Секрет, що криється за адаптивним відтаванням від Danfoss

5 квітня 2022 р.

Перед тим як ближче ознайомитися з адаптивним відтаванням від Danfoss, давайте спочатку розглянемо найпоширеніші методи відтавання у холодильних вітринах, а також чому вони необхідні.

Для чого необхідне відтавання?

Лід може утворюватися в холодильних вітринах через кілька чинників, таких як вологість, температура поверхні випарника і навіть рух повітря. Якщо холодильні вітрини не розморожувати регулярно, то на випарнику може утворюватися лід і рух повітря буде обмежено або ж він припиниться взагалі, що призведе до послабленого та неефективного охолодження.

Слабкий рух повітря призведе до високих температур у холодильній вітрині, внаслідок чого формуються сигнали аварій про високу температуру. Високі температури повітря упродовж тривалих проміжків часу можуть спричинити зниження якості харчових продуктів і часто можуть призводити до їх втрати.

Разом з тим, хоча відтавання необхідне для безпечного та ефективного виконання операцій, існує баланс, якого потрібно дотримуватися.

Такі, які проводяться недостатньо часто, або короткі цикли відтавання можуть спричинити утворення льоду на випарнику, що пов’язано з ризиком виникнення необхідності в передчасному виклику працівника служби технічного обслуговування. Разом з тим, проведення занадто великої кількості циклів розморожування упродовж занадто тривалих проміжків часу може негативно вплинути на якість харчових продуктів. Це може спричинити також надмірне споживання електроенергії.

Чому адаптивне відтавання настільки інтелектуальне?

У зв’язку з тим, що вологість, температура повітря та його витрата можуть суттєво змінюватися через переповнення продуктами або залишення відчиненими дверей холодильної камери, навіть оптимальний часовий режим відтавання не може врахувати повною мірою умови роботи, що змінюються в широкому діапазоні.

Саме тому алгоритм керування адаптивним відтавання потрібен для гарантування проведення належної кількості циклів відтавання виходячи з умов, що мають місце в режимі реального часу.

Типові методи відтавання (сучасний стан)

Пристрої керування випарником AK-CC від Danfoss забезпечують виконання функції гнучкого керування, що надає користувачам змогу задавати велику кількість методів відтавання разом з великою кількістю методів запускання і зупинення процесу відтавання.

Температурні датчики контролеру AK-CC від Danfoss та місця їх розміщення:

S3 (повітря на вході випарника) – датчик температури зворотного повітря, що надходить з охолоджуваного об’єму

S4 (повітря на виході випарника) – датчик температури повітря, яке відходить від випарника та направляється для охолодження продуктів

S5 (зупинка відтавання) – датчик температури повітря, за якої потрібно припиняти відтавання

Цикл відтавання повітрям/зупинкою охолодження

Найкращий спосіб відтавання льоду залежить від будови вітрини чи камери, а також температурного режиму. У середньотемпературних камерах (5 °С) відтавання льоду можна досягти припиненням процесу штучного охолодження, забезпечуючи лише циркуляцію повітря вентиляторами.

Відтавання за рахунок електричних нагрівачів або гарячого газу

У низькотемпературних застосуваннях, тобто коли необхідна температура близька до –18 °C, лід можна розтопити тільки за допомогою джерела теплоти, яким зазвичай є електричний нагрівальний пристрій, розміщений поблизу випарника або нагрітий газ, що циркулює всередині трубки випарника.

Методи відтавання

Таймер початку відтавання

Найпростіший метод запуску процесу відтавання передбачає використання пристрою відліку часу (таймера) до початку відтавання, який перезапускається після кожного циклу відтавання.

Користуватися таймером має сенс також як додатковим пристроєм для реалізації інших методів запускання процесу відтавання. Наприклад, якщо цифровий вхід від іншого пристрою використовується для запускання циклу відтавання двічі на добу і має місце переривання подавання сигналу, то встановлення таймеру для виконання екстреного відтавання через 16 годин після останнього циклу може сприяти захисту системи.

Відтавання за розкладом

Це найпоширеніший метод запуску процесу відтавання, яке можна ініціювати через центральний блок моніторингу та управління, користуючись передачею даних через внутрішню мережу (польову шину), або від вбудованого розкладу відтавання безпосередньо в контролері. У разі використання розкладу, відтавання можна виконувати поза «пікових» годин або коли магазин закрито.

Максимальна тривалість роботи термостату

Менш поширеним методом запуску процесу відтавання є використання максимальної тривалості роботи термостату, яке враховує сумарний проміжок часу між процесами відтавання.

Запуск процесу відтавання вручну або від зовнішніх пристроїв

Цикли відтавання можна запускати також користуючись цифровим входом, мобільним додатком або кнопкою запуску/ зупинки процесу відтавання на дисплеях контролерів.

Усіма методами запуску процесу відтавання можна користуватися паралельно.

Час

Після вибору методу відтавання важливо обрати належний метод припинення або скасування процесу відтавання.

У разі використання методу циркуляції повітря у середньотемпературних холодильних камерах та відтринах може бути достатньо лише налаштовувати циркуляцію повітря у заданий момент часу. Але цикли відтавання, що передбачають використання електричних пристроїв або гарячого газу, потребують більш складних методів зупинки з метою уникнення перегрівання камери у час, коли відбувається розтоплення льоду.

Датчик температури відтавання S5 або датчик температури повітря, на виході випарника, S4

Датчик зупинки або скасування операції відтавання часто встановлюють на випарнику, де зазвичай утворюється лід. Слідкуючи за рівнем сигналу під час відтавання, цикл можна зупиняти в момент досягнення датчиком заданої температури.

Контролери AK-CC від Danfoss мають налаштування максимальної тривалості відтавання, яке використовують також як функцію забезпечення безпеки у комбінації з іншими методами зупинки процесу відтавання.

Ручна зупинка відтавання

Цикли відтавання можна зупинити також вручну через центральний блок управління, за допомогою додатку або ж за допомогою кнопки запуску/зупинки на дисплеях контролерів.

Такі, які проводяться занадто часто, або довготривалі цикли відтавання можуть негативно впливати на якість харчових продуктів та ефективність функціонування системи, що наражає на ризик досягнення температур харчових продуктів, за яких вони стають небезпечними для споживання, а також може спричинити виникнення непередбачуваних сигналів аварій про неналежні значення температури. Крім того, система споживатиме більше електроенергії для досягнення заданої температури після циклу відтавання.

Використання методу адаптивного відтавання в комбінації з температурним сенсором S5 може сприяти оптимізації циклів відтавання.

Алгоритм адаптивного відтавання від Danfoss забезпечує визначення кількості накопиченого льоду і може як запустити так і скасувати відтавання за розкладом, або на виконувати відтавання тільки в тому випадку, коли рух повітря погіршується через заморожування або накопичення льоду.

Концепція передбачає порівняння енергії, що на стороні потоку холодоагенту з енергією на стороні руху повітря. Наприклад, коли на випарнику немає льоду, має місце баланс енергії. У той же час, дисбаланс можна ідентифікувати у випадку, коли на поверхні випарника утворюється лід, що призводить до зниження витрати повітря через випарник.

Розрахунок потоку енергії та порівняння між витратами холодоагенту і повітря залежить від багатьох чинників та сигналів від датчиків і налаштувань самого контролеру, зокрема:

  • На стороні холодоагенту – температура конденсації Тс від контролеру управління холодильною станцією, що передається через центрадьний блок управління. Ре – це тиск у випарнику, S2 – температура на виході з випарника, а OD% – ступінь відкриття електронного розширювального клапана.
  • На стороні руху повітря – датчик температури повітря S3 на вході випарника (зворотне повітря), датчик температури повітря, що відходить від випарника S4 (повітря, яке направляється в камеру чи вітрину).

Моніторниг

Моніторниг можна налаштувати паралельно з іншими методами відтавання з метою генерування сигналу аварії у разі обмеженої витрати повітря або обледеніння випарника. Також додаткова аварія може бути активована для індикації проблем з потоком холодоагенту через випарник.

Адаптивний пропуск відтавання в денний час

Адаптивний пропуск в денний час дає контролеру змогу скасовувати і пропускати цикли відтавання, запрограмовані на денний час, проводячи їх у нічний час.

Пропускати можна тільки цикли відтавання, конфігуровані з використанням центрального блоку управління і або ж за допомогою вбудованого розкладу.

Адаптивний пропуск відтавання в денний і нічний час

У конфігурації адаптивного пропуску відтавання в денний і нічний час контролер може пропускати запрограмовані цикли відтавання 24 години на добу.

У той же час, з міркувань безпеки пропустити можна не більше ніж три послідовні цикли відтавання з проведенням четвертого циклу незалежно від кількості наявного льоду.

Повністю адаптивний режим

Повністю адаптивний режим являє собою оптимальний вибір у випадках застосування, коли немає необхідності запуску відтавання в певний час або по розкладу і буде активувати відтавання тільки коли лід перешкоджає потоку повітря. Як захід безпеки рекомендоване комбінування цього режиму з таймером відтавання або розкладом.

Ручне відтавання в усіх випадках можна виконувати незалежно від вибраного Вами методу відтавання.

Режим адаптивного відтавання
  • Для сприяння безпечній роботі обов’язково користуйтеся таймером відтавання в комбінації з іншими методами запуску процесу відтавання.
  • Під час зупинки циклу відтавання виходячи з показів температури датчиків S5 або S4 важливо гарантувати встановлення максимального часу процесу відтавання на більш довгий час, ніж Ви прогнозуєте для розплавлення льоду і досягнення температури припинення процесу. Якщо максимальний час процесу відтавання занадто короткий, то кожен процес відтавання спричинятиме появу сигналу аварії.
  • Якщо утворення льоду варіюється в різних секціях вітрини, то адаптивне відтавання з координованим відтаванням не рекомендоване.
  • У разі вибору пропуску відтавання, рекомендовано налаштовувати розклад для пікових потреб. Наприклад, на кількість відтаваннь, необхідну для найвищих значень вологості, забезпечуючи тим самим можливість контролеру автоматично пропускати додаткові цикли розморожування, коли це можливо.
  • Повністю адаптивне відтавання можна користуватися в комбінації з іншими методами запуску процесу відтавання, це лише може додати цикл відтавання за потреби. Адаптивне відтавання не впливає на зупинку процесу відтавання.
  • Для різних видів застосування однаково потрібно оптимізувати метод зупинки і відповідні інтервали і таймери.
  • Відповідні проміжки часу відтавання потрібно встановлювати виходячи з умов, що мають місце в конкретному випадку, і виду застосування.

Основи

Для розуміння логіки покладеної в основу адаптивного відтавання, важливо спочатку усвідомити поняття енергетичного балансу. Енергетичний баланс має відношення до розрахунку енергії і він підпорядковується першому закону термодинаміки – енергію неможна створити і знищити, але можна перетворити в іншу форму.

Застосування цього закону до випарника в супермаркеті означає, що коли теплота, що рухається через випарник/теплообмінник, відводиться, її потрібно додати до потоку холодоагенту. Коли повітря рухається через випарник, температура “запасу енергії” повітря знижується.

Відповідно до першого закону термодинаміки, це зниження ΔQair має відповідати збільшенню енергії холодоагенту ΔQref. У математичному вигляді це означає наступне:

Рівняння 1: ΔQair = ΔQref => mairΔhair = mrefΔhref

У цьому виразі m відповідає масовій витраті, індекс відповідає середовищу (повітря або холодоагент), а зміну ентальпії в теплообміннику на боці повітря і холодоагенту відповідно, позначено як Δh.

Принцип виявляння накопичення льоду

Коли на теплообміннику утворюється лід, витрата повітря в теплообміннику знижується, що означає також зниження масової витрати повітря. Але витрату повітря не вимірюють, і це означає, що нею неможна скористатися для виявляння намороженого льоду.

Масову витрату холодоагенту, а також різницю ентальпії у випарнику на боках повітря і холодоагенту, можна розрахувати, користуючись інформацією і показами датчиків, які передаються до контролеру. Це означає, що оцінити масову витрату повітря, в якому немає льоду, можна користуючись рівнянням балансу енергії:

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

На практиці цієї оціненої витрати повітря, в якому немає льоду, можна досягти одразу після проведення циклу відтавання, а її величиною користуються як основу для прогнозування масової витрати через теплообмінник. Це означає, що виявляння намороженого льоду передбачає перевірки того, чи знизилася масова витрата повітря порівняно з базовим значенням.

Математично це здійснюють перевіркою енергетичного балансу, виходячи з припущення про відсутність льоду, таким чином:

Рівняння 3: mair.icefreeΔhair = mrefΔhref

Примітка. Знак рівняння у рівнянні 3 дійсний, коли на змійовику випарника немає льоду. Щойно на змійовику розпочинається утворення намороженого льоду, масова витрата повітря знижується і ліва частина рівняння стає більшою за праву.

Цей дисбаланс – це саме те, що цей алгоритм адаптивного відтавання використовує як індикатор утворення льоду.

Принцип виявляння льоду з використанням енергетичного балансу можна порівняти з вагами:

1-й етап: Ваги налаштовують у відповідності до балансу, коли на змійовику немає намороженого льоду, одразу після відтавання.

2-й етап: У міру утворення більшої кількості льоду на поверхні змійовика випарника, виміряне значення відбору теплоти та боці холодоагенту зменшується у порівнянні з тим, що прогнозується для випарника, на якому немає льоду. Врешті решт баланс ваги порушується і подається сигнал про виявляння намороженого льоду.

Для ілюстрації того, яким чином функціонує алгоритм адаптивного відтавання, ми пропустили дані лабораторного експерименту через алгоритм.

Метою експерименту було отримання даних від випарника, коли лід утворювався на випарнику, до моменту блокування потоку повітря через випарник.

На рисунку 1 показано результати, отримані під час експерименту, а також результату виконання алгоритму адаптивного відтавання. Синя і червона крива в нижній частині показують температуру повітря, яке входить у випарник і виходить з нього.

На графіку жовтим і пурпурним кольором показано також температури вмикання і вимикання термостата. Крім того, на графік нанесено змінну стану пристрою керування для відображення того, охолоджується випарник чи нагрівається.

Верхній графік відображає результати виконання алгоритму адаптивного відтавання, де “1” відповідає поданню команди щодо відтавання. Лід можна виявити принаймні за 24 години до того як температура переходить верхню межу робочого діапазону термостату.

В момент виявлення, дивлячись на температури, важко зрозуміти, що відтавання потрібне. Але дивлячись на змінну стану контролеру можна побачити, що робочий цикл термостата значною мірою активізується після точки, в якій потрібно було б провести відтавання, що означає факт зниження робочих характеристик випарника.

Алгоритм адаптивного відтавання гарантує проведення відтавання одразу після початку зниження робочих характеристик випарника.

Adaptive refrost algorithm

Для того щоб холодильна система постійно забезпечувала високі робочі характеристики, надзвичайно важливе значення має постійна адаптація до умов роботи, яка сприяє уникненню утворення намороженого льоду на випарнику, а також гарантування належних робочих характеристик системи в цілому.

Випарника, на кому немає намороженого льоду, разом з методами оптимального адаптивного вприску, такими як MSS та ALC, допомагає забезпечити, що максимальну температуру випаровування для оптимального теплообміну між випарником і повітрям, яке проходить повз нього, а також гарантує підтримання процесу з необхідною точністю.

Для ефективного функціонування системи за високої температури випаровування потрібно реалізовувати адаптивну оптимізацію тиску всмоктування Po для сприяння функціонуванню системи за найвищого досяжного тиску всмоктування, в такий спосіб мінімізуючи споживання енергії компресорами.

Декілька адаптивних груп інтелектуальних управління допомагають забезпечувати постійно високу ефективність функціонування системи в цілому. Кожна група функціонує незалежно і безперервно забезпечує адаптацію до умов завдяки досягненню максимальних робочих характеристик навіть у випадку випарника з низькими робочими характеристиками.

Адаптивне відтавання у комбінації з зупинкою процесу відтавання по температурі допомагає гарантувати оптимальну кількість циклів для забезпечення відсутності намороженого льоду на випарнику.
Простіше кажучи, адаптивне відтавання може допомогти підтриманню ідеального балансу між збереженням оптимальної якості харчових продуктів та енергоефективністю.

Завантажити статтю у вигляді PDF (англ. мова)

Знайти більше інформації про наші рішення

  • if (isSmallPicture) { Smart store - Danfoss; } else if (isBigColumns) { Smart store - Danfoss } else { Smart store - Danfoss }
    "Розумний" магазин - Danfoss Smart store

    Рішення Smart Store («розумного магазину») підвищує безпеку харчових продуктів та зменшує витрати на енергію завдяки інтегрованому та розумному контролю охолодження, опалення, вентиляції, освітлення та інших використань.

  • if (isSmallPicture) { Управління холодильною системою; } else if (isBigColumns) { Управління холодильною системою } else { Управління холодильною системою }
    Управління холодильною системою

    Ваша холодильна система - це місце, де можна досягти максимальної енергоефективності. Щоб використати цей потенціал, вам потрібен розумний контролер, надійний розширювальний клапан і датчики високої точності, для забезпечення високоефективної роботи, а також системний менеджер, для забезпечення віддаленого моніторингу та управління.