ITPD20130208A1 - INVERTIBLE HEAT PUMP WITH OPTIMIZED DEFROST OR "DEFROSTING" FUNCTION ACCORDING TO THE ASSESSMENT OF OPERATING PARAMETERS - Google Patents
INVERTIBLE HEAT PUMP WITH OPTIMIZED DEFROST OR "DEFROSTING" FUNCTION ACCORDING TO THE ASSESSMENT OF OPERATING PARAMETERSInfo
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Description
POMPA DI CALORE INVERTIBILE CON FUNZIONE INVERTIBLE HEAT PUMP WITH FUNCTION
OTTIMIZZATA DI SBRINAMENTO O "DEFROSTING" SECONDO OPTIMIZED DEFROST OR "DEFROSTING" SECOND
LA VALUTAZIONE DI PARAMETRI CARATTERISTICI DI THE EVALUATION OF CHARACTERISTIC PARAMETERS OF
FUNZIONAMENTO OPERATION
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Il presente brevetto è attinente alle pompe di calore ed in particolare concerne una nuova pompa di calore invertibile, quindi funzionante come refrigeratore in stagione estiva, con funzione ottimizzata di sbrinamento o "defrosting", secondo la valutazione di parametri caratteristici di funzionamento. The present patent relates to heat pumps and in particular concerns a new reversible heat pump, therefore operating as a chiller in the summer season, with an optimized defrosting or "defrosting" function, according to the evaluation of characteristic operating parameters.
Sono noti gli impianti a ciclo frigorifero che utilizzano come sorgente termica e/o come pozzo termico l'aria esterna e/o l'aria da ambiente interno e/o derivante da processo generico. Refrigeration cycle plants are known which use the external air and / or the air from the internal environment and / or deriving from a generic process as a thermal source and / or as a thermal well.
Negli impianti a ciclo frigorifero avviene lo spostamento di energia termica da una sorgente a temperatura più bassa verso un pozzo termico a temperatura più alta tramite la spesa di un certo quantitativo di energia primaria. In refrigeration cycle systems, thermal energy is moved from a lower temperature source to a higher temperature thermal well through the expenditure of a certain amount of primary energy.
Se l'effetto utile è quello di estrarre di calore dalla sorgente, la macchina ha la funzione di refrigeratore o "chiller", mentre se l'effetto utile è quello di cedere calore al pozzo termico, la macchina ha la funzione di pompa di calore. If the useful effect is to extract heat from the source, the machine has the function of a refrigerator or "chiller", while if the useful effect is to transfer heat to the thermal well, the machine has the function of a heat pump .
In particolare, nelle pompe di calore che utilizzano come sorgente l'aria, lo scambio avviene tra l'aria esterna, da cui si estrae calore, e un fluido secondario. In particular, in heat pumps that use air as a source, the exchange takes place between the external air, from which heat is extracted, and a secondary fluid.
Durante il funzionamento come pompa di calore, avviene la formazione di ghiaccio sullo scambiatore esterno quando la temperatura esterna è prossima allo zero e l'umidità è elevata, poiché questa condensa in un primo momento e ghiaccia poi quando viene a contatto con le zone superficiali della batteria al di sotto degli 0°C con la formazione vera e propria di ghiaccio. During operation as a heat pump, ice formation occurs on the external exchanger when the external temperature is close to zero and the humidity is high, since this condenses at first and then freezes when it comes into contact with the surface areas of the coil below 0 ° C with the actual formation of ice.
Quando la temperatura esterna è sotto lo zero avviene il fenomeno del brinamento ossia il passaggio dallo stato di gas a quello solido dell'umidità presente nell'aria, saltando la fase liquida. When the external temperature is below zero, the phenomenon of frost occurs, that is the passage from the gas state to the solid state of the humidity present in the air, skipping the liquid phase.
La presenza di ghiaccio e/o brina sullo scambiatore esterno comporta una drastica riduzione dell'efficienza della macchina, con conseguente aumento dei consumi. The presence of ice and / or frost on the external exchanger leads to a drastic reduction in the efficiency of the machine, with a consequent increase in consumption.
E' nota quindi la necessità di dover procedere alla fase di sbrinamento o "defrosting" per sciogliere lo strato di ghiaccio e/o brina. It is therefore known that it is necessary to proceed with the defrosting or "defrosting" phase to melt the layer of ice and / or frost.
Tale processo, detto anche defrosting, avviene tramite sistemi il cui scopo è elevare la temperatura dello scambiatore utilizzato per l'aria esterna. This process, also called defrosting, takes place through systems whose purpose is to raise the temperature of the exchanger used for the outside air.
La fase di sbrinamento deve essere eseguita periodicamente e per una durata adeguata. per impedire che si formino strati di depositi solidi eccessivamente spessi che peggiorano le prestazioni di scambio termico. In tale caso, infatti, un singolo ciclo di defrosting potrebbe non essere sufficiente a sbrinare efficacemente lo scambiatore, con conseguente riduzione del rendimento, aumento dei consumi, perdita dell'effetto utile, oltre alla possibilità di verificarsi ulteriori inconvenienti per la macchina. Durante lo sbrinamento non si produce potenza termica utile ai fini del riscaldamento dell'ambiente interno ma viene comunque consumata energia, da cui si capisce la criticità di questo processo per avere le migliori performance della pompa di calore. The defrosting phase must be performed periodically and for an adequate duration. to prevent the formation of excessively thick layers of solid deposits which worsen the heat exchange performance. In this case, in fact, a single defrosting cycle may not be sufficient to effectively defrost the exchanger, with a consequent reduction in efficiency, increased consumption, loss of the useful effect, as well as the possibility of further problems for the machine. During defrosting, no useful thermal power is produced for heating the internal environment but energy is still consumed, from which we understand the criticality of this process in order to have the best performance of the heat pump.
E' quindi necessario regolare la frequenza degli sbrinamenti in modo da eseguire i cicli di defrosting solo quando necessario e in modo che abbiano la giusta durata, al fine di ottenere uno sbrinamento efficace. It is therefore necessary to adjust the frequency of defrosting in order to carry out the defrosting cycles only when necessary and in such a way that they have the right duration, in order to obtain an effective defrost.
Attualmente sono note varie modalità di regolazione della frequenza e durata dello sbrinamento, in funzione della tipologia di impianto, dell'area geografica e delle condizioni climatiche in cui la macchina deve funzionare. Una di queste modalità di defrosting, a titolo esemplificativo, prevede di determinare l'inizio del processo fisico in funzione della pressione del gas all'evaporatore, con i seguenti inconvenienti. Various ways of regulating the frequency and duration of defrosting are currently known, depending on the type of system, the geographical area and the climatic conditions in which the machine must operate. One of these defrosting modes, by way of example, involves determining the start of the physical process as a function of the gas pressure at the evaporator, with the following drawbacks.
Ad esempio, ad una pressione di 4 bar del refrigerante si attiva il defrosting. Ad una pressione più alta, ad esempio di 7 bar, il defrosting non si attiverebbe ma questo non significa che sia invece necessario attuare il processo per il corretto funzionamento della macchina poiché lo scambiatore potrebbe comunque essere ostruito da depositi di ghiaccio e/o brina. For example, defrosting is activated at a refrigerant pressure of 4 bar. At a higher pressure, for example 7 bar, the defrosting would not activate but this does not mean that it is instead necessary to implement the process for the correct operation of the machine since the exchanger could still be blocked by ice and / or frost deposits.
In condizioni climatiche come quelle italiane, infatti, l'evaporare a 7 bar considerando il refrigerante R410a come esempio, è una condizione tipica di funzionamento con temperature esterne prossime a 0°C, con formazione quindi di ghiaccio e/o brina. In climatic conditions such as the Italian ones, in fact, evaporating at 7 bar considering the R410a refrigerant as an example, is a typical operating condition with external temperatures close to 0 ° C, with the formation of ice and / or frost.
In tali condizioni, pertanto, non sarebbe conveniente attendere l'ulteriore diminuzione della pressione, in quanto a 4 bar lo strato di ghiaccio e/o brina formatosi sullo scambiatore esterno potrebbe essere troppo spesso per essere eliminato con un unico ciclo di defrosting. In these conditions, therefore, it would not be convenient to wait for a further decrease in pressure, since at 4 bar the layer of ice and / or frost formed on the external exchanger could be too thick to be eliminated with a single defrosting cycle.
In condizioni climatiche differenti, ad esempio quelle tipiche del Nord Europa, dove i valori di temperatura dell'aria esterna sono sempre molto bassi (ampiamente sotto 0°C) invece, il ciclo di defrosting potrebbe essere fatto non in funzione della pressione ma ad intervalli di tempo impostati arbitrariamente, ad esempio ogni 20 minuti. Anche questa soluzione non consente di ottenere il corretto funzionamento e le massime performance della pompa di calore. In different climatic conditions, for example those typical of Northern Europe, where the outside air temperature values are always very low (well below 0 ° C) instead, the defrosting cycle could be done not as a function of pressure but at intervals of time set arbitrarily, for example every 20 minutes. Even this solution does not allow to obtain correct operation and maximum performance of the heat pump.
Oggetto del presente brevetto è un nuovo tipo di pompa di calore invertibile con funzione ottimizzata di sbrinamento o "defrosting", ossia utilizzante un sistema di sbrinamento che operi secondo la valutazione di parametri caratteristici di funzionamento, per garantire la funzionalità della macchina quando sono presenti fenomeni di brinamento e/o formazioni di ghiaccio. Compito principale del presente trovato è quello di ottimizzare il funzionamento della pompa di calore allo scopo di ridurre i consumi dovuti ai processi defrosting non necessari o eseguiti con modalità, tempi e durate non corrette. The subject of this patent is a new type of reversible heat pump with an optimized defrosting or "defrosting" function, ie using a defrosting system that operates according to the evaluation of characteristic operating parameters, to ensure the functionality of the machine when phenomena are present. of frost and / or ice formations. The aim of the present invention is to optimize the operation of the heat pump in order to reduce consumption due to unnecessary defrosting processes or performed with incorrect methods, times and durations.
Altro scopo è quello di ottimizzare la frequenza e la durata dei processi di defrosting, in modo che lo sbrinamento venga eseguito quando effettivamente necessario. Another purpose is to optimize the frequency and duration of the defrosting processes, so that defrosting is performed when actually necessary.
Altro scopo è quello di eseguire i processi di defrosting tempestivamente, per evitare la formazione di strati di ghiaccio troppo spessi, che pregiudicherebbero l'efficienza della macchina e dei successivi sbrinamenti. Altro scopo del presente trovato è quello di essere applicato a qualunque tipologia di macchina a ciclo frigorifero con scambio aria esterna-aria interna o aria esterna-acqua di alimentazione all'impianto asservito gli svariati terminali e, per finire, scambio aria esterna – refrigerante con lo scopo di ottenere una transizione di fase di quest'ultimo (unità evaporanti). Questi ed altri scopi, diretti e complementari, sono raggiunti dal nuovo tipo di pompa di calore invertibile con funzione ottimizzata di sbrinamento o "defrosting", ossia utilizzante un sistema di sbrinamento che operi secondo la valutazione di parametri caratteristici di funzionamento. Another purpose is to carry out the defrosting processes in a timely manner, to avoid the formation of too thick layers of ice, which would jeopardize the efficiency of the machine and subsequent defrosts. Another purpose of the present invention is to be applied to any type of refrigeration cycle machine with external air-internal air exchange or external air-supply water to the system serving the various terminals and, finally, external air - refrigerant exchange with the purpose of obtaining a phase transition of the latter (evaporating units). These and other direct and complementary purposes are achieved by the new type of reversible heat pump with optimized defrosting or "defrosting" function, ie using a defrosting system which operates according to the evaluation of characteristic operating parameters.
La nuova pompa di calore comprende almeno un ventilatore con relativo motore, almeno uno scambiatore con l'aria esterna, e dispositivi atti ad eseguire la funzione di sbrinamento o defrosting di detta batteria. The new heat pump comprises at least one fan with relative motor, at least one exchanger with the external air, and devices suitable for carrying out the defrosting or defrosting function of said battery.
Tali dispositivi prevedono la valutazione di almeno un parametro in funzione del quale effettuare il ciclo di defrosting predisposto dalla macchina, e dove detto parametro è la potenza assorbita dal ventilatore. La nuova pompa di calore comprende quindi almeno un dispositivo atto ad eseguire la misurazione dell'assorbimento di potenza del motore del ventilatore e almeno una centralina elettronica o scheda elettronica atta ad elaborare detto parametro, e dove, raggiunta una soglia limite definita di tale valore ad un valore definito di giri del ventilatore, viene attivato lo sbrinamento. These devices provide for the evaluation of at least one parameter as a function of which to carry out the defrosting cycle set by the machine, and where said parameter is the power absorbed by the fan. The new heat pump therefore comprises at least one device suitable for measuring the power consumption of the fan motor and at least one electronic control unit or electronic card capable of processing said parameter, and where, once a defined limit threshold of this value has been reached, a defined value of fan revolutions, the defrost is activated.
Il richiedente ha infatti valutato che, a causa della formazione di ghiaccio e/o brina sullo scambiatore esterno, la resistenza al passaggio dell’aria dello scambiatore aumenta comportando una diminuzione della portata e un conseguente aumento del consumo del ventilatore. Questo parametro è diretta conseguenza della formazione di depositi solidi quindi si presta molto bene ad essere il discriminante per il ciclo di defrost. The applicant has in fact assessed that, due to the formation of ice and / or frost on the external exchanger, the resistance to the passage of air of the exchanger increases, leading to a decrease in the flow rate and a consequent increase in the consumption of the fan. This parameter is a direct consequence of the formation of solid deposits and therefore lends itself very well to being the discriminant for the defrost cycle.
Pertanto, quando l’assorbimento di potenza del ventilatore raggiunge una soglia limite causata dalla formazione di brina e/o ghiaccio che ostruiscono lo scambiatore, le condizioni di lavoro diventano sfavorevoli e pertanto risulta necessaria l'attivazione del processo di defrosting per il buon funzionamento della pompa di calore. Therefore, when the power absorption of the fan reaches a limit threshold caused by the formation of frost and / or ice that obstruct the exchanger, the working conditions become unfavorable and therefore it is necessary to activate the defrosting process for the proper functioning of the heat pump.
Tale valore limite dell'assorbimento di potenza viene stabilito mediante prove empiriche ed è funzione delle condizioni di lavoro del ventilatore e del compressore, secondo la logica di funzionamento interna della macchina. This limit value of power absorption is established by empirical tests and is a function of the working conditions of the fan and compressor, according to the internal operating logic of the machine.
In figura 1 è rappresentato un grafico portata-prevalenza riportante le curve caratteristiche di un ventilatore a numero di giri variabile, dove il numero di giri aumenta nelle curve da sinistra verso destra. Figure 1 shows a flow rate-head graph showing the characteristic curves of a variable number of revolutions fan, where the number of revolutions increases in the curves from left to right.
In figura 2 è rappresentato un grafico portata-assorbimento elettrico del medesimo ventilatore, dove è visibile come al variare della portata di un ventilatore varia l'assorbimento di potenza, dove il numero di giri aumenta nelle curve da sinistra verso destra e dal basso verso l'alto. Figure 2 shows a flow rate-electrical absorption graph of the same fan, where it is visible how as the flow rate of a fan varies, the power absorption varies, where the number of revolutions increases in the curves from left to right and from bottom to left. 'tall.
In figura 3 è rappresentato un grafico portata – pressione. Figure 3 shows a flow rate - pressure graph.
Nel grafico sono riportate le curve indicate con (A): ventilatorte a numero di giri costante; (B): perdita dello scambiatore; (C): perdita dello scambiatore con brina/ghiaccio. The graph shows the curves indicated with (A): fan with constant number of revolutions; (B): loss of the exchanger; (C): loss of the exchanger with frost / ice.
In figura 4 è rappresentato il grafico schematizzante il metodo di attivazione di un ciclo di defrosting, che inizia quando il valore dell'assorbimento di potenza del motore del ventilatore aumenta oltre la soglia limite (Z). Figure 4 shows the diagram schematizing the activation method of a defrosting cycle, which begins when the value of the power absorption of the fan motor increases beyond the limit threshold (Z).
Nel grafico sono riportate le curve indicate con (D): assorbimenti; (E): soglia limite. The graph shows the curves indicated with (D): absorption; (E): limit threshold.
Tale metodo è particolarmente efficace per la valutazione, in generale, del livello di intasamento della batteria, dove un aumento dell'assorbimento di potenza del ventilatore corrisponde ad un aumento dell'intasamento della batteria. Pertanto, raggiunto un valore limite ad esempio valutato empiricamente in funzione della tipologia di ventilatore, è possibile determinare uno stato di allarme nel quale viene segnalata l'esigenza di procedere con il defrost. This method is particularly effective for the evaluation, in general, of the clogging level of the coil, where an increase in the power absorption of the fan corresponds to an increase in the clogging of the coil. Therefore, once a limit value has been reached, for example evaluated empirically according to the type of fan, it is possible to determine an alarm state in which the need to proceed with the defrost is signaled.
La nuova pompa di calore comprende inoltre una o più sonde di temperatura atte a rilevare uno o più valori di temperatura come di seguito descritto e rivendicato e dove detta scheda elettronica elabora detti valori di temperatura rilevati per la determinazione di una o più ulteriori condizioni con l'attivazione del defrosting. The new heat pump also comprises one or more temperature probes suitable for detecting one or more temperature values as described and claimed below and where said electronic card processes said detected temperature values for the determination of one or more further conditions with the activation of defrosting.
In particolare, detta scheda elettronica valuta un ulteriore parametro, dove detto parametro è la differenza tra il valore effettivo della temperatura dell'aria esterna (Taria) rilevata da almeno una sonda, in corrispondenza della batteria di scambio dell’aria, e il valore della temperatura di evaporazione (Tevaporazione) rilevata da almeno un'ulteriore sonda. In particular, said electronic board evaluates a further parameter, where said parameter is the difference between the actual value of the external air temperature (Taria) detected by at least one probe, in correspondence with the air exchange coil, and the value of the evaporation temperature (evaporation) detected by at least one further probe.
Quando si verifica la seguente condizione When the following condition occurs
Taria – Tevaporazione >= X Taria - Evaporation> = X
dove X è un parametro che può essere un valore fisso, una serie di valori o una equazione, si attiva il processo di defrosting. Tale metodo è schematizzato in figura 5. where X is a parameter that can be a fixed value, a series of values or an equation, the defrosting process is activated. This method is schematized in figure 5.
Tale metodo è particolarmente efficace poiché valuta l'esigenza di sbrinare in funzione delle condizioni geo-climatiche in cui lavora la macchina. This method is particularly effective since it evaluates the need to defrost according to the geo-climatic conditions in which the machine works.
Ad esempio, in climi molto freddi ma con poca umidità, il defrosting si attiva solo a temperature esterne molto basse, limitando così il numero di cicli di defrosting che altrimenti sarebbero troppo frequenti. For example, in very cold climates but with little humidity, defrosting is activated only at very low external temperatures, thus limiting the number of defrosting cycles that would otherwise be too frequent.
Al contrario, in climi più caldi ma umidi, il defrosting si attiva anche a temperature prossime allo zero, quando a causa del tasso di umidità, si inizia a formare uno strato di brina. On the contrary, in warmer but humid climates, defrosting is activated even at temperatures close to zero, when a layer of frost begins to form due to the humidity.
Si prevede inoltre che detta scheda di temperatura valuti un ulteriore parametro, dove detto parametro è la differenza tra il valore della temperatura dello scambiatore (Tscambiatore) della parte bassa, dove inizia la formazione della brina a causa del percolamento della condensa, detto valore essendo rilevato da apposita sonda dedicata, e il valore della temperatura di evaporazione (Tevaporazione). It is also expected that said temperature card evaluates a further parameter, where said parameter is the difference between the temperature value of the exchanger (Tscambiatore) of the lower part, where the formation of frost begins due to the percolation of the condensate, said value being detected by special dedicated probe, and the value of the evaporation temperature (Evaporation).
Quando si verifica la seguente condizione: When the following condition occurs:
Tevaporazione – Tscambiatore >= Y, Evaporation - T exchanger> = Y,
dove “Y” è un parametro che può essere un valore fisso, una serie di valori o una equazione, si attiva il processo di defrosting. where “Y” is a parameter which can be a fixed value, a series of values or an equation, the defrosting process is activated.
Ad esempio, con temperature dell'aria superiori a 0°C e alto tasso di umidità, l'acqua di condensa cola sulla batteria e la formazione di ghiaccio inizia solo nella parte bassa dello scambiatore, dove la temperatura quindi scende anche a valori ampiamente sotto gli 0°C. For example, with air temperatures above 0 ° C and high humidity, condensation water drips onto the coil and the formation of ice begins only in the lower part of the exchanger, where the temperature therefore also drops to values well below. 0 ° C.
Valutando la differenza tra il valore di temperatura nella parte bassa dello scambiatore e la temperatura di evaporazione è quindi possibile rilevare la formazione localizzata di ghiaccio e procedere pertanto allo sbrinamento. Per temperature prossime a 0°C, di poco superiori o di poco inferiori, si manifesta una progressiva formazione di ghiaccio e/o brina dello scambiatore in quanto la temperatura di evaporazione resta inferiore a 0°C, portando anche la temperatura superficiale dell’aletta della batteria dello scambiatore a valori inferiori a 0°C. By evaluating the difference between the temperature value in the lower part of the exchanger and the evaporation temperature, it is therefore possible to detect the localized formation of ice and therefore proceed with defrosting. For temperatures close to 0 ° C, slightly higher or slightly lower, a progressive formation of ice and / or frost occurs in the exchanger as the evaporation temperature remains below 0 ° C, bringing the surface temperature of the fin as well of the exchanger coil at values below 0 ° C.
In questi casi si dovrebbe procedere con l’inversione di ciclo per il defrosting penalizzando quindi le performance della pompa di calore. In alternativa si può procedere, per pulire la batteria, portando il compressore a velocità basse, ossia riducendo la potenza resa della macchina e quindi anche quella estratta dall’aria, e aumentando al massimo la velocità del ventilatore. In questo modo la temperatura di evaporazione e anche la temperatura della batteria superficiale dello scambiatore viene aumentata fino a valori superiori a 0°C per il tempo necessario ad ottenere l’effettivo sbrinamento dello scambiatore. In these cases, the cycle should be reversed for defrosting, thus penalizing the performance of the heat pump. Alternatively, you can proceed, to clean the battery, by bringing the compressor to low speeds, i.e. reducing the power output of the machine and therefore also that extracted from the air, and increasing the fan speed to the maximum. In this way the evaporation temperature and also the temperature of the surface coil of the exchanger is increased up to values above 0 ° C for the time necessary to obtain the effective defrosting of the exchanger.
Tutte le sopra citate pratiche per attivare il defrosting sono gestite tramite detta scheda elettronica in cui è implementato un software di gestione ed un comando che elaborano i vari parametri caratteristici della nuova pompa di calore. All the aforementioned practices for activating the defrosting are managed through said electronic card in which a management software and a command are implemented that process the various characteristic parameters of the new heat pump.
Queste sono le modalità schematiche sufficienti alla persona esperta per realizzare il trovato, di conseguenza, in concreta applicazione potranno esservi delle varianti senza pregiudizio alla sostanza del concetto innovativo. These are the schematic modalities sufficient for the skilled person to realize the invention, consequently, in concrete application there may be variations without prejudice to the substance of the innovative concept.
Pertanto con riferimento alla descrizione che precede e alle tavole accluse si esprimono le seguenti rivendicazioni. Therefore, with reference to the above description and the attached tables, the following claims are expressed.
Claims (1)
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IT000208A ITPD20130208A1 (en) | 2013-07-25 | 2013-07-25 | INVERTIBLE HEAT PUMP WITH OPTIMIZED DEFROST OR "DEFROSTING" FUNCTION ACCORDING TO THE ASSESSMENT OF OPERATING PARAMETERS |
Applications Claiming Priority (1)
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IT000208A ITPD20130208A1 (en) | 2013-07-25 | 2013-07-25 | INVERTIBLE HEAT PUMP WITH OPTIMIZED DEFROST OR "DEFROSTING" FUNCTION ACCORDING TO THE ASSESSMENT OF OPERATING PARAMETERS |
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