制冷試驗(yàn)室恒溫水箱的溫度控制方案研究

趙　倩，　林建泉，　黃　忠，　孟靖華（重慶大學(xué)城市科技學(xué)院，四川重慶402167）

制冷試驗(yàn)室恒溫水箱的溫度控制方案研究

趙倩，林建泉，黃忠，孟靖華
（重慶大學(xué)城市科技學(xué)院，四川重慶402167）

恒溫水箱作為一種儲(chǔ)水節(jié)能設(shè)備，因其兼具冷熱量調(diào)節(jié)功能廣泛應(yīng)用于制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室。針對(duì)目前制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室常見的幾種恒溫水箱的溫度控制方案進(jìn)行探討，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，以供參考和選擇。

制冷試驗(yàn)室； 恒溫水箱； 溫度控制

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.019

0　引言

近年來(lái)，我國(guó)節(jié)能性政策紛紛出臺(tái)，制冷設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)也越重視產(chǎn)品性能和質(zhì)量，為了提高市場(chǎng)占有率，不斷加大了制冷產(chǎn)品的研發(fā)力度，隨之制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室需求不斷增多。目前制冷產(chǎn)品呈現(xiàn)了種類多元化、參數(shù)多樣化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的趨勢(shì)，與之相配套的計(jì)量試驗(yàn)室功能要求更加齊全。從節(jié)能設(shè)計(jì)思路出發(fā)，恒溫水箱作為一種儲(chǔ)水節(jié)能設(shè)備，因其同時(shí)兼具冷、熱量調(diào)節(jié)功能而被廣泛應(yīng)用于制品產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室。為了滿足計(jì)量試驗(yàn)室的用水水溫需求，恒溫水箱的溫度控制精度要求穩(wěn)定可靠，一般溫度控制精度要求在0.2℃左右，若溫度波動(dòng)較大，將會(huì)影響最終計(jì)量結(jié)果，因此，本文對(duì)目前制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室常見的幾種恒溫水箱的溫度控制方案進(jìn)行探討，分析其優(yōu)缺點(diǎn)以供參考和選擇。

1　系統(tǒng)組成與控制原理

1.1系統(tǒng)組成

制冷產(chǎn)品種類繁多，如風(fēng)冷冷水機(jī)組、水冷冷水機(jī)組、單元式機(jī)組、溴化鋰機(jī)組、壓縮式冷凝機(jī)組等，其要 求計(jì)量的參數(shù)要求不同，即計(jì)量試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思路均有所差異，但是其系統(tǒng)的基本構(gòu)架是相同的，一般情況下，制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室的系統(tǒng)組成可分為樣機(jī)計(jì)量部分和恒溫水箱溫度控制部分。圖1給出了用于水冷冷水機(jī)組性能測(cè)試的典型制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室的系統(tǒng)組成示意圖，樣機(jī)計(jì)量部分使用側(cè)采用液體載冷劑法，熱源側(cè)采用機(jī)組熱平衡法，其測(cè)試原理均是根據(jù)進(jìn)出換熱器的介質(zhì)溫差和介質(zhì)流量來(lái)確定制冷或制熱量［1］。使用側(cè)和熱源側(cè)的介質(zhì)溫度均通過(guò)三通調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)控制，介質(zhì)流量均通過(guò)水泵變頻實(shí)現(xiàn)控制。無(wú)論是使用側(cè)還是熱源側(cè)，其介質(zhì)的來(lái)源均為恒溫水箱，恒溫水箱內(nèi)的介質(zhì)溫度是否穩(wěn)定可靠將直接影響樣機(jī)計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性，因此，恒溫水箱的溫度控制部分尤顯重要。目前，常見的恒溫水箱的溫度控制部分主要包括溫度傳感器、溫度變送器、PID調(diào)節(jié)表、輔助冷源和輔助熱源，其中輔助冷源常見的方式有冷水機(jī)組、冷卻塔、集中冷源和井水換熱等，輔助熱源常見的方式有電加熱和蒸汽加熱等，可根據(jù)實(shí)際需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況選擇不同的組合形式。

圖1　典型制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室的系統(tǒng)組成示意圖

圖2　恒溫水箱的溫度控制系統(tǒng)框圖

1.2控制原理

恒溫水箱的溫度控制是基于PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制效果的，其基本思路是通過(guò)溫度傳感器鉑電阻（PT100）測(cè)量恒溫水箱內(nèi)的介質(zhì)溫度，將電阻信號(hào)傳給溫度變送器，經(jīng)轉(zhuǎn)換后成為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，送至PID調(diào)節(jié)表，然后通過(guò)測(cè)量值與設(shè)定值的比較結(jié)果去推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變輔助冷源和輔助熱源的投入量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒溫水箱內(nèi)的介質(zhì)溫度控制，其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2　控制方案探討

如圖1所示的典型制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室系統(tǒng)，因樣機(jī)的熱源側(cè)和使用側(cè)的冷熱量不同，如做制冷工況時(shí)，熱源側(cè)為冷凝器側(cè)，使用側(cè)為蒸發(fā)器側(cè)，根據(jù)制冷原理可知冷凝器側(cè)產(chǎn)生的熱量始終是大于蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量，其差值為壓縮機(jī)、水泵等設(shè)備耗功轉(zhuǎn)換成的等效熱量，這一部分多余熱量最終將轉(zhuǎn)移到恒溫水箱［2］，因此需要通過(guò)恒溫水箱的輔助冷源進(jìn)行平衡。由于輔助冷源在絕大部分情況下無(wú)法做到精確調(diào)節(jié)，比如冷水機(jī)組，即使采用無(wú)極調(diào)節(jié)也很難保證其冷量的投入始終與樣機(jī)產(chǎn)生的多余熱量同步，這樣勢(shì)必將會(huì)造成恒溫水箱的溫度波動(dòng)，影響計(jì)量效果，因此引入輔助熱源，即將輔助冷源作為粗調(diào)，將輔助熱源作為細(xì)調(diào)，以進(jìn)一步減少恒溫水箱的溫度波動(dòng)。下面將著重探討目前制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室常見的幾種恒溫水箱的溫度控制方案，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1冷水機(jī)組與電加熱管組合方式

在現(xiàn)有的制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室，恒溫水箱的溫度控制方案最普遍采用的是冷水機(jī)組與電加熱管的組合方式，如圖3所示。輔助熱源由可控硅調(diào)功器和電加熱管組成，電加熱管的熱量輸出通過(guò)可控硅調(diào)功器接受PID調(diào)節(jié)表的輸出信號(hào)，進(jìn)而控制電加熱管的輸入功率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)；輔助冷源由冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵及相關(guān)閥件和管道等組成，水泵均采用定頻方式運(yùn)行，冷水機(jī)組的蒸發(fā)器側(cè)為恒溫水箱提供冷量，冷凝器側(cè)熱量采用冷卻塔或地下水散熱方式帶走，具體見圖a）和圖b）。冷水機(jī)組的壓縮機(jī)一般采用螺桿式或渦旋式，前者可通過(guò)無(wú)級(jí)或有段調(diào)節(jié)以及臺(tái)數(shù)進(jìn)行控制冷量的輸出，后者直接通過(guò)臺(tái)數(shù)進(jìn)行控制冷量的輸出，無(wú)論采用何種控制方式，冷水機(jī)組的冷量輸出無(wú)法做到精確調(diào)節(jié)，因此只能作為粗調(diào)，多余的冷量通過(guò)電加熱管提供的熱量進(jìn)行抵消來(lái)達(dá)到恒溫水箱的溫度控制。

圖2　冷水機(jī)組與電加熱管組合方式的溫度控制方案a）冷卻塔散熱方式　b）地下水散熱方式

此控制方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，初投資低，溫度波動(dòng)小，控制精度高且便于操作；缺點(diǎn)是電加熱管耗電，同時(shí)冷水機(jī)組需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，沒(méi)有充分利用過(guò)渡季的自然冷源，運(yùn)行費(fèi)用高，不利于節(jié)能。一般適用于小型制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室，且無(wú)集中冷凍源和蒸汽源的場(chǎng)合。

2.2冷水機(jī)組與蒸汽加熱組合方式

對(duì)于廠區(qū)有蒸汽源的場(chǎng)合，為了充分利用廠區(qū)自供的蒸汽源的熱量，可以采用冷水機(jī)組與蒸汽加熱的組合方式，具體如圖4所示。輔助熱源由蒸汽加熱板換泵、板式換熱器、蒸汽兩通閥以及閥件和管道等組成，蒸汽加熱量的輸出通過(guò)蒸汽兩通調(diào)節(jié)閥的開度實(shí)現(xiàn)控制。輔助冷源由冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵及相關(guān)閥件和管道組成，水泵均采用定頻方式運(yùn)行，冷水機(jī)組的蒸發(fā)器側(cè)為恒溫水箱提供冷量，冷凝器側(cè)熱量采用冷卻塔或地下水散熱方式帶走，具體見圖a）和圖b）。同樣冷水機(jī)組只是作為粗調(diào)，恒溫水箱的溫度控制通過(guò)蒸汽兩通調(diào)節(jié)閥的開度作為細(xì)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

此控制方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，初投資較低，且充分利用廠區(qū)自供的蒸汽源，有效提高能源利用率，減少電加熱管的電耗；缺點(diǎn)是蒸汽加熱方式存在慣性和滯后，溫度波動(dòng)較大，且冷水機(jī)組需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，沒(méi)有充分利用過(guò)渡季的自然冷源，不利于節(jié)能。一般適用于中小型制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室且有蒸汽源的場(chǎng)合。

2.3集中冷源與蒸汽加熱組合方式

近年來(lái)，制冷產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)和節(jié)能并重的戰(zhàn)略意識(shí)逐漸加強(qiáng)，產(chǎn)品研發(fā)基地集群化發(fā)展的趨勢(shì)愈發(fā)顯著，大型制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生，集中冷源作為一種高效節(jié)能的方式備受青睞［3，4］，同時(shí)因試驗(yàn)室集群化的用能特點(diǎn)和能源需求，大型試驗(yàn)中心一般均會(huì)專門配置鍋爐房，以便集中供給蒸汽源。為了有效利用廠區(qū)現(xiàn)有能源，可以采用集中冷源與蒸汽加熱的組合方式，具體如圖5所示。輔助熱源由蒸汽加熱板換泵、板式換熱器、蒸汽兩通閥以及閥件和管道等組成，水泵采用定頻方式運(yùn)行，蒸汽加熱量的輸出通過(guò)蒸汽兩通調(diào)節(jié)閥的開度實(shí)現(xiàn)控制。輔助冷源由水用兩通調(diào)節(jié)閥、集中冷源板換泵、板式換熱器以及閥件和管道組成，水泵采用定頻方式運(yùn)行，冷源的供給量通過(guò)調(diào)節(jié)水用兩通調(diào)節(jié)閥的開度實(shí)現(xiàn)控制，其中輔助冷源包括冷凍源和冷卻源兩種，可根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)工況通過(guò)氣動(dòng)或電動(dòng)蝶閥切換進(jìn)行選擇，即1#、3#閥開，2#、4#閥關(guān)為冷凍源供給方式，1#、3#閥關(guān)，2#、4#閥開為冷卻源供給方式。

此控制方案的優(yōu)點(diǎn)是有效利用了廠區(qū)蒸汽源、集中冷凍源和冷卻源，在不同工況條件下，能夠通過(guò)切換自主選擇蒸汽源或集中冷源的投入方式，適應(yīng)性強(qiáng)，能源利用率高，節(jié)能效果顯著；缺點(diǎn)是控制相對(duì)復(fù)雜，蒸汽加熱調(diào)節(jié)時(shí)溫度波動(dòng)較大，同時(shí)對(duì)切換用閥門的密封性要求較高，存在冷凍源和冷卻源相互串水的隱患。一般適用于大型制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室，且有蒸汽源和集中冷源的場(chǎng)合。

圖4　冷水機(jī)組與蒸汽加熱組合方式的溫度控制方案a）冷卻塔散熱方式　b）地下水散熱方式

2.4綜合節(jié)能型組合方式

不同種類的制冷產(chǎn)品，其試驗(yàn)工況要求也不同，一般情況下試驗(yàn)工況可分為高溫、中溫和低溫工況，基于這種特點(diǎn)，針對(duì)不同的試驗(yàn)工況可通過(guò)選擇采用不同的能源供給方式，以力求節(jié)能。對(duì)于高溫工況而言，可以有效利用自然冷源實(shí)現(xiàn)恒溫水箱的溫度控制，尤其是過(guò)渡季和冬季室外氣溫較低的條件下，其節(jié)能效果將十分可觀。圖6給出了一種綜合節(jié)能型組合方式，其輔助熱源采用了蒸汽加熱和電加熱管的互相備用方式，當(dāng)蒸汽源無(wú)法正常供給或者樣機(jī)負(fù)荷較小時(shí)，可采用電加熱管的方式；當(dāng)樣機(jī)負(fù)荷較大同時(shí)蒸汽源能正常供給時(shí)，采用蒸汽源加熱方式，這種方式不僅能有效利用廠區(qū)蒸汽源，同時(shí)也減少了蒸汽源無(wú)法正常供給而造成計(jì)量試驗(yàn)室閑置的風(fēng)險(xiǎn)。輔助冷源采用冷水機(jī)組和冷卻塔或地下水板換并聯(lián)切換使用的方式，當(dāng)試驗(yàn)工況溫度較低、測(cè)試工況較為惡劣或樣機(jī)負(fù)荷較大時(shí)，采用冷水機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)提供冷量，冷凝器側(cè)熱量通過(guò)冷卻塔（圖a）中1#、2#、3#閥開啟，4#、5#、6#閥關(guān)閉）或地下水散熱方式（圖b）中1#、2#、5#、6#閥開啟，3#、4#、7#、8#閥關(guān)閉）進(jìn)行平衡；當(dāng)試驗(yàn)工況溫度較高或樣機(jī)負(fù)荷較大時(shí)，可通過(guò)閥門切換直接采用冷卻塔（圖a）1#、2#、3#閥關(guān)閉，4#、5#、6#閥開啟）或地下水板換的方式（圖b）中1#、2#、5#、6#閥關(guān)閉，3#、4#、7#、8#閥開啟）提供冷源，即閥，具體如圖a）和b）所示，此時(shí)恒溫水箱的溫度可通過(guò)水泵的變頻實(shí)現(xiàn)控制，充分地利用了自然冷源，在一定程度上減少了冷水機(jī)組的使用頻率，降低能耗，尤其是過(guò)渡季和冬季室外氣溫較低時(shí)其節(jié)能性得到充分體現(xiàn)。

此控制方案的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了自然冷源，減少冷水機(jī)組的投入，有效地降低了運(yùn)行成本，節(jié)能效果顯著，同時(shí)避免了蒸汽源維護(hù)或無(wú)法正常使用時(shí)試驗(yàn)室閑置的情況出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有資源的高效利用；缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，初投資高，采用蒸汽加熱調(diào)節(jié)時(shí)存在慣性和滯后，溫度波動(dòng)大。一般適用于中大型制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室，且有蒸汽源的場(chǎng)合。

圖5　集中冷源與蒸汽加熱組合方式的溫度控制方案

3　結(jié)語(yǔ)

恒溫水箱作為一種儲(chǔ)水節(jié)能設(shè)備，因其同時(shí)兼具冷熱量調(diào)節(jié)功能而被廣泛應(yīng)用于制品產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室。針對(duì)目前制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室常見的幾種恒溫水箱的溫度控制方案進(jìn)行詳細(xì)探討，并分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)基于節(jié)能和實(shí)用的角度，提出了一種綜合節(jié)能型組合方式的設(shè)計(jì)思路，以供類似制冷產(chǎn)品計(jì)量試驗(yàn)室參考和選擇。

圖6　綜合節(jié)能型組合方式的溫度控制方案a）冷卻塔散熱方式　b）地下水散熱方式

［1］GB/T 10870-2014.蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組性能試驗(yàn)方法［S］.北

京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［2］林建泉，樊海彬，王福寶等.冷熱水型水源熱泵機(jī)組性能試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)探討［J］.發(fā)電與空調(diào)，2012，33（5）：56～60.

［3］王福寶，林建泉，錢雪峰等.大型試驗(yàn)中心冷源集群系統(tǒng)減振防噪設(shè)計(jì)分析［J］.發(fā)電與空調(diào)，2014，35（2）：39～43.

［4］樊海彬，林建泉，孫云等.集中冷源在制冷空調(diào)產(chǎn)品性能試驗(yàn)裝置集群中的應(yīng)用［J］.制冷與空調(diào)，2013，13（7）：75～76.

Research on Temperature Control Methods of the Thermostatic Water Tank Used in Refrigeration Laboratory

ZHAO Qian， LIN Jian-quan， HUANG Zhong， MENG Jing-hua
（City College of Science and Technology，Chongqing University，Chongqing 402167，China）

As a kind of water storage and energy-saving equipment，the thermostatics water tank was widely used in refrigeration products measurement laboratory for its heat and cold energy adjustment.The temperature control methods of the thermostatic water tank were discussed，and its advantages and disadvantages were analyzed，which will provide reference and selection to the similar projects.

refrigeration laboratory； thermostatic water tank； temperature control

TB663

B

2095-3429（2015）02-0072-06

趙倩（1987-），女，河北人，碩士，助教，研究方向：建筑節(jié)能與能源應(yīng)用。

2015-02-10

2015-04-16