WO2018178405A1

WO2018178405A1 - Procedimiento de control adaptativo para sistemas de refrigeración

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Publication number: WO2018178405A1
Application number: PCT/ES2017/070178
Authority: WO
Inventors: Xavier ALBETS CHICO; Pere MORENO ARGILES; Miguel Angel GONZALEZ SANCHEZ; Luisa F. CABEZA FABRA; Jose Miguel MALDONADO JIMENEZ; Gabriel ZSEMBINSZKI; Alvaro DE GRACIA CUESTA
Original assignee: Universitat De Lleida; Ako Electromecanica, S.A.L
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2018-10-04
Also published as: ES2928140T3; EP3534095A4; US20200049393A1; EP3534095B1; EP3534095A1; WO2018178465A1; US11073318B2; WO2018178465A8

Abstract

Procedimiento de control adaptativo para sistemas de refrigeración que comprende la detección del nivel de escarcha en el evaporador mediante un método de cálculo de tasa NTU, permitiendo definir: el momento de desescarche más adecuado, la energización de las resistencias de drenaje y la gestión adaptativa del ventilador del evaporador combinando diferentes modos de funcionamiento. Un modo sin hielo que utiliza únicamente la capacidad frigorífica del refrigerante, y distintos modos con hielo que aprovechan el calor latente almacenado en el hielo para producir ahorros energéticos, dependiendo del nivel de escarcha en el evaporador. Para el cálculo de la tasa NTU utiliza como referencia el evaporador cuando está seco al inicio, y cuando el sistema de refrigeración está en funcionamiento, efectúa el cálculo de la tasa NTU con un modo de funcionamiento con frecuencia variable dependiendo del rendimiento del evaporador o nivel de hielo y su comparación con la citada referencia.

Description

DESCRIPCIÓN

PROCEDIMIENTO DE CONTROL ADAPTATIVO PARA SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un procedimiento de control adaptativo para sistemas de refrigeración, el cual aporta ventajas y características, que se describirán en detalle más adelante, que suponen una mejora del estado actual de la técnica dentro de su campo de aplicación.

Más en particular, el objeto de la invención se centra en un procedimiento de control para sistemas de refrigeración, adaptativo en base al nivel de hielo del evaporador, para lo cual monitorea el sistema de refrigeración y gestiona los ventiladores y los procesos de desescarche en función del nivel de escarcha en el evaporador, lo que confiere ahorros de energía notables al sistema de refrigeración. Además, el nivel de escarcha en el evaporador se detecta mediante un nuevo método de cálculo que es válido para cualquier tipología de sistema y que se basa en un método de tasa NTU (siglas del inglés Number of Transfer Units, número de unidades de transferencia).

CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El campo de aplicación de la presente invención se enmarca dentro del sector de la industria dedicada a la fabricación de aparatos de refrigeración, centrándose más concretamente en los sistemas de control de funcionamiento de los mismos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como es sabido, la eficiencia de los sistemas de refrigeración puede verse reducida por la formación de hielo (escarcha) en el circuito del intercambiador de calor (evaporador) del espacio refrigerado (evaporador). Si no se evita el exceso de escarcha, ésta podría incluso parar el evaporador [1 ]. Existen diversos métodos de desescarche; algunos de ellos requieren grandes cantidades de energía para eliminar dicha escarcha [2] de hasta el 25 por ciento del total del consumo energético del sistema de refrigeración [3]. Es conocido en el

i sector que la disminución de la frecuencia de desescarche puede mejorar el rendimiento del sistema frigorífico, ya que reduce su consumo energético.

Es por ello que los procesos de desescarche deben, generalmente, mantenerse en una cantidad mínima necesaria.

Generalmente, los procesos de desescarche se programan a tiempos determinados, típicamente cada 6 u 8 horas, sin ninguna información del estado del evaporador, lo que provoca, por un lado, posibles procesos de desescarche innecesarios, y por otro, períodos donde existe excesiva escarcha.

El ventilador del evaporador puede ser gestionado de distintos modos dependiendo del nivel de escarcha en el evaporador, con el objetivo de reducir el consumo energético del sistema de refrigeración [5].

Por todo ello, el objetivo de la presente invención es desarrollar un procedimiento mejorado de control de los sistemas de refrigeración basado, en primer lugar, un nuevo método para la detección del nivel de escarcha en el evaporador, en segundo lugar, en una gestión adaptativa del ventilador del evaporador para que combine diferentes modos de funcionamiento y, finalmente, un criterio adaptativo para decidir el momento de desescarche más adecuado.

Cabe mencionar que, dicho nuevo método para la detección del nivel de escarcha, se basa en el ya conocido método NTU (Number oí Transfer Units, número de unidades de transferencia) que se utiliza para calcular la tasa de transferencia de calor en los intercambiadores de calor (especialmente intercambiadores contracorriente) cuando no hay suficiente información para calcular la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD). En el análisis de intercambiador de calor, si se especifican las temperaturas de entrada y de salida de fluido o pueden ser determinadas por el balance de energía simple, puede ser utilizado dicho método LMTD; pero cuando estas temperaturas no están disponibles se utiliza el método NTU.

Por otra parte, y como referencia al estado actual de la técnica, cabe señalar que, si bien se conocen sistemas de control del funcionamiento de los ventiladores en los aparatos de refrigeración para optimizar su funcionamiento, al menos por parte del solicitante, se desconoce la existencia de ningún procedimiento que presente unas características iguales o semejantes a las que concretamente presenta el que aquí se preconiza, según se reivindica.

En dicho sentido, se conoce la existencia de los documentos EP0.328152 fde 1992 y US4949548 de 1990, [5,6] referidos a una patente que hace referencia al control de los ventiladores del evaporador de modo que se utilice la capacidad frigorífica almacenada en el hielo del evaporador, fundiendo el mismo y asegurando que el frío es efectivamente transferido al especio refrigerado, sin embargo, el método utilizado presenta diferencias notables. De hecho, en dicho documento se utiliza un control basado en la diferencia de temperaturas entre evaporador y espacio refrigerado para cuantificar el nivel de escarcha en el evaporador y así programar (decidir) el inicio del proceso de desescarche. Esta aproximación al problema es válida, aunque limita su aplicación únicamente a sistemas refrigerados autónomos (es decir, con una unidad condensadora dedicada al evaporador en cuestión). En la invención aquí presente, el método de cuantificacion (NTU-rate) es distinto y precisamente permite que dicho control sea válido tanto para sistemas autónomos como para aquellos que cuentan con unidades condensadoras centralizadas mediante racks de compresores múltiples, lo cual supone una importante ventaja.

Referencias

1 . Cláudio Meló Fernando T. Knabben, Paula V. Pereira. An experimental study on defrost heaters applied to frost-free household refrigerators. Applied Thermal Engineering 51 (2013) 239-245.

2. J.M.W. Lawrence, J.A. Evans, Refrigerant flow instability as a means to predict the need for defrosting the evaporator in a retail display freezer cabinet. International Journal of Refrigeration 31 (2008) 107-1 12.

3. Kazachi G. Project progress meeting in discussion of display case warm liquid defrosting test at EPA. Raleigh: 2001 .

4. Diogo L. da Silva, Christian J.L. Hermes, Claudio Meló. Experimental study of frost accumulation on fan-supplied tube-fin evaporators. Applied Thermal Engineering 31 (201 1 ) 1013-1020

5. Friedhelm Meyer, (1990). Process for controlling the operation of a refrigerating unit. US4949548. 6. Friedhelm Meter, (1992). Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Kühlaggregats. EP0.328152B1 .

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El procedimiento de control adaptativo para sistemas de refrigeración que la invención propone se configura, pues, como una novedad dentro de su campo de aplicación, estando los detalles caracterizadores que lo distinguen, convenientemente recogidos en las reivindicaciones finales que acompañan a la presente descripción.

Como se ha apuntado anteriormente, lo que la invención propone es un procedimiento de control adaptativo en base al nivel de hielo del evaporador para sistemas de refrigeración, que monitorea el sistema de refrigeración y gestiona los ventiladores y los procesos de desescarche en función del nivel de escarcha en el evaporador, lo que confiere ahorros de energía notables al sistema de refrigeración, comprendiendo para ello, esencialmente, un nuevo método para la detección del nivel de escarcha en el evaporador, una gestión adaptativa del ventilador del evaporador que inteligentemente combina diferentes modos de funcionamiento y, finalmente, un criterio adaptativo para decidir el momento de desescarche más adecuado.

En concreto, el nivel de escarcha del evaporador se detecta mediante un nuevo método de cálculo de tasa NTU que, ventajosamente, es válido para cualquier tipología de sistema.

El procedimiento de control combina, pues, distintos modos de gestión del ventilador del evaporador en función del nivel de escarcha del evaporador, que a su vez se determina por dicho método NTU rate, haciendo que el sistema de refrigeración trabaje en diferentes modos de funcionamiento:

- Modo sin hielo; se utiliza únicamente la capacidad frigorífica del refrigerante.

- Modo de medida; este modo permite una medida de NTU rate precisa.

- Distintos modos con hielo; los modos con hielo aprovechan el calor latente almacenado en el hielo para producir ahorros energéticos, dependiendo del nivel de escarcha en el evaporador. El procedimiento de control adaptativo de la invención contempla el cálculo de la tasa NTU al inicio, cuando el evaporador está seco (sin escarcha alguna). Dicho nivel se utiliza como referencia. Cuando el sistema de refrigeración está en funcionamiento, el procedimiento de control adaptativo contempla el cálculo el NTU rate con una frecuencia variable (la cual depende a su vez del rendimiento del evaporador o nivel de hielo en el mismo), y su comparación con la referencia. El valor que se obtiene es un coeficiente adimensional que informa sobre el nivel de escarcha en el evaporador (fe). Dependiendo del coeficiente fe, se decide la estrategia (modo) de funcionamiento del ventilador del evaporador y se decide si un proceso de desescarche es necesario en tiempo real.

Para ello, el coeficiente fe se compara respecto a un valor adimensional de rendimiento de referencia (fs) el cual a su vez se adapta respecto al tiempo necesario para realizar el desescarche (siendo el primer fs un valor por defecto). De este modo, se adapta el valor de activación de desescarche hasta conseguir un nivel de escarcha en el evaporador que permite obtener el nivel óptimo (más eficiente) de funcionamiento del sistema de refrigeración.

Preferentemente, el procedimiento contempla la existencia de un indicador de seguridad que puede parar el sistema de refrigeración y activar el proceso de desescarche, en el caso que éste sea el motivo de disfunción.

Adicionalmente, y gracias a la capacidad de predecir el momento de desescarche en base a la evolución temporal del coeficiente fe, el procedimiento contempla que el sistema de calentamiento del drenaje del evaporador se conecte únicamente cuando es necesario (antes del desescarche) mientras se mantiene parado durante los períodos en los que el desescarche no está en funcionamiento o no está previsto a corto plazo, lo que aumenta el potencial ahorro que este procedimiento adaptativo confiere al sistema de refrigeración.

La invención presenta las principales ventajas y características innovadoras que proporciona el procedimiento de la invención son:

- La tasa NTU para cuantificar el nivel de escarcha en el evaporador.

- La estrategia de los ventiladores (modo de funcionamiento) depende del nivel de escarcha en el evaporador. Existen varios modos de operación en función del nivel de escarcha.

- El proceso de desescarche es activado dependiendo de una tasa NTU en el evaporador, lo que reduce la cantidad de desescarches a realizar.

- El nivel relativo de escarcha (tasa NTU) para hacer activar el desescarche se adapta a la duración del proceso de desescarche, el cual también puede estar relacionado con el tiempo que el espacio refrigerado se encuentra fuera de rango. - En base a la evolución temporal de la tasa NTU, el sistema calefactor del drenaje se energiza únicamente cuando es necesario, aumentando así los ahorros potenciales de energía para el sistema.

En definitiva, el procedimiento comprende la detección del nivel de escarcha en el evaporador mediante un método de cálculo de tasa NTU, el cual permite definir a) el momento de desescarche más adecuado, b) la energización de las resistencias de drenaje y c) la gestión adaptativa del ventilador del evaporador combinando diferentes modos de funcionamiento, comprendiendo un modo sin hielo donde se utiliza únicamente la capacidad frigorífica del refrigerante y distintos modos con hielo donde se aprovecha el calor latente almacenado en el hielo para producir ahorros energéticos, dependiendo del nivel de escarcha en el evaporador; en que, para el cálculo de la tasa NTU utiliza como referencia el evaporador cuando está seco al inicio, y cuando el sistema de refrigeración está en funcionamiento, efectúa el cálculo de la tasa NTU con un modo de gestión del ventilador específico y preciso, llevándose a cabo con una frecuencia no constante, sino variable dependiendo del rendimiento del evaporador o del nivel de hielo en el mismo y su comparación con la citada referencia.

Visto lo que antecede, se constata que el descrito procedimiento de control adaptativo para sistemas de refrigeración representa una innovación de características desconocidas hasta ahora para el fin a que se destina, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de un plano, en que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:

La figura número 1 .- Muestra un diagrama de flujo del procedimiento de control adaptativo para sistemas de refrigeración, objeto de la invención, donde se observan las etapas que comprende. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de la descrita figura 1 y única, y de acuerdo con la numeración adoptada, se puede apreciar cómo el método de control adaptativo para sistemas de refrigeración de la invención contempla las siguientes etapas en el orden que se señala:

- Una primera etapa (1 ) en que se procede a predeterminar el coeficiente fs y predeterminar el tiempo máximo de desescarche (tmax);

- Una segunda etapa (2) en que se procede a descongelar el evaporador;

- Una tercera etapa (3) en que se ejecuta el modo estándar de funcionamiento del ventilador (durante el tiempo preestablecido);

- Una cuarta etapa (4) en que se ejecuta el modo de funcionamiento de medida (durante el tiempo preestablecido);

- Una quinta etapa (5) en que se efectúa el cálculo de la referencia de la tasa NTU con el evaporador seco, sin escarcha;

- Una sexta etapa (6) en que se ejecuta el modo de funcionamiento sin hielo del sistema de refrigeración inicial/después de desescarche, en que utiliza únicamente la capacidad frigorífica del refrigerante;

- Una séptima etapa (7) en que se efectúa el cálculo de la tasa de NTU para obtener el coeficiente fe de nivel de escarcha;

- Una octava etapa (8) en que se efectúa el cálculo de dicho coeficiente fe; con tres posibles opciones de etapa siguiente:

- Una novena etapa (9), en que se ejecuta el modo sin hielo recurrente, es decir, utilizando únicamente la capacidad frigorífica del refrigerante; volviendo luego a la etapa (7) en que, de nuevo, se efectúa el cálculo de la tasa de NTU para obtener el nuevo coeficiente fe de nivel de escarcha.

- Una décima etapa (10) en que se ejecuta el modo de funcionamiento con hielo apropiado dependiendo de dicho coeficiente fe, es decir, se selecciona uno de los distintos modos con hielo, en que se aprovechan el calor latente almacenado en el hielo de la escarcha para producir ahorro energético, volviendo luego a la etapa (7) en que, de nuevo, se efectúa el cálculo de la tasa de NTU para obtener el nuevo coeficiente fe de nivel de escarcha;

- Una undécima etapa (1 1 ) de descongelado del evaporador; y

- Una duodécima etapa (12) de adaptación del coeficiente fs de nivel de escarcha, tras la que se vuelve a la etapa (6) en que se ejecuta el modo de funcionamiento sin hielo del ventilador inicial/después de desescarche.

Cabe señalar que, para llevar a cabo dichas etapas de funcionamiento, el procedimiento de control adaptativo contempla la entrada al sistema de los siguientes parámetros: - Temperatura del evaporador

- Temperatura del espacio refrigerado

- Tiempo real (Real Time Clock)

- Señal de compressor ON/OFF

- Señal de solenoide ON/OFF

- Señal de desescarche ON/OFF

- Máximo tiempo de desescarche permitido

- Coeficiente de activación a desescarche inicial (fs)

- Tiempo de seguridad sin desescarche

- Histéresis ligada a la consigna de temperatura del espacio refrigerado

- Máximo tiempo permitido fuera de consigna

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciéndose constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S

1 . - PROCEDIMIENTO DE CONTROL ADAPTATIVO PARA SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN que, siendo del tipo que gestiona los ventiladores en función del nivel de escarcha en el evaporador, está caracterizado por comprender la detección del nivel de escarcha en el evaporador mediante un método de cálculo de tasa NTU, y la gestión adaptativa del ventilador del evaporador combinando diferentes modos de funcionamiento, comprendiendo un modo sin hielo donde se utiliza únicamente la capacidad frigorífica del refrigerante, y distintos modos con hielo donde se aprovecha el calor latente almacenado en el hielo para producir ahorros energéticos, dependiendo del nivel de escarcha en el evaporador.

2. - PROCEDIMIENTO DE CONTROL ADAPTATIVO PARA SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN, según la reivindicación 1 , caracterizado porque para el cálculo de la tasa NTU se utiliza como referencia el evaporador cuando está seco al inicio, y cuando el sistema de refrigeración está en funcionamiento, el cálculo de la tasa NTU se efectúa utilizando un modo de gestión del ventilador, llevándose a cabo dicho cálculo con una frecuencia no constante y que varía dependiendo del rendimiento del evaporador o del nivel de hielo en el mismo, y su comparación con la citada referencia, obteniéndose un coeficiente del nivel de escarcha en el evaporador fe.

3. - PROCEDIMIENTO DE CONTROL ADAPTATIVO PARA SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN, según la reivindicación 2, caracterizado porque, para decidir modo de funcionamiento y si un proceso de desescarche es necesario en tiempo real, el coeficiente fe se compara respecto a un valor adimensional de rendimiento de referencia fs, el cual a su vez se adapta respecto al tiempo necesario para realizar el desescarche, siendo el primer fs un valor por defecto.

4. - PROCEDIMIENTO DE CONTROL ADAPTATIVO PARA SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN, según la reivindicación 3, caracterizado porque contempla la existencia de un indicador de seguridad para parar el sistema de refrigeración y activar el proceso de desescarche, en el caso que éste sea el motivo de disfunción.

5. - PROCEDIMIENTO DE CONTROL ADAPTATIVO PARA SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN, según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque, gracias a la capacidad de predecir el momento de desescarche en base a la evolución temporal del coeficiente fe, se contempla que el sistema de calentamiento del drenaje del evaporador se conecte únicamente antes del desescarche, mientras se mantiene parado durante los períodos en los que el desescarche no está en funcionamiento o no está previsto a corto plazo.

6.- PROCEDIMIENTO DE CONTROL ADAPTATIVO PARA SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por comprender las siguientes etapas:

- Una segunda etapa (2) en que se procede a descongelar el evaporador;

- Una undécima etapa (1 1 ) de descongelado del evaporador; y