ХОЛОДИЛЬНЫЙ АППАРАТ С ИСПАРИТЕЛЕМ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ Российский патент 2012 года по МПК F25D17/06 F25D29/00 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к холодильному аппарату с компрессором, конденсатором и испарителем, объединенными в холодильный контур, причем испаритель принудительно вентилируется воздуходувным устройством с регулируемой мощностью.

Уровень техники

Такой холодильный аппарат известен из DE 10139834 A1. В этом холодильном аппарате два испарителя, охлаждающие два отделения холодильного аппарата, последовательно подключены в холодильном контуре, причем к одному из двух испарителей подсоединено воздуходувное устройство. За счет возможности выборочного включения или выключения воздуходувного устройства во время работы компрессора становится возможным модулирование распределения охлаждающей мощности по обоим отделениям. При этом следует учитывать, что соотношение потребности в охлаждающей мощности обоих отделений, в которых поддерживается разная температура, различается в зависимости от температуры окружающей среды. Если аппарат эксплуатируется в теплой среде, оба отделения имеют значительную потребность в охлаждающей мощности; в холодной среде потребность более теплого из отделений в охлаждающей мощности пропорционально заметно снижается. Высокая потребность более теплого отделения в охлаждающей мощности в условиях теплой среды может стать удовлетворительной, если испаритель этого отделения принудительно вентилируется при помощи воздуходувного устройства.

Если холодильный аппарат работает стационарно, его испаритель находится в зоне более низкой температуры по сравнению с температурой окружающей среды, так что значительная часть циркулирующего в холодильном контуре хладагента может накапливаться в испарителе под низким давлением. Такое накопление ограничивает также давление хладагента в теплых частях холодильного контура, нагнетаемое компрессором, и, тем самым, мощность компрессора. Однако, если холодильный аппарат включается после длительного простоя и его испаритель имеет температуру окружающей среды, давление в холодильном контуре значительно превышает давление в режиме стационарной эксплуатации. Также, соответственно, велика мощность компрессора, необходимая для выхода на стационарный режим эксплуатации. Если конструкция компрессора не позволяет развивать такую мощность, может случиться так, что охлаждение испарителя не будет достигнуто. Также в такой ситуации проблемы может вызвать конденсатор слишком малого размера, если мощности его теплообмена не хватает для достаточного охлаждения поступающего в него из компрессора и при этом сильно нагретого хладагента до того момента, как хладагент поступит в испаритель. Чтобы предотвратить эту опасность, обычно требуется выбрать настолько большие размеры компрессора и конденсатора, чтобы они могли обеспечить пуск холодильного аппарата даже при экстремальных условиях. Такие большие размеры не требуются при работе холодильного аппарата в стационарных условиях, однако занимают место и обуславливают увеличение производственных расходов.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является разработка холодильного аппарата, обеспечивающего надежный пуск и при этом имеющего компактный компрессор и конденсатор.

Эта задача решается за счет того, что в холодильном аппарате с компрессором, конденсатором и испарителем, объединенными в холодильный контур, причем испаритель принудительно вентилируется воздуходувным устройством с регулируемой мощностью, предусмотрен контроллер, способный регулировать мощность воздуходувного устройства в обратной зависимости от тепловой нагрузки холодильного аппарата.

В стационарном режиме тепловая нагрузка холодильного аппарата заметно меньше, чем при пуске холодильного отделения холодильного аппарата, когда оно должно охлаждаться с температуры окружающей среды. Согласно изобретению в стационарных условиях воздуходувное устройство работает с большей мощностью, чем при пуске. Когда воздуходувное устройство работает в стационарных условиях, мощность поверхностного теплообмена испарителя повышается, так что холодильному аппарату согласно изобретению достаточно малого испарителя, мощности охлаждения которого в отсутствие вентиляции могло бы не хватить для поддержания в полости для хранения продуктов заданной температуры. Однако его мощность охлаждения в отсутствие вентиляции или при слабой вентиляции в любом случае достаточна для понижения температуры полости для хранения продуктов ниже температуры окружающей среды. За счет того, что при пуске холодильного аппарата мощность воздуходувного устройства поддерживается на низком уровне, удается достаточно охладить испаритель, так что он, как и в стационарных условиях, может принять большой объем хладагента, а давление в холодильном контуре снижается. Вместе с давлением снижается и потребляемая компрессором мощность, так что компрессор может быть компактным и недорогим.

Оценка тепловой нагрузки (высокая нагрузка или низкая нагрузка), преодолеваемой холодильным контуром, может производиться различными способами. Особенно простой способ - это оснащение контроллера средствами учета времени, прошедшего со времени включения холодильного аппарата, и настройка его таким образом, чтобы контроллер на основании измеренного времени мог определить, имеет ли место высокая тепловая нагрузка. При этом считается, что по истечении заданного интервала со времени пуска значительная часть изначально имевшегося тепла отведена из холодильного отделения холодильного аппарата, и тепловая нагрузка соответственно снижена.

Такое решение не всегда надежно, так как возможны ситуации, например кратковременное отключение электроэнергии, которые расцениваются как отключение и повторное включение холодильного аппарата, хотя при этом не происходит повышения тепловой нагрузки. Однако это не критично, так как в таком случае снижение мощности воздуходувного устройства приводит лишь ко временному снижению охлаждающей мощности испарителя, которое в целом автоматически компенсируется в рамках регулирования термостатом температуры в отделении посредством более длительного цикла работы компрессора, не допуская критического подъема температуры в отделении.

Решение о наличии высокой тепловой нагрузки может также приниматься непосредственно на основании температуры в полости для хранения продуктов. Необходимый для этого температурный датчик обычно имеется в каждом холодильном аппарате. Предельное значение, превышение которого означает высокую тепловую нагрузку, целесообразно выбрать между типичной заданной температурой полости для хранения продуктов и типичной температурой окружающей среды.

Оба критерия могут комбинироваться друг с другом логическими операторами. В частности, целесообразно регистрировать высокую тепловую нагрузку лишь тогда, когда одновременно выполняются оба критерия.

В качестве альтернативного или дополнительного критерия для тепловой нагрузки может быть использована температура, измеренная датчиком наружной температуры.

Кроме того, контроллер может быть целесообразно настроен таким образом, что он будет оценивать температуру компрессора и на основании полученной температуры компрессора решать, имеет ли место высокая тепловая нагрузка. Иными словами, наличие высокой тепловой нагрузки определяется по нагреву компрессора, работающего на преодоление этой тепловой нагрузки. С этой целью на компрессоре может быть расположен температурный датчик; другая рациональная возможность заключается в оценке температуры компрессора на основании омического сопротивления электрического проводника компрессора, в частности обмотки его электродвигателя.

Под регулируемой контроллером мощностью воздуходувного устройства может пониматься мгновенная мощность. Предпочтительно регулируемая мощность является средней мощностью воздуходувного устройства, причем период усреднения может целесообразно занимать всю рабочую фазу компрессора, работающего с перерывами, или только часть такой рабочей фазы. Это позволяет, в частности, легко регулировать мощность путем включения или отключения воздуходувного устройства.

Краткое описание чертежей

Прочие признаки и преимущества изобретения следуют из нижеследующего описания варианта исполнения с учетом прилагаемых фигур.

На чертежах изображено:

Фигура 1: схематическое изображение холодильного аппарата согласно изобретению;

Фигура 2: блок-схема режима работы контроллера холодильного аппарата согласно первому варианту исполнения;

Фигура 3: блок-схема режима работы согласно второму варианту исполнения;

Фигура 4: блок-схема режима работы согласно третьему варианту исполнения.

Осуществление изобретения

Холодильный аппарат, схематично представленный на фигуре 1, имеет теплоизолированный корпус 1 с как минимум одним холодильным отделением и сопряженным с холодильном отделением испарителем 2. Испаритель 2 объединен в холодильный контур с компрессором 3, приводимым в действие электродвигателем, и конденсатором 4. Испаритель 2 может непосредственно примыкать к холодильному отделению, например, в виде плиточного испарителя, причем в этом случае предусматривается отдельно размещаемое в холодильном отделении воздуходувное устройство 5, которое направляет воздушный поток вдоль охлаждаемой испарителем 2 стенки холодильного отделения. Также может идти речь о необмерзающем испарителе, который помещается в отдельную от холодильного отделения камеру, причем в этом случае воздуходувное устройство 5 устанавливается в промежутке между камерой и холодильным отделением, чтобы создать воздухообмен между ними.

Контроллер 6 соединяется с температурными датчиками 7 в холодильном отделении и 8 снаружи холодильного отделения, чтобы на основании измеренной температурными датчиками 7, 8 внутренней температуры Ti и наружной температуры Та управлять режимом работы компрессора 3 и воздуходувного устройства 5.

Датчик 8 наружной температуры может устанавливаться рядом с внешней стенкой корпуса 1, чтобы измерять температуру окружающей холодильный аппарат среды. Также он может устанавливаться вместе с компрессором 3 в моторном отсеке корпуса 1, где измеренная им температура обуславливается отходящим теплом компрессора 3.

Вместо температурного датчика 8 или дополнительно к нему контроллер 6 может быть также оснащен схемой измерения омического сопротивления обмотки электродвигателя компрессора 3, на который рабочее напряжение подается через контроллер 6. Так как омическое сопротивление обмотки в целом зависит от температуры, то измерение значения сопротивления обмотки позволяет судить о температуре компрессора 3.

Первый вариант режима работы контроллера 6 описывается на основании фигуры 2. Режим вводится в действие при включении холодильного аппарата сетевым выключателем или за счет подачи напряжения питания на контроллер 6 иным образом (этап S0). На этапе S1 контроллер запрашивает температуру Ti холодильного отделения с температурного датчика 7 и сравнивает ее с заданным предельным значением Timax. Timax значительно превышает температурный диапазон, в котором обычно регулируется температура холодильного отделения в длительном режиме работы, и может находиться в диапазоне комнатной температуры или даже превышать его. Если температура Ti холодильного отделения меньше Timax, считается, что условия для пуска холодильного аппарата нормальные, и не требуется применять меры, предотвращающие перегрузку компрессора 3. В этом случае режим переходит непосредственно на этап S7, на котором установлен коэффициент использования θ=1 для работы воздуходувного устройства 5, и это устройство работает непрерывно до тех пор, пока работает компрессор 3.

Если внутренняя температура Ti превышает предельное значение Timax, то считается, что в холодильном контуре преобладает высокое давление, для преодоления которого компрессор 3 должен работать длительное время, следствием чего будет сильная перегрузка компрессора 3. В этом случае на этапе S3 устанавливается коэффициент использования θ<1 для работы воздуходувного устройства 5, и воздуходувное устройство 5 во время непрерывной работы компрессора 3 работает с перерывами с этим коэффициентом использования θ. Периоды включения и отключения воздуходувного устройства 5 могут выбираться в диапазоне от миллисекунд до минут. Коэффициент использования θ может быть установлен только на основании температуры Ti, причем в этом случае датчик 8 наружной температуры может отсутствовать. Также можно учитывать поступление тепла в холодильный аппарат на основании наружной температуры Та таким образом, что θ выбирается тем меньше, чем выше наружная температура Та.

В случае когда на температурный датчик 8 воздействует отходящее тепло компрессора 3, учет температуры Та при определении коэффициента использования θ является дополнительным преимуществом, которое заключается в том, что непосредственно определяется избыточный нагрев компрессора 3, вызванный высокой нагрузкой, и, посредством уменьшения коэффициента использования θ, достигается разгрузка компрессора 3.

В измененном варианте режима работы, представленном на фигуре 3, контроллер 6 после этапа S10 включения холодильного аппарата только на этапе S11 проверяет, не превышает ли измеренная температурным датчиком 8 наружная температура Та предельное значение Tamax. Это предельное значение также целесообразно установить в диапазоне комнатной температуры или выше него. Если температура Та не превышает предельное значение, условия запуска холодильного аппарата считаются нормальными, и на этапе S12 коэффициент использования θ для воздуходувного устройства 5 устанавливается равным 1, так что оно работает одновременно с компрессором 3. Иначе на этапе S13 проверяется, не превышает ли время t, прошедшее с этапа S10 включения, заданный пусковой интервал t0. Если да, то есть если пусковой интервал истек, происходит возврат на этап S12 и переход в нормальный режим; иначе на этапе S14 устанавливается коэффициент использования θ<1, при котором компрессор 3 работает до истечения пускового интервала t0. В простейшем случае коэффициент использования, устанавливаемый на этапе S14, представляет собой заданную постоянную величину, не зависящую от температуры; учет температуры холодильного отделения и окружающей среды Ti, Та может происходить аналогично этапу S3.

Режим работы согласно фигуре 3 на этапе S13 ограничивает максимальный интервал, в течение которого холодильный аппарат после включения может работать с ограниченной мощностью воздуходувного устройства, и предотвращает тем самым возникновение ситуации, в которой холодильный аппарат при неблагоприятных температурных условиях не выходит на нормальный режим, для которого действительно равенство θ=1. Тем не менее, существует возможность пуска холодильного аппарата с ограниченной мощностью воздуходувного устройства после отключения электроснабжения, даже когда температура холодильного отделения Ti не настолько велика, чтобы это потребовалось.

Следующий вариант режима работы, устраняющий этот недостаток, представлен на фигуре 4. Здесь за включением на этапе S20 следует этап S21, на котором проверяется, не меньше ли температура холодильного отделения Ti верхнего предела Ti⁺ температуры холодильного отделения, которая должна поддерживаться в стационарном режиме. Если это так, можно считать, что процесс включения S20 соответствует восстановлению кратковременно прекращенного электроснабжения холодильного аппарата; в этом случае режим переходит на этап S29. Компрессор остается выключенным, так как охлаждение еще не требуется.

Если верхний предел Ti⁺ на этапе S21 превышен, то на этапе S22 включается компрессор. Затем на этапах S23, S24 температура холодильного отделения Ti и наружная температура Та сравниваются соответственно с предельными значениями Timax, Tamax, которые, аналогично режиму согласно фигурам 2 и 3, значительно превышают Ti⁺. Если ни одно из предельных значений не превышено, то на этапе S25 устанавливается коэффициент использования θ=1; при превышении одного из предельных значений на этапе S26 устанавливается коэффициент использования θ<1, и воздуходувное устройство 5 работает с установленным коэффициентом использования. На этапе S27 проверяется, достигнута ли нижняя граница Ti^- диапазона заданной температуры. Если нет, выполняется возврат на этап S23, так что, когда изменяется одна из температур Ti, Та, устанавливается новый коэффициент использования θ. Исходя из этого, во время пуска холодильного аппарата можно дополнительно снижать коэффициент использования, если в ходе эксплуатации повышающаяся температура Та указывает на перегрузку компрессора 3.

Если на этапе S27 обнаруживается, что Ti лежит ниже нижнего предела Ti^-, то холодильный аппарат успешно запущен, и компрессор 3 известным образом отключается на этапе S28. Далее холодильный аппарат переходит в стационарный режим, в котором на этапах S29, S31 температура холодильного отделения Ti сравнивается с верхним и нижним пределами Ti⁺, Ti^-, и в зависимости от результата сравнения компрессор отключается (S28) или компрессор включается, и воздуходувное устройство 5 работает с коэффициентом использования 1 (S30).

Холодильный аппарат имеет компрессор, конденсатор и испаритель, которые объединены в холодильный контур. Испаритель принудительно вентилируется воздуходувным устройством с регулируемой мощностью. Он содержит контроллер, который выполнен с возможностью регулировать мощность воздуходувного устройства в обратной зависимости от тепловой нагрузки холодильного аппарата. Контроллер выполнен с возможностью определять, имеет ли место высокая тепловая нагрузка, при наличии одного или нескольких из следующих условий: если температура полости для хранения продуктов превышает заданное максимальное значение для температуры полости для хранения продуктов, если температура, измеренная датчиком наружной температуры, превышает заданное максимальное значение для наружной температуры, если температура компрессора, оцененная контроллером, превышает заданное максимальное значение для температуры компрессора. Использование данного изобретения позволяет обеспечить нормальный пуск холодильного аппарата, имеющего компактный компрессор и конденсатор. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Холодильный аппарат с компрессором (3), конденсатором (4) и испарителем (2), объединенными в холодильный контур, причем испаритель (2) принудительно вентилируется воздуходувным устройством (5) с регулируемой мощностью, отличающийся тем, что содержит контроллер (6), выполненный с возможностью регулировать мощность воздуходувного устройства (5) в обратной зависимости от тепловой нагрузки холодильного аппарата, причем контроллер (6) выполнен с возможностью определять, имеет ли место высокая тепловая нагрузка, при наличии одного или нескольких из следующих условий:
- если температура (Т_i) полости для хранения продуктов превышает заданное максимальное значение для температуры (T_i) полости для хранения продуктов,
- если температура (Та), измеренная датчиком (8) наружной температуры, превышает заданное максимальное значение для наружной температуры,
- если температура компрессора, оцененная контроллером (6), превышает заданное максимальное значение для температуры компрессора.

2. Холодильный аппарат по п.1, отличающийся тем, что контроллер (6) выполнен с возможностью учитывать время (t), прошедшее с момента включения холодильного аппарата, и на основании измеренного времени определять, имеет ли место высокая тепловая нагрузка.

3. Холодильный аппарат по п.1, отличающийся тем, что контроллер (6) выполнен с возможностью выполнять регулировку воздуходувного устройства (5) в зависимости от тепловой нагрузки только во время первого рабочего периода компрессора (3) после включения холодильного аппарата.

4. Холодильный аппарат по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что компрессор (3) работает с перерывами и регулируемая мощность представляет собой мощность, усредненную за период рабочей фазы компрессора (3) или части его рабочей фазы.

5. Холодильный аппарат по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что контроллер (6) выполнен с возможностью регулировать мощность воздуходувного устройства за счет включения и отключения воздуходувного устройства при работающем компрессоре (3).