1、本科毕业论文（20 届）浅析“育鲲”轮伙食冷库制冷装置及其自动控制所在学院专业班级 轮机工程学生姓名指导教师完成日期内容摘要摘要：本文主要介绍了“育鲲”轮伙食冷库制冷装置的组成、工作原理及其自动控制。首先介绍了伙食冷库制冷的工作原理并在压焓图上进行了详细的分析；随后介绍了制冷装置的基本组成部件及其功用；然后介绍了制冷装置的自动控制元件及其在自动控制中的作用，详细分析了制冷装置的电路图了解了其电路工作原理，之后介绍了制冷装置的西门子S7-300 的自动控制；最后对于肉库融霜不彻底的现象提出了自己改进方法，使肉库融霜更加彻底。关键词：制冷装置 自动控制 融霜 PLCABSTRACT：This pa
2、per mainly introduces the components、the working principles and the autocontrol of the “Yu Kun” food cold storage refrigeration system in detail. At first , it introduces the working principles of the refrigeration ,then there is a detaied analysis about the working principles in pressure-enthalpy d
3、iagram.Next ,it introduces the fundamental components and its application.Then it introduces the autocontrol components and its application in autocontrol,meanwhile there is a detailed analysis about the circuit diagram of the refrigeration,next,it introduces the autocontrol principles of the S7-300
4、PLC.At last ,it provides a improved means about the elect defrost of the meat stroage to make the defrost more effectively.Keywords: refrigeration autocontrol defrost PLC目录1.前言 .11.1 .制冷在船舶伙食冷藏的应用 .11.2 . 食品冷藏的条件 .12.蒸气压缩式制冷装置的工作原理 .12.1 压缩制冷的基本循环 .22.2 在压焓图对制冷循环的分析 .23.制冷装置的组成 .44.冷库的自动控制 .84.1 自动控
5、制元件 .84.2 冷库的电路图分析 .94.3 冷库的 PLC 自动控制 .104.3.1 PLC 控制系统的组成 .104.3.2 PLC 自动控制流程 .125.肉库融霜的改进方案 .136.结论 .17参考文献 .17- 1 -1.前言1.1 制冷在船舶伙食冷藏的应用所谓制冷，就是利用人工或机械制做功等方式,使某一空间或物体的温度降低到低于周围环境温度,并保持在规定低温状态,它随着人们对低温条件的要求和社会生产力的提高而不断发展,并已被应用于国民经济的各个领域。各类运输船舶尤其是远洋船舶,为了满足长距离运输过程中船员的生活需要,必须随船储存满足全船人员必要的蔬菜、水果、鲜蛋等的低温保鲜
6、，以及肉、鱼、禽、类等食品的冻结、冷藏，以防食品变质。食品主要是由蛋白质、脂肪和碳水化合物等有机物及水分组成的，在常温下恰好为霉菌、细菌、酵母菌等微生物的活动与繁殖提供了条件，结果造成其中有机物分解而使食品变质甚至腐烂。而蔬菜、水果等在采摘后仍在继续进行生命活动，不断吸收氧气、呼出二氧化碳，同时散发出热量和水分，过一段时间便会过熟而变质。可见要使食品能长期储存，就必须设法杀灭其中的微生物，或抑制他们的生命活动。而为了使果蔬类食品保存期延长，就需设法延缓其成熟。食物保存的方法很多，如腌制、干制、射线处理、真空包装等。但唯有冷藏方法既能抑制微生物在食品中繁殖，又能延缓蔬菜、水果成熟，却对食物品质和
7、营养价值影响甚小，故最为常用。较大的船舶为了储存食品，大多设有伙食冷库和相应的制冷装置。1.2 食品冷藏的条件(1)温度低温是食品冷藏最重要的条件。低温可以抑制微生物的活动,同时也抑制水果、蔬菜的呼吸，延缓其成熟。只有食品中的水分完全冻结，微生物的生命活动才会停止。食品中的水分溶有盐类等物质，要完全冻结约需-60；但到-20时食品中的大部分微生物已基本停止繁殖。储藏冷冻的肉、鱼类的船舶食品冷库习惯称为低温库。长航线航行船舶低温库储藏温度以-18-22为宜，肉类能较长时间保存。库温保持在 0以上的其他冷库习惯称为高温库，其中菜库多保持在 0-5，粮库和干货库可选择为 12-15。（2）湿度相对湿
8、度过低会使未包装的食品因水分散失而干缩；而湿度过高又使霉菌容易繁殖，但对冷冻食物影响不大。因此，高温库适宜的相对湿度为 85%-90%,低温库保持在 90%-95%。冷库一般在降温过程中能保持适宜的湿度，不需要专门调节。食品在冷藏期间会发生干缩，这是因为食品在降温过程温度比库温高，其表面的水分容易蒸发而不断散失所致食品干缩速度不仅取决于库内空气的含湿量，而且与库内空气流速及食品的性质、外形和包装方式有关，侵入库内的热量越多，制冷装置工作的时间越长，则食品的水分转移到制冷蒸发器表面的霜、露越多。此外，食品冷库对二氧化碳浓度和氧气浓度也有适当的要求，菜、果库的二氧化碳浓度控制在 5%-8%、氧气浓
9、度控制在 2%-5%为宜。2. 蒸气压缩式制冷装置的工作原理- 2 -机械制冷的方法主要有蒸发制冷、气体膨胀制冷和半导体制冷，其中蒸发制冷最为普遍。蒸发制冷是利用液体 气化潜热的原理来制冷，蒸发制冷中最常用的是压缩式制冷。2.1 压缩制冷的基本循环目前船舶制冷装置普遍采用压缩式制冷，其工作原理如图 1 所示。压缩制冷的四大主要部件:压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，“育鲲”轮采用的 R404a 制冷剂，从冷凝器出来具有一定的过冷度，经过热力膨胀阀成为低温低压的湿蒸汽，进入蒸发器在较低的压力下，液态制冷剂逐渐气化蒸发，蒸发吸热会吸收冷库的热量使周围的温度降低，从蒸发器出来后成为过热的蒸气，为了维持
10、制冷剂在蒸发器中低压，并保持冷凝器出口或膨胀阀前的液态冷剂处于高压，就需用压缩机将制冷剂从蒸发器中吸出并压送到冷凝器中。“育鲲”轮压缩机采用的是四缸活塞式压缩机，经压缩机压缩后的冷剂是高温高压的蒸气,经排气管进入冷凝器,在冷凝器中利用环境介质(舷外水或空气)使高温高压的制冷剂气体冷凝成液体,然后再经膨胀阀节流进入蒸发器气化吸热,从而实现连续的循环。膨胀阀、蒸发器、压缩机冷凝器是组成压缩制冷循环的基本元件。它们的功用是：膨胀阀：使流过的冷剂节流降压，并可控制冷激动的流量；蒸发器: 使流过其中的冷剂吸热气化；压缩机：抽吸蒸发器产生的冷剂蒸气并将其压送到冷凝器中；冷凝器：使压缩机送来的冷剂气体冷却并
11、液化。2.2 在压焓图对制冷循环的分析- 3 -图 2 是单级压缩制冷理论循环的压焓图，图中 1 点是从蒸发器出来进入压缩机时的饱和蒸汽状态，1点过热蒸汽状态，1-1表示的是过热度，2 点表示的是从压缩机出口到冷凝器进口的过热蒸汽状态，1-2 表示的是制冷剂在压缩机中的绝热压缩或者是等熵压缩的过程，经过压缩冷剂从压力 p 升高到了压力 p图中 3 点表示的制冷剂从冷凝器出来的饱和液态冷剂，3点是过冷制冷剂 3-3表示的冷剂的过冷度，2-3 表示的在冷凝器中的等压冷却和冷凝过程，进入冷凝器的过热蒸汽等压冷却成为饱和蒸汽，再等压、等温继续放热而冷凝，4 点表示的是制冷剂经过膨胀阀后的湿蒸汽状态，3
12、-4 表示的是在膨胀阀中的降压过程由液态冷剂变成了湿蒸汽，4-1 表示的是在蒸发器中的吸热气化过程，制冷剂湿蒸汽吸收被冷却物体的热量而不断气化，干度不断增大，直到变为带有少许过热度的过热蒸汽。这样制冷剂又回到压缩机进口的 1 点，如此不断循环。过冷循环，在实际装置中饱和液态制冷剂经过膨胀阀的节流降压后，会产生部分湿蒸汽，在一定程度上影响了蒸发器的有效工作，为了减少这种影响并且调高制冷系数，可设法使流出冷凝器的冷剂有比饱和冷剂更低的温度，有一定的过冷度。如图中的 3所示，3点的温度即是过冷的温度，3-3成为过冷度。过热循环，实际装置中为了确保压缩机的可靠运行,必须确保进入压缩机的制冷剂具有一定的
13、过热度,即吸气中不能带有液态制冷剂防止发生液击而损坏部件;同时冷剂从蒸发器出口至压缩机入口将与外界进行热量交换,从而使吸入的冷剂具有过热度 。吸气过热度过大会使排气温度和滑油温度过高。而如果压缩机吸气的过热是制冷剂离开蒸发器后在吸气管中从周围环境吸热造成的，则制冷剂的单位制冷量并未提高，故装置的制冷量和制冷系数会下降，这称为“有害过热”。- 4 -1.压缩机 2.冷凝器 3.回热器 4.蒸发器 5.膨胀阀回热循环，从蒸发器出来的蒸气温度大大低于膨胀阀前的液体温度，如图 3 在系统中加设一个回热器，使膨胀阀前的液体与蒸发器出来的蒸气进行热交换，以使液态制冷剂过冷，同时气体过热提高过热度，并消除有
14、害过热的影响，则实现回热循环。3.制冷装置的组成（1）制冷压缩机制冷压缩机是制冷系统的“心脏”，为制冷系统提供动力，并确定了制冷系统额定的冷剂流量及装置的制冷量，是确保系统能够正常运行的关键的部件，在蒸汽压缩式制冷系统中克服阻力不断循环流动，都是利用消耗外功来实现的。制冷压缩机根据其工作原理可分为容积型和速度型两大类，其中活塞式制冷压缩机使用最为广泛，其制造、管理和维修的经验都比较成熟，因其流量受转速的限制，只用于功率小于 200kW 的中、小制冷范围，是船舶制冷装置采用的主要机型。活塞式压缩机有开启式、半封闭式和全封闭式三种形式。压缩机的主要部件有机体、缸套、气阀、润滑油系统、滑油加热器等等
15、。“育鲲”轮制冷压缩机采用的是德国比泽尔（BITZER）生产的四缸活塞式开启式压缩机，型号:4H.2Y，制冷量：15.6kW，在冰机间有两台压缩机互为备用，每套机组为 100%设计负荷。每台压缩机采用两级卸载，一级卸载是采用吸气节流法，控制顶杆的升程以限制吸气阀的开度，二级卸载是在排出侧有管路通到吸入侧用电磁阀控制。两台压缩机的二级卸载共用一个电磁阀。（2）冷凝器- 5 -“育鲲”轮冷凝器采用的是壳管式淡水冷凝器，型号：K283 H2，热负荷;30kW 冷却水进口温度是 36冷却水出口温度是 40.4。冷凝器的功用是将压缩机排出的气态制冷剂冷凝成液态，供系统循环使用。冷凝器按冷却方式不同分为空
16、气冷却式冷凝器、水冷式冷凝器、蒸发式和喷淋式冷凝器，“育鲲”轮采用的卧式壳管式低温淡水冷凝器。两侧的端盖内装有防蚀锌棒，它主要由锅炉钢板卷制而成的圆筒形外壳、冷却管束和端盖等组成，并带有以下附件：1）安全阀。安全阀用以防止冷凝器内的压力过高，保证冷凝器的工作安全。安全阀固定后应予以锁住并加铅封。安全阀与冷凝器壳体间如设有截止阀必须开足予以固定，以防误关。当冷凝器容量小于 0.1 立方米时，安全阀也可用熔点为 65的易熔塞代替。安全阀若因压力太高打开，冷剂将被泄放到游步甲板。2）放空气阀,。它装在壳管体的最高处，用以放出制冷系统中不凝性气体。3）水室泄水旋塞。装于两水室的最低处，用以在检修或冬季
17、停用冷凝器时，将存水放尽。4)水室放空气旋塞。装于两水室的最高处，用以放出空气，防止水室中形成气袋，阻碍冷却水的正常流动。5）液位计。仅在底部用做贮液器的冷凝器中装设，位于壳体的下半部，用以观察制冷剂的液位。（3）节流阀节流阀作为制冷循环的四大部件之一，在系统中起着非常关键的作用，它的基本作用是作为节流降压元件使高压液态冷剂实现降压，作为制冷系统的工质流量调节元件调节系统的冷剂流量，以及调节蒸发器出口的过热度。（4）蒸发器蒸发器是使液体制冷剂汽化吸热，被冷物体或冷媒放热降温，实现热量传递的热交换器。它的功用是让制冷剂在其中汽化，而从被冷却的介质中吸热。蒸发器的种类很多，如按被冷却介质的不同，主
18、要分为冷却液体的蒸发器和冷却空气的蒸发器。冷却液体的蒸发器是指冷却盐水、淡水或其他溶液等载冷剂的间接冷却系统的蒸发器，其结构形式主要是壳管式，壳管式蒸发器的结构与壳管式冷凝器基本相同，工作方式的不同又分为满液式和干式。满液式蒸发器制冷剂充剂剂量大，当蒸发器壳体直径较大时，图 4 卧式壳管式冷凝器- 6 -由于液体静压的影响，底部冷剂的蒸发温度就将有所提高，并因此而减少蒸发器的传热温差。半干式蒸发器的特点是制冷剂在蒸发器中吸热、制冷后立即已全部蒸发成为过热蒸汽，制冷剂从左端盖的下管进入，经一次或多次往返后气化产生的蒸汽从左端盖的上部管排出，干式蒸发器弥补了满液式蒸发器的缺点，可用膨胀阀控制进液量
19、，一般不会引起压缩机液体，回油流畅，蒸发器不会发生冻裂事故，制冷剂的充灌量只需满液式的 1/3-1/2 或更少，并可不受船舶摇摆的影响，工作比较安全可靠。冷却空气的蒸发器是以制冷剂在管内直接蒸发来冷却空气的，故称为直接冷却式蒸发器，根据空气流动方式的不同，可分为自然对流式和强迫对流式两种方式即是蒸发盘管式和冷风机式。冷却排管式是一种简单的蒸发器，它将冷却排管直接铺设在冷库内壁的周围，并让冷剂在管内蒸发，以使靠近蒸发盘管的空气收到冷却，温度下降，比重增大，自然下沉。冷风机式强迫对流式的蒸发器。由于其传热性能好、结构紧凑、安装容易，而且融霜简单并易于实现自动控制，在现代船舶冷藏舱和伙食冷库中使用的
20、日趋普遍。（5）滑油分离器在压缩机的排气中，不可避免的总会混有滑油，它们以油滴和油气形式存在，虽然在制冷系统设计上要求能然滑油随冷剂一起流经系统后返回压缩机，但滑油近蒸发器会使制冷量降低。为此在压缩机排出端装设滑油分离器，用来分离排气带出的滑油，使之直接犯坏压缩机曲轴箱，从而避免排气将过多的滑油带入系统。目前船舶制冷装置大多采用撞击式滑油分离器，带有油雾的高压蒸汽经过滤网相当一部分油雾就会黏着在滤网上并聚集成油滴，然后下落到分油器底部。另外，高压蒸气在排气管内流速很高，而进入滤网后，由于筒体的截面积比进气管要大几十倍，所以气体的流速就会突降，而且流动方向转而向上，使蒸气也容易与筒壁相撞，从而使
21、一部分油雾黏在容器上，聚集成滴后下落至筒底。这样，当滑油聚集到一定高度后，浮球就会浮其起,将针阀打开,于是滑油在压缩机排气压力的作用下也就会经回油管路流回到曲轴箱中。随着滑油的流走，油位下降，浮球下落，针阀又会自动关闭，回油也即结束。在回油管路上，通常装有节流孔板和电磁阀，节流板用于限制回油速度，以防部分排气随滑油一起流回曲轴箱。电磁阀用来防止高压制冷剂在压缩机图 5 冷却排管式蒸发器 图 6 冷风机式蒸发器- 7 -停机后因回油阀泄露而露入曲轴箱，以免压缩机的低压压力升高过快，在启动时奔油。由于分离器的回油是间断进行的，所以工作时回油管时热时温是正常的即回油时管路较热，不回油时就稍温。图 7
22、 回油观察镜 图 8 滑油分离器（6）贮液器图 9 贮液器贮液器的功用是收存和送出制冷剂，以便在制冷负荷变化时调整蒸发器内的制冷量；补充系统中制冷剂的泄露；检修或长期停止制冷装置时贮存系统中全部制冷剂；并对液管起液封作用，以防气体进入蒸发器，从而保证系统的正常工作。在贮液器和冷凝器的顶部，通常都以平衡管相连，其功用是：使两者压力平衡，便于制冷剂流入贮液器，将贮液器中的制冷剂蒸气引回冷凝器。贮液器应有足够大的容积，在全部制冷剂都贮入后，应只占总容积的 80%正常工作时液位应在 1/3-1/2 处。贮液器不允许完全充满液体，否则当温度升高时有压力过高的危险。（7）干燥器常用的干燥器可分为吸收式和吸附式两类。前者如无水氯化钙、氧化钙等，能将水吸收成结晶水或与水发生化学反应。后者如分子筛，分子筛是一种理想的吸附式干燥剂，其吸水能力比硅胶、无水氯化钙都强，特别是在水分浓度低时仍有很高的吸水能力。制冷系统即使在安装时已经做过彻底的清洁，在运转中仍不可避免会产生杂质，干燥器结构存在缺陷，或干燥剂被粉化，制冷剂对金属材料的冲刷和腐蚀、压缩机各相应机件因摩擦而产
