冷藏集装箱冷藏集装箱pdf第一章 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： （1） 适用于不同运输方式和批量灵活的运输需求。 （2） 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。 （3） 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： （1） 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。 （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，ISO 推荐了国际集装箱统一标准。 （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，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 冷藏箱的 冷藏箱的设 冷藏箱总 产量 增加量 备更新量 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，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 （1） 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。 （2） 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、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 ℃ 100~120 短期工作 ℃ 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 （6 ） 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。 （7 ） 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 冷藏箱的类型 最大漏热率 设计温度 型 U （W/K ） 箱内 箱外 max 号 1C 1A 1AAA K ℃ K ℃ 1CC 1AA 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 +16 253 -20 255 -18 311 +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 2. 集装箱的最大漏热率 U 按传热系数 K=0.4/(m k)换算而成。 max 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。 热交换 液流电 器 磁阀 膨胀阀 热流旁 通阀 蒸发器 过滤器 冷凝器 水冷器 制冷 压缩机 图2.1 制冷工作原理 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。 温度 信号 传感器 转换 冷 A/D 输入 80c31 藏 温度 信号 输出 微 操 集 传感器 转换 接口 处 作 装 系 理 箱 统 器 接 制冷机组 功率驱 电平 触 和加热器 动 转换 器 电源和电源监示 面板显示 打印机接口 图2.2 控制系统结构 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。 3 温度控制器:由于 20 英尺冷藏集装箱的容积达 28.15m ，热容量大，其温度控制 器硬件配置存在着以下特点： （1） 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。 （2 ） 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。 （3 ） 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。 （4 ） 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 2 了E PROM ，以保证“复电”后冷藏集装箱能正常工作。 （5 ） 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。 温度范围 回风温度-2.8 -1.7 设 0.6 1.1 1.7 2.2 2.8 定 ON OFF 点 T3 ON OFF T4 ON OFF T1 ON OFF T2 -7 -3 0 设定温度 ON T5 ON T6 供风温度 -6 -3 0 ON T0 OFF 图2.3 微处理器控制动作图 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 T ~T 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 0 7 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： T ——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。 3 T ，T ——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 1 4 号指示。 T ——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 7 的控制逻辑。 T ——决定在某种设定温度下制冷机组的加热控制。 2 T ，T ——由设定温度决定，完成特定的工况。 5 6 T ——由供气温度决定，完成特定的工况。 0 （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。 （6 ） 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。 初始化 采样判定温度范围 显示参数 存贮给定值 判定温度变化方向 N 送风或回风 N 按下？ 回风键？ 判定温度换差 温度值保存 显示单元 取控制代码 N 融霜时间是 N 供风键 控制代码-PA口 否4h？ 启动融霜 显示单元 图2.4 系统控制流程图 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（K 0.7w / m2 K 或0.6kcal/㎡h ℃）; 2.强化隔热（K 0.4w / m2 K 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： 1 Q KF (t t ) （3-1a ） H B  1 或 Q  (t t ) （3-1b ） R H B  式中 Q ——每小时通过隔热壁的热量； t ——隔热壁一侧的空气温度，例如夏季为箱外空气的温度； H t ——隔热壁另一侧的空气温度，例如夏季为箱内空气的温度； B F——隔热壁的传热面积； R ——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。 R 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  R 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： q t （3—2 ） n 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； t ——温度梯度。 n 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。 （一）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 3 料的密度为 25~30kg/m ，导热系数为 0.029~0.035W/(m.K) ，其使用的温度范围为 3 -80~+75℃。聚氨脂泡沫塑料的密度为 45~65kg/m ，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。 t t1 t2 t3 t4 q d1 d2 d3 图3.1 多层平壁的导热 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 t ＞t ，在稳态条件下，通过多层平壁的热流量为常量： 1 n+1 q  t1 tn1 （3—3a ） n i  i i1 则传递的热量为 Q q F  t1 tn1 F （3—3b ） n i i i1 n  其导热热阻R为 R  i i 1 i 于是，式（3—3b ）可以写成 1 （3—3c ） Q  F (t t ) R 1 n 1 式中 F——传热面积； t ，t ——n 层平壁两个侧面温度。 1 n+1 （二）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： 2 2  t  t  0 x 2 y 2 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。 S c h g A A b i a Ⅴ c 2h/x-gⅥ Ⅳ Ⅰb Ⅱ 2h/x Ⅲ s-4h/x-b g-c 图3.2 圆热流法计算简图 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冷藏集装箱，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Q 来表示，即Q KF 。并设隔热材料的导热系 t 1 t 1   数为 ，钢材的导热系数为 。 ge m 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Q 来表示： t 1 Q  F t 1 n i  i i1 2 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 ×1m ，因此： Q  F  b t 1 n i a i    i ge m i1 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 （1） 热流是在 r=0 至 r= 2h 的范围内流动。2h 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 h  2r 4 故 r= 2h  （2 ） 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 1  R   r   2 ge （3 ） 热阻在 A—A 线以下的热阻是不变的，即R  i   ge （4 ） 热流通过钢制内包板的热阻是固定的，即 R  a   m 此区间的 KF 值用Q2 表示。 t 1 Q2 2h dr  t 1 0 a i 1     r    2 m ge ge hi a    积分后得： Q2  2  ln ge m t 1  ge i a    ge m 第Ⅲ区：热流平行向下流动，按式（ 2—3c ），其 KF 值用Q3 来表示： t 1 4 3 s (b h) Q   t 1 hi a    ge m 2 2 4 s (b  h  h) s (b  h) 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Q4 表示，得 t 1  4 a m 2 a i  c Q  dr   ln 2 t 1 0   m a i a i  r 2 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Q5 来表示： t 1 Q5 g    dr t 1 c AB BD i a        ge m ge m E D B g r A F O c i a 图3.3 第五区分析图 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：   c    AB    arccos r   c     BD  (  )  arcsin 2 r 代入得 Q5 g dr t 1 c c c rarccos rarcsin r r i a        ge m ge m c c 展开arccos ,arcsin 为级数，得 r r c  c 1 c arccos    ( )3  r 2 r 12 3 r c c 1 c arcsin   ( )3  r r 12 3 r 分别取前两项和前一项代入得 g i c a c 2   2   Q5  ge ln ge ge m t 1  c i c a c   2   ge ge m 2 h 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。  2 h 1 2 h g 由于 -g 的值很小，故可用一平均的圆弧半径长度 ( h g )   并按式 （2  2   2 —3b ）求得KF 值，其KF 值用Q6 来表示： t 1 2 h g 2 h g Q6     t 1 h g  (  ) a i h  g a i  2   2     2   2 m ge ge m ge ge 2 Q 在面积为S ×1m 的整个区间里，其KF 值用 来表示，则 t 1 Q Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 t 1 t 1 t 1 t 1 t 1 t 1 t 1 Q Q 因此，在这个区间里K  t 1  t 1 （3—4a ）  F S S R R  其导热热阻 为 （3—4b ）   Q t 1 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。 （一）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 q a (t t ) (3—5a) K 1 或 Q a (t t ) F （3—5b ） K 1 式中 t——和壁面接触的空气温度； t ——壁表面温度； 1 F——壁表面面积；  ——对流放热系数。 K 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 KH  a 7.340.656 3.78e1.91 (W / m2 K ) （3—6 ） KH 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， KB 当t  t t 5 ℃时 a 3.49 0.093 t (W / m2 K ) （3—7a ） B 2 B KB H 当t 5 ℃时 a b t0.25 (W / m2 K ) （3—7b ） B KB B 式中 t ——隔热壁内表面温度（℃）； 2 t ——箱内空气温度（℃）； B 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a 急剧增加，此时可按 （3—6 ） KB 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。 （二）周围物体和壁面间的辐射换热 如箱壁表面温度为 T ，单位时间内单位面积上的辐射能可用斯蒂芬-波尔兹曼定 1  4 律得到： E  T （3—8a ） 1 1 1    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 ）； 1 1 1  -8 2 4 ——斯蒂芬-波尔兹曼常数（等于5.68 ×10 W/m .K ）; 同时，箱体周围的物体（温度近似为空气温度T ）也要放出一定的辐射能： 2   4 E   T 2 2 2 那么，箱壁表面所得到的辐射热（或热损失）为：  4 4  4 4 q E A E A  (T T )  (T T ) r 1 2 2 1 1 2 1 2 n 1 2 式中 A ，A ——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， 1 2 故   A  ,A  1 1 2 2     ——当量黑度，   。 n n 1 2 或者表示为如下形式 q a t （3—9 ） r r 2 式中 ——辐射放热系数（W/m .K）; a r t ——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： T   m 3 2

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