绪论 1.1概述 冷藏集装箱属运输制冷装置，是“冷藏链”重要的一环，是最灵活和最有发展前 途的“门对门”运输工具。由于冷藏集装箱能把各种易腐货物始终保持在各自所需的储藏温度下，向世界各地进行大量、快速和廉价的运输，所以近年来已发展成为国际贸易中一项新型的重要运输方式，也将是21世纪重要的冷藏运输工具。 冷藏集装箱在促进世界性贸易，促进保温和冷藏物品的交流，正在越来越多地发挥着作用，显示着潜力。我国进出口集装箱中，冷藏箱所占的比例近年来正逐步上升，冷藏箱所具有的保鲜、防变质、冷藏等功能正被越来越多的商家、客户所认识和重视。住在甘肃兰州的小姑娘可以吃到产自中美洲新鲜的香蕉。在热带雨林里的巴西小男孩可以第一次尝到来自美国的冰淇淋。在日本超市里可以选购到产自上海郊区水淋碧绿的新鲜蔬菜。这些厂家广告说的事都是实情，而且不足为怪了。 集装箱是当今公认的一种经济合理的运输工具，是货物运输的革命性的工具和发展趋势，冷藏集装箱则是运输易腐食品的理想工具，它除具有普通箱的优点外，还具有下列主要特点： 适用于不同运输方式和批量灵活的运输需求。 有利于保持运输条件的连续性与稳定性。易腐货物运输的固有特点要求在整个运输过程中保持适宜的气候条件（温度、湿度、风速、气体成分等），特别是恒温的环境，即使运输与等待销售的时间较长，也能起到作为移动冷库的作用。这是用冷藏集装箱运输易腐货物的最大优势。 适应外贸发展，增加外汇收入。国际食品市场对冷藏食品的数量与质量要求相当高，如果没有先进的具有一定规模的冷藏运输工具，易腐食品的运输质量是很难保证的。目前，美国进出口的易腐食品几乎100%采用冷藏集装箱运输，日本约为60%，澳大利亚约为90%。 1.2国内外冷藏集装箱的生产与发展现状 1.2.1发展状况 冷藏集装箱的发展经历了从30年代起步、50年代迅速发展和从70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： 冷藏集装箱大量制造。70年代，80年代冷藏集装箱增长很快，到了90年代这一趋势依然不减。到2000年全球冷藏集装箱的总数已达到100万TEU（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4.18万TEU（标准箱）。从2000年起的10年内需要新造冷藏集装箱6～10万TEU（标准箱）,平均每年需6000～1万个。 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，ISO推荐了国际集装箱统一标准。 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。 装卸机械日臻完善。 大量建造集装箱码头和中转站。 建立强大的集装箱船队。 冷藏集装箱在发展中的新技术采用与突破主要表现在以下几个方面: 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。 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。 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。 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。 特殊用途的专用冷藏箱在兴起，如日本设计了活鱼集装箱，以及冰温冷藏箱等。 1.2.2国内外冷藏集装箱生产情况 国内外冷藏集装箱生产将持续升温。2000年的产量已达到95000TEU以上，相当于51000—52000台，突破1998年的记录，再创历史新高。其中抢夺了韩国和美国市场的中国冷藏箱厂是增产的主力军（见表1.1） 1995—1999年各国家（地区）冷藏箱生产情况 表1.1 （单位：TEU） 地区 1999 1998 1997 1996 1995 产能 韩国 35800 34500 34200 38000 46450 45000 中国 30200 22500 20500 4900 400 58000 丹麦 14000 17000 11000 7000 1500 20000 日本 — 4200 6500 7400 11350 - 美国 2000 6200 6500 3500 3080 - 墨西哥 6200 6000 6300 10500 2500 - 中国台湾 — 2000 4500 5000 10500 - 其它 800 1600 1500 2700 3500 2000 合计 89000 94000 91000 79000 81000 125000 注：①上述数字包括保温箱的生产能力； ②产能为多班生产的能力。 近年来，冷藏箱年均购置量基本上控制在25000 TEU（13000台）。以Maersk-Sealand和APL为首的各大船公司对冷藏箱购置量将达到70000 TEU。 1990—1999年全球冷藏箱的类型分布及数量 表1.2 （单位：TEU） 年份 20冷箱 40标高箱 40HC箱 保温箱 总TEU 总台数 1990 11500 17000 14500 4000 47000 31000 1991 5000 9000 15500 4000 33500 21200 1992 10000 17500 24000 10500 62000 41000 1993 12000 13000 28500 4500 58000 37200 1994 10500 13000 40000 2500 86000 39500 1995 12 500 17000 50500 1000 81000 47000 1996 11000 6500 81000 500 79000 45200 1997 11000 6500 73000 500 91000 51000 1998 10000 7000 76500 500 94000 52200 1999 10000 4500 74000 500 89000 49750 全球冷藏箱总量持续增长，平均每年增长67500 TEU箱，与10%的总量增加相适应。 1990—1999年全球冷藏箱总量规模变化情况 表1.3 （单位：TEU） 年份 冷藏箱的 产量 冷藏箱的 增加量 冷藏箱的设 备更新量 冷藏箱总 量的规模 1990 43000 35000 8000 299000 1991 29500 23000 6500 322000 1992 51500 46000 5500 368000 1993 53500 48000 5500 416000 1994 63500 50000 13500 466000 1995 80000 60000 20000 526000 1996 78500 52000 26500 578000 1997 90500 68000 22500 646000 1998 93500 67000 26500 713000 1999 88500 65000 23500 778000 生产制造日益集中，促进了冷藏箱制造业的重组。定单主要由5大主要的冷藏箱厂所瓜分，拥有上海、青岛两个冷藏箱厂的CIMC，在1999年总产量排名榜上紧随Maersk名列第2。现代也有两处工厂，但主要的生产基地在韩国蔚山。其余冷藏箱厂还有Singamas的上海Reeferco、烟台月友和扬州通利。 中国抢夺市场：在目前生产活跃的6个冷藏箱厂中，中国的箱厂占据着领导地位。2000年显示，中国的冷藏箱厂将生产25000台（约合45000 TEU）而韩国为18000台（约合33000 TEU）。这将使中国的市场份额从1999年的33%上升到45%，而韩国的市场份额由40%下降到35%。 1997—1999年各冷藏箱厂的生产情况 表1.4 （单位：TEU） 冷藏箱厂 1999 1998 1997 产能 工厂所在地 现代 27300 24500 26200 25000 韩国 Maersk 19500 18000 11000 35000 丹麦、青岛 CIMC 19000 11500 9000 30000 上海、青岛 Jindo 14700 22500 23800 20000 韩国 胜狮 3000 2000 1500 5000 中国上海 Cartisle 2000 6200 6500 - Fruenauf — 4200 6500 - 烟台月友 1800 1000 - 5000 中国烟台 长荣 — 2000 4500 - 其他 1700 2100 2000 5000 合计 89000 94000 91000 12500 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WTO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，冷藏集装箱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”，2001—2010年全国易腐货物运量预测，其中有30%（运量675万吨）采用冷藏集装箱运输。 1.4加快研制、开发和生产冷藏集装箱的可能性 技术成熟。众所周知，用于冷藏集装箱的制冷技术已经相当成熟。国际上冷藏集装箱的生产历史也已达半个世纪，在冷藏集装箱的生产手段、生产工艺、技术标准和性能测试等方面均臻成熟。 经济与社会效益明显。大量采用冷藏集装箱运输易腐食品，一方面能提高易腐食品的冷藏运输率，另一方面又能大大提高运输质量、减少腐烂损失。据初步估计，如按目前易腐货物运量的20%使用冷藏箱运输，将易腐货物的腐烂率从20%减少到10%及以下，则每年可减少直接损失达20亿元左右，还可提高其销售质量，同时也节约了食品资源，减少了城市垃圾污染。 综上所述，加快研制、青岛二手集装箱冷藏集装箱冷藏集装箱doc开发和生产冷藏集装箱具有重要的意义，其技术可行，经济效益巨大。 1.5我国冷藏集装箱主要生产厂家简介 中国国际海运集装箱（集团）股份有限公司作为全球最大、品种最全的集装箱制造企业，自1996年以来集装箱产销量连续5年保持世界第一，2000年，中集取得了38％的世界集装箱市场份额和近60％的国内市场份额。同时，中集在冷藏集装箱方面今年更取得长足进展，2000年其冷藏集装箱居世界第二位，到2001年中期中集已超过丹麦M?AERSK而跃居世界第一。据透露，截止2001年6月30日，中集冷藏箱累计生产18955标准箱，销售18230标准箱，分别比去年同期增长43.3％和41.0％。日前获得P＆ONedlloyd公司14500台冷藏集装箱合23000标箱订单的确认，据悉，全部冷藏箱将由中集在上海和青岛的工厂制造并于2001年12月至2002年11月期间交货。据介绍，其此次订单采购价值超过2亿美元（包括C?arrier?Transicold提供的制冷系统），这是中集迄今为止所有业务里接获的最大一张订单，同时也是业内最大的单张订单。 扬州通利冷藏集装箱有限公司（以下简称TLC）成立于1995年5月，是国内首家冷藏集装箱制造厂家，总投资2000万美元。目前TLC的年生产能力为15,000 TEU。TLC拥有两条生产线，可同时生产钢箱和铝箱。另外TLC的弹性生产线还能生产多种特种箱。具有国际先进水平的热工试验室、机械性能试验室、化工试验室和原材料测试试验室确保了TLC生产的每只集装箱的各项性能。TLC还配备了聚氨脂发泡机组、自动碰焊机、可倾斜式发泡夹具、电火花清洁、 火烤清洁、 二次发泡夹具和热喷锌等具有当代最新技术含量的进口设备。 1.6本论文的主要工作 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：它包括隔热箱体总传热系数K值的测定；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）对冷藏集装箱的隔热结构、传热过程进行理论分析。 （2）对冷藏集装箱热工性能测试系统进行研究。 （3）对冷藏集装箱热工性能实验温度数据采集系统进行开发。 （4）对冷藏集装箱气密性实验、漏热实验和制冷机组性能实验结果进行分析和验证，并对相关的问题进行探讨。 第二章 冷藏集装箱的结构与系统 2.1冷藏集装箱的隔热结构 （1）隔热层：构成箱体的6个面均包括隔热层，不论是预制的隔热板或者是现场发泡的隔热层，均要求有一定的强度，更重要的是它必须具备相当的隔热能力和更高的密封功能。为满足以上要求，应当避免出现贯穿整个隔热层厚度的金属件，即热桥（heat bridge）,并在铆钉和任何接缝处采取相应的密封措施。 （2）箱顶：冷藏集装箱顶的面板必须是整块的，不允许在这里出现任何拼缝，以防外界的雨水或海水渗进隔热层甚至进入箱体。在箱顶处还要避免出现竖向的接缝。 （3）箱底：为了使箱内各部位的温度均衡，在箱底结构的顶面，必须敷设铝质“工”字型断面的通风轨板。在箱底的各个角部应设有供排出箱内凝结水和其它水分的疏水器或橡胶阀嘴（kazzo），当阀内积水达到其容积的1/3~1/2时，就会自行开启并排出积水。它具有逆止功能，只能出水，不能逆向流入空气。 （4）侧壁结构：侧壁的面积很大，对冷藏集装箱的整体隔热会有巨大影响。通常其外侧板可由铝合金（t=1mm~2mm）、不锈钢薄板（t=0.8mm~1.2mm）；内侧板一般采用不锈钢板(t=0.6mm~0.8mm)、铝板（阳极氧化处理t=0.8mm~2mm），或玻璃钢板（t=1.5mm~2mm）；外界水分对箱壁隔热夹层的入侵将是潜在的危机，隔热壁板的水分渗入，将导致该板的泡沫中空度降低，增加其自身重量，最终会大大减弱其隔热功能。因此在任何一个接缝处和铆钉的周围都必须垫以密封带并精心打好密封胶。整个箱体的内壁衬板应当由带竖向波形的不锈钢板构成。该波形的竖向布局是从底部通分轨板的顶面开始，上至箱内装货高限为止，以利箱内的冷风循环。 （5）箱门结构：冷藏集装箱对箱门的结构设计和工艺要求很高。一般来讲，箱内气体通过箱门的泄漏量，至少占整体泄漏量的50％以上。由于箱门的周边加上中间接缝的总量较长，在此处需要注意门板和后断框架的间隙，并考虑设置双层密封胶条。其外层胶条的断面可以象干货箱那样，而内层胶条的断面将更加复杂，它的主要作用是在水密的基础上进一步达到气密的要求。 表2.1 技术指标 项目 单位 数值 表观密度 kg/m3 45~50 吸水性 ％ 0.2~0.3 耐寒性 ℃ -150~-190 耐热性 长期工作 短期工作 ℃ ℃ 100~120 130~140 导热系数 4.186kJ/(h.m. ℃) 0.2~0.4 24h常温浸泡吸水性 G/cm2 0.1 隔热材料：通常使用聚氨脂泡沫（多元醇作为组分A；异氰酸脂作为组分B 再加发泡剂HCFC141b共三个组分），而撑档是为了配合隔断热桥设计，应尽可能采用导热系数较小而又有一定强度的ABS、PVC材料，从冷藏集装箱基本结构可看出其隔热结构主要有骨架区和平板区两部分组成，其中在骨架部分，由于撑档材料PVC或ABS的导热系数很小（0.019~0.030kcal/（m.h.℃）），基本与硬质聚氨脂（0.016~0.02 kcal/（m.h.℃））相近，而撑档尺寸比较小，为了简化分析计算，假设撑档和隔热材料由同一种材料组成，同样对于冷藏箱底部，由于其T形条及疏水孔的存在，势必影响其传热效果，对于T形条来说，由于其尺寸较小故假设其可忽略，而对于疏水孔可假设其与底部为同样的隔热材料，这样底部就成为具有一定隔热厚度的平板区，此时整个冷藏集装箱可以看作一个各面具有一定隔热厚度的冷藏库。传统的隔热材料为硬质聚氨酯泡沫塑料其典型技术指标如表2.1所示。 隔热箱体的热工参数 几种典型冷藏集装箱的最大漏热率及设计温度见表2.2所示。 表2.2 热工参数 类型号 冷藏箱的类型 最大漏热率 设计温度 Umax（W/K） 箱内 箱外 1C 1CC 1A 1AA 1AAA K ℃ K ℃ 30 耗用冷剂式冷藏集装箱 26 48 51 255 -18 311 +38 31 机冷式冷藏集装箱 26 48 51 255 -18 311 +38 32 制冷/加热集装箱 26 48 51 289 255 +16 -18 253 311 -20 +38 36 带动力的机冷式冷藏集装箱 26 48 51 255 +16 311 +18 37 带动力的冷藏/加热集装箱 26 48 51 289 -18 253 -20 集装箱的最大漏热率Umax按传热系数K=0.4/(m2.k)换算而成。 2.2冷藏集装箱制冷系统特点 2.2.1用于冷藏集装箱的制冷系统，要符合以下几项原则: 确保所装运易腐货物的运输品质，满足货主的有关要求。 在一定的范围内对其制冷量进行不间断的调节。 对箱内温度和湿度的控制能够达到一定的精度。 适量的换气，使箱内有合适的乙烯和二氧化碳浓度。 对箱内工况可以自动的检测和记录。 2.2.2冷藏集装箱的制冷方式 机械压缩制冷：是当前最成熟也是被广泛应用的一种制冷方法，分电力驱动和自带动力直接驱动两种方式。当前可以满足海上运输，为解决陆上运输中的能源问题，可以配置发电机组或挂装电源。由于整套设备和系统比较复杂，维修工作量较大，管理费用较高。用于冷藏集装箱的制冷机组（reefer unit）具有如下特点。 制冷量一般为3000~5000w。 压缩机为半封闭或全封闭单级活塞式。 冷凝器为风冷式或水冷式。 由电力拖动，能适应200V和400V电压，以及50Hz和60Hz周波的电源。 蒸发器为风冷式，其风机可以作有级变速。 用R22、R134a或R404A等非CFC冷剂，已经使用R12作为冷剂的现有机组必须考虑置换问题。 布局力求紧凑，尽量少地占据箱内空间，在既定横截面的条件下，力求减少机组的厚度。 2.3冷藏集装箱自动控制系统特点 2.3.1控制系统特点 冷藏集装箱是一种在动态条件下工作的，带有制冷设备的大容积包装容器。由于它在全球全天候露天工作，又要承受各种冲击和颠簸，冷藏集装箱控制系统的高可靠要求就特别突出。现代的冷藏集装箱控制系统充分考虑了可靠性，采用单片微机控制精度，增加了智能功能和故障显示。这对操作检修和实现海洋运输、港口、车站的冷藏集装箱计算机管理是十分有利的。 以20英尺冷藏集装箱控制系统为例加以说明。冷藏集装箱控制系统由主驱动系统、温度控制器、温度自动记录仪三部分组成。集装箱具有自动冷却（冷冻和冷藏）、自动加热、自动融霜的能力。箱内温度可在-25℃~+25℃范围内（整数）任意设定并自动保持。记录仪能在31天内连续自动记录箱内温度。温度控制器的显示面板能够显示箱内（供风口、回风口）的温度、制冷机组的工作方式和制冷机组主要部件的工况。 机组发生故障时，可通过特定的代码显示机组或控制器的故障部位，发出报警讯号，并按照故障的等级确定机组的工作状态。 冷藏集装箱电控系统安装在密封的电控箱内，由50/60Hz三相200/400V电源供电，能承受振动、冲击、盐雾腐蚀和海浪冲刷，能在-40~+50℃环境温度下正常工作。 冷藏集装箱制冷机组工作原理如图2.1所示。 制冷压缩机把经过蒸发器气化并经过热交换器的低压气体压缩成高压气体，流入冷凝器壁管，用冷凝器风扇强迫风冷（也可同时进行水冷）后，冷凝成为高压的液体，同时把媒质的热量排出箱外。高压的液体经过热气膨胀阀的调节，根据压力大小把媒质分配至蒸发器，热量又在蒸发器内发生交换，蒸发器风扇的工作，把集装箱内的热量带走，使其通过蒸发器变成高温低压的气体，然后再由压缩机把该气体压缩为高压的气体。通过这种连续不断的循环，可把冷藏集装箱箱内的热量排出箱外，使冷藏集装箱内温度降低。在制冷系统中还装有一个热气旁通阀，当要求的制冷速度不快时，可以使膨胀阀的一部分不经过蒸发器而直接返回冷凝器，以降低压缩机的压差，降低能耗。 冷藏集装箱控制系统的任务就是根据设定温度，供风口、出风口的温度，制冷机内各部分的压力，选择一种最佳的控制方式，控制电磁阀的开闭，使制冷机组按照规定的顺序进行最佳工作，并在发生故障时根据温度、压力或其它传感元件的信号，发出警报和显示相应的故障部位。 2.3.2控制系统结构 主驱动系统:用接触器控制制冷机组的压缩机电机、电加热器、蒸发器风扇、冷凝器风扇和各种工作电磁阀电路的通断。 温度控制器:由于20英尺冷藏集装箱的容积达28.15m3，热容量大，其温度控制器硬件配置存在着以下特点： 对A/D变换器的速度要求不高，但对其重复性能要求较高，且末位0.1℃的数字跳变都将会影响控制系统的工作。因此，应选择抗干扰性能好，转换精度高，转换速率要求不高的器件，并约定每个脉冲当量为0.025℃，及每4个脉冲才显示0.1℃。这样，因A/D转换器的末位数字的跳变误差引起的控制失误得以避免，保证了系统正常工作。 冷藏集装箱控制系统是一种要求长期连续工作的电子设备，对放大器的设计、工艺都需十分重视，以免干扰、漂移等现象产生。 冷藏集装箱控制系统的器件均采用CMOS低工耗器件，以减少供电功率，适应控制器无通风、降湿设施的工作环境。 由于在运输过程中难免要进行冷藏集装箱的编组和短途运输，因而“停电”是会经常发生的，为了保存运输前的指令及运输过程中的数据，温度控制器配置了E2PROM，以保证“复电”后冷藏集装箱能正常工作。 由于冷藏集装箱在运输过程中的供电受运输方式和供电区域差异集装箱维修的影响，对单片机的供电的电源质量将是较差的，除了采取必要的电源滤波措施外，又配置了电源监视器。其使用方法与一般温度控制器略有不同，并不要求动作时顺序清零，而是保持原来的顺序状态。 温度计录仪：采用自动温度计录仪。 2.3.3软件系统特点 冷藏集装箱温度控制系统根据使用要求，采用双位控制方式，其位控制动作如图2.3所示， 其中T0~T7表示单片机输出口的位控制，其标号与输出口的标号相对应，位操作的各位数值分别由设定温度、供风温度、回风温度值来控制，其作用如下： T3——根据回风温度与设定温度的差值范围和变化来决定制冷压缩机的启停。 T1，T4——表示制冷机组在制冷和加热中，箱内回风口温度已接近设定温度的信号指示。 T7——表示在某种设定温度下，为避免温度下降过快，减少能耗，提高控温精度的控制逻辑。 T2——决定在某种设定温度下制冷机组的加热控制。 T5，T6——由设定温度决定，完成特定的工况。 T0——由供气温度决定，完成特定的工况。 （1）采用固化软件：由于冷藏集装箱是一种经常处于运动过程中的运输设备，操作必须简单，应能自动选择最佳工况。因此，按可能出现的六种工作方法，将软件全部固化，在操作面板上设有功能及操作键。启动后控制系统将按设定值和箱内温度情况自行选择最佳的工况，进行制冷和加热。 （2）温度值的计算及显示：由于冷藏集装箱容积较大，在制冷，加热过程中箱内各处的温度不尽相同，我们以回风口的温度值作控制和显示用。回风口的温度变化较大，故除采用滤波环节外，还需要用软件作数字滤波处理，以获得稳定的温度计算和显示值。 （3）温度变化的判断：冷藏集装箱控制系统，实质上是一个双位温度控制系统，从上图可以看出，在温度上升或下降变化时，位控制转换点是不同的。由于风道受阻，温度场对流等原因，测温点的温度是频繁上、下波动的。对回风口的实际温度的微小波动，如不采取措施，温度上升或下降的判断失误将引起控制动作的失误，甚至影响制冷机组的正常工作。为此规定，将测得的值与原先测得的值相比，温度的差值必须大于0.2℃，且需连续三次才予以确认，否则机组任按原方向运行，这样处理尽管耗时较多，但由于冷藏集装箱本身的热容量较大，不会影响控温精度。 （4）融霜控制：制冷机组冷源的热交换是在蒸发器中进行的，保持蒸发器盘管无霜，可以提高制冷机组的制冷效率。在本控制系统中，具有自动融霜、定时融霜、手动融霜三种功能。其中定时融霜是由单片机定时器及相应软件来完成的。 机组及控制系统的保护：冷藏集装箱装载易腐、易坏的货物，因此冷藏集装 的保护与故障显示是特别重要的。系统中除配备常用的短路、过载、缺相、过热等保护硬件以外，还设计了软件保护措施：在较重要的部门设置传感器，如蒸发器叶片的温度检测传感器等，根据故障的等级，决定相应的中断优先级；根据测定的机组内的温度和压力，进行相应的计算，判断系统故障，报警，并输出故障代码。冷藏集装箱还备有远距离监视电路和显示装置，以确保故障的及时发现和检修。 系统控制流程如图2.4所示。 第三章 冷藏集装箱隔热结构热工性能理论分析 3.1概述 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。而且，当隔热性能差时，由于内外壁面温差的减少，还会使箱体内表面产生结露现象，从而影响货物的运输质量。 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。 本文着重分析冷藏集装箱稳态传热计算隔热壁的热工性能。 3.2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1K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2-5K，大大超过了1K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，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（或0.6kcal/㎡h℃）; 2.强化隔热（或0.6kcal/㎡h℃）。 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。 3.2.1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： （3-1a） 或 （3-1b） 式中 ——每小时通过隔热壁的热量； ——隔热壁一侧的空气温度，例如夏季为箱外空气的温度； ——隔热壁另一侧的空气温度，例如夏季为箱内空气的温度； F——隔热壁的传热面积； ——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。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—1a）计算出通过隔热壁的热量Q。 3.2.2隔热壁内部的传热 隔热壁内部的传热形式主要是热传导。把单位时间内通过单位面积的热量称为热流量，并用q表示，用傅立叶定律表达如下： （3—2） 式中 q——热流量，表示单位时间内通过单位面积的热流量； ——材料的导热系数； ——温度梯度。 负号表示热量传递的方向和温度梯度的方向相反。以下我们将利用式（3—2）基本关系式来研究冷藏集装箱隔热壁内部的导热问题。 多层均匀平壁的导热 在冷藏集装箱箱体中，除侧壁立柱、地板小横梁等结构外，大部分都是由外包板、内包板及中间隔热材料，其导热系数＜0.233W/(m.K)组成的多层均匀平壁。中间隔热层的隔热材料目前广泛采用聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨脂泡沫塑料。聚苯乙烯泡沫塑料的密度为25~30kg/m3，导热系数为0.029~0.035W/(m.K)，其使用的温度范围为-80~+75℃。聚氨脂泡沫塑料的密度为45~65kg/m3，导热系数为0.026~0.028W/(m.K)，其使用的温度范围为-60~+120℃。 为了研究方便，可以把冷藏集装箱的这种典型的隔热壁结构可简化为图3.1所示的有几层不同材料组成的多层平壁。 假设壁面很大，且温度只沿壁厚方向有变化，各层材质均匀，层间相互密接。如平壁两侧温度不同，且t1＞tn+1，在稳态条件下，通过多层平壁的热流量为常量： （3—3a） 则传递的热量为 （3—3b） 其导热热阻为 于是，式（3—3b）可以写成 （3—3c） 式中 F——传热面积； t1，tn+1——n层平壁两个侧面温度。 多层不均匀平壁的导热 由于箱体隔热壁中存在金属构架，是属于组织不均匀的结构，因此不能直接运用上述公式。这时，又由于存在着所谓“热桥”的影响，所以，其传热计算将比上述计算复杂的多。对于多层不均匀的隔热壁，当其中有一小部分的隔热性能较其它部分差得很多时，隔热壁的总传热量就会大大提高，这个部分就称为“热桥”（或冷桥），例如箱体的钢骨架部分。当构成“热桥”的金属物体穿过隔热壁时，这种“热桥”则称为“穿透热桥”。在出现热桥而形成热流短路的情况下，其温度分布是三维空间或二维平面问题，不能按一维稳态温度场来研究。从数学的观点来看，温度场和电场一样，都可以用拉普拉斯方程式来描述。如在平面热流中，热流和等温线构成垂直的网，这时，拉普拉斯方程式可以写成： 式中 t——温度； x、y——垂直平面坐标。 基于对拉普拉斯方程式的研究，对热桥引起的热流短路，可用以热电相似的实验方法为依据的圆热流法进行计算。 圆热流法计算是基于下列假设： (1)嵌在已型钢、槽钢等翼板内部的隔热材料的热阻不计； (2)所有与外层钢板相连的金属，其温度与钢板温度相同，但小金属零件的导热性不予考虑； (3)热流偏斜后所通过的路径是圆弧； (4)不同材料间相互密接。 以上假定都可以造成误差，但由于其中一些假定造成的误差偏于增加热阻，而另一些则偏于减少热阻，因此，综合实验结果大致相符。 计算时，将结构分成若干区域，单独研究各区域的传热情况。图3.2为一典型结构用圆热流法的计算简图。 在计算之前，先引入KF值的概念，所谓KF值，即指两侧面的温差为1℃时，通过F平方米面积上的热量，用来表示，即。并设隔热材料的导热系数为，钢材的导热系数为。 第Ⅰ区：宽度为已型钢的宽度b，按假设1，则这一区可按公式（2—3b）来计算，其KF值用来表示： 如取隔热壁的长度（垂直于截面的长度）为一米，则第Ⅰ区的面积F=b×1m2，因此： 第Ⅱ区：按假设1，则热流从已型钢的边缘向右沿圆弧方向通过材料到达A—A线上，再垂直于A—A线而直线流动。在这种情况下，热流大小是在变化的，且从左到右逐渐减小。假定这一区的热流是限制在本区右边的终点以内，且热流流过的路线——圆弧，其半径为r，则 热流是在r=0至r=的范围内流动。是根据从隔热壁面传出的热流的热阻和从已型钢边缘沿圆弧线传出的热流的热阻相等的条件来确定的，即 故 r= 热流在隔热材料中按圆弧通过时，其热阻随半径r的变化而变化，即 热阻在A—A线以下的热阻是不变的，即 热流通过钢制内包板的热阻是固定的，即 此区间的KF值用表示。 积分后得： 第Ⅲ区：热流平行向下流动，按式（2—3c），其KF值用来表示： 为本区宽度。 第Ⅳ区：热流沿左向钢梁流动，和第Ⅱ区同样的分析。其KF值用表示，得 第Ⅴ区：热流从已型钢向左沿圆弧方向经过钢梁和隔热材料到达A—A线，再垂直于A—A线在隔热材料中流动。这一区的区间从c到g，其KF值用来表示： 如图3.3，取一微圆热流，其厚度为dr，则BD穿过刚梁而AB穿过隔热材料，显然可以找到如下关系： 代入得 展开为级数，得 分别取前两项和前一项代入得 第Ⅵ区：只有当g＜时才存在。这时，热流是从已型钢而不是从外钢板传来的。由于-g的值很小，故可用一平均的圆弧半径长度并按式 （2—3b）求得KF值，其KF值用来表示： 在面积为S×1m2的整个区间里，其KF值用来表示，则 因此，在这个区间里 （3—4a） 其导热热阻为 （3—4b） 3.2.3隔热壁边界的传热 热流从隔热壁一侧的空气中传到另一侧空气中的时候，空气和壁面间的传热是非常重要的，其传热主要以对流和辐射的方式进行。 空气与壁面间的对流换热 从本质上看，对流换热的能量转移，既有流体流动的作用，也有流体分子间的导热作用。因此，对流换热的强弱将与这两种作用的强弱密切相关，它受到流体流动的速度、流体的物理性质及换热表面的几何尺寸、形状、位置等因素的影响，情况非常复杂。通常以牛顿公式为基础进行实际计算，即 (3—5a) 或 （3—5b） 式中 t——和壁面接触的空气温度； t1——壁表面温度； F——壁表面面积； ——对流放热系数。 由于影响对流换热的因素很多，因此式（3—5）并未提供根本的简化，只不过是把换热过程的一切复杂性和计算上的困难都转移并集中到放热系数这样一个量上罢了。 箱体隔热壁外表面与外界空气发生对流换热常采用下式计算放热系数，即 （3—6） 式中 ——靠近外表面处的空气流动速度，它取决于箱体运行速度和风速（m/s）； e——自然对数的底数。 箱体隔热壁内表面与车内空气发生对流换热时，放热系数用（3—7）式计算， 当℃时 （3—7a） 当℃时 （3—7b） 式中 t2——隔热壁内表面温度（℃）； tB——箱内空气温度（℃）； b——与箱内空气流动和温差有关的系数。在自然循环时，b=2.67~3.26。 当箱内空气被强迫循环时，内表面的对流放热系数aKB急剧增加，此时可按（3—6）式来计算。但是，必须说明，虽然式（3—6）、（3—7）看来很简单，确只有在所设计的过程进行情况完全跟导出各简单公式所依据的实验情况相符合时，才能使用。这些公式只考虑了过程进行的某几个主要因素，例如温差、速度，而对实际影响过程的其它因素则忽略了，因此虽然使用方便，但应用范围和条件受到一定的限制。 周围物体和壁面间的辐射换热 如箱壁表面温度为T1，单位时间内单位面积上的辐射能可用斯蒂芬-波尔兹曼定律得到： （3—8a） 式中 ——箱壁表面的黑度（绝对光亮表面=0，无光泽的黑色表面=1）； ——斯蒂芬-波尔兹曼常数（等于5.68×10-8W/m2.K4）; 同时，箱体周围的物体（温度近似为空气温度T2）也要放出一定的辐射能： 那么，箱壁表面所得到的辐射热（或热损失）为： 式中 A1，A2——分别为箱壁表面和周围物体的吸收率。因物体的吸收率等于其黑度， 故 ——当量黑度，。 或者表示为如下形式 （3—9） 式中 ——辐射放热系数（W/m2.K）; ——箱体表面温度与周围物体温度之差（℃）。 在利用式（3—9）计算换热量时，常采用下列简化公式计算隔热壁外表面或内表面的辐射换热系数： （3—10） 式中 Tm——箱壁表面的温度和周围物体的绝对温度的平均值（K）。 用式（3—9）表示辐射换热的热交换情况，就可以很方便的把边界的对流换热和辐射换热合并考虑，即所谓复合换热，其热流量为： （3—11a） 式中 t——和壁面接触的空气温度（℃）； t1——壁表面温度（℃）； ——总放热系数（W/m2.K）, 。 （3—11b） 从而使计算大大简化。但是在使用式（3—11a）时，并未考虑太阳的辐射。 3.2.4箱体隔热壁的传热系数 设隔热壁两侧空气的温度分别为tH和tB，且tH

　　tB，由已知的隔热结构就可根据式（3—4b）求得RD，并根据式（3—6）（3—7）和式（3—10）求得两侧壁面的放热系数、。因为在稳定条件下，每小时通过具有面积Fm2的隔热壁所传递的热量是相同的，所以根据式（3—3c）、（3—11a）、可以得到如下关系式： 式中 t1、t2——分别为隔热壁两侧壁面的温度。 消去t1、t2，得 （3—12a） 则 （3—12b） 其中 分别称为外表面和内表面的放热热阻，式中的K，R即为所求隔热壁的传热系数和传热热阻。 同时，还可以很方便地得到壁内任意层的温度： （3—13） 式中 ——第n层外表面的温度，各层温度由箱外向箱内计算； ——从外表面至n-1层的导热热阻之和。 在设计集装箱隔热壁及计算通过隔热壁的热量传递时，传热系数K是表示箱体隔热壁热工性能的一个非常重要的参数。一般是先求出侧壁、端壁、箱顶等部分的传热系数，再根据其计算部分面积，求出箱体的总的平均传热系数，即 （3—14） 在计算各部分的面积时，采用各部分面积的几何平均值，即 （m2） (3—15） 式中 分别为外表面积和内表面积（m2）。 3.3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。 表3.1 吸收系数 材料名称 吸收系数 运用前 长期运用后 银漆 0.42 0.90 抛光铝板 0.26 镀锌铁板 0.76 0.89 抛光铁板 0.45 0.74 磁 漆 和 油 漆 白色和淡黄色 0.26~0.45 0.90 深绿和深红色 0.81~0.90 0.97 黑色 0.98 0.98 隔热壁外表面吸收了一定的太阳辐射能后，会使自身的壁面温度提高，因而引起箱内外温差增大（夏季），并使传入箱内的热负荷增加。为了便于研究夏季太阳热辐射对集装箱隔热壁的热作用，可以把外表面所吸收的那部分太阳辐射能用相当的温度形式来表达，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间的传热量可以分为两部分： 1）夏季隔热壁外表面以对流换热的形式与外界空气交换的热量： （3—16） 式中 t1——隔热壁外表面温度。 2）表面从太阳辐射中所吸收的热量： （3—17） 式中 J——外表面的总辐射强度； ——外表面的吸收系数，见表3.1。 因此，隔热壁外表面所得到的总热量 上式具有温度的单位，可以看成是与太阳辐射作用等效的温度数值，称为太阳辐射的当量温度， （3—18） 而值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重热作用，它可以作为箱外温度一样来研究，称为综合箱外温度，或称总箱外温度，表示为 （3—19） 故式（3—18）可以改写成 （3—20） 所以，传入箱内的热量 （3—21） 通常按某一朝向运行的集装箱，其隔热壁的六个面一般只有箱顶和一个侧面承受太阳的照射，显然，在隔热壁传热的热工计算中，阴面和阳面、水平的太阳照射面和垂直的太阳照射面，所取的总和是不同的。 3.4冷藏集装箱最适宜的箱体传热系数的确定方法 冷藏集装箱在确定其最适宜的箱体总传热系数时，应该考虑到箱体制造和运营时的成本，同时还要考虑箱体内部的有效容积与箱体以及动力设备、制冷设备的重量之间最有利的比例关系。箱体重量、制冷与动力设备的重量都是附加在货物之外的重量，这就要求尽量减少箱体、制冷设备的重量，以增加有效载重量，尤其是装载容积。显然，如果选用较小的K值，则制冷、动力设备的重量可以较小，而箱体隔热壁的厚度要相应增加，箱体重量就增大，更主要的是箱体有效容积将减小。反之，如果选用较大的K值，虽然箱内有效容积增加了，但制冷、动力设备的重量也增加了。冷藏集装箱的有效装载容积是一个很重要的指标。我们选择冷藏集装箱的最佳的传热系数，就是应该在有效装载容积最大的条件下，使箱体、制冷和动力设备的重量在货运吨-公里中占的比重最小。 如果用系数a表示箱体结构（包括隔热材料）的容积与箱内有效装载容积之比；系数b表示动力和制冷设备的重量与箱体结构重量（包括隔热材料）之比。十分明显，K值增大，则系数a减小而系数b增大；反之，K值减小，则系数a增大而系数b减小。按照箱体结构的状况和动力、制冷设备等资料，就可以得到各种不同的K值下的a，b值，并可用作图法作出如图3.4所示的a=f1(K)和b=f2(K)的两条曲线，以及a+b的新曲线。 显然a+b曲线上的最小值及表示箱内有效装载容积最大时而制冷、动力设备的重量又最小时的传热系数K值，亦即箱体最适宜的传热系数值。 3.5隔热壁的非稳态传热 前面讨论了在稳态条件下隔热壁的传热过程。而实际所遇到的问题都是属于非稳态条件下的传热问题，即温度场是随时间而变化的，例如：在箱内持续加热时隔热壁的传热过程；由于箱外温度和太阳辐射的周期性变化而引起的传热过程等。 我们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，箱外空气温度为，壁内表面温度为，壁外表面温度为。当开始加热时，箱内空气温度即开始升高，由于空气的对流作用，将较快的由上升到并保持稳定。由于空气温度的升高，传给内表面的热量将相应的增加，隔热壁内的温度跟着发生变化，首先是升高，接着a，b各层间温度ta，tb等也逐渐升高，最后也开始升高。这种温度变化一直到建立起新的稳定状态中的———的温度分布时才停止。 在温度变化过程中，t1首先变化，随后ta、tb相继发生变化，到时刻，t2也开始变化。由于温度场的变化，也引起了热流量的变化。假设箱内空气传给内壁面的热流量用q1表示，壁外表面传给箱外空气的热流量用q2表示，在温度场变化时，q1、q2以及通过各层的热量qc、qb都是变化的，且各不相等。在未加热时，显然。开始加热后，由于很快上升到，而t1的升高要滞后些，温差很快增大，故q1急剧提高，之后因的升高，q1又逐渐减小。在时刻之前，尚未开始变化，故q2仍保持，到时刻之后，开始升高，q2也逐渐提高，直到建立起新的稳定状态时，q1和q2又重新相等，并等于新的稳定状态下的热流量。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，q1和q2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）成正比，和储热能力（即容积热容量）成反比，故不稳定状态下热过程的速度，是取决于导温系数的。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。 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。从时刻开始，外壁面温度开始升高，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，导温系数等。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（Kriha）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下式表示： （3—22） 式中： Q——箱体内加热量； T——时间； ——箱体内部温度； ——箱体外部温度； F——箱壁几何平均面积； ——表示箱壁半面温度差与贯穿箱壁的温度差之比； ——箱体热容量； K——箱体总传热系数； 随时间推移，值逐渐趋向一常数值，若箱壁为均质材料构成的平壁，最后有=1/2，只有在为常数值后所得读数方可采用。一般认为，若在实验时间t1后，箱体内外温差为 ，在实验时间t1/2时，箱体内外温差为（），如有，即可认为常数值，在时间t1后所测得数据有效。 克里哈（Kriha）法建立在上述假设及要求的基础上。 设不稳定过程的瞬时当量传热系数为，则有： （3—23） 由式（3—22）（3—23）： （3—24） 取两点有效值： （3—25） （3—26） 由（3—25）（3—26）就可求解得（）及K值。 式中及，在稳定工况下，及K=KS；在不稳定工况下，为θ—t图中该点之切线斜率 应用克里哈法要求相对稳定的外部温度条件，且不易准确求得，误差很大，下面提供的方法在克里哈法的基础上进一步推广，比较易于实施。 由得 （3—27） 对某一实验段积分： （3—28） 同理，对另一实验段，（）积分： （3—29） 若控制实验测试时间段，则： 得： （3—30） 式（3—30）仅涉及某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的相对稳定时间段变短，较易于实现。特别在目前无恒温室的地方和单位，可利用现场的自然条件来进行测试和进行数据处理。 3.6冷藏集装箱隔热壁湿度状况的分析 隔热壁湿度状况，与其热工性能关系甚大。当隔热壁内隔热材料的空隙，由于受潮而充满水分时，因为水的导热系数（0.58W/（m.k））大大高于空气的导热系数（0.029W/（m.K）），因而将降低其隔热性能，从而增加了制冷设备的负荷；同时由于隔热壁内部湿度的增加，将会促进材料的破坏，降低材料的耐久性；从箱内的情况来看，由于内表面温度的降低，则将可能产生表面结露。 前面分析了水蒸气分压力与空气温度和绝对湿度之间的关系；湿空气中水蒸气的饱和含量和空气温度有关，即水蒸气的饱和分压力和空气的温度有关，其关系可用式（3—31）表示： 当气温在0~20℃时 （3—31a） 当气温在-20~0℃时 （3—31b） 如空气中水蒸气的含量不变，即水蒸气的分压力不变，温度愈低，水蒸气的饱和分压力值愈小。当温度降到某一极限时，两者相等，此时相对湿度为100％，即空气中水蒸气含量达到饱和状态，空气温度达到露点温度。若空气温度继续降低，则多余的水蒸气就会凝结成水滴。隔热壁的水分凝结有两种情况，即表面凝结与内部凝结。隔热壁内表面出现凝结水往往是在内表面温度最低的地方开始的。如果内壁面的温度t2低于箱内空气露点温度tp时，空气中的水蒸气就可能在内表面凝结。 若tB

　　tH，则内壁面温度t2很容易得到，即 因此，内壁面不结露的条件是 （3—32） 为了避免内壁面产生凝结水，可采取如下措施： 如果箱内湿度正常，则应设法提高隔热壁的内部热阻（减小K值），或设法减小内表面的对流热阻，以提高内壁面的温度t2，例如增加箱内空气流速。 如果箱内空气湿度很大时，采用上述方法是无效的。这时，应该在内壁面增加防水层，以免水分渗入隔热壁内部。 至于隔热壁内部结露，主要是由于箱内外水蒸气的压力差和隔热壁的渗透性造成的。由于隔热壁两侧空气温度的不同，即使两侧空气的湿度相等，温度高的一侧空气的水蒸气分压力也比温度低的一侧大。这样就会产生水蒸气分压力差，此时水蒸气将从水蒸气分压力高的一侧通过隔热壁向分压力较低的一侧渗透。 第四章 冷藏集装箱热工性能实验装置 4.1国内外热工实验室简介 (1)奥地利维也纳的亚森纳尔（Vienan-Arsenal）车辆实验站静止实验室 该实验站辖属于亚森钠尔研究院和国际铁路联盟实验研究。它主要对铁路客车的采暖、通风、空调装置及冷藏火车进行实验，也可对公路车辆、农业机械等露天设备进行高温下的性能实验。该实验站的静止、运行实验室不仅空气温、湿度和流速调节范围宽广，而且能模拟雨、雪、雾、冰雨、太阳辐射等各种气候条件，并可对地球上任何一处的铁路运行进行静止和运行的气候模拟实验。 该实验站的静止实验室，其轴流风机用于室内循环，风机送出的空气经过空气处理装置（由蒸发器、加热器、加湿器组成）后进入气流分配室，通过火车轨道下面左右两侧下风道的送风口均匀送至客车下的沟槽内，然后以低风速顺车墙上升并掠过车顶进入上风道，被风机抽出再循环。 静止实验室的主要性能：温度调节范围-50~+50℃；相对湿度：+50℃时10—95%；+20℃时50 ~ 98%；温度均匀度±0.5℃；温度稳定性±1℃；风机送风量132000m3/h；制冷设备制冷量：冷凝温度35℃，当蒸发温度为-46℃时制冷量192kw；当蒸发温度-10℃时制冷量1020kw。 (2)意大利帕多瓦（Padova）车辆热工实验室 该实验室可对有轨车辆在内的各种冷藏及加热车辆进行热工测试。实验室分成上下风道空气循环流动，空气处理和送风装置在上风道，下风道为实验段，实验段的空气进口处设置了导流板，以便流过实验段的空气流状态均匀。 实验室的主要性能：温度调节范围-20 ~+30℃；温度波动范围小于0.5℃。 (3)英国标准（VS4424）推荐的实验装置 该实验装置分为上下风道，下风道放置被测车辆，上风道为风洞形式进行空气循环处理。推荐的实验装置温度调节范围为5~50℃，温度波动范围0.5℃。 (4)镇江冷藏保温车热工性能实验室 镇江冷藏汽车厂于1986年底建成了我国第一座冷藏保温汽车热工性能实验室。该实验室按照国际制冷学会的BTP一级实验标准设计，包括人工气候室、气密性实验室和低温实验室。人工气候室和气密性实验室能够对冷藏保温汽车的最主要热工性能——车厢体的隔热和运输车辆用制冷机性能、气密性能进行实验研究。其主要机械设备为两台4AV-7制冷压缩冷凝机组和两台3W-0.9/7全无油润滑空气压缩机；制冷装置用冷却水由凉水塔、水池、水泵房组成。低温实验室建成后可进行车用制冷机在低温下的性能研究。实验数据采用IBM-PC型微处理机处理。 人工气候室为整个实验室主体部分，其四周采用200mm厚的石棉板作隔热层，室内布置主要参考了帕多瓦车辆实验室。该室分为上下两部分：上风道是人工气候室的温、湿度处理部分，下风道为被测车辆工作区。空气由轴流风机强迫流动，其流量可通过矩形百业窗调节阀进行调节。气流流过蒸发器进行降温处湿处理；冷气流经风机加速后，流过粗加热器和细加热器进行加热处理；最后空气流过离心加湿器进行加湿处理，由此形成一种流量、温度、湿度参数符合实验工况要求的人工气候。室内空气的温、湿度由DDZ—Ⅲ自动控制系统控制。 为使被处理后的空气能以均匀的温度、湿度场、速度场流过工作区，在上下风道结合部设置了一组不同曲率半径的导流板，使气流较均匀地进入静压室，然后流过整个截面上均匀布满直径10.5mm小孔的送风孔板，均匀地进入工作区。 为节约能量，在上风道的进风口处还开设了新风口，可根据环境气温和实验工况决定新风口的开闭状态。 在整个实验过程中，操作人员仅在控制室和机房工作而不进入人工气候室，从观察窗可观查工作区的情况。需要时，操作人员可从保温侧门进入人工气候室，而不必从实验室大门出入，以免引起工况的急烈变化。 （5）冷藏集装箱生产厂的热工测试装置研制 中集、扬州通利等生产厂家成功研制了热工性能测试装置，并对冷藏集装箱进行了气密性实验，漏热实验，和性能实验，该测试装置顺利通过了美国船检局（ABS）的检查。 4.2热工实验装置 建造一个冷藏集装箱自动检测和实验中心。实验中心同时兼有对冷藏汽车、空调车、制冷机等产品的检测与实验功能。冷藏集装箱、冷藏汽车作为运输工具，它必须能在最低温度-40℃，最高温度50℃的环境中工作，因此，对它的实验必须建立一个人工模拟环境——人工气候室。 图4.1是典型冷藏集装箱的热工性能测试环境室及实验装置。该环境室要按表4.1所列标准的工况能够对主要的三种箱型进行测试。 表4.1 箱型 箱型 长 宽 高 20英尺 6058 2438 2590 40英尺 12192 2438 2590 40英尺高箱 12192 2438 2896 实验系统空间布置:恒温室六个面均作隔热处理，被测集装箱置于两组铁轮架上经铁轨送入室内，箱门侧对着送风孔板，箱体制冷机组在气流下游。空气处理设备均置于上风道中，循环空气依次流过可调导风百页2、表冷却器3、轴流风机4、加热器5、加湿器6、辅助加热器7。这样，空气经历了降温去湿、加热加湿处理，最后流入静压室经送风孔板流出，均匀地纵向流过集装箱周围测温区，然后被吸入回风口，继续循环流动。 上风道入口处设置可调导风百叶，可用于调节空气流通量。所有气流在上风道中经过处理后进入竖井静压室，在此处滞止沉积后，经由出风栅呈活塞流匀速排出到环境室中。这样，气流在进入下部环境室之前，已经在上风道、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。实际实验时的温度梯度一般不超过2℃。 根据集装箱外表面的风速要求，设计整个空气循环的风量，一般约为60000m3/h。通过管道阻力估算和实际经验，应选配6台轴流式循环风机，单机性能参数为10000 m3/h，压头0.3kPa，电机功率1.5kW。 采用三台10kW冷量的压缩冷凝机组和两台冷风机 环境加热器共有8组，其中设置可调档2组（计18kW）固定档6组（计36kW）。通过它们能在保证投入的冷机全负荷工作的前提下实现对环境温度的自动控制，加速冷机实验工况建立，改善其后气体加湿作用的效果。 环境加湿装置由加热水箱和加湿管路组成，加热水箱安置在环境室外面，其内部布置了6组加热管，其中可调档3组（计24 kW），固定档3组（计18 kW），加湿蒸汽产生后，经由管路导入上风道中，实现对环境湿度的控制。 根据国际标准ISO规定，恒温室内部的气流方向应尽可能与被测设备纵向轴线平行，要求平行气流的气流场。借鉴小孔送风的原理在送风口处设计一个静压室，并在其表面设计小孔来保证室内平行气流和风速场的要求。小孔送风形式在调节室内平行气流均匀性是十分方偏的，只需在横截面上哪个部位气流大处适当堵住部分送风小孔即可，静压室的功能容易保证。 使用强化木地板覆盖地面，中间夹层填塞保温棉，起到保全冷量和洁净实验室的作用。 4.3冷藏集装箱实验中心自动检测与控制系统 4.3.1概述 实验系统中涉及的控制对象主要有3个，即环境温度、环境湿度、和箱内温度。分别采用单回路调节器加以控制。所有温度测量均用Pt100铂电阻温度传感器。温度、流量、压差及功率的测量值均由变送器输入计算机，将测的参数与工况设定参数进行比较，由计算机按PID控制方法控制相应的执行机构进行自动调节。计算机每隔一定时间采集一次数据，判断工况的稳定性及温度的均匀性，适时给出测量参数和曲线，具有中英文屏幕显示和数据库保存历次测试结果的功能。 环境温度（箱外温度）对实验房制冷装置的要求，由于做实验时，冷藏集装箱放置于实验房内，因此控制箱外温度就是控制实验房室内温度，实验房有制冷装置，如果光依靠制冷机的开关来控制，由于“开”“关”的误差，实验房温度肯定达不到所需的温度精度，这时就需把制冷机的温度设定在所需温度以下和2℃以上。这样当室温降到所需温度以下时，用自动控制的电加热器把温度提高到所需温度，对制冷机来说一直没达到设定温度，就不会停机，利用电加热和制冷机的配合使实验房达到所需的温度精度，避免了制冷机“停”或“开”而造成的误差。实验房温度就能精确地控制在ISO范围内。因此，对实验房制冷装置的具体要求为：在气温38℃，在电加热器的配合下，制冷装置在不停机的前提下，实验房内温度能降到8℃以下；制冷机在整个实验期间，不能除霜。 4.3.2系统功能 一、自动检测系统功能 温度的测量范围：-50℃~ 200℃。 温度测量精度：±0.2℃。 其它参数的测量精度0.2级。 自动记录功能：根据实验要求及时记录各种数据，并进行处理，实验结束以实验报告形式打印。 资料档案功能：能储存每次实验资料，便于查阅分析。 度湿度控制系统功能 温度控制范围：-5℃ ~ 50℃。 温度控制精度：±0.5℃。 湿度控制范围：20% ~ 90%RH。 温度自动控制功能：根据实验要求温度自动控制。 4.3.3系统组成 根据系统应具有的功能，设计成一个二级集散式测控系统，如图4.3所示。作为集中控制的主机（上位机）由PC微机承担。下位机则以单片机(本文以8031单片机为例)为核心。共有两台单片机，1#机用于48路温度自动检测系统，2#机用于温湿度控制系统。这样既利用了微机实现人机界面和数据计算方便，又利用了单片机实时控制能力强的优点。 一、自动检测系统原理及工作过程 自动检测系统由8031单片机担任，整个系统由温度传感器，一个48路多路开关，一个12位模拟转换电路，一个采样保持电路等组成。温度通过传感器转变为电信号，送给变送器、输出至多路开关转换电路，变送器输出的信号送到采样/保持（S/H）器电路，经A/D转换器转变为数字信号，送入到8031单片机进行处理。图4.4示出了采样并行变送器电路组成的48路测温系统，其特点是可同时对多点温度进行快速、精确的测量。 湿度控制系统 人工气候室温度湿度控制系统由8031单片机担任，图4.6是该系统的结构图，它由一个模数转换电路、一个数模转换电路等组成，温度、湿度、风速等物理量信号，通过传感器转变为电信号，经过模数转换送给8031单片机。单片机进行PID运算。数字PID算法是数字控制惯性系统中一种最常用的控制算法。数字PID控制算法有两种表示形式，位置算式： 增量算式： 由于增量算式只需要保存，两次最近的测量值，运算简单，且运算量相对减少，控制方便。将控制信号输出经数模转换、放大、光电耦合电路给执行机构。电加热系统采用三相半控桥式整流电路电阻丝加热。制冷系统采用PID运算，控制直流电机转速以控制冷量的大小。因为要求风速控制在1~2米/秒，所以采用开关风机的台数来控制风速。湿度控制采用PI运算控制。执行机构采用离心加湿器进行加湿。该系统还设置了一些故障报警装置，如制冷机压缩机高压低压及压差报警，高温、低温报警三相电机断相报警等。 4.3.4系统的抗干扰措施 为了提高系统的工作可靠性，采用了一些抗干扰措施： 采用初次级间电容极小的隔离电源变压器初次级加静电屏蔽层。初级采用RC高频滤波电路。 单片机与外部电路接口加光电耦合器隔离。 数据通讯采用应答方式。加上偶校验以保证通讯可靠。 信号线路和通讯线路采用屏蔽层电缆，防止外来干扰。 测量的温度信号采用中值和均值混合滤波方法。 4.3.5软件系统 下位机采用C语言编程，该程序存入各下位机的EPROM中。主机（IBM-PC机）在完成对各下位机传送命令的同时，还担任了许多管理工作。为了方便人机对话显示汉字与图形的要求，所以上位机采用VC++编程最方便。 冷藏集装箱温度数据采集系统研制 5.1自动数据采集系统综述 随着生产技术的不断发展，对测量系统提出了越来越高的要求。在许多工业生产和科学实验中要求测量的参数多、测量速度快、精确度高，往往要求实现实时采样、实时处理、实时控制和实时显示。如在动力机械测量的控制系统中，常常需要同时监视温度、压力、流量等模拟量，还要测量转速等开关量。在测量数据量庞大、系统功能复杂的情况下需要一种自动数据采集系统，它能对多个被测量进行自动连续扫测、自动监视、数字显示和打印制表等。这种自动数据采集系统也称为自动巡回检测装置，它是微计算机应用的一个重要分支，也是获取生产信息的重要手段之一。 5.1.1自动数据采集系统基本组成 一个自动数据采集系统的结构随用途而不同，其基本组成如下图。其中，传感器的作用是将待测的非电量（如温度、压力、流量等）转换成为电量，作为一次仪表。传感器的输出可以是模拟量，也可以是数字量或开关量。由于计算机只能接收规定形式的数字信号，因此当传感器输出是模拟量时，必须经过处理才能送入计算机。及先经过信号调理，将信号放大（或衰减）、滤波等，使之能满足A/D转换器的输入要求，配合计算机对多路模拟开关的控制，依照程序设定进行扫描检测，信号经过A/D转换送入计算机。假如被采集的物理量是变化较快的时变信号，则在A/D转换器之前应加上采样/保持（S/H）电路。当传感器输出的是数字量时，一般也需要经过数字信号调节，调整信号电平或整形，使之变成计算机可以接收的信号，并经过缓冲、锁存再送入计算机相应的I/O口。信号送入计算机后由CPU对输入信息进行标度转换及传感器特性的线形化处理，同时与过程控制中的上、下限报警点进行比较，如超出极限则进行报警，并可通过打印或显示说明异常点，还可对所采集的信息进行处理加工，得到如相关性、频谱分析等信息。此外，根据预先约定的时间间隔，将各种数据及计算结果制报表输出。整个数据采集的过程和数据处理及输出均是在微计算机控制下完成的，因此微计算机是自动数据采集系统的核心部分。 在自动数据采集系统中，计算机和各功能组件（如模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出、开关量输入和开关量输出等组件）通过接口与计算机连接。计算机和各种组件的连接方式有两种，一种是通过标准的通信接口，如R232、RS422、IEEE488等来连接，另一种是通过计算机总线自动数据采集系统的结构形式 根据对数据采集系统不同的技术要求，可以选择不同结构形式的数据采集系统。自动数据采集系统可以采用的结构形式如图5.2： 5.1.3自动数据采集系统的主要技术指标 在选择与构成自动数据采集系统时，应该考虑的主要技术指标有通道数、数据采集速度、精确度和分辨率等。 ⑴通道数 它是指系统能提供给用户可使用的模拟量输入通道总数。如果系统输入的模拟信号采用的是单端输入的形式，则可采集的模拟信号数量等于系统提供的通道数。如模拟信号的输入形式采用的是差动形式，则可采集的模拟信号数量等于系统提供的通道数的一半。 ⑵数据采集速度 数据采集速度是自动数据采集系统的一项重要指标，通常，用来描述数据采集速度的指标有2种：系统最高重复采样率、单通道最高重复采样率。 系统最高重复采样率是指模拟输入系统全部通道重复扫描采集时，每个通道在单位时间内能测量得到的可用数据的个数，单位为“次/S”。所谓的可用数据是指符合精度指标和通道间串扰抑制比要求，且可由计算机存入内存的数据。因此，该指标不仅与系统硬件有关，而且还与采集系统及计算机的数据传输存储速度有关； 单通道最高重复采样率是指系统中一个模拟通道连续重复采样时，在单位时间内能采集到的可用数据的最大个数，单位为“次/S”。 ⑶分辨率与精度 ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的模拟信号电压就越小。例如，三位转换把电压信号分成23（8位），每段用二进制代码000到111之间表示，由于一部分信息被漏掉，所以数字信号并不是真实的原始信号。如果ADC的位数增加到13位，数字信号的代码就从8位二进制数增加到13位，这样就能比较精确的反映原始信号的信息。 5.1.4软件设计 自动测试系统中的软件是CPU进行计算、数据处理、逻辑判断、自动化操作的基础。从软件内容来看，可以分为系统软件与应用软件，其中系统软件是一个工作平台，由生产者提供，应用软件则是面向用户的程序，由设计者根据系统功能的需要进行编写。这也是测试仪器或系统开发工作中的主要任务，需要设计者花费大量的时间和精力来反复进行调试。 计算机在自动数据采集系统中的作用是：控制多路转换开关的转换、启动A/D、D/A等输入输出设备、进行数据处理。其中，数据处理软件的主要任务是： 对输入信息进行系统整定，恢复原来的物理形式。即将系统输入计算机的数字量恢复成便于用户使用的物理量形式，并用图表、函数式等尽可能形象的描绘出信号变化情况，这是自动数据采集系统必须完成的首要任务。 采用各种数学方法（如剔除奇异项、平滑、滤波、非线性校正等）最大限度地消除混入信号的噪声与干扰，以保证整个自动数据采集系统的数据达到设计所要求的稳定性和精度。 对数据本身进行某些加工变换（如做傅立叶变换、求均值等）、或在有关联的数据间进行相互运算（如求相关函数），从而得到能表达该数据内在特征的二次数据。 将计算机的输出用于控制机构可以构成计算机控制系统。计算机根据所采集的数据与设定值进行比较，同时根据所选择的控制调节方法（如PID调节、ON/OFF调节等）进行数据处理，输出控制量驱动执行机构。 5.2测试软件的比较 在工业控制中，需要生产人员随时了解生产过程中的各种当前状态，以便对生产情况进行评估和干预，使生产过程保持在最佳状态。目前，随着计算机的普及，越来越多的PC机被使用于工控领域，由于PC机具有丰富的软件资源和强大的图形处理能力，PC机已成为生产过程中的主流监控媒介，PC机上使用的形形色色开发监控应用软件的工具，国际上一般统称为SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition,监控和数据采集）软件 目前，可用来开发工控图形界面显示软件的工具有许多种，其中最常用的有基于MS—Windows的SCADA软件如Intouch，Labview等组态软件，和一些常规编程语言如VB，VC++等。 Intouch：具有非常强大的图形用户界面，使用简单，组态方式灵活，开发时间短，对PC硬件要求低。 VB：非常强大的图形用户界面和窗口管理特性，提供更多的灵活性，开发时间短，但没有为工控要求预定义的函数，没有实时性能，非常慢速的解释型语言。 VC++：提供所有的GUI和窗口管理特性，C++面向对象设计，执行速度快，但开发时间长，软件调试费时，实时性能一般。 综上所述，可知Intouch是一种优良的生产过程监控开发工具软件，利用它进行二次开发，可以生成生产过程监控所需要的各种图形界面。 利用Intouch开发的生产过程监控应用软件可具有如下功能： 逼真描述各种现实物体的图形； 二维动画效果； 具有数据报警、速率报警和偏差报警等多种报警设施； 有实时曲线图、历史趋势图、报警画面，作为操作人员的在线指导； 多种用户数据输入方式。 5.3热电阻Pt100校验 5.3.1技术性能： 本装置的高保温专用管式电炉，采用电子调温；在其炉膛中的均热体可插入一个标准热电偶和两个被检热电偶，供作热电偶在≤800℃中温区检验使用；仪表箱配有K分度XMT-101温度指示控制仪表，可在检验温区直接显示管炉内温度场的温度数值，控制点可根据需要在0~800℃之间设定，通过调整电压，使炉温保持基本稳定。 5.3.2使用方法： 将均热体放在炉膛中心位置，标准热电偶与被检验热电偶插入均热体的两侧，并分别将连线与仪表箱、电位差计相连接。在温度基本稳定的情况下，在电位差计上读出相应热电偶的输出毫伏值。本装置是采用在同一温度场条件下直接比较的方法，以

　　GB T 32610-2016_日常防护型口罩技术规范_高清版_可检索.pdf