變容量冷庫控制性能研究

鮑 勇，賈一鳴，張晨思，蔡 茅，趙松松

（1.佛山市技師學院，廣東 佛山 528000；2.天津商業大學，天津 300134；3.武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430070）

冷庫作為冷凍冷藏業的基礎設施，能夠有效延長食品的保存期[1-5]，保證食品的外觀和營養成分不流失。冷庫在運行時，貯藏量通常會有動態的變化，如果系統的制冷量不能隨之進行調整，就會造成冷庫運行效率的下降。變容量調節技術通過壓縮機并聯、控制壓縮機轉速、壓縮機多氣缸切換或卸載等方法可以實現冷媒流量的調節，從而調整系統制冷量。冷媒流量的動態變化需要較高精度的控制，否則容易造成庫溫和蒸發器過熱度波動較大的問題。所以，變容量高精度控制冷庫系統的研究對于提高冷庫適用范圍及降低貯藏成本具有重要意義。

目前常見的冷庫調節方法有壓縮機并聯系統調節、壓縮機變頻調節以及熱氣旁通調節。壓縮機并聯調節主要通過兩個或多個壓縮機的啟停來匹配系統的冷負荷變化。學者們研究了并聯壓縮機系統的控制技術，發現并聯系統的壓縮機存在回油困難、回油不均的問題，而且制冷系統的成本會增加很多[6-8]。變頻壓縮機通過變頻器調節壓縮機的轉速，實現庫溫的控制，Seibel等[9]、Hamad等[10]和Kuk等[11]對變頻壓縮機應用于制冷系統中的情況進行了試驗研究，發現使用變頻壓縮機可以節約能源，一定程度上提高系統的運行效率，但變頻壓縮機的使用需要增設各種閥件，增加了管路復雜程度，同時變頻器的電路板存在過熱失效的風險，增加了系統的故障率。有研究通過熱氣旁通來解決冷藏箱的結霜問題，并指出熱氣旁通開度和化霜效率之間存在的聯系[12-15]。目前國內外針對熱氣旁通用于冷庫變容量調節的研究較少。熱氣旁通變容量調節容易使蒸發器的溫度產生波動，如何精確地控制熱氣旁通的流量進而穩定蒸發器的溫度是目前研究的難點[16-18]。

本文通過熱氣旁通的方式實現系統的變容量調節。使用ANSYSFluent軟件對系統流場分布進行預測，以保證較好的溫度分布均勻性。將傳統熱力膨脹閥替換為電子膨脹閥，保證了溫控調節的精度與響應速度。使用比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制邏輯來實時調整熱氣旁通高低溫制冷劑混合的比例，以達到不同貯藏溫度的需求。試驗中通過對冷庫進行速凍、冷凍、預冷功能的切換，查看庫溫的變化及波動情況；在冷凍模式下設定溫度為-2℃，通過控溫后溫度波動的大小來比較控制精度的高低；在相同的環境中控溫，比較傳統冷庫和變容量冷庫的功耗差別。

1 冷凍冷藏系統

1.1 流場仿真

為了提高溫濕度控制的精度，庫體內部流場的均勻性需要得到控制，通過ANSYSFluent R18.2建立冷庫模型，并進行穩態求解，從而對冷庫內部的流場進行模擬。通過調整頂部出風口多孔材料的開孔率，使冷庫內部氣流組織有較好的均勻性。在冷庫中和風道處各布置5處熱線風速儀，用于驗證仿真結果的準確性。

圖1為冷庫的外形結構示意圖，外形尺寸長×寬×高=4.5 m×3.5 m×5.5 m，冷庫頂部分別為兩個條形送風口，取送風口的多孔結構開孔率為0.9，送風口寬0.3 m，頂部由兩臺冷風機經風道進行送風，每臺最大風量為10 000 m3/h，功率為400 W，冷風由頂部送風口吹出，再由冷庫底部回風。

圖1 冷庫結構示意圖Fig.1 Schematic diagramof cold storage structure

為取得較為準確的模擬結果，作以下假設：

（1）冷庫內部空氣為不可壓縮的理想氣體；

（2）冷庫為空庫，不存放貨物；

（3）冷庫內流場為穩態流動。

數學模型采用工程上常用的K-epsilon（2 eqn），壓力及速度采用SIMPLE算法，動量及能量方程用一階迎風格式離散化，控制方程如下：

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；φ為速度，m/s；溫度（K）等通用變量；V為各方向的速度，m/s；S為動量或能量方程的源項，即控制方程中的非穩態項，動量方程中源項的單位為N/m3，能量方程中源項的單位為W/m3。

邊界條件的設置如下：兩個風機送風口為入口邊界，采用入口速度3 m/s，溫度設置為0℃，冷庫下方回風口為壓力出口條件，速度按無滑移條件處理，壁面各方向速度為0，其余參數條件取軟件默認值。

1.2 制冷系統

如圖2所示，制冷系統采用VZH-044型丹佛斯變頻渦旋壓縮機，選用R404A制冷劑，系統包括3種運行模式——高溫、中溫和低溫模式。配備大尺寸蒸發器和噴液冷卻器用于低溫模式，小尺寸蒸發器則用于高溫模式，同時除霜時蒸發器交替運行。低溫模式時，制冷劑從儲液器進入噴液冷卻器，實現過冷的效果，得到更低的蒸發溫度。部分制冷劑從噴液冷卻器中直接進入壓縮機，壓縮機的排氣溫度得以降低，從而提高壓縮機的性能。

圖2 制冷系統原理圖Fig.2 Schematic diagramof the refrigeration system

中溫模式下，在低溫模式的基礎上添加智能控制的熱氣旁通閥，電動控制閥（ALCO-EX5）用來控制熱氣旁通，當部分高溫高壓制冷劑和低溫低壓兩相制冷劑混合，相應會增加蒸發壓力和蒸發溫度，實現中等負載下系統的運行。高溫模式則將蒸發器轉換為小尺寸，通過智能控制的變頻壓縮機和電子膨脹閥來實現溫濕度的精準控制，使蒸發溫度進一步提高到0℃以上，達到對采后果蔬預冷和冰溫貯藏的目的。

在高溫模式下，冷庫對果蔬的預冷及冷藏能夠快速達到溫度的穩定，一方面得益于PID控制邏輯的溫度調控；另一方面是由于制冷系統中采用了熱氣旁通來輔助控溫。庫內的溫度數據實時反饋到可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）中，經由PID控制邏輯處理后輸出調整后的庫溫，進而改變熱氣旁通閥以及電磁膨脹閥的開度，熱氣旁通閥在系統從低溫或中溫模式轉變為高溫預冷模式時能起到快速調節庫溫的作用。傳統預冷庫通過控制壓縮機的啟停來調節庫溫，溫度波動較大，且庫溫很難長時間地穩定在設定值。本系統中通過電磁膨脹閥和PID控制邏輯相配合，相較于傳統系統的熱力膨脹閥也較好地提高了溫控響應的速度，縮短了溫度調節時間，使庫溫波動快速趨于穩定。

采用安裝在庫體頂部的多孔板進行送風，下方均勻布置加濕管道，庫體底部的側邊還均勻分布了許多百葉結構，保證庫體內部溫濕度的均勻性。采用益加義公司產的EE21型溫濕傳感器，并將5個分布在庫體內的傳感器溫濕度的平均值作為庫體當前的溫濕度參數。

除制冷系統外，冷庫還配備了除霜系統，在除霜開始運行時，供風機、回風風機和安裝在風道中的電動空氣閥均被關閉，以防止熱量和水汽進入到貯藏室。隨后電加熱裝置運行，循環風機和裝在大容量蒸發器兩側的電動空氣閥被開啟。電加熱裝置運行期間，循環風機使得熱氣流被迫在旁路進行循環，達到除霜的效果。

1.3 熱氣旁通控制方法及邏輯

PID由于具有出色的控制效果和較強的魯棒性而得到廣泛的應用。將PID邏輯控制應用于系統旁通調節，在系統旁路中，通過將部分高溫制冷劑和進入蒸發器前的制冷劑混合，提高了進入蒸發器前制冷劑的焓值。通過熱氣旁通閥對制冷劑混合的比例進行調節，將貯藏庫溫度作為返回值和控制對象，由PID控制策略對旁通閥進行精準控制，從而實現穩定的庫體溫度。

由圖3所示，通過引入熱氣旁通的比例因子x，可以控制由壓縮機排出的高溫高壓氣體和經熱氣旁通閥后的低溫低壓兩相工質混合的比例，假設混合過程是絕熱，根據能量守恒及質量守恒定律可得：

式中：x為工質旁通比例因子；m為工質質量流量，kg/s；h為焓值，kJ/kg；Qevap為制冷量，kJ/s；COP為制冷性能系數；下標數字代表熱氣旁通壓焓圖（圖3）中的各個過程。

圖3 制冷系統熱氣旁通壓焓圖Fig.3 Pressure and enthalpy diagramof refrigeration system with hot gas bypass

PID控制的旁通因子升高，系統的蒸發溫度會隨之升高，實現運行模式從低溫模式到高溫模式的轉換，同時冷凝器的熱負荷和壓縮機功率降低，既實現了溫度調節，又提高了運行的效率。

由PID邏輯控制的電子膨脹閥能夠通過改變蒸發溫度進而對庫溫進行調整。與此同時，壓縮機的變頻器也會立即調節制冷劑流量從而控制過熱度的變化。制冷劑的流量則通過步進電機直接控制，驅動電機又會根據驅動模塊（EXD-U00）中的信息進行工作。對于變速渦旋壓縮機，將冷庫的溫度設定為控制對象。渦旋壓縮機的頻率由變頻器驅動（VLT-CDS803）控制在30～100 Hz之間。S7-300 PLC則用于控制基于PID理論的驅動模塊和變頻器。

1.4 測試儀器及方法

冷庫內的溫度采用PT100熱電偶進行多點測量，測溫范圍為-40～200℃，精度為0.5%。庫內濕度采用工業濕度儀，量程為0～99，精度為±3%RH。庫內流場速度值采用TES熱線風速儀，測量范圍0～30 m/s,精度為3%。蒸發器的過熱度通過取測量蒸發器進出口溫度的差值求得。壓縮機功率由UNI-T功率計量插座得到，測量范圍為0.5～2 200 W，精度為1%。

上機位WINCC軟件用于實現系統內參數如壓縮機流量、溫度的監控；S7-200 PLC實現熱氣旁通比例的精確控制，通過PID邏輯對電子膨脹閥進行調控。

2 結果與分析

2.1 流場仿真結果

送風格柵的開孔率以及尺寸大小直接影響了冷庫內部的氣流分布情況，較好的風機擺放位置及送風回風結構可以使庫體內部的流場更加均勻，有助于降低冷庫的能耗以及保證冷藏貨物的貯藏品質，通過CFD軟件對庫內的氣流組織情況進行模擬，可優化庫內流場，改善庫溫不均的問題，提高控制的精度。庫體內部矩陣分布設置5處風速測速點，與最終仿真的結果進行對比，驗證仿真結果的準確性與可靠性。

圖4為冷庫貯藏室的氣流速度云圖，冷藏庫體中的平均風速約為1.28 m/s，風道處的風速平均為2.67 m/s。兩送風口由于水平對稱布置，速度場呈現左右對稱分布，各自形成一個渦流，渦流的產生使得庫體內部的氣流組織速度更加均勻，相比于一側進風一側出風的設計，庫內的溫濕度傳感器所得數據更加能代表庫體內部整體的平均溫濕度，即整體溫度均勻性更高，從而使PID反饋數據更加精準，控制精度更高。

圖4 冷庫貯藏室的氣流速度Fig.4 Airflow velocity in thecold storageroom

表1為風速儀的測量結果，貯藏庫內部的平均送風風速為1.17 m/s，平均回風風速為2.76 m/s。因此可知，通過本仿真模型可以較為準確地模擬貯藏冷庫內部的流場分布，誤差在9%以內，通過仿真結果對比確定當送風格柵開孔率為0.9，格柵高0.3 m時，庫內的氣流組織有較好的均勻性。

表1 冷庫貯藏室風速儀測定結果Table 1 Wind speed measured by anemometer in cold storage room 單位：m/s

2.2 控制響應速度與精度

圖5顯示的是冷凍模式下系統蒸發器過熱度的變化。由圖可知，當系統中控溫模式發生轉變或者庫溫發生變化時，PID邏輯控制的電子膨脹閥能夠迅速響應，在7 min之內將過熱度控制穩定，控制的精度約為±0.1℃。圖6反映了貯藏室溫濕度隨時間變化的曲線，相對濕度設定為85%，控制精度在±1%以內，并呈周期性波動。經過約25 min的PID調節，溫度最終穩定，控制精度在±0.2℃以內。

圖5 蒸發器過熱度變化Fig.5 Evaporator superheat changes

圖6 冷庫貯藏室溫濕度變化Fig.6 Temperature and relative humidity changesin cold storage room

圖7為速凍、冷凍、預冷3種模式的切換，在低溫模式，壓縮機滿負荷運行，約140 min后降溫至-30℃，滿足食品、藥品等產品的速凍需求，速凍后的食品需要在冷凍溫度下進行儲藏；切換到冷凍模式，PLC控制熱氣旁通閥開度，在進入壓縮機前的制冷劑中混入一定比例的高溫高壓制冷劑，從而快速調節蒸發溫度，蒸發器的溫度高于貯藏室溫，其熱量將被貯藏室吸收，進而導致貯藏室的溫度提高，經過一段時間的溫升，庫溫逐漸穩定在-18℃，即進入冷凍狀態。之后打開庫門，轉換運行蒸發器為小尺寸，這樣可進一步提高庫溫，使庫內溫度平衡在4℃左右，此時冷庫可以滿足差壓預冷的功能，對剛采摘的果蔬進行預冷。

圖7 壓縮機排氣溫度及冷庫溫度Fig.7 Compressor discharge temperature and cold storage temperature

相比傳統冷凍庫通過單純的變頻控制難以快速地響應運行模式的切換，此變容量制冷系統從-31℃升溫到-18℃只需要10 min，此時壓縮機的排氣壓力迅速降低，排氣溫度也同時有較大降低。智能控制的熱氣旁通閥使得貯藏庫的溫度保持穩定，溫度波動低于0.4℃。在速凍過程中壓縮機排氣溫度超過60℃，而在冷凍過程中，PID算法控制的電子膨脹閥最終將溫度保持在50～55℃之間。

2.3 壓縮機功耗

圖8為熱氣旁通調節（Hot Gas Bypass）和常規冷庫（Normal）蒸發溫度和壓縮機功率的對比，常規冷庫制冷量不可靈活調節，蒸發溫度呈逐漸降低的趨勢，溫度難以保持一定精度的恒定，庫內產品的貯藏品質相對較差，同時頻繁的啟停壓縮機造成系統總體功耗較高。而帶有熱氣旁通的PID調節變容量制冷系統中，壓縮機的功率低，蒸發溫度前期呈周期性變化，后期波動逐漸穩定，圖中蒸發溫度（HGB）波動的范圍小于±3℃，保持庫溫穩定的同時提高了整體系統的制冷性能系數（COP），節約能源約9.7%。由于變容量調節設計大大減少了壓縮機的啟停，從而使其使用壽命得到延長，系統運行更高效穩定。

圖8 蒸發溫度及壓縮機功率Fig.8 Evaporation temperature and compressor power

3 結論

設計并研究了一種PID智能控制的變容量冷凍冷藏系統，該系統具有速凍、冰溫貯藏、壓差預冷等功能。通過CFD仿真來選取進氣格柵的開孔率及尺寸最優解，調整冷庫內流場的均勻性，減小溫濕反饋的誤差。PID智能控制算法可實現系統的變容量調節，提高熱氣旁通的調節精度，穩定蒸發溫度。本研究得到以下結論：

（1）通過ANSYSFluent使用K-epsilon湍流模型可以較準確地得到冷庫內的流場情況，通過設置送風口開孔率0.9以及送風口高度0.3 m，庫內流場的均勻性較好，仿真結果和冷庫內布置的熱線風速儀測定數值誤差在9%以內。

（2）采用PID控制算法結合電子膨脹閥和變頻壓縮機系統來實現冰溫貯藏及冷凍等功能，結果顯示：蒸發器過熱度的波動可控制在±0.1℃，溫度和相對濕度的控制精度分別可達到±0.2℃和±1%。

（3）熱氣旁通結合雙蒸發器的設計滿足了制冷系統不同工況下制冷量的需求，冷庫溫度被精確控制的同時，壓縮機的排氣壓力和溫度都有所下降，系統COP值（制冷效率）得到提高，運行過程中，壓縮機蒸發溫度前期呈周期性變化，之后逐漸振蕩減少趨于穩定，整體運行功率低，較傳統的雙機位系統功耗降低了約9.7%，有較好的節能效果。