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1、1 / 12 0引言在制冷系统的运行中，通过自动控制可以使系统安全稳定的工作，保证储藏食品的质量，提高系统的运行性能，节约能源消耗以及降低运行成本等。制冷装置的自动控制系统，可以对制冷系统参数如压力、温度、湿度、流量、液位、空气成分等自动检测和调节，还可以对制冷机器和设备进行保护，以避免发生事故。系统中的控制器可采用双位、比例 (P、比例积分 (PI 或比例积分微分 (PID控制器等1。制冷装置的自动控制系统一般采用负反馈调节系统，为了提高控制精度，还可以采用串级、前馈等调节系统。1制冷系统的参数控制技术制冷系统的工作参数调节主要指对系统的制冷剂流量、冷室度、制冷剂工作压力等的调节。现以 *
2、轮制冷系统为例分析其基本参数的控制技术。1.1 冷室温度控制冷藏库或制冷橱柜中的温度控制是制冷自动控制系统的基本控制。对于采用单一蒸发器的制冷装置，其冷室温度调节的最普遍方法是利用双位温度控制器直接控制压缩机的开停。* 轮制冷系统是由一台压缩冷凝机组连接到多个蒸发器的组合制冷系统( 如图1，每个冷室分别设置温度控制器(KP61控制供液电磁阀 (EVR 。当一个冷室的温度达到所控制温度的下限值时，该冷室的温度控制器动作，关闭其蒸发器的供液电磁阀，使制冷剂停止向该蒸发器供液。当所有冷室的温度都达到下限值时，所有的电磁阀关闭。这时压缩机的吸气压力降低，当压力达到高低压力控制器(KP15低压部分的断开
3、压力值时，低压控制器控制压缩机停机。当任一冷室温度回升至设定的上限值时淇温度控制器打开该冷室蒸发器的供液电磁阀，吸气压力也将随之升高，当其压力达到低压压力控制器的接通压力值时，压力控制器控制压缩机重新启动，系统开始运行。图2为双位控制器控制冷室温度的原理图，其冷室温度的变化如图3 所示。由于存在延迟时间 T，所以冷室温度变化范围超过了控制器的控制范围2。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 12 页2 / 12 一般的食品储藏及舒适性空调系统的温度允许在一定范围内变化，因此采用双位控制法控制冷室温度即可满足要求。当温度的控制精
4、度要求很高时，可以采用比例积分调节器或比例积分微分调节器。这两种调节器都可以使被控制量恢复到某一要求值，使静态温度保持恒定。图4 为使用各种温度控制器时的调节过程比较。图 1* 制冷系统原理图图 2 双位调节器控制冷库温度原理图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 12 页3 / 12 - 迟延时间； 2控制器差动范围T开关周期；1库温波动范围；y、- 控制温度图 3 温库的双位调节过程PI- 比例积分控制器；PD-比例微分控制器；P 比例控制器PID- 比例积分微分控制；t- 时间； X被控变量图 4 各种调节过程1.2 蒸
5、发器流量控制蒸发器制冷剂的流量调节是通过节流元件实现的。节流元件主要有热力膨胀阀( 图1 中 TE 、热电膨胀阀等。热力膨胀阀是温包传感、机械作用的流量调节阀，它只能适用于传统的控制模式，即构成简单的过热度闭环反馈调节系统，实现比例型流量调节。热力膨胀阀的调节总是要滞后于蒸发器出口制冷剂蒸气温度的变化，当蒸发器中的热负荷减少时，滞后时间增加3。滞后引起热力膨胀阀的脉动工作，所以在蒸发器中不能保证蒸发温度和蒸发压力的稳定。当蒸发器中的热负荷波动较大及制冷装置必须精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 12 页4 / 12 在恒定蒸
6、发压力下工作时，为保证蒸发器中制冷剂蒸发压力的稳定，仅靠单一的热力膨胀阀的控制是无法实现的，此时应在蒸发器的出口管路上加装蒸发压力调节阀。由于热力膨胀阀本身存在不足，为了实现计算机控制，可采用电子手段进行流量调节。 * 轮制冷系统的热电膨胀阀是为了适应计算机控制而开发的一种制冷节流元件。该流量控制装置由于采用电子式比例积分调节器能够保证有良好的调节品质，即使负荷变化大，控制系统本身也能迅速准确地调整，能将过热度控制得很小，保证蒸发器面积得到最大利用。电子膨胀阀是国际上80 年代以后推出的一种较为先进的节流元件，它适应制冷机电一体化的发展要求，具有传流热力膨胀阀无法比拟的优点。它按电脑预设的程序
7、进行流量调节，尤其适用于变频式空调器中4。图 5 为热力膨胀阀与电子膨胀阀工作动态特性的比较。由图 5 可见，当制冷系统开始运行时，热力膨胀阀在初始阶段制冷剂供液量G变化较大，蒸发器进、出口制冷剂温度也不停地变化。一段时间后，供液量与温度有一短暂稳定，随着冷室温度的下降，负荷变化又引起供液量、蒸发温度和过热度长时间的振荡。而电子膨胀阀在系统启动后几分钟，过热度和其它参数就基本稳定。电子膨胀阀具有良好的启动和变负荷动态特性。Pd-排气压力； Ps-吸气压力； G-制冷流量； Tei,Teo-制冷剂进出蒸发器的温度图 5 热力膨胀阀与电子膨胀阀制冷系统的动态特性比较1.3 蒸发压力控制* 轮制冷系
8、统由于采用多个蒸发器，并要求达到不同的控制温度。因此，可通过蒸发压力调节，以维持各自的蒸发温度( 压力。蒸发压力调节阀 ( 图 1 中 KVP 安装在温度高的蒸发器出口管路上，其作用是对高温蒸发器出口制冷剂蒸气再次节流，使其压精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 12 页5 / 12 力与低温蒸发器出口压力相同，同时可以维持该冷室的蒸发压力恒定5。该系统中还必须在温度低的蒸发器出口管路上装止回阀( 图中 NRV ，其目的是防止停机时，高温蒸发器中的制冷剂蒸汽倒流至低温(低压蒸发器中凝结，不仅破坏低温冷室的正常工作，而且会使压缩
9、机产生液击的危险。1.4 冷凝压力控制在制冷系统正常运行时，冷凝压力必须维持在一定范围内。冷凝压力过高会导致压缩机耗功增大，经济性下降，同时当该压力超过设备的承受压力时，会发生爆炸的危险。在冬季运行时，冷却水的温度过低及室外环境温度过低，都会引起冷凝压力过低，使冷凝压力与蒸发压力的差值减小，热力膨胀阀两端的压差减小，造成流经热力膨胀阀的制冷剂流量急剧减小，使制冷量大大降低。因此，为保证制冷装置的正常运行，必须对冷凝压力进行调节，使其稳定在要求的范围内。* 轮制冷系统的冷凝器是水冷式的。冷凝压力的调节通过安装在冷凝器的进水管路上的水量调节阀来实现。水量调节阀分为压力控制式和温度控制式6。根据冷凝
10、压力或冷却水出口温度自动控制水量调节阀的开度，改变水流量，以维持冷凝压力在允许的范围内。此外，还可以采用从制冷剂侧调节冷凝压力，在冷凝器出口管路上安装一只高压调节阀 (图 1 中 KVR ，该阀是一只受阀前压力(冷凝压力 控制的比例调节器，当冷凝压力低于设定值时，调节阀关闭，达到设定值时，调节阀开启。同时在压缩机排气管路与储液器人口之间接一段旁通管，旁通管上安装一只差压调节阀( 图 1 中 NRD ，该阀是受阀前后压差控制的调节阀，压差大时，阀的开度大，压差小时，阀的开度小，压差低于设值时阀关闭。采用这种方法控制冷凝压力，应注意制冷系统中必须有高压储液器，而且高压储液器的容积要足够大，系统中的
11、制冷剂充灌量要足够多，以保证在冷凝器达到最大积液时，高压储液器中仍有制冷剂液体，使热力膨胀阀正常工作7。制冷装置并非将主要部件配齐并按正确流程连接就行，只有当他们的容量彼此匹配，方能达到要求的性能而满意地工作。1.5 吸气压力控制在压缩机的吸气管路上安装吸气压力调节阀( 图 1 中 KVL ，其目的是为了避免压缩机在高吸气压力下工作。因为制冷系统在正常的低温状态下运行时，电机的功率较小，但在启动初期和融霜后期，制冷系统重新开始制冷运行的时候，吸气压力较高，会引起电机的功率超过电动机的额定功率，而使电机超载。如果轮制冷系统按照功率最大的情况选择电动机，那么在正常制冷运行时，电动机的效率很低，而且
12、电机的散精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 12 页6 / 12 热量大，给制冷循环带来一系列的影响。* 轮制冷系统采用吸气压力调节，因此可以按照额定工况所需的功率选择电动机。吸气压力调节通过使吸气节流实现。在制冷机运行时，吸气压力调节阀可以防止吸气压力超过允许值。在阀上设定系统允许的吸气压力最高值。 * 轮制冷系统运行时，当系统中的吸气压力低于设定值，调节阀全开。吸气压力超过设定值时，调节阀的开度变小，使吸气节流。吸气压力过高时，调节阀关闭。调节阀开度的变化取决于吸气压力与设定值的偏差。2 制冷系统的能量调节技术热气旁通能
13、量调节是在 * 轮制冷系统的高、低压侧旁通管上安装能量调节阀。能量调节阀受吸气压力控制，并具有比例调节作用。在HOEGH XIAMEN轮制冷系统运行中，当压缩机的吸气压力较低时，能量调节阀打开，高压制冷剂蒸汽旁通到压缩机吸气管上(或旁通到蒸发器的前端或中部，使进人到蒸发器的制冷剂液体量减少，降低了制冷量。为了防止压缩机的排气温度升高，还同时向吸气管路喷液体。要注意防止压缩机液击。压缩机制冷量的大小，与其电机转速的高低有关。因此可以通过改变压缩机电机的运转速度来达到调节压缩制冷量的目的。这种能量调节的方式具有较好的经济性。电机的变速调节可以通过采用变速电机或变频调速来实现压缩机的变速能量调节8。
14、HOEGH XIAMEN 轮制冷系统采用多级数的电动机，通过级数切换用多种转速驱动压缩机，同样可以使压缩机的制冷量分别按级数进行调节。3 制冷系统的安全保护3.1 吸、排气压力保护为了保证制冷装置的可靠运行，制冷系统的安全保护是不可缺少的。安全保护的目的是为了使压缩机、风机、泵安全运行，高压设备的工作安全可靠，以及整个制冷精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 12 页7 / 12 系统的工作可靠。制冷系统运行时，要防止压缩机的排气压力过高。当由于某些原因造成压缩机排气压力超过允许的最高值时，通过压力控制器立即控制压缩机停止运行
15、，以防止发生危险。另外当制冷装置内的温度已经达到要求的温度值时，如果压缩机继续运行，将使吸气压力降低。这样不仅造成了能源的浪费，还会引起储存的食品干耗增大，而且增大了空气进人制冷系统的可能性。而空气的渗人还会导致排气压力与排气温度的升高，压缩机的功耗增大，制冷量下降。因此对压缩机的吸气压力同样需要加以控制9。* 轮制冷系统中压缩机吸、排气压力的保护是在系统中安装高、低压力控制器(图 1 中 KP15 来实现。当制冷系统中的排气压力达到高压控制器的断开压力值时，压力控制器的触点断开，通过控制电路，控制压缩机停机，同时还要伴随灯光或其它报警动作。在制冷系统运行中，如果吸气压力过低，当其达到低压控制
16、器的断开压力值时，低压控制器的触点断开，控制压缩机停机，待系统的吸气压力回升到低压控制器的接通压力值时，压力控制器的触点闭合，控制压缩机重新启动。3.2 油压差保护制冷压缩机在运行过程中，其运动部件需要用润滑油进行润滑和冷却。为了保证压缩机的安全运行，必须对供油压力进行控制。油压的保护是用压差控制器来实现的。压差控制器 ( 图 1 中 MP 的高压端接油泵出口，低压端接在回气管或曲轴箱上。当油压差达不到要求时，压差控制器控制压缩机停机，以防止压缩机因缺油而发生事故。3.3 排气温度的保护* 轮制冷系统采用温度控制器来保护排气温度。当排气温度超过限制值时，温度控制器控制压缩机停机，以防发生事故。
17、还可以采用向吸气管路喷液体来防止排气温度过高。将喷液阀安装在贮液器与吸气管路之间，喷液阀的感温包缠绕在排气管上，当排气温度超过允许值时，喷液阀打开，使高压制冷剂液体经喷液阀节流后进人吸气管中，吸收吸气管中制冷剂的热量而蒸发，使压缩机的吸气温度下降，从而降低排气温度。4 制冷系统融霜控制技术精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 12 页8 / 12 在制冷系统运行中，蒸发器表面结霜会对其换热效果产生很大的影响，延长了降温时间，系统运行的经济性下降，所以应定期进行融霜。融霜控制是指融霜开始的控制、融霜过程进行时间的控制以及融霜终止
18、的控制。在制冷系统运行期间，当蒸发器需要融霜时，控制器发出指令，使融霜的蒸发器停止制冷运行，同时控制向该蒸发器加人融霜所需的热量。当融霜结束后，控制器应终止热量的加人，将融霜循环转换为制冷循环。最理想的控制应根据霜层的厚度来决定开始融霜的时间。而霜一旦融化后，就应立即停止融霜10。但这两个信号很难直接获得。由于蒸发器表面结霜的厚度，与制冷机工作时间的长短是成正比的。* 轮制冷装置融霜开始的控制是根据制冷装置运行的时间，用时间控制器来进行控制。可以根据制冷装置结霜的具体情况，在时间程序控制器上预先设定好制冷装置每运行一段时间后开始融霜和每次融霜的时间。制冷装置工作到设定的时间时，融霜时间控制器发
19、出开始融霜的指令，通过控制电路，控制融霜蒸发器停止制冷运行，控制加热热源进人蒸发器，开始融霜。经过一段设定时间之后，控制器又控制切断热源，融霜结束。融霜终止则根据时间控制器发出的指令来实现。时间控制器上调定好每次的融霜时间，融霜过程达到相应的时间后，时间控制器就停止融霜的进行。这种终止融霜的方法比较可靠，但不能根据使用中的负荷、温度或其它参数的变化作出相应的改变。采用单一的时间控制器进行融霜控制，由于预先设定的融霜时间很难与制冷装置运行中的实际结霜情况相吻合，可能出现霜已经融化了，但是由于没有达到融霜结束的时间，融霜加热仍在进行。此时，会引起制冷装置内的温度升高的过多，不仅造成能源的浪费，而且
20、对制冷装置中储藏的食品质量影响较大11。为避免这种情况的产生，可以在定时控制的基础上再插人温度控制终止的功能。而采用时间一温度控制器的制冷装置，通过时间控制设定开始融霜的时间，即两次融霜的时间间隔，而终止融霜通过温控器。温控器接受蒸发器壁面的温度信号，当该温度在0以上时，温控器就发出终止融霜的指令。温控终止的好处在于: 蒸发器表面结霜不多时，可以提前终止融霜，既节约了能源，又可以防止蒸发器内压力过高。时间一温度控制器既可以用温度控制终止融霜，同时还可以用时间控制器来终止融霜。由于每一种制冷剂的饱和压力与饱和温度的关系是已知的，所以调节压缩机的吸气压力就可以控制制冷装置中蒸发器的蒸发温度12。采
21、用压力控制器根据融霜时蒸发器出口处的制冷剂的压力来进行控制。在压力控制器上，按照融霜结束时制冷剂应达精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 12 页9 / 12 到的温度值对应的压力，调定好控制压力值，融霜时，当制冷系统蒸发器中的制冷剂压力达到压力控制器的断开压力值时，控制器就控制融霜终止。对于采用空气强制流动的翅片式蒸发器，由于霜层的厚薄和蒸发器空气进出口的压差成比例，即霜层越厚，其压差越大。反之，霜层薄，压差小。因此可以根据蒸发器空气进出口的压力差的变化，来判断结霜的情况，并以此作为融霜控制的依据。将蒸发器前后空气的压力引人
22、到一个微压差控制器上，在控制器上调节好给定值。当蒸发器前后空气的压力差大于给定值时，控制器的触点动作，控制蒸发器开始融霜。由于霜层的融化，使压力差减小，当其降低到低于设定值时，控制器的触点再次动作，通过控制电路控制融霜终止。5 制冷自动控制系统发展趋势制冷装置的传统控制以经典控制理论为基础，将组成系统的主要机器设备逐个作为单一对象，并对其运行参数分别进行调节，构成多个单回路控制系统。这种控制系统模式虽然能对参数进行一定的调节以保证装置的正常安全运行、实现必需的工艺要求，但由于调节品质不高，难以达到更高的调节精度，特别是难以适应大的负荷变化和工况变化，无法实现制冷装置最佳的节能运行13。对于小型
23、制冷装置，由于其系统简单、控制精度要求较低，控制系统多为简单的开关控制和比例控制，采用机械控制式的自控元件，在保证装置运行正确、安全可靠的前提下，得到较粗的控制精度。复杂的制冷装置，机器设备较多，工艺流程复杂、参数控制点多，考虑到运行中各设备、各参数的相互影响问题，因此其控制系统所需控制元件较多，控制系统也较复杂。随着计算机技术的发展，一些大中型制冷系统，利用计算机实现数据的自动采集并进行系统运行、参数调节自动化管理。机电一体化的发展，将有利于提高制冷装置的综合性能，使装置从传统控制进人到整个系统的最优控制。机电一体化产品和装置是传统机械产品与电工技术的结合，具有自动控制、自动补偿、自动校验、
24、自动调节、自诊断、自恢复和智能等复合技术及复合功能14。电子式控制传感快，并运用新型的控制技术和控制方法，由电脑根据各个参数之间的关系给出最佳的调节规律或控制程序，并迅速执行控制作用。这种控制可以实现最佳精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 12 页10 / 12 调节，提高制冷系统的控制精度，使系统的运行经济性大大提高。因此制冷装置实现机电一体化是现代技术发展的必然趋势，也是提高制冷装置综合性能的迫切需要。模糊控制、变频控制及自适应控制系统的不断应用，使制冷装置的控制效果趋于合理，实现高效节能。与之相应的新型制冷控制元件也在
25、不断的发展。这必将推动制冷装置机电一体化的发展。结论为了保障制冷设备正常运行，并达到所要求的指标，* 轮制冷系统把控制温度、压力、流量、湿度等许多热工参数的一些控制电器和调节元件、各种仪表、传感器及附属设备组合起来形成一个控制系统。* 轮制冷装置自动控制系统具有自动控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自诊断、自恢复和智能等复合技术及复合功能。它能保证设备的正常运行与操作人员的安全，改善工人的劳动条件，有利于提高空调环境的质量，最大限度地节能，经济合理地运行，提高劳动生产率。不但减轻了操作工人的劳动强度，改善了劳动条件，更重要的是它的安全、精确、节能降耗！是当代制冷技术的一大进步！精选学习资料
26、- - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 12 页11 / 12 致谢语在此论文完成之际，我深深地感谢在船期间各位船舶领导的指导和在校期间那些在学习和生活上给过我关心和帮助的老师和同学。首先，要衷心感谢我的母校* 大学轮机工程学院。是它给了我一个学习的环境和氛围，并且以其一届一届传承下来的良好的学习精神深深的影响着我。在四年的大学学习生活中，无数的老师以他们严谨的教案态度，认真负责地教导我，不仅传授我给我更多更好的专业知识，还教我做人的道理。他们的淳淳教诲我时刻铭记于心，并以此激励自己。其次，要衷心感谢我的在船指导轮机员老轨* 。我之所以能够
27、顺利完成这篇论文，无不凝聚着 *老轨的心血与汗水。*老轨在论文的选题，研究方案的确定以及具体的实施过程都给予了周密的指导，还在资料的提供中给了我极大的帮助。*老轨严谨的工作态度和系统的科研思路让我受益终生。同时*老轨平易近人、耐心细致的教导也给我留下了深刻的印象。另外，感谢二轨 * 、三轨* 、和电机员 * 在自动化控制方面给我提供的讲解，以及在论文写作过程中给予我的建议和帮助；感谢他们在船期间一直给我的鼓励和支持。这些船舶领导对我的关照我将永远铭记于心。在论文完成之际，我心中充满感激之情，感谢学校各位老师和船舶领导的殷切栽培, 感谢父母的养育之恩和无私的支持。十数载寒窗苦读，我永不忘你们在曾
28、经为我作出的牺牲和无私的奉献。我也将在平凡的职位中尽已之能回报社会回报父母。感激之情，述之不尽，再一次致以我衷心的感谢。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 12 页12 / 12 参考文献1 陈之久 . 制冷装置自动化M. 北京 : 机械工业出版社，1997.2 朱瑞琪 . 制冷装置自动化M. 西安 : 西安交通大学出版社，1993.3 石家泰 . 制冷空调的自动调节M. 北京 : 国防工业出版社，1980.4 满一新 . 船机维修技术M. 大连 : 大连海事大学出版社,2005.43 51. 5 费千 . 船舶辅机 M.
29、 大连 : 大连海事大学出版社, 2008. 6 石家泰 . 制冷空调的自动调节M. 北京：国防工业出版社，1997. 7 杨磊 . 制冷原理与技术M. 北京 : 科学出版社， 1988. 8 吴业正 . 制冷原理及设备M. 西安 : 西安交通大学出版社,2001. 9 杜存臣 . 制冷与空调装置自动控制技术M 北京 : 化学工业出版社，200710 姜周曙 . 制冷空调自动化M. 西安： 西安电子科技大学出版社,2009 11 孙见君 . 制冷与空调装置的自动控制M. 北京 : 化学工业出版社,2005. 12D.W.Smith,C.Eng.,M.Iar.E.Marine Auxiliary Machinery(6th Edition.Butherworth,2001. 13 范志贤 . 轮机自动化机舱综合训练M. 大连 : 大连海事大学出版社, 1999. 14 王永坚 . 动力设备操作 M. 大连 : 大连海事大学出版社, 2008. 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 12 页
