变容量冷库控制性能研究

鲍 勇，贾一鸣，张晨思，蔡 茅，赵松松

（1.佛山市技师学院，广东 佛山 528000；2.天津商业大学，天津 300134；3.武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430070）

冷库作为冷冻冷藏业的基础设施，能够有效延长食品的保存期[1-5]，保证食品的外观和营养成分不流失。冷库在运行时，贮藏量通常会有动态的变化，如果系统的制冷量不能随之进行调整，就会造成冷库运行效率的下降。变容量调节技术通过压缩机并联、控制压缩机转速、压缩机多气缸切换或卸载等方法可以实现冷媒流量的调节，从而调整系统制冷量。冷媒流量的动态变化需要较高精度的控制，否则容易造成库温和蒸发器过热度波动较大的问题。所以，变容量高精度控制冷库系统的研究对于提高冷库适用范围及降低贮藏成本具有重要意义。

目前常见的冷库调节方法有压缩机并联系统调节、压缩机变频调节以及热气旁通调节。压缩机并联调节主要通过两个或多个压缩机的启停来匹配系统的冷负荷变化。学者们研究了并联压缩机系统的控制技术，发现并联系统的压缩机存在回油困难、回油不均的问题，而且制冷系统的成本会增加很多[6-8]。变频压缩机通过变频器调节压缩机的转速，实现库温的控制，Seibel等[9]、Hamad等[10]和Kuk等[11]对变频压缩机应用于制冷系统中的情况进行了试验研究，发现使用变频压缩机可以节约能源，一定程度上提高系统的运行效率，但变频压缩机的使用需要增设各种阀件，增加了管路复杂程度，同时变频器的电路板存在过热失效的风险，增加了系统的故障率。有研究通过热气旁通来解决冷藏箱的结霜问题，并指出热气旁通开度和化霜效率之间存在的联系[12-15]。目前国内外针对热气旁通用于冷库变容量调节的研究较少。热气旁通变容量调节容易使蒸发器的温度产生波动，如何精确地控制热气旁通的流量进而稳定蒸发器的温度是目前研究的难点[16-18]。

本文通过热气旁通的方式实现系统的变容量调节。使用ANSYSFluent软件对系统流场分布进行预测，以保证较好的温度分布均匀性。将传统热力膨胀阀替换为电子膨胀阀，保证了温控调节的精度与响应速度。使用比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制逻辑来实时调整热气旁通高低温制冷剂混合的比例，以达到不同贮藏温度的需求。试验中通过对冷库进行速冻、冷冻、预冷功能的切换，查看库温的变化及波动情况；在冷冻模式下设定温度为-2℃，通过控温后温度波动的大小来比较控制精度的高低；在相同的环境中控温，比较传统冷库和变容量冷库的功耗差别。

1 冷冻冷藏系统

1.1 流场仿真

为了提高温湿度控制的精度，库体内部流场的均匀性需要得到控制，通过ANSYSFluent R18.2建立冷库模型，并进行稳态求解，从而对冷库内部的流场进行模拟。通过调整顶部出风口多孔材料的开孔率，使冷库内部气流组织有较好的均匀性。在冷库中和风道处各布置5处热线风速仪，用于验证仿真结果的准确性。

图1为冷库的外形结构示意图，外形尺寸长×宽×高=4.5 m×3.5 m×5.5 m，冷库顶部分别为两个条形送风口，取送风口的多孔结构开孔率为0.9，送风口宽0.3 m，顶部由两台冷风机经风道进行送风，每台最大风量为10 000 m3/h，功率为400 W，冷风由顶部送风口吹出，再由冷库底部回风。

图1 冷库结构示意图Fig.1 Schematic diagramof cold storage structure

为取得较为准确的模拟结果，作以下假设：

（1）冷库内部空气为不可压缩的理想气体；

（2）冷库为空库，不存放货物；

（3）冷库内流场为稳态流动。

数学模型采用工程上常用的K-epsilon（2 eqn），压力及速度采用SIMPLE算法，动量及能量方程用一阶迎风格式离散化，控制方程如下：

式中：ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；φ为速度，m/s；温度（K）等通用变量；V为各方向的速度，m/s；S为动量或能量方程的源项，即控制方程中的非稳态项，动量方程中源项的单位为N/m3，能量方程中源项的单位为W/m3。

边界条件的设置如下：两个风机送风口为入口边界，采用入口速度3 m/s，温度设置为0℃，冷库下方回风口为压力出口条件，速度按无滑移条件处理，壁面各方向速度为0，其余参数条件取软件默认值。

1.2 制冷系统

如图2所示，制冷系统采用VZH-044型丹佛斯变频涡旋压缩机，选用R404A制冷剂，系统包括3种运行模式——高温、中温和低温模式。配备大尺寸蒸发器和喷液冷却器用于低温模式，小尺寸蒸发器则用于高温模式，同时除霜时蒸发器交替运行。低温模式时，制冷剂从储液器进入喷液冷却器，实现过冷的效果，得到更低的蒸发温度。部分制冷剂从喷液冷却器中直接进入压缩机，压缩机的排气温度得以降低，从而提高压缩机的性能。

图2 制冷系统原理图Fig.2 Schematic diagramof the refrigeration system

中温模式下，在低温模式的基础上添加智能控制的热气旁通阀，电动控制阀（ALCO-EX5）用来控制热气旁通，当部分高温高压制冷剂和低温低压两相制冷剂混合，相应会增加蒸发压力和蒸发温度，实现中等负载下系统的运行。高温模式则将蒸发器转换为小尺寸，通过智能控制的变频压缩机和电子膨胀阀来实现温湿度的精准控制，使蒸发温度进一步提高到0℃以上，达到对采后果蔬预冷和冰温贮藏的目的。

在高温模式下，冷库对果蔬的预冷及冷藏能够快速达到温度的稳定，一方面得益于PID控制逻辑的温度调控；另一方面是由于制冷系统中采用了热气旁通来辅助控温。库内的温度数据实时反馈到可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）中，经由PID控制逻辑处理后输出调整后的库温，进而改变热气旁通阀以及电磁膨胀阀的开度，热气旁通阀在系统从低温或中温模式转变为高温预冷模式时能起到快速调节库温的作用。传统预冷库通过控制压缩机的启停来调节库温，温度波动较大，且库温很难长时间地稳定在设定值。本系统中通过电磁膨胀阀和PID控制逻辑相配合，相较于传统系统的热力膨胀阀也较好地提高了温控响应的速度，缩短了温度调节时间，使库温波动快速趋于稳定。

采用安装在库体顶部的多孔板进行送风，下方均匀布置加湿管道，库体底部的侧边还均匀分布了许多百叶结构，保证库体内部温湿度的均匀性。采用益加义公司产的EE21型温湿传感器，并将5个分布在库体内的传感器温湿度的平均值作为库体当前的温湿度参数。

除制冷系统外，冷库还配备了除霜系统，在除霜开始运行时，供风机、回风风机和安装在风道中的电动空气阀均被关闭，以防止热量和水汽进入到贮藏室。随后电加热装置运行，循环风机和装在大容量蒸发器两侧的电动空气阀被开启。电加热装置运行期间，循环风机使得热气流被迫在旁路进行循环，达到除霜的效果。

1.3 热气旁通控制方法及逻辑

PID由于具有出色的控制效果和较强的鲁棒性而得到广泛的应用。将PID逻辑控制应用于系统旁通调节，在系统旁路中，通过将部分高温制冷剂和进入蒸发器前的制冷剂混合，提高了进入蒸发器前制冷剂的焓值。通过热气旁通阀对制冷剂混合的比例进行调节，将贮藏库温度作为返回值和控制对象，由PID控制策略对旁通阀进行精准控制，从而实现稳定的库体温度。

由图3所示，通过引入热气旁通的比例因子x，可以控制由压缩机排出的高温高压气体和经热气旁通阀后的低温低压两相工质混合的比例，假设混合过程是绝热，根据能量守恒及质量守恒定律可得：

式中：x为工质旁通比例因子；m为工质质量流量，kg/s；h为焓值，kJ/kg；Qevap为制冷量，kJ/s；COP为制冷性能系数；下标数字代表热气旁通压焓图（图3）中的各个过程。

图3 制冷系统热气旁通压焓图Fig.3 Pressure and enthalpy diagramof refrigeration system with hot gas bypass

PID控制的旁通因子升高，系统的蒸发温度会随之升高，实现运行模式从低温模式到高温模式的转换，同时冷凝器的热负荷和压缩机功率降低，既实现了温度调节，又提高了运行的效率。

由PID逻辑控制的电子膨胀阀能够通过改变蒸发温度进而对库温进行调整。与此同时，压缩机的变频器也会立即调节制冷剂流量从而控制过热度的变化。制冷剂的流量则通过步进电机直接控制，驱动电机又会根据驱动模块（EXD-U00）中的信息进行工作。对于变速涡旋压缩机，将冷库的温度设定为控制对象。涡旋压缩机的频率由变频器驱动（VLT-CDS803）控制在30～100 Hz之间。S7-300 PLC则用于控制基于PID理论的驱动模块和变频器。

1.4 测试仪器及方法

冷库内的温度采用PT100热电偶进行多点测量，测温范围为-40～200℃，精度为0.5%。库内湿度采用工业湿度仪，量程为0～99，精度为±3%RH。库内流场速度值采用TES热线风速仪，测量范围0～30 m/s,精度为3%。蒸发器的过热度通过取测量蒸发器进出口温度的差值求得。压缩机功率由UNI-T功率计量插座得到，测量范围为0.5～2 200 W，精度为1%。

上机位WINCC软件用于实现系统内参数如压缩机流量、温度的监控；S7-200 PLC实现热气旁通比例的精确控制，通过PID逻辑对电子膨胀阀进行调控。

2 结果与分析

2.1 流场仿真结果

送风格栅的开孔率以及尺寸大小直接影响了冷库内部的气流分布情况，较好的风机摆放位置及送风回风结构可以使库体内部的流场更加均匀，有助于降低冷库的能耗以及保证冷藏货物的贮藏品质，通过CFD软件对库内的气流组织情况进行模拟，可优化库内流场，改善库温不均的问题，提高控制的精度。库体内部矩阵分布设置5处风速测速点，与最终仿真的结果进行对比，验证仿真结果的准确性与可靠性。

图4为冷库贮藏室的气流速度云图，冷藏库体中的平均风速约为1.28 m/s，风道处的风速平均为2.67 m/s。两送风口由于水平对称布置，速度场呈现左右对称分布，各自形成一个涡流，涡流的产生使得库体内部的气流组织速度更加均匀，相比于一侧进风一侧出风的设计，库内的温湿度传感器所得数据更加能代表库体内部整体的平均温湿度，即整体温度均匀性更高，从而使PID反馈数据更加精准，控制精度更高。

图4 冷库贮藏室的气流速度Fig.4 Airflow velocity in thecold storageroom

表1为风速仪的测量结果，贮藏库内部的平均送风风速为1.17 m/s，平均回风风速为2.76 m/s。因此可知，通过本仿真模型可以较为准确地模拟贮藏冷库内部的流场分布，误差在9%以内，通过仿真结果对比确定当送风格栅开孔率为0.9，格栅高0.3 m时，库内的气流组织有较好的均匀性。

表1 冷库贮藏室风速仪测定结果Table 1 Wind speed measured by anemometer in cold storage room 单位：m/s

2.2 控制响应速度与精度

图5显示的是冷冻模式下系统蒸发器过热度的变化。由图可知，当系统中控温模式发生转变或者库温发生变化时，PID逻辑控制的电子膨胀阀能够迅速响应，在7 min之内将过热度控制稳定，控制的精度约为±0.1℃。图6反映了贮藏室温湿度随时间变化的曲线，相对湿度设定为85%，控制精度在±1%以内，并呈周期性波动。经过约25 min的PID调节，温度最终稳定，控制精度在±0.2℃以内。

图5 蒸发器过热度变化Fig.5 Evaporator superheat changes

图6 冷库贮藏室温湿度变化Fig.6 Temperature and relative humidity changesin cold storage room

图7为速冻、冷冻、预冷3种模式的切换，在低温模式，压缩机满负荷运行，约140 min后降温至-30℃，满足食品、药品等产品的速冻需求，速冻后的食品需要在冷冻温度下进行储藏；切换到冷冻模式，PLC控制热气旁通阀开度，在进入压缩机前的制冷剂中混入一定比例的高温高压制冷剂，从而快速调节蒸发温度，蒸发器的温度高于贮藏室温，其热量将被贮藏室吸收，进而导致贮藏室的温度提高，经过一段时间的温升，库温逐渐稳定在-18℃，即进入冷冻状态。之后打开库门，转换运行蒸发器为小尺寸，这样可进一步提高库温，使库内温度平衡在4℃左右，此时冷库可以满足差压预冷的功能，对刚采摘的果蔬进行预冷。

图7 压缩机排气温度及冷库温度Fig.7 Compressor discharge temperature and cold storage temperature

相比传统冷冻库通过单纯的变频控制难以快速地响应运行模式的切换，此变容量制冷系统从-31℃升温到-18℃只需要10 min，此时压缩机的排气压力迅速降低，排气温度也同时有较大降低。智能控制的热气旁通阀使得贮藏库的温度保持稳定，温度波动低于0.4℃。在速冻过程中压缩机排气温度超过60℃，而在冷冻过程中，PID算法控制的电子膨胀阀最终将温度保持在50～55℃之间。

2.3 压缩机功耗

图8为热气旁通调节（Hot Gas Bypass）和常规冷库（Normal）蒸发温度和压缩机功率的对比，常规冷库制冷量不可灵活调节，蒸发温度呈逐渐降低的趋势，温度难以保持一定精度的恒定，库内产品的贮藏品质相对较差，同时频繁的启停压缩机造成系统总体功耗较高。而带有热气旁通的PID调节变容量制冷系统中，压缩机的功率低，蒸发温度前期呈周期性变化，后期波动逐渐稳定，图中蒸发温度（HGB）波动的范围小于±3℃，保持库温稳定的同时提高了整体系统的制冷性能系数（COP），节约能源约9.7%。由于变容量调节设计大大减少了压缩机的启停，从而使其使用寿命得到延长，系统运行更高效稳定。

图8 蒸发温度及压缩机功率Fig.8 Evaporation temperature and compressor power

3 结论

设计并研究了一种PID智能控制的变容量冷冻冷藏系统，该系统具有速冻、冰温贮藏、压差预冷等功能。通过CFD仿真来选取进气格栅的开孔率及尺寸最优解，调整冷库内流场的均匀性，减小温湿反馈的误差。PID智能控制算法可实现系统的变容量调节，提高热气旁通的调节精度，稳定蒸发温度。本研究得到以下结论：

（1）通过ANSYSFluent使用K-epsilon湍流模型可以较准确地得到冷库内的流场情况，通过设置送风口开孔率0.9以及送风口高度0.3 m，库内流场的均匀性较好，仿真结果和冷库内布置的热线风速仪测定数值误差在9%以内。

（2）采用PID控制算法结合电子膨胀阀和变频压缩机系统来实现冰温贮藏及冷冻等功能，结果显示：蒸发器过热度的波动可控制在±0.1℃，温度和相对湿度的控制精度分别可达到±0.2℃和±1%。

（3）热气旁通结合双蒸发器的设计满足了制冷系统不同工况下制冷量的需求，冷库温度被精确控制的同时，压缩机的排气压力和温度都有所下降，系统COP值（制冷效率）得到提高，运行过程中，压缩机蒸发温度前期呈周期性变化，之后逐渐振荡减少趋于稳定，整体运行功率低，较传统的双机位系统功耗降低了约9.7%，有较好的节能效果。