微型冷库的优化设计研究_李喜宏

第17卷第3期2001年5月农业工程学报T ransac tio ns of th e CSA E V ol.17　N o.3M a y 2001文章编号:1002-6819(2001)03-0088-04微型冷库的优化设计研究李喜宏①1,夏秋雨2,陈　丽1,胡云峰1,关文强1,臧润清3(1.国家农产品保鲜工程技术研究中心,天津　300112;　2.天津市科学技术委员会,天津;3.天津商学院制冷与空调系,天津　300400)摘　要:依据库体和制冷系统的优化设计数学模型,结合我国当前农业生产体制、农村经济和市场机制,明确微型冷库的优化设计参数、远程诊断与控制系统和使用管理技术。

关键词:微型冷库;水果贮藏;优化设计;远程诊断中图分类号:S 379 文献标识码:A收稿日期:2001-02-27基金项目:国家1999～2004重点科技推广项目[99120221A ]①李喜宏,研究员,天津　国家农产品保鲜工程技术研究中心,300012 贮藏设施是果蔬贮藏保鲜的基础条件。

据统计我国农产品实际冷藏能力<540万t,不足果蔬产量的3%,与发达国家的50%～60%贮藏能力相比差距巨大。

由于农业生产体制和农产品经营方式的转变,我国计划经济时期由国家投资建造的供销、外贸系统的销地冷库,目前绝大多数处于闲置状态或改作为仓库。

“七五”计划以来,国家融资数亿元经费和科技贷款,在许多果蔬主产地区建造的标准冷库或CA (气调)库,虽然设备和技术先进,但受经营机制局限,没有很好地发挥生产作用。

因此,研究与开发出适于当前农业生产体制、市场经济运行机制、农村经济、保鲜技术水平,投资少、见效快、使用管理方便的实用贮藏设施,是我国农业产业化亟待解决的科技难题。

1　优化设计的数学模型与分析优化设计包括库体和制冷系统2个部分。

库体的优化方法是以传热量最小为衡量指标,主要以最小外表面积和最经济隔热层为测算依据。

制冷系统的优化方法是在冷库容积已定的条件下,研究其最经济投资成本和使用成本。

1.1　库体经济结构的优化设计参数土建库的建材可因地制宜,就地取材,施工时可由用户自己组织,以降低费用,因此,结构的优化设计重点研究土建式微型节能冷库。

冷库的外表面积,在库容已定的条件下,以最小外表面积法可确定库体的长、宽、高尺寸。

此计算结果与库房的允许高度、保温材料的性能和价格有关,同时还与气温、库温有关。

考虑到箱装果蔬的抗压强度、库内货物的码堆方法及围护结构基础造价等因素,综合分析研究确定:库体高度控制在 3.5～ 4.0m 。

库体的长宽比较接近,以3∶2～4∶3最佳,测算标准为比表面积(S /V )系数a ≤ 1.3。

1.2　隔热材料的优化设计隔热材料的优化设计依据最佳经济热阻原则,根据公式(1),满足y 最小即作为某一地区某种保温材料的优化设计的最佳材料和参数。

其隔热经济厚度的计算公式y =C PR×L (1)式中　y ——总造价,元;C ——工程价格系数,元/m 3;P ——单位保温材料的价格,元;R ——保温材料热阻值;L ——施工厚度,m 。

如膨胀珍珠岩、稻壳、麦壳(糠)和聚苯乙烯泡沫板等保温材料。

尽管前3种材料具有导热系数大、热容量大、吸水性强等不利一面,但蓄冷量大,有利于库温平稳回升、下降,只要适当增加其厚度并作好隔汽防潮处理,完全可以满足技术要求,据实测,双层PE 大棚塑料膜防潮处理的稻壳400～500mm 可保证10年以上的使用年限。

2　制冷系统优化设计的数学模型与分析制冷系统的优化方法是研究设计设备热力系统的理论基础。

根据拉格朗日乘子法建立制冷系统优化设计的目标函数及约束方程,首先建立制冷系统88的热力学模型。

微型冷库的制冷系统热力学模型主要由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和热力膨胀阀等4部分组成。

但从实用角度,制冷系统的优化不能仅从提高制冷系数X 和使用效率y x 来考虑节能,而应将制冷系统年总费用最低作为系统优化的经济准则和目标函数。

2.1　经济准则制冷系统的优化设计经济准则依据制冷系统热力学数学模型,其表达式为E =T (Z 1+Z 2+Z 3)+t C e (Pe 11+Pe 12+Pe 13)(2)式中　E ——制冷系统的年总费用,元/年;Z 1、Z 2、Z 3——压缩机、冷凝器和蒸发器的投资成本,元;T ——每种设备的年折旧率,%;t ——制冷系统每年工作的小时数,h /年;C e ——电价,元/(kW h );Pe 11、Pe 12、Pe 13——压缩机、冷凝器和蒸发器的电功率,kW 。

使用时,根据常识将测试参数代入(2)式,测算E 最小值即为验证制冷系统的最优值。

在天津地区冬季贮藏葡萄5～6个月,总耗电量仅3500～4500kW ·h 。

2.2　目标函数制冷系统优化设计目标函数的约束公式(3),在满足公式(2)中E 最小值条件下,利用蒙特卡洛法计算机程序计算,当已知热负荷Q 、冷凝器进风温度t i 、库房温度t n 、电价C e 、每种设备的年折旧费百分比T 和制冷系统每年工作的时数t ,即可求出最优状态所对应的蒸发温度t 0,冷凝温度t k ,系统内制冷循环量G r ,压缩机的理论输气量V p ,冷凝器排热量Q e ,冷凝器的冷凝面积F 1,蒸发器的蒸发面积F 2,压缩机、冷凝器和蒸发器的电功率Pe 11、Pe 12、Pe 13,冷凝器的对数传热温差Δt m 和年总费用E (元/年)。

E =T 7.56V P λV λP P 0KK -11.22P k P 0K K -1-1Z ′2Z ′1+5 10410-4Zel +431.65+89.29F 1+1333.33F 2+tC e 2.80V P λV λP P 0KK -11.22P k P 0KK -1-1Z ′2Z ′1+5 10410-4Z el+12.5F 1+6.87F 2(3)式中　V P ——制冷压缩机的理论输气量,m 3/h;λV ——制冷压缩机的容积输气系数;Z ′2——实际气体在排气状态下的压缩因子;λP ——制冷压缩机的压力输气系数;Z ′1——实际气体在吸气状态下的压缩因子;P 0——蒸发压力,M Pa;Z el ——制冷压缩机的电效率;K ——制冷剂的绝热指数;F 1——冷凝器冷凝面积,m 2;P k ——冷凝压力,M Pa;F 2——蒸发器的蒸发面积。

微型节能冷库专用设备的冷凝系统主要为风冷式配置,冷凝程度完全与否,直接决定系统的制冷效果,现以冷凝器优化设计为例,分析不同地区、不同环境条件下的微型冷库专用设备的优化设计。

研究结果表明:冷凝温度与折旧率、电价、进风温度、年工作时数的关系,分别为①冷凝温度与冷凝器的进风温度呈直线关系,直线的斜率接近45°,当t i =20℃时、t k =31.6℃,和t i =30℃时、t k =41.6℃时,温差都是11.6℃。

在一定冷凝温度条件下,由于制冷压缩机组的制冷量反比于冷凝温度,而当果蔬贮藏品种固定时,库温是定值,也表明蒸发器内制冷剂的蒸发温度不变。

于是,制冷压缩机组的制冷量随冷凝温度降低而增加。

②年折旧百分数与冷凝温度成正比关系,直线斜率约45°。

③电价与冷凝温度成负相关。

④年工作时数与冷凝温度成负相关。

因此,我国南方和北方制冷机冷量配置是有区别的,南方冷库的制冷机的冷凝面积匹配大于北方。

另外,多数果品冷库在9月份后才开始使用,环境温度低,也不能按常规的方法配置。

以天津地区为例,微型冷库全封闭分体式专用设备的优化设计参数如表1。

表1　微型冷库专用设备的优化参数Table 1　Th e o ptimal pa ram eters o f th e equipments for mini co ld stor age roo m库容/m 3耗冷量/W 冷凝温度/℃冷凝器进风温度/℃蒸发温度/℃库温/℃冷风机蒸发面积/m 2冷凝器冷凝面积/m 2120866836.826-836.6536.14　注:1.风机风量32600m 3/h;2.融霜电加热器功率 4.6kW;3.热力膨胀阀Dg 3FPF;4.工质R 22;5.电磁阀Υ12。

3　制冷设备控制系统的计算机远程诊断优化设计3.1　系统组成整个系统由上位机和下位机2部分组成。

上位机设在企业服务中心(设备厂或基地办事处),由PC 机、标准调制解调器及管理软件组成。

下位机一般设在用户微型冷库机位上,也可在用户家中,由配备调89　第3期李喜宏等:微型冷库的优化设计研究制解调器芯片及通信接口的一套单片微机控制电路、传感器组成。

上下位机组成一套完整的网络管理的软硬件系统,对用户设备进行控制、调试、监测、诊断和升级等。

主要信息采集包括:制冷压缩机、冷凝器风扇电机、蒸发器风扇电机、除霜加热电路和单片微机控制板(北方地区冬季)局部加热装置等。

3.2　下位机设计下位机正面为工作窗口界面,背面设置远程调节位、常规运行位和现场硬设位3个档位。

当下位机处于硬设位时,用户可以对窗口工具栏任一参数指标进行强性显示或硬设。

也可以点击存储器中的专家预设值(1～16个菜单属性),包括最佳贮藏温度,阈值温度上下限等运行参数。

3.3　下位机的运行程序下位机正常运行时每小时采样读取一次,通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号,并且随时把最后24h或最后24次工作状态及故障参数储存于存储器(黑匣子)中,当上位机与下位机处于通信状态时(联机),下位机的通信接口与电话线路相连,将各参数送到上位机。

包括库温、果温、蒸发温度、冷凝温度和环境温度、电压相距等数据参数,控制并保护设备正常工作,如图1。

3.4　上位机设计由一组可连选号的中继电话线,配有局域网和调制解调器的计算机构成的企业网管中心组成。

可利用电话线路对任一远端用户下位机内所储存的数据参数读取与修改,并可临时操纵设备的运行,在运行中测试设备的各相关数据。

在上位机内编辑一中文界面的数据→技术术语自动转换软件嵌套在一套可自动运行的远程诊断检测执行文件中,另一平行可执行文件是一个可传送升级软件包的运行程序,上述文件的执行是在两级密钥管理文件下进行的。

1级密钥:在一般情况下,经授权的企业网管中心技术人员可通过一级密钥打开用户的数据缓存区,进行数据的读取检测等工作。

2级密钥:只有企业网管中心高级技术人员才可通过二级密钥打开用户的程序存储区,对设备的运行程序进行修改、升级等工作。

3.5　远程诊断系统的应用分析该系统经9个月老化、疲劳控制试验和5个月模拟应用试验,在-18℃～45℃的使用环境温度条件下,下位机工作中各项技术参数的采集、读取、数图1　下位机程序运行技术框图Fig.1　T he co mputer fo r userpro g ramme mov ing systems scheme字信号转换、输出等均达到设计和用户使用要求。