电气工程及其自动化毕业设计：船舶冷藏集装箱变频节能技术研究与设计.doc

1、 本科 毕业设计 船舶冷藏集装箱变频节能技术研究与设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - II - 摘要 当今世界，能源问题日益突出，已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，在这种运行方式下，制冷系统长时间工作在最大负荷，而实际上制冷系统只是短时间工作在最大负荷，造成了能量浪费极大。因

2、此，冷藏箱制冷装置的节能也越来越引起广泛的重视。 本论文的主要目的是通过分析船舶冷藏集装箱的能量消耗、控制方式和分析制冷装置变频调速控制技术的基础上，设计和研究船舶冷藏集装箱的制冷系统采用变频控制技术以后的系统变 频特性。 当冷藏集装箱外界的负荷发生变化时，通过变频控制技术改变集装箱压缩机的转速，使得制冷量随着负荷的变化而变化，达到制冷系统与负荷变化相匹配。与此同时，由于压缩机的转速下降，降低了其功率损耗，以达到节能的目的。 本文除了对冷藏集装箱制冷系统压缩机变频节能运行特性分析外，还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。在较小的负荷时，压缩机处于低速运转，吸气压力上升，有利于降

3、低能量消耗；制冷系统中还采用了电子膨胀阀进行过热度控制，被控对象有参数时变的特性。 本文分析了冷藏箱制冷系统各种节流元件的特点 ，指出了电子膨胀阀应用的优势；同时还分析了电子膨胀阀的启动特性、流量特性以及系统在阀开度变化时的动态响应特性。 对于冷藏库制冷系统停机期间如使高低压侧连通，则会产生所谓工质迁移现象， 即冷凝器中的常温高压液体将逐渐流入蒸发器，使蒸发器的温度压力都升高。再次开机时，要重新建立压差也需要消耗压缩机额外一部分能量。反之，若在停机期间切断高低压侧， 这虽然维持了蒸发器的低温低压，但再次启动时，压缩机属于带载启动，电流冲击大，也会增加能量的损失。但若是采用电子膨胀阀就会解决上述

4、问题。具体做法是：停机时令膨胀阀全关，防止 冷凝器的高温液体流入蒸发器，造成再次启动时的能量损失。开机前，将膨胀阀全开，使系统高低压侧平衡，然后开机。这样既实现了轻载启动，又减少了停机中的热损失。另外，采用电子膨胀阀可以缩短冻结时间，电子膨胀阀在冻结全过程中能做到负荷与冷量平衡，冻结效率可以得到提高，冻结时间比热力膨胀阀也可缩短 10%，同时也就减少了压缩机的能耗。采用电子膨胀阀控制压缩机排气温度可以防止因排气温度的升高对系统性能产生的不利影响， 同时又可省去专设的安全保护器，节约成本，节省电耗约 6%。 关键词 ： 冷藏集装箱；变频；节能；电子膨胀阀 - III - ABSTRACT Tod

5、ays world, energy issues become increasingly prominent, has been listed as one of the worlds top five, as the world food industry and the amount of perishable goods expanding refrigerated transport, refrigerated container ships have become increasingly widely used Refrigerated shipping containers fl

6、uidity big, with the outside air temperature, water temperature, solar radiation intensity and changes in the delivery of goods, refrigerated containers refrigeration system sensible heat and latent heat load along with constantly changing. Conventional refrigeration systems generally use refrigerat

7、ed containers constant speed operation mode, in this operation mode, the refrigeration system to work long hours at maximum load, and cooling system is actually only a short period working at maximum load, resulting in significant energy waste. Therefore, energy saving refrigeration equipment refrig

8、erator more and more widely appreciated. The main purpose of this paper is to analyze the energy consumption of refrigerated container ship, control and analysis of refrigeration equipment frequency control technology based on the refrigerated container ship design and research use of the refrigerat

9、ion system after the system frequency control frequency characteristics. When the external load of refrigerated containers changes, changes in the container through the inverter control the speed of the compressor, making the cooling capacity with the load change, cooling system and the load change

10、to match. At the same time, decrease the speed of the compressor, reducing its power consumption to save energy. This addition to the refrigerated container refrigeration system compressor performance analysis of energy conversion, it also analyzes the refrigerated container refrigeration system fan

11、s to run the basic characteristics of frequency energy. In a smaller load, the compressor is low speed, suction pressure increases, help reduce energy consumption; refrigeration system also uses electronic expansion valve superheat control, the plant has the characteristics of time-varying parameter

12、s. This paper analyzes the freezer refrigeration system features a variety of spending components, points out the advantages of the application of electronic expansion valve; also analyzed the startup characteristics of electronic expansion valve, flow characteristics and system changes in the valve

13、 opening the dynamic response characteristics. Start again when the pressure also needs to re-establish an additional part of the energy consumption of the compressor. If the use of electronic expansion valve will solve these problems. Specifically: seasonal expansion valve is fully closed down to p

14、revent hot liquid into the condenser evaporator, resulting in energy loss starts again. Start before the expansion valve fully open, high and low pressure side of the balance of the system, then boot. Electronic expansion valve control compressor discharge temperature can prevent the exhaust tempera

15、ture on the adverse effects of system performance, while eliminating the need for a dedicated security but also protection, cost savings, savings in power consumption of about 6%. Key words: Refrigerated containers; Frequency conversion; Energy saving; Electronic expansion valve - IV - 目录 第 1 章 绪论 .

16、 1 第 2 章 船舶冷藏集装箱节能研究概述 . 3 2.1 船舶冷藏集装箱制冷节能的发展概况 . 3 2.2 船舶冷藏集装箱制冷节能的意义 . 3 2.2.1 船舶冷藏集装箱运输的发展 . 3 2.2.2 集装箱制冷节能的意义 . 4 2.3 船舶冷藏集装箱变频调速节能技术的可行性 . 4 第 3 章 船舶冷藏集装箱制冷系统 . 6 3.1 船舶冷藏 集装箱机械式制冷装置 . 6 3.2 船舶冷藏集装箱能量调节控制方式分析 . 8 3.2.1 冷藏、冷冻方式下的能量和温度调节分析 . 8 3.2.2 制 冷机组风机能量调节方式分析 . 8 3.3 冷藏集装箱的变频调速节能技术分析与设计 .

17、9 3.3.1 变频调速技术原理 . 9 3.3.2 变频器的基 本组成部分 . 10 3.3.3 冷藏集装箱制冷系统变频器的调速控制的设计 . 10 第 4 章 冷藏集装箱制冷系统压缩机及风机变频节能特性 . 12 4.1 压缩机变频节能运行特性分析 . 12 4.2 冷藏集装箱风机变频节能运行与调速分析 . 15 4.3 蒸发器变流量特性 . 17 第 5 章 冷藏集装箱 电子膨胀阀的应用及特性 . 18 5.1 电子膨胀阀概述 . 18 5.2 电子膨胀阀的启动特性 . 19 5.3 电子膨胀阀的流量特性 . 19 5.4 电子膨胀阀开度变化时的系统动态响应 . 20 小结 . 21 致

18、谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 22 - 1 - 第 1 章 绪论 我国是易腐食品的消费大国和生产大国，平均食物年产值约为 3000 亿美元，超过 20%的食物由于没有很好地冷藏，在运输过程中浪费掉了。仅水果、蔬菜等农产品在采摘、运输、储存等物流环节上损失率就达 25%至 30%，每年有总值约 92.5 亿美元的农产品在运输过程中损失掉。在近几年，我国食物的年产值又增加 10%，在这其中有一部分又销往国外，使得我国的水果、蔬菜及鲜活货运输量的迅猛增 长。铁路、公路和船舶冷藏运输越来越多的使用各类冷藏集装箱。 从 2000 年以来冷藏集装箱运输以强劲的态势不断增长。 100 多年来，

19、北美和欧洲一直是全球保险产品规模最大的市场，而盛产新鲜水果、蔬菜、鱼肉和乳制品的南美洲、南非和澳大利亚等南半球国家和地区成为北美和欧洲保鲜产品消费市场的主要供应基地，由冷藏船、冷藏车和冷藏库等经营业者组成的冷藏供应链队伍在相继壮大。德鲁里航运咨询中心预计，到 2012 年全球冷藏食品和其它产品总共有 6500 万吨需要冷链服务支持，其中大约有 2200 万吨需要冷藏船、 3600 万吨需要冷藏集装箱 从产地运往世界各地市场。全球冷藏品货运总量中的绝大部分是由远洋运输承运完成的，而且集装箱船舶冷藏品运力和运量均呈现持续扩大的趋势。以冷藏集装箱运输为主体的全球冷链服务需求在可以预见的将来是供不应求

20、的。 冷藏集装箱运输是一种可实现“门到门”的现代化运输方式，现以成为全球各个国家之间进行贸易的重要手段。因此，研究冷藏集装箱运行特性，提高制冷装置的制冷效率和经济性成为了人们研究的课题。 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，在这种运行方式下，制冷系统长时间工作在最大负荷，而实际上制冷系统只是短时间工作在最大负荷，造成了能量浪费极大。 20 世纪 80 年代，由于电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，出现了变频调速技术，它的出现逐步取代了其他交流电机

21、调速方法，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢，广泛地应用于工业生产领域。 在船舶冷藏集装箱的制冷系统中采用制冷压缩机和风机的变频调速技术，随时改变其输入的功率。改变压缩机的转速，在一定范围内连续的进行能量调节，是制冷剂的质量流量发生变 化，从而改变机组的制冷量，使其与负荷达到最佳匹配，实现制冷系统的节能。变频技术的应用一方面可以实现压缩机和风机的节能，减少制冷装置频繁开启 停机对电网的冲击和电力浪费，延长了制冷装置的使用寿命；另一方面，对风机的变频调速，减少了货物的干缩，保证了货物运输的质量。 我国约有 19500TEU 冷藏集装箱，如果都采用压缩机和冷风机变频调速技术，节能效率将大大提高

22、，社会经济效益也十分显著。目前变频调速技术在船舶冷藏集装箱的制冷机组上的应用还没普及，而采用了变频节能技术可以有效的避免制冷装置由于频繁的启动 -停机所造成的 能量损耗。其次，变频制冷运转在低负荷的时候能节能，在这种情况下能大幅度地提高能源效率的特性，由于变频制冷处于低负荷运行状态与压缩机容量相比，热交换器的容量比率大大提高，从而大大降低了压缩机的功率损耗。在冷藏集装箱上使用变频节能技术能提高 COP- 2 - 值，在一般情况下人们都是根据冷藏集装箱的最大负荷情况来选配机组的，满负荷状态的工作时间一般为 10%20%，机组制冷量的过剩位制冷剂蒸发不够充分，不符合规定的出口过热度。这时，热力膨胀

23、阀关小，制冷剂流动阻力大，流量下降，机组制冷量下降，知道与负荷达到平衡。蒸发温度下降， 压缩功率增加，制冷剂的流动损耗变大，而采用变频节能技术则能减少损耗。 - 3 - 第 2 章 船舶冷藏集装箱节能研究概述 20 世纪 70 年代以来， 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，冷藏集装箱制冷装置的总能耗也不断增加。因此，冷藏集装箱的制冷节能技术越来越受到广泛的重视，各国专家对于如何减少制冷装置能耗及提高制冷效率作了很多的研究。 2.1 船舶冷藏集装箱制冷节能的发展概况 自制冷机组开始采 用原始的自动控制装置至上世纪 60 年代后期，以简单的制冷

24、装置（电磁阀、继电器、热力膨胀阀等）为主导，随着控制方式的改进，制冷自控元件进一步开始采用标准电信号传递发展。 1980 年美国 PENN、 ALCO、 HOKE 公司研制出了电子膨胀阀。随着电力电子技术的发展，交流调速系统中的变频调速技术也得到了发展。 80 年代初，大卖的 DANFOSS公司推出了 VLT 型变频调节器，广泛的应用于制冷系统中的冷风机驱动和制冷压缩机中。 60 年代后期，制冷系统控制方式以最简单的双位调节与直接作用或比例调节为主要特征。到了 70 年代，制冷装置 的自动调节系统开始引入了控制精度较高的比例积分调节系统（简称PI 控制）。 80 年代初，由于比例积分调节系统、

25、串级调节、补偿调节等自动控制在制冷装置中的应用，使制冷自动化得到了发展。随着电力电子技术、微电子技术、控制技术和计算机技术的不断发展，使冷藏集装箱制冷系统中的能量损耗不断下降，控制精度也不断。 在世界第二次石油危机之后，全球各个国家都在研究制冷装置的最节能控制方式，开始了制冷系统动态特性的研究，从原来的只对制冷设备元件的节能到对制冷装置各个元件的参数与尺寸的最佳匹配来进行节能。 2.2 船舶冷藏集装箱制 冷节能的意义 2.2.1 船舶冷藏集装箱运输的发展 20 世纪 60 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格局。 70 年代采用了全金属的隔热集装箱与冷藏集装箱来运输。 80

26、 年代把原来传统结构的全钢冷藏集装箱改成了新型的全铝冷藏集装箱，受到了广泛的应用。在 20 世纪 90 年代，冷藏集装箱多式联运的兴起和新技术的不断发展，进一步促进了冷藏集装箱运输的发展和广泛应用。由于世界各国进出口的易腐商品迅速增加，海运冷藏集装箱也发展迅速。由于集装化运输的方便、快捷等优势，使得集装箱运输发展日新月异。 到 2000年为止， 世界上拥有 1430万 TEU的集装箱，其中包括远洋船舶运输箱 1360万 TEU，沿海或内陆地区箱量为 68 万 TEU。在过去 10 年中，全球集装箱每年以近 11%的平均速度增长。随着全球海上运输用冷藏集装箱的数量迅速增加，其生产制造和控制新技术

27、也不断运用于集装箱上。在集装箱外壳材料上采用铝合金外壳而不是以前的不锈钢外壳，在整个泡沫绝缘材料隔热层采用硬质聚氨醋泡沫塑料，这样在降低箱体重量的同时还能保持足够的强度。随着- 4 - 控制技术的发展，使得冷藏集装箱调控更先进、更完善、更可靠，能够控制箱内温度在 0.1内。另外在冷藏集装箱的 控制、故障检测和记录上也应用了计算机技术，并且气调冷藏集装箱也得到了很大的发展，通过气调可以控制箱内二氧化碳和氧气等的含量来达到果蔬等冷藏货的最佳运输环境。 2.2.2 集装箱制冷节能的意义 制冷行业是能源消耗很大的行业，据有关数据统计，我国的制冷空调设备的年耗电量约占全国年耗电量的 5%6%,夏季占季节

28、发电量的 18%20%，部分经济发达地区甚至更多。由此可见，制冷行业的节能对于解决能源问题有着重要作用。随着世界各国易腐食品的生产、流通和消费的不断增长，给低温贮藏食品和全球运输带来了市场商机和发展前景，被 誉为“海上活动冷库”的船舶冷藏集装箱是首选的运输工具。而远洋冷藏船和全冷藏集装箱船能耗是很巨大的，所以研究冷藏集装箱制冷装置的节能技术是必须的。 海运冷藏集装箱流动性大，随着外界的气温、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，在这种运行方式下，制冷系统长时间工作在最大负荷，而实际上制冷系统

29、只是短时间工作在最大负荷，造成了能量浪费极大。特别是亚欧、亚美航线上船舶冷藏集装箱制冷系统长时间处在 40%90%的负荷下运 转，能耗十分巨大。 目前全球有上百万的冷藏集装箱在运营，船舶冷藏集装箱从北半球横跨赤道运输到南半球，由于外界温度变化，冷藏集装箱的热负荷也会随之变化，此时要维持冷藏、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，并且实现制冷节能。这对于集装箱制冷机组意义非凡。 2.3 船舶冷藏集装箱变频调速节能技术的可行性 船舶冷藏集装箱现已成为国际贸易中的一种重要运输方式，是运输易腐货物的海上活动冷库，随着国际冷藏集装箱运输业的发展，研究冷藏集装箱运行特性、提高制冷装置的效率

30、和经济效益成为了世界广泛重视的课题。西 欧、北美和日本等发达国家的冷藏链建设已接近100%。船舶冷藏集装箱以自带制冷机组的内藏式机械制冷箱为主，这种制冷箱需要大量电能。因此研究节能技术已刻不容缓。 传统的船舶冷藏集装箱制冷系统压缩机一般都是采用恒定的转速运行，制冷压缩机和风机的设计和选型都是以其制冷量是否能够满足最大负荷为基础的，但是事实上制冷系统只是在较短的时间工作在最大负荷下，其他时间都是处于 40%90%的额定负荷下工作的。海运冷藏集装箱流动性大，随着外界的气温、海水温度、 太阳辐射强度和运送货物的变化，使得冷藏集装箱制冷系统热负荷不断变化。 传统的冷藏集装箱一般只有有 ON-OFF 控

31、制，压缩机和冷凝风机达到系统设定的温度后就会停止工作，这样的控制方式能量的利用率很低。此时，冷藏集装箱的制冷系统要警醒能量调节，才能使冷藏集装箱制冷系统在相应的负荷下达到制冷量与负荷的匹配。现行能量调节方式中变频调节是已被证明能量损耗最小的调节方式，得到了广泛应用。船舶冷藏集装箱变频调速节能的主要途径有两个方面：（ 1）采用低能耗机组对压- 5 - 缩机和风机进行变频控制与优化设计，以此来提高冷藏集装箱制冷装置的性能；（ 2）改善冷藏集装箱的自动控制。在变频调速的时候，我们结合电子膨 胀阀良好的过热度调节和蒸发器过热度调节规律的动态特性，保证了冷藏集装箱制冷系统的稳定运行，保持制冷装置的最佳控

32、制，使节能效果日趋显著。 因此，我们采取了热力膨胀阀的改进或使用电子膨胀阀与变频器相结合的方法来提高温度控制的精度，实现了船舶冷藏集装箱制冷压缩机、冷凝风机、蒸发器风机的变频运行的可行性和变频特性，最终达到了降低运输成本、提高制冷效果和节约能源的目的。 - 6 - 第 3 章 船舶冷藏集装箱制冷系统 3.1 船舶冷藏集装箱机械式制冷装置 目前冷藏集装 箱大部分采用了的是机械式冷藏集装箱，制冷机组内置于隔热箱内，使隔热箱符合标准要求，有利于装卸冷藏集装箱。冷藏集装箱的制冷系统需要电源驱动，于是有的冷藏集装箱自带了一个柴油发电机组，这个发电机组和制冷机组一起内置于冷藏集装箱中，这种冷藏集装箱的制造

33、成本较高，而且由于发电机组和制冷机组都内置于箱中，使得内部容积减少，装货有限，因此应用较少。还有一种比较合理解决电源问题的方式是采用一种外挂式柴油发电机组，这样既方便拆卸，又不会减少箱内容积，因此应用较多。冷藏集装箱制冷机组的结构如图 3.1 所示。 图 3.1 冷藏制冷机组 1、 1#蒸发器风机出入口盖板 2、加热器、膨胀阀进出口盖板 3、装卸铲槽 4、电控箱 5、压缩机 6、标牌 7、冷凝风扇 8、资 料收集通讯接口（ IC） 9、 TIR 盖板铅封 10、高位新鲜空气通风口 11、 2#蒸发器风机出入口盖板 冷藏集装箱的制冷系统有两种：一种是带有储液器的制冷系统，一种是带有水冷冷凝器的制冷系统，分别如图 3.2、图 3.3 所示。