（载运工具运用工程专业论文）蓄冷式冷藏运输装备的应用研究.pdf

工程硕士学位论文摘要 摘要 蓄冷技术是一项合理利用电网资源的制冷节能新技术，目前已大 量运用于空调系统中，在冷藏系统中的应用也在发展中。随着电力公 司分段计费制度的推行和世界能源的日益紧张，发展蓄冷式冷藏运输 装备有着更加重要的意义。然而由于蓄冷板蓄、放冷时间的影响，以 及运用管理和配套设施不建全等因素的影响，进一步发展受到一定影 响。本文通过理论和试验相结合研究了蓄冷式冷藏运输装备的关键技 术，从技术手段和运用管理上，探索相关问题的解决方法。 本文从蓄冷量的计算、蓄冷板的设计及相关试验等方面出发介绍 了蓄冷式冷藏运输装备机械冷板冷藏车和蓄冷运输箱的研制情 况，研究了机械冷板冷藏车的关键技术：车内温度的确定与蓄冷剂的 选用，冷板蓄冷及放冷特性，冷板车充冷时间的影响因素，制冷系统 匹配性能的分析研究，并通过试验研究进行验证，为机械冷板车和蓄 冷运输箱的优化设计提供依据。 本文研究工作以机械冷板冷藏车和蓄冷运输箱的设计与研制为 依据，相关数据均来源于产品研制过程中的试验，有关结论并己应用 于广州铁道车辆厂的实际生产，产品运行情况良好，论文所依托的 1 2 0 k m h 快速机械冷板冷藏车研究成果获中国铁道学会科学技术二等 奖。 关键词：蓄冷，运输装备，冷板冷藏车，蓄冷特性，应用研究 工程硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t c o l d s t o r a g e i san e w e n e r g y s a v i n gr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g y u t i l i z i n ge l e c t r i cp o w e rg i r d r e s o u r c e s r e a s o n a b l y i t i sn o wl a r g e l y a p p l i e di na i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s ，a n di t sa p p l i c a t i o ni nr e f r i g e r a t i o n s y s t e m si s i n p r o g r e s s w i t ht h ep e r i o d - f e e so fe l e c t r i c i t ya n dt h e i n c r e a s i n gs h o r t a g eo fe n e r g ya r o u n dt h ew o r l d ，i ti sm u c hm o r ei m p o r t a n t t od e v e l o pt h ec o l ds t o r a g et r a n s p o r tr e f r i g e r a t i o ne q u i p m e n t b u ts u c h f a c t o r sa st h et i m en e e d e df o rc o l dc h a r g i n ga n dc o l dd i s c h a r g i n g ，t h e o p e r a t i o nm a n a g e m e n ta n dt h ei m p e r f e c tf a c i l i t i e se q u i p p e di n f l u e n c ei t s f u r t h e rd e v e l o p m e n t t h ec r i t i c a lt e c h n i c a lp o i n t sa r es t u d i e di n t h i s a r t i c l et h r o u g ht h et h e o r yc o m b i n e dw i t he x p e r i m e n t so nt h ec o l ds t o r a g e t r a n s p o r tr e f r i g e r a t i o ne q u i p m e n t ，a n dt h er e s o l u t i o n sa r ee x p l o r e df r o m t h et e c h n i c a lm e t h o d sa n d a p p l i c a t i o nm a n a g e m e n t f r o mt h ec a l c u l a t i o no ft h ec o l dc h a r g e d ，t h ed e s i g no ft h ep l a t ei c e b a n k ，a n de x p e r i m e n t si n v o l v e d ，c o l ds t o r a g e t r a n s p o r tr e f r i g e r a t i o n e q u i p m e n ti n c l u d i n gm e c h a n i c a li c et a n kr e f r i g e r a t o rc a r sa n dt r a n s p o r t c o l ds t o r a g ec o n t a i n e r sa r ei n t r o d u c e d t h ec r i t i c a lt e c h n i c a lp o i n t so fi c e t a n kr e f r i g e r a t o rc a r ss u c ha st h ei n t e r i o rt e m p e r a t u r eo fc a r s ，t h es e l e c t i o n o fc o l ds t o r a g em a t e r i a l ，t h ec o l dc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ei c et a n k ，t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ec o l dc h a r g i n gt i m e ，a n dt h e m a t c h i n gp e r f o r m a n c e so ft h ei c eb a n kr e f r i g e r a t i o ns y s t e ma r ea n a l y z e d a n ds t u d i e d ，a n da l s ov e r i f i e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，t h u sp r o v i d i n g f o u n d a t i o nf o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n t h es t u d yi nt h ea r t i c l ei sb a s e do nt h ed e s i g na n dr e s e a r c ho f m e c h a n i c a li c et a n kr e f r i g e r a t o rc a r sa n dt r a n s p o r tc o l ds t o r a g ec o n t a i n e r s ， t h ed a t aa r ef r o mt h ee x p e r i m e n t sm a d ed u r i n gt h ed e v e l o p m e n t t h e c o n c e r n e dc o n c l u s i o n sh a v eb e e na p p l i e di ng u a n g z h o ur a i l w a yr o l l i n g w o r k s t h ea b o v er e f r i g e r a t i o ne q u i p m e n to p e r a t e sw e l l t h er e s e a r c ho f 12 0 k m hm e c h a n i c a li c et a n k r e f r i g e r a t o r c a r sw a sa w a r d e dt h e s e c o n d g r a d er e w a r db yc h i n ar a i l w a yi n s t i t u t e k e yw o r d s ：c o l d s t o r a g e ，t r a n s p o r te q u i p m e n t ，i c et a n kr e f r i g e r a t o r c a r s ，c o l ds t o r a g ec h a r a c t e r i s t i c ，a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 耋! f1 司未日期：垄牢年旦月望日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：摊导师签 ：丑年卫月垒日 工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 蓄冷板制冷技术的发展 蓄冷技术是一项合理利用电网资源的制冷节能新技术。在夜间电力负荷低峰 时使制冷机组运行，产生的冷量存储在蓄冷介质中，然后在电力负荷高峰期将冷 量释放出来，满足高峰期冷负荷需求或生产工艺用冷的需求【l 】，实现冷量的产生 和使用相分离，最终达到移峰填谷，节省电费的目的。蓄冷介质可以是水、冰、 共晶盐、以及气体水合物等，按蓄冷介质分，蓄冷系统可分为水蓄冷式、冰蓄冷 式和低温共融盐蓄冷式三类【2 j 。 从上世纪七十年代中期开始，随着世界范围的能源危机出现，推动了蓄冷技 术的发展。美国、欧洲、日本等经济发达国家以及我国的台湾地区陆续推出分时 计费的电费结构，使蓄冷技术的应用研究得到快速发展。在美国的芝加哥建立了 一个大型的冰蓄冷系统通常可以供应全市三分之二的空调高峰负荷需求【3 】，在韩 国，大于3 0 0 0 平方米的建筑物必须将其配置成冰蓄冷系统或吸收式制冷系统【4 j 。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，蓄冷技术在我国大陆也得到了发展，国家经贸委 办公厅颁发的经贸厅技 1 9 9 7 1 2 9 8 号文件将冰蓄冷空调作为今后的重点发展项 目，国务院国发 1 9 9 8 1 3 2 号文件强调了加快推广包括蓄冷空调在内的各种削峰填 谷的技术措施，国家电力公司国电财 2 0 0 0 】1 1 4 号文件明确要求加大峰谷电价推 广力度。目前，我国大部分省市纷纷出台了分时电价政策，一般低谷电价只相当 于高峰电价的1 2 甚至1 5 ，而且有取消电力增容费、电贴费等不同程度的优惠， 在杭州，对于满足一定蓄冷标准的建筑物给予一定的经济鼓励【5 j 。到2 0 0 2 年底， 已建成和正在建的水蓄冷和冰蓄冷空调系统共计2 5 9 项。 蓄冷技术除大量用于空调领域外，还在冷冻冷藏领域广泛应用【6 j ，如蓄冷技 术在高温冷库和低温冷库中的应用以及蓄冷板技术在冷藏集装箱、冷藏车、冷藏 船、蓄冷运输箱的应用。 蓄冷板制冷技术是美国人在上个世纪四十年代发明的【7 ，在七十年代末，美 国运输冷冻食品的冷板汽车、拖车，冷板集装箱占专用冷冻车的7 0 ；在日本， 冷板汽车在冷冻车中的占有率从2 5 3 ( 1 9 7 4 年) 上升到3 5 6 ( 1 9 7 5 年) ；法 国、英国和西欧等国在六十年代前后将冷冻板技术运用到冷藏汽车和冷藏集装 箱，大都运用在短途运输。在长途运用方面，主要是水上运输，美国发展了冷冻 板制冷的冷藏船，瑞典和意大利已发展到了铁路冷藏车。九十年代的香港，发展 了市内运送冰淇淋的深低温冷板汽车。 蓄冷板的温度分类见表1 1 ，外界温度为3 0 。c 时。 工程硕士学位论文第一章绪论 表1 1蓄冷板的温度分类 级别 蓄冷板温度车内温度 a 级 5 1 l1 0 b 级1 85 c 级2 l 2 51 5 在经济方面，冷板制冷系统是非常有吸引力的。根据日本和英国的研究资料 表明，冷冻板制冷与其它制冷方法比较见表1 2 和表1 3 。 表i - 2 采用不同制冷方法的经济比较 液氮制冷机械制冷冷冻板制冷干冰锘i 冷 制懒4 0 日元 3 7 日3 0 日5 年1 0 年5 年1 0 年1 0 0踟日 6 0 日元 元 元忪拥日拥日拥日拥日日元元，公 公斤公斤 公斤斤时间时间时间 时间公斤斤 工 2 0 0 日8 时8 2 5 ( 日 作 = 1 6 0 0 小时别埘) 7 8 16 7 76 9 75 1 25 4 13 7 51 1 9 4 47 时 间2 鼢8 = 绷 小 小时 7 器7 3 46 3 05 舄4 3 64 4 22 9 5 时 | 3 ( i ) x 8 = 绷 7 4 87 0 46 0 05 呕3 衢3 7 52 6 5 年 ，j 时 注：经济比较条件，外温3 0 * 0 ，车内温度1 8 0 ，冷冻车传热面积8 0 m 2 ，传热系数0 3w ( m z k ) 表1 3采用不同制冷方法的经济比较 每车一年的费用 ( 以英镑计算) 机械制冷蓄冷板液体氮液体空气 成本 5 5 04 0 05 4 5 租用 折旧费1 1 08 05 4 维修费2 3 06 5 电费 3 0 燃料费 1 8 0 超载费 4 5 资金积累5 5 4 05 5 材料费 7 1 56 8 5 合计 5 7 52 6 08 2 46 8 5 由于冷板制冷节能、运用方便，因此冷板制冷得到世界各国高度重视。近年 来各国学者对冷板制冷技术进行了深入研究。加拿大魁北克大学研究人员 m l a c r o i x 和a r s i m a r d 对冷板冷藏汽车在装货时冷板表面结霜情况进行了研究， 建立冷板结霜过程的数学模型，提出了评价冷板利用效率的方法和防止结霜的措 施【8 j 。法国研究人员j m o u r e h 、n m e n i a 等用商业软件p h o e n i c s 计算了冷板冷藏 汽车内的气流组织和温度分布1 9 10 。美国学者g a l a n e 对相变物质( p c m ) 蓄 能机理，及应用于蓄冰空调的相变物质的物性要求等作过系统阐述【1 1 1 。 蓄冷技术的发展和推广要求人们去研究开发新型蓄冷材料，不论开发何种相 2 工程硕士学位论文第一章绪论 变材料，都必须符合如下要求：固液合适的相变温度；较大的相变潜热；相变的 可逆性要好、过冷度应尽量小【1 2 1 3 】；性能稳定、经久耐用的；导热性好，相变 速度快，成核剂和相变促进剂的选择【1 4 15 】要同时考虑。 1 2 蓄冷板制冷技术的原理及特点 物质从固相转变为液相状态时，要吸收大量的热量( 放出冷量) ，即物质的融 解热，也称作物质的潜热。这种在相变时能将冷量储存，在需要时又能将冷量放 出来的材料称为蓄冷材料【l6 1 ，而利用蓄冷材料储存和释放冷量的方法，就是相变 蓄冷。 蓄冷板制冷是相变蓄冷的一种运用形式，是利用共晶盐这种蓄冷介质在发生 固液相变时要吸收大量的潜热( 放出冷量) ，并且在相变过程中温度基本恒定不变 的这种特性，把低融冰盐共晶体溶液密封在金属或塑料制成的扁型容器内，并使 其冻结然后用于制冷，这种低融冰的板状结构就 称为冷冻板，更确切的技术名称为低共融板，或 共晶板。采用不同的低融冰盐共晶溶液，可以获 得所需要的制冷温度。 共晶系是每单一组元在发生固一液相变时只 有1 个相变点，混合物组元互不发生化学反应、固 态完全不互溶、液态完全互溶的相变晶系i l 。图 1 1 为典型的二元共晶系相图。 这里o t 、1 3 分别代表组元a 、b 的固相。根据 图1 1 二元共晶系图 ( l 液相，s 伺相，e 共晶) 凝固点降低定律，“溶质溶于溶剂中制成溶液时，只要溶质和溶液不形成固溶体， 在某一浓度范围内，溶液的凝固点降低，而且溶质的浓度愈大，溶液的凝固点愈 低”。纯a 的凝固点在c ，由于加入溶质b ，a 的凝固点沿c e 线随b 成分的增加逐 渐下降直到e 。同样，b 的凝固点也沿d e 下降直至e 。在e 点，两组元同时结晶下 来，形成具有确定组分的a 和b 的固态低共融混合物，e 点因此被称为共晶点 ( e u t e e t i c ) 。c e 、e d 线以上的区域均为液相，故c e 、e d 线称为液相线。c e 和m e 线之间为固相a 与液相平衡共存的两相区，d e 和n e 线之间为固相b 与液相平衡共 存的两相区。m e n 线以下的区域为固相a 与固相b 共存的两相区，故m e n 线称为 固相线，也是三相线。e 点为2 条液相线与固相线的交点，它是液相能够存在的最 低温度，据相律可标出e 点的自由度为0 ，f - k + q + l = 3 = 3 3 - - - 0 ，o p e 点具有固定 不变的温度与组分。 由于以共晶点e 比例混合的相变介质性能稳定，且与纯物质的相变性能一样， 具有确定的单一溶点和融解热，故而在应用中，特别受到青睐。 国外蓄冷板的形式基本分为板式和管式两种，板式蓄冷板的厚度分为4 5 m r n 工程硕士学位论文第一章绪论 和7 6 m m 两种；蓄冷管也有两种：一种是圆截面，用铝或钢材制成，一种为窄方 形，用塑料管制成【1 8 】。 冷冻板的基本结构有两种：内部带蒸发盘管的和不带蒸发盘管的，不带蒸发 盘管的适用于小尺寸，在低温冷库或专用冻结柜内冻结后搬到需要制冷的场所， 即为活动冷板；带蒸发盘管的利用制冷机直接进行充冷，使低共融溶液冻结，即 为固定冷板。此时，冷冻板内的蒸发盘管相当于一个蒸发器。用制冷机组为冷冻 板充冷有两种形式：一种是装置本身配置有制冷机，充冷时只要引接外电即可； 一种是装置本身不配置制冷机，充冷时通过软管连接充冷站的制冷装置进行。 冷冻板制冷具有的特点：1 、结构简单；2 、充冷作业方便；3 、制冷可靠， 一旦充冷结束，就可以连续可靠制冷；4 、恒温特性好；5 、可以利用夜间电网处 于低峰时期为冷冻板充冷，白天再使用。因此它很适合在冷藏运输工具上应用， 可以利用任何能源的制冷装置来充冷，而不像机械制冷在运输中供电需要燃油， 所以也没有噪声和空气的污染。溶液在密闭的容器中可再进行冻结，反复使用， 不会造成环境污染和资源浪费。 1 3 国内蓄冷板制冷技术运用现状 我国从7 9 年开始冷板冷藏车研究，已经历了二十多年的发展，铁路方面： 在8 0 年代研制了依靠地面充冷站充冷的第一代冷板冷藏车，有单节式和成组式， 9 0 年代研制了车上自带制冷机组、依靠地面电源驱动制冷机组充冷的第二代冷 板冷藏车( 机械冷板冷藏车) 1 9 】，带制冷机组的冷板集装箱以及活动冷板集装箱， 箱体规格有铁路使用的1 0 t 箱和公铁联用的2 0 英尺集装箱，提出了活动冷板车 的发展思路并进行了可行性研究探索【2 0 1 。冷板车的数量到目前为止第一代冷板冷 藏车生产了1 8 辆( 1 0 辆是路用车，8 辆是自备车) ，第二代冷板冷藏车有4 辆为 普通速度型的正在在线路上运用，4 辆运行速度为1 2 0 k m h 的快速机械冷板冷藏 车已通过铁道部科技成功鉴定，在广州至成都之间完成了以探索铁路冷板车运用 管理机制为目的扩大运用。公路方面，8 0 年代末河南红宇机械厂从意大利引进 冷板冷藏汽车生产线，按照欧共体a t p 标准进行冷板冷藏汽车生产，并于9 0 年 通过省级鉴定1 2 1 】。还有将蓄冷板技术应用到低温箱中1 2 2 1 及蓄冷家用冰箱的报 道f 2 3 】。 二十多年来，铁路一直在研究和探索加快冷板制冷技术应用铁路运输领域的 途径，归结起来，制约冷板车发展缓慢的既有冷板车本身设计不完善的原因，如 车辆运用的通用性，充、放冷时间的限制等；也有运用管理和配套设施不适应的 原因，如运价政策、地面充冷设施及电源等，这些问题需要通过对蓄冷板技术的 深化研究、优化冷板车设计、改革现行的运营管理机制、进行必要的配套设施建 设等加以解决。 4 工程硕士学位论文第一章绪论 1 4 本论文的研究工作 综上所述，蓄冷技术在国内建筑物空调领域的运用已得到快速、成熟的发展， 而蓄冷板制冷技术作为蓄冷技术运用的一个分支，在冷藏运输领域的运用还处于 探索、研究阶段，随着冷藏运输市场需求的变化和对冷运工具要求的不断提高， 蓄冷技术在冷藏运输领域将有很大的发展空间。本论文的重点研究内容有： ( 1 ) 蓄冷式冷藏运输工具的发展 ( 2 ) 冷藏车和运输箱的设计和运用试验 ( 3 ) 提高蓄冷板性能的理论分析和试验研究 ( 4 ) 缩短冷板车充冷时间的研究 随着对节能和环保日趋重视，冷板制冷技术将成为冷藏运输工具的发展方 向。采用冷板制冷方式没有运行噪音和废气排放的污染，又能综合利用地面电能， 节能效果显著，将在铁路冷藏车和公路冷藏车上得到广泛运用。 工程硕士学位论文第二章机械冷板冷藏车的研制 第二章机械冷板冷藏车的研制 2 1 铁路冷板车的发展 2 1 1 第一代使用地面充冷站的冷板车 我国铁路于1 9 7 9 年开始研究冷板冷藏车，由铁道部科技局立项，上海铁路 局，武昌车辆厂主持，主要参加的单位有：上海铁道学院、上海市食品进出口公 司、四方车辆研究所和长沙铁道学院。第一辆试验型的冷板冷藏车于1 9 8 1 年8 月研制成功，同年和1 9 8 2 年冷板冷藏车进行了八次重载运行试验。1 9 8 3 年，根 据铁道部科技局的指示，上海铁道学院冷板冷藏车专题组开始研制可调节温度的 冷冻板冷藏车，在原有冷板冷藏车上加装温度调节装置，进行冷板冷藏车的通用 性试验研究。 第一代冷板车的主要技术构思：车体采用新研制的加冰保温车车体，冷冻板 安装在车顶，取代原有的加冰冰箱，冷冻板选用1 8 5 低温共晶溶液，使车内 平均温度达到一1 0 ，在冷冻板下面加装温度调节装置，以满足冷板车的通用性； 冷板车一次充冷的运用时间必须大于1 2 0 小时，充冷时间不超过8 1 0 小时；冷 板车不带制冷机组，依靠地面充冷站为冷冻板充冷。固定充冷站可以在冷库专用 线附近设置，利用冷库富余制冷能力或在夜间冷库低负荷时为冷板车充冷，或在 铁路货站专门建立冷板车充冷站为冷板车充冷。 从1 9 8 3 年9 月起至1 9 8 4 年8 月止，共运行了1 2 次，平均运距2 1 2 0 公里。 试验期间，共装运3 1 3 吨出口和内销易腐货物，其品类有冻鸡、冻奶油、冻鱼、 茎椰菜、青番茄、冰鲜鱼及鲜蛋等，货物运输质量良好。 经过运行试验，证明冷冻板冷藏车具有下列特点： ( 1 ) 用地面充冷装置，一次充冷1 2 小时，可运行1 2 0 小时，运距达2 0 0 0 公里以上。 ( 2 ) 在外温平均3 0 c 的条件下，车内温度为：装运冻结货物可保持- i o c ； 装运冷却的鲜蛋、鲜鱼、叶菜类可保持0 4 ；装运番茄类蔬菜可保持6 。c 以上。 ( 3 ) 万吨公里耗能比冰盐制冷降低6 3 2 ，比机械制冷降低8 2 7 ：万吨公 里制冷成本比冰盐制冷降低8 5 9 ，比机械制冷降低5 0 3 。 鉴于冷板冷藏车的试验获得良好的效果，于1 9 8 6 年又研制了五辆冷藏车进 行扩大运行试验。1 9 8 8 年试制成我国铁路第一组四节式冷板冷藏车。第一代冷 板车经过十几年的运用实践表明，不带动力制冷机组、车内空气自由循环的顶式 冷冻板冷藏车具有以下的基本优点： ( 1 ) 车内温度稳定而均匀 6 工程硕士学位论文第二章机械冷板冷藏车的研制 项式冷板在车内空气自然循环的条件下，可以保持车内温度均匀，冷板在冷 冻液完全融化前，车内温度只受外气温度的影响，一般情况下在一个运输过程中 车内温度变化很小，易腐货物的运输品质有可靠的保证。 ( 2 ) 设备简单、运用安全 顶式冷板车和车顶冰箱冷藏车一样，车内没有任何的运动元件，也不设控制 元件及供电设备，结构简单，运用可靠性极高。 ( 3 ) 车辆成本及运用开支低 车辆制造成本和冰冷车差不多，只是用普通的冷板和调节板取代加冰冰箱， 而运用开支却比冰冷车便宜得多。 2 1 2 第二代自带制冷机组的冷板车 机械冷板冷藏车是9 0 年铁道部科技发展项目，由上海铁路局、广州铁道车 辆厂、武昌车辆厂、四方车辆研究所共同参与，在第一代冷板冷藏车运用取得成 功的基础上研制完成。 机械冷板冷藏车( 又称第二代冷板冷藏车) 具备了第一代冷板冷藏车耗能少、 制冷成本低、冷藏效能好、放冷期间不受人为因素影响，无腐蚀、无环境污染的 全部优点，同时克服了第一代冷板冷藏车必须依赖地面专用制冷设施进行充冷的 缺点以及冷板制冷系统若发生氨渗漏导致污损货物所出现的事故。带有制冷机组 的机械冷板车可以在有电源的任何车站装车，因此，机械冷板车运用更方便、灵 活，易于在全路推广应用。 第一组机械冷板冷藏车是用两辆b 1 5 b 旧车改造而成，采用二辆一组的方案。 在参加研制单位的共同努力下，于1 9 9 4 年8 月完成试制，交付上海铁路分局杨 浦站进行运用试验，经过三年的运行试验表明，该车组既适用于冻货运输，热季 也适用于部分鲜果运输，货物运送质量良好。但由于该车组是利用旧车改造，存 在车体隔热性能差、容积小、载重少等不足，加上所选用的制冷机组制冷能力偏 小，使冷板车充冷时间较长( 超过2 4 小时) 。该车组于9 7 年4 月通过铁道部科 技成果鉴定，鉴定认为“在第一代冷板车的基础上，把机组配置在车上的机械冷 板制冷系统在理论上是正确的，技术上是可行的”，并建议“进一步优化机械冷板 冷藏车的设计，少量试制，扩大试验”。 在总结机械冷板冷藏车研制取得成功经验，并取得一定运行试验数据的基础 上，我厂对机械冷板冷藏车的车辆结构、制冷系统进一步优化设计，采用多项新 技术，按新造车要求，于9 6 - - 9 7 年新造出一组新型机械冷板冷藏车【2 4 j ，该项目 列入铁道部1 9 9 7 年科技研究开发( 认定) 计划。 新型机械冷板车主要特点： ( 1 ) 二节式车组，由一辆设乘务室的乘务货物车和一辆不设乘务室的货物 7 工程硕士学位论文第二章机械冷板冷藏车的研制 车组成，二辆既可成组使用，又可单节使用。 ( 2 ) 提高了车体隔热性能，经测定传热系数为0 2 6 8 w m 2 k ； ( 3 ) 增大了装货容积和载重，容积为8 8 ( 9 1 ) m 3 ，载重为3 8 t ： ( 4 ) 缩短了充冷时间和延长了放冷时间，充冷时间小于1 8h ，放冷时间大 于1 2 0 h 。 9 8 年该车组配属成都铁路分局成都东车辆段，由成都分局冷藏运贸公司负 责进行运用考验。从1 9 9 8 年4 月到1 9 9 9 年l o 月间，成都铁路分局冷藏运贸公 司共组织装货2 9 车，发站为成都东和彭州站，到站有牡丹江、大连北、佛山东、 广州西、烟台、丰台、库尔勒、上海南等，装运的货物主要有冻猪肉、冻鸭、咸 肉、鲜蔬菜等，运输距离一般在2 6 0 0 - - 3 4 0 0 k m 左右，最长达4 0 0 0 k m ，始发充 冷后的放冷时间在1 6 0 一- , 2 4 2 小时，货主对运输质量给予了好评。 2 0 0 0 年7 月，新型机械冷板冷藏车通过了铁道部科技成果鉴定。 2 1 31 2 0 k m h 快速机械冷板冷藏车 为了适应铁路货运提速的要求，9 8 年广州铁道车辆厂联合四方车辆研究所、 上海铁道大学共同进行1 2 0 k m h 快速机械冷板冷藏车的研究工作，并列入铁道部 9 9 年科技发展项目。1 2 0 k m h 快速机械冷板冷藏车于2 0 0 0 年通过了各项性能试 验，2 0 0 1 年7 月至2 0 0 2 年5 月进行了运用考验，由广铁集团负责运行组织，铜 陵金钟公司负责货源组织，运用考验期间共装车1 3 车，承运的主要货物有冻猪 肉、冻鸡副、速冻食品( 包括冰淇淋) 等，最远运距3 0 2 2 k m ，平均运距2 5 0 0 k m ， 最长放冷时间2 1 3 小时，货物温升1 - 一2 c ，货主对货物质量非常满意。 1 2 0 k m h 快速机械冷板冷藏车主要特点【2 5 】： ( 1 ) 二节式车组，由一辆设乘务室的乘务货物车和一辆不设乘务室的货物 车组成，二辆既可成组使用，又可单节使用。 ( 2 ) 采用转k 2 型转向架，可满足1 2 0 k m h 快速要求，为铁路冷藏快捷运输 创造了条件； ( 3 ) 车体隔热性和气密性有较大提高，传热系数小于0 2 4 w m 2 k ，漏气系 数小于3 0 m 3 h l ( 4 ) 制冷系统可靠性有了较大提高，机组结构更加紧凑。 2 0 0 2 年1 1 月1 2 0 k m h 快速机械冷板冷藏车通过铁道部科技成果鉴定。 2 21 2 0 k m h 快速机械冷板冷藏车的主要技术参数 2 2 1 乘务货物车 轴重：1 8t ( 运行速度1 2 0 k m h ) ；2 1t ( 运行速度l o o k m h ) 自重( 含共晶液) ：9 0 t 8 工程硕士学位论文第二章机械冷板冷藏车的研制 载重：3 2t ( 运行速度1 2 0 k i n h ) ；3 8t ( 运行速度1 0 0 k m h ) 容积： 8 2m 3 比容：2 5m 3 t ( 载重3 2t ) ；2 2m 3 t ( 载重3 8t ) 构造速度( 最高运行速度) ：1 2 0k m h 平稳性指标w ：3 5 车体平均传热系数： o 2 7w ( m 2 k ) 车体漏气量：q 4 0m 3 h 货间温度：6 。c + 8 ( 平均外温+ 3 0 ) 充冷时间： 1 2 0h ( 平均外温+ 3 0 ) 转向架：转k 2 型 限界：符合g b l 4 6 1 8 3 标准轨距铁路机车车辆界 2 2 2 货物车 除以下参数外，其他参数与乘务货物车相同。 自重( 含共晶液) ： 9 1 m 3 比容：2 6m 3 t ( 载重3 4t ) ；2 4m 3 t ( 载重3 8t ) 2 3 冷板冷藏车的蓄冷量计算( g t 乘务货物车为例) 2 3 1 计算参数 车体平均几何面积：f = 18 0 8 9m 2 车外平均温度：t c = 3 0 车内温度范围：t i 冻货：6 4 c ；鲜货：0 + 8 车体传热系数( 计算) ：k 0 3 w ( m 2 k ) 2 3 2 运输冻货工况 ( 1 ) 通过车体传入车内的热量 q i = 3 6 k f ( t e t i ) t 2 6 1 = 3 6 x18 0 8 9 x 0 3 3 0 - ( 6 ) 】 = 7 0 3 3k j h ( 2 ) 车体泄漏造成的热量传入 q 2 = 0 1 q l = 7 0 3 3l ( j l l ( 3 ) 太阳辐射提高车体外壁温度传入车内的热量 q 3 = 3 6 t k f ( t y - t c ) z y 2 4 9 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 2 - 3 ) 工程硕士学位论文第二章机械冷板冷藏车的研制 5 3 6 0 3 5 xl8 0 9 8 x 0 3 ( 4 3 3 0 ) 1 2 2 4 = 4 4 2 8l ( j l l 式中：t 广太阳照射面的车表面温度，取t v - 4 3 卜太阳照射面占车体传热面的百分比，取丫= 0 3 5 z v 一每昼夜内太阳照射的时间，取z y = 1 2 h ( 4 ) 全车每小时传热量 q 车= q i + q 2 + q 3 = 8 1 7 9 k j h ( 5 ) 全车所需总冷量 q 放= q 车1 2 0 = 8 1 7 9 x 1 2 0 = 9 8 1 4 8 0k j 2 3 3 运输鲜货工况( 按运输0 葡萄计算) ( 1 ) 通过车体传入车内的热量 q i - - 3 6 k f ( h t i ) = 3 6 x18 0 8 9 x 0 3 ( 3 0 - o ) = 5 8 6 0 8k j l l ( 2 ) 车体漏泄造成的热量传入 q 2 = o 1q i = 5 8 6 l ( j l l ( 3 ) 太阳辐射提高车体外璧温度传入车内的热量 q 3 = 3 6 丫k f ( t y - t e ) z y 2 4 = 3 6 x 0 3 5 x18 0 8 9 x 0 3 ( 4 3 - 3 0 ) 1 2 2 4 = 4 4 2 8k j l l ( 4 ) 呼吸热 鲜货装货容重：丫= 2 3 0k g m 3 全车装货重量：m = 8 2 x 2 3 0 = 1 8 8 6 0k g 包装重量：m 窖= 1 8 8 6 0 x 1 5 = 2 8 2 9k g 实际装货量：m 货= 1 8 8 6 0 - - 2 8 2 9 = 1 6 0 3 1k g o * c 时葡萄呼吸热：q 货= 9w t q 4 = 0 0 0 3 6m 货q 货 = 0 0 0 3 6 x 1 6 0 3 1 x 9 = 5 1 9k j l l ( 5 ) 通风换气带入的热量 q s = vd 1 3 化t i ) + q ( f l p n - - f 2 p 2 ) 】 v 鼍一每小时通风换气容积，取v 置= 5m 3 h 1 3 一空气的容积比热k j ( m 3 k ) q 一水蒸汽的凝结热或凝固热，取q = 2 5 1k j i g f l ，鲂一车外及车内相对空气湿度，取f i = 6 0 ， f i = 9 0 1 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 工程硕士学位论文第二章机械冷板冷藏车的研制 p l ，p 枷对于车外、车内温度的饱和绝对湿度【2 7 】，取 p 1 23 0 2 1 9 m ，p 2 = 4 8 9 m j q 5 25 1 1 3 ( 3 0 一o ) + 2 51 ( 6 0 x 3 0 2 1 9 0 x 4 8 9 ) 】- 3 6 7l ( j h ( 6 ) 全车每小时热负荷 q 车= q i + q 2 + q 3 + q 4 + q 5 = 7 7 7 5 6k j l l ( 7 ) 全车所需总冷量 q 放= q 车1 2 0 = 7 7 7 5 6 x 1 2 0 = 9 3 3 0 7 2k j 2 4 充冷冷量计算及蓄冷板设计 2 4 1 计算参数 共晶溶液物理参数【2 8 】： 共晶温度：t 凝= 1 0 5 c 融解热：q = 2 9 4k j k g 膨胀率：b = 1 1 比重：p = 1 1 3 3k g d m 3 比热：c p - 3 1 7k j ( k g k ) 2 4 2 冷板溶液计算 冷冻板溶液重量按冻货工况计算 g 2 q 放q = 9 8 1 4 8 0 2 9 4 = 3 3 3 8k g 取整3 4 0 0k g 2 4 3 全车充冷冷量计算 ( 1 ) 充冷期间通过车体传入车内的热量 q 充= 1 8q 车= 1 8 x 8 1 7 9 = 1 4 7 2 2 2k j ( 2 ) 溶液冻结所需冷量 q 蘸2c p g 化- t i n ) + g q + c p g ( t m - t 过冷) 2 3 1 7 x 3 4 0 0 1 3 0 一( 一1 0 5 ) + 2 9 4 3 4 0 0 + 3 1 7 x 3 4 0 0 一1 0 5 一( - 1 5 5 ) 】 = 1 4 8 9 9 9 9k j ( 3 ) 车体预冷所需冷量 q 琢2c 车m 车 t c 一化+ t i ) 2 】 式中：cr 车体需预冷部分平均比热c 车- 1 4 6k j ( k g k ) mr 车体需预冷部分重量 m 车= 1 2 0 0 0k g q 援21 4 6 1 2 0 0 0 3 0 - 3 0 + ( - 6 ) 2 ) = 3 1 5 3 6 0k j ( 4 ) 风机负荷 l l ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 工程硕士学位论文第二章机械冷板冷藏车的研制 q 风= 3 6 0 0 n z x l 8 ( 2 1 5 ) 式中：n - 一通风机功率 n = o 5 5k w z 通风机台数z = 2 台 q 风_ 3 6 0 0 x 0 5 5 x 2 x 1 8 = 7 1 2 8 0k j ( 5 ) 全车充冷所需总冷量 z q = q 充+ q 渍+ q 琢+ q 风 ( 2 - 1 6 ) = 1 4 7 2 2 2 + 1 4 8 9 9 9 9 + 3 1 5 3 6 0 + 7 1 2 8 0 = 2 0 2 3 8 6 1k j ( 6 ) 制冷机组应提供的制冷量 q 帆组= y q 1 8 = 2 1 6 9 1 6 6 3 1 8 = 1 2 0 5 0 9k j h = 3 3 4 7 5w ( 7 ) 制冷机组选择 为了提高冷板车运用的可靠性，制冷机组按双压缩机双制冷系统机组选型， 机组制冷量应满足1 8 小时充冷要求，机组运行工况：蒸发温度2 0 ( 2 ，冷凝温度 “5 ，实际选取制冷机组制冷量为3 5 0 0 0w ( 3 0 1 0 0k c a l h ) 。 2 4 4 冷板结构及校核计算 冷冻板设计按冷冻板装于顶部方案考虑，冷冻板外形尺寸： 2 3 0 0 x 9 8 0 x 2 6 5 ( m m ) ，共设置8 块冷冻板，每块板内共设置5 x 2 0 = 1 0 0 根散热铜 管，冷板实际内容积0 4 4i n 3 ，每块冷板溶液重量：3 4 0 0 8 = 4 2 5k g 。 冷冻板内散热管面积：f 内= 1 1 4m 2 冷冻板外表总散热面积( 包括散热片) f 井= 1 1 1m 2 ( 1 ) 冷冻板内散热管散热面积校核 f 内= q 产k a t ( 2 1 7 ) 式中：k = 5 8w ( m 2 目 a t = 7 c f 内= 31 2 3 2 8 x 5 8 x 7 = 9 6 2m 2按所需冷负荷计算 f 内= 3 5 0 0 0 s x 5 8 x 7 = 1 0 7 7m 2按机组实际制冷量计算 冷冻板内散热管散热面积能够满足要求 ( 2 ) 冷冻板外表面散热面积校核 f 外= q 抵a t ( 2 - 1 8 ) 式中：a h 为冷冻板表面对流换热，= 7w ( m 2 - k ) 仁4 c f 外= 9 1 7 9 3 6 x 8 x 7 x 4 = 1 0 1 4m 2 冷冻板外表面散热面积能够满足要求 1 2 工程硕士学位论文第二章机械冷板冷藏车的研制 2 5 冷板冷藏车的试验 2 5 1 空车静止状态下的充、放冷试验 在完成了1 2 0 k m h 快速机械冷板冷藏车样车试制后，为了验证新车是否达到 设计指标，对快速机械冷板冷藏车进行了空车静止状态下的充、放冷试验，试验 对象为乘务货物车。 2 5 1 1 试验目的： ( 1 ) 验证制冷系统设计的合理性； ( 2 ) 验证温度调节装置设计的合理性； ( 3 ) 在空车静止状态下测定冷冻板充冷时间( 包括车体预冷) ； ( 4 ) 在空车静止状态下测定冷冻板放冷时间； 2 5 1 2 试验方法： 试验参照易腐货物运输用汽车、货物集装箱和铁路车辆热工试验的基本试验 程序( b t p ) 1 2 9 1 标准，按照试验大纲进行。 2 5 1 3 试验过程： 根据试验大纲及试验测点布置图( 图2 1 ) 进行测温点布置，然后按照确定 的试验步骤，先进行低温工况试验。试验前将制冷机组调试到正常工作状态后停 机，让车体和冷冻板温度平衡到环境温度，将所有调节窗口打开，关闭车门。 试验时先启动制冷机开始充冷，同时启动车内循环风机，车内温度从2 9 4 6 。c 降至9 6 5 c ，冷冻板板面平均温度分别从2 5 6 7 降至2 1 2 1 ( 冷冻板一) ， 2 6 9 c 降至1 9 4 8 ( 冷冻板五) ，充冷试验结束，累计充冷时间1 7 5 小时，充冷 期间车外平均温度为2 8 7 2 。试验数据记录要求开始两小时每隔3 0 分钟记录一 次，以后每小时记录一次。充冷曲线见图2 2 。 低温工况放冷试验从充冷试验结束时开始，至试验结束时，车内温度从 9 6 5 * ( 2 升至0 3 8 c ，冷冻板一板面平均温度从2 1 2 1 ( 2 升至6 5 5 c ，冷冻板五板 面平均温度从1 9 4 8 * ( 2 升至5 4 ，放冷试验进行1 2 0 小时。试验数据记录要求 每两小时记录一次。放冷曲线见图2 3 。 高温工况试验是在低温工况试验结束后开始。试验前开车门将风机窗1 ：3 及所 有调节窗口关闭，再关闭