零過熱力膨脹閥啟動過程的分析與控制

零過熱力膨脹閥啟動過程的分析與控制

作為新冷態(tài)自制的一個組成部分，電子熱卷排除器在很多方面研究了驅(qū)動方法、流量特征和控制算法，尤其是在控制算法方面。然而，許多研究表明，電子熱態(tài)分配器在冷卻系統(tǒng)的正常調(diào)整中發(fā)揮著重要作用，而對啟動過程的控制很少。大多數(shù)算法都是有償?shù)?，沒有在實際應(yīng)用中報告。國外的一些空調(diào)器公司有幾項專利，但國內(nèi)的研究基本上沒有進行。制冷系統(tǒng)啟動過程開始時蒸發(fā)器過熱度為零,不能用過熱度來控制電子膨脹閥開度.啟動過程中系統(tǒng)狀態(tài)變化范圍大、速度快,利用穩(wěn)定運行點附近建立的模型和正常運行時的控制規(guī)律很難得到滿意的效果.因此,制冷系統(tǒng)啟動過程中必須依據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)變化的特點,單獨設(shè)定一個電子膨脹閥的控制程序.本文通過分析啟動過程中制冷系統(tǒng)狀態(tài)及熱力膨脹閥的特點,提出適于電子膨脹閥啟動控制的策略和方法.1電子膨脹閥dzf5實驗系統(tǒng)如圖1所示,其中制冷裝置的組成部件及其主要參數(shù)如下:(1)選用法國泰康CAJ4511A活塞式壓縮機,220V/50Hz,名義功率745.7W,使用工質(zhì)R12,氣缸行程容積32.7cm3.(2)冷凝器為翅片管式、風(fēng)冷,管內(nèi)徑8mm,管外徑10mm,管長9.12m.(3)蒸發(fā)器為光裸螺旋管式,浸在冷媒水中,管內(nèi)徑13mm,管外徑15mm,管長13m.冷媒水水箱為圓筒形,直徑700mm.(4)電子膨脹閥型號為DZF15,DC12V供電,4相步進電機驅(qū)動,1-2相勵磁,驅(qū)動頻率小于35Hz,全閉到全開步數(shù)為320.(5)熱力膨脹閥型號為RF12N1.5-1.9,標準制冷量2.2kW,空調(diào)制冷量2.0kW,閥口通徑?1.5mm,可調(diào)過熱度2~8°C.(6)為改變蒸發(fā)器負荷,在蒸發(fā)器容器底部放置了1個電加熱器,通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)加熱器的輸入電壓,從而改變其加熱量.加熱器的加熱功率通過功率表讀出.為了提高蒸發(fā)器的效率,并使蒸發(fā)器冷媒水的溫度均勻,在蒸發(fā)器水箱中部安置了1個小型攪拌器;為了防止停機過程中制冷劑的遷移作用,在膨脹閥前有1個電磁閥;電子膨脹閥與熱力膨脹閥并聯(lián)接入系統(tǒng),并在每個支路上安裝1個手動截止閥,可切換2個支路上的膨脹閥,以便系統(tǒng)分別進行電子膨脹閥和熱力膨脹閥的實驗.蒸發(fā)器進、出口溫度和冷媒水溫度是電子膨脹閥控制器程序中所必須的3個值,它們用熱電偶測量,經(jīng)過AD595和LM324放大后,輸入單片機,再由單片機經(jīng)串行口發(fā)送至PC機記錄、顯示.2啟動過程過熱力制冷裝置長時間停機時,由于膨脹閥和截止閥不可能完全關(guān)死,制冷劑會在冷凝壓力、蒸發(fā)壓力兩者的壓差作用下向蒸發(fā)器遷移,并凝結(jié)成液體.另外,蒸發(fā)器在系統(tǒng)中可能位置較低,這樣液態(tài)制冷劑就會在重力作用下集聚在蒸發(fā)器內(nèi),冷凝器中則是氣態(tài)制冷劑.因此,啟動前蒸發(fā)器中可能會集聚大量的液態(tài)制冷劑.啟動剛開始過熱度會在零過熱度附近停留較長時間.對定轉(zhuǎn)速壓縮機而言,啟動瞬時轉(zhuǎn)速會立即達到額定轉(zhuǎn)速,此時壓縮機吸入制冷劑蒸氣比容較小,壓縮機吸排氣壓差小,容積效率高,故壓縮機的制冷劑質(zhì)量流量很大,其啟動瞬時的最大值可以達到正常運行時的3~4倍.而此時,膨脹閥進、出口壓差尚未建立,通過膨脹閥的制冷劑質(zhì)量流量很小.由于蒸發(fā)器進出口制冷劑質(zhì)量流量的差異,制冷系統(tǒng)在隨后的運行中蒸發(fā)器容易出現(xiàn)制冷劑儲量的缺乏,造成過熱度大大超過設(shè)定值.由于以上兩方面的原因,在啟動過程中過熱度很難迅速達到設(shè)定值.3pi控制器參數(shù)首先在實驗臺上研究電子膨脹閥PI(比例積分,ProportionIntegral)控制的啟動過程.PI參數(shù)的整定方法如下:將蒸發(fā)器過熱度對電子膨脹閥的響應(yīng)用一階帶延遲的傳遞函數(shù)近似為G(s)=k1e?sτ/(1+T1s)(1)G(s)=k1e-sτ/(1+Τ1s)(1)式中:G(s)為傳遞函數(shù);k1為增益;T1為時間常數(shù);s為拉普拉斯算子;τ為延遲.參數(shù)k1、τ和T1可以由過熱度對電子膨脹閥脈沖階躍變化的響應(yīng)曲線求得,如圖2所示.從圖中得出的蒸發(fā)器響應(yīng)動態(tài)特性參數(shù):時間常數(shù)T1=100s;延遲時間τ=30s;增益k1=-0.28°C/脈沖.根據(jù)實驗得到的k1、τ和T1,采用Ziegler與Nichols提出的經(jīng)驗公式,可以得到PI控制器參數(shù);比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp=10.7°C-1;積分調(diào)節(jié)系數(shù)TI=90(s·°C)-1.圖3給出了PI控制的啟動特性.蒸發(fā)器過熱度設(shè)定為5°C.由圖可見,啟動過程中,以正常運行時的PI控制規(guī)律調(diào)節(jié)電子膨脹閥,會出現(xiàn)蒸發(fā)器過熱度的振蕩,嚴重時可能會使壓縮機因吸入濕蒸氣而液擊.所以,必須研究啟動過程電子膨脹閥的控制策略.4熱力膨脹閥的開度為研究電子膨脹閥啟動控制策略,先分析熱力膨脹閥的啟動特性(見圖4).由圖4可見,如果僅從過熱度變化速度及超調(diào)量來看,本系統(tǒng)所選配的熱力膨脹閥的啟動性能相當好.經(jīng)過約50s的過熱度為零的時間后,過熱度開始上升,大約在100s后,過熱度基本穩(wěn)定在5°C,而且沒有過調(diào)量.整個啟動過程快速、平穩(wěn).但仔細分析熱力膨脹閥的開度及系統(tǒng)參數(shù)的變化會發(fā)現(xiàn),這樣的啟動過程仍存在一定的問題.實驗系統(tǒng)采用同工質(zhì)液充的熱力膨脹閥.制冷系統(tǒng)啟動前,系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),由于彈簧力的作用,熱力膨脹閥是關(guān)閉的.這一點可從圖4中蒸發(fā)器出口溫度比進口溫度在系統(tǒng)啟動瞬時反應(yīng)早這一現(xiàn)象得到印證.啟動后,由于壓縮機的抽氣作用,蒸發(fā)器內(nèi)壓力迅速下降,在啟動后的20s左右就達到最小值,這使熱力膨脹閥隔膜下方的壓力迅速下降.而此時蒸發(fā)器進、出口溫度的反應(yīng)速度要慢很多,用于感受蒸發(fā)器出口溫度的熱力膨脹閥感溫包內(nèi)制冷劑的壓力反應(yīng)則更遲后.這樣,在開啟初期,熱力膨脹閥隔膜上方的壓力就會遠大于下方的壓力與彈簧壓力之和,閥針被推向下方,閥開度很大,蒸發(fā)器出口狀態(tài)為兩相狀態(tài).這樣的情況一直持續(xù)到蒸發(fā)壓力變化趨于平緩.此后,熱力膨脹閥感溫包內(nèi)的壓力才會逐漸與隔膜下方的壓力接近,閥針會逐漸關(guān)小,減小蒸發(fā)器的供液量,蒸發(fā)器的過熱度逐漸上升,并達到設(shè)定值.所以,啟動過程熱力膨脹閥開度的變化應(yīng)該是,從關(guān)閥狀態(tài),迅速開大到最大開度,然后逐漸關(guān)小,最后使過熱度達到設(shè)定值附近.所以從表面上看圖4中過熱度的響應(yīng)曲線很理想,但它的過熱度平穩(wěn)變化是以在啟動初期蒸發(fā)器出口較長時間處于兩相狀態(tài)為代價的.對于吸氣過電機的全封閉壓縮機或者吸氣前有氣液分離器的壓縮機,蒸發(fā)器出口短時少量帶液無多大危害,但如果蒸發(fā)器出口兩相制冷劑不經(jīng)其他措施直接進入壓縮機吸氣腔,則會造成壓縮機液擊.5電子卷繞閥啟動過程的控制5.1減少蒸發(fā)器高效工作電子膨脹閥在制冷機啟動過程控制中要解決好2個問題:①要使啟動初始時蒸發(fā)器出口為兩相狀態(tài)經(jīng)歷的時間盡可能短;②不能使過熱度隨后大大超過設(shè)定值.要解決第1個問題,需減少蒸發(fā)器內(nèi)存的液態(tài)制冷劑.具體做法是:在壓縮機停機前先關(guān)閉電子膨脹閥,使壓縮機對蒸發(fā)器進行一段抽空;在電子膨脹閥的上游安裝1個電磁閥,防止停機過程中電子膨脹閥關(guān)閥不嚴,制冷劑向蒸發(fā)器遷移.第2個問題則應(yīng)從控制策略上去考慮.啟動過程中過熱度響應(yīng)的3個性能指標(如圖5所示)定義如下.(1)零熱量時間t0啟動初期,過熱度小于1°C所經(jīng)歷的時間.(2)shmax最大熱量偏差shmm啟動過程中過熱度響應(yīng)曲線的最大值與設(shè)定值(sh1)的差值.(3)節(jié)流閥的開度從啟動開始算起,過熱度過渡到設(shè)定值范圍內(nèi)所需的時間.這三項主要指標的要求是互相矛盾的,例如,要使零過熱度時間短,必須在啟動時關(guān)閉節(jié)流閥或使節(jié)流閥的開度非常小,而這又容易造成啟動后最大過熱度偏差過大.因此,在實際中,只能采取折衷的方案.5.2膨脹閥啟動控制策略根據(jù)啟動過程制冷系統(tǒng)的特性分析及反復(fù)的實驗,發(fā)現(xiàn)啟動過程中電子膨脹閥較為理想的開度變化應(yīng)該為:在啟動時先使電子膨脹閥處于關(guān)閉位置,延時一段時間后,將閥開至一個較大的位置,再延時一段時間后,轉(zhuǎn)移到基本的控制.針對本實驗系統(tǒng)電子膨脹閥啟動控制策略為:閥關(guān)閉20s,然后將閥開至累計脈沖數(shù)為100處,延時20s,再轉(zhuǎn)移到正常的控制.實驗結(jié)果如圖6所示.由圖可見,零過熱度時間為30s,過熱度偏差超調(diào)量3.4°C(過熱度設(shè)定值為6°C),調(diào)整時間250s.與熱力膨脹閥啟動特性相比(圖4中,零過熱度時間為50s,過熱度偏差超調(diào)量0°C,調(diào)整時間120s),超調(diào)量大,調(diào)整時間長,但零過熱度時間縮短了.6關(guān)閉電子膨脹閥制