制冷系统启动过程电子膨胀阀的控制

09年12月17日 10:31:19 　 来源：中国空调制冷网　朱瑞琪　我要评论(0)    电子膨胀阀作为新型制冷自控元件,吸引了众多研究者从驱动方式、流量特性、控制算法等多方面对它进行研究,尤其在控制算法方面更为活跃.然而大多数研究关注的是电子膨胀阀在制冷系统正常调节过程中的问题,对于启动过程的控制却很少涉及,其算法也多为偿试性的,在实际应用中还未见报道.国外一些空调器公司有一些专利,但国内这方面的研究基本上还未开展.

    制冷系统启动过程开始时蒸发器过热度为零,不能用过热度来控制电子膨胀阀开度.启动过程中系统状态变化范围大、速度快,利用稳定运行点附近建立的模型和正常运行时的控制规律很难得到满意的效果.因此,制冷系统启动过程中必须依据系统状态变化的特点,单独设定一个电子膨胀阀的控制程序.

    本文通过分析启动过程中制冷系统状态及热力膨胀阀的特点,提出适于电子膨胀阀启动控制的策略和方法.

    1 实验装置

    实验系统制冷装置的组成部件及其主要参数如下:

    (1)选用法国泰康CAJ4511A活塞式压缩机,220 V/50 Hz,名义功率745.7 W,使用工质R12,气缸行程容积32.7 cm3.

    (2)冷凝器为翅片管式、风冷,管内径8 mm,管外径10 mm,管长9.12 m.

    (3)蒸发器为光裸螺旋管式,浸在冷媒水中,管内径13 mm,管外径15 mm,管长13 m.冷媒水水箱为圆筒形,直径700 mm.

    (4)电子膨胀阀型号为DZF15,DC12 V供电,4相步进电机驱动,1-2相励磁,驱动频率小于35 Hz,全闭到全开步数为320.

    (5)热力膨胀阀型号为RF12N1.5-1.9,标准制冷量2.2 kW,空调制冷量2.0 kW,阀口通径 1.5mm,可调过热度2~8°C.

    (6)为改变蒸发器负荷,在蒸发器容器底部放置了1个电加热器,通过调压器调节加热器的输入电压,从而改变其加热量.加热器的加热功率通过功率表读出.

    为了提高蒸发器的效率,并使蒸发器冷媒水的温度均匀,在蒸发器水箱中部安置了1个小型搅拌器;为了防止停机过程中制冷剂的迁移作用,在膨胀阀前有1个电磁阀;电子膨胀阀与热力膨胀阀并联接入系统,并在每个支路上安装1个手动截止阀,可切换2个支路上的膨胀阀,以便系统分别进行电子膨胀阀和热力膨胀阀的实验.

    蒸发器进、出口温度和冷媒水温度是电子膨胀阀控制器程序中所必须的3个值,它们用热电偶测量,经过AD595和LM324放大后,输入单片机,再由单片机经串行口发送至PC机记录、显示。

    2 启动过程制冷系统的特性

    制冷装置长时间停机时,由于膨胀阀和截止阀不可能完全关死,制冷剂会在冷凝压力、蒸发压力两者的压差作用下向蒸发器迁移,并凝结成液体.另外,蒸发器在系统中可能位置较低,这样液态制冷剂就会在重力作用下集聚在蒸发器内,冷凝器中则是气态制冷剂.因此,启动前蒸发器中可能会集聚大量的液态制冷剂.启动刚开始过热度会在零过热度附近停留较长时间.

    对定转速压缩机而言,启动瞬时转速会立即达到额定转速,此时压缩机吸入制冷剂蒸气比容较小,压缩机吸排气压差小,容积效率高,故压缩机的制冷剂质量流量很大,其启动瞬时的最大值可以达到正常运行时的3~4倍.而此时,膨胀阀进、出口压差尚未建立,通过膨胀阀的制冷剂质量流量很小.由于蒸发器进出口制冷剂质量流量的差异,制冷系统在随后的运行中蒸发器容易出现制冷剂储量的缺乏,造成过热度大大超过设定值.由于以上两方面的原因,在启动过程中过热度很难迅速达到设定值.

    3 热力膨胀阀启动特性

    为研究电子膨胀阀启动控制策略,先分析热力膨胀阀的启动特性.如果仅从过热度变化速度及超调量来看,本系统所选配的热力膨胀阀的启动性能相当好.经过约50 s的过热度为零的时间后,过热度开始上升,大约在100 s后,过热度基本稳定在5°C,而且没有过调量.整个启动过程快速、平稳.但仔细分析热力膨胀阀的开度及系统参数的变化会发现,这样的启动过程仍存在一定的问题.

   实验系统采用同工质液充的热力膨胀阀.制冷系统启动前,系统处于平衡状态,由于弹簧力的作用,热力膨胀阀是关闭的.这一点可从蒸发器出口温度比进口温度在系统启动瞬时反应早这一现象得到印证.

   启动后,由于压缩机的抽气作用,蒸发器内压力迅速下降,在启动后的20 s左右就达到最小值,这使热力膨胀阀隔膜下方的压力迅速下降.而此时蒸发器进、出口温度的反应速度要慢很多,用于感受蒸发器出口温度的热力膨胀阀感温包内制冷剂的压力反应则更迟后.这样,在开启初期,热力膨胀阀隔膜上方的压力就会远大于下方的压力与弹簧压力之和,阀针被推向下方,阀开度很大,蒸发器出口状态为两相状态.这样的情况一直持续到蒸发压力变化趋于平缓.此后,热力膨胀阀感温包内的压力才会逐渐与隔膜下方的压力接近,阀针会逐渐关小,减小蒸发器的供液量,蒸发器的过热度逐渐上升,并达到设定值.所以,启动过程热力膨胀阀开度的变化应该是,从关阀状态,迅速开大到最大开度,然后逐渐关小,最后使过热度达到设定值附近.所以从表面上看过热度的响应曲线很理想,但它的过热度平稳变化是以在启动初期蒸发器出口较长时间处于两相状态为代价的.对于吸气过电机的全封闭压缩机或者吸气前有气液分离器的压缩机,蒸发器出口短时少量带液无多大危害,但如果蒸发器出口两相制冷剂不经其他措施直接进入压缩机吸气腔,则会造成压缩机液击.

    4 电子膨胀阀启动过程的控制

    4.1 控制目标

    电子膨胀阀在制冷机启动过程控制中要解决好2个问题:①要使启动初始时蒸发器出口为两相状态经历的时间尽可能短;②不能使过热度随后大大超过设定值.要解决第1个问题,需减少蒸发器内存的液态制冷剂.具体做法是:在压缩机停机前先关闭电子膨胀阀,使压缩机对蒸发器进行一段抽空;在电子膨胀阀的上游安装1个电磁阀,防止停机过程中电子膨胀阀关阀不严,制冷剂向蒸发器迁移.第2个问题则应从控制策略上去考虑.

    启动过程中过热度响应的3个性能指标定义如下.

    (1)零过热度时间t0:启动初期,过热度小于1°C所经历的时间.

    (2)最大过热度偏差Δshmax:启动过程中过热度响应曲线的最大值与设定值(sh1)的差值.

    (3)调整时间ts:从启动开始算起,过热度过渡到设定值范围内所需的时间.

    这三项主要指标的要求是互相矛盾的,例如,要使零过热度时间短,必须在启动时关闭节流阀或使节流阀的开度非常小,而这又容易造成启动后最大过热度偏差过大.因此,在实际中,只能采取折衷的方案.

    4.2 控制策略及结果

    根据启动过程制冷系统的特性分析及反复的实验,发现启动过程中电子膨胀阀较为理想的开度变化应该为:在启动时先使电子膨胀阀处于关闭位置,延时一段时间后,将阀开至一个较大的位置,再延时一段时间后,转移到基本的控制.

    针对本实验系统电子膨胀阀启动控制策略为:阀关闭20 s,然后将阀开至累计脉冲数为100处,延时20s,再转移到正常的控制.零过热度时间为30s,过热度偏差超调量3.4°C(过热度设定值为6°C),调整时间250 s.与热力膨胀阀启动特性相比(零过热度时间为50 s,过热度偏差超调量0°C,调整时间120 s),超调量大,调整时间长,但零过热度时间缩短了.

    5 结语

    制冷系统启动过程电子膨胀阀的控制除了应考虑过热度过渡到正常值的速度和超调量外,还应考虑零过热度时间.为了改善零过热度时间,在上次压缩机停机前先关闭电子膨胀阀,使压缩机对蒸发器进行一段抽空;在启动时先使电子膨胀阀处于关闭位置,延时一段时间后,将阀开至一个较大的位置,再延时一段时间后,转移到基本的控制.

    以上控制策略兼顾零过热度时间和其他性能指标,取得了比较满意的结果.