氣調集裝箱系統的熱力負荷及運行特性分析

丁錦宏，章學來

（上海海事大學商船學院，上海 201306）

氣調集裝箱系統的熱力負荷及運行特性分析

丁錦宏*，章學來**

（上海海事大學商船學院，上海 201306）

氣調集裝箱能在食品運輸過程中控制箱內的濕度、溫度及各氣體濃度，為食品貯藏提供最佳環境，以此延長食品的貨架期，其中的核心是集裝箱熱力系統。本文通過熱力學方法來計算熱力負荷及分析影響氣調集裝箱內溫度的各種因素，同時也對集裝箱制冷系統的工作特性進行綜合分析，得出系統在變工況制冷循環下的各種?損失，并指出壓縮機的中等轉速區域（800 r/min～1,200 r/min）為制冷機組的最高機械效率區。為此類集裝箱的設計提供了提高效能的理論依據，并提出一些技術措施提高制冷設備工作效率、降低能耗。

集裝箱；氣調；熱力分析；?；節能

0　引言

氣調保鮮集裝箱是運用人工制冷制造低溫環境和調節氣體介質成分的方法，使新鮮果蔬處于最佳貯藏狀態，保持原有品質，減少貯藏損失，抑制果蔬生理病害，延長貯藏期貨架期，并可靈活、可靠、方便地將其運送到世界各地的特殊集裝箱。文獻［1-4］對冷藏氣調保鮮溫度、濕度、氧氣濃度、二氧化碳濃度做了大量實驗，證明在低溫貯藏的基礎上調節空氣二氧化碳、氧氣的含量，即改變貯藏環境的氣體成份，是保存果蔬的有效途徑。降低氧氣的含量至（3～5）%，增加二氧化碳含量到（0～4）%，能保持果蔬的新鮮度，減少損失，且保鮮期長、無污染。與冷藏相比，冷藏氣調保鮮技術更具優勢。

通過氣調與制冷技術結合，能把果蔬和鮮花等貨物始終保持在各自最佳低溫狀態，將食物腐爛率從20%降低至10%及以下，文獻［5］指出近年來氣調貯藏保鮮技術已成為世界各國所公認的一種先進的果蔬貯藏方法。

通過上述了解，現階段大多數學者對氣調比例進行研究，而本文側重點在于計算保鮮集裝箱的負荷計算及運行分析。采用穩態計算，計算出氣調集裝箱負荷，為設備選型提供理論依據，同時，分析了影響負荷中的各個參數。針對氣調集裝箱工作特點，為了降低能耗，制冷系統可采用變工況循環過程，應用高等工程熱力學知識分析循環中各種?損失。

1　氣調保鮮集裝箱的熱力構成

氣調保鮮集裝箱的熱力系統是指調節箱體內熱力參數的熱力系統，氣調很重要，但它需在一定的低溫條件下進行的，因此箱內的溫度對果蔬的貯藏期限有很大影響。為保證一定的低溫，氣調保鮮集裝箱一般采用獨立的制冷系統，如圖1。

圖1　集裝箱熱力系統結構圖

目前大多數小型制冷裝置一般使用的是蒸氣壓縮制冷循環，其熱力系統包括制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流閥、儲液器、壓力控制器和氣液分離器等部件組成。如圖2所示，它們之間通過管道組成了一個封閉系統，制冷劑在蒸發器中吸收被冷卻物體的熱量后，汽化后進入氣液分離器，而干飽和蒸氣被送入壓縮機。氣態制冷劑經過干燥過濾器干燥后，被壓縮機吸入壓縮成高溫高壓的蒸氣后排入冷凝器，在冷凝器中向外界放熱，冷凝成高壓液體，經儲液器、氣液分離器和干燥過濾器后再進入節流閥成為低溫低壓的液態或氣液混合制冷劑，液態制冷劑再次進入蒸發器吸熱汽化，達到制冷循環的目的。

圖2　制冷系統循環原理圖

2　氣調集裝箱冷負荷分析及計算

2.1冷箱熱工機理負荷分析

謝培志等［6］和彭春方等［7］研究表明冷藏集裝箱受到的熱作用隨地理位置、季節、晝夜和其他情況的不同而熱力負荷隨之變化的。因此，真正的穩態條件是不存在的。甘為等［8］和陳新波等［9］認為，如果把某個周期內的平均外部溫度作為固定的數值，研究得到隔熱壁的穩態傳熱熱工性能計算式是基本符合要求的，并且還大大簡化計算工作。

2.2影響集裝箱內溫度的各種因素

2.2.1氣調保鮮集裝箱圍壁導熱參數

根據我國與國際聯運的冷藏箱型號，中間隔熱板的隔熱材料目前廣泛采用聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯泡沫塑料。聚苯乙烯泡沫塑料的密度為（26～31）kg/m3，導熱系數為（0.028～0.033）W/（m·K），其溫度范圍為（-81～74）℃。聚氨酯泡沫塑料的密度為（45～65）kg/m3，導熱系數為（0.022～0.029）W/（m·K），其溫度范圍為（-55～115）℃。

2.2.2氣調保鮮集裝箱箱體數據

隨著我國經濟改革開放和加入WTO之后，為了適應各種不同種類的貨物運輸的需求，國內外出現了許多不同種類的集裝箱，如表1所示，氣調集裝箱大多數為 ISO標準的系列中的 1A/1AA、1B/1BB、1C/1CC三種類型的冷藏集裝箱。

表1　集裝箱外圍結構尺寸

2.2.3箱體計算溫度的確定

考慮到在一些極特殊候條件下，集裝箱仍能繼續工作，必須按極端溫度計算冷負荷，其值在《冷庫設計規范》［10］（GBJ 72-84）中查到。開門和冷間通風換氣耗冷量計算，箱外溫度采用夏季通風溫度，蒸發式冷凝器計算的濕球溫度，可采用夏季室外歷年平均每年不保證50 h的濕球溫度。

2.2.4箱外計算相對濕度的影響及確定

箱外空氣的相對濕度對維護結構的透濕、結露、冷間耗冷量及設備的選型都有影響。隔熱板濕度大，導致隔熱板的隔熱性能下降，制冷設備的負荷增加，可在《冷庫設計規范》［10］（GBJ 72-84）中查取。

2.3氣調保鮮集裝箱冷負荷計算

集裝箱的熱力計算［11］主要就包括了集裝箱殼體圍護結構的傳熱負荷、集裝箱通風換氣時的冷負荷和要裝入集裝箱的常溫下物品所帶的負荷等。

2.3.1圍護結構傳熱冷負荷

由傳熱學［12］知識可知，傳熱方程式為Q=KF△T，即圍護結構傳熱冷負荷：

式中：

Q1i——某一面箱體的傳熱冷負荷，W；

K——總傳熱系數，W/（m2·K）；

Ai——第i面的換熱面積，m2；

Tw，Tn——箱體外、內的溫度，℃；

傳熱系數K根據總傳熱過程確定，由過程可知箱體內部與箱體間是對流傳熱，箱體壁面間是導熱傳熱，而箱體外部同樣與箱體是對流換熱，故復合傳熱系數K，其表達式為：

式中：

hw，hn——箱體結構外、內壁的傳熱系數，W/（m2·K）；

λi——箱體圍護結構中各層間的導熱率，W/（m·K）；

δi——箱體圍護結構中各層間的厚度，m。

2.3.2通風換氣冷負荷

在專門貯藏肉、鮮蛋、果蔬等食品的氣調冷藏集裝箱中，生鮮食品在冷藏過程中不斷進行有氧呼吸，放出CO2和水汽，必須定期更換箱內空氣，以保證食品的新鮮，其箱內換氣冷負荷Q2為：

式中：

hw，hn——箱體外、內大氣的比焓，J/kg；

N——每天換氣次數，一般在1～6之間；

V——集裝箱內凈容量，m3；

ρ——集裝箱內空氣密度，kg/m3。

2.3.3貨物冷負荷的計算

一般果蔬、食物進庫時的溫度都高于庫房溫度，需要不斷補充食品冷藏時需要的消耗的冷量；對于生鮮食品來說，因其仍為活體時和動物一樣要進行呼吸作用，吸入氧氣在體內和酶類物質氧化分解，這種生物作用是放熱反應。李敏［13］認為還需考慮包裝材料或運載工具耗冷量。綜合以上可知，貨物熱Q3應按下面公式計算：

式中：

Q3a——貨物熱量，W；

Q3b——包裝材料熱量，W；

Q3c——貨物呼吸熱，W；

G——集裝箱的存量，kg；

h1，h2——貨物進入箱體初始溫度時和在箱體內終止降溫時的比焓，J/kg；

n——貨物的冷藏時間，一般取一天24 h；

Z——每小時，3,600 s；

B——貨物包裝材料或運載工具的重量系數，查尋相關資料可得；

Cb——包裝材料或運載工具的比熱容，J/（kg·K）；

t1，t2——包裝材料進入箱體時和終止降溫時的溫度；

q1,q2——貨物冷卻初始溫度時和冷卻終止溫度時的呼吸熱量，W/kg。

2.3.4太陽輻射冷負荷

本文采用王默晗等［14］的計算方法，將太陽的輻射熱的作用折合當成當量溫度，在箱體耗冷量計算中，常用每晝夜太陽輻射強度平均值Ψ來計算太陽輻射的當量溫度，故計算出太陽輻射當量溫度也是每晝夜平均的當量溫度，當量溫度如以td表示，分析如下。表面從太陽輻射中所吸的熱量：

式中：

ρ——外表面的吸熱系數，查表可得；

J——各個朝陽表面的輻射強度，W/m2；

Ai——各個外表面的輻射換熱面積，m2；

hw——外表面傳熱系數，W/（m2·K）；

td——輻射當量溫度，℃

因此可求得：

由上述分析可知，確定了當量溫度dt，在經典傳熱過程中，通過輻射面積和外表面傳熱系數可求出太陽的輻射換熱量，計算方程如下：

式中：

Q4——太陽的輻射換熱量，W；

hw——外表面傳熱系數，W/（m2·K）；

Ai——各個外表面的輻射換熱面積，m2。

2.3.5操作熱的計算

在操作進行時，根據冷庫的生產條件，操作規律，推算出每天由于操作經營對冷庫造成的總冷負荷，大體上作為一個恒定的數值考慮，庫房經營操作耗冷量，總體包括4部分：照明、動力熱、開門滲入熱和人體熱，由于工作人員一般不在集裝箱長期工作，故人體熱可以忽略。

1）集裝箱照明耗冷量Q5a

由于人員在操作時，需要打開照明裝置，以便操作順利進行，這樣，照明放出的熱量會與集裝箱低溫空氣進行熱交換，這部分熱量與照明的單位照明耗冷量和有效照明面積有關，可按下式計算，即：

式中：

qd——每平方箱板面積照明耗冷量，冷藏間可取（1.7～2.0）W/m2；

A——有效照明面積，m2。

2）開門滲入熱量Q5b

由于食品和操作人員進出集裝箱時，庫門要開啟。這樣，外界熱空氣就會侵入集裝箱內，與箱內低溫空氣進行熱交換。李敏［13］認為，熱量與箱門開啟次數、開始時間、箱內容積等因素有關，可按下式計算，即：

式中：

V——集裝箱內凈容量，m3；

n——開門換氣次數，它與凈容量存在關系，可查詢《冷庫設計規范》；

hw,hn——集裝箱外、內空氣的比焓，J/kg；

M——有空氣幕時的產率修正系數，可取0.4，如果不設空氣幕，則取1；

rn——集裝箱空氣的密度，kg/m3。

3）動力熱Q5c

電動機設備在運行時，設備產生動力熱，增加了冷負荷，通過冷風機型號確定電動機功率，故動力熱計算方式如下：

式中：

P——電動機額定功率，W；

ξ——熱轉化系數，電動機在集裝箱冷藏間內時可取1，電動機在冷藏間外時可取0.75；

ρ——電動機運轉時間系數，對冷風機配用電動機取 1，對冷間內其他設備配用電動機可按使用情況取值，一般可按每晝夜操作 8 h計，則 ρ為8/24=1/3。

2.3.6熱力設備最大冷負荷確定

根據上述計算出來的各種冷負荷，將各項冷負荷加起來求和，乘上一個安全系數ζ，就可得到集裝箱的最大冷負荷，根據最大冷負荷選擇相應的熱力設備以保證冷藏集裝箱的工況低溫，其值為：

3　集裝箱系統運行特性分析

3.1制冷機組?損分析

通過上述集裝箱的熱力構成可知，作為冷藏集裝箱制冷機組，目前大多數采用具有較高絕熱效率的活塞式制冷機組，根據熱平衡原理可知，上述所得到最大冷負荷即為制冷機組制冷量，故可得到制冷機組的理論功率消耗W為：

式中：

Q——制冷機組制冷量，W；

To，Th——集裝箱內、外溫度，K。

壓縮機的壓縮過程在理論上是一等熵絕熱過程。然而實際過程是不可逆過程，由高等工程熱力學可知，壓縮過程是一個熵增過程，這部分?不可能被利用，只能通過壓縮機外殼傳給外界環境。故壓縮機過程?的效率為：

式中：

e1-e2——制冷劑在壓縮機進出口?損值，即為不可逆壓縮多耗的壓縮功。

W——絕熱壓縮功。

在熱力膨脹閥節流過程的?損失為：

式中：

e3，e4——制冷劑在節流閥進出口的?，J；

在蒸發器、冷凝器中冷熱流體進行熱交換，其中?損失為：

式中：

T1，T2——冷、熱流體溫度；

Ta——環境溫度；

Q——為兩者間的換熱量。

從以上分析可知，?損失主要發生在壓縮和熱交換過程中，而此?損失又主要受集裝箱運行工況的影響。當溫差較大時，集裝箱工況變化很大，環境溫度升高時，制冷循環中的冷凝壓力隨著升高，單位制冷量減少；如果箱溫不變，壓縮機吸氣比容未變，則制冷量下降，而循環的單位壓縮功增加，最后導致制冷系數下降。

3.2變頻調節制冷系數與絕熱效率分析

在運輸過程中，由于晝夜溫差較大，外界環境溫度在不斷變化，為了獲得更高的工作效率，可以對制冷機進行能量調節，保證壓縮機有效輸出功和冷藏集裝箱負荷匹配，降低耗能。

當白天中午運輸時，熱負荷較大，壓縮機在較高轉速工作下，使壓縮機的制冷劑流量、輸出功率和制冷量能滿足工況要求，而壓縮機的單位壓縮功隨之下降，反之，則情況與上述情況相反。但是，韓厚德［15］和孫永明［16］研究表明，隨著轉速的下降，制冷機絕熱效率和制冷系數卻有較高的提高。

制冷系數COP與絕熱效率iη的關系為：

式中：

m——制冷劑質量流量，kg/s；

h1，h2——壓縮機吸入、排出的飽和蒸汽焓值，J/kg；

Δhi——等熵壓縮前后焓差，J/kg；

ΔPi——壓縮機軸功率和指示功率之差。

應用MATLAB軟件的計算結果如圖4所示，在制冷量隨著冷負荷下降而相應減小時，保持吸、排壓力穩定，則絕熱效率和制冷系數可比最高轉速時分別提高16%～19%和9%～17%。因此，在低冷負荷時，降低轉速，不僅能保證制冷量和冷負荷相匹配，而且能減小?損失，提高總能量利用率。

為了得到較高的熱力效率，使用較寬的中速區域（800～1,200 r/min），此區域也是制冷機組的最高機械效率區。

由此可知，集裝箱負荷變化劇烈，采用變頻電機對制冷機進行能量調節是降低能耗，提高效率的主要措施。

圖4　制冷系數COP和絕熱效率η與轉速變化關系

3.3冷風機能量運行分析

冷藏集裝箱滿載后，制冷系統即在全冷負荷下開始工作，此時冷風機將冷風吹向高溫物體表面，冷風和物體表面空氣的強烈對流換熱迫使貨物表面溫度急速下降，從而食品內部各點溫度分布是不一致的，但基本溫度分布呈向上凹的曲線，由圖 5可知，在這種工況下，即使所有風機全負荷運行，也不能迫使熱量快速從貨物中排出。此時，應降低可調冷風機的轉速或停止部分風機運行。

圖5　食品各部位溫降曲線

4　總結

氣體調節集裝箱的熱力設備是通過熱力分析的計算結果而進行選型，關系到保鮮集裝箱的成本，因此熱力分析是極其重要的。同時，本計算采用極端惡劣條件下的設計值，計算冷負荷勢必造成計算結果偏大，但對于傳統食品運輸冷藏集裝箱來說，這樣的計算足以提供理論指導。對于制冷設備選型提供依據，方便選擇合適的制冷系統機組，降低集裝箱的成本。對于力求節能的今天，降低能耗是非常關鍵點，為此，在冷藏箱制冷系統工作熱力分析的基礎上，在變頻工況下，應用?分析得出變工況制冷循環各種?損失；結合運行特性，得出在冷負荷降低時，保持壓縮機吸、排壓力穩定的同時，降低轉速到中速區域則絕熱效率和制冷系數可比最高轉速時分別提高16%～19%和9%～17%。為此，提出使壓縮機在較寬的中速區域（800 r/min ～1,200 r/min）壓縮機，此區域也是制冷機組的最高機械效率區，可為冷藏箱制冷系統工作降低能耗提供依據。

［1］ 姜莎, 劉穎, 劉寶林, 等. 草莓真空預冷及冷藏實驗研究［J］. 制冷技術, 2012, 32（1）: 39-45.

［2］ 盧士勛. 我國冷藏集裝箱技術發展和應用概況［J］. 制冷技術, 2005, 35（3）: 6-7.

［3］ 謝鋒, 李保國. 我國食品冷藏鏈的發展與對策［J］. 制冷技術, 2006, 26（1）: 44-46.

［4］ LUIS D L P J, MOCHON J. Storage of horticultural products in controlled atmosphere［J］. Mundo Electronic, 1981, 113（5）: 99-108.

［5］ 韓志, 張柔佳, 沈雅鈞, 等. 氣調冷藏集裝箱的食品保鮮研究［J］. 中國水運月刊, 2012, 12（5）: 81-82.

［6］ 謝培志. 冷藏集裝箱工況模擬及實驗研究［D］. 上海:上海海事大學, 2006.

［7］ 彭春方. 船舶集冷藏集裝箱的熱負荷研究與熱工測試［D］. 上海: 上海海事大學, 2005.

［8］ 甘偉, 曹丹, 韓厚德. 船舶冷藏集裝箱熱工性能綜合測控系統研究［J］. 上海造船, 2008（4）: 71-75.

［9］ 陳新波, 柳建華, 張良, 等. 冷藏集裝箱全自動熱工性能測試實研制［J］. 流體機械, 2010, 38（7）: 78-80.

［10］ GBJ 72-84 冷庫設計規范［S］.

［11］ 龔焱. 冷藏集裝箱冷負荷計算方法探討［J］. 制冷與空調（四川）, 1997（2）: 28-32.

［12］ 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學 ［M］. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2006.

［13］ 李敏. 冷庫制冷工藝設計［M］. 北京: 機械工業出版社, 2009.

［14］ 王默晗, 姚易先, 楊前明. 氣調保鮮集裝箱熱力分析［C］// 制冷空調學科教學研究進展——第四屆全國高等院校制冷空調學科發展與教學研討會. 2006: 400-404.

［15］ 甘偉, 曹丹, 韓厚德. 基于 ATP 協議的船舶冷藏集裝箱熱工性能綜合測控系統研究［J］. 制冷技術, 2009, 29（3）: 42-47.

［16］ 孫永明. 船舶冷藏集裝箱節能技術研究［J］. 機電設備, 2000（1）: 26-29.

Analysis of Thermal Load and Operating Characteristics of Controlled Atmosphere Container

DING Jin-hong*, ZHANG Xue-lai**
（Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China）

Controlled atmosphere container can maintain the best atmosphere for food storage by controlling the temperature, humidity and gas concentration in the container which can extend the shelf-life of food in transportation. In the container, the thermodynamic system is the core part. In the present study, the heat load of the container was calculated, and various factors which influencing the temperature inside the container were analyzed. At the same time, a comprehensive analysis of working characteristic in the refrigeration system of the container was performed, and the exergy loss in various conditions in the refrigeration cycle was obtained； it was indicated that the medium rotate speed area（800～1,200 r/min）of the compressor is the highest mechanical efficiency area of refrigeration unit. The theoretical foundation of enhancing the exergy was provided for designing the container, and some technical measures to improve the work efficiency and to reduce the energy consumption of the refrigeration device was put forward.

Container； Controlled atmosphere； Thermal analysis； Exergy； Energy saving.

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.203

*丁錦宏（1991-），男，研究生，研究方向：低溫節能技術。聯系地址：上海市浦東新區海港大道1550號上海海事大學，郵編：201306。聯系電話：15000986351。E-mail：916565119@qq.com。

**章學來（1964-），男，教授，主要從事蓄能技術研究。