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美国和加拿大冷库操作调节中的节能技术研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-10-30  来源:中国冷凝器网  浏览次数:566

  由国家留学基金委员会资助,本人以访问学者的身份,于1998年10月赴美国普度(Purdue)大学海立克实验中心(HerrickLaboratories)留学一年。这一年中,本人提出了“美国和加拿大冷库制冷装置节能调研”的研究课题。该课ofRefrigeratedWarehouses(IARW)的大力支持和资助。通过问卷调查和实地考察,对美国和加拿大的公用冷库制冷装置节能现状进行调查。被调查的冷库均为IARW成员。共收回调查表62份。其中加拿大4份,58份来自美国的20个州。1999年6-7月间对美国四个城市(Chicago,LosAngles,Lafayette,WestLafayette)的14个冷库进行了实地考察。根据收集的资料,撰写了该课题的研究报告(全文40页,已提交国际冷藏库协会)。该研究报告已列人普度大学海立克HerrickLaboratories实验中心的研究报告系列,编号HL99- 14-220,本文根据问卷和实地调查结果,结合我国冷藏库制冷装置的现状,介绍和分析美国和加拿大冷藏库操作调节中的节能技术及其动态,着重剖析可供我国制冷行业借鉴的节能技术要点。

  2食品冻结操作中的节能冻结是食品冷加工的主要方式。冻结过程中食品中的大部分水转化为冰,放出大量的潜热。因此,冻结过程需要的制冷量大,消耗的能量大,节能潜力也大。根据本次调查,美国和加拿大的公用冷库在冻结中的节能技术有下列几方面。

  2.1鼓风冻结中风机的调节美国的肉类冻结普遍采用予冷后冻结。其工序是白条肉先进人冷却间,经20-24小时冷却,中心温度达到4.4丈(40°卩)。然后分割、剔骨、包装,装箱后进入冻结间。冻结有各种方式,在调查的62个冷库中,43个具有冻结设施,其冻结方式见表1.由表1可见,鼓风冻结是其最主要的冻结方式。

  为了保证良好的传热效果,要求冷空气流过冻品的速度较高。W推荐的风速为2-4米/秒。根据本次调查,美国冷库中鼓风冻结的风速为2.54~6.1米/秒,个别达到10.2米/秒,各冷库的差别较大。由于风速高,风量大,风机的能耗在冻结总能耗中占了相当的比例。根据能量平衡,风机消耗的电能将转化为热能。

  这些热量需要制冷从冻结间中移出。因此,减少风机的功耗一方面减少了风机的能耗,另一方面减少了制冷的能耗。

  有两种方式可减少风机的能耗。其一是调节运行风机的台数。当冻结热负荷减少,冻结间中的一部分风机可以停止运行。其二是降低冻结间中风机的转速。根据风机运算公式,输人风机的功率为风机转速的三次方。当风机运行状态由1变为2时,其功率和转速的关系可用下式表示。

  脚1和2表示状态。由式1可见,风机速度增加10%,其功率将增大33%.反之,稍微降低风机的转速,将使风机的功耗明显下降。本次调查发现,部分美国冷库已经采用了调节风机的节能方法。表2是42个采用鼓风冻结的冷库中风机调节的情况。投资,容易实现,这种方法可供我国借鉴。现役冻结间和新设计的冻结间都可采用这种方法。调节风机的转速需要双速风机或变速装置,需要增加投资。如果冻结间的利用率高,节能的效益较高,则投资的回收期就短。因此,调节风机转速的节能效益,主要取决于冻结间的利用率和当地电价。对于一个具体的冻结装置,可以通过技术经济分析确定。

  2.2冻结过程的终止冻结过程中食品放出大量的潜热,需投人较多的压缩机,并长时间运行。在所调查的43个具有冻结设施的冷库中,冻结时间如表3所示。由表3可见,在美国冻结装置中冻结时间比我国长。分析其原因主要有两方面。一是食品均采用装箱后冻结,热阻增大;二是冻品的尺寸太大。在实地考察的几个冷库中,冻品均采用叉车运送以整个托盘的方式,送人鼓风冻结间冻结f显然,若食品温度达到要求,而冻结过程没有及时终止,将造成不必要的能耗。43个冷库实际采用的终止冻结过程的方式有三种:人工、借助定时器和测量食品温度(表4)。

  表2风机的调节(42个厂)调节风机的数目调节风机的速度无调节厂数10(23.8%)6(14.3%)26(61.9%)显然,调节风机的台数基本上不需要增加表3冻结时间(43个厂)冻结时间(小时)8-2836表4冻结过程的终止(43个厂)手动时间控制器测量冻品温度没回答厂数(个)据现场考察了解,采用测量食品温度的终止冻结过程的方法效果良好。具体做法是冻结前将温度传感器置于箱装冻品的箱子之间。当温度达到设定值时,自动终止冻结过程我国许多冷冻厂在食品冻结中,往往是凭时间加经验来终止冻结过程。美国冷库实际采用的终止冻结过程的方法可供我国。根据我国的情况,如何及时终止冻结过程值得进一步研究。

  3冷凝器系统的调节在理论制冷循环中,只有压缩机的压缩过程耗功。对于实际制冷装置,冷凝器和冷却系统的冷却塔风机、水泵,运行中消耗大量电能。

  故冷凝器和冷却系统的调节是制冷装置节能中重要的一环。

  2000坪中食英冷钭M大含f冷减怙3奢装备雁含‘’论太3.1冷凝器和冷却系统的风机和水泵的调节选择不同的冷凝器型式,其水泵、风机的能耗不同。对于风冷式冷凝器,只需要风机。但其空气流量比蒸发式冷凝器大四倍。对于采用冷却水的水冷式冷凝器,冷却塔风机和水泵均消耗电能。本次调查发现,美国冷库中普遍采用蒸发式冷凝器(表5)。由于蒸发式冷凝器的水流量仅为水冷式的10%,水泵的能耗可以明显减少。

  表5冷凝器(62个厂)立式卧式蒸发式空气冷却板式厂数(个)显然,为了满足制冷装置的最大负荷,冷凝器和冷却系统总是按最大负荷设计配备。在实际运行中,部分负荷在全年中通常占很大的比例。例如,在冷库中冻结装置的制冷量数倍于冷藏的制冷量,而冻结装置的全年利用率通常较低。理论上采用较大的冷凝面积可以减小传热温差,使冷凝温度降低。但考虑了风机、水泵运行中的电耗,当制冷装置处于部分负荷时,冷凝器和冷却系统应当加以调节。这应当在冷凝器和冷却系统设计时就加以考虑。对62个厂的调查结果见表6.表6冷却水系统中风机的调节(62个厂)风机开停双速风机双速水泵变频风机厂数(个)表7冷凝器台数和水泵台数的实际配置情况(62个厂)冷凝器的台数123>3没回答厂数82114153水泵的台数123>3没回答厂数21241826由表6可见,美国许多冷库中已经注意到冷却系统的调节问题。有54个厂采用了风机开停调节,有12个厂采用了双速风机。冷却水系统的卸载调节涉及冷凝器的台数和水泵的台数。表7为62个厂的冷凝器和水泵实际配置情况。对于给定的制冷量,冷凝器和水泵的台数越多,初投资越大。这一方面是大容量设备的单位价格较低。另一方面,增加冷凝器和水泵的台数必然增加阀门和管道的投资。选择较少的台数可以减少初投资。但部分负荷运行时,冷却水系统卸载调节的范围就小。

  因此,对于负荷变化大的制冷装置,设计时有两种选择。一是采用较多的风机和水泵台数,便于卸载调节。另一种是采用较少的台数,配备变速风机或变速水泵。应该说明,美国市场上最新的蒸发式冷凝器产品已经配备了变频调速装置,如Vilter公司的VSA和VSC系列产品。这说明一般情况下后一种方案较合理,可。106.供我国制冷行业借鉴。对于现役制冷装置,如果全年低负荷运行的时间相当长,可以考虑采用变频装置对风机或水泵进行调速。由于部分负荷的现象十分普遍,冷却水系统调节的节能潜力值得进一步研究。

  3.2冷凝压力的调节控制理论制冷循环中的冷凝压力越低越好。冷凝压力低使循环的压缩比降低,制冷系数提高。对于一套实际的制冷装置,当冷凝压力大大低于设计值时,设计时配备的节流装置可能无法2000年中舍品冷链丈含冷链硷套装备暴5:含“论i集正常工作。造成制冷效果下降,运行时间增加,能耗增大。因此,在寒冬季节或其它原因造成冷凝压力太低时,就需要对冷凝压力进行某种形式的调节控制。

  本次调查发现,不少美国冷库配备了冷凝器水调节阐(Condensingwaterregulators)。阀有两种形式,一种是直接减少流通的水量。另一种是三通式借助旁通回路减少进人冷凝器的水量。这两种形式都采用冷凝压力直接调节阀的开启度。美国冷库配备的另一类冷凝压力调节装置是冷凝器压力调节阀(Condenserpressureregulator)。其工作原理是当冷凝压力太低时,将排气压力直接引人高压贮液器,使节流装置前维持一定的工作压力。其中一种三通式冷凝器压力调节阀,在启动过程中,可以暂时关断冷凝器至高压贮液器的通道,使节流装置前的工作压力迅速升高到要求值。详细可参见显然,对于直接膨胀供液系统,冷凝压力的调节控制的十分重要。对于泵循环供液系统,当循环桶采用浮球阀或液位自动控制器时,冷凝压力的下降影响较小。调查发现,美国冷库中采用直接膨胀供液系统占有相当的比例。在62个厂,有24个厂有直接膨胀供液系统,其中有些只用于封闭月台的冷风机。这大约是不少美国冷库中采用冷凝器水调节阀和冷凝器压力调节阀的主要原因。

  4压缩机和制冷系统的调节实际制冷装置的负荷不断变化,故需要不断调节制冷装置,使之处于最佳工作状态。我国的工业制冷装置大多仍采用人工调节,调节的工作量大,机房需要24小时值班。即使操作人员有较高的技术水平和较强的责任心,人工调节也难于做到及时和准确。美国冷库制冷装置广泛采用了自动控制。目前的活塞式和螺杆式压缩机产品均配备了以微处理器为基础的电子控制器。针对配备机电控制器的现役压缩机,制造厂开发了各种电子控制器。例如一种电子控制器,GrassoMonitronCR,其外形尺寸仅242x98x55,可用于单级或双级活塞式压缩机。屏幕可同时显示8个参数,包括温度、压力、负荷、运行时间等。它可以根据蒸发压力或其它设定参数进行启动、停机、容量控制和安全控制。温度、压力、电机电流、电机温度。报警时的工况参数可自动存储,便于故障分析。通过一个变换器还可以实现与微机之间的数据传输。

  针对现有产品基本上配备了微处理控制器,美国许多制造厂开发了冷库计算机中心控制系统,具有强大的功能。例如Frick和Vilter公司开发的中心控制系统,既可以显示全系统的流程和运行状态,又可以逐一显示各个部分(如高压部分、低压部分、冻结部分)的运行状态,还可以显示每台设备的运行状态和运行参数。中心控制系统可以存储制冷系统所有的运行参数,供进一步分析。需要时可存储全年的所有运行参数。通过电话线和调制解调器可以对系统进行远距离的监控。可选择的功能还有:当室温达到要求时停止冷风机的风机运行、系统最大电力负荷控制等。

  笔者参观了位于洛杉矶的USGROWERSColdStorage公司的-个新厂。该厂建于1997年,采用计算机中心控制系统。计算机屏幕上直接显示了系统的彩色流程图。所有压缩机、泵、风机的运行状态,包括阀门的启闭状态均直观显示。所有设备均采用彩色立体效果图,同时显示了运动部分的运动,人机控制界面非常形象生动。控制系统采用菜单和鼠标双重控制。用鼠标点击某具体设备时,可以直接显示该机器或设备的放大图和所有运行参数。各运行参数随时间的变化可以用曲线的形式表示,便于直观分析。所有控制参数的控制值可随时修改,可以打印出来。

  5电力负荷的控制在冷库的营运中,除了员工的工资外,最大的开支是能源费。对于大多数冷库,能源形式。107. 2000年中图食甚冷怙大含暨冷藏链套装备展矛含“论i集‘是电能。因此,节电直接关系到制冷企业的效益。美国的电力公司较多,市场竞争激烈,各公司推出不同的收费政策吸引客户。常用的两种基本电价是峰谷分时电价(TimeofDayPricing)和年度季节电价(TimeofYearPricing)。收费分为用电量收费和实际最大电力负荷收费(Demandcharges)。

  采用专门的最大电力负荷记录器(Demandregister),按每15或30分钟间隔连续记录最大电力负荷。取全月中的最大值作为负荷收费标准。据IARW统计,美国冷库中该项收费占总电费的1/4~ 1/3.因此,美国冷库中十分注意控制电力负荷的高峰。

  美国冷库中的用电高峰为11:30 ~15:00.任何减少该时段负荷的措施均可以降低企业电力负荷的峰值。为此,美国冷库中采用了专门的“削峰控制器”(ff-peakrider)。其原理是将电力负荷按重要性分类,把非即刻必需的负荷从高峰时段移到低谷时段。控制器可以设定电力负荷的低谷时段,工作日通常为22:00~6:00,周末(周六和周日)和特定的节假日则全天为低谷时段。

  对于采用计算机控制的系统,均配备有借助电池的实时时钟,可以很容易地控制运行时段。例如电动叉车的充电负荷可以设定在所有员工下班,照明负荷切断之后。在洛杉矶的USGROWERSColdStorage公司,每周打印一次电力负荷曲线。对一周的用电进行分析。曲线图纵坐标为电力负荷(kW),每15分钟记录一次。

  横坐标为日期,周六~周五。

  表8功率因素和电容器(62个厂)无电容器有电容器没回答厂数(个)功率因素注:没有采用功率因数补偿时功率因数难于达到0.85以上,可能有误。

  对于功率因数低的用户,几乎所有美国电力公司都加收惩罚费。但根据本次调查,美国许多冷库对功率因数问题似乎还不够重视。所调查的许多冷库没有采用功率因数补偿措施(表8)。在现场考察中,许多厂的工程师不了解本厂的功率因数。据美国的调查,没有采用功率因数补偿的工厂一般功率因数为0.7 ~0.8.美国各地发电的能源不同,一次能源有水力、核能、天然气和煤。因此各地电力价格差别较大。本次调查的冷库涉及美国20个州,电力价格最低的在华盛顿州为2.1美分/千瓦时,最高的加利福尼亚州为13美分/千瓦时。

  6结论根据对美国和加拿大62个公用冷库的调查和实地考察,美国和加拿大冷藏库的操作调节中,有许多节能技术可供我国制冷行业借鉴。

  上述的节能技术和动态如何与我国的国情相结合,在我国的制冷装置的操作调节中得到应用,值得我国制冷工作者深人研究。

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