冷藏集装箱工况模拟及实验研究--优秀毕业论文 可复制黏贴.pdf

上海海事大学 硕士学位论文 冷藏集装箱工况模拟及实验研究 姓名 谢培志 申请学位级别 硕士 专业 制冷与低温工程 指导教师 韩厚德 20060601 摘要 x 1 0 0 8 0 0 8 随着冷藏集装箱业的发展 其能耗问题也日趋突出 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 制冷压缩机和冷风机选型的根据是最大冷 热负荷工况 目前的制冷机组9 2 以上时间在额定负荷的4 0 9 0 运行 因此本论文实验把变频压缩机应用于 冷藏集装箱 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 本文主要以实验研究为主 理论分析为辅 实验是利用2 0 英尺t h e r m ok i n g 海运冷藏集装箱 并对冷藏集装箱进行热工实验 包括气密试验 漏热试验 集 装箱的制冷性能试验 并检验了该集装箱完全符合各种标准 论文先根据传热的基本原理 对冷藏集装箱的隔热层的传热过程进行了分 析 对冷藏集装箱的动态热负荷进行了理论的分析 然后通过模拟海上的温湿度 环境 用实验室空调机组制造出类似的热工环境 在不同的环境温度段 分别用 定频压缩机和变频压缩机实现不同的降温工况 并记录各种参数 环境室的降温 曲线 环境室定频压缩机和变频压缩机在不同的降温工况下所消耗的累积功 同 时用冷藏集装箱内的热调整器仓t 造出类似货物散发出的热量的环境 最后分析总 结到得出了 通过变频可以达到节能的目的 取得良好的经济效益和社会效益 关键词 冷藏集装箱 传热分析 定频实验 变频实验 a b s t r a c t t h ee n e r g yc o n s u m p t i o np r o b l e mb e c o m e sm o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a r i n er e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r s t h e m a r i n 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 a n dt h ec h a n g e so ft h e o u t s i d ea 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 es u nr a d i a t i o ni n t e n s i t ya n d t h et r a n s p o r t e dg o o d sb r i n gt h ec h a n g e si nt h el a t e n ta n dd i s p l a yh e a tt o a do f r e f r i g e r a t i o ns y s t e m t h et r a d i t i o n a lr e f r i g e r a t i o n s y s t e mi nc o n t a i n e r sa d o p t st h em o d eo f i n v a r i a b l er e v o l u t i o na n di t ss y s t e md e s i g ni sb a s e do nw h a tc a nm a t c ht h e b i g g e s th e a tl o a d s ot h er e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o r sa n dc o o l i n gf a nm o t o r s h a v eb e e nc h o s e na c c o r d i n g 幻t h e i rc o o la n dh e a tb u r t h e ni n w o r k i n g c o n d i t i o n s a c t u a l l y j u s ti ns h o r tt i m ec a nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m sw o r ki nt h e b i g g e s tb u r t h e n a tp r e s e n tr e f r i g e r a t i o ns y s t e m sa r ep l a c e di n4 0 9 0 r a t i n gh e a tl o a df o ral o n gp e r i o do ft i m ea n dt h ee n e r g yi sw a s t e dc o n s i d e r a b l y s o w et 拶a p p l y i n gf r e q u e n c yc o m p r e s s o rt or e f r i g e r a t e dc o n t a i n e r t h e c h a n g eo ft h er e v o l u t i o no fc o m p r e s s o rb yu s i n gt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n t e c h n o l o g yw h i l et h eo u t s i d eb u r t h e na l t e r s e n a b l e st h a tr e f r i g e r a n td i s c h a r g e c h a n g e sa l o n gw i t ht h ea l t e r a t i o no fh e a dl o a d a n dt h e r e f o r er e f r i g e r a t i n g c a p a c i t yw i l lc h a n g er e s p e c t i v e l ys ot h a tr e f r i g e r a t i o ns y s t e mc a nm a t c ht h e v a r i e t yi nh e a tl o a d m e a n w h i l e a f t e rt h er e v o l u t i o ni sr e d u c e d t h ec o m p r e s s o r e n e r g y c o n s u m ec a nb er e d u c e da n dg o o dr e s u l t sa t t a i n e d t h i st h e s i se x p e r i m e n t a ls t u d ym a i n l yc o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y z e e x p e r i m e n ti sd o n eb y2 0f e e tt h em a r i n er e f r i g e r a t e dc o n t a i n e ng a ss e a l i n g t e s t h e a tl e a k a g et e s ta n dp e r f o r m a n c et e s tf w i t hr e f r i g e r a t i o nu n i t a r ed o n e 0 nt h ed e v e l o p e dt e s tf a c i l i e s w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h er e f r i g e r a t e d c o n t a i n e ri sa p p r o v e db ya l lk i n d so fs t a n d a r d s b a s e do nt h et h e o r yo ft h eh e a tt r a n s f e r t h et h e s i sa n a l y z e st h e h e a t t r a n s f e rp r o c e s so fi n s u l a t e dl a y e ri nr e e f e ra n dt h ed y n a m i ch e a tl o a do ft h e 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或者其他机构 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做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢 作者签名 谣牟蛭 广日期 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留送交论文复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以上网公布 论文的全部和部分内容 可以采用影印 缩印或者其它复制手段保存论 文 保密的论文在解密后遵守此规定 作者签名 粒导师签名 烨曰期 u 上海海事大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题背景 1 1 1 课题背景介绍 2 0 世纪7 0 年代以来 能源问题己被列为世界五大问题之一 随着世界食品工 业的发展和易腐货物冷藏运输量的日益扩大 船舶冷藏集装箱得到日益广泛的应用 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 制冷 压缩机和冷风机选型的根据是最大冷 热负荷工况 实际上 制冷系统只是短时间工 作在最大负荷 亚一欧 亚一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 能量浪费极其可观 因此 冷藏箱制冷装置的节能也越来越引起 广泛的重视1 目前世界上的集装箱压缩机都是定频压缩机 很难做到根据外界热负荷及内部热 负荷的大小而自动做出相应的调整 因此了解带定频压缩机和变频压缩机的集装箱的 热负荷特性 对于进一步发展冷藏集装箱也有着非常积极的意义 并可以为进一步发 展变频集装箱压缩机铺平道路 1 2 国内外冷藏机装集装箱发展现状 冷藏集装箱的发展经历了从3 0 年代起步 5 0 年代迅速发展和从7 0 年代开始的 飞跃发展3 个阶段 冷藏集装箱的生产和使用已超越了国家的界限 变成了全球性的 通用标准运输工具 是陆 海 空冷藏运输中发展最快 最多的一种运输工具 现阶 段的主要特点有 1 冷藏集装箱大量制造 7 0 年代 8 0 年代冷藏集装箱增长很快 到了9 0 年代这 一趋势依然不减 到2 0 0 0 年全球冷藏集装箱的总数已达到1 0 0 万t e u 标准箱 目前 冷藏集装箱的生产国由德国 英国等发达国家转移到发展中国家 我国的 冷藏集装箱制造业也迅速崛起 最近 我国沿海地区先后就有6 家冷藏集装箱合 资企业投产 年生产能力达到4 1 8 万t e u 标准箱 从2 0 0 0 年起的1 0 年内需 要新造冷藏集装箱6 1 0h t e u 标准箱 平均每年需6 0 0 0 1 0 0 0 0 个 2 集装箱国际标准化 为了集装箱的国际流通 铺平 门对门 运输道路 确保 集装箱的互换性 i s o 推荐了国际集装箱统一标准 上海海事大学硕士学位论文 3 广泛采用机械式冷藏集装箱 国际间长途运输的冷藏集装箱几乎全部采用带制 冷机组的冷藏集装箱 而在短途运输中才使用其它冷源 4 装卸机械日臻完善 5 大量建造集装箱码头和中转站 6 建立强大的集装箱船队 冷藏集装箱在发展中的新技术的采用与突破主要表现在以下几个方面 1 在结构上 以往全钢质为铝合金所替代 冷箱的强度 隔热以及内部送风系统 等方面都大大改善 2 实现了更先进 更可靠 更完善的自动控制与调节系统 传统的电器控制代替 以电子遥控系统 在承运过程中把每个集装箱的状态引入中央控制台 用计算 机进行管理 3 从早期运输冻结货物发展到利用计算机对箱内空气改良及成分控制 创造适合 蔬菜 水果等鲜品运输的环境 以控制水果 蔬菜的成熟速度 4 制冷系统仍然是蒸气压缩式 但在其通用性 节能方面也取得了进展 新的制 冷系统充分考虑装运各种鲜货 冻结货的特点 以满足不同贮运要求 5 特殊用途的专用冷藏箱在兴起 如日本设计了活鱼集装箱 冰温冷藏箱等 1 3 加快研制 开发和生产冷藏集装箱的必要性 冷藏集装箱适应国际冷藏运输联运 随着我国欧亚大陆桥的开通和加入w t 0 之 后 易腐食品的进出口量将有大幅度增长 交通运输业也在加快与国际市场接轨 易 腐食品采用冷藏集装箱的需求将是十分巨大的 据悉 包括铁路 公路和水路有关部 门主管在制定技术政策时 都明确提出要 加速发展冷藏集装箱 2 0 0 1 2 0 1 0 年全 国易腐货物运量预测 其中有3 0 运量6 7 5 万吨 采用冷藏集装箱运输 1 4 开展课题的现实意义 冷藏集装箱技术先进 保鲜期长 能将鱼 肉 果蔬和鲜花等各种货物高质 大量 快速 廉价地 门对门 运送到世界任何地方 目前 全世界每年冷藏集装箱 货物运量约为5 5 0 0 万吨 海运冷藏集装箱达4 5 0 0 0 0 t u e 且每年仍有6 5 0 0 0 t e u 新冷藏集装箱投入营运 一批可装运5 0 0 1 0 0 0 t e u 的冷藏集装箱船舶已航行全球 然而 海运冷藏集装箱似海上活动冷库 从北半球横越赤道到南半球运输途中 外界气温可能在 5 0 c 3 0 c 范围内急剧变化 在航区 气温 水温 航向 太阳辐 射角 货物种类和数量等多变干扰因素下 冷藏集装箱动态热负荷急剧变化 导致制 冷机组9 2 以上时间在额定负荷的4 0 9 0 运行 而现行的冷藏集装箱以满足最大 热负荷为设计依据 制冷机组始终在恒功率 定扭矩和定速工况下运行 能耗过大 上海海事大学硕十学位论文 且导致货物干缩 质量下降 冷藏集装箱箱体普遍采用聚氨酯发泡绝热板 绝热性能 差 渗入热过大 0 n 0 f f 能量控制导致电流冲击 温控精度差 能耗加大 一艘总 吨位2 3 6 5 0 t 装运2 5 0 t e u 冷藏箱的船 制冷装置能耗占全船的6 0 以上 降低能 耗 提高货物的运输质量 实现制冷节能已成为国际冷藏运输届的重大研究课题 3 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 因此 使得集装箱在外界环境变化以及内部负荷变化的情况下 维持在最优化工 况 并始终维持冷藏 保温货物在各自最佳温度状态下 以便保持易腐货物的质量品 质和数量 实现制冷系统节能 无论是对于航运公司降低运营成本还是对各制冷机组 制造商抢占市场都具有重要的意义 1 5 本论文的主要研究内容 冷藏集装箱类似移动的冷藏库 主要采用机械制冷方式 由于冷藏集装箱的可靠 性要求很高 因此 其性能实验尤为重要 集装箱除强度实验外 热工性能实验是另 一项重要的性能检验项目 主要有以下两类 1 对运输工具的单项实验 隔热箱体的气密性测试 运输用制冷机的制冷 量的测试 箱内冷空气流的气流特性研究等 这些实验可为制造厂单项部件的设计和 改进 整台运输工具的匹配提供依据 2 对整台冷藏运输工具进行实验 它包括安装完毕的冷藏运输工具在特定 的实验条件下空载和重载时的制冷 或加热 的综合性能实验 此项实验可为制造厂 的产品以及监管部门和用户提供依据 本文主要研究内容 1 对冷藏集装箱隔热结构与动态热负荷进行理论分析 2 在不同的外部热负荷和内部热负荷的条件下对冷藏集装箱在定频的工况 和变频的工况下分别进行实验研究 3 根据实验数据 对比并分析说明在定频和变频两种工作方式下 变频有 较好的节能效果 海海事大学硕士学位论文 第二章冷藏集装箱与冷藏集装箱实验室的简介 2 1 冷藏集装箱 目前 世界上主要有4 种品牌的冷藏箱 日本的大金 三菱 美国的开利和 冷王 这4 种机组 尽管外观不同 构造各异 但各组件基本相同 由控制系统 压缩机 冷凝器 冷凝风机 蒸发器 蒸发风机 电子膨胀阀及各种控制阀件等 组成 本试验室的冷藏集装箱是美国t h e r m o k i n g 开发的一种最新型号的集装箱 d 3 d s t 一0 7 5e t f d 一2 5 3 它在与其他品牌集装箱有相似功能的同时 也有着自己 的特点 如 1 保鲜负载 设定温度为一9 9 及以上 机组运行于制冷及调节制冷和加热以提供精确的温度给保鲜负载 在制冷与 调节制冷过程中 控制器使用比例积分调节方法 p i d 和k v q 阀直接针对负 载需要精确地控制箱内温度 2 k v q 阀安装于吸气管来控制回流到压缩机的制冷剂的量 该阀相应控制电 压信号打开和关闭 控制器电压信号由控制温差决定 控制器使用设定温度 进 风传感器温度 左手和右手传感器 和过去1 0 秒 过去2 0 秒 过去1 8 0 秒的 降温速率来计算控制温差 3 温度控制精度和霜冻保护 p i d 算法通常可以降低集装箱温度至 一0 1 当回风温度降至低于设定 温度0 3 时 通过脉冲和断开电加热器可以提供额外的防霜冻保护 每6 0 秒 钟控制器脉冲接通加热器2 至6 0 秒 接通的时间长短根据防霜冻保护所需的热 量而定 4 冷冻负载 设定温度一1 0 及以下 机组运行于全制冷和空运行以提供精确的温度控制给冷冻货物 控制器使用 回风传感器和设定温度来调节机组运行 如果回风温度传感器被断开或有故障 控制器使用进风传感器加上一个补偿值作为温度控制 5 数据菜单的k v q 设定值和制冷量值 数据菜单中显示的k v q 设定值为k v q 阀控制回流到压缩机的制冷剂所要达 到的蒸发温度 在最大制冷量运行中 k v q 设定值可能在一4 0 至一6 0 6 压缩机顺序启动 4 蜘每海事大学硕 学位论文 如果压缩辊在邋去的1 8 个小时肉遮 亍时闻不超过 秒 控制器使压缩瓿顺 序启动 压缩机顺序扁动循环为 压缩机开3 秒 停 0 秒 开5 秒 停1 0 秒 开7 秒 停l o 秒 然后继续运行 7 压缩枫液体淀射 嚣缝租运行过簇孛 滚薅注越系统融暖气管注袈割冷裁黻绦护莲缠提 爨囊 道勰运行温度 8 压缩机排气漱庶控制 压缩机排气温度介于1 1 5 c 至1 2 5 时液体注射启动 每6 0 秒钟控制器脉冲 打开液体注射阀2 誉6 0 秒 阕打开的时间长短根据排气温度和k v q 阕设定而定 当k v q 阕设定低予圜藏温度5 x 2 以内薅滚体注射开寝 无论接气遗度秀多 少 控翻器每 秒镑开癌滚体注瓣瓣5 秽锋 9 高温保护 如果排气温度升至1 3 0 以上时 机组立即停机 当传感器温度低于9 0 时 控制器重新启动机维 2 2 冷蕤纂装辏实验塞 本课题是交通部出资的重点研究型实骏寨建设项目 船舶冷藏集装箱运输投 术研究中心 也是上海市激委重点科研项目 0 3 2 5 7 3 该项目从2 0 0 1 年批准以来 项目负责人韩老师和其他参与该项目的老师与同学倾注了大量心廒 至今仍在完蛰 中 该漂蘧豹主要嚣拣怒动态蒺数海上豹滋瀑覆繇凌 曩空谖裁缀在蓼凌室悫入工麓 造出稽似的环境 根据外部环境的各种参数的变化 如海水瀛发 湿度 日照 船舶 航区 昼夜变化和载货条件等 来调整空调备种工况参数 与此同时 根据集装箱内 部的模拟负荷量 调整冷藏集装箱制冷机组的工作参数 使之邋应环境工况和箱内工 况的变化 醛浚塞懿空蘧掇缀怒疰l 嚣台压壤瓠 冷凝瓣 鼹冷式 一个多 乎餐式熬力澎 l 蔓 饯 一个电子膨张伐 蒸发器 表冷器 翱漾器 宅加热器 2 1 5 k w 及一个变颁 风机组成 制冷剂为r 2 2 压缩机一台是h i t a c h i 变频涡旋式臁缩机 1 0 k w 一台 m a n u r o u p 定频活塞式压缩机 1 0 k w 两台服缩机共用一个冷凝器和蒸发器 风机可 实现变频控制 电子膨胀阀与变频压缩机同谯一个机组 而热力膨胀阀则和定频压缩 攫瓣农 个辍缝 冷藏集装箱静匿缭枫采用t h e r m ok i n g 公司 d 3 0 s t 一0 7 5 e t f d 一2 5 3 豹半封鬻式 压缩机 而冷凝器则采用风冷式 制冷剂为环保型的r 1 3 4 a 冷藏集装箱性能检测严格按照国际标准谶行 集装箱内部脊十二个温度测点 布 卜海海事大学硕士学位论文 置在箱内的前 中 后三个平面 每个平面4 个测点 而内部的热负荷则是用加热器 模拟 为使温度场均匀 加热器一端用风机吹送空气 使其通过内部的热阻管道 从 而使得热量均匀散布在整个集装箱内 箱外布有流量传感器和风速传感器 由于实验室的固有高度有限 巧妙地设计了顶部式静压箱 经空调箱处理的送风 通过孔板式天花板垂直向下送风 均匀流入环境室 保证了室内温度场和湿度场的均 匀分布 22 1 环境室空调系统及其设备 2 2 11 气流组织形式 本空调系统采用全面孔板送风 其特点为在直接控制的区域内 能够形成比较 均匀的速度场和温度场 在工业空调中 如环境室 洁净室及某些试验环境室 应用 较多 空气依次经表冷器 加热器 离心风机后 送入静压室 在此处滞止沉积后通 过孔板纵向流过冷藏集装箱 经回风口送回空调箱 这样 气流在进入下部环境室之 前 已经在风道 气流转弯处和竖井静压室里混合完全 温湿度特性统一 再加上出 风一致 有效地保证了环境室空间温度场的均匀性 实际试验时的温度梯度一般不超 过2 2 2 1 2 空调系统的主要装置 1 蒸发器 本系统采用直接蒸发式空气冷却器 肋片管 并采用空气强迫对流的形式 即 在排风机的作用下使空气流过传热管的表面 用厚度为0 2 0 6 m m 的铜片或铝片做 成 片距为2 4 r a m 因其不需冷却水 使整个系统结构简单化 2 空调电加热器 电加热器是让电流通过电阻丝发热而加热空气的设备 它有结构紧凑 加热均匀 热量稳定 控制方便等优点 在恒温精度要求较高的实验室空调系统中常用来做末级 加热器 电加热器一般有两种基本形式 裸线式电加热器由裸露在气流中的电阻丝构 成 它的主要优点是热惰性小 加热迅速且结构简单 可自行设计加工 其缺点在于 电阻丝容易烧断 安全性差 所以在设计中必须有可靠的接地装置 并且与送风机联 锁运行 才能有效地避免发生安全事故 另一种是管状电热元件 其优点是加热均匀 热量稳定 使用安全 缺点是热惰性大 结构复杂 此处选用的环境加热器为管状电 热元件 自行设计定制 共计3 组 每组加热功率为5 k w 总加热功率为1 5 k w 盘管 上焊接肋片制成 水平装在风道迎风面上 3 空调加湿器 空气加湿方法按实现途径分有喷水加湿 喷蒸汽加湿 电加湿 超声波加湿 远 6 上海海事大学硕士学位论文 红外加湿等 若按空气处理的理论过程又可分为等温加湿和等焓加湿两类 前者利用 外界热源使水变成蒸汽与空气混合 后者则是由水吸收气体本身的热量变成蒸汽而加 湿 亦称为绝热加湿 此处选择等温加湿方式 采用等温加湿 可控制外界热源的输 入功率 电能的方式 从而达到较高精度地稳定湿度的目的 因而在试验室空调系 统中使用广泛 其中又可分为蒸汽喷管 干蒸汽喷管 干蒸汽加湿器 电热式加湿器 和电极式加湿器等方式 在此采用的是电极式蒸汽加湿器 本加湿器安装于空调箱外侧 其工作的基本原理是 使用电极板埋入加湿桶水面 下 导入电压后 藉水中离子移动磨擦产热将水汽化为水蒸汽 加湿量 蒸汽产生量 大小则取决于加湿桶液位的高低或水中离子浓度而定 即电极棒埋入水中的深度或面 积 而水蒸汽则经由加湿分布管分布于空调箱或风管中 经空气吸收而达到加湿的目 的 整个实验室可采集多种数据 包括风速 温度 湿度 压力等 各个传感器所测 得的数据经过模块的处理后 输入计算机 环境室整个制冷系统如下图所示 i 孓一 夕 4 r j 变频压缩机2 定频压缩机3 气液分离器4 消声器5 冷凝器 6 储液器7 干燥器8 电子膨胀阀9 热力膨胀阀1 0 蒸发器 图2 一l 环境室制冷机组系统图 2 2 2 制冷系统及其设备 2 2 2 1 系统介绍 整个制冷系统由两套独立同规格的压缩冷凝机组组成 为室外机风冷冷凝方 式 整个制冷系统原理示意图如图2 2 所示 7 一 j 一 型 上海海事大学硕士学位论文 l j 1 一一 j 营接头 截止 低压开关针阎 定频系统制冷流程 高压开关针阉 c r f 学 一 j l 卜 7l j l j 截止阀 管接头 图2 2 制冷系统示意图 定频压缩机一截止阀一冷凝器 室外 一截止阀一干燥过滤器一热力膨胀阀一 截止阀一蒸发器 室内 蒸发 一截止阀一气液分离器一定频压缩机 变频系统制冷流程 变频压缩机一截止阀一冷凝器 室外 一截止阀一干燥过滤器一电子膨胀阀一 截止阀一蒸发器 室内 蒸发 一截止阀一气液分离器一变频压缩机 2 2 2 2 制冷系统的主要装置 表2 1 性能参数表 项目系统定频系统变频系统 制冷量 k w 1 61 2 2 0 电源v p h h z3 8 0 3 5 0 型式全封活塞式涡旋式 压缩机 输入功率k w 5 1 3 7 5 7 1 冷冻机油 s u n i s o4 g s 1 6 0 p 种类r 2 2 制冷剂充注量k g 53 8 控制方式热力膨胀阀电子膨胀阀 蒸发器型式亲水铝箔 内螺纹铜管 冷凝器 一头 卜头 一 头 v 按 挺 按 洚燃 一瞅 燃 r 阎 卜闽 卜习 融 蝴 必煳 忖煳 截阀 一 巍 钓 一 l变期压缩机一 一 巍墨 一 一 卜阍 阎 卜阎 鼬 移鼬 一 龇 o 黼 一 黼 伙鼢藉 劁瓢1 l 上海海事大学硕士学位论文 冷却方式低嗓音离 式 风量m 3 h 7 2 0 0 型式光箔 内螺纹锕管 冷凝器冷却方式低噪音轴流妓 鼹豢甜屈 1 5 4 0 0 高压 低匿 过电流 高频 逆缺穗 线圈过 保护装置 热保护等 机组蘑 主机媳 1 0 5 冷凝风桃豫 9 0 爨 室蠹橇瞧 2 1 0 额定工况 制冷时 室外干球温度3 5 湿球温度2 4 室内干球激 发2 7 湿球温殿1 9 实际使用过程中 成考虑机组安装膝系统管路 风邀等损失5 左右蛇 冷豢 实验窝总体布局霞魏下潮掰示 二馨猾 活塞式定频压崮 2 一 一 网鬣 皇调箱 集巍籍 i 一i 王俸区 l l 系统布局图 9 上海海事大学硕士学位论文 第三章冷藏集装箱围壁结构及负荷理论分析 为了使冷藏集装箱的箱内温度保持在一定的范围内 除了安装制冷和加热设备 外 还必须要求箱体具有一定的隔热能力 即要求箱体上敷设一定厚度的隔热材料 箱体结构的隔热性能差 则热 或冷 损失就大 为保持箱内温度在一定范围内所需 设备的能量就大 具有一定隔热性能的结构称为隔热壁 在隔热壁热工性能的设计计算中 一般应 用的是稳态传热原理 所谓稳态传热 就是指隔热壁中的温度分布和热流大小始终保 持固定的数值而不随时间变化 这个条件 只有在隔热壁两侧所受到的热作用为一常 数 且不随时间而变化时 才能得到保证 实际上 冷藏集装箱受到的热作用随地理 位置 季节 昼夜和其它情况的不同而变化的 所以真正的稳态传热在自然条件下是 不存在的 但是如果把某个周期内的平均外部温度作为固定的数值 并借助于制冷设 备使箱内的温度达到一定程度的稳定 这样按稳态传热进行隔热壁的热工性能计算是 基本符合实际的 而且还可大大简化计算工作 这对实际工程的应用则是很重要的 本章着重对冷藏集装箱隔热壁稳态传热进行理论分析和计算 3 1 冷藏集装箱围壁结构 一般冷藏集装箱的的箱壁结构主要包括箱顶 箱底 侧板 前端门及箱门等 构成箱体的每个面均包括隔热层和金属构件 不论是预制的隔热板还是现场发泡的隔 热层 均要求有一定的强度 更重要的是相当的隔热能力和更高的密封功能 在设计 制造的时候应当避免出现贯穿整个隔热层的热桥 并且在铆钉和任何接缝处采取相应 的密封措施 隔热材料一般用硬质聚氨酯泡沫塑料i 叫 冷藏集装箱作为一种冷冻 冷藏运输设备 必须有良好的隔热结构 才能保证设 备的正常工作 硬质聚氨酯泡沫塑料具有导热系数小 强度高 稳定性好 抗腐蚀等 优点 长期以来被用作冷藏集装箱的隔热材料 硬质聚氨酯泡沫塑料是由含羟基树酯 和异氰酸酯反应形成预聚体 然后再加入发泡荆 催化剂等其它辅助原料进一步混合 反应而发泡制得 硬质聚氨酯泡沫的导热性能与发泡过程中所采用的发泡剂有很大关 系 其导热性能主要决定于泡沫的泡孔结构 泡孔中所含气体的种类及泡沫的容量 吸湿性等因素有关 其中泡孔中所含气体的导热系数的大小对硬质聚氨酯泡沫的导热 性能影响最为明显 泡孔中所含气体的种类主要取决于制造方法和发泡剂 冷藏集装箱的隔热结构一般由外侧板 内侧板 挡板及隔热材料组成 通常其外 侧板可由铝合金 t 1 0 2 0m m 不锈钢薄板 t 0 8 1 2 m m 内侧板一般采用不锈钢 1 0 上海海事大学硕士学位论文 板 t o 6 0 8 m m 铝板 t o 8 艺 0 m m 或者玻璃钢板 t 1 5 2 0 m m 隔热材料一般用 聚氨脂泡沫塑料 而撑挡采用导热系数较小而又有一定强度的a b s p v c 材料 从冷 藏集装箱的基本结构可以看出其隔热结构主要有骨架区 平板区组成 其中在骨架部 分由于撑挡材料a b s 或p v c 的导热系数很小 在o 0 1 9 0 0 3 0 k c a l m h 之间 基 本与硬质聚氨脂泡沫塑料的导热系数0 0 1 6 0 0 2 0 k c a l m h 相近 3 1 1 箱体隔热壁传热系数的分析与计算 传热系数 即k 值是衡量冷藏集装箱隔热性能的一个重要热工性能参数 它直 接关系到冷藏集装箱能否正常使用 决定着冷藏集装箱的热负荷状况 它既是衡量冷 藏集装箱隔热性能好坏的重要指标 又是计算冷藏集装箱漏热量的主要依据 目前 国内外普遍采用的k 值测定方法主要有稳态法与非稳态法 稳态法因其 实验简单 易行可靠 测试精度较高而得到普遍承认 但它要求箱体内外温度都必须 长时间保持稳定 一般要求温度的波动不超过1 k 或者更小 箱体内部温度可以达到 这个要求 可是箱体外侧温度就很难满足这个条件了 如一般环境温度的变化幅度为 2 5 k 大大超过了1 k 的要求 所以这种实验都必须在恒温室内进行 生产现场的测 试是不能满足稳态法所要求的条件的 因此只能使用非稳态法 在生产现场测试冷藏 集装箱的传热系数 至今 国家标准中还没有方法可循以用来在生产现场测试冷藏集 装箱的传热系数 而冷藏集装箱传热系数的测定更多的是需要在现场进行 因而研究 应用和推广非稳态法也具有特别重要的意义 通常 根据在静止实验条件下所测得的传热系数k 值 将箱体分为两个等级 1 普通隔热 k s 0 7 w m 2 k 2 强化隔热 k s 0 4 w m z k 为了保证箱体隔热性能的质量 一些工业发达国家对箱体隔热性能的测试都制 定了标准 规定了测试程序 3 1 2 箱体隔热壁的传热过程 在稳态条件下 当隔热壁两侧的空气温度不同时 热流就要从高温一侧通过隔热 壁传至低温侧 平壁的稳定传热公式为 q k f t n t 口 3 l a 或 q 去 训 式中q 每小时通过隔热壁的热量 3 1 b 上海海事大学硕士学位论文 h 隔热壁一侧的空气温度 例如夏季为箱外空气的温度 b 隔热壁另一侧的空气温度 例如夏季为箱内空气的温度 f 一隔热壁的传热面积 r 九 隔热壁的传热热阻 隔热壁的传热系数k 是指箱内外空气温度相差1 时 在1 小时内 通过一 平方米隔热壁表面积所传递的热量 它可以表示出箱体隔热壁允许热量通过的能力 k 值愈大 在同样的传热面积与箱内外温差的情况下 通过的热量就越多 隔热性能 就愈差 而隔热壁的传热热阻r 是指箱内外空气温度相差1 时 使一定热量通过一平方 米隔热壁表面积所需要的时间 它可以表示出热流穿过隔热壁所承受的阻力 r 愈 大 热流受到隔热壁的阻力就愈大 在同样的传热面积和箱内外温差的情况下 一定 量的热量通过隔热壁所需要的时间就愈长 隔热性能就愈好 热量从隔热壁一侧的空气中传至另一侧的空气中 其传热过程可以分为三个阶 段 1 表面吸热 热量从一侧的空气中传至隔热壁的一侧表面 2 结构透热 热量从隔热壁的一侧表面传至另一侧的表面 3 表面放热 热量从隔热壁另一侧表面传至另一侧空气中 这个传热过程包括了以热传导为主要形式的隔热壁内部的传热和以对流及辐射 为主要形式的隔热壁边界的传热 因此 要得到隔热壁的传热系数k 必须先分析隔热壁内部传热和边界传热的特 点 并进行传热计算 然后才能求出隔热壁的传热系数 求出隔热壁的传热系数k 就可以根据式 3 一l a 计算出通过隔热壁的热量q 3 1 3 太阳辐射换热计算 当太阳辐射能以电磁波的形式传到隔热壁外表面时 由于隔热结构不透明 因此 一部分被反射 另一部分被吸收 隔热壁表面对太阳辐射能的吸收能力用吸收系数来 表示 材料表面粗糙度越大 吸收系数越大 表面颜色越深 吸收系数亦越大 表 3 1 列出了集装箱隔热壁外表面常用材料的太阳辐射吸收系数 e 辩海事大学硕士学位论文 表3 1吸收系数 材料名称吸收系数 运霜蔻长麓运瑶焉 银漆0 4 2 0 9 0 抛光铝板0 2 6 镀锌铁叛 莰7 6o 8 9 撵竞铰投 o 4 s0 7 4 磁漆自饿和淡黄色o 2 6 0 4 5 0 9 0 和 深绿和深红色o 8 l 加 9 0 0 9 7 油漆黑骰o 9 8o 9 8 隔热壁外表面吸收了一定的太阳辐射能后 会使自身的麟面温度提高 因而引起 箱内外温差增大 夏攀 并使传入箱内的热负荷增加 为了便于研究夏攀太阳热辐 射怼集装箨隔热壁瓣热终矮 可淡撼乡 表瑟簌蔽数懿器部分太羯疆麓戆鼷耦姿兹湛凌 形式来农达 因此 由于太阳辐射对隔热壁的热作用 在隔热壁外表面与大气问的传 热量可以分为两部分 1 夏季隔热壁夕 表面以对滚换热鲍形式与终爨空气交换熬热量 q i a h f t h 一 1 3 2 式中t 1 隔热壁外表面游度 2 表覆靛太鬻麓瓣孛掰吸羧瓣煞量 啦一p j f 3 3 式中卜一外袭面的总辐射强度 p 努寝嚣懿蔽毅系数 燹表3 1 因此 隔热壁外表面所得到的总热量 q 一q i q 旺h t h t 1 f p l f 铷f 卜争t 上式 墨具有澈度的单位 可以看成是与太阻辐射作嗣等效的温度数德 称为太 a h 上海海事大学磺士学整论文 阳辐射的警量温度 d 旦 c h 3 4 而 h 十 堕 德就综合反映了箱外温度和太阳辐射对隔热壁外表面所起的双熏 l 暑h 热作用 它可以作为箱外漱度一样来研究 称为综台箱外溉度 或称总箱外温度 表 示为 t c h 卫 3 5 u 王l 故式 3 4 可以改写成 q z h f t c t 1 3 6 所以 传入箱内的热量 v q i 鼗x c 一 b k f t h t b 竺 p i f a h 3 7 逶零按菜一赣囱运彳亍静集装籍 其隔熬鏊静六个面一般只有籍顼和一个侧面承受 太阳的照射 显然 在隔热蹙传热的热工计算中 阴面和阳面 水平的太阳照射面和 垂藏豹太辩照射嚣 瘊取静总 露是不阗戆 3 1 4 隔热壁的非稳态传热 前面讨论了在稳态条件下隔热壤的传热过程 而实际所遇到的问题都是属于非稳 态祭传下鲍传热闯鬏 即滠发场是随时闻蔼变拢的 铡如 在箍内持续加热嚣重隔热麓 的传热过程 由于箱外温度和太阳辐射的周期性交化而引起的传热过程等 我 f 以内部加热法为例讨论非稳态传热的特点 假设在加热前 壁内温度场是稳定的 箱内空气温度为 b 箱外空气温度为 h 壁内表面温度为 l 壁外表面温度为 2 当开始加热时 缎内空气温度 b 期开始舞 高 由于空气的对流作用 将较快的由 b 上升到 b 并保持稳定 由于空气温度的升 高 传给内袭面的热量将相廒的增搬 隔热溅内的激度跟着发生变化 首先是 1 井嵩 接着a b 备层闯温度t a t b 等也逐渐升高 最后 2 也开始升高 这种温度变化一盥 到建立起新的稳定状态中的 b 一 l 一 2 一 h 的温度分布时才停止 在温魔变化过程中 t 1 茵先交化 随后t t b 稠继发生变化 到 时刻 t 2 也开 始变化 由予温度场的变化 也弓i 怒了热流爨的变化 假设箱内空气传给内壤面的热 流擞用q l 表示 壁外表面传给箱外空气的热流量用q 2 表示 在温度场变纯时 q 1 q 2 以及通过器层的热量q q b 都是变化的 且各不相等 在未加热时 足然q l q 2 q 1 4 上海海事大学硕士学位论文 开始加热后 由于t b 很快上升到t 咨 而t 1 的升高要滞后些 温差t 矗一t 很快增大 故q 1 急剧提高 之后因t j 的升高 q 又逐渐减小 在邛时刻之前 t 尚未开始变化 故q 2 仍保持q 到即时刻之后 t 开始升高 q 2 也逐渐提高 直到建立起新的稳定 状态时 q 和q 2 又重新相等 并等于新的稳定状态下的热流量q 热流量随时间变 化的情况 根据能量守恒定律 在不稳定传热过程中 q 1 和q 2 的差值就是壁体本身 温度升高所积蓄的热量 这部分热量增加了物体即壁的焓值 由此可见 不稳定传热 过程必然伴随着物体的加热或冷却过程 即物体的焓的变化过程 因为焓的变化速度 和材料导热能力 即导热系数九 成正比 和储热能力 即容积热容量c p 成反比 故不稳定状态下热过程的速度 是取决于导温系数a 嘉 m 的 导温系数对于不 稳定状态下的热量传递 正象导热系数对于稳定状态下的热量传递一样 具有重要的 意义 捌 我们进一步分析物体在加热或冷却过程中温度场的变化 当过程开始的一段时 间 温度的变化是一层一层地深入到物体的内部 物体内各点的温度变化速度各不相 同 我们称这一阶段为不规则情况阶段 从 o 时刻开始 外壁面温度 2 开始升高 此 时物体内各点温度变化的速度具有一定的规律 这个阶段叫正常情况阶段 工程上常 用正常情况阶段的特点 测定材料的热物性参数 如导热系数a 导温系数口等 物 体加热和冷却的第三个阶段是新的稳定阶段 这在理论上需要经过无限长时间才能达 到 解决不稳定传热的目的 就是要找出温度及热量随时间变化的规律 一般是先求 出物体内的温度场 再根据傅立叶定律确定热流量变化的规律 至于不稳定传热问题 的求解方法 有数学分析法 数值法和实验法等 最通行的是克里哈 k r i h a 法 由于箱体热容量的存在 在稳定过程前的一段时间内 箱体除内外温差所引起的 渗热外 还对箱体本身加热 使其壁温提高 其瞬间热平衡近似用式 3 8 表示 q d t k f 0 0 0 t i t x w d 0 3 8 式中 q 一箱体内加热量 t 一时间 e 一箱体内部温度 0 0 箱体外部温度 卜箱壁几何平均面积 t w 聋营体热容量 k 箱体总传热系数 t 表示箱壁半面温度差与贯穿箱壁的温度差之比 上海海事大学磷士学位论文 夔射闼搬移 篷逐潺越彝一常数篷 若耱壁为均震材辩构成瓣平壤 覆螽有 z l 2 只有在 c 为常数值后所得读数方可采用 一般认为 若在实验时间t 质 缎 体内外温差为 0 1 一e o 在实验时间h i 2 时 箱体内外温差为 0 i 一0 0 如肖 e 1 一e 0 e i 0 0 赋1 2 5 t 酃可认为常数僚 在时间t l 箭所测得数据有效 克里哈 k r i h a 法建立奁上述假设及要求的攀磴上 没不稳定过程躲瞬黠当爨簧热系数为k 粼骞 q k s t t j 一 盘式 屹2 3 2 3 k s f 0 0 0 k s o 一 捌 k s k f 一w 0 0 f d d o t 取两赢有效值 酶2 k 赢 曙h k s 2 k f 2 w 一 o c d 弘0 0 3 9 3 1 0 3 1 1 3 1 2 式中 警1 及 訾 2 在稳定工况下 訾 0 及k k s 在不稳定工况下 訾 t g c t 为0 t 图中该点之切线斜率 应用觅里嗡珐鬻求相对稳定的外部温度条件 下面提供的方法在克里暗法的基础上进一步推广 由q d t k f o 0 0 d t x w d 0 褥 d tm 试菇z w 再d 0 丽 对某一实验段 2 一 1 积分 分t 一铲 t w 渊 闻莲 对另一安验袋 t 2 一t 1 积分 t 2 7 吨 帮z wn 糕 若控黼实验测试时间段 2 2 2 刚 1 6 且 訾 不易凇确求得 误差很大 比较易于实施 3 1 3 3 1 4 3 1 5 上海海事大学硕士学位论文 0 一r f 0 1 o o 0 一k f 0 1 0 0 0 一k f 0 2 一0 1 q 一k f 0 2 0 0 得 k 善 罕 釜二坠蔓壁垒兰 墼2 3 1 6 0 1 0 0 0 2 0 0 一 0 l 一0 0 0 2 0 0 式 3 1 6 仅涉及菜两小段时间内的加热量和温度的变化 使对外部温度所要求 熬禳对稳定对褥段交短 较荔予实瑗 特剐在鹜翦无恒温室静魏方莘拜单靛 可幂j 蔼现 场豹自然条传来进嚣测试积遴孬数据处理 3 2 冷藏集装籍魂态热受蔫熬瑾论计算 冷藏集装籍动态受蒋计算可驻借漆空稍系统动态受蓿计算的方法 空谲韵态受 穗计算中蛇各秘方法是在磺究乎壁热力系绞传递丞数豹基继上发展起来瓣 与不露 的传递函数相对应得到3 类不同的方法 谐波法 反应系数法 传递系数法 这些 方法都是把扰量和围壁结构本身的传递特性分开处理 先求出反映阐壁结构本身特 性静有关参数 最霜计算系统静动态瓣应葬于 灵需要将这整已经计算求搿的参数同 撬量送牙合成瞄 对于冷藏集装籀的动态热负萄计算 可以把冷藏集装箱的聪热结构看成是常物 性的围壁 则可以通过热反应系数法计算箱蹙的动态负荷 由于目前的箱温温控精度 较高 可以认为箱内温度一商稳定在设定溢度 先不考虑内外侧蒙皮和熟桥的影响 把冷藏集装耱籍搭隔熬绥看戏是擎屡平鐾采分耩计算 作为平壁热力系统 有如下数学模型 o o x t 霹掣 薪ar 譬 x 磅 一 o o x 一t 3 1 7 d x 拶 磅 0 钋表露温度 o x t l 一o o t 内表藩澄度 o x t l 一o a t 井表面熟流 q x t l m 吼 f 内表面热流 q x t l 协o 在冷藏集装箱的负荷计算中可以取外界温度和箱内温度作为已知爨 则有 1 7 上海海事丈掌礤士学经论文 q o s 1 镪p 8 蠢l b b id b曰 嘲