气调集装箱系统的热力负荷及运行特性分析

丁锦宏，章学来

（上海海事大学商船学院，上海 201306）

气调集装箱系统的热力负荷及运行特性分析

丁锦宏*，章学来**

（上海海事大学商船学院，上海 201306）

气调集装箱能在食品运输过程中控制箱内的湿度、温度及各气体浓度，为食品贮藏提供最佳环境，以此延长食品的货架期，其中的核心是集装箱热力系统。本文通过热力学方法来计算热力负荷及分析影响气调集装箱内温度的各种因素，同时也对集装箱制冷系统的工作特性进行综合分析，得出系统在变工况制冷循环下的各种㶲损失，并指出压缩机的中等转速区域（800 r/min～1,200 r/min）为制冷机组的最高机械效率区。为此类集装箱的设计提供了提高效能的理论依据，并提出一些技术措施提高制冷设备工作效率、降低能耗。

集装箱；气调；热力分析；㶲；节能

0　引言

气调保鲜集装箱是运用人工制冷制造低温环境和调节气体介质成分的方法，使新鲜果蔬处于最佳贮藏状态，保持原有品质，减少贮藏损失，抑制果蔬生理病害，延长贮藏期货架期，并可灵活、可靠、方便地将其运送到世界各地的特殊集装箱。文献［1-4］对冷藏气调保鲜温度、湿度、氧气浓度、二氧化碳浓度做了大量实验，证明在低温贮藏的基础上调节空气二氧化碳、氧气的含量，即改变贮藏环境的气体成份，是保存果蔬的有效途径。降低氧气的含量至（3～5）%，增加二氧化碳含量到（0～4）%，能保持果蔬的新鲜度，减少损失，且保鲜期长、无污染。与冷藏相比，冷藏气调保鲜技术更具优势。

通过气调与制冷技术结合，能把果蔬和鲜花等货物始终保持在各自最佳低温状态，将食物腐烂率从20%降低至10%及以下，文献［5］指出近年来气调贮藏保鲜技术已成为世界各国所公认的一种先进的果蔬贮藏方法。

通过上述了解，现阶段大多数学者对气调比例进行研究，而本文侧重点在于计算保鲜集装箱的负荷计算及运行分析。采用稳态计算，计算出气调集装箱负荷，为设备选型提供理论依据，同时，分析了影响负荷中的各个参数。针对气调集装箱工作特点，为了降低能耗，制冷系统可采用变工况循环过程，应用高等工程热力学知识分析循环中各种㶲损失。

1　气调保鲜集装箱的热力构成

气调保鲜集装箱的热力系统是指调节箱体内热力参数的热力系统，气调很重要，但它需在一定的低温条件下进行的，因此箱内的温度对果蔬的贮藏期限有很大影响。为保证一定的低温，气调保鲜集装箱一般采用独立的制冷系统，如图1。

图1　集装箱热力系统结构图

目前大多数小型制冷装置一般使用的是蒸气压缩制冷循环，其热力系统包括制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、储液器、压力控制器和气液分离器等部件组成。如图2所示，它们之间通过管道组成了一个封闭系统，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物体的热量后，汽化后进入气液分离器，而干饱和蒸气被送入压缩机。气态制冷剂经过干燥过滤器干燥后，被压缩机吸入压缩成高温高压的蒸气后排入冷凝器，在冷凝器中向外界放热，冷凝成高压液体，经储液器、气液分离器和干燥过滤器后再进入节流阀成为低温低压的液态或气液混合制冷剂，液态制冷剂再次进入蒸发器吸热汽化，达到制冷循环的目的。

图2　制冷系统循环原理图

2　气调集装箱冷负荷分析及计算

2.1冷箱热工机理负荷分析

谢培志等［6］和彭春方等［7］研究表明冷藏集装箱受到的热作用随地理位置、季节、昼夜和其他情况的不同而热力负荷随之变化的。因此，真正的稳态条件是不存在的。甘为等［8］和陈新波等［9］认为，如果把某个周期内的平均外部温度作为固定的数值，研究得到隔热壁的稳态传热热工性能计算式是基本符合要求的，并且还大大简化计算工作。

2.2影响集装箱内温度的各种因素

2.2.1气调保鲜集装箱围壁导热参数

根据我国与国际联运的冷藏箱型号，中间隔热板的隔热材料目前广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为（26～31）kg/m3，导热系数为（0.028～0.033）W/（m·K），其温度范围为（-81～74）℃。聚氨酯泡沫塑料的密度为（45～65）kg/m3，导热系数为（0.022～0.029）W/（m·K），其温度范围为（-55～115）℃。

2.2.2气调保鲜集装箱箱体数据

随着我国经济改革开放和加入WTO之后，为了适应各种不同种类的货物运输的需求，国内外出现了许多不同种类的集装箱，如表1所示，气调集装箱大多数为 ISO标准的系列中的 1A/1AA、1B/1BB、1C/1CC三种类型的冷藏集装箱。

表1　集装箱外围结构尺寸

2.2.3箱体计算温度的确定

考虑到在一些极特殊候条件下，集装箱仍能继续工作，必须按极端温度计算冷负荷，其值在《冷库设计规范》［10］（GBJ 72-84）中查到。开门和冷间通风换气耗冷量计算，箱外温度采用夏季通风温度，蒸发式冷凝器计算的湿球温度，可采用夏季室外历年平均每年不保证50 h的湿球温度。

2.2.4箱外计算相对湿度的影响及确定

箱外空气的相对湿度对维护结构的透湿、结露、冷间耗冷量及设备的选型都有影响。隔热板湿度大，导致隔热板的隔热性能下降，制冷设备的负荷增加，可在《冷库设计规范》［10］（GBJ 72-84）中查取。

2.3气调保鲜集装箱冷负荷计算

集装箱的热力计算［11］主要就包括了集装箱壳体围护结构的传热负荷、集装箱通风换气时的冷负荷和要装入集装箱的常温下物品所带的负荷等。

2.3.1围护结构传热冷负荷

由传热学［12］知识可知，传热方程式为Q=KF△T，即围护结构传热冷负荷：

式中：

Q1i——某一面箱体的传热冷负荷，W；

K——总传热系数，W/（m2·K）；

Ai——第i面的换热面积，m2；

Tw，Tn——箱体外、内的温度，℃；

传热系数K根据总传热过程确定，由过程可知箱体内部与箱体间是对流传热，箱体壁面间是导热传热，而箱体外部同样与箱体是对流换热，故复合传热系数K，其表达式为：

式中：

hw，hn——箱体结构外、内壁的传热系数，W/（m2·K）；

λi——箱体围护结构中各层间的导热率，W/（m·K）；

δi——箱体围护结构中各层间的厚度，m。

2.3.2通风换气冷负荷

在专门贮藏肉、鲜蛋、果蔬等食品的气调冷藏集装箱中，生鲜食品在冷藏过程中不断进行有氧呼吸，放出CO2和水汽，必须定期更换箱内空气，以保证食品的新鲜，其箱内换气冷负荷Q2为：

式中：

hw，hn——箱体外、内大气的比焓，J/kg；

N——每天换气次数，一般在1～6之间；

V——集装箱内净容量，m3；

ρ——集装箱内空气密度，kg/m3。

2.3.3货物冷负荷的计算

一般果蔬、食物进库时的温度都高于库房温度，需要不断补充食品冷藏时需要的消耗的冷量；对于生鲜食品来说，因其仍为活体时和动物一样要进行呼吸作用，吸入氧气在体内和酶类物质氧化分解，这种生物作用是放热反应。李敏［13］认为还需考虑包装材料或运载工具耗冷量。综合以上可知，货物热Q3应按下面公式计算：

式中：

Q3a——货物热量，W；

Q3b——包装材料热量，W；

Q3c——货物呼吸热，W；

G——集装箱的存量，kg；

h1，h2——货物进入箱体初始温度时和在箱体内终止降温时的比焓，J/kg；

n——货物的冷藏时间，一般取一天24 h；

Z——每小时，3,600 s；

B——货物包装材料或运载工具的重量系数，查寻相关资料可得；

Cb——包装材料或运载工具的比热容，J/（kg·K）；

t1，t2——包装材料进入箱体时和终止降温时的温度；

q1,q2——货物冷却初始温度时和冷却终止温度时的呼吸热量，W/kg。

2.3.4太阳辐射冷负荷

本文采用王默晗等［14］的计算方法，将太阳的辐射热的作用折合当成当量温度，在箱体耗冷量计算中，常用每昼夜太阳辐射强度平均值Ψ来计算太阳辐射的当量温度，故计算出太阳辐射当量温度也是每昼夜平均的当量温度，当量温度如以td表示，分析如下。表面从太阳辐射中所吸的热量：

式中：

ρ——外表面的吸热系数，查表可得；

J——各个朝阳表面的辐射强度，W/m2；

Ai——各个外表面的辐射换热面积，m2；

hw——外表面传热系数，W/（m2·K）；

td——辐射当量温度，℃

因此可求得：

由上述分析可知，确定了当量温度dt，在经典传热过程中，通过辐射面积和外表面传热系数可求出太阳的辐射换热量，计算方程如下：

式中：

Q4——太阳的辐射换热量，W；

hw——外表面传热系数，W/（m2·K）；

Ai——各个外表面的辐射换热面积，m2。

2.3.5操作热的计算

在操作进行时，根据冷库的生产条件，操作规律，推算出每天由于操作经营对冷库造成的总冷负荷，大体上作为一个恒定的数值考虑，库房经营操作耗冷量，总体包括4部分：照明、动力热、开门渗入热和人体热，由于工作人员一般不在集装箱长期工作，故人体热可以忽略。

1）集装箱照明耗冷量Q5a

由于人员在操作时，需要打开照明装置，以便操作顺利进行，这样，照明放出的热量会与集装箱低温空气进行热交换，这部分热量与照明的单位照明耗冷量和有效照明面积有关，可按下式计算，即：

式中：

qd——每平方箱板面积照明耗冷量，冷藏间可取（1.7～2.0）W/m2；

A——有效照明面积，m2。

2）开门渗入热量Q5b

由于食品和操作人员进出集装箱时，库门要开启。这样，外界热空气就会侵入集装箱内，与箱内低温空气进行热交换。李敏［13］认为，热量与箱门开启次数、开始时间、箱内容积等因素有关，可按下式计算，即：

式中：

V——集装箱内净容量，m3；

n——开门换气次数，它与净容量存在关系，可查询《冷库设计规范》；

hw,hn——集装箱外、内空气的比焓，J/kg；

M——有空气幕时的产率修正系数，可取0.4，如果不设空气幕，则取1；

rn——集装箱空气的密度，kg/m3。

3）动力热Q5c

电动机设备在运行时，设备产生动力热，增加了冷负荷，通过冷风机型号确定电动机功率，故动力热计算方式如下：

式中：

P——电动机额定功率，W；

ξ——热转化系数，电动机在集装箱冷藏间内时可取1，电动机在冷藏间外时可取0.75；

ρ——电动机运转时间系数，对冷风机配用电动机取 1，对冷间内其他设备配用电动机可按使用情况取值，一般可按每昼夜操作 8 h计，则 ρ为8/24=1/3。

2.3.6热力设备最大冷负荷确定

根据上述计算出来的各种冷负荷，将各项冷负荷加起来求和，乘上一个安全系数ζ，就可得到集装箱的最大冷负荷，根据最大冷负荷选择相应的热力设备以保证冷藏集装箱的工况低温，其值为：

3　集装箱系统运行特性分析

3.1制冷机组㶲损分析

通过上述集装箱的热力构成可知，作为冷藏集装箱制冷机组，目前大多数采用具有较高绝热效率的活塞式制冷机组，根据热平衡原理可知，上述所得到最大冷负荷即为制冷机组制冷量，故可得到制冷机组的理论功率消耗W为：

式中：

Q——制冷机组制冷量，W；

To，Th——集装箱内、外温度，K。

压缩机的压缩过程在理论上是一等熵绝热过程。然而实际过程是不可逆过程，由高等工程热力学可知，压缩过程是一个熵增过程，这部分㶲不可能被利用，只能通过压缩机外壳传给外界环境。故压缩机过程㶲的效率为：

式中：

e1-e2——制冷剂在压缩机进出口㶲损值，即为不可逆压缩多耗的压缩功。

W——绝热压缩功。

在热力膨胀阀节流过程的㶲损失为：

式中：

e3，e4——制冷剂在节流阀进出口的㶲，J；

在蒸发器、冷凝器中冷热流体进行热交换，其中㶲损失为：

式中：

T1，T2——冷、热流体温度；

Ta——环境温度；

Q——为两者间的换热量。

从以上分析可知，㶲损失主要发生在压缩和热交换过程中，而此㶲损失又主要受集装箱运行工况的影响。当温差较大时，集装箱工况变化很大，环境温度升高时，制冷循环中的冷凝压力随着升高，单位制冷量减少；如果箱温不变，压缩机吸气比容未变，则制冷量下降，而循环的单位压缩功增加，最后导致制冷系数下降。

3.2变频调节制冷系数与绝热效率分析

在运输过程中，由于昼夜温差较大，外界环境温度在不断变化，为了获得更高的工作效率，可以对制冷机进行能量调节，保证压缩机有效输出功和冷藏集装箱负荷匹配，降低耗能。

当白天中午运输时，热负荷较大，压缩机在较高转速工作下，使压缩机的制冷剂流量、输出功率和制冷量能满足工况要求，而压缩机的单位压缩功随之下降，反之，则情况与上述情况相反。但是，韩厚德［15］和孙永明［16］研究表明，随着转速的下降，制冷机绝热效率和制冷系数却有较高的提高。

制冷系数COP与绝热效率iη的关系为：

式中：

m——制冷剂质量流量，kg/s；

h1，h2——压缩机吸入、排出的饱和蒸汽焓值，J/kg；

Δhi——等熵压缩前后焓差，J/kg；

ΔPi——压缩机轴功率和指示功率之差。

应用MATLAB软件的计算结果如图4所示，在制冷量随着冷负荷下降而相应减小时，保持吸、排压力稳定，则绝热效率和制冷系数可比最高转速时分别提高16%～19%和9%～17%。因此，在低冷负荷时，降低转速，不仅能保证制冷量和冷负荷相匹配，而且能减小㶲损失，提高总能量利用率。

为了得到较高的热力效率，使用较宽的中速区域（800～1,200 r/min），此区域也是制冷机组的最高机械效率区。

由此可知，集装箱负荷变化剧烈，采用变频电机对制冷机进行能量调节是降低能耗，提高效率的主要措施。

图4　制冷系数COP和绝热效率η与转速变化关系

3.3冷风机能量运行分析

冷藏集装箱满载后，制冷系统即在全冷负荷下开始工作，此时冷风机将冷风吹向高温物体表面，冷风和物体表面空气的强烈对流换热迫使货物表面温度急速下降，从而食品内部各点温度分布是不一致的，但基本温度分布呈向上凹的曲线，由图 5可知，在这种工况下，即使所有风机全负荷运行，也不能迫使热量快速从货物中排出。此时，应降低可调冷风机的转速或停止部分风机运行。

图5　食品各部位温降曲线

4　总结

气体调节集装箱的热力设备是通过热力分析的计算结果而进行选型，关系到保鲜集装箱的成本，因此热力分析是极其重要的。同时，本计算采用极端恶劣条件下的设计值，计算冷负荷势必造成计算结果偏大，但对于传统食品运输冷藏集装箱来说，这样的计算足以提供理论指导。对于制冷设备选型提供依据，方便选择合适的制冷系统机组，降低集装箱的成本。对于力求节能的今天，降低能耗是非常关键点，为此，在冷藏箱制冷系统工作热力分析的基础上，在变频工况下，应用㶲分析得出变工况制冷循环各种㶲损失；结合运行特性，得出在冷负荷降低时，保持压缩机吸、排压力稳定的同时，降低转速到中速区域则绝热效率和制冷系数可比最高转速时分别提高16%～19%和9%～17%。为此，提出使压缩机在较宽的中速区域（800 r/min ～1,200 r/min）压缩机，此区域也是制冷机组的最高机械效率区，可为冷藏箱制冷系统工作降低能耗提供依据。

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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

*丁锦宏（1991-），男，研究生，研究方向：低温节能技术。联系地址：上海市浦东新区海港大道1550号上海海事大学，邮编：201306。联系电话：15000986351。E-mail：916565119@qq.com。

**章学来（1964-），男，教授，主要从事蓄能技术研究。