WO2018178485A1 - Procedimiento de regulación de compresores inverter en instalaciones de refrigeración - Google Patents

Procedimiento de regulación de compresores inverter en instalaciones de refrigeración Download PDF

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    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the present invention consists of a procedure for the control, by means of the regulation of the inverter compressor, of a refrigeration unit in a refrigeration unit, both individually, and of the entire system .
  • the improvements affect the management of the efficiency regulation and the operation of the inverter compressor of the refrigeration unit, the management of the production of refrigeration power and the management of defrosts of the refrigeration unit. All this without introducing new elements in the system.
  • the first of these is a cooling system consisting of a central unit from which the entire refrigeration cycle is carried out.
  • These systems have a series of centralized compressors and condensers and of the appropriate size to be able to generate the volume of refrigerators necessary to reach the working conditions in the specified area.
  • the other system consists of having a centralized zone and, in specific places where a certain temperature is required, having the individual refrigeration units that are required.
  • the problem with this model is that the coolant performs the entire circuit, causing losses in the system due to communications junctions.
  • Document ES2538306 refers to an industrial refrigeration system composed of several independent refrigeration units focused on both conservation and freezing, in which each refrigeration unit is installed in a thermally and acoustically insulated furniture, and the refrigeration system comprises The only heat dissipation unit connected by a pipe by means of a water ring from which leads to each of the cooling units, and each of the cooling units and the heat dissipation unit being equipped with individual electronic control equipment.
  • the refrigeration units comprise two compressors, of alternative and never simultaneous operation, to continue cooling even if a compressor breaks down.
  • the individual electronic control units of each of the components are connected to each other and are also connected to a control unit that receives information on the status of all the components of the installation and has the capacity to detect warnings and alarms.
  • Document ES2558026 focuses on managing the energy efficiency of a refrigeration installation as described in document P201331679 above by replacing the compressors of each of the refrigeration units with inverter compressors, eliminating the redundancy of compressors in refrigeration equipment .
  • the background is the possibility of maintaining the redundancy of compressors in their inverter variety as a valid design alternative for situations in which the criticality of the system is valued above efficiency.
  • the present invention goes a step further in managing the efficiency of a refrigeration unit with inverter compressor or of the entire system by programming control management.
  • the present invention describes a method of regulating an inverter compressor of a refrigeration system comprising an expansion valve defined by a evaporation temperature T e , a condensation temperature T c , a compressor speed v c and a compression ratio r c .
  • the procedure comprises the following stages:
  • r c a maximum compression ratio r c defining the relationship between a given evaporation temperature T e and a condensation temperature T c ,
  • the procedure includes the additional stage of:
  • step c) consists in lowering the compressor speed v c to the established minimum. If, in addition, the situation in which the condensation temperature T c of the Compressor is higher than the maximum set condensation temperature T c , the procedure comprises the following additional stage:
  • step c) consists in proceeding to close the expansion valve.
  • step c) consists in proceeding to increase the speed of the compressor v c . up to the minimum established. If, in addition, the situation persists in which the evaporation temperature T e of the compressor is lower than the evaporation temperature T and minimum established, the general procedure includes the following additional step:
  • step c) consists in lowering the compressor speed v c to the established minimum.
  • step c) consists in proceeding to lower the speed of the compressor v c to the set minimum.
  • - Figure 1 represents a refrigeration and hydraulic scheme of a refrigeration unit.
  • - Figure 2 represents a refrigeration and hydraulic scheme of the cooling system.
  • FIG. 3 represents a graph Evaporation temperature - Condensation temperature showing the optimum and non-optimal working areas of a compressor.
  • Figure 4 represents the graph of figure 3 showing the hazardous work areas for a compressor.
  • FIG. 3 represents a graph Evaporation temperature - Condensation temperature showing the optimum and non-optimal working areas of a compressor.
  • FIG. 5 represents a graph Pressure of discharge versus compressor speed and compressor power, which are directly related.
  • FIG. 6 represents a graph of the product temperature as a function of the speed of the compressor.
  • Figure 7 represents the graph of Figure 5 applied to several spaces to be cooled by the same compressor.
  • the system is mainly composed of a water ring (5) connected to a heat sink (6). From the water ring (5) outlets to the heat exchangers (8) of the condensers of the different cooling units (4) that make up the respective cooling equipment of the system, where the water receives heat from the system refrigerant. On the refrigerant side, the refrigeration units (4) are connected to the evaporators (1) through the expansion valves (3).
  • the system can use any of those known in the state of the art such as, for example, HFC, ammonia, propane, or even C02.
  • Figure 1 represents the refrigeration scheme of a refrigeration unit (4) using an inverter compressor (7).
  • the inverter compressors (7) do not stop working as the target setpoint temperatures of the space to be cooled are reached, as with traditional compressors, but a built-in frequency inverter is responsible for decreasing the speed of the compressor ( 7) as the setpoint temperature is reached, so that its operation is focused on maintaining this setpoint temperature by adapting the cooling power delivered as needed at any time.
  • the inverter compressor (7) does not suffer so much and it is not necessary to incorporate a redundant system for the prevention of breakdowns, the system being able to focus on energy efficiency.
  • the refrigerant passes through an oil recuperator (22) which is responsible for collecting part of the oil incorporated in the refrigerant and taking it to a liquid cooling capillary (25) in which it condenses.
  • the refrigerant Before accessing the expansion valve (3), the refrigerant passes through a gas / liquid heat exchanger (20), incorporated in order to provide greater efficiency to the system.
  • a gas / liquid heat exchanger (20) In the refrigerant circuit there is a refrigerant tank (18) so that the circuit is over-supplied and from which refrigerant is absorbed according to the necessary quantities.
  • the compressor (7) raises the pressure and temperature of the refrigerant in the gas phase, sending it to the heat exchanger (8) of the condenser.
  • the refrigerant condenses by giving energy to the water, reducing its sensitive temperature and enthalpy but maintaining the constant pressure.
  • the refrigerant exits in the liquid phase of the heat exchanger (8) of the condenser at a condensing temperature between 35 ° and 50 °, being sent to the evaporator (1) through the expansion valve (3).
  • the liquid refrigerant reduces its pressure until it reaches a certain evaporation temperature that varies depending on the type of product to be refrigerated.
  • the liquid refrigerant evaporates by capturing the energy of the product to be cooled, leaving the evaporator (1) in the gas phase.
  • the recirculation pumps regulate the flow of water they move, necessary for the operation of the system, by means of a frequency inverter commanded well by a differential water pressure probe that keeps constant the pressure difference between the suction and the pump drive or by the modulating output that the control board of the unit has for water flow management.
  • the water passes through a water-air heat exchanger, by means of which the heat captured in the cooling units (4) terminals to the outside air is transferred.
  • the compressor (7) is the element of the system in which most of the energy consumption is carried out. Therefore, its correct management and control will guarantee maximum savings in the consumption of electrical power of the system and, therefore, the highest energy efficiency.
  • One of the limitations that the system is required, in any case, is based on the limitation of the minimum speed of the compressor (7). This is due to the fact that the speed directly influences the correct cooling of the compressor (7), as the circulation of refrigerant is limited. Thus, regardless of the speed of the compressor (7) required by temperature demand, although that demand is very low, the minimum speed of the compressor (7) is limited to a minimum that cannot be exceeded.
  • This lower speed limit of the compressor (7) is given by the working position in the high and low graph, as reflected in figure 3, where the abscissa axis represents the evaporation temperature and the ordinate axis represents the condensing temperature
  • the graph shows an OPTIMAL zone, which is where you want the compressor (7) to be running. There is also a NON-OPTIMAL zone, where the compressor (7) must be prevented from entering work and, if it is, for a limited time.
  • a control that is important to carry out is related to the compressor (7) enter to work outside the OPTIMAL zone indicated in the graph, because it is operating in conditions of unwanted pressure, temperature, speed or consumption due to lack of system performance and exposure to damage that could cause compressor failures ( 7).
  • the position in the graph in which a compressor (7) is working may be due to the demand for conditions for the space to be cooled and be conditioned by water and coolant temperatures, but it may also be due to a failure in the refrigeration unit (4). For this reason, a control is established to determine if this situation is temporary or if, on the contrary, it is durable, due to a failure of the refrigeration unit (4).
  • the graph of figure 4 is considered, in which the areas considered dangerous for the operation of the compressor (7) are more accurately represented, differentiating them to determine the type of corrective action to be carried out. If the compressor (7) comes into operation in any of them.
  • the effect of finding the compressor (7) working in each of the marked areas and the corrective actions to be taken to avoid placing the compressor (7) working in areas where it may be damaged are described below.
  • the graph of figure 4 it should be taken into account that, based on the ideal gas law for a constant volume, as seen above, the relationship between pressure and temperature remains constant. In this way, zones of high or low temperatures imply zones of high or low pressures, respectively.
  • an increase in the speed of the compressor (7) implies an increase in the condensation pressure and a decrease in the evaporation pressure, which implies that the compression ratio also increases.
  • ZONE 1 The condensation temperature and, therefore, the condensation pressure, is very high. To avoid triggering the high pressure alarm, the condensing pressure must be reduced, for which the speed of the compressor (7) is reduced, as it is directly proportional, to the lower limit set.
  • ZONE 2 The condensation temperature and, therefore, the condensation pressure, is very low.
  • the first action is given to close the electronic expansion valve (3) of the refrigeration equipment, in order to create an obstruction that increases the condensing pressure.
  • the limit of this action is established by the routine in the expansion valve (3) conditioned by the maximum reheating value.
  • the expansion valve (3) closes until the maximum superheat value is reached, at which time it opens what is necessary so as not to exceed said maximum value.
  • the speed of the compressor (7) must be increased and, when the condensing pressure increases, reopen the expansion valve (3) so that a certain value of the condensing pressure and, consequently, of the condensing temperature is reached, within the OPTIMAL zone.
  • the expansion valve (3) must be opened, limiting the positive superheat value. In this way, as more volume of refrigerant passes to the evaporator (1), the evaporation pressure increases and, therefore, the evaporation temperature also increases until the compressor (7) enters the OPTIMAL operating area. If these actions do not position the compressor (7) back to the OPTIMAL area in the predetermined time, the compressor (7) must be stopped and an alarm message issued.
  • ZONE 4 The evaporation temperature and, therefore, the evaporation pressure is very high. Therefore, the speed of the compressor (7) must be decreased to increase the evaporation pressure and, therefore, the evaporation temperature until the compressor is brought to the OPTIMAL operating area.
  • the expansion valve (3) must be closed, having as a limit the maximum reheating value, so as to reduce the evaporation pressure and, therefore, the temperature evaporation If these actions do not position the compressor (7) back to the OPTIMAL area in the predetermined time, the compressor (7) must be stopped and an alarm message issued.
  • control functions are carried out by electronic systems known in the state of the art and, therefore, will not be described.
  • the working point at which the compressor (7) is positioned must be compensated between the set temperature or set, preset by the user, and the temperature set by the temperature probe of the refrigeration unit (4), or actual temperature to which said refrigeration unit (4) is located, for which a series of parameters must be established such as the dead zone or temperature range from the setpoint temperature within which the refrigeration unit (4) does not make any action, and the differential, temperature that marks the working point at which the compressor (7) must work at the maximum allowed limit, reaching a speed of operation at 100% of what is allowed.
  • the dead zone is established so that the compressor (7) does not have to be varying the working conditions due to minor temperature variations that do not matter. It is a value that is usually set at 0.5 degrees.
  • the differential is used as the maximum allowable temperature increase in which a rapid decrease in temperature is required. Normally, it is set to 1 degree.
  • the compressor starts at low speed to compensate for the temperature increase suffered. If the temperature continues to rise, the compressor increases in revolutions so that, if the differential is reached, the compressor (7) reaches the maximum operating limit, at 100% of the permissible speed. When the temperature decreases, the revolutions of the compressor (7) decrease. The compressor (7) stops when it reaches the setpoint set. It should be noted that the compressor (7) could also stop if it reaches the minimum limit before having reached the setpoint set, without the circuit shown changing widely.
  • each space to be cooled is carried out with the same criteria described above, each of the parameters defined for the working conditions, that is, set, differential and dead zone, being different in each of the cold services, since, in real operating situations it is the way in which the service will be produced.
  • the variation in the speed of the compressor (7) also influences the opening or closing of said valve (3), as that with it the distribution of the volume of refrigerant moved by the compressor (7) in the different spaces to be cooled is controlled. It should also be considered that, due to the installation of the refrigeration pipe itself, it is necessary to ensure that the refrigerant is distributed correctly. Thus, as the demand for cooling power decreases, the valve (3) must be closed and, as the demand increases, the valve (3) must be opened.
  • the expansion valves (3) are closed. Prior to starting the compressor (7), the expansion valve (3) is positioned open a certain percentage that is programmable in quantity and time, regardless of the work curves and the limitations described.
  • the operation of the expansion valve (3) is always limited by the fact that it is focused on maintaining positive overheating, and by situations focused on compressor protection (7) due to its working situation.
  • the last improvement implemented in the present invention consists in the treatment of defrosts.
  • the defrost programming parameters may be different from one refrigerated space to another.

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Abstract

Procedimiento de regulación de un compresor inverter de un sistema de refrigeración que comprende las siguientes etapas: - establecer una zona de trabajo mediante unos valores límite de temperaturas de evaporación, temperaturas de condensación, velocidades del compresor, relación de compresión máxima y recalentamiento máximo, - medir los valores de trabajo del compresor en cuanto a temperatura de evaporación, temperatura de condensación y relación de compresión, Si el compresor trabaja fuera de la zona de trabajo establecida, el procedimiento comprende la etapa adicional de proceder a modificar los parámetros de trabajo del compresor actuando sobre elementos a seleccionar entrela velocidad del compresor,el grado de apertura de la válvula de expansión y una combinación de las anteriores. Si el compresor no vuelve a la zona de trabajo en un tiempo determinado, se detiene y se activa una alarma.

Description

PROCEDIMIENTO DE REGULACIÓN DE COMPRESORES INVERTER EN
INSTALACIONES DE REFRIGERACIÓN
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención, según lo expresa el enunciado de esta memoria descriptiva, consiste en un procedimiento para el control, mediante la regulación del compresor inverter, de una unidad refrigeradora en un equipo de refrigeración, tanto de forma individual, como de la totalidad del sistema.
Las mejoras afectan a la gestión de la regulación de la eficiencia y el funcionamiento del compresor inverter de la unidad refrigeradora, a la gestión de la producción de potencia frigorífica y a la gestión de los desescarches de la unidad refrigeradora. Todo ello sin introducir nuevos elementos en el sistema.
PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la mayoría de los sistemas de refrigeración industrial existentes, suelen darse dos casos que dividen la tecnología actual.
El primero de ellos es un sistema de refrigeración consistente en una unidad central desde la que se realiza todo el ciclo de refrigeración. Estos sistemas disponen de una serie de compresores y condensadores centralizados y del tamaño adecuado para poder generar el volumen de frigorías necesario para alcanzar las condiciones de trabajo en el área especificada.
El otro sistema consiste en disponer de una zona centralizada y, en los lugares puntuales en los que se requiere una temperatura determinada, disponer de las unidades refrigeradoras individuales que se precisen. El problema que presenta este modelo es que el líquido refrigerante realiza todo el circuito, provocando pérdidas en el sistema debido a uniones en las comunicaciones.
En ambos sistemas, el problema proviene del calor generador en los condensadores, que calientan la misma zona que se pretende refrigerar. El documento ES2538306 se refiere a un sistema de refrigeración industrial compuesto por varias unidades refrigeradoras independientes enfocadas tanto a la conservación como a la congelación, en el que cada unidad refrigeradora va instalada en un mueble aislado térmica y acústicamente, y el sistema de refrigeración comprende una única unidad de disipación de calor conectada por una tubería mediante anillo de agua del que salen derivaciones a cada una de las unidades refrigeradoras, y estando cada una de las unidades refrigeradoras y la unidad de disipación de calor dotados de equipos electrónicos de control individuales. Las unidades refrigeradoras comprenden dos compresores, de funcionamiento alternativo y nunca simultáneo, para continuar refrigerando aunque un compresor se averie.
Los equipos electrónicos de control individuales de cada uno de los componentes están conectados entre ellos y están conectados también a una centralita que recibe información del estado de todos los componentes de la instalación y tiene capacidad para detectar avisos y alarmas.
En esta invención, se ha considerado la funcionalidad como principal factor a tener en cuenta, considerando la eficiencia energética en un segundo plano.
El documento ES2558026 se enfoca en gestionar la eficiencia energética de una instalación de refrigeración como la descrita en el documento P201331679 anterior mediante la sustitución de los compresores de cada una de las unidades refrigeradoras por compresores inverter, eliminando la redundancia de compresores en los equipos de refrigeración. En un segundo plano queda la posibilidad de mantener la redundancia de compresores en su variedad inverter como alternativa de diseño válida para situaciones en las que la criticidad del sistema se valora por encima de la eficiencia.
La presente invención va un paso más allá en la gestión de la eficiencia de una unidad refrigeradora con compresor inverter o de todo el sistema mediante la programación de la gestión de control.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe un procedimiento de regulación de un compresor inverter de un sistema de refrigeración que comprende una válvula de expansión definido por una temperatura de evaporación Te, una temperatura de condensación Tc, una velocidad del compresor vc y una relación de compresión rc.
El procedimiento comprende las siguientes etapas:
a) establecer una zona de trabajo mediante unos valores predeterminados de:
unas temperaturas de evaporación Te mínima y máxima,
unas temperaturas de condensación Tc mínima y máxima, unas velocidad del compresor vc mínima y máxima,
una relación de compresión rc máxima que define la relación entre una temperatura de evaporación Te y una temperatura de condensación Tc determinadas,
un valor de recalentamiento máximo,
b) medir los valores de trabajo del compresor en cuanto a:
la temperatura de evaporación Te,
la temperatura de condensación Tc, y
la relación de compresión rc,
donde,
si el compresor se encuentra trabajando en valores fuera de la zona de trabajo establecida, el procedimiento comprende la etapa adicional de:
c) proceder a modificar los parámetros de trabajo del compresor actuando sobre elementos a seleccionar entre:
la velocidad del compresor vc,
el grado de apertura de la válvula de expansión,
una combinación de las anteriores,
de forma que, si el compresor no vuelve a estar trabajando en valores dentro de la zona de trabajo establecida en un tiempo determinado, el compresor se detiene y se activa una alarma.
Considerando este el procedimiento general, puede haber una serie de variaciones y de alternativas, según se indica a continuación.
En el caso en que la temperatura de condensación Tc de trabajo del compresor es superior a la temperatura de condensación Tc máxima establecida, la etapa c) consiste en proceder a bajar la velocidad del compresor vc hasta el mínimo establecido. Si además, persiste la situación en la que la temperatura de condensación Tc de trabajo del compresor es superior a la temperatura de condensación Tc máxima establecida, el procedimiento comprende la siguiente etapa adicional:
d) abrir la válvula de expansión hasta alcanzar el valor de recalentamiento máximo predeterminado.
Alternativamente, si la temperatura de condensación Tc de trabajo del compresor es inferior a la temperatura de condensación Tc mínima establecida, la etapa c) consiste en proceder a cerrar la válvula de expansión. Alternativamente, si la temperatura de evaporación Te de trabajo del compresor es inferior a la temperatura de evaporación Te mínima establecida, la etapa c) consiste en proceder a aumentar la velocidad del compresor vc. hasta el mínimo establecido. Si además, persiste la situación en la que la temperatura de evaporación Te de trabajo del compresor es inferior a la temperatura de evaporación Te mínima establecida, el procedimiento general comprende la siguiente etapa adicional:
d) abrir la válvula de expansión hasta alcanzar el valor de recalentamiento máximo predeterminado.
Alternativamente, si la temperatura de evaporación Te de trabajo del compresor es superior a la temperatura de evaporación Te máxima establecida, la etapa c) consiste en proceder a bajar la velocidad del compresor vc hasta el mínimo establecido.
Alternativamente, si la relación de compresión rc de trabajo del compresor es inferior a la relación de compresión rc mínima establecida, la etapa c) consiste en proceder a bajar la velocidad del compresor vc hasta el mínimo establecido.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para completar la invención que se está describiendo y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización de la misma, se acompaña un conjunto de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado las siguientes figuras:
- La figura 1 representa un esquema frigorífico e hidráulico de una unidad refrigeradora. - La figura 2 representa un esquema frigorífico e hidráulico del sistema de refrigeración.
- La figura 3 representa un gráfico Temperatura de evaporación - Temperatura de condensación mostrando las zonas óptima y no óptima de trabajo de un compresor.
- La figura 4 representa el gráfico de la figura 3 mostrando las zonas peligrosas de trabajo para un compresor.
- La figura 3 representa un gráfico Temperatura de evaporación - Temperatura de condensación mostrando las zonas óptima y no óptima de trabajo de un compresor.
- La figura 5 representa un gráfico Presión de descarga frente a la velocidad del compresor y la potencia del compresor, que están directamente relacionadas.
- La figura 6 representa un gráfico de la temperatura del producto en función de la velocidad del compresor.
- La figura 7 representa el gráfico de la figura 5 aplicado a varios espacios a refrigerar por un mismo compresor.
A continuación se facilita un listado de las referencias empleadas en las figuras:
1. Evaporador.
2. Ventilador.
3. Válvula de expansión.
4. Unidad refrigeradora.
5. Anillo de agua.
6. Disipador.
7. Compresor.
8. Intercambiador de calor.
15. Válvulas de presión.
16. Sonda presión aspiración.
17. Sonda temperatura aspiración.
18. Depósito de refrigerante.
19. Sonda temperatura líquido.
20. Intercambiador de calor gas/líquido.
21. Sondas temperatura agua.
22. Recuperador de aceite.
23. Sonda presión de descarga. 24. Sonda temperatura de descarga
25. Capilar enfriador de líquido.
26. Recipiente de aspiración. DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
En una forma de realización preferida, según se representa en la figura 2, el sistema está compuesto principalmente por un anillo de agua (5) conectado a un disipador de calor (6). Del anillo de agua (5) salen derivaciones a los intercambiadores de calor (8) de los condensadores de las diferentes unidades refrigeradoras (4) que componen los respectivos equipos de refrigeración del sistema, donde el agua recibe el calor del refrigerante del sistema. Por el lado del refrigerante, las unidades refrigeradoras (4) están conectadas a los evaporadores (1) a través de las válvulas de expansión (3).
Como refrigerante, el sistema puede utilizar cualquiera de los conocidos en el estado de la técnica como, por ejemplo, HFC, amoniaco, propano, o incluso C02.
En la figura 2 se puede ver como el agua, procedente del anillo cerrado (5), entra y sale del intercambiador de calor (8) de cada una de las unidades refrigeradoras (4) controlado por sendas sondas de temperatura de agua (21), según se representa en la figura 1.
La figura 1 representa el esquema frigorífico de una unidad refrigeradora (4) empleando un compresor inverter (7). Los compresores inverter (7) no dejan de funcionar a medida que se alcanzan las temperaturas de consigna objetivo del espacio a refrigerar, como ocurre con los compresores tradicionales, sino que un variador de frecuencia que incorporan se encarga de ir disminuyendo la velocidad del compresor (7) a medida que se va alcanzando la temperatura de consigna, de forma que su funcionamiento se enfoca en el mantenimiento de esta temperatura de consigna adaptando la potencia de refrigeración entregada según se necesite en cada momento. Al no existir arranques y paradas, el compresor inverter (7) no sufre tanto y no es necesaria la incorporación de un sistema redundante para la prevención de averías, pudiendo el sistema enfocarse en la eficiencia energética.
Se debe aclarar que, por razones de simplicidad, a lo largo de la memoria descriptiva, al hacer referencia a un compresor, se debe entender que es un compresor inverter (7). De esta forma, se puede ver en esta figura como el refrigerante, procedente del evaporador (1) y tras pasar por una sonda de aspiración de presión (16) y por otra de temperatura (17), llega al intercambiador de calor gas/líquido (20) para dirigirse al compresor (7) y continuar para entrar en el intercambiador de calor (8). Al igual que al salir del evaporador (1), a la salida del compresor (7) el refrigerante pasa por una sonda de descarga de presión (23) y por otra sonda de temperatura (24).
A la salida del compresor (7) el refrigerante atraviesa un recuperador de aceite (22) que se encarga de recoger parte del aceite incorporado en el refrigerante y llevarlo a un capilar enfriador de líquido (25) en el que se condensa.
Posteriormente el refrigerante sale del intercambiador de calor (8) tras haber cedido el calor al agua del anillo (5) para dirigirse a la válvula de expansión (3) y al evaporador (1), ambos ya representados en la figura 2.
Antes de acceder a la válvula de expansión (3), el refrigerante atraviesa un intercambiador de calor gas/líquido (20), incorporado con el objetivo de aportar una mayor eficiencia al sistema. En el circuito del refrigerante existe un depósito de refrigerante (18) de forma que el circuito esté sobreabastecido y del que se absorbe refrigerante según las cantidades necesarias.
Haciendo referencia al funcionamiento del circuito, se puede ver que es de la forma que se indica a continuación.
Cuando se realiza el arranque, el compresor (7) eleva la presión y la temperatura del refrigerante en fase gaseosa, enviándolo al intercambiador de calor (8) del condensador. En el intercambiador de calor (8), el refrigerante se condensa cediendo energía al agua, reduciendo su temperatura sensible y entalpia pero manteniendo la presión constante.
El refrigerante sale en fase liquida del intercambiador de calor (8) del condensador a temperatura de condensación situada entre 35° y 50°, enviándose al evaporador (1) a través de la válvula de expansión (3). En el proceso de expansión, el refrigerante líquido reduce su presión hasta alcanzar una temperatura de evaporación determinada que es variable en función del tipo de producto a refrigerar.
En el evaporador (1), el refrigerante líquido se evapora mediante la captación de la energía del producto a refrigerar, saliendo del evaporador (1) en fase gaseosa.
Cuando el refrigerante en fase gaseosa sale del evaporador (1), vuelve a la aspiración del compresor (7) para repetir el proceso.
Este proceso se repite hasta que la temperatura del producto a refrigerar desciende hasta el punto de consigna deseado. Como mejora de la eficiencia energética, se produce una transferencia de energía en un intercambiador de calor gas/líquido (20) entre el refrigerante en fase líquida a la salida del intercambiador de calor (8) del condensador y el refrigerante en fase gaseosa cuando vuelve del evaporador (1) a la unidad refrigeradora (4) hacia el compresor (7). El calor disipado en el intercambiador de calor (8) del condensador, proveniente de los productos, es cedido a un volumen de agua que se mantiene en recirculación en un sistema en anillo cerrado (5) por medio de bombas de recirculación de agua que se encuentran ubicadas en el disipador de calor (6). El sistema va recogiendo toda el agua de las distintas unidades refrigeradoras (4) que se encuentran en marcha, enviándola al anillo de agua (5) por medio de unas bombas de recirculación de agua hasta llegar al disipador de calor (6).
Las bombas de recirculación regulan el caudal de agua que mueven, necesario para el funcionamiento del sistema, mediante un variador de frecuencia comandado bien por una sonda de presión diferencial de agua que mantiene constante la diferencia de presión entre la aspiración y la impulsión de la bomba o por la salida modulante que la placa de control de la unidad dispone para la gestión del caudal de agua. En el disipador de calor (6), el agua pasa por un intercambiador de calor agua-aire, mediante el que se cede el calor captado en las unidades refrigeradoras (4) terminales al aire exterior.
Una vez detallado el funcionamiento y la configuración de un sistema de refrigeración con compresor (7), a continuación se detallan las mejoras introducidas en el sistema.
El compresor (7) es el elemento del sistema en el que se realiza la mayor parte del consumo energético. Por lo tanto, su correcta gestión y control garantizarán el máximo ahorro en el consumo de potencia eléctrica del sistema y, por lo tanto, la mayor eficiencia energética.
Mediante la utilización de los compresores (7), según se ha comentado, el consumo se regula directamente mediante variadores de frecuencia, que controlan la velocidad del compresor (7) en función de la demanda.
Sin embargo, no solo se trata de alcanzar la temperatura de consigna del espacio a refrigerar, sino que además se debe de proteger ante un funcionamiento fuera de rango que pueda dañar al compresor (7). Por esta razón, no solo se debe mejorar el ajuste del compresor (7) en función de la demanda, sino que también se debe asegurar que el funcionamiento se mantiene dentro del rango adecuado, compaginando ambas funciones.
Una de las limitaciones que se le requiere al sistema, en cualquier caso, está basada en la limitación de la velocidad mínima del compresor (7). Esto es debido a que la velocidad influye directamente en una correcta refrigeración del compresor (7), al quedar limitada la circulación de refrigerante. De esta forma, independientemente de la velocidad del compresor (7) requerida por demanda de temperatura, aunque esa demanda sea muy baja, la velocidad mínima del compresor (7) está limitada a un mínimo que no se puede sobrepasar.
Este límite inferior de velocidad del compresor (7) viene dado por la posición de trabajo en el gráfico de alta y baja, según se refleja en la figura 3, donde el eje de abscisas representa la temperatura de evaporación y el eje de ordenadas representa la temperatura de condensación. En el gráfico se muestra una zona ÓPTIMA, que es donde se desea que el compresor (7) se encuentre funcionando. Existe también una zona NO ÓPTIMA, donde se debe evitar que el compresor (7) entre a trabajar y que, en caso de hacerlo, sea por un tiempo limitado.
Por último, existe en el gráfico una zona recortada, donde el compresor (7) no trabaja. Para comprender esta zona del gráfico, hay que tener en cuenta, en primer lugar, la ley de los gases ideales, aplicada a un volumen constante junto con la definición de la relación de compresión, es decir:
(P x V) P
= cte → — = cte
T T
_ P (alta) _ P (condensación) _ T (evaporación)
Tcomp— p ^baja^ — p (evaporación) → Γ∞ΓηΡ ~ τ (condensación)
De esta forma, en el gráfico se puede observar que, al aumentar la relación de compresión, el límite inferior de la presión de baja o, lo que es lo mismo, de la temperatura de condensación, se limita al alza.
Esta limitación se debe a que elevados factores de compresión implican un mayor calentamiento del compresor (7), que puede causar daños al compresor (7) y reducir su vida útil, por lo que intentan evitarse.
Además, hay que tener en cuenta que podría darse la situación de tener al compresor (7) trabajando a factores de compresión elevados y, además, a una velocidad de rotación baja, al encontrarse el espacio a refrigerar a una temperatura cercana a la de consigna, lo que redundaría en daños al compresor (7) debido al sobrecalentamiento por la alta relación de compresión, por un lado, y a la falta de refrigeración, debido a la falta de circulación del refrigerante, por otro.
Para evitar este sobrecalentamiento, es fundamental aumentar el volumen de refrigerante en circulación, ya que esta es la única forma de refrigerar el compresor (7) y, sobre todo, no permitir que pueda sobrepasar unos niveles mínimos.
Un control que es importante llevar a cabo está relacionado con que el compresor (7) entre a trabajar fuera de la zona ÓPTIMA indicada en el gráfico, debido a que está funcionando en condiciones de presión, temperatura, velocidad o consumo no deseadas por la falta de rendimiento del sistema y la exposición a daños que pudieran provocar fallos en el compresor (7).
Hay que tener en cuenta que los valores de las temperaturas de condensación y evaporación que delimitan las zonas del gráfico marcadas como ÓPTIMA y NO ÓPTIMA dependen del modelo de compresor (7) en particular y viene especificada por el fabricante.
En cualquier caso, la posición en el gráfico en la que se encuentra trabajando un compresor (7) puede ser debida a la demanda de condiciones por el espacio a refrigerar y verse condicionada por las temperaturas de agua y refrigerante, pero también puede ser debido a un fallo en la unidad refrigeradora (4). Por este motivo, se establece un control para determinar si esta situación es temporal o si, por el contrario, es duradera, debida a un fallo de la unidad refrigeradora (4).
De esta forma, si el funcionamiento del compresor (7) se posiciona en un área no deseada, se establece un rango de tiempo durante el cual se realizarán acciones encaminadas a posicionar el compresor (7) en el área ÓPTIMA.
En el caso de que transcurra un tiempo predeterminado, durante el cual la unidad ha intentado volver a su área ÓPTIMA de funcionamiento y no ha conseguido salir del área no deseada, el sistema considerara que la unidad refrigeradora (4) está sufriendo un funcionamiento anómalo, parará y emitirá un aviso de alarma.
De esta forma, en función de la posición en la que se encuentre trabajando el compresor (7), en cuanto a desvío de la zona ÓPTIMA de trabajo, se toman unas acciones correctoras determinadas.
Basados en el gráfico de la figura 3, se considera el gráfico de la figura 4, en el que se representan con más precisión las zonas consideradas peligrosas para el funcionamiento del compresor (7), diferenciándolas para determinar el tipo de acción correctora a llevar a cabo en caso de que el compresor (7) entre a funcionar en alguna de ellas. Así, se describen a continuación el efecto de encontrarse el compresor (7) trabajando en cada una de las zonas marcadas y las acciones correctoras a tomar para evitar situar al compresor (7) trabajando en zonas en las que pueda sufrir daños. En el gráfico de la figura 4 hay que tener en cuenta que, basado en la ley de los gases ideales para un volumen constante, según se ha visto anteriormente, la relación entre presión y temperatura se mantiene constante. De esta forma, zonas de temperaturas altas o bajas implican zonas de presiones altas o bajas, respectivamente. También hay que recordar que un aumento de la velocidad del compresor (7) implica un aumento de la presión de condensación y una disminución de la presión de evaporación, lo que implica que la relación de compresión aumenta también.
ZONA 1 : La temperatura de condensación y, por lo tanto, la presión de condensación, es muy elevada. Para evitar que se dispare la alarma de alta presión, la presión de condensación se debe reducir, para lo cual se reduce la velocidad del compresor (7), por ser directamente proporcional, hasta el límite inferior establecido.
Si se llega a este límite inferior de velocidad mínima y el compresor (7) sigue sin salir de la zona 1 , se da orden de abrir la válvula de expansión (3) electrónica del equipo de refrigeración para intentar disminuir la presión de alta y que el compresor se posicione en la zona ÓPTIMA. La apertura de esta válvula (3) está limitada por el valor de recalentamiento, asegurando siempre un valor positivo para que no se cree retorno de líquido refrigerante al compresor (7). El recalentamiento es la diferencia entre la temperatura a la salida del evaporador y la temperatura de evaporación a la entrada del evaporador. Se puede considerar como el exceso desde la temperatura de evaporación, lo que da un margen para que el vapor no se vuelva a transformar en líquido.
Si estas acciones no posicionan al compresor (7) de vuelta al área ÓPTIMA en el tiempo predeterminado, se debe parar el compresor (7) y emitir un mensaje de alarma.
ZONA 2: La temperatura de condensación y, por lo tanto, la presión de condensación, es muy baja. Para evitar que se dispare la alarma de baja presión, como primera acción se da orden de cerrar la válvula de expansión (3) electrónica del equipo de refrigeración, con objeto de crear una obstrucción que aumente la presión de condensación. El límite de esta acción se establece por la rutina existente en la válvula de expansión (3) condicionado por el valor máximo de recalentamiento.
El funcionamiento de esta rutina es según se describe a continuación. Al cerrar la válvula de expansión (3), pasa menos refrigerante por el evaporador (1), por lo que aumenta el valor de recalentamiento.
La válvula de expansión (3) cierra hasta que se alcanza el valor de máximo recalentamiento, momento en el cual abre lo necesario para no sobrepasar dicho valor máximo.
Esto es necesario de controlar ya que mantener valores de recalentamiento superiores al valor máximo de recalentamiento puede implicar un calentamiento excesivo del compresor, dado que el compresor (7) se refrigera por el propio refrigerante que lo atraviesa.
Si, tras cerrar la válvula de expansión (3), no se consigue aumentar la presión de condensación en un periodo de tiempo determinado, se debe aumentar la velocidad del compresor (7) y, al aumentar la presión de condensación, volver a abrir la válvula de expansión (3) de forma que se alcance un valor determinado de la presión de condensación y, por consiguiente, de la temperatura de condensación, dentro de la zona ÓPTIMA.
Si estas acciones no posicionan al compresor (7) de vuelta al área ÓPTIMA en el tiempo predeterminado, se debe parar el compresor (7) y emitir un mensaje de alarma.
ZONA 3: La temperatura de evaporación y, por lo tanto, la presión de evaporación, es muy baja. Por ello, se debe aumentar la velocidad del compresor (7) hasta el límite superior establecido para disminuir la presión de evaporación y, por lo tanto, la temperatura de evaporación.
Si con esta acción no se consigue elevar la temperatura de evaporación, se debe abrir la válvula de expansión (3), teniendo como limite el valor positivo de recalentamiento. De esta forma, al pasar más volumen de refrigerante al evaporador (1), aumenta la presión de evaporación y, por lo tanto, aumenta también la temperatura de evaporación hasta entrar el compresor (7) en el área ÓPTIMA de funcionamiento. Si estas acciones no posicionan al compresor (7) de vuelta al área ÓPTIMA en el tiempo predeterminado, se debe parar el compresor (7) y emitir un mensaje de alarma. ZONA 4: La temperatura de evaporación y, por lo tanto, la presión de evaporación, es muy elevada. Por ello, se debe disminuir la velocidad del compresor (7) para aumentar la presión de evaporación y, por lo tanto, la temperatura de evaporación hasta llevar al compresor al área ÓPTIMA de funcionamiento. Si con esta acción no se consigue llevar al compresor al área ÓPTIMA, se debe cerrar la válvula de expansión (3), teniendo como limite el valor máximo de recalentamiento, de forma que disminuya la presión de evaporación y, por lo tanto, la temperatura de evaporación. Si estas acciones no posicionan al compresor (7) de vuelta al área ÓPTIMA en el tiempo predeterminado, se debe parar el compresor (7) y emitir un mensaje de alarma.
ZONA 5: La relación de comprensión es muy baja. Por ello, se debe aumentar la velocidad del compresor (7), de forma que la relación de comprensión aumente. De esta forma, la temperatura de evaporación disminuye y la temperatura de condensación aumenta.
Si esta acción no posiciona al compresor (7) de vuelta al área ÓPTIMA en el tiempo predeterminado, se debe parar el compresor (7) y emitir un mensaje de alarma.
Las funciones de control se llevan a cabo mediante sistemas electrónicos de los conocidos en el estado de la técnica y que, por ello, no se van a describir.
Estableciendo las anteriores rutinas de seguridad, que se activan en caso de que el compresor (7) entre en cualquiera de las zonas peligrosas de funcionamiento 1 a 5 descritas, con los limites de funcionamiento impuestos por el propio funcionamiento del compresor (7) y, a partir de los datos de demanda de potencia frigorífica, los equipos de refrigeración se configuran para trabajar en un punto ubicado en la zona ÓPTIMA del gráfico mostrado en la figura 4, basándose en que la demanda real de potencia frigorífica es directamente proporcional a la velocidad del compresor (7) y, por tanto, a la potencia del compresor (7) según se refleja en la figura 5 donde, en el eje de abscisas, se refleja la potencia demandada PD y, en el de ordenadas, la potencia del compresor Pc y la velocidad del compresor Vc. De esta forma, en el sistema de control se establece un parámetro programable con el dato de la demanda de potencia frigorífica, aumentada mediante un factor de ajuste para tener en cuenta las perdidas del sistema, especialmente debidas a ensuciamiento y envejecimiento del sistema. Se debe tener en cuenta que la limitación en la velocidad del compresor (7) no se considera cuando el compresor (7) entra a trabajar fuera de la zona ÓPTIMA de funcionamiento establecida en la figura 4, de forma que no se discrimine ninguna de las herramientas posibles para volver a la zona ÓPTIMA de trabajo en el menor tiempo posible.
El punto de trabajo en el que se posiciona el compresor (7) debe estar compensado entre la temperatura o set de consigna, preestablecida por el usuario, y la temperatura marcada por la sonda de temperatura de la unidad refrigeradora (4), o temperatura real a la que se encuentra dicha unidad refrigeradora (4), para lo que se deben establecer una serie de parámetros como son la zona muerta o rango de temperatura a partir de la temperatura de consigna dentro del cual la unidad refrigeradora (4) no hace ninguna acción, y el diferencial, temperatura que marca el punto de trabajo en el que el compresor (7) debe trabajar en el límite máximo permitido, alcanzando un régimen de velocidad de funcionamiento al 100% de lo permitido. La zona muerta se establece para que el compresor (7) no tenga que estar variando las condiciones de trabajo por pequeñas variaciones de temperatura que no tienen importancia. Es un valor que se suele establecer en 0,5 grados. El diferencial se utiliza como el incremento máximo de temperatura admisible en el que se necesita una disminución rápida de la temperatura. Normalmente, se establece en 1 grado.
En una curva de funcionamiento del compresor (7), además, se tiene en cuenta el límite mínimo de funcionamiento del compresor (7), ya establecido según se ha comentado anteriormente. Este es el régimen por debajo del cual el compresor (7) comienza a sufrir y no debe traspasarse. Esta situación está representada en la figura 6.
Cuando la temperatura del producto aumenta por encima del valor set de consigna incrementado en el valor de la zona muerta, arranca el compresor en bajo régimen de revoluciones para compensar el aumento de temperatura sufrido. Si la temperatura continúa aumentando, el compresor va aumentando de revoluciones de forma que, si se llega al diferencial, el compresor (7) llega al límite máximo de funcionamiento, al 100% del régimen admisible. Cuando disminuye la temperatura, disminuyen las revoluciones del compresor (7). El compresor (7) se detiene al llegar a alcanzar el set de consigna. Debe notarse que el compresor (7) también podría detenerse si llega al límite mínimo antes de haber llegado al set de consigna, sin que el circuito mostrado variase mucho.
Además, se consideran no solo las aceleraciones, positivas y negativas, del compresor (7), sino también la velocidad con la que se producen, es decir, las sobreaceleraciones.
Debe tenerse en cuenta que la situación que se ha descrito es válida para un equipo de refrigeración que esté enfocado en refrigerar un único espacio y también para varios espacios pudiendo, en este último caso, estar enfocada en la variación de la velocidad del compresor (7) o de la apertura y cierre de la válvula de expansión (3) electrónica.
Haciendo referencia a la velocidad del compresor (7), en la figura 7 se ha representado esta situación, basada en la figura 5, donde puede verse que la potencia frigorífica demandada está limitada por la suma de las diferentes potencias frigoríficas demandadas por cada uno de los espacios a refrigerar, de forma que la potencia total demandada al compresor (7) en cada instante es la suma de las potencias instantáneas demandadas en cada uno de los espacios a refrigerar conectados a la unidad refrigeradora (4).
La demanda de potencia frigorífica de cada espacio a refrigerar se realiza con los mismos criterios descritos más arriba, pudiendo ser cada uno de los parámetros definidos para las condiciones de trabajo, es decir, set, diferencial y zona muerta, distintos en cada uno de los servicios de frío, ya que, en situaciones reales de funcionamiento es la forma en la que se producirá el servicio.
Haciendo referencia a la válvula de expansión (3) electrónica, la variación de la velocidad del compresor (7) influye también en la apertura o cierre de dicha válvula (3), en cuanto que con ella se controla la distribución del volumen de refrigerante movido por el compresor (7) en los diferentes espacios a refrigerar. También hay que considerar que, por la propia instalación de tubería frigorífica, es necesario asegurar que el refrigerante se distribuye de forma correcta. Así, según la demanda de potencia frigorífica disminuya se debe cerrar la válvula (3) y, según la demanda aumente, la válvula (3) se debe abrir.
Con el compresor (7) parado, las válvulas de expansión (3) se encuentran cerradas. Previamente al arranque del compresor (7), la válvula de expansión (3) se posiciona abierta un porcentaje determinado que es programable en cantidad y en tiempo, independientemente de las curvas de trabajo y de las limitaciones descritas.
La operativa de la válvula de expansión (3) se encuentra limitada siempre por el hecho de estar enfocada en mantener el recalentamiento positivo, y por las situaciones enfocadas a la protección de compresor (7) debido a su situación de trabajo.
La última mejora implementada en la presente invención consiste en el tratamiento de los desescarches.
Los parámetros de programación de desescarches pueden ser diferentes de un espacio refrigerado a otro.
Para evitar funcionamientos anómalos, cuando uno de los servicios se encuentra en realización de desescarche siempre se encontrará la válvula de expansión (3) cerrada. La presente invención no debe verse limitada a la forma de realización aquí descrita. Otras configuraciones pueden ser realizadas por los expertos en la materia a la vista de la presente descripción. En consecuencia, el ámbito de la invención queda definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de regulación de un compresor inverter (7) de un sistema de refrigeración que comprende una válvula de expansión (3) definido por una temperatura de evaporación Te, una temperatura de condensación Tc, una velocidad del compresor (7) vc y una relación de compresión rc, caracterizado por que comprende las siguientes etapas:
a) establecer una zona de trabajo mediante unos valores predeterminados de:
unas temperaturas de evaporación Te mínima y máxima,
- unas temperaturas de condensación Tc mínima y máxima,
unas velocidad del compresor (7) vc mínima y máxima, y
una relación de compresión rc máxima que define la relación entre una temperatura de evaporación Te y una temperatura de condensación Tc determinadas,
- un valor de recalentamiento máximo,
b) medir los valores de trabajo del compresor (7) en cuanto a:
la temperatura de evaporación Te,
la temperatura de condensación Tc, y
la relación de compresión rc,
donde,
si el compresor (7) se encuentra trabajando en valores fuera de la zona de trabajo establecida, el procedimiento comprende la etapa adicional de:
c) proceder a modificar los parámetros de trabajo del compresor (7) actuando sobre elementos a seleccionar entre:
- la velocidad del compresor (7) vc,
el grado de apertura de la válvula de expansión (3), y
una combinación de las anteriores.
de forma que,
si el compresor (7) no vuelve a estar trabajando en valores dentro de la zona de trabajo establecida en un tiempo determinado, el compresor (7) se detiene y se activa una alarma.
2. Procedimiento de regulación de un compresor inverter (7) de un sistema de refrigeración, según la reivindicación 1 , caracterizado por que si la temperatura de condensación Tc de trabajo del compresor (7) es superior a la temperatura de condensación Tc máxima establecida, la etapa c) consiste en proceder a bajar la velocidad del compresor (7) vc hasta el mínimo establecido.
3. Procedimiento de regulación de un compresor inverter (7) de un sistema de refrigeración, según la reivindicación 2, caracterizado por que si la temperatura de condensación Tc de trabajo del compresor (7) es superior a la temperatura de condensación Tc máxima establecida, la reivindicación 1 comprende la siguiente etapa adicional:
d) abrir la válvula de expansión (3) hasta alcanzar el valor de recalentamiento máximo predeterminado.
4. Procedimiento de regulación de un compresor inverter (7) de un sistema de refrigeración, según la reivindicación 1 , caracterizado por que si la temperatura de condensación Tc de trabajo del compresor (7) es inferior a la temperatura de condensación Tc mínima establecida, la etapa c) consiste en proceder a cerrar la válvula de expansión (3).
5. Procedimiento de regulación de un compresor inverter (7) de un sistema de refrigeración, según la reivindicación 1 , caracterizado por que si la temperatura de evaporación Te de trabajo del compresor (7) es inferior a la temperatura de evaporación Te mínima establecida, la etapa c) consiste en proceder a aumentar la velocidad del compresor vc. hasta el mínimo establecido.
6. Procedimiento de regulación de un compresor inverter (7) de un sistema de refrigeración, según la reivindicación 5, caracterizado por que si la temperatura de evaporación Te de trabajo del compresor (7) es inferior a la temperatura de evaporación Te mínima establecida, la reivindicación 1 comprende la siguiente etapa adicional:
d) abrir la válvula de expansión (3) hasta alcanzar el valor de recalentamiento máximo predeterminado.
7. Procedimiento de regulación de un compresor inverter (7) de un sistema de refrigeración, según la reivindicación 1 , caracterizado por que si la temperatura de evaporación Te de trabajo del compresor (7) es superior a la temperatura de evaporación Te máxima establecida, la etapa c) consiste en proceder a bajar la velocidad del compresor vc hasta el mínimo establecido.
8. Procedimiento de regulación de un compresor inverter (7) de un sistema de refrigeración, según la reivindicación 1 , caracterizado por que si la relación de compresión rc de trabajo del compresor (7) es inferior a la relación de compresión rc mínima establecida, la etapa c) consiste en proceder a subir la velocidad del compresor vc hasta el máximo establecido.
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