Control adaptable para un sistema de refrigeración que usa un compresor de espiral de ciclo de trabajo modulado en anchura de pulso.

Sistema de refrigeración que comprende, una caja de refrigeración (34);

un evaporador (42) dispuesto en dicha caja (34);

un condensador (32) y compresor (30) emparejados en comunicación de fluidos con dicho evaporador (42);

estando dicho condensador (32) dispuesto en dicha caja y provisto de unos medios (50) para transferir calor (H) al ambiente;

siendo dicho compresor un compresor de capacidad variable modulado en anchura de pulso;

un sensor de temperatura (58) dispuesto en dicha caja y configurado para detectar una temperatura real dentro de dicha caja de refrigeración (34); y

un controlador (52) que reacciona ante dicho sensor de temperatura (58) y está acoplado a dicho compresor (30) para proporcionar una señal de control de ciclo de trabajo variable al dicho compresor (30), mediante la cual se modula dicho compresor (30) entre un primer y un segundo estados de capacidad mientras está en funcionamiento para ajustar de ese modo la capacidad de funcionamiento del sistema de refrigeración a su carga térmica, estando dicho controlador (52) configurado para detectar un estado de baja carga de refrigerante mediante la observación del cambio en el error entre dicha temperatura real y un valor de consigna de temperatura al modular el ciclo de trabajo del sistema.

Control adaptable para un sistema de refrigeración que usa un compresor de espiral de ciclo de trabajo modulado en anchura de pulso.

La presente invención se refiere, en general, a sistemas de refrigeración. Más particularmente, la invención se refiere a un sistema de refrigeración que emplea un compresor modulado en anchura de pulso controlado por una señal con ciclo de trabajo variable obtenida a partir de un sensor de carga. Preferentemente, un controlador adaptable genera la señal de ciclo de trabajo variable. El compresor posee dos elementos mecánicos separados por un elemento de estanqueidad, y estos elementos mecánicos se pueden mover cíclicamente el uno con respecto al otro para crear una presión en el fluido. El compresor incluye un mecanismo para romper el elemento de estanqueidad como respuesta a la señal de control, y de esta manera modula la capacidad del sistema.

En los documentos US 4.494.383, US 4.843.834 y EP 0.747.597 se describen compresores en los que se puede alternar entre una capacidad baja y una alta.

El sistema de refrigeración puede presentarse como un sistema distribuido en vitrinas de refrigeración y similares. La configuración preferida permite disponer los subsistemas del compresor y el condensador en la vitrina de refrigeración, o montarlos en la misma, con lo que se reduce en gran medida la longitud de los conductos de refrigeración y el refrigerante necesario.

Convencionalmente, los sistemas de refrigeración para vitrinas de refrigeración de supermercados han utilizado condensadores refrigerados por aire o agua y alimentados por un sistema modular de compresores. Los compresores están conectados en paralelo, de manera que se puedan encender o apagar a modo de etapas para ajustar la capacidad de refrigeración del sistema a los requisitos de la carga. Por lo general, los condensadores están situados en el exterior, en el tejado o en una sala de máquinas contigua al espacio de venta en el que se encuentran las vitrinas de refrigeración.

Dentro de cada vitrina de refrigeración hay un evaporador alimentado por tuberías que parten desde los condensadores, a través de las cuales circula el refrigerante expandido para enfriar la vitrina. Convencionalmente, un sistema de control de lazo cerrado regula el flujo de refrigerante a través del evaporador para mantener la temperatura deseada en la vitrina. Para este fin, es frecuente el empleo de sistemas de control de lazo cerrado proporcional-integral-derivativo (PID) , con sensores de temperatura o sensores de presión para proporcionar los datos de entrada de los estados detectados.

En los supermercados, se acostumbra a utilizar sistemas independientes para proporcionar diferentes intervalos individuales de temperatura de refrigeración: baja temperatura (para alimentos congelados, helado, nominalmente 32º C (-25º F) ; intermedia (para productos cárnicos y lácteos, nominalmente -7º C (+20º F) ) ; alta (para productos florales, nominalmente de 2º C a 4º C (+35 a +40º F) ) . Los sistemas independientes de temperatura baja, intermedia y alta están optimizados según sus respectivos intervalos de temperatura. Normalmente, cada uno de ellos empleará su propio sistema modular de compresores y su propio grupo de conductos de refrigeración de entrada y salida de los compresores y condensadores.

La configuración convencional, descrita anteriormente, es muy cara de construir y mantener. Gran parte del coste está relacionado con la longitud del recorrido de los conductos de refrigerante. Los conductos de largo recorrido no solo son caros en lo que respecta a los costes de material e instalación, sino que la cantidad de refrigerante necesario para rellenar los conductos también constituye un factor importante. Cuanto más largo sea el recorrido de los conductos, más refrigerante se necesitará. Al coste se le suman los factores ambientales. Con el tiempo, las juntas sufren fugas, que permiten que el refrigerante se escape hacia la atmósfera. De forma invariable, los conductos de largo recorrido implican más juntas de empalme de tuberías que, potencialmente, pueden sufrir fugas. Cuando se produce una fuga, cuanto mayor sea la longitud del recorrido del conducto, más refrigerante se perderá.

Actualmente existe un gran interés en los sistemas de refrigeración respetuosos con el medio ambiente. Se contempla el acortamiento del recorrido de los conductos como una forma de lograr un sistema más respetuoso con el medio ambiente. Para lograrlo, será necesario diseñar nuevas configuraciones de condensador/compresor y nuevos sistemas de control.

La tarea de rediseñar las configuraciones de condensador/compresor para sistemas más respetuosos con el medio ambiente no resulta sencilla, ya que no se debe sacrificar la eficiencia del sistema. Por lo general, el sistema de condensador montado en el tejado, alimentado por condensadores, se aprovecha de las economías de escala y resulta bastante eficiente. Estos sistemas sirven como modelo de referencia con el que habrá que comparar los sistemas del futuro más respetuosos con el medio ambiente.

Para comprender por qué el rediseño de un sistema respetuoso con el medio ambiente y al mismo tiempo eficiente ha resultado ser tan difícil, consideremos estos problemas termodinámicos. La típica vitrina de refrigeración funciona en un entorno muy poco predecible. Desde el punto de vista del diseño, la masa térmica que se enfría rara vez es constante. Dentro del entorno del supermercado, la temperatura y la humedad pueden variar enormemente en diferentes momentos del día y a lo largo de las diferentes estaciones del año. La carga de productos (artículos en la vitrina de refrigeración) también puede cambiar de forma impredecible. Los clientes que retiran los productos y los empleados que reponen los productos rara vez se sincronizan. Fuera del entorno del supermercado, la temperatura y la humedad del aire también pueden variar de forma bastante notable entre el día y la noche o entre el verano y el invierno. La capacidad del sistema debe diseñarse para hacer frente a las condiciones más duras (cuando el entorno del condensador es más cálido) . De este modo, los sistemas pueden experimentar un exceso de capacidad en condiciones menos duras, como por ejemplo en las noches frescas o durante el invierno.

La descongelación periódica también incorpora fluctuaciones térmicas en el sistema. A diferencia de las fluctuaciones térmicas debidas a las condiciones ambientales, las fluctuaciones térmicas inducidas por el ciclo de descongelación son provocadas por el propio sistema de control y no por su entorno.

De manera similar, el sistema de control para gestionar múltiples vitrinas de refrigeración puede inducir fluctuaciones térmicas que resultan muy difíciles de predecir. Si todas las vitrinas integradas en un sistema de vitrinas múltiples se encienden a la vez repentinamente -para cumplir con las respectivas demandas de refrigeración- la capacidad de refrigeración se debe aumentar rápidamente hasta alcanzar el máximo. De igual modo, si todas las vitrinas se apagan repentinamente, la capacidad de refrigeración se deberá reducir en consecuencia. Sin embargo, dado que las vitrinas de refrigeración individuales pueden funcionar de manera independiente, la demanda instantánea de capacidad de refrigeración tenderá a variar mucho y de forma impredecible.

Todos estos son problemas que han dificultado el diseño de sistemas respetuosos con el medio ambiente. A estas dificultades se añaden los problemas de ingeniería/ergonomía para los usuarios. El controlador PID de la actualidad puede ser difícil de adaptar para sistemas de refrigeración distribuida. Los expertos en ingeniería de control saben que un controlador PID bien ajustado puede requerir una cierta habilidad a la hora de seleccionar las constantes de control correctas usadas en el algoritmo PID. En un sistema de refrigeración de grandes dimensiones y con una arquitectura convencional (no distribuida) , el tamaño del sistema justifica la visita a las instalaciones de un ingeniero de control (quizás en repetidas ocasiones) para llevar a cabo el calibrado fino de los parámetros constantes de control.

Puede que esto no resulte práctico para sistemas distribuidos en los que los componentes sean, individualmente, de una escala mucho más pequeña y mucho más numerosos. A modo de comparación, un sistema convencional podría emplear un controlador para un sistema completo de múltiples vitrinas para todo el establecimiento. Un sistema distribuido para el mismo establecimiento podría requerir un controlador para... [Seguir leyendo]

1. Sistema de refrigeración que comprende, una caja de refrigeración (34) ;

un evaporador (42) dispuesto en dicha caja (34) ;

un condensador (32) y compresor (30) emparejados en comunicación de fluidos con dicho evaporador (42) ;

estando dicho condensador (32) dispuesto en dicha caja y provisto de unos medios (50) para transferir calor (H) al ambiente;

siendo dicho compresor un compresor de capacidad variable modulado en anchura de pulso;

un sensor de temperatura (58) dispuesto en dicha caja y configurado para detectar una temperatura real dentro de dicha caja de refrigeración (34) ; y un controlador (52) que reacciona ante dicho sensor de temperatura (58) y está acoplado a dicho compresor (30) para proporcionar una señal de control de ciclo de trabajo variable al dicho compresor (30) , mediante la cual se modula dicho compresor (30) entre un primer y un segundo estados de capacidad mientras está en funcionamiento para ajustar de ese modo la capacidad de funcionamiento del sistema de refrigeración a su carga térmica, estando dicho controlador (52) configurado para detectar un estado de baja carga de refrigerante mediante la observación del cambio en el error entre dicha temperatura real y un valor de consigna de temperatura al modular el ciclo de trabajo del sistema.

2. El sistema de la reivindicación 1, que además comprende una segunda caja de refrigeración (34b) provista de un segundo evaporador (42b) dispuesto en su interior, estando dicho segundo evaporador (42b) conectado en comunicación de fluidos con dicho condensador (32) .

3. El sistema de la reivindicación 1, que además comprende una segunda caja de refrigeración (34b) provista de un segundo evaporador (42b) dispuesto en su interior, estando dicho segundo evaporador (42b) conectado en comunicación de fluidos con dicho compresor (30) .

4. El sistema de la reivindicación 1, en el que dicho controlador (52) produce dicha señal de control de ciclo de trabajo variable con un tiempo de ciclo variable que es una función de las fluctuaciones en la presión.

5. El sistema de la reivindicación 1, que además comprende una válvula reguladora de refrigerante (45c) conectada en comunicación de fluidos con dicho evaporador (42) y controlada eléctricamente por dicha señal de control de ciclo de trabajo variable para ajustar más la capacidad de dicho sistema de refrigeración.

6. El sistema de la reivindicación 5, en el que dicha válvula (45c) incluye un motor de velocidad gradual.

7. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que adicionalmente comprende un sensor de presión (60) conectado a dicho controlador (52) .

8. El sistema de la reivindicación 1, en el que dicho controlador (52) proporciona dicha señal de control de ciclo de trabajo variable que efectúa un ciclo en un tiempo de ciclo más corto que la constante de tiempo de la carga.

9. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho primer estado se encuentra sustancialmente a una capacidad del cien por cien y en el que dicho segundo estado se encuentra sustancialmente a una capacidad del cero por ciento.

10. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha detección de dicho estado de baja carga de refrigerante es indicativa de una pérdida de carga de refrigerante o de una válvula de expansión térmica (44) atascada.

11. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho controlador (52) emite una alarma cuando dicho controlador (52) detecta dicho estado de baja carga de refrigerante.