El secreto detrás del desescarche adaptativo de Danfoss

lunes, 4 de mayo de 2020

Antes de profundizar en el secreto del desescarche adaptativo de Danfoss, echemos un vistazo a los métodos más comunes para el desescarche de vitrinas refrigeradas y por qué es necesario.

¿Por qué es necesario el desescarche?

Se puede formar hielo en vitrinas refrigeradas debido a varios factores, como la humedad, la temperatura de la superficie del evaporador e incluso el flujo de aire. Si las vitrinas no se desescarchan regularmente, se puede acumular hielo en el evaporador y el flujo de aire se restringirá o se detendrá por completo, lo que dará como resultado una refrigeración reducida e ineficiente.

Un flujo de aire deficiente dará como resultado altas temperaturas en la vitrina, generando alarmas de alta temperatura. Las altas temperaturas del aire durante largos períodos dañarán la calidad de los alimentos y, a menudo, pueden conducir a la pérdida de alimentos.

Pero si bien el desescarche es necesario para un funcionamiento seguro y eficiente, hay un equilibrio que debe alcanzarse.

Los ciclos de desescarche cortos o poco frecuentes también pueden hacer que se acumule hielo en el evaporador, lo que puede provocar una llamada de servicio prematura. Mientras que demasiados ciclos de desescarche realizados durante demasiado tiempo pueden tener un impacto negativo en la calidad de los alimentos. Esto también puede crear un consumo excesivo de energía.

¿Por qué el desescarche adaptativo es tan inteligente?

Debido a que la humedad, la temperatura ambiente y el flujo de aire pueden variar significativamente, debido al exceso deesllenado o dejar las puertas de la cámara frigorífica abiertas, incluso un programa de desescarche óptimo no puede explicar completamente las amplias condiciones de funcionamiento.

Es por eso que se necesita un algoritmo de control de desescarche adaptativo para garantizar que se realice el número correcto de ciclos de desesecarche en función de las condiciones en tiempo real.

Métodos típicos de desescarche (de vanguardia)

Los controladores del evaporador Danfoss AK-CC cuentan con una función flexible de control de desescarche que permite a los usuarios configurar una variedad de métodos de desescarche, junto con una gama de métodos de inicio y parada de desescarche.

Sensores de temperatura del controlador Danfoss AK-CC y sus ubicaciones:

S3 air on evaporator: sensor de aire de retorno

S4 air off evaporator—sensor de aire de descarga

S5 parada desescarche—sensor de terminación de desescarche

Desesecarche del ciclo aire / off

La mejor manera de derretir el hielo depende del diseño de la vitrina y del nivel de temperatura. En aplicaciones de temperatura media (5 ° C), el hielo se puede derretir haciendo una pausa en la refrigeración, permitiendo que en los ventiladores circulen el aire.

Desescarche eléctrico o por gas caliente

En aplicaciones de baja temperatura donde el objetivo de temperatura es de alrededor de -18 ° C, el hielo solo se puede derretir usando una fuente de calor, generalmente un calentador eléctrico montado cerca de las aletas del evaporador o el gas caliente que circula dentro del tubo del evaporador.

Defrost methods

Temporizador de intervalo de desescarche

El método de inicio de desescarche más simple utiliza un temporizador de intervalo de desescarche, que se reinicia después de cada ciclo de desescarche.

También tiene sentido usar un temporizador de intervalo como respaldo para otros métodos de inicio de desescarche. Por ejemplo, si se usa una entrada digital de un dispositivo externo para iniciar un ciclo de desescarche dos veces al día y la señal se interrumpe, entonces se puede configurar el temporizador del intervalo de desescarche para realizar un desescarche de emergencia 16 horas después del último ciclo puede ayudar a proteger el sistema.

Programa de desescarche 

Este es el método de inicio de desescarche más común y puede iniciarse desde el panel frontal mediante la comunicación bus o el programa de desescarche incorporado. Al usar un horario, los desescarches se pueden realizar fuera de las horas de máxima afluencia o cuando una tienda está cerrada.

Tiempo máximo de funcionamiento del termostato

Un método de inicio de desescarche menos común, el tiempo de funcionamiento máximo del termostato utiliza el tiempo de refrigeración acumulado entre desescarches.

Inicio de desescarche manual o externo

Los ciclos de desescarche también se pueden iniciar utilizando una entrada digital, una aplicación o el botón de inicio / parada de desescarche en las pantallas de configuración.

Todos los métodos de inicio de desescarche pueden usarse en paralelo.

Tiempo

Después de seleccionar un método de desescarche, es importante seleccionar un método de parada o finalización del desescarche apropiado.

Cuando se utiliza la circulación de aire en vitrinas de temperatura media, puede ser suficiente simplemente hacer circular el aire a una hora establecida. Pero los ciclos eléctricos o de desescarche  por gas caliente requieren métodos de parada más sofisticados para evitar el recalentamiento de la vitrina cuando el hielo se derrite.

Sensor de desescarche S5 o sensor de temperatura de descarga S4

A menudo, se coloca un sensor de parada de desescarche o de finalización en el evaporador donde típicamente se forma el hielo. Al monitorear la señal de temperatura durante el desescarche, el ciclo se puede detener cuando el sensor alcanza una temperatura establecida.

Los controladores Danfoss AK-CC tienen una configuración de tiempo máximo de desescarche que también se utiliza como función de seguridad en combinación con otros métodos de parada de desescarche.

Parada de desescarche manual

Los ciclos de desescarche también se pueden detener manualmente a través del panel frontal, una aplicación o el botón de inicio / parada de desescarche en las pantallas de configuración.

Los ciclos de desescarche demasiado frecuentes o largos pueden tener un impacto negativo en la calidad de los alimentos y la eficiencia del sistema, poniendo en riesgo los alimentos por temperaturas inseguras y alarmas de temperatura imprevistas. Además, un sistema usará más energía para alcanzar su temperatura objetivo después de un ciclo de desescarche.

El uso del modo del desescarche adaptativo, combinado con un sensor de temperatura S5, puede ayudar a optimizar los ciclos de desescarche.

El algoritmo de desescarche adaptativo de Danfoss detecta la cantidad de hielo acumulado y se puede configurar para cancelar un desescarche programado o solo realizar un desescarche  si el flujo de aire del evaporador se ve interrumpido por el hielo o la escarcha.

El concepto compara la absorción de energía en el lado del flujo de refrigerante con las emisiones de energía en el lado del flujo de aire. Por ejemplo, cuando el evaporador está libre de hielo, se supone un balance de energía. Mientras que se puede identificar un desequilibrio cuando se acumula hielo en la superficie del evaporador, lo que resulta en un flujo de aire restringido.

El cálculo del flujo de energía y la comparación entre el refrigerante y el flujo de aire dependen de una variedad de señales de sensores existentes y datos del controlador:

  • Lado del refrigerante—temperatura de condensación de Tc desde el controlador  distribuido a través del panel frontal. Pe Presión del evaporador, temperatura de la bobina S2 y grado de apertura %OD de la válvula de expansión electrónica.
    aire S3 en el evaporador (aire de retorno) y aire S4 en el evaporador (aire de descarga).
  • Lado del flujo de aire— S3 aire que entra en el evaporador (aire de retorno) y S4 aire que sale del evaporador (aire de descarga)

Supervisión

El seguimiento se puede configurar en paralelo con otros métodos de desescarche para generar una alarma en caso de flujo de aire restringido o congelación del evaporador. También se puede activar una alarma de gas flash para indicar problemas de flujo de refrigerante.

Día de salto adaptativo

El día de salto adaptativo permite que el controlador cancele y omita los desescarches programadas durante el día, dejando que los desescarches continúen durante la noche sin interrupciones.

Solo se pueden omitir los desescarches que se configuran usando el programa en el panel frontal o configurados a través del programa de desescarche interno en el controlador.

Salto adaptativo día y noche

En una configuración adaptativa de salto diurno y nocturno, el controlador puede omitir los ciclos de desescarche programados las 24 horas del día.

Pero por razones de seguridad, solo se puede omitir un máximo de tres desescarches consecutivos, y el cuarto se realiza independientemente de la cantidad de hielo presente.

Adaptativo completo

El modo adaptativo completo es la opción óptima para aplicaciones donde no se solicita un desescarche en un momento determinado, pero se puede realizar cuando el hielo interrumpe el flujo de aire. Se recomienda que este modo se combine con un temporizador de intervalo de desescarche o un desescarche programado como medida de seguridad.

El desescarche manual siempre se puede realizar independientemente del método de desescarche seleccionado.

  • Utilizar siempre el temporizador de intervalo de desescarche en combinación con otros métodos de inicio de desescarche para ayudar a garantizar una operación segura.
  • Cuando finalice un ciclo de desescarche basado en una temperatura S5 o S4, es importante asegurarse de que el temporizador máximo de desescarche esté configurado por más tiempo de lo que anticipa que el hielo se derrita y alcance la temperatura de parada de desescarche. Si el tiempo máximo de desescarche es demasiado corto, cada desescarche activará una alarma.
  • Si la formación de hielo varía de una sección a otra, no se recomienda el desescarche adaptativo con coordinación de desescarche.
  • Al seleccionar la función de desescarche, se recomienda establecer su programa de desescarche para la demanda máxima. Por ejemplo, la cantidad de desescarches necesarios para los niveles de humedad más altos, lo que permite que el controlador omita automáticamente los ciclos de desescarche adicionales cuando sea posible.
  • El desescarche adaptativo completo se puede usar en combinación con otros métodos de inicio de desescarche y solo agregará un ciclo de desescarche según sea necesario. El desescarche adaptativo no impacta ni utiliza la parada de desescarche.
  • El método de parada y los temporizadores relacionados aún deben optimizarse para diferentes aplicaciones.
  • Deben establecerse períodos de desescarche adecuados según las condiciones individuales y la aplicación.

Experiencia

Para comprender la lógica subyacente del desescarche adaptativo, es importante comprender primero el concepto de equilibrio energético. El balance energético se trata de la contabilidad y sigue la primera ley de la termodinámica: la energía no se puede crear ni destruir, pero se puede cambiar.

La aplicación de esta ley a un evaporador en un supermercado significa que cuando se elimina el calor que fluye a través del evaporador / intercambiador de calor, debe agregarse al flujo de refrigerante. Cuando el aire fluye a través del evaporador, la temperatura o el "contenido de energía" del aire se reduce.

Según la primera ley de la termodinámica, esta reducción ΔQair debe corresponder al aumento de energía experimentado por el refrigerante ΔQref. Puesto en forma matemática, esto significa que:

Ecuación 1: ΔQair = ΔQref => mairΔhair = mrefΔhref

Donde m denota el caudal másico y el subíndice denota el medio (aire o refrigerante), el cambio de entalpía a través del intercambiador de calor en el aire y el lado del refrigerante, respectivamente, se denota por x.

Principio de detección de escarcha

Cuando se forma escarcha en un intercambiador de calor, el flujo de aire a través del intercambiador de calor se reduce; esto incluye una reducción en el flujo de masa de aire. Pero el flujo de aire no se mide, lo que significa que no se puede usar para la detección de escarcha.

La tasa de flujo másico del refrigerante, y la diferencia de entalpía a través del evaporador en el lado del aire y del refrigerante, se pueden calcular utilizando la información y los datos del sensor disponibles en el controlador. Esto significa que se puede lograr una estimación del flujo másico de aire libre de escarcha utilizando la ecuación de balance de energía::

Ecuación 2: mair.icefree = mref.icefreeΔhref.icefree / Δhair.icefree

En la práctica, este flujo de masa sin hielo estimado se puede lograr escarcha después de un ciclo de desescarche y se utiliza como línea de base para el flujo de masa esperado a través del intercambiador de calor. Esto significa que la detección de escarcha verifica si el flujo de masa ha disminuido en comparación con la línea base.

Matemáticamente, esto se realiza comprobando el equilibrio de energía, suponiendo condiciones sin escarcha, de la siguiente manera:

Ecuación 3: mair.icefreeΔhair = mrefΔhref

Nota: El signo de igualdad en la ecuación 3 es verdadero cuando el serpentín del evaporador no tiene escarcha. Tan pronto como la escarcha comienza a formarse en el serpentín, el flujo de masa del aire se reduce y el lado izquierdo de la ecuación se vuelve más grande que el derecho.

Este desequilibrio es lo que utiliza el algoritmo de desescarche adaptativo como indicador de la acumulación de escarcha

El principio de detección de escarcha utilizando el balance de energía se puede comparar con una escala:

Paso 1: la escala se ajusta para equilibrar cuando la bobina está libre de escarcha justo después de un desescarche.

Paso 2: A medida que se acumula más hielo en la superficie del serpentín del evaporador, la absorción de calor medida en el lado del refrigerante disminuye en comparación con lo que se espera de un serpentín del evaporador sin escarcha. Finalmente, la báscula se vuelca y se señala una detección de escarcha.

Para ilustrar cómo funciona el algoritmo de desescarche adaptativo, pasamos datos de un experimento de laboratorio a través del algoritmo.

El propósito del experimento era generar datos de un evaporador mientras se acumulaba escarcha del evaporador sin hielo hasta que se bloqueó el flujo de aire a través del evaporador.

La figura 1 muestra los datos del experimento y la salida del algoritmo de desescarche adaptativo. Las curvas azul y roja en la parte inferior muestran la temperatura del aire que entra y sale del evaporador.

Los límites de temperatura para el termostato también se muestran en la gráfica en amarillo y morado. Además, se traza una variable de estado del controlador para indicar si el evaporador se está enfriando o calentando.

La gráfica superior muestra la salida del algoritmo de desescarche adaptativo, donde "1" es una solicitud de desescarche. El hielo podría detectarse al menos 24 horas antes de que la temperatura cruce el límite superior de la banda del termostato.

En el momento de la detección, es difícil ver mirando las temperaturas que se requiere un desescarche. Pero al observar la variable de estado de control, muestra que el ciclo de trabajo del termostato aumenta significativamente después del punto donde el desescarche adaptativo habría solicitado un desescarche, lo que significa que el rendimiento del evaporador ha disminuido.

El algoritmo de desescarche adaptativo asegura que se ejecutará un desescarche tan pronto como el rendimiento del evaporador comience a degradarse.

Adaptive refrost algorithm

Para que un sistema de refrigeración ofrezca un alto rendimiento constante, la adaptación continua a las condiciones de operación cambiantes es crítica, para ayudar a eliminar la formación de escarcha en el serpentín del evaporador y garantizar un buen rendimiento general del sistema.

Un alto rendimiento del serpentín del evaporador y sin escarcha, combinado con un control de inyección óptimo como el MSS o ALC, ayuda a garantizar que la temperatura de evaporación se maximice para un intercambio de calor óptimo entre el serpentín y el aire que pasa, y asegura que se mantenga la precisión.

Para que un sistema funcione de manera efectiva a una temperatura de evaporación alta, se debe aplicar la optimización adaptativa de Po para ayudar al sistema a operar con la presión de aspiración más alta posible, minimizando así el consumo de energía de los compresores.

Varias capas adaptativas de controles inteligentes ayudan a asegurar una alta eficiencia del sistema de manera consistente. Cada capa funciona de forma independiente y se adapta continuamente a las condiciones logrando el máximo rendimiento incluso de un serpentín de evaporador de bajo rendimiento.

El desecarche adaptativo, en combinación con la parada de desescarche por temperatura, ayuda a garantizar el número óptimo de ciclos de desescarche para mantener el evaporador libre de hielo.

Simplemente, el desescarche adaptativo puede ayudar a lograr el equilibrio perfecto entre mantener la calidad óptima de los alimentos y la eficiencia energética.

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