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显热除霜方式的过程控制分析与试验点击：1990 日期：[ 2014-04-26 21:35:47 ] |
| 显热除霜方式的过程控制分析与试验 梁彩华,张小松,徐国英 (东南大学能源与环境学院,南京210096,E-mai:l caihualiang@ 163. com) 摘 要:为保证显热除霜循环的可靠运行,针对显热除霜循环的除霜机理和作用过程,在基本模糊控制算法的基础上引入具有自学习功能的自适应控制算法,设计出显热除霜方式的自适应模糊控制系统,并通过研制样机进行试验.试验表明:在除霜过程中,显热除霜循环运行平稳,压缩机回气压力波动在0·02MPa以内,同时避免了逆向除霜给热泵系统带来的冲击,消除了“奔油”现象,整个过程中系统供热水温度波动在5℃以内.表明自适应模糊控制算法具有较好的控制品质和控制特性. 关键词:显热除霜;自适应控制;空气源热泵;逆向除霜 中图分类号:TB6文献标识码:A文章编号:0367-6234(2008)12-2054-04 空气源热泵机组常用的通过四通阀换向进行除霜的方法存在一系列弊端:在除霜过程中,四通阀换向,热泵系统原来的高低压部分切换,热泵系统压缩机出现“奔油”现象,降低系统的可靠性和寿命;除霜时制冷剂要从供热系统中吸取热量用于除霜,造成供热水的温度急剧波动,影响空调系统的舒适性;从除霜开始到除霜结束,四通阀要动作两次,在动作过程中,系统的压力分布和温度分布分别被破坏再重新建立平衡,使系统不仅造成大量能量损失而且除霜过程总的时间加长.因此,除霜方法[1~3]、除霜控制策略[4, 5]、新型除霜方法的探索[6]成为空气源热泵空调系统的研究重点之一.本文提出了一种新型除霜方式———显热除霜循环,为保证该除霜方式的可靠运行,重点对显热除霜循环的控制算法和过程进行研究. 1·显热除霜原理及工作过程分析 显热除霜是指利用制冷系统压缩机排气管至电子膨胀阀前的旁通回路,将压缩机的高温高压排气直接引到电子膨胀阀前,再经过电子膨胀阀节流将压缩机排气引入翅片管式换热器中,利用压缩机排气热量将翅片管式换热器翅片外侧的霜层除掉,同时保证制冷剂在翅片管式换热器中只进行显热交换而不进行冷凝.在除霜过程中四通阀不需换向,这样原有因为四通阀换向除霜所带来的各种问题都得到了避免.除霜的热量来源为压缩机所做出的功和压缩机壳体的蓄热量两部分.显热除霜过程的循环原理图如图1所示.从图1中可以看出,显热除霜循环在压焓图上可以近似表示为4个过程:过程1-2表示压缩机的压缩从起始到终止的过程.在这过程中制冷剂从低温低压的气体压缩成高温高压的气体.过程2-3表示高温高压的制冷剂气体经过电子膨胀阀节流后成为低压高温的气体.过程3-4表示低压高温的制冷剂气体在翅片管式换热器中降温,放出热量,同时也是换热器翅片上霜层融化的过程,过程4-1是表示制冷剂从吸入压缩机到开始压缩的过程,在这过程中制冷剂冷却压缩机电机吸收压缩机蓄热,同时自身温度升高.制冷剂不冷凝的条件是翅片管式换热器中制冷剂压力所对应的饱和温度低于管外的霜层温度.此时制冷剂没有办法将它的潜热排放,最多制冷剂只能冷却到和霜层温度相等.正常制热时,翅片管式换热器表面霜层的温度最低也只是近似等于换热器中压力所对应的蒸发温度.因此,除霜时翅片管式换热器中制冷剂不冷凝的条件是控制翅片管式换热器中制冷剂压力低于正常制热运行时其制冷剂压力即可. 保证显热除霜运行(制冷剂在翅片管式换热器中只降温不冷凝)的关键是除霜过程中对翅片管式换热器中制冷剂压力进行控制.而通过调节电子膨胀阀开度即可实现对翅片管式换热器中制冷剂压力的控制. 2·显热除霜过程中电子膨胀阀的控制通过对显热除霜循环分析可知,热泵系统的强烈非线性导致传统的PID控制算法较难获得满意效果.本文对显热除霜过程中的电子膨胀阀采用模糊控制算法.通过系统分析,考虑控制要求和除霜循环运行时间较短,采取单输入单输出控制方案.控制结构框图如图2所示: 图中:ST为机组状态,Ps为显热除霜过程中蒸发器控制目标设定的压力差值,Tch为蒸发器出口翅片温度,Po为蒸发器出口压力,Pe为蒸发器翅片温度所对应的制冷剂饱和压力与蒸发器实际压力的差值,n`为控制系统输出脉冲数,N`为电子膨胀阀的实际开度.具体的控制方案为:控制系统首先判断系统运行状态ST,即是否启动或停止显热除霜运行;确定系统设定的控制压力差值Ps;同时采样蒸发器出口的压力Po和翅片温度Tch,并计算出蒸发器翅片温度所对应的制冷剂饱和压力与蒸发器实际压力的差值Pe.根据制冷系统运行状态推理出控制系统采用相应的控制策略,同时根据Pe与Ps的偏差计算决策出电子膨胀阀的开度变化值n`传送给驱动模块,驱动模块驱动电子膨胀阀将阀门打开到相应的开度N`. 显热除霜循环采取单输入单输出模糊控制方案,见图3实线部分,图3中S为显热除霜过程中蒸发器控制目标设定的压力差值Ps,y(t)为蒸发器翅片温度所对应的制冷剂饱和压力与蒸发器实际压力的差值Pe,e为Pe与Ps偏差,u对应电子膨胀阀的开度大小,此模糊控制系统采用单输入单输出的模糊控制方式,通过检测实际Pe与Ps相比较,形成反馈回路,e作为输入量,经过模糊化形成模糊矢量E,再由E和模糊控制规则进行推理合成U,最后进行解模糊,得到控制量u来调节电子膨胀阀的开度大小,从而控制蒸发器出口Pe.显热除霜系统属于大滞后、强干扰、非线性系统,从手动控制经验中总结出较好的模糊控制规则需要较长的时间和较大的工作量.而且对具体不同的系统相应的控制参数要做较大的调整才可能适应.作者在设计出基本模糊控制系统的基础上通过进一步的研究,设计出具有自学习、自组织和自适应能力的模糊控制系统-自适应模糊控制系统SOFC(Self-Organizing Controller),既具有能自动调整和完善模糊控制的能力. 与基本模糊控制系统相比,增加了虚线内的三个环节,既性能测量、控制量校正和控制规则修正等三个环节. SOFC在每次采样时,计算偏差,再通过控制量校正环节,求出控制量的校正量,进而修正模糊控制规则.所以自适应模糊控制系统的功能是先进行系统的模糊辨识,然后再进行在线实时的闭环控制.具体的实现过程见文献[7]. 3 试 验 3·1 装置 试验样机系统流程图如图4所示,图4所示过程为: 1.制冷剂经过压缩机压缩后排出,经过热气电磁阀到达电子膨胀阀前; 2.高温高压的制冷剂通过电子膨胀阀节流降压,这时系统电磁阀关闭;3.节流后高温低压的制冷剂经过单向阀后,进入翅片管式,同时放热降温,并且将换热器翅片上霜层除掉; 4.制冷剂从换热器出来,经过四通阀、气液分离器进入压缩机并冷却压缩机电机; 5.压缩机吸取低温低压气体进行压缩并排出.随着除霜过程的进行,翅片管式换热器翅片表面的霜层不断融化,换热器出口制冷剂的温度逐渐上升,压缩机排气温度也随之上升,化霜效果得到加强[8]. 3·2 结果分析 图5、6分别表示在显热除霜过程中热泵系统各部分测点的压力和温度变化曲线.其中各测点在热泵系统中的安装位置如图4所示.从图5中可以看出:压缩机排压在进行显热除霜切换后降低了0·15 MPa,由原来的1·85 MPa降为1·7 MPa,由于系统电磁阀的关闭,储液器中的制冷剂将不再流出.壳管式换热器中壳程的供热水仍然在流动,此时绝大部分压缩机排气旁通直接用于除霜,壳管式换热器中供热量将减少,随着末端热量的消耗,供热水回水温度将不断降低.管程中充满制冷剂并仍然与压缩机排气口相通,将会有小部分制冷剂将冷凝,对系统的高压起着缓冲和钳制的作用.制冷剂仍然能够供给供热水少部分热量,可以减少供热水的降温幅度.在运行显热除霜循环时,翅片管式换热器入口压力即为制冷剂气体在电子膨胀阀节流后的压力,从它与压缩机吸气压力的差值看出,除霜时风冷器中压降大约为0·1 MPa.从整个除霜过程中看:电子膨胀阀调节迅速,控制平稳,在除霜过程中高压部分和低压部分都保持较稳定,直到除霜结束.除霜结束切换后系统又迅速恢复到原来制热状态.表明所设计的自适应模糊控制算法具有较好的控制品质和控制特性,能够保证显热除霜安全可靠的运行. 图6为显热除霜过程中各温度测点的温度变化曲线.从试验样机系统流程图上可以看出:压缩机排温测点安装在主管上热气旁通管接口的后面,在显热除霜时,大部分制冷剂排气都从热气旁通管直接流到电子膨胀阀前,压缩机排温测点所测得的温度此时不再是压缩机真实排气温度.电子膨胀阀入口温度测点所测得的温度为压缩机的排气温度,由图6中可以看出.从样机流程图上看出,在运行除霜循环时,翅片管式换热器出口温度测点所测得的温度为制冷剂从电子膨胀阀节流后流入翅片管式换热器进行除霜的温度.高温高压的压缩机排气经过电子膨胀阀等焓节流后制冷剂温度降低20℃不到,制冷剂仍具有较高的温度.从压缩机回气温度曲线看,整个除霜过程工作比较稳定.在结束除霜,切换回制热模式运行时,系统能较快的恢复到原来水平.显热除霜试验效果见文献[9]. 4 结 论 1)在基本模糊控制算法的基础上引入具有自学习功能的自适应控制算法具有较好的控制品质和控制特性,能够保证显热除霜循环安全可靠的运行. 2)显热除霜方式能完全避免逆向除霜给热泵系统带来的诸多冲击,从根本上解决了“奔油”等现象的发生,提高系统的可靠性. 3)显热除霜方式造成系统供热水温度的波动远小于逆向除霜方式,空调系统的舒适性得以大大提高. 参考文献:略 |
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