（制冷及低温工程专业论文）船舶冷藏集装箱变频节能研究.pdf

摘要 海运冷藏集装箱流动性大，随着外界气温、海水温度、太阳辐射强度和运送 货物的变化，冷藏集装箱制冷系统的显热和潜热负荷随之不断变化。传统的冷藏 集装箱制冷系统一般采用恒定转速运行方式，在设计系统时，以能够满足最大热 负荷为依据。实际上，制冷系统只是在短时间内工作在最大负荷。常规采用 o n o f f 运行尽管控制简单，但毕竟造成一定的能量损失。随着微电子技术和电 力电子学的发展，变频调速的应用日益广泛，采用变频调速器改变压缩机电机转 速，采用电子膨胀阀替代常规节流机构，实现制冷系统的能量调节，可达到较好 的节能效果。 首先，本文针对冷藏集装箱外界环境变化大，负荷变化大的特点，采用非稳 定计算法计算冷藏集装箱逐时传热负荷，通过计算分析认为，根据动态负荷的最 大值可设计出满足实际需要的制冷机组，达到节能的目的。同时为冷藏集装箱采 用变频控制技术提供了依据，根据动态负荷变化的情况自动调节制冷机组的制冷 量，可使机组的运行工况随着集装箱的负荷变化而变化，达到节能的目的。 其次，本文建立了冷藏集装箱变频制冷系统的各部件数学模型，并对整个制 冷系统进行了计算模拟。从理论上对制冷系统的不同运行工况进行预测。通过 m e t a l b 建立了蒸发器过热度控制的模糊控制器，对模糊控制器性能进行分析 及量化因子对模糊控制器的影响。 最后，建立了冷藏集装箱电控系统的硬件方案，介绍了系统的特点、硬件结 构及软件设计方法，该系统使用多个传感器对箱内外、压缩机运行状态和制冷系 统工作参数进行巡回检查，以系统的高效低耗及高可靠性为控制目标，实现了冷 藏集装箱的智能化控制。 关键词：冷藏集装箱，变频，节能，动态负荷，计算机模拟 a b s t r a c t m a r i t i m er e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r sa r eo fg r e a tm o b i l i t y w i t ht h ev a r i e t i e so f a m b i e n ta i rt e m p e r a t u r e ，s e a w a t e rt e m p e r a t u r e ，t h er a d i a t i o ni n t e n s i t yo ft h es u na n d t h ed i v e r s i f i c a t i o no f c a r g o ，t h ea p p a r e n ta n d l a t e n th e a tl o a do f r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r s a l s oc h a n g e t r a d i t i o n a lr e f r i g e r a t i o ns y s t e mo f r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r so f t e nu s et h e o p e r a t i o nm o d e a st h es a m er o t a t es p e e da n dw eo f t e nd e s i g nt h er e f r i g e r a t i o ns y s t e m i na c c o r d i n gt ot h eb i g g e s th e a tl o a d i nf a c t ，r e f r i g e r a t i o ns y s t e mj u s ts o m e t i m e s w o r k si nt h ed e a kl o a d t h ee o n v e n t i o n a lc o n t r o lw a yi so na n d0 f rw h i c hh a sm u c h e n e r g y l o s s w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm i c r o e l e c t r o n i c sa n d e l e c t r o d y n a m i c s ， f r e q u e n c y c o n v e r s i o nh a sb e e na p p l i e db r o a d l y c h a n g i n gc o m p r e s s o rs p e e dw i t h t r a n s d u c e ra n de e vt a k i n g p l a c e o fr e g u l a rt h r o t t l e sc a r la c h i e v et h ee n e r g y a d j u s t m e n to fr e f r i g e r a t i o ns y s t e ma n d s a v em u c h e n e r g y f i r s t l y , b e c a u s et h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ea n dh e a t l o a dc h a n g e sg r e a t l y , t h i s a r t i c l e a d o p t s an o t s t e a d y m e t h o dt h a tc a l c u l a t e st h eh e a tl o a do fr e f r i g e r a t e d c o n t a i n e r sh o u r l y t h r o u g hc a l c u l a t i o n ，w et h i n kt h a tt h ed e s i g no f r e f r i g e r a t i o nu n i t i na c c o r d i n gt od y n a m i cl o a dc a i la c h i e v eg o o de f f e c t so f s a v i n ge n e r g y i nt h es a m e t i m et h er e s u l t p r o v i d e af o u n d a t i o nf o rt h e a p p l i c a t i o n o ff r e q u e n c yc o n t r o l t e c h n o l o g y r e f r i g e r a t i o nc a p a c i t yo fr e f r i g e r a t i o nu n i tc h a n g e sw i t hd y n a m i ch e a t l o a da n dm a k et h ew o r kc o n d i t i o n so f r e f r i g e r a t i o nu n i t c h a n g e s w i t l lh e a tl o a d i nt h i s w a y w ec a ns a v em u c h e n e r g y s e c o n d l y , t h i s a r t i c l eb u i l d st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f c o m p o n e n t s o f r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r s s y s t e ma n ds i m u l a t e st h ew h o l ec o u r s eo fr e f r i g e r a t e ds y s t e m i tf o r e c a s t st h ed i s t i n c tr u n n i n gc o n d i t i o n so f r e f r i g e r a t e dc o n d i t i o n s w i t hm e t a l b w ee s t a b l i s ht h ef u z z yc o n t r o l l e rf o rc o n t r o l l i n gt h es u p e r h e a to ft h ee v a p o r a t o ra n d a n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo f t h ec o n t r o l l e r t h i r d l y , t h i s a r t i c l ee s t a b l i s h e st h eh a r d w a r e p r o j e c t o fc o n t r o l s y s t e m o f r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r s i ti n t r o d u c e sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ef r a m eo fh a r d w a r ea n dt h e d e s i g no f s o f t w a r eo ft h es y s t e m t h i ss y s t e mm a k e su s eo f m a n yt e m p e r a t u r e s e n s o r s f o rc h e c k i n gu pi n s i d ea n do u t s i d eo f c o n t a i n e r s ，t h ep e r f o m a a n c eo fc o m p r e s s o r sa n d t h ew o r k p a r a m e t e r s o f r e f r i g e r a t i o ns y s t e m w ei m p l e m e n tt h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o lo f r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r si na c c o r d i n gt ot h eh i g he f f i c i e n c ym a dl o wc o n s u m p t i o na n d t h er e l i a b i l i t yo f t h e s y s t e m k e yw o r d s ：r e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r ，f r e q u e n c yc o n v e n t i o n ，e n e r g ys a v m g ， d y n a m i cl o a d ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n 本沦文是舞个人在导师指导下进行的硼艇亡作及取得的硼勘毙果论文 中除了特别加以掭注和致谢的蟛亨外，不1 酏淇他人威鼬机构已经发表或 撰写过的研究成果其他同志对本研究的启发和所傲的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意i 作者签名： 本人同意t 海海运学院有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有权 保留送交； 幺文复印件允许说- 支：被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全 部或部分内容可以采用影印、缩印或者其它复髓手段保有；论文保密的论 文在解密后遵守此规定 引言 冷藏运输是易腐货物冷藏链中的一个主要环节，而作为冷藏运输工具的冷藏 集装箱则是整个食品冷藏运输的重要组成部分。由于冷藏集装箱技术先进，保鲜 期长，能将鱼肉、果蔬和鲜花等货物始终保持在各自最佳的低温状态，大量、快 速、廉价和“门到门”地运到世界任何地方，所以，它己迅速发展成为国际贸易 中的一种重要运输手段。目前，全世界每年约有3 5 0 亿吨易腐货物需冷藏，投入 运行的冷藏船共有l4 6 4 艘，计8 2 2 d w t ；海运冷藏集装箱高达2 5 0 0 0 0 t e u ，且每 年仍有6 5 0 0 0 t e u 新冷藏集装箱投入营运；一批一次可装运5 0 0 1 0 0 0 个标准冷 藏集装箱的船舶已航行全球。随着国际冷藏运输业的迅速发展，研究冷藏集装箱 运行特性、提高制冷装置工作效率和经济性已成为世界范围内广泛重视的课题。 在对海运冷藏集装箱制冷系统工作特性进行综合分析的基础上，提出了在制冷机 组、制冷循环和操作运行过程中提高有效能、降低操作成本的技术措施。 采用变频调速技术对制冷空调设备进行能量调节，是八十年代出现的新技 术。这种能量调节方法不仅具有改善系统控制性能，而且达到节能的目的。对机 组进行能量调节使其制冷量与系统负荷协调变化，从而使机组在各种负荷条件下 都具有较大的e e r 值。因此，机组的能量调节方法已成为制冷系统控制研究的 鼋要内容。 变频能量调节应用于一般工业制冷系统的研究也在进行中。资料检索表明， 这方面的学术论文在专业技术刊物和论文集中所占比例正在不断上升。变频能量 调节技术，因其具有节能、速冻、温控精度高和易于实现自动控制的优点，正受 到越来越多的重视。 在冷藏集装箱上使用变频节能技术 ( 1 ) 可以避免制冷装置频繁启、停机的能量损耗。 ( 2 ) 提高了c o p 值，一般情况下都是根据冷藏集装箱的最大负荷情况来 选配机组的，满负荷工作时间一般为1 0 2 0 ，机组制冷量的过剩 位制冷剂在蒸发器内不能充分蒸发，达不到规定的出口过热度。这将 引起热力膨胀闭关小，制冷剂流动阻力增大，流量下降，机组制冷量 下降，直到与负荷达到平衡。蒸发温度下降，压缩功增大，制冷剂在 管路中的流动损失也增大了，这使能耗增大e e r 下降。 ( 3 )由于转速下降也减小了压线机的机械摩擦损失。尽管考虑到变频调速 装置效率的影响会造成一定的能量损失，但对于处于部分负荷条件下 运行的制冷机组，其节能效果仍是明显的。 本文针对冷藏集装箱外界环境变化大，负荷变化大的特点，采用非稳定计算 法计算冷藏集装箱逐时传热负荷，从理论上分析了冷藏集装箱采用变频技术后运 行动态特性。 晦海学院硕女学位* 文船| m p - 藏集骧藕变瓶节* 叶竟 第一章船舶冷藏集装箱变频节能研究概述 6 0 年代后期国际集装箱化运输迅速崛起，彻底改变了海上运输的面貌。7 0 年代 全金属的隔热集装箱与冷藏集装箱用于易腐食品的冷却、冷藏运输。8 0 年代全铝冷 藏集装箱一改原全钢箱的传统结构，受到国际海运公司和各祖籍公司的欢迎和选用。 9 0 年代冷藏集装箱技术的新突破和多式联运的兴起和管理上的完善，进一步推动了 冷藏集装箱的发展和广泛应用。 冷藏集装箱的基本装置是制冷系统，它至今一直还用蒸气压缩式制冷装置。冷藏 集装箱自问世以来，其制冷装置的工作可靠性、安全性和适用性一直是被重视和关注 的问题。直至今天这个问题在国际范围内已经解决。近期主要研究内容是制冷系统的 通用性及动力节能以实现低能耗、高质量的运行。目前冷藏集装箱的制冷装置与系 统组成仍以美国。“c a r r i e r t h e r m o k i n g 和日本“d a i k i n ”为代表，它们大同小异。 新的制冷系统充分考虑装运各种鲜货、冻结货的特点，以满足各种不同种类、不同运 输条件的易腐食品贮运要求。 囊1 。1 8 0 嗣际标准装籍外部结构尺寸 型号高度竞度长度 规格毫米职时 毫米 孵毫米甓 1 a2 瑚82 瑚81 柏 l 从2 1882 啪81 舢4 0 1 b2 娜82 瑚8硝啪 _ 1 b b 2 l8b2 瑚8咖o舯 1 c2 瑚8 躺_ a 88锄 l c c2 5 9 l8 8劓舶8帅 1 1 冷藏集装箱制冷装置节能的研究方向 1 1 1 提高制冷循环的性能指标 提高制冷设备性能指标，直接降低单位制冷量的能量消耗，主要研究方向在两方 面：一是改善制冷循环，将现有制冷循环加以分析，找出薄弱环节加以改进，这种分 l 海啐* 学院硕士学位论文 4 1 1 a - # 冷藏集骧箍变幢节能研究 析已由静态分析转为动态分析。二是寻找新的制冷剂，尤其是对某些制冷剂加以限制 以后，寻找新的制冷剂工作加快了。这方面的工作主要是寻找替代工质，使原有产品 稍加改进能继续使用。再就是寻找新的性能更好的制冷剂，如非共沸混合制冷剂，使 系统循环性能指标提高。 在替代工质研究中处于主导地位的是寻找广泛用于空调、制冷行业的制冷剂r 1 2 的替代物研究。其中有纯工质和混合工质两种替代方案。目前较多学者均推荐r 1 3 4 a 作为r 1 2 的单工质替代物。从制冷循环性能方面分析，在空调工况下，r 1 3 4 a 具有较 高的c o p ，而在冰箱运行工况下，c o p 要低一些。为确保运行的可靠性，尚需解决 压缩机的重新设计及最佳冷冻油选择。在混合工质替代方案研究中，对新开发的近共 沸混合工质研究结果表明，在现有低公害纯工质的基础上开发共沸混合工质对于缩短 替代时间是有意义的。而非共沸混合物作为c f c 替代工质具有保护环境和降低能耗 的双重作用，因而受到国内外研究人员的重视。美国环保局对冰箱进行的模拟试验结 果表明，与r 1 2 相比非共沸混合工质在劳伦兹系统中的c o p 可提高1 0 - 2 0 。 近年来，用计算机模拟制冷机特性的研究有了很大的提高，成为制冷系统及设备 设计和计算的强有力工具，在实用化方面取得了令人瞩目的进展。不少学者利用流图， 对各个组件进行分析，以提高系统效率。 1 1 2 提高制冷热交换设备的传热性能 换热设备是制冷系统中重要耗电设备研究其效率提高是制冷机节能的一项重要 措施。 国内外对此已开展广泛研究及应用，研究方法是利用强化传热技术，强化冷凝器 和蒸发器的传热实现制冷机蒸发器、冷凝器的低温差传热。制冷换热器强化传热主 要着眼于空气侧换热的强化、管内制冷剂侧传热的强化、减少接触热阻 空气侧强化传热侧重于翅片形式的改进和合理选择翅片间距急蒸发器表面亲水 处理。为提高换热器的传热效果，人们人为地在翅片表面上制造出不同形状的粗糙， 以破坏翅片表面附近的流动边界层强化翅片表面换热。目前应用较多的翅片有：波形 翅片、条形翅片、超条缝翅片等。就空气侧换热系数而言，波形片比平片提高2 0 ， 条形片比平片提高8 0 ，而超条缝片则比平片提高1 - 2 倍。 在强化传热研究方面，对已开发的各种强化传热元件正开展以下两方面的研究工 作：其一是通过试验，以确定换热器结构尺寸对换热性能的影响：其二是利用计算流体 力学和计算传热学的理论对换热器的热质交换过程和空气流动过程进行数值模拟，以 探明换热器的特性。 l 晦海a 学院硕 学位论文 蛆- 1 1 6 岭藏亲嘘璃变糖- ，- * 研究 1 1 3 提高制冷设备的自动化水平 节约能量的自动调节技术是否先进，在一定程度上直接反映制冷机组的水平。因 此，制冷设备的自动化水平已成为与制冷设备性能指标、重量指标以及使用寿命同等 重要的评定因素。当前，制冷装置的自动化已从单机自动安全保护，单机自动运转发 展为多机组自动控制，甚至直接用电子计算机监测和控制，以实现运行工况最佳化， 大大降低能量消耗。采用“自适应控制”与“模糊控制”等控制软件，实现最佳状态 点控制，达到优化节能的目的。一台具有节能优化控制软件的机电一体化制冷设备比 通常恒温制冷设备节能4 0 左右。 使用变频调速技术，也是制冷空调设备节能的一个研究方向。变频调速装置用于 制冷系统，可以自动或手动控制，使设备运行符合用冷点的需要，变频调速装置的工 作程序是先将市电进入变频器后再进入电动机，实现软起动，对电网不形成大冲击。 由温度传感器把用冷点上的温度变成电信号输入变频器，自行不断地寻找和选择并调 整为最佳运行点由计算机闭环控制。 1 1 4 研究新型制冷系统及部件 蒸气压缩式制冷系统有自己的优点，推广普遍且已成熟化但有其自身的弱点，如 有运动部件、噪音大、易磨损等。因而国内外都在研究新的节能型制冷系统以及采用 新部件。值得注意的制冷系统有吸收式制冷、磁制冷、太阳能制冷等。 磁制冷是利用固体磁性材料的磁热效应而进行制冷的。因它不需压缩机、制冷剂， 效率高、单位体积工质的制冷能力大等特点。是一种很有前途的新型节能制冷系统。 美国a s t r o n a u t i c 公司的冰箱新产品中，压缩机被利用磁热效应的磁热交换器所代替。 磁性材料札元素在磁场中发热，热量通过循环系统排出磁场外，札本身失去磁热 能而冷却，并使冰箱内部冷却，这种循环每秒重复一次。这种冰箱的效率比压缩式冰 箱高3 0 - 4 0 。而且重量更轻。 在研究节能型的制冷附件方面。国内外也做了相当多的研究。旋转式的螺杆式压 缩机得到开发和应用，热管技术在空调制冷上逐步得到推广应用。 涡旋式压缩机由于效率高和运转平稳，而受到人们的重视。日本和美国已形成批 量生产，并用于制冷与空调设备上。从日本空调器上使用涡旋式压缩机的情况看，涡 旋式压缩初的容积效率和绝热效率比往复式分别提高2 5 和1 0 ，噪音降低5 d b ( a ) ， 面积缩小4 0 重量减轻1 5 ，且零部件数量少，可靠性高。 热管巧妙地组织了热阻极小的沸腾与冷凝两种热过程，换热系数高，热阻极小。 热管换热器有比常规换热器大得多的传热能力，可以做成体积小的产品，在制冷与空 3 l 喀喀避学院硕学位论文船舶玲藏霉骧薯变频节* 研究 调中正得到彩多利用。国内已有单位将热管用于空调系统中，利用热管夏季可从排风 中回收冷量。冬季从排风中回收热量。并直接用到空气处理过程中，不仅可降低运行 费用，同时还达到节约能耗的目的。夏季回收冷量占原设计总负荷的3 - 1 2 。 1 2 船舶冷藏集装箱的应用及技术新进展 首先在冷藏集装箱结构上，以往的全钢质冷藏箱为铝合金箱所替代。新铝质冷藏 箱采用内外墙扳压轧承载梁，选用隔热性能良好的聚氨荃甲酸脂整体发泡材料，进而 冷藏箱结构强度提高，隔热性能改进，而自重下降。新型冷藏集装箱一改传统的顶送 风下回风的吹风冷却方式，而采用底送风上回风。底送风的空气流通条件更适用于一 般轻度冷冻和冷藏货运输，对1 8 c 以下的冻结货的长距离运输也能达到良好的运输 效果。新型冷藏箱底部送风是借助箱底通风轨纵向风道实现的。铝质通风轮兼作冷藏 纵向梁的作用，它大大提高了箱子的底架强度和纵向刚度。这种新型冷藏箱去消了原 顶部通风管，项部无其它附属件，方便堆码，有利实现良好的通风。 新型冷藏集装箱另一个技术进步是实现了更先进、更完善，更可靠的自动控制与 调节系统。高科技装备的新型冷藏箱内的计算机能准确指导制冷装量间歇性地运行、 停车，把贮运要求的温度控制在0 1 范围( 实际使用常调节到- 1 - 0 3 ) ，因而能运 送香蕉、西红柿之类极易腐败、变质的食品。箱内的计算机除能监测、显示温、湿度 外，还有自动诊断功能，它可以及时判断故障，进而提高了冷藏箱制冷装量运行可靠 性。更先进的冷藏箱在专用计算机软件内设有跟踪系统，可以对箱子进行跟踪、查询 和积载显示，也可以远距离测读出货物温湿度，打字机打出冷箱所在地点、港口及运 行状态。新型冷藏箱改变了传统的电气控制，而代之以电子遥控系统，在承运过程中 把每个集装箱的状态引人中央控制台，计算机把每个箱子的进行状况显示在荧光屏 上，并把数据打印出来，进行贮存或者转发到岸上。美国新研制成功的电子遥控系统 在1 5 分钟内可查询3 0 0 只箱子，一旦任何一只箱子的参数超过给定值，则自动发出 声光报警信号。美国马特森0 讧a t s o n ) 航运公司在西海岸港口至夏威夷群岛航线上使用 的1 3 0 0 只冷藏箱已经安装了t h e r m ok i n g 公司的电子遥控系统。另外，法国航海公 司、美国总统轮船公司所属的冷藏箱中，亦安装了这种系统。新近特灵( t r a n e ) 公司开 发了所谓“r t m ”模件，也可精确记录冷藏箱在整个运输过程的箱内温度，数据记录 器靠自动电源长期工作。“r t m ”模件，可以接到字符代码阅读器上，阅读出货物数 据。这种“r t m ”模件已在丹麦一食品公司7 0 0 余辆冷藏箱挂车上使用。 近2 0 年中，冷藏集装箱从早期运输冻结食品开始，现已发展到利用计算机和对 4 l 晦雌学院埙士学位* 文 船舶岭藏集骧葛变概节* 矸宪 箱内空气改良和成份的控制，这是新型箱又一进步。新型冷藏箱在使用过程中，可以 改变箱内空气成份，以创造合适的食品贮运环境，促使蔬菜、水果在运输途中按预定 的速度成熟，甚至根本不成熟。因为蔬菜水果是有生命的有机体，它们吸人氧气，呼 出二氧化碳气，当降低了贮运环境的温度和空气中氧气浓度，则会抑制有机体的呼吸 速度，造成货物的。冬眠。状态，实现良好的运输。蔬菜、水果类食品理想的运输环 境，其空气成份一般控制氮气9 6 、氧气2 3 、二氧化碳气1 。2 。过去采用把改 良成一定成份的空气进行一次性注入法，可是一旦箱子泄漏，可能导致失败，因此新 型箱空气成份控制技术是通过计算机监测箱内的空气成份。如果氧气过少，则引入外 界空气补充，如果二氧化碳过多，则会及时调整，以保证在长距离运洋航程中有效地 维持箱内所必要的空气成份。该新技术的采用可使某些极易腐败，且价格昂贵的食品 改变传统的航空运输而转向海运。日本利用该技术成功的从新西兰把芦笋运到本国。 更先进的空气成份控制技术是在箱内附设一个压缩空气罐和一个氮气发生器。当计算 机监测系统发现箱内需要补充氦气时氮气发生器会从压缩空气中提炼制造出氮气注 入箱内，这样在任何时候、地点均可按要求产生任何浓度的混合气体。这种新技术的 采用使冷藏集装箱运送的易腐食品大大延长贮运时间，例如苹果、梨的保鲜可延长二 个月，桃子、李子延长三个星期。 1 3 冷藏集装箱变频节能领域已进行的工作及前沿的主要问题 1 3 1 变频节能领域研究现状 9 0 年代初变频技术应用于船舶冷藏集装箱制冷系统的研究刚刚起步，在我国变频 技术在船舶运输上的研究基本上属空白。上海海运学院韩教授及其研究生所作的“冷 藏集装箱制冷系统压缩机变频节能运行及特性分析”、“冷藏集装箱风机变频节能运行 及特性分析”、“冷藏集装箱变频节能运行的电子膨胀阀应用及特性分析”，理论上讨 论了变频技术用于冷藏集装箱节能的可行性。 介绍了冷藏集装箱制冷压缩机变频控制工作原理 传感器k - 八 ”：鬈) 数字信号控制部分 压缩机 一0 系统卜l 电动机 一 u | 交流一直流 l 直流一交流 【电源e 1 1 整黻换器部分r 一一变频交换器部分 l 雌啐追学院硕士学位论文 船舳夺藏嚣嚷箍重频节能研究 图l - i 得出了冷藏集装箱用涡旋式压缩机变频运行特性曲线 图1 2 分析了冷藏集装箱制冷系统风机变频节能运行的基本特性，通过典型航次风机节能 的理论计算，表明采用风机变频技术可达到较好的效果 冷藏集装箱制冷系统风机变速，定速运行曲线 w 图1 - 3 变频能量调节应用于一般工业制冷系统的研究也在进行中。资料检索表明，这方 面的学术论文在专业技术刊物和论文集中所占比例正在不断上升，变频能量调节技 术，因其具有节能速冻、温控精度高和易于实现自动控制的优点，正受到越来越多的 重视。 海海t 学院硕女学位* 文 船舶夺藏集骧箱变枉q - 能竹究 1 3 2 前沿的主要问题 变频控制技术现所存在的技术难题是通过模糊控制技术将传感器测定的实际环 境温度和系统状态与人们所期望达到的设定状态进行比较时，期望可以达到最佳动态 参数，使压缩机根据箱内需要的冷热量不同，连续地、动态地、实时地调整其制冷( 热) 量。变频控制电路采用高集成度的电脑芯片的问题及电磁干扰问题。技术难题解决后， 期望可以达到如5 。c 的温度测量精度、1 5o c 酗j 温度控制精度、小于- - 3 0 秒孙时等技 术指标参数。 圈箱篡温二网一秘据 剧 一圈二等 箱外温度jj i 传i 箱外热交换器温度il 1 感l 凳；喜耋耋= j 脑l 一电子膨胀阀 l 驵i 膨胀闽出1 2 1 温度一jl f 酋寸f 压缩机电流 一 ce 1 4 船舶冷藏集装箱变频节能研究意义 a 意义： 海运冷藏集装箱流动性大，随着外界气温、海水温度、太阳负荷强度和运送货物 的变化，冷藏集装箱制冷系统的显热和潜热负荷随之不断变化。传统的冷藏集装箱制 冷系统般采用恒定转速运行方式，在设计系统时，以能够满足最大热负荷为依据e 实际上，制冷系统只是在短时间内工作在最大负荷。亚一欧、亚美航线上冷藏集装 箱制冷系统长期处在额定负荷的4 0 9 0 下运行，能量浪费很大。 在外界负荷变化的时候通过变频技术改变压缩机的转速，使制冷剂流量随着负荷 的变化而变化，从而改变系统的制冷量，达到制冷系统与负荷变化的匹配。同时由于 转速的下降，使得压缩机功耗减少，达到较好的节能效果。 b 可能达到的水平： 通过分析船舶冷藏集装箱制冷系统的能量消耗、控制方式、动态负荷变化，研究冷藏 集装箱制冷系统采用变频控制技术的系统变频特性，建立变频制冷系统各部件的数学 7 l 海海退学院嘎女学位论文 i w , j n i 岭藏霉装蕞变频节能研竟 模型，并对变频控制及制冷系统进行模拟仿真。通过上述研究，提出全新的变频能量 调节控制方式，为变频技术应用于船舶冷藏集装箱提供有价值的参考。 8 海海4 学院硕士学位* 文船舶冷藏集肇书变叛节* 竹窀 第二章船舶冷藏集装箱变频调速节能技术 2 1 变频器概况 目前在世界上功率电子技术的应用正从基础工业的各个领域向家电领域扩大。而 这一技术的核心是变频，比较常用的是电压式脉宽调制式变领器。近年来，由于大量 新的功率开关器件的涌现和微电子技术的日新月民在提高变频器性能、缩小体积、降 低成本等方面均有显著的进展，从而使变频技术和家用电器等的关系越来越密切。变 频器已成为一个独立的商品。 变频器的历史始于1 9 6 1 年，由美国g e 公司的w m c m u r r a y 发表论文中提 出了带有二极管的矩形波变频器。g e 公司还发明了一神具有非常短的开关时间的可 控硅，它不受负载大小、功率因索或非线性等影响，可产生大体上一定的矩形波电压。 用这种可控硅制成的实用的变频器频率可达2 k h z 左右。1 9 6 5 年一1 9 7 5 年属于这种 可控硅变频器的时化它们广泛地应用于不问断电源等。1 9 7 5 年前后，又出现了多脉 冲调制式变频器。1 9 7 8 1 9 8 0 年前底变频方式采用、n 厂、，f f 可变电压、可变频率) ，制 作了有划时代意义的，体积小而经济的通用型变频器。 随着人们生活水平的提高，不仅仅要对食品进行冷藏或冷冻，还希望更好地保鲜 和缩短解冻时间。这就要求有速冻、速冷、快速解冻的冰箱，而要做到速冻，就需要 大功率的冰箱，但一般情况下又不需要大的制冷功率这就希望制冷的功率可变。最 切合实际又具有灵活性的则是变频式控错4 方式。 变频器的主电路是脉宽调制( p w m ) 器，它的主要作用是把市电网的交流电变成有 利于应用的电压、电流和频率等。例如：把从市电2 2 0 v5 0 h z 的市电变成为直流， 再变成矩形波，矩形波的幅度又被斩波，分割成许多小脉冲，这些小脉冲的宽度和空 度千差万别，目的是为了得到所需频率，所需等效振幅的等效正弦波( v v v f 方式) ， 从而可以随心所欲地去控制电机的转速和转矩。目前所变频率已可从2 0 h z 1 8 0 h z ， 而1 8 0 h z 对应电机的转速已达1 0 0 0 0 转分，从而可以更合理地去驱动负载。 但是，怎样使该正弦波的基波分量大、谐波分量小，噪声小等等，过去一直是十 分困难的问题。由于微机技术的进展以及大功率m o s f e t 器件等的出现，就便这一 目的实现变得容易了。 为了使电机运转达到理想的性能，希望其内部得到个圆旋转磁场这就要求电流 尽量接近正弦波。由于大功率开关器件的出现，使开关频率从原有的2 k h z 提高到 2 0 k h z 。把矩形波分割得越细，则电流越接近正弦波，从而使变频器的噪声大大降低 l 海海退学院硕士学位论文 船舶玲藏集肇蕉变叛节能唧霓 体积和重量也减小。 除了节能以外，变频技术还能提高制冷系统的冷冻质量。在制冷系统启动时，由 于热负荷很大，压缩机以较高的转速运行，使冷冻食品的温度迅速下降，这就起到了 “速冻”的作用，提高了食品的保鲜质量。在冷冻期间可以控制冷冻温度的变化范围 在1 之内，而普通制冷系统冷冻温度的变化范围在3 左右。变频器另外的优点是： 它可以降低电机的启动电流：通过合理的控制还可以起到过电流保护和压差保护。 2 2 交流调速原理 变频调速技术起源于7 0 年代的中后期，它是建立在控制技术、电力电子技术、 微电子技术和计算机技术的基础上的- - 1 7 综合性技术。最初是应用于电力拖动系统， 目前广泛应用于工业生产的所有领域，并且在家用空调、冰箱等也有广泛的应用。变 频器的控制始于电压与频率成比例改变的异步电动机调速转动。这种控制技术在电动 机的解析技术、仿真技术及控制理论等控制技术方面也取得了很大进步。这种进步同 电力电子技术的发展相结合，实现了矢量控制等的快速响应和高功能。变频压缩机包 括直流变频和交流变频。直流调速因转子不再需要励磁电流，减少了转子的铜损和铁 损，使电机具有较高的效率。但在大功率运用场合，直流调速方案的制造成本远大于 交流变频方案。交流变频压缩机由压缩机的结构形式，可分为单( 双) 转子变频压缩 机和涡旋变频压缩机等。 交流变频压缩机工作时，由交频器向电动机定子侧线圈提供三相交流电流、产生 回转磁场，受该磁场感应，在转子侧产生了二次电流，因回转磁场和二次电流产生的 电磁作用而产生回转，压缩机电机的转速遵循以下规律： 电机的转速为n 为 n ；6 0 f ( 1 - s ) p 式中，l 电机转速( r m i n “) j 供电电源频率( h z ) s 转差率 p 电机的极对数 当压缩机确定以后，p 和s 都为定值，也即电机转速的大小与电源的频率高低成 正比，频率越高，转速越高；反之，转速越低。变频调速就是根据这一原理，通过改 变电源的供电频率来实现压缩机电机的无级调速。由于制冷压缩机具有特定的负载特 性，因而并不是改变压缩机电机的输入频率就可以使压缩机正常。在一般情况下，制 l 海海4 学院顺女学位论文 船舶玲藏臻螭 蕾囊藏节能, t r r 竞 冷压缩机的负载为恒转矩负载，电机的转矩决定于：r = k x ( v i f ) 2 式中k 系数；y 压缩机输入电压；，压缩机输入频率：丁转矩 同时由于变频器在改变转速的同时改变电压，可以保持y ，的比值不变，因而保 证了电机在低速运转时的转矩特性，也保证了电机低速运转时不会过流发热，即在调 速过程中维持电机的固有特性不变。 2 3 制冷系统变频节能 所谓冷藏集装箱制冷系统的变频，就是通过变频器改变电源输出功率，使压缩机 电动机的转速达到连续的定量控制的方法。制冷系统的变频一般是基于三个目的。其 一，为了使制冷系统的制冷量和系统负荷相当，及为了维持箱温在设定温度值上；其 二：，为了使系统按照某种特定的要求运转，如快速打冷运行：其三，为了节能运行。 传统的冷藏集装箱制冷系统其压缩机的转速是不变的，因而在一定的工况下，其 制冷容量是固定的，然面随着船舶的动态航行，冷藏箱内部的工况和负荷却是变化的。 例如，船舶经纬度的变化，航向的变化，航速的快慢等，都可使冷藏箱内的负荷发生 变化。当制冷系统的制冷量大于箱内的负荷时，制冷系统以开停方式运行，即压缩机 以恒定的转速运行，使箱内温度降低；当箱内温度低于设定温度后，压缩机停机，箱 内温度在负荷的作用下回升，当箱内温度高于设定温度以后，压缩机又开始运行，如 此反复，外部热负荷越大，则压缩机运行的时间越长，而停机时间越短。当负荷高于 制冷系统制冷量时，制冷系统将无法使箱内温度降低至设定温度，压缩机将持续运行。 开停方式运行的制冷系统不可避免地有一些缺点。首先，压缩机反复启动、停机， 不仅对压缩机不利，而且会对电网产生冲击；其次，开停控制使锝箱内温度波动很大， 且机组的能效比低。 随着对食品运输要求的不断提高，货主对冷藏集装箱的箱内温度的稳定性，箱内 温度及c 0 2 浓度的要求也提出了较高的要求。在现今运行的冷藏箱中，对于新鲜蔬 菜、水果，其箱内温度波动一般为t0 2 ，鲜花则要求更高。 当然，随着当今能源的短缺，制冷系统的能耗问题倍受人们的关注。开停方式的 制冷系统在停机后，高低压侧的压力会逐渐平衡，下一次启动后，系统又从平衡状态 开始重新建立压差运行，在运行过程中，系统总处于一个动态的过程中，工况随时间 变化，蒸发温度起初较高，而后蒸发温度逐渐降低，这会使制冷系统的能效比降低。 另外，从热力学的角度分析，变频是通过改变制冷剂的流量来进行能量调节，在 l 海海遣学院硕学位论文 船舶夺藏集骧葛变频节能研究 稳定运行时，制冷系统的制冷量和负荷相当，制冷系统处于一个稳定的工况下运行， 此时，蒸发温度维持在一个较高的温度上保持不变，系统维持最小的压比，因而不仅 可以维持室温的稳定，而且对节能有利，同时又避免了压缩机反复启停带来的问题。 2 4 变频对制冷系统的影响 2 4 1 变频对压缩机的要求 由于制冷系统的变频运行，其频率变化范围广f 典型压缩机其频率从2 0 h z 至 0 0 h z ) 。因而，压缩机不仅要求能在高速下运行，同时又要能够在低速下正常运行。 对于普通的活塞式压缩机，多采用离心油泵或飞溅式润滑系统，当转速较低时， 压缩机会出现供油能力不足，润滑条件变坏的现象，为保证压缩机在较低转速下仍能 正常工作，需设计二级油泵，低转速时，二级油泵启动供油：高转速时，正常油泵工 作。同时，压缩机的转速变化还会影响到气阀的运动规律，由于排气阀片的存在，在 高转速下，会引起排气阀来不及动作，造成气阀关闭不严，使压缩机的输气系数和效 率明显降低，严重时还会造成气阀损坏，这个问题在条状阀中尤其突出。因此，在变 频调速的往复式压缩机中，多采用特殊设计的复位较快，能适应较高转速的环状阀。 对于回转式压缩机，其转速远高于往复式压缩机，当电源的频率范围在3 0 1 2 5 h z 变化时，压缩机转速变化范围在18 0 0 7 5 0 0 r p m 。为防止在高速运转时润滑油 被大量带出机壳，要在压缩机内设一油泵，使润滑油与制冷剂迅速分离并返回压缩机。 回转压缩机一般不存在排气阀关闭不严的问题。但在高转速时，应相应提高阀片的抗 疲劳强度。同时，增大阀座面积，以免高转速时阀片损坏。压缩机过热，是回转式压 缩机高转速运行时必须解决的又一问题，考虑到很难进行外部冷却，故一般采用液体 注入的办法进行冷却。但回转式压缩机的特点是运行平稳，排气性能好，应用广泛。 在普通的恒转速工作的制冷系统中，因为压缩机转速不变，振动和噪音的问题并 不突出，但在变速运行的系统中，由于转速变化范围很大，在某些转速范围内可能出 现强烈的振动和噪声。改变系统管道结构和管道截面形状，可以减小振动和噪声，也 可以通过变频器内的程序控制系统，避开机组产生强烈振动和噪声的那些频率区域， 该样的设计并不影响负荷变化范围内实现能量的连续调节。 2 4 2 变频对膨胀阀的要求 冷藏集装箱制冷系统压缩机采用变频调速后，其制冷剂流量在很宽的范围内频繁 变化，这对膨胀阀的调节能力提出了很高要求普通的热力膨胀阀反应慢，调节范围 l 海海* 学院硕女学位* 船舶玲藏集蛾璃变频节* 研竞 有限，超出这范围就不能稳定工作，不能保证正常的过热度精度。在变频控制系统 中，为了实现在偏差信号大时，压缩机和蒸发j x t $ ) t 的快速运转使箱内温度以尽可能快 地接近设定温度，而在达到设定温度附近时，压缩机、蒸发风机和冷凝风机又要降低 转速，使压缩机供冷量和负荷相匹配，实现节能和控制温度稳定，对膨胀阀提出了如 下要求： 1 制冷剂流虽调节范围广 由于制冷剂流量和压缩机转速几乎成正比关系，压缩机采用变频调速后，转速变 化范围大，因而制冷剂流量可能是成倍地变化，采用传统的近似于比例调节的热力膨 胀阀无法做到如此；而电子膨胀阀通过电脑设定的调节规律，不仅对偏差值作出反应， 而且对偏差的变化率也作出反应，使供液量能很好地适应流量及其变化趋势，而达到 供液量和负荷之间的匹配。 2 反应速度快 压缩机的转速变化会迅速改变蒸发压力，因而要求膨胀阀的反应速度快，以免引 起压缩机的湿压缩和冲缸，而热力膨胀阀是通过感温包内工质的饱和压力的改变来调 节流量的，是一个有纯延迟的一阶惯性环节，其反应速度慢。 电子膨胀阀是制冷系统应用变频技术节能的关键性元件，设置的调节规律配合压 缩机的变频调速，精确地控制过热度，从而保证制冷系统在各工况下稳定运行，使运 行能耗大幅度下降。 1 精确的过热度控制，可以使蒸发器面积充分利用，不必为防止回液而对蒸 发器留出足够的设计裕度，从而达到节省材料，降低成本，实现综合节能。 2 配合压缩机的变频调速可实现制冷装置的软启动，减少启动电流对船舶电 网的冲击。 3 电子膨胀阀良好的过热度调节品质，能保证制冷系统在启动和变负荷工况 时的稳定工作，从而保证了冷藏箱内的空气品质，使系统能耗大幅度减少。 电子膨胀阀在冷藏箱制冷系统中的应用是必然的，关键是对过热度调节规律的正确设 定，其必将产生显著的节能效果。 2 4 3 变频对风机的要求 在冷藏箱中，一般有蒸发器风机和冷凝器风机，风机性能的好坏，直接影响到冷 凝器和蒸发器的换热性能，间接地影响蒸发压力和冷凝压力，蒸发压力和冷凝压力对 机组的节能性能影响很大。 冷藏箱的变频制冷系统中，蒸发器和冷凝器的负荷变化范围大，特别是压缩机高 l 海海n 学院硕女学位论文船舶冷藏集嚷粕变帻节能矸竟 速运转的情况下，冷凝负荷可能是中心转速下的几倍，如果冷凝风机的转速不变，会 造成冷凝压力过高，对压缩机不利。 从传热学的角度讲，风机转速越高，风量越大，热阻越小，冷凝压力可以降低， 对压缩机的节能有利，然而，由于风机的能耗与转速的三次方成正比，转速越高能 耗越大，并且在制冷剂