（动力工程及工程热物理专业论文）冷库系统节能及优化研究.pdf

the research on energy conservation and optimum of cold storage a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by wang he supervisor by associate prof. li kuining major: power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university, chongqing, china november 2008 中文摘要 i 摘 要 有关能源的话题是当今最热门的话题之一，随着全球的技术发展、科技进步 以及人们生产生活的各个方面对能源的需求日益加大，能源短缺成了影响经济发 展的主要因素。对我国现行的冷库系统来讲，能源浪费问题是非常严重的，如何 解决这种现状，提高能源利用率，已经成为日益紧迫的实际课题。 通过对比分析传统的传热系数测定方法，提出了红外无损检测技术在冷库维 护结构保温缺陷及传热系数测定中的应用，并通过实验对某冷库维护结构保温缺 陷和传热系数进行了验证，利用 matlab 对红外图片进行了直方图均衡化、中值 滤波等一系列处理，处理后的图片可以清晰的反映出保温缺陷位置及大小；并对 冷库维护结构进行了逐时温度场及传热系数测定，试验结果和冷库维护结构传热 系数设计值误差在 10以内，表明红外无损检测可以应用到冷库维护结构保温缺 陷及节能检测中。 冷库库门处由于存在强烈的热、湿交换,致使冷库库门上部、周围及冷库吊顶 出现不同程度的结霜和结露，造成能耗的增加，本文分析了冷库库门的流场，通 过建立方程推导了在有空气幕存在情况下及无空气幕下通过冷库门的空气渗透 量，并结合实际冷库分析了其通过冷库门的热负荷及能耗利用情况。 采用面向对象的编程语言 visual basic 6.0 开发了冷库能耗管理软件，与 microsoft office 产品结合， 实现了数据的存储和历史数据的查询以及报表的预览和 打印，并通过历史数据的对比实现了报警功能。通过试用，极大的提高冷库管理 效率和排查制冷机组故障的能力，为冷库运行管理中的节能奠定了基础。 冷库设计负荷往往和实际运行负荷有很大的差别，设计负荷是在冷库全负荷 工况下进行设计的，这在实际运行中就容易造成了能耗的浪费，文章通过对重庆 某冷库实际运行负荷和压缩机所提供冷量的对比分析指出了目前冷库系统广泛存 在的不足，并指出了改进措施，改进后的系统有利于冷库节能。 关键词：关键词：冷库，节能，传热系数，matlab，空气幕 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract with the development of science and technology，both the production and increasing standards of living will cause strong growth in energy demands，so the energy problem become one of the hottest issues in the nowadays and has become an important factor that holds back the economic and social development. the problem of energy waste on refrigeration system of cold storage is very serious in our country，so how to resolve this situation and improve energy efficiency has become an increasingly urgent practical issues at the present time. introduced the non-destructive testing on insulation defect and heat transfer coefficient determination when compared to the ways of traditional measurements of heat transfer coefficient. experiment has been carried on the cold storage structure defects and heat transfer coefficient verified，based on the matlab the infrared images were go through the histogram equalization and median filter process. verified by experiments we could see clearly that the size and location of the insulation defects. hourly temperature field and heat transfer coefficient has been measured and the experimental error less than 10 when compare to the design value，so the non- destructive testing can be applied to the maintenance of cold storage structure and energy-saving insulation defect detection. because of the strong heat and moisture exchange in the gate of the cold storage which caused thick frost and dew surrounding with the door and the ceiling and also caused the increase in energy consumption. the paper establelishment of the equation of the air infiltration through the gate under the situation when air curtain exist or not， and calculated the actual heat load through the door and its energy consumption . this paper has used visual basic 6.0 object oriented program language to exploit the software of energy management. the software combines the visual basic 6.0 and microsoft office products and can be preview and print the experimentation reports and realize the storage of real-time and historical data and can give a alarm when something is wrong. this can be greatly increase the efficiency of the management of cold storage and the ability to examine the faults of the refrigeration unit which establelishes a foundation on energy-saving of operation management in cold storage. it has a great difference between design load and the actual running load in the cold storage，the design load always in the condition of full capacity，so its often cause a 重庆大学硕士学位论文 iv waste of energy when comes to the operation. based on a cold storage of chongqing to analyze the lacks inurrent widely used cold storage and pointed out the ways to improve the defect which it is better way to the energy conservation. keywords：cold storage，energy conservation，heat transfer coefficient，matlab， air curtain 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . 英文摘要英文摘要 . 1 绪论绪论 . 1 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 . 1 1.2 国内外冷库发展及研究现状国内外冷库发展及研究现状 . 1 1.2.1 冷库状态监测与故障诊断研究现状 . 3 1.2.2 冷库内气流组织的研究 . 5 1.2.3 食品和生命科学在冷库储藏中的应用 . 5 1.2.4 空气幕研究现状及进展 . 6 1.2.5 红外无损检测的研究进展 . 7 1.3 本文的研究内容和方法本文的研究内容和方法 . 8 1.3.1 本文的研究内容 . 8 1.3.2 研究方法和技术路线 . 8 2 冷库维护结构的红外检测技术冷库维护结构的红外检测技术 . 11 2.1 冷库维护结构的检测技术冷库维护结构的检测技术 . 11 2.1.1 热流计检测技术 . 11 2.1.2 热箱法检测技术 . 11 2.2 冷库维护结构的热红外分析原理冷库维护结构的热红外分析原理 . 13 2.2.1 热红外检测的理论发展 . 13 2.2.2 红外热像仪基本原理 . 15 2.3 冷库保温缺陷的红外分析冷库保温缺陷的红外分析 . 16 2.3.1 冷库维护结构保温缺陷检测原理 . 16 2.3.2 试验设备 . 17 2.3.3 实验环境 . 17 2.3.4 保温缺陷热像图片处理 . 18 2.3.5 冷库围护结构保温缺陷处的温度场分布 . 23 2.4 冷库维护结构传热过程实验冷库维护结构传热过程实验 . 24 2.4.1 实验对象 . 24 2.4.2 实验方法 . 24 2.4.3 试验结果 . 24 2.4.4 红外热像试验结果分析 . 33 重庆大学硕士学位论文 vi 2.5 冷库库体优化冷库库体优化 . 35 2.5.1 传统维护结构传热面积对比计算 . 35 2.5.2 概念型库体库型构思 . 37 2.6 本章小结本章小结 . 38 3 冷库冷库库门库门流场分析及节能优化流场分析及节能优化 . 41 3.1 问题的提出 . 41 3.2 冷库门处的气流流动特点 . 43 3.3 流场分析 . 44 3.4 空气幕风量计算 . 46 3.5 冷库空气幕结构设计计算模型 . 48 3.6 某冷库空气幕运行状况下的能耗分析实例 . 50 3.7 本章小结 . 51 4 能耗管理软件能耗管理软件的开发的开发 . 53 4.1 工业过程测控应用软件功能模块分析. 53 4.2 能耗管理软件的总体设计 . 54 4.2.1 软件开发平台及运行环境 . 54 4.2.2 软件功能模块划分 . 55 4.3 能耗管理软件的程序设计 . 56 4.3.1 数据采集模块 . 56 4.3.2 数据存储模块 . 59 4.3.3 用户管理模块及主界面 . 62 4.3.4 报表打印模块 . 62 4.4 程序调试、运行及打包 . 64 4.5 本章小结 . 64 5 冷库制冷系统运行中的匹配节能计算冷库制冷系统运行中的匹配节能计算. 65 5.1 冷库制冷设备及制冷系统分析冷库制冷设备及制冷系统分析 . 65 5.2 冷库热负荷理论计算冷库热负荷理论计算 . 66 5.2.1 冷间冷却设备负荷计算 . 66 5.2.2 围护结构传热量计算 . 66 5.2.3 货物热量计算 . 67 5.2.4 通风换气热量计算 . 68 5.2.5 电动机运转热量计算 . 69 5.2.6 操作热量计算 . 69 5.2.7 高低温库冷间总负荷 . 70 目 录 vii 5.2.8 高低温库机械负荷 . 70 5.3 冷库制冷压缩机实际运行工况制冷量冷库制冷压缩机实际运行工况制冷量计算计算 . 71 5.4 问题的提出问题的提出. 73 5.4.1 机器设备老化 . 73 5.4.2 设计负荷与实际生产不符 . 73 5.4.3 管理问题 . 73 5.5 解决方案解决方案 . 74 5.5.1 执行大、中、小维修制度，提高检修质量 . 74 5.5.2 蒸发器的维护 . 74 5.5.3 加强冷库门管理 . 74 5.5.4 照明系统的节能 . 74 5.5.5 严格能源管理，定量考核冷库各耗能部位 . 75 5.6 本章小结本章小结 . 75 6 结论与进一步工作建议结论与进一步工作建议 . 77 6.1 本文的主要工作和结论本文的主要工作和结论 . 77 6.2 进一步工作建议进一步工作建议 . 78 致致 谢谢 . 79 参考文献参考文献 . 81 附附 录录：a.作者在攻读学位期间发表的论文作者在攻读学位期间发表的论文目录目录 . 87 b.作者在攻读学位期间取得的科研成果作者在攻读学位期间取得的科研成果目录目录 . 87 重庆大学硕士学位论文 viii 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 课题的提出及研究意义 随着我国经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，人们对冷冻、冷藏食 品的依赖越来越高，食品的主要化学成分一般由蛋白质、糖类、脂肪、维生素、 酶、水和矿物质等组成，由于他们的化学性质不同，决定了对人体的营养价值也 就不同，食品冷冻冷藏的目的是尽量减少或者避免各种营养成分的破坏和损失， 保持食品的新鲜度和营养价值1。 但是由于目前我国的技术手段的弊端和人们对冷 冻冷藏意识的淡薄,使得农副产品在流通过程中的损耗相当严重，仅蔬菜在流通中 的损耗量每年就高达2000万吨。这对一个人口多和人均占有量相对较低的发展中 国家来说,如何提高其利用率将关系到人民生活水平的进一步提高和国家经济发 展的进程,所以食品的冷冻冷藏值得关注、前景广阔。 能源问题是当今社会的热门的话题之一，并且随着全球经济的发展，人们对 能源的需求也将会进一步增大，所以也必将成为制约各国经济发展的障碍。从今 年我国电力不断涨价的呼声中我们更能感觉得到，对于我们这样一个能源相对匮 乏，能源需求量不断增加的发展中国家来说，能源利用率将意味着什么。目前我 们可以看到各个国家的竞争还表现在能源的控制和利用上，所以我们国家必须坚 持不断开拓能源海外市场的同时合理利用能源，做到开发与节约并重，提高能源 的利用效率，即提高有效能。 冷冻冷藏就是将食品置于低温(0或者低于 0)的环境中，使得一般的易腐 食品能够获得较长时间的储藏,但是作为流通中枢的冷库来说，目前的能耗消耗相 当大2。标准冷库的能耗分配应该是制冷系统 68，办公及办公设备 4，照明 11，蓄电池充电 4，其他用电 133。而之前的冷库在设计时广泛采用静态集 中参数法甚至预留一部分裕量,造成设计参数和实际生产不相匹配,导致能源利用 率低,生产成本过高。另外我国的冷库还广泛存在智能化程度低,管理不规范,机械 化程度低等现象，所以对于寻求冷库在运行及管理中的节能途径变得尤为重要。 1.2 国内外冷库发展及研究现状 自 1748 年英国柯伦证明乙醚在真空蒸发时会产生制冷效应以来，制冷技术就 有了长足的发展，并在工业生产中得到很大的应用，特别是 1851 年澳大利亚的詹 姆斯哈里斯研制发明了第一台冷冻机后，冷藏技术就迅速地应用到商业冷藏中， 当时主要通过制冷的方法来控制冷库内温度4-5。 对食品的冷冻冷藏随之应运而生， 各国纷纷成立了各种组织来规范和管理其发展与应用，1888 年，英国成立了英国 重庆大学硕士学位论文 2 冷库协会；1891 年，美国成立了美国冷藏库协会；1900 年，法国成立了法国和殖 民地冷藏工业理事会；1903 年和 1904 年，美国先后成立了美国制冷设备制造协会 和美国制冷工程协会，在此基础上，国际制冷学会于 1908 年在法国巴黎宣告成立 6。冷库作为食品低温流通的中枢,近年来在国外发展较快，1955 年,日本冷库开 始采用液泵强制循环供液方式,并且基本上都是“集中式制冷系统”；60 年代,制 冷系统仍以集中式为主,只是为了防止氨泄漏对附近居民和储藏食品造成公害,有 些冷库改用氟利昂机组；从 70 年代起,国外一些冷库逐渐采用分散式制冷系统,近 年来甚至大到万吨级冷库也以分散式作为制冷系统的主要形式。70 年代后半期, 随着制冷装置向机组化方向发展,在制冷系统上日本也有所变化,开始采用用小型 分散式制冷系统,这种分散式制冷系统一般采用r22制冷剂,直接膨胀式供液的 “压 缩-冷却器机组”,因为采用分散式制冷系统后出现了无人操作和使部分现场施工 工作改由工厂内预制的可能性,所以 80 年代以来,分散式系统在国外发展很快。到 1982 年为止,日本冷库已达 3876 家,总贮藏容量为 1933 万米 3,约 773 万吨。1990 年各国或地区速冻食品的产量如下:法国:134.25 万吨,德国:161.6 万吨,英 国:105.25 万吨,意大利:38.03 万吨,我国台湾(1991 年):17.16 万吨。目前美国和日 本冷库的总容量分别达 1684 万吨和 754 万吨，近年来,特种冷库在国外发展很快, 其中气调库在水果库中已占 1/3。如美国使用气调贮藏苹果已占冷藏总数的 80%； 法国、意大利也大力发展该项技术，气调贮藏苹果均达到冷藏苹果总数的 50% 70%以上；英国气调库容达 22 万吨。 我国自 1955 年开始建造第一座贮藏肉制品冷库后，各式冷库也纷纷投入运 行,1968 年建成第一座贮藏水果冷库；1978 年建成第一座气调库；80 年代中期我 国自行设计建设了装配式冷库，库容小的有 10 吨，大的达到 5000 吨；1995 年由 开封空分集团公司首次引进组合式气调库先进工艺，并在山东龙口建造 15000 吨 气调冷库获得成功，开创了国内大型组装式气调冷库的成功先例；1997 年又在西 安建造了一座 10000 吨的气调冷库，气密性达到国际先进水平；2001 年山东远洋 食品有限公司在烟台建成了我国首座超低温冷库，它包括库温为-60、库容量达 3000 吨/次的超低温冷库和库温-30、库容量为 3000 吨/次的低温库各三间；浙江 海通集团股份公司也于本世纪初在慈溪建造了我国第一座立体自动化冷库，冷藏 库尺寸为 90 30 8.5 米（高） ，6 座货架可存放约 5000 个托盘（贮藏果蔬冷冻食品 约为 2000 吨） 。据中国制冷学会资料显示：至 2006 年，我国冷藏库容量约为 880 万吨，折成库容积约为 3800 万立方米，人均占有冷藏库容积为 29 升/人。 就总体而言，我国冷库行业起步晚，全国现有冷库中，属上世纪七、八十年 代建造的比例很高，且多数冷库仍采用以氨为制冷剂的集中式制冷系统，冷却设 备耗金属量大，冷却效果也差；生产管理混乱，设备技术陈旧，自动化程度比较 1 绪论 3 低，职工业务水平相对低下，能耗效率相对低下，如表 1.1 所示。 由表 1.1 可以看出：我国冷藏企业总体耗电量比较大，全国平均水平远高于国 外同行业平均水平，如我国冷藏耗电量全国平均为 131(akwh/m3)，是英国平均 水平的 2 倍多，是日本平均水平的 2.5 倍左右，即使是我国冷藏行业比较发达的上 海，和国外同行业也仍然存在很大的差别，如上海冷藏企业耗电量平均水平为 76(akwh/m3)，是英国先进水平的 4.7 倍左右，日本的 2.4 倍左右。按照国际制 冷学会（iir）的要求：在未来 20 年内，应“使每个制冷设备耗能减少 3050%” 的目标，我国将面临着巨大的挑战，这就使得探讨冷库节能途径，降低冷藏产品 的单位冷量耗电量、提高系统利用率、加强库房管理等变得尤为重要。 表 1.1 冷藏库耗电量对比(akwh/m3) table 1.1 comparison of power consumption in cold storage (akwh/m3) 中国 日本 英国 上海冷藏企业 全国冷藏企业 平均水平 平均水平 76 131 先进水平 平均 32 48-56 先进水平 平均 16 60 1.2.1 冷库状态监测与故障诊断研究现状 状态监测和故障诊断技术最早起源于美国，初步形成于 20 世纪 60 年代末， 迅速发展在七、八十年代，集大成于八、九十年代，它是一项年轻的技术，是一 门既有基础理论，又有广泛实际应用背景的正在不断完善和发展的交叉型工程应 用性学科。它涉及到数学、物理、力学、传感器与测试技术、信号处理、电子技 术、计算机科学与技术、信息科学、人工智能、专家系统等领域，其重点是研究 故障诊断及故障预报的理论、方法及其实施技术。 “制冷系统状态监测及故障诊断”的问题，在 20 世纪 70 年代开始有人涉足， 那时人们开始运用系统仿真技术研究制冷空调系统，模拟系统动态特性，预测系 统性能、改进系统性能，并通过制冷系统最优控制，达到实际制冷系统最优运行。 随着制冷空调技术的广泛应用，从小型制冷装置到大型机组系统，其规模及结构 均趋大型化和复杂化，并且随着制冷设备的性能和质量的不断提高，推动了制冷 系统状态监测和故障诊断技术的不断发展与进步。 美国1961年执行阿波罗计划后， 设备故障导致了一系列严重后果， 于是在1967 年召开成立了“机械故障预报小组” 。在大型旋转机械故障诊断方面，美国西屋公 司从 1976 年起便开展工作，到 1990 年完成了网络化的汽轮发电机组的故障诊断。 1987 年，美国学者 j.perry 发表文章提出了制冷系统优化运行中的故障诊断问题。 重庆大学硕士学位论文 4 1982 年，cho/norden 运用计算机在线辨识系统运行参数，以系统总运转费用作为 目标函数，在一定运行环境、系统最小设置及最大转速条件下，满足三个约束条 件，运用单纯形法极小化目标函数，使系统处于最优运行工况下，在冷量保持不 变情况下，单机总能耗降低 12.5%。 在英国，最初的研究工作始于 60 年代末至 70 年代初，以科拉科特(r.a. collacott)为首的“英国机器保健中心”(u.k. mechanical health monitoring center) 开展故障分析与故障诊断方面的工作并取得了很好的成效。 欧洲在这方面也有不同程度的进展，在某方面还占据着领先地位，如瑞典的 spm 轴承监测技术，挪威的船舶诊断技术，丹麦的振动、噪声分析和声发射技术 等。 国内方面，上海交通大学在“制冷系统状态监测及故障诊断”的研究方面处 于领先的地位。1997 年，该校的陈丽萍提出了“人工神经网络在蒸汽压缩式制冷 系统在线故障诊断专家系统中的应用”的问题，1998 年王晓明对“制冷系统故障 先兆分析和故障预报”进行了研究。特别是陈芝久，丁国良教授在小型制冷系统 领域的动态仿真和优化方面的深入研究，其成果不但对生产实际而且对深化“制 冷系统状态监测及故障报警诊断”的研究均具有很好的指导价值。王代华、熊炼、 周德高、黄尚廉提出了一种基于人工神经网络的柔性结构损伤模式识别方法，将 神经网络用做损伤模式的分类器，引入通过对输入模式的增强来实现多种模式分 类的函数连接型神经网络构成损伤模式识别方法7-8。 随着计算机技术的不断发展和计算速度以及普及程度的大大加强，人们开始 寻求计算机的帮助从而代替大量的实验研究以节约时间，这主要表现在对系统的 仿真和控制上。m.becker 等9通过建立系统数学模型，采用模糊控制来控制系统 温度和湿度变化，取得了很好的效果。陈滋顶，刘东岭，李巨伟通过对我国冷库 自动控制现状和世界上其他发达国家的对比指出：我国技术水平低下运用范围较 窄，并从节能的角度指出应用控制的方向及趋势10。能量守恒早已被人们普遍接 受，很多科学家通过它来研究我们的世界，并且在科学的道路上取得了很多成果， 黄逸胜，詹素华从能量守恒和热力学第二定律入手，即从理论的角度给人们证明 了通过控制可以实现系统的动态匹配，从而实现能量的最优配置11。模糊逻辑自 1965 年美国工程师扎得（lotfi zdeh）提出之后，由于其符合人们的思维习惯，他 打破了传统计算机的识别模式（0 与 1、是与否而是通过建立模糊集合把给定范 围内的元素表示成 0 与 1 之间的隶属关系函数，从而可以表示 0 与 1 之间的过渡 状态，它一经提出便受到人们的喜爱，在短短的四十几年里已经有了丰硕的成果， 曾春利，葛茂泉，何为就通过建立系统间的隶属关系实现制冷系统的自动控制， 从而节省了能源、提高了冷库的自动控制水平12。刘鹏,刘训海,傅伟林等13利用 1 绪论 5 vb+access 实现了对一座-60低温冷库的数据采集、报表打印、历史数据查询 以及报警机制等。张有凤等14也有类似论文发表。我国自 80 年代以来在制冷系统 的动态仿真及特性研究方面取得了不少成就，主要为上海交通大学和西安交通大 学，且在数学建模上取得了不少成就（上海交通大学） ，如丁国良，张春路，李颧 15将人工神经网络技术应用到仿真技术上，在提高系统稳定性和系统辨识上取得 了很大的成就。90 年代以后，清华大学在这方面相继也取得不少成果。 1.2.2 冷库内气流组织的研究 近年来，对于冷库制冷系统的模拟也有不少文献发表，marshall 和 james16 对一个蔬菜冷库制冷系统进行了模拟，他们建立的模型较为复杂，有 46 个微分方 程和 100 多个代数方程式组成，并且带有很大的局限性。jing xie，xiao-hua qu 等17对一个冷库建立了一个二维模型分析了冷库的流场分布。h.b.nahor， m.l.hoang 等18则建立一个三维 cfd 模型分别模拟了空冷库和负荷下的温度、 速度和湿度分布，取得了不错的效果，但是只对一个货物做了一个理想的布置。 chourasia m.k，goswami t.k19则针对这种情况首先模拟自然通风状态下多孔介 质的传热与传质现象，然后又对货物的堆放和货物的流场做了一定的研究，具有 很大的参考价值。erik bj rk 和 bj rn palm20通过变膨胀阀流量的变化研究了室内 温度与能量变化的关系，对我们有一定的借鉴价值。n.j.smale，j.moureh 和 g.cortella 给我们做了一个很好的回顾，对冷库模型做了一个细致的总结21。van gerwen 和 van oort22，wang 和 touber23分别用 phoenics 模拟了冷库内速度和 温度的分布以及冷库内空气流动特性和湿度分布。m.l.hoang 等24用 cfd 的方 法分析了