張婷婷，闞安康，曹 丹，婁宗瑞

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）

1 前言

冷藏集裝箱被喻為“海上活動的冷庫”，從南北半球跨越赤道的運輸過程中，外界溫度可能在50～－30℃范圍內(nèi)急劇變化，在航區(qū)、航向、氣溫、水溫、太陽輻射角、貨物種類和數(shù)量等多變干擾因素下，冷藏集裝箱動態(tài)熱負(fù)荷急劇變化，導(dǎo)致集裝箱內(nèi)部溫度分布的不均勻［1－3］，集裝箱機(jī)組耗能量加大且導(dǎo)致距離機(jī)組近的貨物干耗，遠(yuǎn)離貨物因溫度升高而變質(zhì)腐敗，因此降低能耗，提高貨物的運輸質(zhì)量，實現(xiàn)制冷節(jié)能已成為國際冷藏運輸界的重大研究課題。

圖1 冷凍整體式裝載

由于外界和集裝箱內(nèi)部負(fù)荷的變化是一個復(fù)雜而且多變的工況，如果通過實驗去得到這樣的工況，將要耗費很多的人力、物力和時間。國外已經(jīng)將CFD運用到食品冷藏、冷凍過程的溫度模擬和換熱研究中［4－10］，通過計算機(jī)模擬整個冷藏集裝箱內(nèi)部溫度場的分布情況，采用制冷壓縮機(jī)的變頻技術(shù)和集裝箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改造，使集裝箱內(nèi)部各個部位的溫度到達(dá)滿足貨物冷藏保鮮的要求。對冷藏集裝箱空箱內(nèi)的流場與溫度場進(jìn)行數(shù)值計算，通過調(diào)節(jié)箱內(nèi)空氣溫度和速度使冷量合理分配，優(yōu)化集裝箱船艙內(nèi)的氣流組織，可達(dá)到合理冷藏貨物的目的［11－13］。

本文揭示了冷藏集裝箱內(nèi)部溫度分布的規(guī)律，對冷藏集裝箱整體式裝載狀態(tài)下的工況進(jìn)行有效的模擬，并通過模擬找到一些優(yōu)化措施來改善箱內(nèi)溫度場分布狀況，得到冷藏運輸?shù)淖罴压r，使箱內(nèi)溫度分布更合理，能更好的保持貨物的風(fēng)味和質(zhì)量，保持貨物在各自所需要的冷藏溫度狀態(tài)下，以便保持易腐貨物的質(zhì)量品質(zhì)，對航運公司降低運營成本及冷藏集裝箱的發(fā)展有重要理論指導(dǎo)意義。

2 物理模型的建立和傳熱分析

2.1 物理模型

本文將20英尺冷藏集裝箱作為獨立的系統(tǒng)為研究對象，采用THERMOKING CRR，內(nèi)部尺寸為5720mm×2860mm×2800mm，氣流循環(huán)形式為下送上回，送風(fēng)速度為6m/s。根據(jù)熱力學(xué)理論、流體力學(xué)等原理，采用原始變量法，運用仿真技術(shù)對冷藏集裝箱內(nèi)流場、溫度場建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行模擬仿真，建立k－?紊流模型。這些過程必須建立在控制過程的基礎(chǔ)上，采用微分方程的形式表示。在此之前，本文做以下假設(shè):

① 冷藏集裝箱內(nèi)部的流場是穩(wěn)態(tài)的。

② 冷藏集裝箱內(nèi)部的流體 （空氣）是不可壓的。

③ 冷藏集裝箱內(nèi)部為封閉空間。

④ 假設(shè)在冷藏集裝箱內(nèi)部中，所有固體物體的密度、粘性、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)等都是定值。

⑤ 冷藏集裝箱內(nèi)部的回風(fēng)口處的速度是一致的。

2.2 邊界條件

我們采用穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱理論求解圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總的換熱系數(shù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫材料采用聚氨酯發(fā)泡，在外界環(huán)境溫度為30℃時，其總的換熱系數(shù)為0.3W/（m2·K）［14］。

3 整體式裝載冷藏集裝箱內(nèi)部溫度場的仿真

冷凍貨物裝入冷藏集裝箱之間應(yīng)達(dá)到指定的溫度，并要求完全凍結(jié)起來。為了便于保持冷凍貨的凍結(jié)狀態(tài)，一般可以把冷凍貨相互緊密地堆在一起，使它形成一個小型的冷凍整體 （如圖1所示），這從減輕冷凍裝置負(fù)荷來看，是十分有效的裝載方法，稱之為整體式裝載，這種裝載方式下的冷風(fēng)是通過集裝箱內(nèi)壁面板上的凹條和箱底通風(fēng)軌道進(jìn)行循環(huán)的。

配載情況下文章采用的送風(fēng)邊界條件;

（1）初始送風(fēng)溫度T=253K;（2）送風(fēng)速度為6m/s;（3）總的換熱系數(shù)0.3W/（m2·K），外部溫度T=303K;（4）湍流度和水力直徑分別為3%和0.2m。

模擬結(jié)果如下:

圖2 整體式配載狀態(tài)下冷藏集裝箱溫度分布

圖3 tecplot處理后的可視化圖形

從圖2、圖3可以得到，整體式配載箱內(nèi)溫度比較均勻，另外送風(fēng)口和門側(cè)頂部溫度相差在3K左右，符合冷藏運輸溫度的要求。

4 仿真優(yōu)化

4.1 旁通調(diào)節(jié)優(yōu)化方案

在上述仿真基礎(chǔ)之上，對冷藏集裝箱內(nèi)的溫度場進(jìn)行整體優(yōu)化，模擬冷藏集裝箱在整體式配載方式下，回風(fēng)采用旁通調(diào)節(jié)的方式增加送風(fēng)速度，不增加機(jī)組負(fù)荷的方式，優(yōu)化箱內(nèi)溫度的分布。

送風(fēng)速度越大，箱內(nèi)的溫度分布也就越均勻，根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)特性易知，風(fēng)機(jī)壓頭越小，流量越大。風(fēng)機(jī)壓頭的減小就導(dǎo)致了克服阻力的能力減小，從風(fēng)道阻力對箱內(nèi)溫度分布的影響可以得到，阻力越大，溫度誤差也就越大。如果降低送風(fēng)溫度，來彌補由于阻力過大而造成的溫度誤差，原則上可以滿足門側(cè)對溫度的要求，但是也就存在冷機(jī)側(cè)的溫度過低的危險，最直接的后果就是導(dǎo)致貨物凍壞;通過降低送風(fēng)溫度的另一個弊端就是直接增加了冷機(jī)的制冷量，增加了初投資也就對機(jī)組提出了更高的要求。

圖4 箱內(nèi)旁通調(diào)節(jié)圖

故而，存在一個送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度的優(yōu)化問題，在不增加機(jī)組負(fù)荷的前提下增加送風(fēng)速度，文章采用旁通調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行調(diào)節(jié):第一部分回風(fēng)通過制冷機(jī)組獲得冷量，第二部分不通過制冷機(jī)組通過回風(fēng)通道，與第一部分混合。

文章通過風(fēng)機(jī)和導(dǎo)葉來控制旁通的流量。通過機(jī)組的空氣由于流量減少可以獲得更低的溫度;采用風(fēng)機(jī)和導(dǎo)葉控制的旁通調(diào)節(jié) （如圖4），可以控制旁通部分的速度，使混合后的空氣溫度升高較小的情況下可以獲得更高的速度，這樣機(jī)組的負(fù)荷也不會因為送風(fēng)量的增大而變大。

送回風(fēng)溫差在2℃以內(nèi)，近似認(rèn)為空氣的密度、比熱等物性參數(shù)保持不變。旁通部分的風(fēng)速可以通過風(fēng)機(jī)控制，旁通部分空氣在送風(fēng)口方向的速度≤10m/s，為了不增加機(jī)組的負(fù)荷，通過機(jī)組空氣在送風(fēng)口方向的速度≤6m/s。當(dāng)旁通部分和通過機(jī)組的風(fēng)量比為1∶1，送風(fēng)速度為10m/s和6m/s時，得到混合后的送風(fēng)速度為8m/s;送風(fēng)溫度和回風(fēng)溫度的差值不變，取Δt=2K時，可以得到ΔT=1K，因此整體溫度比原來高1K。

因此送風(fēng)狀況發(fā)生變化，旁通調(diào)節(jié)后的送風(fēng)溫度為254K，送風(fēng)速度為8m/s，湍流強度為2.6%，其他邊界條件不變。由于增加了旁通通道，則機(jī)組和貨物之間距離變小，同時旁通部分由于增加了風(fēng)機(jī)，會對整個機(jī)組的能耗有影響，這也是采用旁通調(diào)節(jié)需要考慮的一個因素。

旁通調(diào)節(jié)邊界條件:（1）初始送風(fēng)溫度T=254K;（2）送風(fēng)速度為8m/s;（3）壁面綜合換熱系數(shù)0.3W/（m2·K），外部溫度T=303K;（4）湍流度和水力直徑分別為2.6%和0.2m。

模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 旁通調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度分布

圖6 優(yōu)化后的三維箱內(nèi)溫度分布

4.2 回風(fēng)優(yōu)化方案

通過改變送風(fēng)方式來提高箱內(nèi)溫度分布的方法，經(jīng)模擬研究，結(jié)果并不理想，采用兩端送風(fēng)會導(dǎo)致箱內(nèi)形成渦旋，在箱體中間形成高溫區(qū)域，不利于冷藏運輸。事實上，可以通過改變回風(fēng)方式來改善箱內(nèi)狀況?；仫L(fēng)的主要特點是把經(jīng)過熱交換的空氣返回到機(jī)組，再次循環(huán)利用，文章針對冷藏集裝箱內(nèi)部溫度分布的特點，在門側(cè)頂部增加一個自由回風(fēng)口，它的動力一部分來自箱內(nèi)空氣的流動壓力，另一部分是機(jī)組側(cè)的回風(fēng)機(jī)。這樣可以增加回風(fēng)的進(jìn)氣溫度，使機(jī)組的冷量得到最大化的利用，提高機(jī)組效率。模擬邊界條件如下:

（1）初始送風(fēng)溫度T=253K;（2）送風(fēng)速度為6m/s;（3）壁面換熱系數(shù)0.3W/（m2·K），外部溫度T=303K;（4）湍流度和水力直徑分別為3%和0.2m;（5）出口為自由出口。

模擬結(jié)果如圖7和圖8所示。

4.3 配載方式的優(yōu)化方案

圖7 兩端回風(fēng)下的箱內(nèi)溫度分布

圖8 Tecplot下的溫度分布

圖9 箱內(nèi)不同距離上溫度的平均分布

在配載情況下，箱內(nèi)存在一定的溫度梯度，文章選取不同的溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)，對冷藏集裝箱內(nèi)部進(jìn)行劃分區(qū)域，對不同溫度要求的貨物分區(qū)冷藏，這樣既不用擔(dān)心冷藏溫度不同的問題，又可以在不同的溫度區(qū)域配載不同的貨物，最大化利用箱內(nèi)空間。圖9為箱內(nèi)配載情況下不同位置的溫度變化:

以1K作為溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)，則溫度變化范圍254.6～255.6K，從圖中選取這個溫度范圍，對應(yīng)的箱內(nèi)距離為0～4.8m，這段區(qū)域冷藏運輸溫度可要求在255.6K以下，溫度波動1K左右的貨物。依此類推，本文得到不同冷藏溫度要求、不同溫度波動要求的冷藏區(qū)域。

圖10 多溫控冷藏集裝箱原理圖

一種多溫控冷藏集裝箱，包括在集裝箱頂部設(shè)置回風(fēng)管道、回風(fēng)口、回風(fēng)風(fēng)機(jī)及控制設(shè)備和根據(jù)存儲冷藏貨物的不同，將集裝箱內(nèi)部區(qū)域劃分為若干溫度不同區(qū)域的可移動保溫裝置，所述回風(fēng)管道與回風(fēng)口與集裝箱的送風(fēng)口形成氣流組織的循環(huán)，同時本文依據(jù)圖10，根據(jù)不同的冷藏運輸溫度和溫度波動的要求將冷藏局限再劃分，保證冷藏品質(zhì)。

5 優(yōu)化前后結(jié)果對比

（1）通過旁通調(diào)節(jié)優(yōu)化機(jī)組方案，兩個模擬結(jié)果的對比分析:優(yōu)化前，箱內(nèi)溫度梯度最小為0.5K，整體分為5個等溫區(qū)域，溫度分層明顯;優(yōu)化后，機(jī)組負(fù)荷不變，箱內(nèi)溫度梯度為0.2K，溫度分層明顯，最高溫度降低，箱體溫度下的低溫區(qū)域跨度更大?？梢酝ㄟ^下面的對比分析:

同取在箱內(nèi)四米的位置，可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前四米處的溫度基本為255.5K，優(yōu)化后為255.4K，另外優(yōu)化后也減少了回風(fēng)和送風(fēng)之間的短路，使更多的冷量用于冷藏貨物。優(yōu)化后，箱內(nèi)從機(jī)組側(cè)到距離機(jī)組四米的位置溫度變化為1.4K;優(yōu)化前箱內(nèi)從機(jī)組側(cè)到距離機(jī)組四米的位置溫度變化為2.5K。通過采用旁通調(diào)節(jié)的方式，可以更好的利用冷量，提高機(jī)組效率。

（2）通過回風(fēng)方式優(yōu)化箱內(nèi)機(jī)組方案，模擬結(jié)果可以看出兩端回風(fēng)方式下的冷藏集裝箱內(nèi)部溫度分布非常均勻，整體溫度差值在1.5K左右，箱內(nèi)大部分區(qū)域溫度在254～254.5K之間，優(yōu)化后的效果明顯;不足之處是，在兩個回風(fēng)口之間形成了一個高溫的部分，其溫度明顯高于箱內(nèi)溫度，文章通過以下模擬結(jié)果進(jìn)行分析:

圖11 優(yōu)化前的二維視圖

圖12 優(yōu)化后的二維視圖

圖13 箱內(nèi)最高溫度處的剖面

通過圖13可以看出，箱內(nèi)頂部最高溫度和運輸貨物之間并不是直接接觸，和貨物接觸的空氣溫度為255.5K，比送風(fēng)溫度高2.5K。另外頂部回風(fēng)口的空氣溫度為254.5K，此時回風(fēng)是通過頂部回到機(jī)組，這時回風(fēng)可以冷卻頂部，也就是說現(xiàn)實中箱內(nèi)頂部最高溫度會在255.5K左右。這個也是模擬過程中的一個缺點。

（3）通過不同溫度梯度下的優(yōu)化，此方法雖然沒有改善箱內(nèi)的溫度分布，但是合理利用了箱內(nèi)的溫度分布情況，沒有改變箱內(nèi)結(jié)構(gòu)也不會影響箱體的強度要求，同時可以實現(xiàn)冷凍、冷藏貨物的“拼箱”，是值得推廣的一種方法。

6 結(jié)論

通過整體式裝載冷藏集裝箱內(nèi)部溫度場的仿真，并采用旁通調(diào)節(jié)、回風(fēng)方式、配載方式三種冷藏集裝箱內(nèi)部溫度分布的情況優(yōu)化方案，結(jié)果如下:

（1）采用旁通調(diào)節(jié)優(yōu)化方案，在不改變機(jī)組負(fù)荷的情況下增大送風(fēng)速度，送風(fēng)溫度有所升高，但是由于送風(fēng)速度的增加反而使箱內(nèi)的低溫區(qū)域更加廣泛，彌補了送風(fēng)溫度的升高;

（2）采用兩端回風(fēng)優(yōu)化方案，明顯優(yōu)化了箱內(nèi)溫度分布，整體溫度變化在1.5K以內(nèi)，箱內(nèi)頂部出現(xiàn)的小部分高溫區(qū)域，可以通過回風(fēng)進(jìn)行冷卻，不僅降低了箱內(nèi)的最高溫度，又合理的利用了冷量，提高了機(jī)組效率;

（3）采用配載方式優(yōu)化方案，合理利用了箱內(nèi)的溫度分布情況，沒有改變箱內(nèi)結(jié)構(gòu)也不會影響箱體的強度要求，這一溫度變化在運輸貨物的承受能力之內(nèi)就可以合理利用。

通過優(yōu)化使得箱內(nèi)的溫度分布更均勻、溫度變化區(qū)域更少、低溫區(qū)域跨度更大。改善了箱內(nèi)溫度場分布狀況，使箱內(nèi)溫度分布更合理，能更好的保持貨物的風(fēng)味和質(zhì)量，對冷藏集裝箱的推廣及應(yīng)用具有重要理論指導(dǎo)意義。

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