СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯТОРОМ КОНДЕНСАТОРА ХОЛОДИЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
COOLING SYSTEM CONDENSER FAN CONTROL METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Объект данного изобретения относится к холодильным системам, а конкретнее, к оптимизации управления вентилятором конденсатора для транспортных холодильных систем.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Грузовые контейнеры с управляемой температурой, такие как холодильные трейлеры, находят широкое применение для транспортировки пищевых продуктов и других чувствительных к температуре хранения продуктов. Холодильный трейлер, содержит холодильное устройство, как правило, монтируемое на передней стенке трейлера, частично выступающего внутрь трейлера. В некоторых известных трейлерах для привода компрессора холодильной системы может использоваться двигатель, работающий на топливе.
[0003] Расход топлива и эффективность использования топлива критичны для оценки транспортных холодильных систем. Чтобы сократить расход топлива или улучшить эффективность использования топлива, в частности, в условиях частичной загрузки, некоторые транспортные холодильные системы перешли с односкоростной технологии на технологии привода переменной частоты (ППЧ) или многоскоростного привода (МСП). Надлежащее управление ППЧ и МСП необходимо, чтобы достигнуть ощутимых улучшений.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В одном аспекте предлагается способ управления холодильной системой, имеющей компрессор, конденсатор, испаритель и вентилятор конденсатора переменной скорости. Способ включает в себя определение того, превышает ли изменение температуры окружающей среды или давления всасывания компрессора предварительно определенный предел, определение близких к оптимальным значений давления и температуры конденсации, если изменение температуры окружающей среды или давления всасывания компрессора превышает предварительно определенный предел, установку заданного значения давления конденсации на основании определенных близких к оптимальным значений давления и температуры конденсации и установку скорости вентилятора конденсатора переменной скорости на основании заданного значения давления конденсации.
[0005] В дополнение к одной или большему количеству функций, описанных выше, или в альтернативном варианте, дополнительные варианты реализации изобретения могут включать в себя:
если этап определения близких к оптимальным значений давления и температуры конденсации содержит определение температуры окружающей среды, определение температуры насыщения на выходе из испарителя, определение скорости компрессора и определение близких к оптимальным значений давления и температуры конденсации на основании определенных значений температуры окружающей среды, температуры насыщения на выходе из испарителя и скорости компрессора, причем близкие к оптимальным значения давления и температуры конденсации определяются с помощью уравнения (1), описанного в данном документе;
min
cur
cur
min
определение первого значения общего потребления энергии холодильной системой и установка в качестве текущей минимальной мощности (W), снижение скорости вентилятора конденсатора переменной скорости на предварительно определенное значение, последующее определение второго значения общего потребления энергии холодильной системой и установка в качестве текущей мощности (W), и определение того, больше ли значение W чем значение W;
cur
min
cur
cur
min
повышение скорости вентилятора конденсатора переменной скорости на предварительно определенное значение, если значение W больше чем значение W; и/или последующее определение третьего значения общего потребления энергии холодильной системой и установка в качестве текущей мощности (W), и определение того, больше ли значение W чем значение W;
cd
cd_upbound
cd_lowbound
cd
cd_upbound
cd_lowbound
[0006] В другом аспекте предлагается способ управления холодильной системой, имеющей компрессор, конденсатор, испаритель и многоскоростной вентилятор конденсатора. Способ включает в себя определение того, превышает ли изменение температуры окружающей среды или давления всасывания определенный предел, определение давления конденсации (P), если изменение температуры окружающей среды или давления всасывания компрессора превышает предварительно определенный предел, определение верхнего предельного давления конденсации (P), определение нижнего предельного давления конденсации (P) и установку скорости многоскоростного вентилятора конденсатора на основании определенного давления конденсации P и по меньшей мере одного из верхнего предельного давления конденсации P и нижнего предельного давления конденсации P.
[0007] В дополнение к одной или большему количеству функций, описанных выше, или в альтернативном варианте, дополнительные варианты реализации изобретения могут включать в себя:
cd
определение давления конденсации P включает в себя использование таблицы оптимального давления, определяющей оптимальное давление в различных условиях, причем условия представляют собой функции температуры окружающей среды, температуры/давления насыщения на выходе испарителя и скорости компрессора;
cd_upbound
определение верхнего предельного давления конденсации P включает в себя использование таблицы оптимального давления, определяющей оптимальное давление в различных условиях, причем условия включают в себя температуру окружающей среды, температуру насыщения на выходе испарителя или температуру бокса, состояние движения/остановки транспортного средства и скорость компрессора;
cd_lowbound
определение нижнего предельного давления конденсации P включает в себя использование таблицы оптимального давления, определяющей оптимальное давление в различных условиях, причем условия включают в себя температуру окружающей среды, температуру на выходе испарителя или температуру бокса, состояние движения/остановки транспортного средства и скорость компрессора;
cd
cd_lowbound
cd
cd_upbound
определение того, больше ли значение P чем значение P; переход многоскоростного вентилятора конденсатора в высокоскоростной режим, если значение P больше значения P;
cd
cd_lowbound
cd
cd_lowbound
определение того, больше ли значение P чем значение P; переход многоскоростного вентилятора конденсатора в низкоскоростной режим, если значение P больше значения P;
cd
cd_lowbound
и/или отключение многоскоростного вентилятора конденсатора, если значение P меньше или равно P.
cd
cd_upbound
cd_lowbound
cd
cd_upbound
cd_lowbound
[0008] В еще одном аспекте предлагается способ управления холодильной системой, имеющей компрессор, конденсатор, испаритель, вентилятор конденсатора переменной скорости и многоскоростной вентилятор конденсатора. Способ включает в себя определение того, превышает ли изменение температуры окружающей среды или давления всасывания компрессора предварительно определенный предел, управление скоростью вентилятора конденсатора переменной скорости и управление скоростью многоскоростного вентилятора конденсатора. Управление скоростью вентилятора конденсатора переменной скорости включает в себя определение близких к оптимальным значений давления и температуры конденсации, если изменение температуры окружающей среды или давления всасывания компрессора выше предварительно определенного предела, установку заданного значения давления конденсации на основании определенных близких к оптимальным значений давления и температуры конденсации и установку скорости вентилятора конденсатора переменной скорости на основании заданного значения давления конденсации. Управление скоростью многоскоростного вентилятора конденсатора включает в себя определение давления конденсации (P), если изменение температуры окружающей среды или давления всасывания компрессора превышает предварительно определенный предел, определение верхнего предельного давления конденсации (P), определение нижнего предельного давления конденсации (P) и установку скорости многоскоростного вентилятора конденсатора на основании определенного давления конденсации P и по меньшей мере одного из верхнего предельного давления конденсации P и нижнего предельного давления конденсации P.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0009] Объект, рассматриваемый как изобретение, подробно раскрыт и четко заявлен в формуле изобретения в заключении данной спецификации. Предыдущие и другие функции и преимущества изобретения очевидны из дальнейшего подробного описания в сочетании с прилагаемыми графическими материалами, в которых:
[0010] ФИГ. 1 представляет собой схематический вид типовой холодильной системы;
[0011] ФИГ. 2 представляет собой блок-схему первого типового способа управления холодильной системой, изображенной на ФИГ. 1;
[0012] ФИГ. 3 представляет собой блок-схему второго типового способа управления холодильной системой, изображенной на ФИГ. 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] На ФИГ. 1 изображена холодильная система 10. В типовых вариантах реализации изобретения холодильная система 10 эффективно соединена с грузовым контейнером с системой управления температуры (не показан), выполненным с возможностью поддержания заданной температуры груза, расположенного внутри грузового контейнера, с помощью холодильной системы 10. Грузовой контейнер может быть использован для транспортировки груза, например, грузовым автомобилем, поездом или судном. Транспортные холодильные системы отличаются от других систем широким диапазоном условий эксплуатации. Например, температура окружающей среды может изменяться от 130°F (54°С) до -20°F (-29°С), а грузовой контейнер может подвергаться воздействию температур от 100°F (38°С) до -22°F (-30°С). Однако, система 10 может быть использована и в других холодильных устройствах.
[0014] Холодильная система 10 питается от электрогенераторной системы 12, как правило содержащей двигатель 14, имеющий жидкостное соединение с топливным баком 16. Хотя система 10 описана как холодильный система, она может быть любой подходящей системой кондиционирования среды. Например, система 10 может быть устройством кондиционирования воздуха в кабине грузового автомобиля.
[0015] Холодильная система 10, как правило, содержит компрессор 22, конденсатор 24, расширительное устройство 26 и испаритель 28. Как проиллюстрировано, система 10 может содержать приемник 30, переохладитель 32, жидкостный теплообменник на всасывающей стороне 34, аккумулятор 36 и всасывающий модулирующий клапан 38.
[0016] Холодильная система 10 представляет собой замкнутую систему, через которую циркулирует хладагент в различных состояниях, таких как жидкость и пар. Фактически, перегретый газообразный хладагент низкой температуры и низкого давления поступает в компрессор 22 через трубопровод 40 из испарителя 28. Хладагент сжимается, и полученный перегретый газ высокой температуры и высокого давления подается из компрессора 22 в конденсатор 24 через трубопровод 42.
[0017] В конденсаторе 24 газообразный хладагент конденсируется в жидкость, отдавая тепло. Перегретый газообразный хладагент поступает в конденсатор 24, охлаждается после перегрева, конденсируется и переохлаждается в процессе теплообмена воздухом, нагнетаемым через конденсатор 24 вентилятором конденсатора 44, и поглощающим тепло. Жидкий хладагент выходит из конденсатора 24 и по трубопроводу 46 через приемник 30 поступает в переохладитель 32. Далее хладагент переохлаждается воздухом от вентилятора конденсатора 44 и подается через трубопровод 48 в жидкостный теплообменник на всасывающей стороне 34.
[0018] В типовых вариантах реализации изобретения жидкостный теплообменник на всасывающей стороне 34 охлаждает жидкий хладагент из конденсатора 24 по отношению к испаренному и/или испаряемому хладагенту из испарителя 28. После этого охлажденный жидкий хладагент подается в испаритель 28 через трубопровод 50. Охлажденный жидкий хладагент проходит через дозирующее или расширительное устройство 26 (например, расширительный клапан), превращающее переохлажденную жидкость относительно высокой температуры и давления в низкотемпературную насыщенную парожидкостную смесь.
[0019] Потом низкотемпературная насыщенная парожидкостная смесь хладагента поступает в испаритель 28, где она кипит и изменяет состояние, превращаясь в перегретый газ в процессе поглощения требуемой теплоты испарения из воздуха в контейнере (или другой теплообменной текучей среды). Затем перегретый газ низкого давления совершает теплообмен в теплообменнике 34, где он дополнительно нагревается, перегрев газа увеличивается, и любые остаточные капли жидкости, которые могли пройти испаритель 28, испаряются. После этого перегретый газ поступает на вход компрессора 22, и цикл повторяется.
[0020] В типовых вариантах реализации изобретения холодильная система 10 содержит клапан горячего газа 53, главный терморегулирующий клапан 55 и перепускной трубопровод 52, проходящий между трубопроводом 42 вниз по потоку от компрессора 22 и трубопроводом 50 вверх по потоку от испарителя 28. Перепускной трубопровод 52 может селективно использоваться, чтобы заставить хладагент высокой температуры из компрессора 22 течь прямо в испаритель 28, размораживая испаритель 28 в режиме охлаждения, или нагревая его в режиме нагрева. Кроме того, холодильная система 10 может содержать цикл экономайзера (не показан).
[0021] Вентилятор конденсатора 44 используется в конденсирующем цикле, и в некоторых вариантах реализации изобретения может использоваться более одного вентилятора конденсатора 44. Вентиляторы конденсатора 44 могут быть вентиляторами конденсатора переменной скорости и/или многоскоростными вентиляторами конденсатора. Вентиляторы конденсатора переменной скорости 44 могут быть эффективно соединены с приводом переменной частоты (ППЧ), а многоскоростные вентиляторы конденсатора 44 могут быть эффективно соединены с многоскоростным приводом (МСП).
[0022] Использование вентилятора переменной скорости//многоскоростного вентилятора 44 облегчает регулирование или модуляцию давления//температуры конденсации системы 10 путем управления скоростью вентилятора. Например, низкая скорость вентилятора конденсатора уменьшает энергопотребление вентилятора 44. Однако это вызывает повышение давления//температуры конденсации, что требует повышения давления в компрессоре и вызывает увеличение энергопотребления компрессора и расхода топлива двигателя. Фактически, существует баланс между мощностью компрессора и мощностью вентилятора конденсатора, и холодильная система 10 содержит контроллер 60, выполненный с возможностью оптимизации управления вентилятором конденсатора 44 для минимизации общего энергопотребления вентилятора 44 и компрессора 22 и/или максимизации эффективности использования топлива двигателем 14. Используемый здесь термин «контроллер» относится к специализированной интегральной схеме (СИС), электронной схеме, процессору (общего пользования, персональному или для выделенной группы пользователей) и памяти, исполняющий одну или более внешних или встроенных компьютерных программ, комбинационные логические схемы и/или другие подходящие наборы команд обеспечивающие выполнение описанной функциональности.
[0023] Контроллер 60 выполнен с возможностью определения оптимального заданного значения давления//температуры конденсации, что может быть определено как регулирование скорости вентилятора конденсатора для поддержания этого заданного значения давления//температуры конденсации, когда холодильная система 10 работает с наименьшим энергопотреблением. Оптимальные давление и температура конденсации могут быть абстрактно рассчитаны с помощью уравнения (1), приведенного ниже. Кроме того, оптимальные заданные значения давления//температуры могут быть сохранены в таблице, и контроллер 60 может выполнять поиск в таблице для получения оптимальных температуры и давления конденсации для данных измеренных переменных (например, измеренная температура окружающей среды, давление на выходе испарителя, температура насыщения или температура бокса, состояние движения или остановки транспортного средства и скорость компрессора). Таким образом, определенные оптимальные давление//температура конденсации соответствуют определенной скорости вентилятора конденсатора.
opt
amb
out,evap
comp
Уравнение (1) ϕ=f(T, Ts)×CF,
opt
amb
s out, evap
comp
где ϕ - оптимальное заданное значение давления или температуры конденсации, T - температура окружающей среды, T - температура насыщения на выходе испарителя, и CF - коэффициент коррекции с учетом скорости компрессора. Коэффициент коррекции скорости компрессора может быть функцией скорости компрессора в оборотах в минуту, f(об/мин). В некоторых вариантах реализации изобретения коэффициент коррекции скорости компрессора может быть нелинейной функцией скорости компрессора в оборотах в минуту.
[0024] Соответственно, контроллер 60 впоследствии устанавливает скорость вентилятора 44, соответствующую оптимальному заданному значению давления//температуры конденсации (которое представляет собой функцию измеренной температуры окружающей среды, давления//температуры насыщения на выходе испарителя и скорости компрессора), что обеспечивает наиболее эффективные условия использования топлива для системы 10 с учетом воздействия движения транспорта на воздушный поток конденсатора. Эффективность использования топлива может быть определена как отношение производительности системы 10 и потребления топлива. С помощью уравнения (1) или предварительно сохраненной таблицы можно получить оптимальные давление//температуру конденсации (соответствующие наивысшей эффективности системы). Контроллер 60 может управлять давлением конденсации системы 10, чтобы достигнуть или оставаться в пределах предварительно определенного диапазона заданных значений путем изменения скорости вентилятора, например, с помощью пропорционально-интегрального дифференциального (ПИД) регулятора для вентилятора переменной скорости 44 или логического управления для многоскоростного вентилятора 44.
[0025] Однако, в некоторых случаях оптимальные давление//температура конденсации, определенные с помощью функции или таблицы, могут не быть лучшими значениями для расчета скорости вентилятора из-за ошибок в расчетах и/или из-за отсутствия учета действия потока воздуха, когда транспортное средство движется или наоборот стоит. Таким образом, чтобы определить фактические оптимальные давление//температуру конденсации, могут быть использованы измерения энергопотребления системы и процесс проб. Фактически, оптимальное управление может быть различным для каждого из вентилятора конденсатора переменной скорости 44 и многоскоростного вентилятора конденсатора 44, как более подробно описано в данном документе.
[0026] На ФИГ. 2 изображен типовой способ 100 минимизации потребления энергии и/или топлива холодильной системой 10 путем специального управления вентилятором конденсатора 44. В типовом варианте реализации изобретения вентилятор конденсатора 44 представляет собой вентилятор переменной скорости.
[0027] Способ 100 включает в себя двухуровневую оптимизацию, имеющую предварительный поиск 102 и точный поиск 104. Предварительный поиск 102 как правило включает в себя определение близкого к оптимальному заданного значения давления//температуры конденсации, которое рассчитывается с помощью предварительно заданных функций на основании результатов автономного моделирования, как описано в данном документе. После этого может быть установлена скорость вентилятора переменной скорости 44, создающая и поддерживающая близкое к оптимальному заданное значение давления//температуры конденсации. Заданное значение давления//температуры конденсации может обновляться согласно определенному близкому к оптимальному значению давления//температуры конденсации при наличии значительных изменений условий окружающей среды и/или работы. Для дальнейшего улучшения эффективности системы может быть использован точный поиск 104, определяющий оптимальные давление/температуру конденсации через возмущение, как более подробно описано в данном документе.
min
[0028] С дальнейшей ссылкой на ФИГ. 2 способ 100 включает в себя на этапе 110 определение того, превысило ли изменение температуры окружающего воздуха и/или давление всасывания компрессора предварительно определенный предел. Если так, то управление переходит к предварительному поиску 102, и близкие к оптимальным давление/температура конденсации рассчитываются на этапе 112 с помощью, например, уравнения (1). На этапе 114 заданное значение давления/температуры конденсации обновляется (например, раз в секунду), а на этапе 115 контроллер 60 модулирует скорость вентилятора, поддерживая заданное значение. На этапе 116 определяется показатель общего энергопотребления холодильной системы 10 (например, измеряется датчиком тока и напряжения) и устанавливается в качестве текущей минимальной мощности W. В этой точке управление возвращается к этапу 110.
cur
[0029] Если результат этапа 110 отрицательный, управление переходит к точному поиску 104. На этапе 118 скорость вентилятора конденсатора уменьшается на предварительно заданное значение шага изменения (например, на 1%). На этапе 120 снова определяется общее энергопотребление и устанавливается в качестве текущей мощности W.
cur
min
cur
min
cur
min
[0030] На этапе 122 определяется, больше ли W чем W. Если это не так, управление переходит к этапу 124, на котором W устанавливается в качестве нового значения минимальной мощности W, и после этого управление возвращается к этапу 110. Этапы 110-124 могут повторяться, пока W не будет больше чем W, после чего направление поиска изменится (на этап 126).
cur
cur
min
[0031] Если результат этапа 122 положительный, управление переходит к этапу 126, и скорость вентилятора конденсатора увеличивается на предварительно заданное значение шага изменения (например, на 1%). На этапе 128 снова определяется общее энергопотребление и устанавливается в качестве текущей мощности W. На этапе 130 определяется, больше ли W чем W.
cur
min
cur
min
[0032] Если это не так, управление переходит к этапу 132, на котором W устанавливается в качестве нового значения минимальной мощности W, и после этого управление возвращается к этапу 126. Этапы 126-132 могут повторяться, пока W не будет больше чем W, когда достигается минимальная мощность. Если результат этапа 130 положительный, управление возвращается к этапу 110.
[0033] Фактически, точный поиск 104 начинается с близких к оптимальному заданных значений, а затем уменьшает/увеличивает скорость вентилятора конденсатора на небольшое предварительно заданное значение. Если общая мощность снижается, то поиск продолжается в том же направлении (то есть, уменьшения или увеличения). Иначе поиск выполняется в противоположном направлении (увеличения/уменьшения заданного значения). Если общая мощность начинает возрастать, то заданное значение улучшить больше нельзя, и установлены оптимальные давление/температура конденсации.
[0034] На ФИГ. 3 изображен типовой способ 200 минимизации потребления энергии и/или топлива холодильной системой 10 путем специального управления вентилятором конденсатора 44. В типовом варианте реализации изобретения вентилятор конденсатора 44 представляет собой многоскоростной вентилятор, имеющий высокоскоростной режим и низкоскоростной режим. Однако, многоскоростной вентилятор конденсатора 44 может иметь любое количество режимов, работающих с различными скоростями.
[0035] Способ 200 включает в себя оптимизацию управления для определения того, как переключать различные скоростные режимы многоскоростного вентилятора 44 в различных условиях эксплуатации. Давление/температура конденсации выбираются в качестве калибровочной переменной, а предельные значения (верхний и нижний пределы давления/температуры конденсации) могут быть рассчитаны с помощью эмпирических функций и кривой, соответствующей результатам моделирования.
cd
cd_upbound
[0036] С дальнейшей ссылкой на ФИГ. 3 способ 200 включает в себя на этапе 202 определение того, превысило ли изменение температуры окружающего воздуха и/или давление всасывания компрессора предварительно определенный предел. Если это не так, управление возвращается к этапу 202. Если это так, на этапе 204 определяется давление конденсации P. На этапе 206 определяется верхний предел давления конденсации P по таблице оптимального давления в различных условиях. Таблица оптимального давления может быть определена с помощью моделирования. Верхний и нижний предел представляют собой пределы давления, определяющие состояние вентилятора конденсатора. Если давление конденсации выше верхнего предельного давления, вентилятор конденсатора работает с высокой скоростью. Если давление конденсации ниже нижнего предельного давления, вентилятор конденсатора выключен. Если давление конденсации между нижним предельным и верхним предельным давлением, вентилятор конденсатора работает с низкой скоростью.
cd
cd_upbound
cd_lowbound
[0037] На этапе 208 определяется, больше ли P чем P. Если это так, на этапе 210 многоскоростной вентилятор конденсатора 44 переходит в первый режим (например, высокоскоростной), и управление возвращается к этапу 202. Если это не так, на этапе 212 определяется нижнее предельное давление конденсации P по таблице оптимального давления в различных условиях.
cd
cd_lowbound
[0038] На этапе 214 определяется, больше ли P чем P. Если это так, на этапе 216 многоскоростной вентилятор конденсатора 44 переходит во второй режим (например, низкоскоростной), и управление возвращается к этапу 202. Если это не так, на этапе 218 вентилятор конденсатора 44 переходит в третий режим (например, выключается), и управление возвращается к этапу 202.
[0039] В данном документе описаны системы и способы минимизации потребления энергии и/или топлива холодильной системой путем оптимизации управления одним или более вентиляторами конденсатора системы. Среди вентиляторов конденсатора могут быть вентиляторы конденсатора переменной скорости и/или многоскоростные вентиляторы конденсатора. Оптимизация управления вентилятором переменной скорости включает в себя определение близких к оптимальным давления/температуры конденсации на основании условий окружающей среды и эксплуатации системы и/или определение оптимальных давления/температуры конденсации через возмущение системы. Оптимизация управления многоскоростным вентилятором конденсатора включает в себя выбор давления/температуры конденсации в качестве калибровочной переменной, расчет верхнего и нижнего предельного давления конденсации и регулирование скоростных режимов вентилятора на основании отношения калибровочной переменной к верхнему и нижнему предельному значению.
[0040] Хотя изобретение было подробно описано только с ограниченным числом вариантов реализации, должно быть понятно, что изобретение не ограничивается такими раскрытыми вариантами реализации. Напротив, изобретение может быть модифицировано и включать любое число вариаций, изменений, замен или эквивалентных систем, не описанных ранее, но соответствующих сущности и объему изобретения. Кроме того, хотя были описаны различные варианты реализации изобретения, необходимо понимать, что аспекты изобретения могут содержать только некоторые из описанных вариантов реализации изобретения. Соответственно, изобретение не следует считать ограниченным предыдущим описанием, оно ограничено только объемом приложенной формулы изобретения.