模块化控制阀在工业制冷温度精确控制中的应用

在工业制冷系统中，对温度的精确控制具有广泛的应用需求：冰水板换中应对冰水的温度进行精确控制，确保冰水的温度达到客户要求，并且需要确保冰水不结冰；对冷库的室温进行精确控制，确保冷库内的温度波动处于较小范围，以保证储存货物的品质［1］；化工领域的生产流程也需要在恒温的条件下进行；食品生产中的工艺控制，如肉类冷链的全程，需要有良好的温度控制措施。尽可能小的温度波动范围将有效地确保系统的平均蒸发温度处于相对较高的水平，这将提高系统的EER，从而达到节能减排的目的。因此，有必要对温度的控制进行研究，找到有效的控制温度的方式，在确保温度精确控制的前提下，进一步确保系统高效节能运行。

1 温度控制的几种方式

1.1 供液电磁阀开关控制

供液电磁阀开关控制方式如图1所示。通过温度传感器测量介质温度：当介质温度达到设定值后，通过控制器关闭供液管路上的电磁阀，暂停制冷；当介质温度超过设定温度后，打开供液管路上的电磁阀，重新制冷。这是一种开关调节，温度波动较大，无法精确控制介质温度，而且由于这种控制方式是根据温度传感器开关电磁阀，对系统中蒸发侧的控制较差，非常容易造成蒸发压力过低，从而易于导致结冰等现象的出现。因此该方式只能作为一种粗放型的温度控制，无法满足温度精确控制的要求。

图1 供液电磁阀开关控制

1.2 供液电磁阀开关控制——带恒压控制

图2所示的供液电磁阀开关控制在图1的基础上，增加了蒸发压力控制。采用恒压导阀确保蒸发器的蒸发压力始终高于设定值，从而避免系统出现蒸发压力过低的情况。恒压导阀根据蒸发压力进行调节，在恒压导阀的作用下，当压力下降时控制主阀ICS反应十分直接、灵敏，因此避免了可能出现的介质结冰问题［2］。同样，带恒压控制的供液电磁阀开关控制依然属于开关调节，存在无法精确控制介质温度的问题，无法满足温度精确控制的要求。

图2 供液电磁阀开关控制（带恒压控制）

1.3 温度精确控制——压力相关型

在图3所示的精确控制介质温度的方案应用中，不但对电磁阀的供液进行控制，还在回气管路上加设压力调节阀用于控制蒸发压力，从而实现对介质温度的精确控制。目前成熟的解决方案为模块化控制主阀ICS配合电子温度控制导阀。控制器EKC361通过温度传感器AKS获得温度信号，对导阀中的热敏元件进行加热，并与蒸发器中的蒸发压力进行平衡，调节控制主阀的开度对蒸发温度进行控制，进而确保介质温度达到设定范围［3］。蒸发器中的压力与蒸发温度直接对应，调节灵敏，可以有效消除由于压力波动带来的温度波动。与此同时，为了在任何状况下都能够防止蒸发器出现过低压力，在ICS控制主阀与电子温度控制导阀CVQ上串联安装机械式的CVP恒压导阀，以避免结冰等不利现象的产生。CVP恒压导阀根据应用所允许的最小压力进行设定，该解决方案中受控温度的精度可达±0.25℃。如果温度达到此范围，那么EKC361控制器将关闭安装在液体管路上的电磁阀。控制器EKC361控制蒸发器的温度并具有报警功能，而模块化设计的ICS控制主阀以及导阀组都可以有效地减少安装的复杂度，并降低系统的泄漏风险，缩短维护服务的时间［5］。

图3 温度精确控制——压力相关型

1.4 温度精确控制——压力无关型

在图4所示的精确控制介质温度方案应用中，同样对电磁阀的供液进行控制，并在回气管路上加设电动阀用于控制蒸发温度，从而实现对介质温度的精确控制。目前成熟的解决方案为模块化电动阀ICM与控制器EKC361通过温度传感器AKS进行控制。EKC361控制器根据AKS温度传感器获得温度信号，控制电动阀的开度，进而控制蒸发温度。该解决方案中受控温度的精确度同样可达±0.25℃。如果温度达到此范围，那么EKC361控制器将关闭安装在液体管路上的电磁阀。在这里，ICM电动阀的操控主要根据介质的温度和控制器中的控制逻辑进行控制，因此尽管它的调节同样涉及蒸发压力的调节，但可以称为压力无关型控制方式。该系统对外界温度的变化反应十分灵敏。

2 两种温度精确控制的应用分析

2种温度精确控制方案都可以达到±0.25℃的控制精度，但是在工作原理上却有较大的区别，应用场合也不同。如在工业制冷的实际应用中，由于系统巨大，较为复杂，往往会遇到系统的吸气压力发生较大变化而系统负荷相对稳定的情况，也可能遇到吸气压力较为稳定而需要的制冷负荷相应较大的情况。

2.1 负荷稳定吸气压力变化

在实际应用中往往多个蒸发器／循环桶对应同样的吸气管路，从而导致运行时某个蒸发器／循环桶的负荷是稳定的，而由于其他部分的波动导致吸气压力发生变化。此时如果采用压力相关型的ICS＋CVQ进行控制，则阀体的开度随着压力的波动可以立即进行相应调整，进而保持阀前的压力恒定，这样系统将处于较为稳定的状态。

如果采用压力无关型的ICM电动阀进行控制，则由于负荷相对稳定，在吸气压力变化初期电动阀的输入相对稳定，没有进行调整，这将导致蒸发压力和温度发生变化，并最终当介质温度发生变化后，ICM电动阀才会对其开度进行相应调整，这将影响系统的稳定性。

2.2 吸气压力稳定负荷变化

实际情况中容易出现负荷波动的情况，而在发生波动期间，由于系统的惯性，其吸气压力的变化有相应的滞后效应。此时若采用压力相关型的ICS＋CVQ进行控制，则阀体的开度将由于压力变化存在滞后的影响，较慢地感受到负荷的变化，从而使得ICS＋CVQ的开度调整出现相应的滞后，造成较慢的调整节奏，给系统的稳定性带来一定的影响。如果采用压力无关型的ICM电动阀进行控制，负荷的变化将直接导致介质温度发生变化，此时ICM控制器可以迅速感受到温度信号的变化并立即根据温度的变化对阀体开度进行相应调整。外界负荷变化造成的波动可以及时补偿，迅速减弱由于负荷波动带来的不稳定性。

图4 温度精确控制——压力无关型

2.3 温度精确控制的节能分析

温度的精确控制，不仅可以提高介质温度的控制精度，减小温度的波动范围，保证产品的品质，还可以进一步降低系统的能耗。在没有对温度进行精确控制之前，为了确保产品品质往往需要确保系统在最大的温度波动范围内依然可以满足相关产品的品质要求，这必然带来系统的平均蒸发温度下降，如果采用较高精度的温度控制方式，平均蒸发温度可以相应提高，如图5所示。

图5 精确温度控制使系统运行在较高蒸发温度下

若要求的最高蒸发温度为－35℃时，同时一般的温控精度为±1℃，则系统的平均蒸发温度将设定为－36℃，而此时如果采用±0.25℃精度的控制手段，系统的平均蒸发温度将上升到－35.25℃，也就是系统的蒸发温度上升了0.75℃。如果以NH3为制冷剂，则此时系统的EER有可能因此提高3%以上。这样对于压缩机轴功率为100 kW的系统而言，可能存在3 kW的降耗。如果每天运行10小时，运行一年的节能估算将达到近万千瓦时。

3 结束语

采用模块化控制阀的2种控制方式均可以有效稳定控制温度，将温度的波动维持在较小的范围内，在实现温度精确控制的同时达到节能减排的目的。这2种温度控制方式各有特点，应用场合也不同：ICM电动阀控制方式无需压差开启阀门，阻力小，适合用于低温系统（蒸发温度低于－35℃），对于蒸发器负荷变化较大而压缩机吸气压力较为稳定的情况，能够很好地保持温度的稳定；ICS＋CVQ方式控温非常稳定，即使在压缩机增减载及蒸发器负荷变化情况下，也能保持稳定的蒸发压力，从而确保换热器不被冻结。