通过使用空气温度测量来终止蒸发器除霜的方法与流程

本发明涉及一种通过监测离开蒸发器的空气的至少一个温度来终止蒸发器除霜的方法。当所监测的温度的变化速率接近零时，终止除霜。

背景技术：

比如制冷系统、热泵或空调系统等蒸气压缩系统通常受到控制以便以尽可能节能的方式提供所需的冷却能力或加热能力。在某些场景下，蒸气压缩系统的运行可能变得能效低，并且系统可能甚至变得不稳定或系统可能变得不能提供所需的冷却能力或加热能力。特别地，在蒸气压缩系统(比如带冷却室的制冷系统)运行期间，冰或霜将沉积在蒸发器的热传递表面上。即，冷却室中的水分凝结导致冰在制冷系统中的蒸发器上随时间积聚。堆积的冰会扰乱系统内部的空气循环。这导致冷却效率的降低，并且因此对热传递性能产生负面影响。在系统的冷却效率明显降低之前，必须先识别堆积的霜和冰。一旦识别出霜和冰，将启动除霜并且冰将开始融化。在除霜期间，加热蒸发器以融化堆积的冰。出于多种原因，期望该除霜模式持续的时间尽可能短。原因之一也是能效和能耗。另外，期望冷却室中包含的物品几乎所有时间都被冷却。因此，在最佳情况下，所有的冰和霜融化后，应立即终止除霜。

在商用制冷系统中，典型地在除霜启动后的预定时间段之后终止除霜。在一个示例中，该预定时间段可能不足以进行完全除霜，并且系统在蒸发器上可能具有残留的冰。在另一示例中，预定时间段可能比进行完全除霜所需的时间长，并且在这种情况下，除霜消耗了过多的能量，导致系统处于非最佳条件的时间段太长。在又一个示例中，可以对系统进行编程以在蒸发器内部达到一定温度时终止除霜。就蒸发器的完全除霜而言，这种方法可能也不是最佳的，因为蒸发器的某些部分可能仍残留有冰。残留的冰会影响系统的运行并且使得在除霜后本应处于高水平的性能有所降低。此外，残留的冰可能加速新冰层的积聚。

us2012/0042667披露了一种用于终止制冷单元的除霜功能的设备和方法。制冷单元包括：蒸发器；温度传感器，该温度传感器用于在除霜功能期间测量蒸发器的温度；以及控制器，该控制器被配置成计算温度变化的速率，并且当该速率满足特定标准(比如预定速率)、或该速率在蒸发器温度升高到水的凝固点以上之后急剧增加时终止除霜功能。

技术实现要素：

本发明的实施例的目的是提供一种以节能的方式终止蒸发器的完全除霜、从而在最佳时间段内提供完全除霜的方法。

本发明提供了一种用于终止蒸发器除霜的方法，该蒸发器是蒸气压缩系统的一部分，该蒸气压缩系统进一步包括压缩机单元、排热换热器、以及膨胀装置，该压缩机单元、该排热换热器、该膨胀装置、以及该蒸发器被布置在制冷剂路径中，并且空气流流过该蒸发器，该方法包括以下步骤：

-使该蒸气压缩系统以除霜模式运行；

-通过至少一个温度传感器监测离开该蒸发器的空气的至少一个温度t空气；

-监测温度t空气的变化速率；并且

-当该温度t空气的变化速率接近零时，终止除霜。

通过监测离开蒸发器的空气的至少一个温度，在蒸发器表面处存在冰的可能性降低。此外，只有当蒸发器的整个表面都去除了冰时，蒸发器的温度才可以稳定(即变得恒定)，并且只有在那时才会发生稳定的对流。当监测离开蒸发器的空气的至少一个温度的变化速率时，一旦从蒸发器上去除了所有的冰，就可以终止除霜。

该蒸气压缩系统包括蒸发器、压缩机单元、排热换热器、以及膨胀装置。可以存在多于一个蒸发器和多于一个膨胀装置。该压缩机单元可以包括一个或多个压缩机。在本文的上下文中，术语“蒸气压缩系统”应当被解释为意指以下任何系统：其中流体介质流(比如制冷剂)循环并且被交替地压缩和膨胀，由此提供对一定体积的制冷或加热。因此，该蒸气压缩系统可以是制冷系统、空调系统、热泵等。

蒸发器被布置在制冷剂路径中。制冷剂的液态部分在蒸发器中蒸发，同时在制冷剂与周围环境或流过蒸发器的辅助流体流之间发生热交换，使得热量被穿过蒸发器的制冷剂吸收。

压缩机单元接收来自蒸发器的制冷剂。然后，制冷剂通常呈气相，压缩机单元将该制冷剂压缩并且将该制冷剂进一步供应至排热换热器。

排热换热器可以例如呈冷凝器的形式或呈气体冷却器的形式，在该冷凝器中制冷剂至少部分地冷凝，在该气体冷却器中制冷剂被冷却、但是保持呈气态或跨临界状态。排热换热器也被布置在制冷剂路径中。

膨胀装置可以例如呈膨胀阀的形式。膨胀装置被布置在制冷剂路径中，从而向一个或多个蒸发器供应制冷剂。在比如制冷系统、空调系统、热泵等蒸气压缩系统中，流体介质(比如，制冷剂)交替地借助于一个或多个压缩机进行压缩以及借助于一个或多个膨胀装置进行膨胀，并且在一个或多个排热换热器(例如，呈冷凝器或气体冷却器的形式)中以及一个或多个吸热换热器(例如，呈蒸发器的形式)中发生流体介质与周围环境之间的热交换。

根据本发明，该蒸气压缩系统在除霜模式下运行。启动除霜模式以去除蒸发器上的任何堆积的霜或冰。除霜模式可以在必要时(即，当堆积冰霜达到预定水平时)启动，或者替代性地根据预定义的时间表启动。当在除霜模式下运行时，蒸发器被加热，因此在该蒸发器上形成的任何霜或冰都会融化。可以通过蒸发器入口将热气体注入蒸发器来执行对蒸发器的加热。替代性地，可以以另一种方式加热蒸发器，比如借助于电加热器。

在除霜期间，至少一个温度传感器监测离开蒸发器的空气的温度。可以在除霜模式开始时监测该至少一个温度。替代性地，可以在除霜模式启动一段时间后开始监测至少一个温度，因为在除霜的初始阶段，冰不会被融化，而能量可能耗费在加热蒸发器本身上。优选地，一旦蒸发器及其管被加热，仅在几分钟后就可以监测至少一个温度。当开始除霜循环时，将可能在温度随时间变化时存在大的阶跃。可能并不需要分析此阶跃。因此，为了更快地执行信号处理，延迟记录温度可能是有用的。在除霜期间，可以随时间连续监测至少一个温度。替代性地，可以以一定的频率间歇性地测量至少一个温度。至少一个温度传感器可以被放置在蒸发器的附近，即在可以记录空气温度的瞬态行为的该蒸发器的空气入口和/或空气出口上。以这种方式，测量离开蒸发器的空气的温度。在温度测量期间，可以关闭蒸发器的风扇。所测得的温度可以被传送到控制整个蒸气压缩系统运行的控制单元或处理器。

空气温度t空气的变化速率例如借助于上述控制单元或处理器来监测。通过监测空气温度的变化速率，可以分析空气温度的动态行为并且可以确定蒸发器的稳态条件。典型地，在除霜开始时，离开蒸发器的空气的温度可能会迅速上升。取决于霜或冰的量，温度t空气达到稳态所需的时间段可能是不同的并且可能长达60分钟。典型地，这个时间段在15与30分钟之间。替代性地，可以例如借助于控制单元或处理器来监测所测得的温度t空气变化。在又另一个替代方案中，可以监测变化速率和变化的混合，以确定蒸发器的稳态。

当霜和冰从蒸发器融化时，可以使温度t空气稳定并且达到指示稳态条件的恒定值。由于测量中的噪声，空气温度可能会出现小波动。当温度t空气具有恒定值时，即达到稳态条件时，温度的变化速率将为零。当t空气的变化速率接近零时，蒸发器以当其表面没有冰或霜时预期的方式运行。因此，温度t空气没有变化表明所有的冰或霜已经被去除并且没有必要进一步除霜。处理器可以分析温度t空气随时间的变化速率。如果t空气的变化速率在某个时间段内为零，则可以将来自处理器的信息传送到另一个控制单元以停止除霜。以这种方式，一旦从蒸发器的所有表面上去除所有的霜或冰，就终止除霜。

在本发明的一个实施例中，当温度t空气的变化速率已经持续预定时间地小于预定阈值时，可以执行终止除霜的步骤。在除霜期间并且持续一小段时间，可能发生的是，离开蒸发器的空气的温度具有恒定值。在此一小段时间期间，温度t空气的变化速率于是可能接近零。这种情况可能会出现在例如蒸发器的温度达到水的凝固点、并且温度t空气可能由于堆积的冰而接近水的凝固点、并且持续短时间段地保持相同的值时。为了避免过早终止除霜，变化速率可以持续预定时间段地小于预定阈值。预定时间可以超过一分钟。预定阈值可以比如在0℃/s与3℃/s之间、比如在0℃/s与2.5℃/s之间、比如在0℃/s与2℃/s之间、比如在0℃/s与1.5℃/s之间、并且比如在0℃/s与1℃/s之间，并且比如大约1℃/s、比如大约1.5℃/s、比如大约2℃/s、比如大约2.5℃/s、并且比如大约3℃/s。替代性地，可以在测量期间确定预定阈值，因为空气温度的动态行为可能取决于操作者的身高、体形和操作条件。

在除霜模式期间，来自压缩机单元的热气体可以被供应至蒸发器的入口，并且通过蒸发器的制冷剂通道。根据本实施例，借助于来自压缩机单元的热气体加热蒸发器。来自压缩机的热气体可以向后引导通过系统至蒸发器，例如通过适当地切换一个或多个阀。由此，冷却过程停止，并且系统在“反向模式”下运行，意味着制冷剂在系统中的流动变为反向。热气体的温度可以根据周围环境条件和蒸气压缩系统的条件而变化。典型地，热气体温度明显高于冰的融化温度。热气体温度可以是至少10℃、比如至少20℃、并且比如至少30℃。另外，热气体温度不可以高于50℃。如果热气体太热，则融化的冰可能形成湿云。然后，该湿云可能会留在蒸发器附近，这是不希望的，因为融化的冰优选在融化时保持为液相。由融化的冰形成的水可以通过排水管流出蒸发器。如果形成了湿云并且该湿云留在蒸发器周围，一旦除霜结束，湿云中的水分就会再次沉积在蒸发器上，并且以与冰相同的方式使蒸发器的性能下降。

作为替代方案，可以以任何其他合适的方式来加热蒸发器，比如借助于电加热元件等。

热气体可以从顶部到底部逐渐加热蒸发器，即，热气体可以进入蒸发器的顶部管并且逐渐流到蒸发器的底部，同时加热蒸发器并且融化堆积的冰。由于出于安全原因或为了消除液体锤击的风险，典型地将入口供给管布置在蒸发器的顶部，所以热气体可以从蒸发器的顶部进入蒸发器。当系统处于冷却模式时，热气体入口可以是出口。替代性地，热气体可以从底部到顶部逐渐加热蒸发器，即，热气体可以进入蒸发器的底部管并且逐渐流向蒸发器的顶部，同时加热蒸发器并且融化堆积的冰。

蒸发器中的空气和蒸发器周围的空气可以借助于对流加热。由于蒸发器内部的空气与蒸发器表面之间的温度差，对流可以自然发生。在一个示例中，由于管、这些管周围的空气以及蒸发器周围的空气的温度差，可以发生对流。一旦蒸发器本身的表面和蒸发器的管被加热，对流就可以开始。空气可以流入蒸发器风扇所在位置的方向并且流向蒸发器入口侧的开口。在除霜期间，可以关闭蒸发器的风扇，从而不会干扰除霜过程和热循环。

在本发明的一个实施例中，蒸发器可以处于满液状态。根据本实施例，在蒸发器的整个长度上都存在液态制冷剂，并且可以允许液态制冷剂离开蒸发器。为了防止液态制冷剂到达压缩机单元，可以在蒸发器与压缩机单元之间的制冷剂路径中布置接收器。然后，接收器可以将制冷剂分离成气态部分和液态部分，并且气态部分可以被供应至压缩机单元。然而，当在蒸发器的整个长度上都存在液态制冷剂时，可以确保最大程度地利用蒸发器的潜在冷却能力。因此，蒸发器产生的大部分热量可以用于蒸发。因此，在工业应用中(比如大型冷却室)，为了使冷却能力最大化，可以使用满液式蒸发器。

在本发明的一个实施例中，该方法可以进一步包括以下步骤：

-通过至少两个附加的温度传感器监测该蒸发器的热气体入口处的蒸发器入口温度te,入、以及该蒸发器的热气体出口处的蒸发器出口温度te,出；

-监测te,入与te,出之间的差的变化速率；并且

-当te,入与te,出之间的差的变化速率接近零时，终止除霜。

在除霜期间，至少两个附加的温度传感器可以监测热气体进入该蒸发器的蒸发器入口处的温度te,入、以及热气体离开该蒸发器的蒸发器出口处的温度te,出。与温度t空气的监测相似，可以从除霜模式开始时监测至少两个附加的温度。替代性地，可以在除霜模式启动一段时间后开始附加地监测温度，因为在除霜的初始阶段，没有冰会融化，而能量会消耗在加热蒸发器本身上。优选地，一旦蒸发器及其管被加热，仅在几分钟后就可以监测温度。在除霜期间，可以随时间连续监测温度。替代性地，可以以一定的频率间歇性地测量温度。温度传感器可以被安置在一个或多个蒸发器管上。以这种方式，测量到了蒸发器的热气体入口附近的表面的温度以及蒸发器的热气体出口附近的表面的温度。所测得的温度可以被传送到控制单元或处理器。

例如，借助于上述控制单元或处理器，可以监测te,入与te,出之差以及te,入与te,出之差的变化速率。典型地，在除霜开始时，入口处和出口处的温度将分别表现出基本上相同的动态行为。然后，蒸发器入口处的温度可能开始比蒸发器出口处的温度上升得更快。这是所预料到的，因为热空气可能首先融化更靠近热气体入口的区域处的霜和冰。取决于霜或冰的量，蒸发器的入口和出口处的温度不同并且以不同方式升高的时间段可能变化。

随着霜和冰从蒸发器融化，蒸发器的入口和出口处的温度可以稳定并且达到恒定值。当两个温度均具有恒定值时，它们的差将变为常数，因此差的变化速率将为零。当te,入与te,出之差的变化速率接近零时，蒸发器以当其表面没有冰或霜时预期的方式运行。因此，这两个温度之差没有变化表明所有的冰或霜已经被去除并且没有必要进一步除霜。处理器可以分析差随时间的变化速率。如果差的变化速率持续一定时间段为零，则可以将来自处理器的信息传送到另一个控制单元，以停止除霜。以这种方式，一旦从蒸发器去除所有的霜或冰，就终止除霜。

监测两个附加的温度可以用作除霜终止的备用测量。

与监测至少一个温度t空气时终止除霜类似，当te,入与te,出之差的变化速率已经持续预定时间地小于预定阈值时，可以执行终止除霜的步骤。在除霜期间并且持续一小段时间，可能发生的是，蒸发器的入口和出口处的两个温度以相同的方式变化。在此一小段时间期间，te,入与te,出之间的变化速率可以接近零。这种情况可能会出现在例如蒸发器的温度达到水的凝固点、并且温度te,入和te,出两者均可以由于堆积的冰而接近水的凝固点、并且持续短时间段地保持相同的值时。为了避免过早终止除霜，变化速率可以持续预定时间段地小于预定阈值。预定时间可以超过一分钟。预定阈值可以比如在0℃/s与5℃/s之间、比如在0℃/s与4℃/s之间、比如在0℃/s与3℃/s之间、比如在0℃/s与2℃/s之间、并且比如在零附近的0℃/s与1℃/s之间，并且比如大约1℃/s、比如大约2℃/s、比如大约3℃/s、比如大约4℃/s、并且比如大约5℃/s。

在本发明的又一实施例中，监测至少一个温度t空气的步骤可以包括：监测该蒸发器的空气入口处的第一空气温度t空气,入、以及该蒸发器的空气出口处的第二空气温度t空气,出。测量第二空气温度的附加的温度传感器可以用作测量空气入口处的第一空气温度的温度传感器的备用，并且反之亦然。

附图说明

现在将参考附图进一步详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了蒸气压缩系统的简化图，

图2示出了蒸发器的透视图(a)、(b)和在冷却模式下通过蒸发器的空气流的透视图(c)，

图3示出了在除霜模式下运行的蒸发器，

图4示出了当管上没有堆积的冰时，带有四排管的简易的蒸发器的表面温度随时间变化的简图，以及

图5示出了当管上有堆积的冰时，带有四排管的简易的蒸发器的表面温度随时间变化的简图。

具体实施方式

图1示出了蒸气压缩系统100的简化图，该蒸气压缩系统包括压缩机单元101、排热换热器102、膨胀装置103和蒸发器104。图1所示的压缩机单元101包括两个压缩机。应当注意的是，在本发明的范围内，压缩机单元101仅包括一个压缩机(例如可变容量的压缩机)，或者压缩机单元101包括三个或更多个压缩机。流经系统100的制冷剂在被供应至排热换热器102之前，被压缩机单元101压缩。在排热换热器102中，制冷剂与流过排热换热器102的辅助流体流发生热交换，使得热量从制冷剂中排出。在排热换热器102呈冷凝器的形式的情况下，穿过该排热换热器102的制冷剂至少部分地被冷凝。在排热换热器102呈气体冷却器的形式的情况下，穿过排热换热器102的制冷剂被冷却、但是保持呈气态。

离开排热换热器102的制冷剂然后穿过膨胀装置103，该膨胀装置例如可以呈膨胀阀的形式。正穿过膨胀装置103的制冷剂经历膨胀并且被进一步供应至蒸发器104。在蒸发器104中，制冷剂与流过蒸发器104的辅助流体流发生热交换，使得热量被制冷剂吸收、同时制冷剂至少部分地被蒸发。离开蒸发器104的制冷剂然后被供应至压缩机单元101。

图2(a)和图2(b)示出了蒸发器104的通用模型的透视图。在蒸发器104中，液态制冷剂蒸发成气态形式/蒸气。图2的蒸发器104包括多个管201，这些管引导液态制冷剂从中穿过并且这些管被封闭在蒸发器结构支撑件202中。管201典型地可以以水平方式布置。管201的长度可以变化，并且该长度可以限定蒸发器104的一个尺寸。蒸发器104包括风扇203，该风扇驱动辅助空气流穿过蒸发器104并且流过蒸发器管201，如图2(c)中的箭头204所示。在制冷系统的情况下，液态制冷剂吸收来自穿过蒸发器104的空气的热量，由此降低了空气的温度，并且为与蒸发器104接触的封闭容积提供了冷却。封闭容积例如可以是制冷室。

图3示出了在除霜模式下运行的蒸发器104的截面。在除霜模式期间，关闭风扇203。在除霜模式下，管201可以从内部通过热气体加热。当用热气体除霜时，蒸发器104从顶部部分301被加热，并且随着热气体流动穿过管201，蒸发器104的所有金属逐渐被加热。热气体将逐渐流向蒸发器104的底部部分302。由于热气体的质量和逐渐冷却/冷凝，蒸发器的顶部301和底部302被有延迟地加热。热气体加热管201，加热并且融化积聚在管201和翅片(未示出)上的冰。当整个蒸发器104在加热的同时，也在发生与周围空气的对流，即，翅片与管201之间的空气量也在加热。由于温度差异，空气量将开始自然移动，如箭头300所示。空气量朝着风扇203的方向移动，并且朝向蒸发器104的空气入口侧303上的开口移动。

在除霜期间，至少一个温度传感器305监测离开蒸发器104的空气的温度。替代性地，传感器305可以位于蒸发器104的空气入口303处，如虚线框306所示。当通过靠近蒸发器104的入口或出口的传感器305或306测量空气温度时，可以记录蒸发器内部的空气温度的瞬态行为。

图4(a)示出了仅具有四排管401-404的蒸发器400的简化模型。传感器305正在监测离开蒸发器400的空气的温度。在这个具有四排管的简易蒸发器400上，对周围空气的对流热传递q可以表示为q＝haδt，其中h是热传递系数[w/(km²)]，a是蒸发器面积[m²]，并且δt是t空气-te，te是蒸发温度。假设周围空气的大小相同、温度恒定，则总对流热传递可以表示为σq＝haσ(δt)。管401-404典型地用热气体逐个(即，以较短的时间延迟)加热，如图4(b)所示。图4(b)中的曲线图示出了蒸发器400的四个管401-404中的每一个管在蒸发器400及其管401-404上没有冰时的表面温度。管401-404被缓慢加热，并且经过一定时间后，其温度达到恒定值。这就是管401-404中的每一个管的稳态开始的时候。再次，在蒸发器400上没有冰或霜积聚的情况下，累计温差σ(δt)由图4(c)中的曲线405表示。管401-404的表面温度的累计温差σ(δt)反映了蒸发器400内部的周围空气温度的加热。然后，由传感器305监测相同的温度趋势。在最初的8分钟内，蒸发器400自身被加热，并且传感器305所测得的空气温度不断升高。一旦蒸发器400被加热，就会发生稳定的对流，并且蒸发器400的出口处的空气温度达到恒定值。即，当空气温度的变化速率接近零时并且可以终止除霜时。

图5(a)示出了当管401-404上有堆积的霜或冰时，带有四排管的同样简易的蒸发器400的表面温度随时间变化的简图501-504。曲线501对应于管401，这是因为第一排管401首先被加热。与图4(b)所示相比，冰融化的结果导致了不同的温度分布。这种情况下的温度变化与在最初的几分钟内没有冰的情况相似，这是因为开始时仅蒸发器本身在加热。当管的表面温度达到零时，冰开始融化并且表面温度在较短的时间段内保持相同的温度，如所有曲线501-504所示。在这较短的时间段内，管的表面温度的变化速率接近零。这一较短的时间段是当空气温度的变化速率在预定的时间内小于预定阈值时可以执行终止除霜步骤的原因之一。与没有冰的情况相比，当冰开始融化时，管的表面温度将再次上升并且不久达到稳态。这种差异可以在图5(b)中看到，其中示出了两种情况，曲线405表示没有冰时的空气温度变化，曲线505表示蒸发器400上有冰时的空气温度变化。可以看到，与蒸发器400上没有冰的情况相比，达到稳态的时间晚了2分钟以上。如上所述，蒸发器400内部的周围空气温度将被加热为累计温差的分布。当使用传感器305测量温度时，可以看到类似的分布。