CN1948873A - 差压预冷风机运行优化控制方法 - Google Patents

Abstract

一种制冷技术领域的差压预冷风机运行优化控制方法。本发明采用的部件包括触摸屏、微处理器、变频器、风机、温度传感器，其中，触摸屏实现人机交互，完成基本参数的输入；微处理器接收触摸屏输入参数和温度传感器反馈参数，进行优化计算，输出即时最优的风机运行频率；变频器接收微处理器输出风机运行频率，控制风机按优化的频率运行；风机在变频器控制下按既定的频率运行；温度传感器反馈预冷过程中产品温度实际的下降过程，修正计算与实际产生的偏差。本发明采用风机运转控制方式，有益效果为：最大程度的降低风机能量消耗，提高预冷速率。风机能量消耗可降低10％－50％，预冷时间可缩短1％－3％。

Description

差压预冷风机运行优化控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种制冷技术领域的控制方法，具体地说，是一种差压预冷风机运行优化控制方法。

背景技术

预冷是冷藏链工程中的第一环节，也是极其重要的一个环节。研究表明，在整个冷藏链中，不经预冷处理的果蔬在流通中损失约为25％-30％，而经预冷处理的果蔬其损失率仅为5％-10％，目前，我国果蔬种植面积达2.7亿亩，果蔬产量达4.86亿吨，已跃居世界第一，每年因冷链工程的不完善而造成巨大的经济损失。

空气预冷是利用冷空气的强制对流来实现果蔬冷却的预冷方法，根据气流是否有组织地流过而分为强制通风预冷和差压预冷两种形式。强制通风预冷是较早采用的一种冷却方式，它是将果蔬放置在高温冷藏库内，利用通风机将冷空气强制流过果蔬表面的冷却方法，该方法简单易行，费用低，但果蔬的干耗大、冷却速度慢(预冷周期一般为12～24小时)且温度分布不均匀，容易出现冻害。差压预冷是空气预冷的一种新形式，它是利用差压风机的抽吸作用，在包装容器的两侧形成一定的压力差，使冷空气经包装容器上的通风孔强制通过包装容器内部，与果蔬表面直接进行换热，从而使物品快速、均匀地冷却到工艺要求的温度范围的预冷方法。

预冷过程是一个动态的过程，是制冷***冷量输出与货物冷却冷量消耗和风机冷量消耗相互匹配的一个过程，风机冷量消耗与风机运转频率的3次方成正比，不同的预冷工况，风机也应在不同的运转频率下工作。差压风机变频运转是制冷***冷量输出与货物冷却冷量消耗匹配的最优桥梁。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利(申请)号为200520025468.2的“微型节能压差预冷库”的专利，该专利涉及差压风量的调整，该风量变化是通过一个风阀的调节完成，没有利用风机变频的方式调整风量。在进一步的检索中，均没有发现有涉及风机运转控制方式的文献报道。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种差压预冷风机运行优化控制方法，使其最大程度的降低风机能量消耗，提高预冷速率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用的部件包括触摸屏、微处理器、变频器、风机、温度传感器，其中，触摸屏实现人机交互，完成基本参数的输入；微处理器接收触摸屏输入参数和温度传感器反馈参数，进行优化计算，输出即时最优的风机运行频率；变频器接收微处理器输出风机运行频率，控制风机按优化的频率运行；风机在变频器控制下按既定的频率运行；温度传感器反馈预冷过程中产品温度实际的下降过程，修正计算与实际产生的偏差。

所述的触摸屏，主要完成N_stack、N_col、N_raw、N_layer、R_B、ΔP_标、Q_{标_风机}、Q_{标_制冷}机八个基本参数的输入，其中：

R_B：货箱通风面开孔率

N_stack：独立堆数

N_col：垂直风向货箱叠放行数

N_raw：货箱码放列数

N_layer：每堆货物层数

ΔP_标：风机的最大风压Pa

Q_{标_风机}：风机的额定功率

Q_{标_制冷机}：制冷机的额定制冷能力w

所述的微处理器，其优化计算的原理为：差压风机运转是制冷***冷量输出与货物冷却冷量消耗匹配的一个桥梁，但由于风机运转自身消耗能量，制冷***冷量的输出Q_cool必须等于货物冷却放出的热量Q_{heat_货物}与风机运转发热量Q_{heat_风机}之和，即：

Q_cool＝Q_{heat_货物}+Q_{heat_风机}                                       (1)

由于风机能量的消耗与风机转速的3次方关系成正比，风机能量消耗在***能量消耗中占有重要的比例，提高风机转速，增加风的流通量，可降低***换热温差，从而提高制冷***的冷量输出能力，但同时也增加了风机功率消耗；降低风机转速，降低了风机功率消耗，但同时也减小风的流通量，加大***换热温差，减小了制冷***的冷量输出能力。所以在预冷过程中风机运行存在经济转速，而不是固定不变的。

若要保持货物最快的冷却速率和最低的能量消耗，则风机应在预冷过程中每一时刻都能在最大的货物放热量Q_cool下工作：

Max(Q_cool)|₀ ⁵⁰                                               (2)

其中：|₀ ⁵⁰表示风机运转频率在0-50赫兹范围内

这也是差压预冷风机运行优化控制基本原理。

本发明采用风机运转控制方式，有益效果为：差压预冷风机变频优化运行可最大程度的降低风机能量消耗，提高预冷速率；预冷过程中，风机变频优化运行方法较风机标况运行方法风机能量消耗可降低10％-50％，预冷时间可缩短1％-3％。

附图说明

图1为差压预冷风机运行能量转移图

图2为差压预冷风机优化运行***图，其中包括触摸屏1，微处理器2，变频器3，风机4和温度传感器5。

图3为差压预冷风机传统运行结果

图4为差压预冷风机优化运行结果

具体实施方式

如图1所示，预冷过程是一个动态的平衡过程，是制冷***冷量输出与货物冷却冷量消耗和风机冷量消耗相互匹配的一个过程。差压风机运转是制冷***冷量输出与货物冷却冷量消耗匹配的一个桥梁，但由于风机运转自身消耗能量，按照能量守恒的原则，制冷***冷量的输出Q_cool必须等于货物冷却放出的热量Q_{heat_货物}与风机运转发热量Q_{heat_风机}之和。预冷过程中，在不减小货物冷却冷量消耗速率的前提下，最大程度的降低风机能量消耗，则可提高制冷***冷量利用率，降低***能量消耗，提高预冷速率，这是差压风机变频运行优化的基本方法。

如图2所示，实施差压风机优化运行的装置***由触摸屏1、微处理器2、变频器3、风机4、温度传感器5组成。触摸屏1与微处理器2相接，微处理器2与变频器3相接，变频器3与风机4相接，温度传感器5与微处理器2相接。触摸屏1实现人机交互，完成基本参数的输入；微处理器2接收触摸屏输入参数和温度传感器反馈参数，进行优化计算，输出即时最优的风机运行频率；变频器3接收微处理器输出风机运行频率，控制风机按优化的频率运行；风机4在变频器控制按既定的频率运行；温度传感器5反馈预冷过程中产品温度实际的下降过程，修正计算与实际产生的偏差。

所述的触摸屏1主要完成N_stack、N_col、N_raw、N_layer、R_B、ΔP_标、Q_{标_风机}、Q_{标_制冷}机八个基本参数的输入。

所述的微处理器2，优化计算具体方程组为：

①差压预冷过程中冷风与果蔬间的瞬态换热速率计算公式为：

其中：

冷风与果蔬间的瞬态换热速率w

ΔP货箱迎风面与背风面的压力差Pa

ΔT：冷风与果蔬间的平均温差K

令：

$K=24.28\·{\left(\frac{1}{N_{\mathrm{col}}}\right)}^{0.342}\·[1-\exp (-16.875\·R_B)]\·[1-\exp (-0.675N_{\mathrm{col}})]\·N_{\mathrm{raw}}\·N_{\mathrm{layer}}\·N_{\mathrm{stack}}...\left(4\right)$

得：

②风机频率与风压的关系方程

其中：Hz：风机运行的频率

③风机运行能量消耗计算公式

其中：Q_{标_风机}：风机的额定功率

④制冷***产出的瞬态冷量计算公式

其中：t_C：制冷***蒸发温度

制冷机瞬态供冷速率w

⑤温度与温差间的计算公式

t_C+ΔT_E＝t_G-ΔT                                              (9)

其中：t_G：预冷货物温度℃

ΔT_E：制冷***冷风机换热温差K

⑥制冷***冷风机换热温差计算公式

${\mathrm{\ΔT}}_E=\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{cool}}}{A\·\mathrm{\α}}...\left(10\right)$

其中：A：制冷***冷风机总换热面积

α：制冷***冷风机表面换热系数

⑦货品温度计算公式

其中：t₀：货物初温℃

t：预冷时间s

⑧能量守恒方程

⑨风机优化运行方程

式(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)构成了预过程各参数间函数关系方程组，是风机优化运行的基本方程组。

其次：建立方程组的求解方法：

方程组中有 ΔP、ΔT、Hz、

t_G、ΔT_E九个未知数，9个方程。

方程组的求解是通过计算机迭代完成的，具体为：

①把时间分成若干个时间步长，在每一时间步长中，认为预冷过程中各参数保持不变；

②在一个时间步长中，把风机频率分成若干个频率步长，利用式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)计算0-50HZ中每个频率下的各参数值。

③应用公式(9)确定该步长中风机应该运行的最小频率。

④当计算发现产品温度下降至既定温度，连接每个时间步长下的风机运行频率，即得该预冷工况条件下风机优化运行的曲线。

所述的温度传感器5反馈预冷过程中产品温度实际的下降过程，修正计算与实际产生的偏差。具体修改方法为修改优化方程组中的公式(8)，公式(8)变为：

其中：t_pt：为温度传感器实际测量温度。

以下结合本发明的技术方案提供实施例：

应用本发明方法编制了预冷风机优化运行计算程序，预冷对象与预冷条件如下表1

   表1：预冷对象与预冷装置条件

预冷货物对象	番茄
		预冷货物总量(kg)	1000
独立堆数Nstac	1
		垂直风向货箱叠放行数Ncol	1
货箱码放列数Nraw	6

每堆货物层数Nlayer	4
		预冷货物初温(℃)	32
制冷机额定制冷量(W)	3500
		风机最大风压(Pa)	300
风机额定功率(W)	1100

图3、图4分别为预冷风机传统运行与风机优化运行计算结果，两图比较可知：在上述预冷对象与预冷装置条件下，风机传统运行预冷时间需要6小时，而风机优化运行预冷时间只需5.7小时；风机传统运行模式下，风机运行频率为50Hz，预冷过程中风机总消耗能量为6.6kwh，风机在优化运行模式下，风机运行频率平均约25Hz，因风机功率消耗与频率的3次方成正比，优化预冷过程中风机总消耗能量仅为0.825kwh。可见预冷过程中风机运行优化控制不仅大大节约了能量消耗，还能提高预冷速率。

Claims (4)

1、一种差压预冷风机运行优化控制方法，其特征在于：采用的部件包括触摸屏、微处理器、变频器、风机、温度传感器，其中，触摸屏实现人机交互，完成基本参数的输入；微处理器接收触摸屏输入参数和温度传感器反馈参数，进行优化计算，输出即时最优的风机运行频率；变频器接收微处理器输出风机运行频率，控制风机按优化的频率运行；风机在变频器控制下按既定的频率运行；温度传感器反馈预冷过程中产品温度实际的下降过程，修正计算与实际产生的偏差；所述的微处理器，其优化计算方程组具体为：

(1)差压预冷过程中冷风与果蔬间的瞬态换热速率计算公式为：

其中： 为冷风与果蔬间的瞬态换热速率w，ΔP为货箱迎风面与背风面的压力差Pa，ΔT为冷风与果蔬间的平均温差K，令：

$K=24.28\·{\left(\frac{1}{N_{\mathrm{col}}}\right)}^{0.342}\·[1-\exp (-16.875\·R_B)]\·[1-\exp \left({-0.675N}_{\mathrm{col}}\right)]\·N_{\mathrm{raw}}\·N_{\mathrm{layer}}\·N_{\mathrm{stack}}$

得：

(2)风机频率与风压的关系方程

其中：Hz为风机运行的频率；

(3)风机运行能量消耗计算公式

其中：Q_{标_风机}为风机的额定功率；

(4)制冷***产出的瞬态冷量计算公式

其中：t_C为制冷***蒸发温度， 为制冷机

瞬态供冷速率w；

(5)温度与温差间的计算公式

t_C+ΔT_E＝t_G-ΔT  ，其中：t_G为预冷货物温度℃，ΔT_E为制冷***冷风机换热温差K；

(6)制冷***冷风机换热温差计算公式

$\mathrm{\Δ}{T}_E=\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{cool}}}{A\·\mathrm{\α}}$ 其中：A为制冷***冷风机总换热面积，α为制冷***冷风机表面换热系数；

(7)货品温度计算公式

其中：t₀为货物初温℃，t为预冷时间s；

(8)能量守恒方程

(9)风机优化运行方程

2、根据权利要求1所述的差压预冷风机运行优化控制方法，其特征是，所述的触摸屏，完成N_stack、N_col、N_raw、N_layer、R_B、ΔP_标、Q_{标_风机}、Q_{标_制冷机}八个基本参数的输入，其中：R_B为货箱通风面开孔率，N_stack为独立堆数，N_col为垂直风向货箱叠放行数，N_raw为货箱码放列数，N_layer为每堆货物层数，Δ_P标为风机的最大风压Pa，Q_{标_风机}为风机的额定功率，Q_{标_制冷机}为制冷机的额定制冷能力w。

3、根据权利要求1所述的差压预冷风机运行优化控制方法，其特征是，所述的方程组，其求解是通过计算机迭代完成的，具体为：

①把时间分成若干个时间步长，在每一时间步长中，认为预冷过程中各参数保持不变；

②在一个时间步长中，把风机频率分成若干个频率步长，利用公式计算0-50HZ中每个频率下的各参数值。

③应用公式确定该步长中风机应该运行的最小频率；

④当计算发现产品温度下降至既定温度，连接每个时间步长下的风机运行频率，即得该预冷工况条件下风机优化运行的曲线。

4、根据权利要求1所述的差压预冷风机运行优化控制方法，其特征是，所述的温度传感器，修正计算与实际产生的偏差，具体修改方法为：

将公式

其中：t_C：制冷***蒸发温度，

制冷机

瞬态供冷速率；

变为：

其中：t_pt为温度传感器实际测量温度。

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