CN102914109A - 一种用于多个并联蒸发器制冷系统的同步监测和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多个并联蒸发器制冷系统的监测和控制方法，包括以下步骤：获取制冷系统中多组制冷实体内所储存的物品附近的空气温度T_air；将各个制冷实体的温度进行数据处理，获得相对温度T_i；两两比较制冷实体的相对温度，如果小于第一阈值，就记录一次，当该记录次数大于第二阈值时，就判断这两个制冷实体内的蒸发器处于同步状态。本发明可以解决具有相同或不同温度预设范围的蒸发器间的同步问题。

Description

一种用于多个并联蒸发器制冷系统的同步监测和控制方法

技术领域

本发明涉及蒸发器制冷技术领域，特别是涉及一种用于多个并联蒸发器制冷系统的同步监测和控制方法。

背景技术

有一类制冷系统包括冷凝器、多个压缩机组成的具有可变容量的压缩机组和两个或两个以上并行连接的制冷实体。其中，每个制冷实体内有一个蒸发器和控制制冷剂流入蒸发器的阀门控制装置。该类制冷系统通常在超市中使用，制冷实体可以是开放式或封闭式的展示柜，也可以是较大一点的，如用于餐馆或屠宰场的封闭制冷间。

图1给出了这类制冷系统的一个示例。每个展示柜都配备蒸发器和阀门控制装置。阀门控制装置包括阀门和相应的控制器，执行开/关控制和过热控制。过热控制用来调节注入到蒸发器内的液态制冷剂的量，一方面使蒸发器发挥最大的制冷能力，另一方面又保证不让液态制冷剂流出蒸发器以损坏压缩机。开/关控制主要是保证藏品存储在最佳温度范围内，通常由滞环控制方法来实现，其工作原理是：用温度探头测量得到藏品附近的空气温度T_air，该温度与预先设定的藏品最佳存储温度范围的上限T_air，up和下限T_air，low相比较。当温度T_air高于T_air，up时，表明此时藏品附近环境温度过高，滞环控制器将阀门打开，让低温液态制冷剂流入蒸发器，与藏品进行热交换，从而实现制冷；该状态一直持续到T_air小于T_air，low时，然后滞环控制器将阀门关闭，阻止制冷剂流过，直到T_air再次上升到T_air，up。

这些并联的制冷实体会共用一个具有可变容量的压缩机组，它是由多个压缩机并联而成。压缩机控制器会根据制冷需求打开或关闭某个或几个压缩机，以实现压缩机组容量的逐级调节。压缩机控制器通常采用具有死区补偿的PI控制，其工作原理是：压力探头检测压缩机组入口处的气态制冷剂的压力P_suc，当吸入压力P_suc高于预先设定的死区范围上限时，起动部分压缩机工作，直至P_suc降低到死区范围内；反之，当吸入压力P_suc低于死区范围的下限时，让部分压缩机停止工作，直至P_suc升高到预设的范围内。控制方法中加入死区补偿是为防止吸入压力的微小波动引发压缩机的频繁切换。

在超市制冷系统中，上述并联的制冷实体通常是开放式或封闭式的展示柜。依据食品所需存储温度的不同，展示柜分为几组。组内各个展示柜的设计参数、温度预设范围[T_air，low，T_air，up]等运行条件相似，组与组之间有所区别。

在超市制冷系统的实际运行中发现，当系统工作一段时间后，无论是具有相同温度预设范围的同组展示柜，还是具有不同温度预设范围的组与组之间的展示柜，它们的柜内温度T_air会趋于同步，即同时达到预设的温度上限和下限（如图2所示），从而导致在滞环控制下的各个阀门的开/关切换频率同步，即同时打开或者同时关闭，这样会产生周期性的较多或者较少的气态制冷剂从蒸发器流出，引起吸入压力周期性的大范围波动，频繁超出死区范围，从而迫使压缩机频繁起动和停止，该时间数量级通常在分钟级，这样会导致压缩机磨损率增高，使用寿命降低。并且在实践中还发现，这种同步效应具有自增长性，即起初只是两个展示柜同步，逐渐的其他展示柜也会加入其中，形成大范围内的同步效应。因此迫切需要提供一种手段来监测系统的运行状态，并能提早预测到同步风险，及时采取措施防止或限制同步的发生，从而降低压缩机负载，提高其使用寿命。

对上述同步效应最直接的改进方法就是废弃滞环控制，避免各个制冷实体内的阀门处于开/关两种离散状态，而是采用连续控制，将温度精确的控制在某个数值附近。然而这类控制会使得蒸发器一直运行在制冷剂低度填充的状态，整个展示柜的温度分布会不均匀，影响存储质量。另外，滞环控制其实还会带来其他正面效应，例如减少蒸发器的常规除霜操作，提高传热性能等。

发明内容

本发明提供一种用于多个并联蒸发器制冷系统的监测和控制方法，该方法可以解决具有相同或不同温度预设范围的蒸发器间的同步问题，减少压缩机负载，提高压缩机使用寿命，并可直接应用于现有制冷系统中，对现有控制结构无需做太大调整。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于多个并联蒸发器制冷系统的同步监测和控制方法，包括以下步骤：

（1）获取制冷系统中多组制冷实体内所储存的物品附近的空气温度T_air；

（2）将各个制冷实体的温度进行数据处理，获得相对温度信息T_i；

（3）两两比较制冷实体的相对温度信息，如果小于第一阈值，就记录一次，当该记录次数大于第二阈值时，就判断这两个制冷实体内的蒸发器处于同步状态。

所述步骤（2）中采用公式T_i＝(T_air，i-T_{air，i，low})/(T_air，i,up-T_{air，i，low})得到相对温度信息T_i，其中，T_air，i为第i个制冷实体的温度，T_air，i,up和T_{air，i，low}分别为第i个制冷实体预设的温度范围上限和下限。

所述步骤（3）后还包括当有两个以上的蒸发器处于同步状态时发送报警信号的步骤。

所述步骤（3）后还包括当有两个以上的蒸发器处于同步状态时进行解同步控制的步骤。

所述解同步控制包括对处于同步的蒸发器向下微调其温度预设范围的上限和/或向上微调下限的步骤。

所述解同步控制包括依据以下原则重新调整各个蒸发器控制阀的开/关规律的步骤，其中原则为：对第i个蒸发器引入相对温度上限T_c,i＝i/N×(T_air，i,up-T_{air，i，low})，其中N为制冷系统内并联蒸发器的个数，如果处于同步的第i个蒸发器的控制阀阀门处于打开状态，并且其相对温度T_i接近于T_c，i，发送控制信号将其阀门关闭。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明旨在对现有制冷控制系统不做大规模调整的基础上，嵌入新的控制方法，以防止系统进入极端恶劣状态（即同步），始终保持运行良好。

本发明涉及的所有同步监测与解同步方案可以在远离制冷系统的监测中心实现远程监控。监测中心可以同时或依次对多个制冷系统执行监测任务，当发现某个制冷系统即将或正运行在同步状态时，发出控制信号通知技术人员，或者直接执行解同步控制策略。

本发明改善现有制冷系统的运行状态，可以在很大程度上减少压缩机负载，提高压缩机使用寿命。

本发明没有对现有制冷系统的控制结构做重大调整，用到的系统信息也很容易从现有的制冷系统中获取，算法的执行不需要事先知道系统的详细知识。因此，在对现有制冷系统几乎不增加额外成本的前提下，极大的改善了系统的运行性能。

本发明不仅可以监测和解决具有相同温度预设范围的蒸发器间的同步问题，还可监测和解决具有不同温度预设范围的蒸发器间的同步问题，实现方式灵活。

附图说明

图1是具有多个并联蒸发器的制冷系统结构示意图；

图2是分别显示具有相同和不同温度预设范围的两个制冷实体的温度变化以及吸入压力的相应变化示意图；

图3是根据本发明实施的制冷系统控制结构示意图；

图4是本发明同步监测算法的流程图；

图5是本发明中第一种解同步算法的流程图；

图6是本发明中第二种解同步算法的流程图；

图7是解同步控制效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种用于多个并联蒸发器制冷系统的同步监测和控制方法，如图4所示，包括以下步骤：（1）获取制冷系统中多组制冷实体内所储存的物品附近的空气温度T_air；（2）将各个制冷实体的温度进行数据处理，获得相对温度信息T_i；（3）两两比较制冷实体的相对温度信息，如果小于第一阈值，就记录一次，当该记录次数大于第二阈值时，就判断这两个制冷实体内的蒸发器处于同步状态。

如图1所示，图1是依靠现有技术控制的制冷系统示意图，典型的应用于超市中。该系统主要包括冷凝器、压缩机组，多个制冷实体，以及相应的控制器。其中，图中只给出两个并行联接的制冷实体，用虚线表示可以有更多的制冷实体并联。这些制冷实体与冷凝器和压缩机组串联，形成耦合系统。

压缩机组由多个压缩机并联而成，其容量具有可调节性。压缩机控制器的输入信号来自探测器测得的吸入压力P_suc，通过具有死区补偿的PI控制算法，接通/断开压缩机组内的某个或多个压缩机，将吸入压力控制在期望范围内。冷凝器是基于测量得到的冷凝压力受到控制。

每个制冷实体包含有展示柜（内有藏品，如食物）、蒸发器和控制制冷剂流入蒸发器的阀门控制装置。阀门控制装置包括阀门和相应的控制器，执行开/关控制和过热控制。该阀门可以是电磁阀，其中过热控制采用脉宽调制（PWM）技术；或者，可以由一个电子阀和一个恒温膨胀阀串联而成，电子阀执行开/关控制，恒温膨胀阀执行过热控制。

过热控制是为保证蒸发器内具有最佳的制冷剂注入量，即一方面要使得蒸发器内液态制冷剂尽可能多，以发挥最大的制冷能力；另一方面又要保证液态制冷剂流经藏品吸收热量后完全气化，不能有残留的液态制冷剂从蒸发器流出，因为这样会损坏压缩机。过热控制器是通过调整阀门获得一个小的正的过热度T_sh来实现上述功能的。正的过热度保证没有液态制冷剂流出蒸发器，过热度较小又可保证蒸发器内制冷剂的液态区域较大。控制器的输入信号T_sh来自过热传感器，它是测量得到的蒸发温度与蒸发器出口处温度的差值，蒸发温度可间接的通过测量吸入压力P_suc得到。或者，T_sh也可以是蒸发器入口和出口处温度的差值。

阀门的开/关控制采用滞环控制方法，控制器的输入信号T_air由安放在展示柜内藏品附近的温度探头测量得到。如果T_air达到期望的温度范围上限T_air,up时，滞环控制器将阀门打开，让低温液态制冷剂流入蒸发器，实现对藏品的制冷；如果T_air达到期望的温度范围下限T_air，low时，滞环控制器将阀门关闭，停止制冷。

图2是根据现有技术控制的制冷系统内两个制冷实体温度T_air和吸入压力P_suc随时间变化的示意图。图2A是具有相同温度预设范围[T_air，low,T_air，up]的两个制冷实体T_air的变化情况。如图2A所示，由于上述滞环控制的作用，每个制冷实体的温度T_air被限制在T_air，low和T_air，up之间变化（在实际情况中会存在一定的惯性和延迟，T_air会稍许超出温度上、下限）。当系统运行一段时间后，两个制冷实体的温度T_air会趋于同步，即同时达到温度范围的上限和下限。在实践中还发现，这种同步效应具有自增长性，即，起初只是少数几个制冷实体同步，逐渐的其他制冷实体也会加入其中，最终形成大范围的同步效应。当许多并联制冷实体（如图1所示）温度同时达到上限时，相应的阀门会同时打开，接收制冷剂流实现制冷，最终导致许多并联蒸发器的出口同时释放出气态制冷剂，汇聚形成过大的吸入压力，如图2C所示。这样，在压缩机控制器的作用下，需要接通压缩机组内的几乎所有压缩机才能满足制冷需求；同理，当许多并联制冷实体的温度同时达到下限时，相应的阀门会同时关闭，停止制冷，最终导致并联蒸发器出口处汇聚的气体过少，吸入压力过低，压缩机控制器因此断开几乎所有的压缩机。在系统实际运行中发现，压缩机这种频繁的起停动作通常在分钟级，使得压缩机负载过大，磨损率增高，使用寿命明显降低。图2B显示具有不同温度范围的两个制冷实体也会发生类似上述的同步效应，即它们的温度T_air会同时达到各自的温度上、下限，其效果也是非常不希望的。

图3是根据本发明改进的制冷系统控制结构图。该系统如图1所示包括冷凝器，具有可变容量的压缩机组，两个及以上并联耦合的制冷实体，以及相应的控制器。每个制冷实体内包括展示柜、蒸发器和阀门控制装置。如前所述，阀门控制装置接收来自温度探测器的输入信号T_air执行滞环控制，同时也接收来自过热传感器的输入信号T_sh执行过热控制。

该制冷系统还包括一个中央控制单元。它接收来自每个制冷实体运行的相关信息，包括温度T_air，阀门的开/关情况，或者安放在紧邻压缩机组入口处探测器测得的吸入压力P_suc。利用这些信息，中央控制单元进行分析，从而判断系统是否正在或即将处于同步运行状态。分析方法可以采用以下方法，具体以图4为例。

首先获取系统的相关信息，例如各个制冷实体内的温度值T_air。温度值T_air是指制冷实体内所储存的物品附近的空气温度，由安放在合适位置的温度探测器测得。为使该方法既能监测到具有相同温度预设范围的蒸发器间的同步现象（如图2A所示），也能监测到具有不同温度预设范围的蒸发器间的同步现象（如图2B所示），需要先对每个制冷实体的温度进行数据处理，获得相对温度T_i。处理的方法可以采用公式T_i＝(T_air，i-T_{air，i，low})/(T_air，i,up-T_{air，i，low})，其中，T_air，i为第i个制冷实体的温度，T_air，i,up和T_{air，i，low}分别为第i个制冷实体预设的温度范围上限和下限。然后比较各个制冷实体的相对温度值，如果两个值比较接近，例如|T_i-T_j|＜0.1，就记录一次，当该记录大于某个预定的阈值，例如50时，就判断第i个制冷实体与第j个制冷实体发生同步。

如图4所示，所述步骤（3）后还包括当有两个以上的蒸发器处于同步状态时发送报警信号的步骤，在监测到同步状态后，立刻发送报警信号，使得操作人员可以立刻进行合理操作，来解决同步问题。

所述步骤（3）后还包括当有两个以上的蒸发器处于同步状态时进行解同步控制的步骤。解同步可以采取以下两种方法：

如图5所示，第一种是调整影响系统运行的关键参数，例如温度预设范围的上、下限。具体做法是对处于同步的至少一个蒸发器向下微调其温度预设范围的上限，或向上微调下限，或同时进行上述微调，从而在几乎不影响藏品存储质量的前提下，改变蒸发器的制冷周期，实现解同步。微调幅度可以是原来数值的0～20%，亦或，对整个系统的并联蒸发器都做上述不同程度的微调。

上述做法之所以可以起到解同步的效果，是因为温度预设的上、下限T_air，up和T_air，low是影响整个制冷系统行为的关键因素。只要对其在数值上做微小的调整，就可以在几乎不影响存储质量的前提下，使系统从同步状态下解脱出来，运行到比较理想的非同步状态。该结论可以从直观上得到解释：改变了某制冷实体温度预设范围的上/下限，也就意味着改变了滞环控制下阀门的开/关频率，从而改变了各个并联蒸发器的制冷周期，最终使得温度变化一致的多个蒸发器实现解同步。

如图6所示，第二种实现解同步的方法是按照某种原则重新调整各个蒸发器控制阀的开/关规律，从而打破同步的开/关频率，改变蒸发器的制冷周期。具体做法是：对第i个蒸发器引入相对温度上限T_c,i＝i/N×(T_air，i,up-T_{air，i，low})，其中N为制冷系统内并联蒸发器的个数；在下一个制冷周期，当第i个蒸发器的相对温度T_i（其中，T_i＝(T_air，i-T_{air，i，low})/(T_air，i,up-T_{air，i，low})）上升到T_c,i时，发送控制信号将其阀门关闭。

图7是应用本发明第二种解同步控制方法的效果图，应用第一种解同步方法会得到类似效果。图7A显示了两个制冷实体温度T_air，1和T_air，2随时间变化的曲线。从图中可以看出，最初两条曲线变化一致，这也就意味着两个制冷实体的蒸发器正运行在同步状态下。同时，进入压缩机的吸入压力P_suc在大范围内波动（见图7B），这样会导致压缩机频繁起/停，负载增大。根据本发明，当中央控制单元监测到系统发生同步后，启动第二种解同步控制方案，重新调整蒸发器控制阀的开/关规律，从而打乱两个原本变化一致的蒸发器，将系统从恶劣的运行状态中脱离，消除同步引发的不良后果。从图7A曲线的后续变化可以看到，两个制冷实体的温度逐渐摆脱同步，相应的，图7B中吸入压力P_suc后续的波动范围也显著减小，不会引起压缩机的频繁起/停。值得一提的是，没必要将P_suc的波动幅度缩到最小，甚至是平稳在某一数值。因为在现有制冷系统的控制技术中，压缩机控制器已采用具有死区补偿的PI控制算法，可以允许吸入压力在一定范围内波动，不会引起压缩机的切换

本发明涉及的所有同步监测与解同步方案可以在远离制冷系统的监测中心实现远程监控（如图3所示）。监测中心可以同时或依次对多个制冷系统执行监测任务，当发现某个制冷系统即将或正运行在同步状态时，发出控制信号通知技术人员，或者直接执行解同步控制策略。

Claims (6)

1.一种用于多个并联蒸发器制冷系统的同步监测和控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）获取制冷系统中多组制冷实体内所储存的物品附近的空气温度T_air；

（2）将各个制冷实体的温度进行数据处理，获得相对温度信息T_i；

（3）两两比较制冷实体的相对温度信息，如果小于第一阈值，就记录一次，当该记录次数大于第二阈值时，就判断这两个制冷实体内的蒸发器处于同步状态。

2.根据权利要求1所述的用于多个并联蒸发器制冷系统的同步监测和控制方法，其特征在于，所述步骤（2）中采用公式T_i＝(T_air，i-T_{air，i，low})/(T_air，i，up-T_{air，i，low})得到相对温度信息T_i，其中，T_air，i为第i个制冷实体的温度，T_air，i，up和T_{air，i，low}分别为第i个制冷实体预设的温度范围上限和下限。

3.根据权利要求1所述的用于多个并联蒸发器制冷系统的同步监测和控制方法，其特征在于，所述步骤（3）后还包括当有两个以上的蒸发器处于同步状态时发送报警信号的步骤。

4.根据权利要求1所述的用于多个并联蒸发器制冷系统的同步监测和控制方法，其特征在于，所述步骤（3）后还包括当有两个以上的蒸发器处于同步状态时进行解同步控制的步骤。

5.根据权利要求4所述的用于多个并联蒸发器制冷系统的同步监测和控制方法，其特征在于，所述解同步控制包括对处于同步的蒸发器向下微调其温度预设范围的上限和/或向上微调下限的步骤。

6.根据权利要求4所述的用于多个并联蒸发器制冷系统的同步监测和控制方法，其特征在于，所述解同步控制包括依据以下原则重新调整各个蒸发器控制阀的开/关规律的步骤，其中原则为：对第i个蒸发器引入相对温度上限T_c,i＝i/N×(T_air，i,up-T_{air，i，low})，其中N为制冷系统内并联蒸发器的个数，如果处于同步的第i个蒸发器的控制阀阀门处于打开状态，并且其相对温度T_i接近于T_c，i，发送控制信号将其阀门关闭。

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