冷藏运输单元的动态渗风机理及实验研究

谢如鹤 吕宁 刘广海

(广州大学物流与运输研究所 广州 510006)

冷藏运输单元的动态渗风机理及实验研究

谢如鹤 吕宁 刘广海

(广州大学物流与运输研究所 广州 510006)

冷藏运输单元的空气渗透对内部货物温度及冷藏运输能耗都有一定的影响。在分析冷藏运输装备特点的基础上，提出了动态渗风时漏气量的缝隙法计算公式，通过实验进行验证并对影响因素和机理进行分析，得出该方法适用于动态渗风研究，动态渗风量受车速和内部流动的影响较大。

冷藏运输；动态渗风；缝隙法；漏气量

在冷藏运输过程中，冷藏运输工具与空气的相对运动速度较高，厢体内部与外环境之间存在着空气渗透即动态渗风。动态渗风的强度可以用单位时间内的渗风量来表示。冷藏运输工具渗风与建筑的渗风相比，具有以下特点[1]:1)冷藏运输工具体积较小且高度有限，运行中的风压是渗风的动力；2)缝隙主要为拼接缝隙、车门缝隙、管道接入缝隙以及行驶过程中厢体变形形成的缝隙；3)风速、车速的变化均会使车体表面压力发生变化进而造成渗风量变化；4)内部流场及装载情况会影响渗风。

在现行规范及研究中，普遍采用加压法对冷藏车的气密性进行研究，冷藏装备处于静态，不同之处在于压力条件的设定[2]。对于冷藏运输过程中运输工具的内外空气渗透，国内外专家鲜有研究。而动态渗风对于分析冷藏运输装备的能耗更具有实际意义[3]。对于冷藏集装箱的动态渗风进行的初步的研究发现，随着车速的增加，厢体内外的压力增大，动态渗风量增加[4]，但目前尚未提出一种适用性较强的理论分析方法。本文在加压法的基础上，采用示踪气体浓度衰减法对冷藏运输单元的动态渗风进行实验，可以得到冷藏运输单元的动态渗风量，并从缝隙法原理出发，参考相关标准及文献[5－7]，对影响动态渗风的因素与机理进行了分析与实验。

1 动态渗风及缝隙法原理

缝隙法是以缝隙为主要渗透通道来对渗风量进行计算的方法，通过缝隙的渗风量取决于作用在缝隙两侧的压差和缝隙的特性。在冷藏运输单元行驶过程中，高速流动的气流吹过车厢时会在车体的迎风面上将动能转化为静压力，然后在静压力的作用下通过缝隙渗入车内。而在厢外尾部则会形成负压区，厢内的空气从该部分的缝隙渗出。

利用缝隙法对渗风量计算的公式为:

式中:AIV为当量渗风孔隙面积，表示单位压差作用下，单位缝隙长度单位时间内的渗风量，m3/(s· Pab)；Δpd为理论风压，即来流空气全部动压转化成为静压时对缝隙两侧产生的压差；Δpt为理论热压，由于缝隙内外空气密度差及高差计算而得的压差；Cf为风压系数，缝隙两侧的实际风压与理论风压的比值；Cr为热压系数，实际热压与理论热压的比值。

对于冷藏运输单元，缝隙法公式可以表示为:

式中:风压系数Cf为缝隙两侧实际风压与理论风压之比；内部流动影响系数Cn为内部气流流动对车厢内外压差的影响。其大小与车厢尺寸、蒸发器安装位置、出风口风速及内部气流状况有关；Δpb为温差补偿压力，由于渗透压差主要由风压提供，虽然冷藏车厢的高度无法与高层建筑比拟，但考虑到冷藏车车厢内外空气通常会有较大的温差(最大可达65℃以上)，因而引入温差补偿压力，以表征热压对其内部压力的影响；装备老化系数k代表冷藏运输装备随着时间的推移材料、结构老化对其动态渗风量的影响，%/年。

2 实验原理

2.1 加压法

用空气压缩机将空气经调节阀和流量计充入车厢内，通过调控调节阀使车厢内外形成压差，待压差稳定后记录保持该压差时输入的风量，多次测量取平均值进行计算。将测量结果换算成标准状况下的流量:

式中:V为标准状态下的漏气量，m3/h；V0为流量计所测的漏气量，m3/h；θ为标准状态下绝对温度，273 K；θ0为流量测量处每次测量的空气的绝对温度，K；p为标准大气压力1.013×105Pa；p0为流量测量处测量的空气的绝对压力，Pa。

2.2 示踪气体浓度自然衰减法

示踪气体浓度自然衰减法是先在厢体内释放一定量的过滤嘴气体后停止释放，随着空气的动态渗透，厢内示踪气体浓度下降。在无风、车速匀速的情况下，车厢内外各部门压差处于稳定状态，测试时间内有:

式中:V为车厢体积，m3；C为示踪气体浓度，g/ m3；Coa为外界环境示踪气体浓度g/m3；F为示踪气体质量释放率，m3/h；L为厢体与外界的空气交换体积流量，m3/h；τ为测试时间，h。

实验采用乙烯作为实验气体，则外界环境示踪气体浓度Coa＝0，那么上式可写为:

图1 实验系统示意图Fig.1 The diagram of the experiment system

由此可以得到lnC和时间τ的线性关系式，斜率为－L/V。将测得的实验数据进行关系拟合，见图6。令k＝L/V，那么在稳定状态下，不同车速对应的厢体渗风量为:本实验如图1所示系统进行。

3 实验平台与流程

3.1 实验平台

实验基于广州大学物流与运输研究所冷藏运输仿真实验台进行[8]。图2与图3为其结构示意及相关尺寸。该实验台由两部分组成。外部环境可无级调控风速、空气温度，对车辆运输的外环境进行模拟。冷藏运输单元为标准20英尺冷藏集装箱厢体，外表为双层不锈钢板，内部保温材料为聚氨酯发泡。冷藏运输单元可以通过调节风口位置、出风方向，风机频率等对其内部风速、风量进行调节；其内部有效体积为23.0 m3，总表面积68.0 m2。实验台配置了专门的气体检测系统，可以对冷藏运输模拟单元内部进行CO2、N2、乙烯等气体尝试的检测。同时配备了CO2、N2、乙烯气瓶、二氧化碳脱除机、乙烯脱除机、加湿器、气体调节站、空气压缩机等装置，对冷藏运输单元内部的气体成分进行监测、调控。同时设有温湿度传感器、风速仪、压差计、监视摄像机等多种监控设备，与微电脑控制系统相联，可以及时地获得实验台各种数据。

图2 冷藏运输仿真实验台示意图Fig.2 The schematic drawing of refrigerated transport test bed

图3 冷藏运输模拟单元结构尺寸Fig.3 The size of the structure of the refrigerated transport situation unit

3.2 实验流程

本实验的流程如图4所示。

图4 实验流程Fig.4 The procedure of the experiment

4 结果分析

4.1 缝隙特性

4.1.1 气密性

将每个压差值的六次测试的数据代入式(3)进行修正(当地空气绝对压力101120 Pa，空气温度27 ℃)，即得到表1。

冷藏车车厢的气密性在国际上通常采用漏气倍数(air leakage ratio)来作为指标:

式中:β为漏气倍数，h－1；V为标准状态下的漏气量，m3/h；Vx为车厢的容积，m3。

4.1.2 缝隙特性

利用Origin7.5对表1中的数据进行处理，可得式L＝AIV(Δp)b对应的对数曲线拟合如图5所示，同时根据最小二乘法得到 b＝0.785和 lnAIV＝－9.01217。

本冷藏运输模拟单元的漏气量计算公式为:

L＝1.219×10－4Δp0.785(m3/s)

即 L＝0.439Δp0.785(m3/h)

4.2 风压影响

由图6可以看出，随着车速的加快，厢内乙烯浓度减小得也越快。利用Origin软件，根据最小二乘法原理对乙烯浓度的对数与时间关系进行拟合可以得到不同车速对应的关系式，见表2。

图7中可以看到，随着车速的增加，车厢漏气量呈现增加趋势。在行驶状态时，车厢表面压力分布不均匀，出现局部高压使得该部位缝隙变大，从而与加压法比，相同的内外均压差下，示踪气体法所得到的漏气量更大。

表1 加压法测得的不同压差标准状态空气漏气量Tab.1 Air leakage value with differential pressures in standard state

图5 确定渗风指数b与lnAIV的拟合曲线Fig.5 The fitted curve to define b and lnAIV

图6 不同车速下乙烯浓度随时间变化的拟合关系Fig.6 The fitting relationship between the C2H4concentration and the time at different velocity

图7 两种方法所得漏气量比较Fig.7 The air leakage for different methods

求拟合压差与理论压差的比值即可得到在用缝隙法研究冷藏运输单元动态渗风中各车速对应下的风压系数，见图8。随着车速的增加，风压转化为静压的部分逐渐减少并趋于0.7。这是因为虽然车速(相对风速)的增加，导致气体绕流加剧，气流在正面转化为静压的部分减少，但其在厢体的上部前沿会形成较大的正压，从而使得利用渗风量拟合所得的风压系数趋于某一值。

图8 不同车速下的风压系数Fig.8 The wind pressure coefficient at different velocities

4.3 内部流动影响

在冷藏车的行驶过程中，内部蒸发器(或通风装置)均处于工作状态。其内部气流的流动会影响其渗风量的大小。由于实验平台蒸发器及出风口位置固定，通过改变不同蒸发器出口平均风速(1 m/s～4 m/s)，得到的动态渗风量如表3所示。采用缝隙法公式对压差值进行拟合，与蒸发器未开启时的拟合压差进行比较可得到理论风压Δpd＝ρv2中内部流动影响系数的相关取值，列入表4中，可作为采用缝隙法计算侧蒸发器上送风进渗风量的参考。

4.4 温差影响

冷藏车的厢体高度一般在2～3 m，与建筑相比，冷藏车内外空气密度差产生的热压值非常小。将实验数据进行整理，可以得到冷藏车在不同速度时不同温差的渗风量(见图9，蒸发器出口风速2 m/s)。

可以看到车厢内外空气温差形成的热压对于冷藏车动态渗风的影响较小。通过缝隙法对此时的内外压差进行拟合发现，压差值与无温差(蒸发器出口风速均为2 m/s)相比，最多增加3 Pa左右的压力。将实验数据整理，可得温差补偿压差的取值范围，如表5。

表2 不同车速下的乙烯浓度变化规律、漏气量及拟合压差Tab.2 The rules of C2H4concentration changing，air infiltration values and fitting pressure differences at different velocities

表3 不同内部流动影响下的渗风量Tab.3 Values of air infiltration with different internal flows

表4 内部流动影响系数CnTab.4 Internal flows'influence coefficient Cn

表5 温差补偿压差Tab.5 Compensatory pressure for temperature difference

图9 不同车速、不同温差的漏气量Fig.9 Values of air infiltration with different temperature differences and velocities

5 结论与展望

5.1 结论

1)缝隙法可用于冷藏运输装备的动态渗风分析。根据实验分析，式(2)可写为:

L＝(1＋1.67%)n×1.219×10－3(CfΔp＋Δpb)0.785(老化系数k国际上通常取k＝1.67%)；

2)在运输单元动态渗风的影响因素中，车速的影响最大，而热压对于冷藏车厢体渗风的影响较小，Δpb可忽略不计。

3)冷藏运输单元在车速达到80 km/h时，车厢内外压差已达200 Pa以上，可见我国现行规范采用检测压差(100 Pa)偏小。

5.2 展望

1)冷藏运输装备型式多样，可进行更广泛的实验研究来确定渗风特性指数的取值范围。

2)冷藏运输中载货率及内部码方式对于动态渗风也有一定的影响，需要进一步的研究。

3)对于同一型式的冷藏运输装备应进行跟踪研究，以获得全寿命周期内的渗风状况。

[1] 吕宁，谢如鹤，刘广海.冷藏车开门时车内温湿度变化实验研究[J].制冷学报，2013，34(2):85-89.(Lü Ning，Xie Ruhe，Liu Guanghai.Experimental study on the variations of temperature and humidity in a refrigerated truck with the door opened[J].Journal of Refrigeration，2013，34(2):85-89.)

[2] 刘广海.冷藏运输能耗分析与装备优化研究[D].长沙:中南大学，2007.

[3] 刘广海，孙永才，谢如鹤，等.冷藏集装箱渗透漏气量动态性能研究[C]//第七届全国食品冷藏链大会论文集. 2010，09:173-176.

[4] 孙永才.冷藏车热工性能分析及其真空隔热材料研制[D].广州:广州大学，2011.

[5] 中华人民共和国工业与信息化部.QC/T449—2010中华人民共和国汽车行业标准:保温车、冷藏车技术条件及试验方法[S].北京:中国标准出版社，2010.

[6] 朱能，田哲，王侃红.示踪气体跟踪测量方法在空调通风上的应用[J].暖通空调，1999，29(2):58-62.(Zhu Neng，Tian Zhe，Wang Kanhong.Use of tracer gas measurement in HVAC systems[J].Journal of HV＆AC，1999，29 (2):58-62.)

[7] 李晓锋，朱颖心.示踪气体浓度衰减法在民用建筑自然通风中的应用[J].暖通空调，1997，24(7):7-10.(Li Xiaofeng，Zhu Yingxin.Natural ventilation study ofa meeting room with the tracer gas technique[J].Journal of HV＆AC，1999，24(7):7-10).

[8] 谢如鹤，刘广海，郭成.冷藏运输条件仿真试验台的设计与测试[J].制冷学报，2006，27(6):52-58.(Xie Ruhe，Liu Guanghai，Guo Cheng.Design and test on simulating test-bed of refrigerated transportation condition[J].Journal of Refrigeration，2006，27(6):52-58.)

Mechanism and Experiment of Dynamic Air Infiltration of Refrigerated Compartment

Xie Ruhe Lü Ning Liu Guanghai

(Research Center for Logistics and Transportation，Guangzhou University，Guangzhou，510006，China)

The air infiltration of refrigerated compartment has certain influences on both temperature of internal goods and energy consumption of refrigerated transportation.This paper puts forward a new gap-method of leakage calculating formula with dynamic air infiltration based on the characteristics analysis of refrigerated transportation equipment.The formula is validated by experiments and the mechanism of influencing factors is analyzed.It is found that this method is suitable for study of dynamic air infiltration，and the velocity of vehicle and internal flow has greater impact on dynamic air infiltration volume.

refrigerated transport；dynamic air infiltration；gap-method；air leakage

TB658；U469.6＋6

A

0253－4339(2014)05－0049－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.049

谢如鹤，男(1963－)，博导，教授，广州大学物流与运输研究所，13342886983，E-mail:583385752＠qq.com。研究方向:冷藏运输与冷链物流。

国家科技计划课题(2013BAD19B01－1)和国家自然科学基金(71172077＆51008087)资助项目。(The project was supported by the National Scientific and technological Plan(No.2013BAD19B01-1)and the National Natural Science Foundation of China(No.71172077＆ No. 51008087).)

2013年8月20日

About the author

Xie Ruhe(1963－)，male，Ph.D./professor，Guangzhou University，13342886983，E-mail:5833857522＠qq.com.Research fields:refrigerated transport and cold chain logistics.