冷藏车用双温区制冷系统运行特性及温控优化的试验研究

第１９卷第４期２０１９年４月
R E F R I G E R A T I O N A N D A I R ＧC O N D I T I O N I N G ４２Ｇ４６
收稿日期:２０１８Ｇ０８Ｇ２９,修回日期:２０１８Ｇ０９Ｇ２６
作者简介:徐若权,硕士,高级工程师,主要从事冷藏车非独立制冷机组方面的研究.
冷藏车用双温区制冷系统运行特性
及温控优化的试验研究
徐若权㊀钟国辉㊀吴伟㊀吴宵军㊀陈兴
(英格索兰(中国)工业设备制造有限公司)
摘㊀要㊀针对传统冷藏车用双温区制冷系统运行时冷冻温区的温度受冷藏温区影响而产生较大波动的问题,通过对系统的运行特性进行试验研究,在原有温控逻辑基础上提出改进方案并对其进行试验验证.试验结果表明,通过适当限制冷藏温区的运行时间,使冷冻温区的蒸发器获得一定制冷剂流量,冷冻温区温度波动变小,载货后温度恢复时间更短,有效协调了２个温区的温度控制.关键词㊀冷藏车;制冷系统;双温区;温度控制
E x p e r i m e n t a l s t u d y o n o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d t e m p e r a t u r e c o n t r o l o p
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㊀㊀随着我国经济持续发展㊁
人民生活水平不断提高,冷藏运输的应用越来越广泛,除了传统的果蔬㊁冷饮㊁肉类㊁海产等食品,药品㊁化工㊁电子产品也开始采用冷藏运输.由于运输货物的种类越来越多,需要不同的储存温度,常规单温区系统越来越难以适应多种货物的分区运载,为了更灵活地运输不同种类货物,制冷机组多温区系统应运而
生[
１
].如何处理多温区系统中多个蒸发器之间的相互影响问题,确保各个温区的温度控制,保证装载货物的存储温度,成为一个很有意义的研究课题.
１㊀双温区制冷系统特性
１ １㊀双温区制冷系统介绍
对于冷藏车制冷机组,因为其压缩机模块㊁蒸发器模块与冷凝器模块为分体式,分别安装在发动机仓及箱体内㊁外,相互之间通过软管连接,结构上可
以实现多个蒸发器模块的并联连接[２
].相应地,使
用隔热板将冷藏车隔热箱体分隔成２个区间,分别安装蒸发器模块,从而实现多个温度区间的独立控温,类似于多联式空调机组,如图１所示.
典型的双温区(２个蒸发器模块)
制冷系统流程
㊀第４期
徐若权等:冷藏车用双温区制冷系统运行特性及温控优化的试验研究
４３㊀
㊀
图１㊀双温区制冷系统各模块布置示意图
如图２所示:２个蒸发器模块通过软管并联连接,冷凝器模块通过软管与压缩机相连.在每个蒸发器模块中,在热力膨胀阀的前面有一个电磁阀,通过电磁阀的通断控制蒸发器内制冷剂的流量,从而控制蒸发器所在温区的温度.
冷藏车运输的食品等货物储藏温度范围较宽,主要分为冷藏㊁冷冻工况,
双温区制冷系统的一
图２㊀双温区制冷系统流程图
个典型应用就是２个蒸发器同时工作:一个蒸发器在冷藏工况下工作,另一个在冷冻工况下工作.１ ２㊀双温区制冷系统运行特性分析
冷藏工况和冷冻工况对应的蒸发压力不同,同一系统中的２个蒸发器分别工作在不同的蒸发压力下时势必相互影响.流体的特性为,优先经过阻力最小的通道,而冷藏工况的蒸发压力明显高于冷冻工况的蒸发压力,在相同的冷凝压力下,冷藏蒸发器的蒸发㊁冷凝压差相对较小,即阻力更小,所以制冷剂会优先流过冷藏蒸发器,从而导致冷冻蒸发器没有足够的制冷剂而使得制冷量减小.
笔者以T 公司X Ｇ８００S 双温区制冷系统为例,
使用R ４０４A 制冷剂以兼顾冷藏㊁
冷冻运行条件[３
],配置２台相同的蒸发器模块;利用按照G B /T
２１１４５ ２００７«运输用制冷机组»[４
]要求搭建的试验台进行测试.
冷藏车双温区制冷系统原温度控制逻辑如图３所示.某个温区温度上升到开机温度,
对该温区制冷;当该温区温度下降到停机温度,
对该温区停
图３㊀双温区制冷系统原温度控制逻辑
止制冷.２个温区的温度控制是独立的.
设定蒸发器１所在温区１的温度为０ħ,即冷
藏工况,蒸发器２所在温区２的温度为－２２ħ,即冷冻工况,蒸发器回风温度㊁制冷剂流量和压力随时间的变化情况如图４所示,由２个温区的降温和
㊀ ４４㊀
第１９卷
㊀
图４㊀降温过程中各温区平均温度㊁制冷剂流量㊁
压力随时间的变化情况
控温过程可以看到:
１
)在同时降温过程中,在２个温区温差不大的情况下,２个蒸发器具有相近的制冷剂流量和降温速度;在温区１平均温度达到设定值０ħ后,进入制冷 停止控制循环,温度在０ħ上下波动(电磁阀开启为制冷,电磁阀关闭为停止),而温区２在降温至设定值－２２ħ前,电磁阀２一直处于开启状态.
２
)从温度曲线看,当温区１降温至０ħ以下的停机点,电磁阀１关闭,蒸发器１停止工作,温区１温度回升,
此时温区２温度快速下降;温区１温度回升至０ħ以上的开机点,电磁阀１开启,蒸发器１开始工作,此时温区２温度会上升.随着２个温区温差越来越大,对温区１制冷后,温区２的温度回升越来越显著.
３
)从流量曲线看,当温区１降温至０ħ以下的停机点时,电磁阀１关闭,蒸发器１流量降为０,蒸发器２流量迅速增大;当蒸发器１工作时,其流量迅速增加,此时蒸发器２的流量减小;随着２个温区温差越来越大,在蒸发器１工作时,蒸发器２的流量越来越趋于０.也就是说,在２台蒸发器分别工作在冷藏㊁冷冻工况下时,制冷剂优先流向在冷藏工况下工作的蒸发器.
４)从压力曲线看,２个蒸发器并联连接,它们的出口压力总是相近,当电磁阀１关闭时,蒸发器１内部没有制冷剂进入,
而残余制冷剂迅速汽化,蒸发器１的蒸发压力随蒸发器２快速降低至冷冻工况下的蒸发压力,当电磁阀１开启时,蒸发器２的蒸发压力随蒸发器１快速上升至冷藏工况下的蒸发压力.
根据上述分析,当２个并联的蒸发器工作时制冷剂优先分配给蒸发温度/压力高的蒸发器,而且２个蒸发器蒸发温度温差越大越明显,
只有当蒸发温度/压力高的蒸发器入口电磁阀关闭后,另一个蒸发器才能够分配到足够的制冷剂.
笔者采用G B /T ２１１４５ ２００７«
运输用制冷机组»中的热平衡法,在３０ħ的环境温度下,维持温区１温度０ħ,逐渐降低温区２的温度,监控２个蒸发器的压力㊁流量和制冷量等参数,得到表１所示数据.
表１㊀不同工况测试结果
参数
工况１工况２工况３工况４环境温度/ħ３０．１３０．０３０．０２９．９温区１温度/ħ０．５０．２０．５０．２温区２温度/ħ－０．５－６．９－１１．４－１５．１
蒸发压力１/k P a ３８７３８５３８３３７９蒸发压力２/k P a ３８５３５３３３５３１５蒸发器１制冷剂流量/(k g /h )１１７．４１２２．８１３７．９１４７．４蒸发器２制冷剂流量/(k g
/h )１１１．６９５．６５４．５２３．３蒸发器１制冷量/W ３３３５３６５９４１６８４６３６蒸发器２制冷量/W
３２１０
２２１４
１４７９
６８９
可见,随着温区２温度逐渐降低:温区１与温
区２温差越来越大,蒸发器１与蒸发器２的蒸发压力差异越来越大,蒸发器１的制冷剂流量越来越大,相应的制冷量越来越大,蒸发器２的制冷剂流量越来越小,相应的制冷量越来越小.在温区１与温区２温度相差１０ħ以上时,蒸发器２的制冷剂流量明显减小;在温差１５ħ以上时,蒸发器２的制冷剂流量已经很小,基本上失去制冷效果.蒸发器２的蒸发压力不会显著低于蒸发器１的蒸发压力,因为蒸发器并联时,它们的出口压力理论上是相同的.
１ ３㊀非独立双温区制冷系统温控存在的问题
冷藏车用双温区制冷系统由于具有以上运行特性,在运输过程中,２个温区分别作为冷藏温区和冷冻温区,当任何一个温区重新装载货物后,２个温区会相互干扰.某个温区装载新货物的过程可以分为３个阶段:
１
)阶段１,该温区停止制冷,开门,装载货物,温区内温度急剧上升;
２)阶段２,该温区关门,重新开始制冷,２个温区运行至平衡;３
)阶段３,进入稳定的周期运行.笔者分别模拟了３８ħ环境温度下,冷藏温区(温区１)及冷冻温区(温区２)重新装载货物前后的运行过程,得到图５和图６所示的温度和制冷剂流量随时间的变化情况.
由图５可见,冷藏温区停止制冷 开门 载货
㊀第４期徐若权等:冷藏车用双温区制冷系统运行特性及温控优化的试验研究 ４５㊀ ㊀
期间,其内部温度上升,此过程中冷冻温区正常运行;冷藏温区关门 开始制冷后,其温度迅速下降,但是冷冻温区温度上升明显,这是因为在此过程中,制冷剂几乎全部流向冷藏温区蒸发器.冷藏温区设定温度为０ħ,冷冻温区设定温度为－２２ħ,在冷藏温区降温过程中,冷冻温区温度最高上升到－１４．８ħ,已经偏离了设定值,这对于冷冻货物来讲无疑是不利的
.
图５㊀
改进前冷藏温区开门前后运行曲线
图６㊀改进前冷冻温区开门前后运行曲线
由图６可见,冷冻温区停止制冷 开门 载货期间,其内部温度上升,冷藏温区正常运行;冷冻温区关门 开始制冷后,其温度迅速下降,但是降温过程会被冷藏温区的运行干扰,每次冷藏温区的运行都会使冷冻温区温度回升,导致其降温至设定温度的时间增加.从运行曲线看,冷冻温区从关门到降温至设定温度,一共用时３１m i n.２㊀温度控制改进方案
为解决冷藏车用双温区制冷系统制冷剂流量分配的问题,在实际应用中主要解决方案如下:１)调节蒸发压力.在２个蒸发器上设置蒸发压力调节阀,使２个蒸发器的蒸发压力都在相对低的水平,不论它们所在的温区温度如何设置,蒸发压力都不会相差太大,所以制冷剂流过２个支路的压降是相近的,制冷剂流量分配上的不均匀度就会被抑制.例如,将２个蒸发器的蒸发压力都调节到冷冻工况运行时的较低压力水平,但是,这种方案的不利效果就是,冷藏温区蒸发器的制冷剂流量及制冷量受到限制.
２)使用电子膨胀阀替代热力膨胀阀.使用电子膨胀阀后,可以通过控制逻辑调节阀的开度,实现合理分配各蒸发器制冷剂流量,这种方案多用于多联式空调机组[５Ｇ６],笔者不做论述.电子膨胀阀的应用,可以作为冷藏车制冷机组下一步的应用方向.
３)笔者提出一种各蒸发器交替运行的控制方案,核心思想是通过控制每个蒸发器支路上的电磁阀,限制冷藏温区蒸发器连续工作时间,确保冷冻温区蒸发器能够间断获得一定制冷剂流量,从而保证２个温区的温度控制.
２ １㊀改进方案说明
在双温区制冷系统的基本温控逻辑中增加如
图改进后双温区制冷系统控制逻辑原理图
图７所示的温控逻辑,在原来的温控逻辑中增加２个温区的交互部分:首先判断２个温区的设定温度是否存在较大差异;然后判断冷冻温区实际温度
㊀ ４６㊀
第１９卷㊀
是否超过其设定温度过多(如３ħ).如果满足以上条件,则需要适当限制对温度较高温区(冷藏温区)的制冷时间.
２ ２㊀模拟测试结果
该控制逻辑的各个参数还需要根据不同的机型进行优化,该过程笔者不做进一步说明.针对笔者研究的对象XＧ８００S双温区制冷机组,增加控制逻辑并优化参数后,分别模拟冷藏温区及冷冻温区重新装载货物的运行过程,得到图８和图９所示的温度和制冷剂流量随时间的变化情况.
由图８可见,在冷藏温区降温过程中,冷冻温区温度最高上升到了－１７．５ħ,明显优于改进前的－１４．８ħ.在冷藏温区降温的过程中,之前的连续运行降温过程被打断,插入了若干短时间的停机,而在对冷藏温区停止制冷过程中,冷冻温区由于有了充足的制冷剂流量,确保了冷冻温区的温度不会持续失控.当然,这个改进会延长冷藏温区温度恢复至设定值的时间,但是冷藏温区的温度与环境温度相差相对较小,相比冷冻温区,其温度恢复时间很短
.
图８㊀改进后冷藏温区开门前后运行曲线
由图９可见,冷冻温区从关门到降温至设定温度,一共用时２６m i n,优于改进前的３１m i n.在冷冻温区降温的过程中,限制了冷藏温区的开机时间,从而冷冻温区降温速度增快.当然,这个改进引起冷藏温区温度轻微上升,但可以接受.
３㊀结束语
随着冷链物流行业的快速发展,
冷藏车用双温
图９㊀改进后冷冻温区开门前后运行曲线
区制冷机组的应用越来越广泛.这种制冷系统运行时制冷剂会优先分配给工作温度高的蒸发器,而且随着２个蒸发器工作温度差值变大而更加明显,从而导致２个蒸发器内制冷剂流量分配的差异.按照传统冷藏车用双温区制冷机组的控制逻辑,在运行时,冷冻温区的温度会受到冷藏温区的影响,产生很大的温度波动.
为改善原温控逻辑的缺陷,笔者提出了温控逻辑上的改进方案,在原有控制逻辑基础上,通过适当缩短冷藏温区的运行时间,使冷冻温区的蒸发器获得一定制冷剂流量,从而保证２个温区的温度控制.模拟试验证明,优化控制后的冷冻温区温度波动变小,载货后温度恢复速度更快.
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