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电子膨胀阀在冻干机温度控制中的应用

发表时间：2020/11/18 来源：《基层建设》2020年第22期作者：乔羽

[导读] 摘要：温度控制作为冻干机工艺控制中的重要参数，对制品的质量有着较大的影响，本文通过介绍热力膨胀阀、电子膨胀阀的分类、组成与基本控制原理，通过对比热力膨胀阀与电子膨胀阀分别参与冻干机温度控制效果，电子膨胀阀可以实现更为精准且稳定的温度控制。

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        摘要：温度控制作为冻干机工艺控制中的重要参数，对制品的质量有着较大的影响，本文通过介绍热力膨胀阀、电子膨胀阀的分类、组成与基本控制原理，通过对比热力膨胀阀与电子膨胀阀分别参与冻干机温度控制效果，电子膨胀阀可以实现更为精准且稳定的温度控制。
        关键词：冻干机；热力膨胀阀；电子膨胀阀；温度控制
        引言
        真空冷冻干燥技术工艺复杂，为了保障产品质量，需要系统能够对温度提供稳定精确的控制，尤其冻干机中温度控制以导热油流动热交换实现，系统具有明显的滞后性，对于大滞后系统而言，当前施加的控制作用要经过一段时间的延时才能反映到被控对象输出端；另一方面，当控制对象遭到干扰而引起被调量改动时，调节器产生的控制作用不能够及时对干扰产生抑制作用，因此，含有纯滞后环节的闭环控制必然存在较长的调节控制时间。
        由于热力膨胀阀的调节效果，严重依赖于安装与蒸发器出口处感温包的温度反馈，而温度的传导和自动调节完成后会存在数十分钟的延时，因此对于冻干机温度控制中采用热力膨胀阀容易产生较大的温度波动，且迟迟不能稳定，电子膨胀阀由于自身基于PID控制算法，通过实时采集温度控制中系统的参数，通过执行器可以达到精准控制。
        1.热力膨胀阀
        1.1热力膨胀阀分类
        膨胀阀在制冷系统中主要起到节流的作用，通过调节进入蒸发器中制冷剂的流量和压力维持正常的系统过热度的作用。热力膨胀阀的组成由阀体、阀芯、感温包、平衡管几个部分，一般按照按照平衡方式的不同，分为内平衡式和外平衡式。
        1.2 热力膨胀阀控制原理
        感温包是膨胀阀温度控制中重要的调节动力来源之一，感温包内部充有相同工质氟利昂或其他低沸点液体。感温包安装在压缩机回气管上，理想状态下感温包温度与回气温度一致，感温包内气体压力随回气温度变化，通过安装与上阀体的毛细管将压力传导至膜片上方。热力膨胀阀的调节动力主要来源有三个：感温包内气体压力，其作用于膜片上，使阀门打开；蒸发压力，其作用于膜片下方，使阀门关闭；弹簧压力，作用于膜片下方，可以控制回气过热度，进行手动调节。在制冷系统正常稳定工作时，感温包内的压力等于弹簧和蒸发压力之和。在稳定的预先调节好的弹簧压力下，热力膨胀阀稳定工作，一旦回气过热度增大，感温包内气体温度上升压力上高，则将膨胀阀进一步开大，直到达到新的压力平衡。
        2.电子膨胀阀
        2.1电子膨胀阀分类
        电子膨胀阀按照驱动方式的不同分为：热电式膨胀阀、电磁式膨胀阀和电动式膨胀阀。电磁式电子膨胀阀是通过电磁线圈通电对阀芯产生电磁力吸引阀芯动作，从而控制阀门的开关，达到控制制冷剂流量的目的。
        电动式电子膨胀阀是通过内置的步进电机控制阀门开度，当步进电机接收到来自于控制器的脉冲信号时，通过步进电机的转动，带动阀针上下移动从而控制开度，与直动型相似，减速型是步进电机不直接驱动阀针，而是在电机与阀针之间添加减速齿轮，然后带动阀针移动，增大了转动力矩，适合于流量较大，阀针转动费力的大型制冷系统中。
        热电式膨胀阀是通过电加热产生的热力来驱动阀杆动作，主要由传感元件和调节阀组成的。按照工作原理，可分为双金属片式和参考压力式两种，电加热丝缠绕在双金属片上，加热双金属片产生形变，通过电加热功率控制阀芯上下移动，这种形式是双金属片式。还有一种加热丝加热膨胀阀膜片上方的充有两相工质的空腔中的工质，其空腔相当于热力膨胀阀的感温包，通过加热功率的变化，改变工质温度，进而控制膜片上方的压力可控制阀开度
        电磁式电子膨胀阀是通过电磁线圈通电对阀芯产生电磁力吸引阀芯移动，从而控制阀门开度，控制制冷剂流量。一般电磁式电子膨胀阀为常开型，通电后开度减小，电压越大，阀针所受电磁力越大，开度减小.
        2.2电子膨胀阀控制参数
        电子膨胀阀在控制中主要控制的是制冷剂在蒸发器出口的过热度，在采用电子膨胀阀实施流量调节时根据所用传感器的不同控制参数有两种情况：
        1.用两只pt100温度传感器分别检测制冷剂在蒸发器出口处温度t1和入口处的温度t2，通过计算温差（t1-t2），以此做为计算参数。

图一计算参数图
2.用一只pt100温度传感器与一只压力传感器分别检测蒸发器出口处制冷剂压力p和温度t，P=蒸发压力，通过查阅制冷剂饱和温度压力对照表将制冷剂压力P换算成对应的制冷剂饱和温度也是蒸发温度t1，然后计算出温差（t-t1）。

        图二计算参数图
        3.电子膨胀阀和热力膨胀阀的区别：

        图三电子膨胀阀和热力膨胀阀区别图
        通过上述表格对比发现电子膨胀阀有以下优点：
        1.调节灵敏、迅速：热力膨胀阀反应存在延迟，调节膨胀阀时需要慢慢调节，每次调整一圈后需等到制冷系统稳定后才能进行下一次调节，电子膨胀阀反应速度快，调节后立马就可以反应处实际工况。2.电子膨胀阀对蒸发器出口过热度的控制更精准，且过热度设定值可调。3.调节范围：热力膨胀阀的调整范围较小，一般在60%~90%之间调节，制冷剂流量变化不是很大；电子膨胀阀调节范围很广，可以在10%~100%之间宽幅调节，制冷剂流量可以产生较大变化。4.压缩机启停阶段流量控制特性：在同一个稳定的工况下，电子膨胀阀与热力膨胀阀性能比较接近，在冷启动时，电子膨胀阀可以让系统以更短的时间达到稳定运行工况，而热力膨胀阀由于感温包反应的滞后，在压缩机启动初期阀门维持在较小的开度上，制冷系统需要建立高低压差后才能达到最佳工况。
        4.电子膨胀阀PID控制原理：
        4.1 PID概述
        PID是工业控制中常见的控制方式控制原理如下：

PID调节器的微分方程为：

式中：
冻干机中电子膨胀阀温度控制模式：

1.热力膨胀阀温度控制效果：
热力膨胀阀控制中温度波动较大，虽然前箱温度可以满足工艺要求，但在一次升华阶段可以明显的看到制品中大量的水分析出，引起后箱冷凝器温度波动加大，由于热力膨胀阀调节的滞后性，导致3个冷凝器之间的温度出现较大偏差，不满足生产工艺的要求。

        图4   热力膨胀阀控制冻干曲线
        2.电子膨胀阀控制效果：
        电子膨胀阀可以较好对温度进行精确控制，在工况发生变化的情况下也可以迅速的进行自动调节，可以看到前后箱温度精准的控制在稳定的范围内。

        图5 电子膨胀阀控制曲线
        结语
        通过热力膨胀阀和电子膨胀阀分别参与温度控制的效果对比，可以明显的看到电子膨胀阀对于冻干机温度控制更加稳定，控制精度更高，低温情况下的温度波动基本消失，有利于制冷系统的稳定运行，在冻干机满载情况下，后箱冷阱温度波动较小，板层温度与设定温度的跟随性更好，实现了温度的精确控制。
        参考文献：
        [1]杨泽林，刘大铭.模糊PID算法在冻干试验机温度控制中的应用.宁夏大学，2007
        [2]历风满.数字 PID控制算法的研究.辽宁大学信息学院，2005
        [3]白梓运，陈芝久.电子膨胀阀及其在蒸发器过热度自适应控制中的应用，上海交通大学制冷工程研究所，1996
        [4]朱瑞琪，陈文勇，吴业正.电子膨胀阀的控制，西安交通大学，1998