专利名称：商用制冷系统的运行方法
技术领域：
本发明总的涉及一种商用制冷系统，更具体地是涉及中等温度食品商用制冷系统的基本无霜模式的运行。
背景技术：
在传统应用中，超级市场和便利店均装配有陈列柜，这些陈列柜可以是开放式的或装有隔门的，用来将新鲜食品和饮料展示给消费者并将新鲜食品和饮料保持在一制冷的环境中。一般，由掠过蒸发器盘管热交换表面的空气将冷湿空气提供给产品陈列区，蒸发器盘管位于陈列柜内与产品陈列区域分开的区域，这样消费者看不见蒸发器。诸如R-404A型制冷剂之类的合适制冷剂流过蒸发器盘管的热交换管。当制冷剂在蒸发器盘管中蒸发时，热量被流过蒸发器的空气吸收，从而降低空气温度。
制冷系统安装于超级市场和便利店以将一处于适当状态的制冷剂提供给设备中的陈列柜的蒸发器盘管。所有的制冷系统均至少包括一压缩机、一冷凝器、连接于陈列柜的至少一个蒸发器、一恒温膨胀阀以及将这些装置连接于封闭循环回路中的合适的制冷剂管路。恒温膨胀阀相对于蒸发器入口的制冷剂流在上游侧而设置于制冷管路中，用来使制冷剂膨胀。膨胀阀用来计量液态制冷剂并使其在进入蒸发器前膨胀至由具体的制冷剂确定的所需低压，膨胀的结果是制冷剂的温度也明显下降。当低压、低温的液体经过蒸发管并吸收掠过蒸发器表面的空气的热量时，它被蒸发。一般，超级市场和杂货店制冷系统包括位于多个陈列柜内的多个蒸发器、多个压缩机组成的组件(称作压缩机架)以及一个或多个冷凝器。
另外，在某些制冷系统中，一蒸发器压力调节阀(EPR)被置于在蒸发器出口处的制冷剂管路中。EPR阀用来将蒸发器中的压力维持在一个由所使用的具体制冷剂确定的预定压力设定点以上。在用于冷却水的制冷系统中，公知的是设置EPR阀用来将蒸发器内的制冷剂维持在水的冰点以上。例如，在使用冷却剂R-12的冷水制冷系统中，EPR阀可设定在32psig(磅/平方英寸，表压)的压力设定点，这相当于34°F的制冷剂温度。
在传统应用中，在食品陈列制冷系统中的蒸发器一般与温度低于水的结霜点的制冷剂一起运行。这样，在运行时，当掠过蒸发器表面的冷空气中的水分与蒸发器表面接触时，蒸发器上将结霜。对于中等温度制冷陈列柜，诸如那些通常用于陈列农产品、牛奶和其它日用品、或肉类的陈列柜，被制冷的产品必须维持在通常为28到41°F的温度，具体温度取决于具体的制冷产品。例如，对于中等温度农产品陈列柜，商用制冷领域的传统做法是将循环冷却空气通过一蒸发器的管子，通过该管子的制冷剂约在21°F沸腾，从而将冷却空气温度维持在约31或32°F。例如，对于中等温度日用品陈列柜，商用制冷领域的传统做法是将循环冷却空气通过一蒸发器的管子，通过该管子的制冷剂约在21°F沸腾，从而将冷却空气温度维持在约28或29°F。例如，对于中等温度肉类陈列柜，商用制冷领域的传统做法是将循环冷却空气通过一蒸发器的管子，其中制冷剂约在15到18°F沸腾，从而将冷却空气温度维持在约26°F的温度。在这些制冷剂温度下，管壁的外表面将处于霜点以下的温度。由于蒸发器表面上结霜，蒸发器的性能变差，流过蒸发器的自由气流受到约束，并且在极端情况下停止。
商用制冷行业的强制通风蒸发器中所使用的传统翅片管型热交换器盘管的特征是翅片密度较低，通常为每英寸2至4个翅片。商用制冷行业的传统做法是，在中等温度和低温场合的蒸发器中仅使用低翅片密度的热交换器。这种做法造成蒸发器热交换器表面可能结霜，所需的除霜作业之间的时间需要延长。随着霜的形成，空气通过相邻翅片之间的有效流动间隔逐渐变小，直到在极端情况下该间隔被霜填满。由于霜的形成，热交换器性能变差，受充分制冷的空气流到产品陈列区的流量降低，因而必须启动除霜循环。
因此，传统的中等温度制冷食品陈列系统一般配备有一除霜系统，该除霜系统可选择性地或自动地运行而去除蒸发器表面上所形成的霜，通常在24小时的时间周期内运行一到四次，每次循环长达110分钟。制冷食品陈列系统上的蒸发器的传统除霜方法包括使空气掠过一电加热元件，从那里再掠过蒸发器，使外界温度的商店空气掠过蒸发器，并使热致冷剂气体通过制冷剂管路以及通过蒸发器。按照后一通常称作热气体除霜的方法，来自压缩机的通常约在75到120°F的热气态制冷剂通过蒸发器，对蒸发器热交换器盘管加热。通过使热气态制冷剂冷凝而释放出的潜热融化掉蒸发器上的霜。热气态制冷剂在结霜的蒸发器中冷凝，并以冷凝液形式返回到一收集器，而不是直接回到压缩机，以防止产生压缩机满溢和可能的损坏。
便蒸发器除霜虽然可有效去除霜并因而重建适当的空气流动以及蒸发器工作条件，但它仍有一些缺点。由于在除霜期间的冷却循环必须中断，产品的温度在除霜期间上升。这样，在商用陈列柜中的产品将反复受到一段时间的冷热交替作用。因此，传统的中等温度超市商用食品陈列柜在除霜循环过程中的产品温度可能超过美国食品药品管理局所规定的41°F的限度。而且，在制冷系统上还必须提供另外的控制以使除霜循环适当定序，特别是在具有多个商用制冷柜的商店中用以保证所有商用柜不会同时处于除霜状态。因此，希望使商用制冷柜、尤其是中等温度商用柜在连续的、基本无霜的状态下运行，而无需采用除霜循环。
Mercer的第3,577,744号美国专利公开了一种开放式制冷陈列柜的运行方法，其中产品区保持无霜状态而蒸发器盘管保持无冰状态。在所公开的方法中，使用一个小的副蒸发器来使加压储存的外界空气干燥。随后，将冷却的、被除湿的气体按计量注入主冷却空气流并与产品区表面保持紧密接触地流过。由于与表面紧密接触的空气被除湿，在产品区的表面上就不会结霜。
Velkoff的第3,681,896号美国专利公开了通过将一种静电荷充至空气蒸汽流和引入蒸汽流中的水来控制诸如蒸发器之类的热交换器中形成霜的方法。带电的水滴使空气中的水蒸气凝在一起，这些带电的凝聚的水蒸气和水滴聚积于充有相反电荷的置于热交换器盘管上游侧的板表面上。这样，掠过热交换器盘管的冷却空气具有相对较低的湿度，热交换器盘管上就不会发生结霜现象。
Schwitzgebel的第4,272,969号美国专利公开了一种用来维持一高湿度、无霜环境的的制冷器。在蒸发器出口和压缩机之间的回流管路上安装诸如吸入压调节阀或毛细管之类的一附加节流元件，用以调节流量而使蒸发器表面温度维持在摄氏零度以上。另外，蒸发器表面的尺寸远大于具有相同制冷容积的传统制冷器所使用的蒸发器表面，最好是传统蒸发器尺寸的两倍，并可达到传统蒸发器尺寸的十倍。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种以基本无霜模式运行商用制冷系统的方法。
按照本发明的一个方面，提供了一种商用制冷系统的运行方法，它包括以下步骤在第一制冷模式中使制冷剂在一相对较低的温度下通过陈列柜蒸发器，并在第二制冷模式中使制冷剂在一相对较高的温度下通过蒸发器。相对较高的温度高于相对较低的温度约2到12°F，并且该运行在第一制冷模式和第二制冷模式之间按序进行。最有利的是，相对较低的温度在24到32°F的范围内，而相对较高的温度在31到38°F的范围内。在本发明该方面的另一实施例中，运行从制冷模式进到一中等温度制冷模式，接着进到第二制冷模式，然后再回到第一制冷模式。在中等温度制冷模式中，制冷剂在一个处于第一制冷模式的相对较低的制冷剂温度与第二制冷剂模式的相对较高的制冷剂温度之间的温度下通过蒸发器。最有利的是，中等温度制冷模式中的制冷剂温度约在31到32°F的范围内。
按照本发明的另一个方面，提供了一种商用制冷系统的运行方法，它包括以下步骤将蒸发器压力控制阀设定在第一制冷模式的第一设定点压力，将蒸发器压力控制阀设定在第二制冷模式的第二设定点压力，第二设定点压力高于第一设定点压力。运行在第一制冷模式和第二制冷模式之间按顺序进行。
本发明的另一个目的在于提供一种可以基本无霜模式运行的中等温度商用制冷柜。按照本发明的装置的方面，一种商用制冷系统包括一压缩机、一冷凝器、一具有一蒸发器的陈列柜，所有部件均连接于一封闭的制冷回路中，一膨胀装置、一蒸发器压力控制装置以及一控制器。该控制器在第一制冷模式中将蒸发器压力控制阀保持在与第一制冷剂温度相当的制冷剂第一设定点压力，并在第二制冷模式中将蒸发器压力控制阀保持在与第二制冷剂温度相当的制冷剂第二设定点压力，该第二制冷剂温度高于第一制冷剂温度约2到12°F。
为进一步理解本发明，下面将结合附图对本发明的较佳实施例作详细的描述，附图中图1是采用本发明的商用制冷系统的示意图；以及图2是图1中示意性表示的该商用制冷系统的一种代表性布局的立视图。
具体实施例方式
为便于阐述，本发明的商用制冷系统表示为具有一带单个蒸发器的单个陈列柜、单个冷凝器和单个压缩机。应该理解的是，本发明的原理可适用于具有单个或多个陈列柜(每个陈列柜中具有一个或多个蒸发器)、单个或多个冷凝器和/或单个或多个压缩机配置的商用制冷系统的各种不同的实施例。
下面参阅图1和图2，本发明的商用制冷系统10包括一压缩机20、一冷凝器30、一蒸发器40、一膨胀装置50和一蒸发器压力控制装置60，均通过制冷剂管路12、14、16和18连接在封闭的制冷回路中。另外，系统10还包括一控制器90。然而，应该理解的是，本发明也可适用于具有附加的元件、控制装置和附件的制冷系统。压缩机20的出口或高压侧通过制冷剂管路12连接于冷凝器30的入口。冷凝器30的出口34通过制冷剂管路14连接于膨胀装置50的入口。膨胀装置50的出口通过冷凝剂管路16连接于置于陈列柜内的蒸发器40的入口42。蒸发器40的出口44通过通常称为吸入管的制冷剂管路18连接而回到压缩机20的吸入或低压侧。
最好是翅片管型热交换器盘管形式的蒸发器40设置在陈列柜100的隔间110内，该隔间110与产品陈列区120分离并位于其下方。在传统应用中，空气通过自然流动或借助风扇70循环通过蒸发器40并由此循环通过产品陈列区120，从而使储藏于产品陈列区120内的置物架130上的产品维持在一个低于陈列柜100附近的商店区内外界温度的温度下。当空气经过蒸发器40时，它掠过翅片管型热交换器盘管的外表面而与流过热交换器盘管的管道的制冷剂建立热交换关系。
最有利的是，高效率蒸发器40的翅片管型热交换器盘管具有相对较高的翅片密度，也就是每英寸至少5个翅片的翅片密度，最好是在每英寸6到15个翅片的范围内。高效率蒸发器40的较佳实施例的相对较高翅片密度的热交换器盘管能够在制冷剂温度与蒸发器出口空气温度的温差显著低于传统商用制冷低翅片密度蒸发器的状况下运行。
最好位于陈列柜100内靠近蒸发器处的膨胀装置50可安装于制冷剂管路14中的任何位置，用来计量流入蒸发器40内的液态制冷剂流的正确流量。在传统应用中，当尽可能多地不使液态制冷剂流出蒸发器40而进入吸入管18时，蒸发器40的效率最高。尽管可使用任何具体形式的传统膨胀装置，但膨胀装置50最好包括一恒温膨胀阀52(TXV)，它具有一热传感元件，诸如一安装成与蒸发器40出口44下游处的吸入管18热接触的感应球头54。感应球头54通过一传统的毛细管56连接回到恒温膨胀阀52。
蒸发器压力控制装置60可包括一由步进电机控制的吸入压力调节器或任何传统的蒸发器压力调节阀(统称为EPRV)，用来通过调节经由吸入管18离开蒸发器40的制冷剂流量，将蒸发器内的压力维持在一预选的所需工作压力设定点。通过将蒸发器内的工作压力维持在该所需压力，蒸发器中从液体膨胀为气体的制冷剂的温度将维持在一具体的温度下，该温度与流过蒸发器的具体制冷剂有关。
因此，由于每种具体的制冷剂都具有其特有的温-压特征曲线，理论上可通过将EPRV 60设定在一由具体制冷剂确定的预定最小压力设定点而提供蒸发器40的无霜运行。这样，蒸发器40内的制冷剂温度可有效维持在一个温度点，在该温度点，与制冷空间内的潮湿空气相接触的蒸发器40的所有外表面均在结霜温度以上。然而，由于结构上的阻碍或者气流在蒸发器盘管上分配不当，盘管上的一些位置可能陷入结霜条件，导致霜的形成。
控制器90用于调节EPRV 60工作的设定点压力。控制器90从至少一个传感器接收输入信号，该传感器与蒸发器40可操作地相联，用以检测表示制冷剂在蒸发器40内的沸腾温度的蒸发器40工作参数。该传感器可包括一压力传感器92，它安装在吸入管路18上靠近蒸发器40的出口44处，用于检测蒸发器出口压力。来自压力传感器92的信号91表示蒸发器40内制冷剂的工作压力，因而对于给定的所使用的制冷剂来说，表示该制冷剂在蒸发器40内的沸腾温度。或者，该传感器可包括一温度传感器94，它安装在蒸发器40的盘管上，用于检测蒸发器盘管的外表面的工作温度。来自温度传感器94的信号93表示蒸发器盘管外表面的工作温度，因而也表示制冷剂在蒸发器40内的沸腾温度。
有利的是，可同时安装压力传感器92和温度传感器94，使控制器90从这两个传感器接收输入信号，从而在有一个传感器发生故障时提供安全性能。
控制器90从传感器92和/或传感器94的输入信号确定蒸发器工作的实际制冷剂沸腾温度。在将所确定的实际制冷剂沸腾温度与制冷剂沸腾温度的所需工作范围相比较后，控制器90根据需要调节EPRV 60的设定点压力，以将蒸发器40工作的制冷剂沸腾温度维持在所需的范围内。按照本发明，控制器90用于将EPRV 60的设定点压力选择性地调节于第一时间周期的第一设定点压力下和第二时间周期的第二设定点压力下，并连续地使EPRV 60在这两个设定点压力之间循环。第一设定点压力选择成处于在使用中并在饱和状态下与24°F到32°F(包含这两个温度)范围内的制冷剂温度相当的制冷剂压力范围内。第二设定点压力选择成处于在使用中并在饱和状态下与31°F到38°F(包含这两个温度)范围内的制冷剂温度相当的制冷剂压力范围内。因此，按照本发明，蒸发器40内的制冷剂沸腾温度始终维持在一制冷水平，在第一时间周期的24°F到32°F范围内的第一温度与第二时间周期的31°F到38°F范围内的略高的第二温度之间循环。在这种循环模式的运行中，蒸发器40持续地以制冷模式运行，而在第一工作循环中在较低的制冷剂沸腾温度下可能形成的任何不希望有的局部霜，得以在第二工作循环中在较高的制冷剂沸腾温度下周期性地去除。通常，将第二工作循环中的蒸发器内的制冷剂沸腾温度维持在第一工作循环中所保持的制冷剂沸腾温度以上约2到12°F是较为有利的。
虽然第一工作循环期和第二工作循环期各自的持续时间会因陈列柜的不同而变化，但通常第一时间周期显著超过第二时间周期。例如，在相对较低的制冷剂沸腾温度下的通常的第一工作时间周期约持续两小时到几天，而在相对较高的制冷剂沸腾温度下的通常的第二工作时间周期约持续十五到四十分钟。然而，制冷系统的操作者可在不脱离本发明的精神和范围的情况下选择性地和独立地对控制器90进行编程，以实现任何所需的第一时间周期和第二时间周期的持续时间。
在从相对较低制冷剂沸腾温度下的运行转换到后续的相对较高制冷剂沸腾温度下的运行的过程中，暂时地维持约为31到32°F的中间温度下的稳态运行是较为有利的。在该中间温度下的运行的时间周期通常持续约十分钟以下，一般约为四到八分钟。例如，在单压缩机制冷系统上，这种中间稳态阶段是需要的，作为用于避免过量压缩机循环的手段。在从相对较高制冷剂沸腾温度下的运行返回相对较低制冷剂沸腾温度下的运行的过程中，不设置中间稳态阶段。
除了在按本发明的防霜处理方法运行的陈列柜中特别有用以外，高效率蒸发器40的较佳实施例的高翅片密度热交换器盘管在体积上也比具有同等热交换能力的传统商用制冷蒸发器更为紧凑。例如，由密歇根州Niles的Tyler制冷公司制造的用于L6D8型中等温度陈列柜的蒸发器，它设计成可与20°F的制冷剂一起使用。它具有一传统设计的翅片管型热交换器盘管，具有10排直径为5/8英寸、翅片密度为每英寸2.1个翅片的管道，提供了约为495平方英尺的热交换表面积以及约为8.7立方英尺的体积。将高翅片密度、高效率蒸发器安装于L6D8陈列柜中，按照本发明，陈列柜可成功地以相对无霜的模式运行。高效率的蒸发器在制冷剂温度为29°F的温度下运行。与前述传统热交换器相比，高效率蒸发器的高翅片密度热交换器具有8排3/8英寸直径、翅片密度为每英寸10个翅片的管道，在约4立方英尺的体积中提供了约1000平方英尺的热交换面积。这样，在该场合，本发明的高效率蒸发器在名义上可提供两倍的热传导表面积，而仅占传统蒸发器体积的一半。
尽管已对本发明较佳实施例作了描述和示例，然而本技术领域的技术人员可进行其它的变化。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书的范围所限定。
权利要求
1.一种商用制冷系统的运行方法，该系统包括一具有一蒸发器的陈列柜，所述方法包括使制冷剂在第一制冷运行模式的一相对较低的温度下通过所述蒸发器；使制冷剂在第二制冷运行模式的一相对较高的温度下通过所述蒸发器，所述相对较高的温度高于所述相对较低的温度约2到12°F；并且使所述第一制冷模式和所述第二制冷模式之间按序运行。
2.一种商用制冷系统的运行方法，该系统包括一具有一蒸发器的陈列柜、一压缩机、一冷凝器，所有部件均连接于一含制冷剂的制冷回路中，一在所述蒸发器上游设置于所述制冷回路中并与所述蒸发器可操作地相联的膨胀装置、以及一在所述蒸发器下游设置于所述制冷回路中并与所述蒸发器可操作地相联的蒸发器压力控制阀，所述方法包括将所述蒸发器压力控制阀设定在第一制冷运行模式的第一设定点压力；将所述蒸发器压力控制阀设定在第二制冷运行模式的第二设定点压力，所述第二设定点压力高于所述第一设定点压力；并且使所述第一制冷模式和所述第二制冷模式之间按序运行。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一制冷模式长于所述第二制冷模式。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一设定点压力使所述蒸发器中的制冷剂温度在24到32°F的范围内，所述第二设定点压力使制冷剂温度在31到38°F的范围内。
5.一种中等温度商用食品制冷系统，它具有一包括一蒸发器的陈列柜、一压缩机、一冷凝器和一位于所述蒸发器上游并与所述蒸发器可操作地相联的膨胀装置，所有这些部件均连接于一制冷回路中，其特征在于一在所述蒸发器下游设置于所述制冷回路中并与所述蒸发器可操作地相联的蒸发器压力控制阀，所述蒸发器压力控制阀具有第一设定点压力和第二设定点压力；以及一与所述蒸发器压力控制阀可操作地相联的控制器，用于在第一制冷模式中将所述第一设定点压力维持在与第一制冷剂温度相当的制冷剂压力下，在第二制冷模式中将制冷剂的所述第二设定点压力维持与第二制冷剂温度相当，所述第二制冷剂温度高于所述第一制冷剂温度约2到12°F，并使所述第一制冷模式和所述第二制冷模式之间按序运行。
6.如权利要求5所述的制冷系统，其特征在于，所述蒸发器具有一翅片密度在每英寸6到15个翅片的范围内的翅片管型热交换器。
7.如权利要求5所述的制冷系统，其特征在于，所述第一制冷剂温度在24到32°F的范围内，所述第二制冷剂温度在31到38°F的范围内。
8.一种商用制冷系统的运行方法，该系统包括一具有一蒸发器的陈列柜，所述方法包括使制冷剂在第一制冷运行模式的一相对较低的温度下通过所述蒸发器；使制冷剂在第二制冷运行模式的一相对较高的温度下通过所述蒸发器，所述相对较高的温度高于所述相对较低的温度约2到12°F；使制冷剂在中间温度制冷模式的一处于所述相当较低温度与所述相当较高温度之间的中间温度下通过所述蒸发器；并且使运行从所述第一制冷模式进到所述中间温度制冷模式再进到所述第二制冷模式，然后回到所述第一制冷模式。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一制冷模式持续至少约2小时，所述中间温度制冷模式持续约少于10分钟，所述第二制冷描述持续约至少15到45分钟。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述相对较低的温度在24到32°F的范围内，所述相对较高的温度在31到38°F的范围内，所述中间温度在31到32°的范围内。
全文摘要
一商用制冷系统(10)包括:一压缩机(20)、一冷凝器(30)、一带蒸发器(40)的陈列柜(100)、一膨胀装置(50)和一蒸发器压力控制装置(60),这些部件均通过制冷剂管路(12、14、16和18)连接于一封闭的制冷回路。蒸发器压力控制装置(60)用于将蒸发器中压力维持在一设定点压力,从而将在蒸发器(40)内从液体膨胀为气体的制冷剂维持在一所需的温度。一与蒸发器压力控制装置(60)可操作地相联的控制器(90)在第一制冷模式中将设定点压力维持在与第一制冷剂温度相当的第一制冷剂压力下,并在第二制冷模式中将设定点压力维持在与第二制冷剂温度相当的第二制冷剂压力下,该第二制冷剂温度高于第一制冷剂温度约2到12°F。控制器(90)使所述第一制冷模式和所述第二制冷模式之间按序运行。
文档编号F25B1/00GK1340686SQ01122299
公开日2002年3月20日 申请日期2001年8月22日 优先权日2000年8月31日
发明者夸克·夸翁·丰吉, 罗伯特·霍根·洛伊根·基亚根, 小尤金·杜安·达迪斯 申请人:开利公司