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.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E04022920.

Solicitante: EMERSON CLIMATE TECHNOLOGIES, INC.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 1675 W. CAMPBELL ROAD SIDNEY, OH 45365-0669 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: BASS, MARK, CAILLAT, JEAN-LUC M., PHAM, HUNG, M., SINGH, ABTAR.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • A47F3/04 SECCION A — NECESIDADES CORRIENTES DE LA VIDA.A47 MOBILIARIO; ARTICULOS O APARATOS DE USO DOMESTICO; MOLINILLOS DE CAFE; MOLINILLOS DE ESPECIAS; ASPIRADORES EN GENERAL.A47F MOBILIARIO, GUARNICIONES O ACCESORIOS ESPECIALES PARA TIENDAS, ALMACENES, BARES, RESTAURANTES O LOCALES SIMILARES; MOSTRADORES DE CAJA.A47F 3/00 Vitrinas o muebles de exposición. › con aire acondicionado o refrigerado (refrigeradores F25D; disposiciones para la calefacción especialmente adaptadas a superficies transparentes o reflectantes H05B 3/84).
  • F01C1/02 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F01 MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN GENERAL; MAQUINAS DE VAPOR.F01C MAQUINAS O MOTORES DE PISTON ROTATIVO U OSCILANTE (motores de combustíon F02; aspectos de la combustión interna F02B 53/00, F02B 55/00; máquinas de líquidos F03, F04). › F01C 1/00 Máquinas o motores de pistón rotativo (con los ejes de los órganos cooperantes no paralelos F01C 3/00; con las paredes de las cámaras de trabajo deformables por resiliencia, al menos parcialmente F01C 5/00; con anillo fluido o dispositivo análogo F01C 7/00; máquinas o motores de pistón rotativo en las cuales el fluido de trabajo es exclusivamente desplazado, o exclusivamente desplaza a uno o más pistones alternativos F01B 13/00). › del tipo engrane curvo, es decir, con movimiento de traslación circular de los órganos cooperantes, cada órgano tiene el mismo número de dientes o dientes equivalentes.
  • F04B49/06 F […] › F04 MAQUINAS DE LIQUIDOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO; BOMBAS PARA LIQUIDOS O PARA FLUIDOS COMPRESIBLES.F04B MAQUINAS DE LIQUIDOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO; BOMBAS (bombas de inyección de combustible para motores F02M; máquinas de líquido, o bombas, de tipo pistón rotativo u oscilante F04C; bombas de desplazamiento no positivo F04D; bombeo de fluido por contacto directo con otro fluido o por utilización de la inercia del fluido a bombear F04F; cigüeñales, cabezas de biela, bielas F16C; volantes F16F; transmisiones para convertir un movimiento rotativo en movimiento alternativo y viceversa, en general F16H; pistones, vástagos de pistones, cilindros, en general F16J; bombas iónicas H01J 41/12; bombas electrodinámicas H02K 44/02). › F04B 49/00 Control de o medios de seguridad para máquinas, bombas o instalaciones de bombeo no cubiertos por, o con un interés distinto que, los grupos F04B 1/00 - F04B 47/00. › Control utilizando la electricidad (regulación por flotadores que accionan interruptores eléctricos F04B 49/04).
  • F04C18/02 F04 […] › F04C MAQUINAS DE LIQUIDOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO DE PISTON ROTATIVO U OSCILANTE (motores movidos por líquidos F03C ); BOMBAS PARA LIQUIDOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO DE PISTON ROTATIVO U OSCILANTE (bombas de inyección de combustible para motores F02M). › F04C 18/00 Bombas de pistón rotativo especialmente adaptadas para fluidos compresibles (con anillo de fluido o similar F04C 19/00; bombas de pistón rotativo en las cuales el fluido energético es desplazado exclusivamente por uno o más pistones con movimiento alternativo F04B). › de tipo engrane en arco, es decir, con movimiento de translación circular de los órganos cooperantes, teniendo cada órgano el mismo número de dientes o dientes equivalentes.
  • F04C27/00 F04C […] › Dispositivos de estanqueidad en las bombas de pistón rotativo especialmente adaptadas para fluidos compresibles.
  • F04C28/00 F04C […] › Control de, vigilancia de, o dispositivos de seguridad para, bombas o instalaciones de bombeo especialmente adaptadas para fluidos compresibles.
  • F04C28/02 F04C […] › F04C 28/00 Control de, vigilancia de, o dispositivos de seguridad para, bombas o instalaciones de bombeo especialmente adaptadas para fluidos compresibles. › especialmente adaptados para varias bombas conectadas en serie o en paralelo.
  • F04C28/06 F04C 28/00 […] › especialmente adaptados para la operación de parada, arranque, marcha en vacío.
  • F04C28/08 F04C 28/00 […] › caracterizados por variar la velocidad de rotación.
  • F04C28/18 F04C 28/00 […] › caracterizados por variar el volumen de la cámara de trabajo (cambiando las posiciones de las aperturas de admisión y escape F04C 28/10).
  • F04C28/22 F04C 28/00 […] › cambiando la excentricidad entre miembros cooperantes.
  • F04C28/26 F04C 28/00 […] › empleando canales de bypass.
  • F04C28/28 F04C 28/00 […] › Dispositivos de seguridad; Vigilancia.
  • F25B1/04 F […] › F25 REFRIGERACION O ENFRIAMIENTO; SISTEMAS COMBINADOS DE CALEFACCION Y DE REFRIGERACION; SISTEMAS DE BOMBA DE CALOR; FABRICACION O ALMACENAMIENTO DEL HIELO; LICUEFACCION O SOLIDIFICACION DE GASES.F25B MAQUINAS, INSTALACIONES O SISTEMAS FRIGORIFICOS; SISTEMAS COMBINADOS DE CALEFACCION Y DE REFRIGERACION; SISTEMAS DE BOMBA DE CALOR (sustancias para la transferencia, intercambio o almacenamiento de calor, p. ej. refrigerantes, o sustancias para la producción de calor o frío por reacciones químicas distintas a la combustión C09K 5/00; bombas, compresores F04; utilización de bombas de calor para la calefacción de locales domésticos o de otros locales o para la alimentación de agua caliente de uso doméstico F24D; acondicionamiento del aire, humidificación del aire F24F; calentadores de fluidos que utilizan bombas de calor F24H). › F25B 1/00 Máquinas, instalaciones o sistemas por compresión con ciclo irreversible (F25B 3/00, F25B 5/00, F25B 6/00, F25B 7/00, F25B 9/00 tienen prioridad). › con compresor de tipo rotativo (F25B 1/10 tiene prioridad).
  • F25B41/04 F25B […] › F25B 41/00 Circulación del fluido, p. ej. para la transmisión del líquido del evaporador al hervidor (bombas en sí , empaquetaduras para ello F04). › Disposición de las válvulas (válvulas en sí F16K).
  • F25B41/06 F25B 41/00 […] › Estranguladores de corriente, p. ej. tubos capilares; Dispositivos de los mismos.
  • F25B49/00 F25B […] › Disposición o montaje de los dispositivos de control o de seguridad (comprobación de los refrigeradores G01M; control en general G05).
  • F25B49/02 F25B […] › F25B 49/00 Disposición o montaje de los dispositivos de control o de seguridad (comprobación de los refrigeradores G01M; control en general G05). › para máquinas, instalaciones o sistemas del tipo de compresión.
  • F25B5/02 F25B […] › F25B 5/00 Máquinas, instalaciones o sistemas por compresión, con varios circuitos de evaporadores, p. ej. para variar la potencia frigorífica (funcionando en cascada F25B 7/00). › dispuestos en paralelo.
  • G05D1/08 SECCION G — FISICA.G05 CONTROL; REGULACION.G05D SISTEMAS DE CONTROL O DE REGULACION DE VARIABLES NO ELECTRICAS (para la colada continua de metales B22D 11/16; dispositivos obturadores en sí F16K; evaluación de variables no eléctricas, ver las subclases apropiadas de G01; para la regulación de variables eléctricas o magnéticas G05F). › G05D 1/00 Control de la posición, del rumbo, de la altitud o de la actitud de vehículos terrestres, acuáticos, aéreos o espaciales, p. ej. piloto automático (sistemas de radionavegación o sistemas análogos que utilizan otras ondas G01S). › Control de la actitud, es decir, eliminación o reducción de los efectos del balanceo, cabeceo o guiñada.
  • G05D23/19 G05D […] › G05D 23/00 Control de la temperatura (disposiciones de conmutación automática para los aparatos de calefacción eléctricos H05B 1/02). › caracterizado por la utilización de medios eléctricos.

PDF original: ES-2381186_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

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]

 


Reivindicaciones:

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.

 

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