salida del evaporador del evaporador 112; el
conmutador de presión de aceite del motor (ENOPS), que introduce en
el microprocesador 154 un valor de presión de aceite del motor del
motor 118; sensores de corriente continua y de corriente alterna
(CT1 y CT2, respectivamente), que introducen en el microprocesador
154 unos valores de voltaje variable que corresponden a la
corriente extraída por el sistema 100 y un transductor de las RPM
del motor (ENRPM), que introduce en el microprocesador 154 una
frecuencia variable de acuerdo con las RPM del motor del motor
118.
El controlador 150 del sistema 100 controla la
ESV 120 y puede controlar la EMV 130 en combinación con la EXV 144
para mantener el control preciso del compresor 116 dentro de sus
parámetros de diseño en cualesquiera condiciones normales de
funcionamiento.
En la aplicación básica, el microprocesador 154
utiliza datos de EVOP y de EVOT con el fin de calcular el
sobrecalentamiento del serpentín del evaporador, usando algoritmos
entendidos por los expertos en la materia. El microprocesador 154
compara después el valor del sobrecalentamiento calculado con un
valor de sobrecalentamiento deseado, preseleccionado, almacenado en
la memoria 156. El microprocesador 154 accionará entonces la EXV
dependiendo de la diferencia entre el sobrecalentamiento real y el
deseado con el fin de mantener el ajuste de sobrecalentamiento
deseado (es decir, preferiblemente el sobrecalentamiento mínimo para
maximizar la capacidad de la unidad). El microprocesador 154 será
más preferiblemente seleccionado para mantener el ajuste más bajo de
sobrecalentamiento que mantenga el control y, sin embargo, no cause
un flujo de retorno (esto es, escape de líquido refrigerante al
compresor). Este valor variará dependiendo de la capacidad y
configuración específicas del sistema, y puede determinarse
mediante experimentación por los expertos en la materia. Este nivel
más bajo de sobrecalentamiento se usará después preferiblemente
como el ajuste "básico" del que se realicen desviaciones en el
caso de condiciones variables de funcionamiento y/o
ambientales.
En una condición de este tipo (es decir, durante
un modo de enfriamiento) el controlador 150 monitoriza y determina
si la presión de descarga requerida supera un límite de potencia
predeterminado basado en la temperatura ambiente. Este límite se
determina por un algoritmo almacenado en la memoria 156 (las
relaciones entre la presión de descarga del compresor, la
temperatura del aire ambiente y la potencia disponible máxima varían
dependiendo de los componentes del sistema, pero pueden
determinarse rápidamente por los expertos en la materia y pueden
programarse en el microprocesador 154). Si se ha excedido este
límite, el controlador 150 puede añadir una desviación con respecto
al valor de sobrecalentamiento preseleccionado almacenado en la
memoria, que entonces hace que la EXV se cierre, provocando así un
descenso en la tasa de flujo del refrigerante, un descenso en la
succión del compresor, y una descarga en la presión de descarga del
compresor. Preferiblemente se establece un bucle de
retroalimentación entre el CDP y la EXV para mantener el límite
requerido de descarga del compresor.
Igualmente, si el valor de la corriente extraída
excede del valor límite preseleccionado, el microprocesador 154
aplica un algoritmo que aumenta el nivel de sobrecalentamiento
deseado ya almacenado en la memoria. Como consecuencia, el
microprocesador (a través del circuito de mando 162) emite una señal
de control que gradualmente cierra la EXV 144 con el fin de
conseguir el nivel de sobrecalentamiento deseado. Este cierre de la
válvula de expansión 144 limita la tasa de flujo de masa del
refrigerante que fluye a través del evaporador 112, y eventualmente
da lugar a una tasa de flujo menor que es gestionada por el
compresor 116, lo que reduce el consumo de potencia del
sistema.
En otro estado más, que requiere desviación del
ajuste básico, el controlador 150 acciona selectivamente la EMV 130
para controlar la humedad dentro del espacio acondicionado. Si el
sobrecalentamiento requerido para controlar el CDP está por encima
de los niveles de sobrecalentamiento máximos permisibles (que pueden
ser programados en la memoria), la EMV es accionada parcialmente.
Si, después de un periodo predeterminado de tiempo (por ejemplo, 20
segundos) los valores de sobrecalentamiento requeridos para
controlar el valor CDP son todavía superiores al valor de
sobrecalentamiento máximo permitido, pudiendo la EMV 130 ser
accionada posteriormente.
Una variante más del ajuste básico
EXV/sobrecalentamiento se produce en el caso de condiciones de
"congelación elevada". Si la temperatura del sensor de aire de
suministro descendió por debajo de un límite predeterminado
almacenado en la memoria (bien por selección del usuario o por
preprogramación por defecto), el controlador 150 añadiría una
desviación al valor de sobrecalentamiento preseleccionado almacenado
en la memoria 156, haciendo de esta forma que la ESV 120 desvíe gas
caliente directamente al evaporador, lo que da lugar a una reducción
de capacidad y a un incremento de la temperatura del aire de
suministro por encima del límite predeterminado. Igualmente, este
tipo de control podría usarse en una realización alternativa para
emplear datos de la RAT así como del SAS para maximizar la
capacidad (esto es, ajustando la apertura de la EXV con el fin de
maximizar la diferencia entre el SAS y la RAT), sujeto a ser
anulado por los límites y controles del sistema de la presión de
descarga del compresor DPT/CDP descritos anteriormente.
Se apreciará por los expertos en la técnica que
diferentes cambios, incorporaciones, omisiones y modificaciones
pueden ser hechas a las realizaciones ilustradas.
Por ejemplo, los valores almacenados en la
memoria podrían ser almacenados en una aplicación, o podrían ser
calculados o almacenados en un algoritmo utilizado por el procesador
154 del controlador 150. Asimismo, las ventajas del presente
invento son iguales para los compresores del tipo sin émbolo (por
ejemplo, compresores helicoidales). El ámbito del presente invento
está definido por las siguientes reivindicaciones.
Claims (1)
1. Un proceso para eliminar la ocurrencia de
casos de "congelación elevada" dentro de un sistema (100) de
refrigeración para transporte, comprendiendo dicho proceso los pasos
de:
- i
- detectar la temperatura del aire de retorno (RAT) del aire que retorna a un evaporador (112);
- ii
- comparar dicha temperatura del aire de retorno con un límite preseleccionado; y
- iii
- desviar de forma selectiva el refrigerante a un condensador a través de una válvula electrónica de gas caliente (ESV) a un evaporador (112) en respuesta a las temperaturas del aire de retorno (RAT) por debajo del límite preseleccionado, reduciendo así la capacidad de enfriamiento del sistema de refrigeración para transporte (100).
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