冷藏集装箱温度场均匀性改善研究进展

2020-08-06贾发铜杨大章王金锋

食品与机械 2020年7期

贾发铜杨大章谢晶王金锋

(1. 上海海洋大学食品学院，上海 201306；2. 上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，上海 201306；3. 食品科学与工程国家，上海 201306;4. 上海海洋大学食品学院，上海 201306)

冷藏运输作为冷链中的一个关键环节，与食品药品品质密切相关，也是冷链过程中最难控制的部分[1]。当前中国的整体冷链物流服务品质和安全保障能力较低，冷链设施不完善，因此建立完备可靠、规范管理的食品药品冷链物流，提高冷链物流货物品质和冷链运输技术，已成为冷链物流所亟待解决的重要问题[1-3]。

食品冷藏链中需对货物区温度进行精确控制，使温度均匀分布并保持在合理的变化范围内，尤其在冷藏运输过程中需要稳定、均匀的温度场，以减少不必要的货损[4-6]。冷藏集装箱(图1)是一种具有较高的装载容积利用率、完整的制冷装置、特殊的隔热结构、可靠的制冷保温功能、完善的自动控制系统、良好的经济性以及适用于各种易腐货物运输等优点的特殊运输设备，其在冷链运输中发挥着重要作用[8-10]。

目前，中国冷链运输的货损率较高，且运输过程中产生的货损在冷链货损中占比较大[11-12]。冷藏集装箱在温度控制方面仍存在不足，需对其进一步优化[11, 13]。因此，文章拟对货物堆码、气流组织等影响冷藏集装箱温度分布的因素进行综述，阐述箱体内温度场的空间分布特性，进而对影响箱体内温度分布的相关因素进行对比分析，并展望其未来发展方向，旨在为冷藏集装箱的后续研究提供依据。

1. 回风口 2. 机组端 3. 送风口 4. 门端 5. T型轨道

1 货物堆码方式对温度分布的影响

箱体内温度分布与其所装载货物状态密切相关，其中货物堆码方式为重要影响因素，决定了箱体内气流路径，进而对温度场产生影响，因此，对其进行深入研究得出温度分布与货物堆放方式的关系，总结出合理的货物堆码方式，对于合理利用集装箱空间、降低货损、节能环保、提高冷链经济效益有着重要意义[14]。常用冷藏集装箱堆码方式如图2所示。

图2 3种常用堆码方式示意图[15]

1.1 堆垛数量

堆垛通过形成不同的气流通道，造成不同情况的温度分布[16]。合理的气流组织可实现更加均匀的温度场，从而降低货损。高超[11]利用计算流体力学(CFD)技术对冷藏集装箱的温度分布进行对比分析发现，一体式堆码虽是一种最常见的货物堆码方式，但易形成较大的气流旋涡而造成温度均匀性较差；而二体式堆码只在纵向分割堆码时才会有较好的温度分布；相较于一体式和二体式两种堆码方式，四体式堆码下的温度场均匀性表现最佳。曾晰[17]研究发现不同的堆码方式对货物区温度场影响较大，会对回风道产生影响，与4垛相比，8垛的货物堆放方式由于间隙较多可实现冷空气与货物更加充分的换热，使货物区温度分布更均匀，但会降低载货量。

研究[18-20]表明，货物堆码对流场有较大影响，改变堆垛间距离就可以改变温度场分布。随着货物堆垛的数量增加、间隙增大，货物间的气流循环得到优化，换热效果提高，货物区温度均匀性也逐渐改善，可有效地降低货物区整体温度；但当间隙增大到一定程度时，箱内可能会在局部形成低温旋涡区，不利于气流流通[21-22]。因此，冷链运输中应先权衡货物质量和载货量后，再确定合适的堆垛间距，选择合理的货物堆码方式[23]。鉴于堆码数量的增多，可能会造成货物在运送过程中更容易偏移位置，这对货架的设计提出了更高要求；此外，确定合适的堆垛数量时还可以结合货物的散热能力进行深入研究。

1.2 货物与壁面间隙

货物运输过程中，货物与箱体壁面间隙对温度场影响显著，其原理与货物区堆垛数量对气流组织影响类似，不合理的货物与侧壁间隙可能会产生湍流现象，且货物区与侧壁距离直接影响运输载货量，从而影响冷藏集装箱运输经济性[24-25]。

Moureh等[26]研究发现，当货物间气流空间较窄时，会产生较高的阻力造成箱体内气流分布不均匀，且箱体后部存在通风不良的停滞区域，导致局部温度过高，需在货物托盘和壁面留有合适的距离，以此改善通风和减小温差。楼海军等[7]发现，当扩大堆码与壁面间距时，货物间对流换热得到强化，箱内温度分布均匀性显著改善。赵春江等[27]通过对温度场的模拟分析发现，中间及两侧留空的货物堆垛方式在运输中效果最好，既可以使得离风口较远的货物得到很好的冷却，又可以避免货物产生冷害。张娅妮等[28]研究表明货物与壁面间隙对箱体内温度场有较大影响，随着间隙的增大，气流可以更有效地带走外部环境通过壁面传入的热量，降低靠近壁面的气流温度，一定程度上减少内部温度场的不均匀性。

一定范围内，随着间隙的增大，箱内温度均匀性越好，但间隙会造成流体扰动的可能性，对换热有一定的削弱[7, 19]。此外，间隙的增大必然会造成载货量的减少，还需考虑实际的经济效益作出调整。因此，在保证货物品质的情况下，合理地控制货物与箱体壁面间隙，可以避免因产生湍流现象及局部高温造成的货损，减少运输成本[24-25]。而关于局部强制送风确定合适的间隙是否会有更好的经济效益还需进一步研究。

2 气流组织对温度分布的影响

在箱体的货物区中，降温需要通过强制对流下冷气流和货物的热交换实现，货物温度分布和热交换效果直接取决于气流模式，不均匀的气流可能会导致货物品质下降。而影响箱体内货物间气流组织形式的因素较多，其中改变送回风条件是一种常用的调节方式[29-31]。

2.1 送风速度

风机风速影响箱内温度分布[32]，其通过改变箱内整体的气流循环来调节冷气流与货物间的热传递效率。实际冷藏运输中，冷藏集装箱面对不可控的环境工况，配合温控系统及时地改变送风速度来减小温度差异是一种高效的调节方法。

Ho等[33]研究发现，采用较高的送风速度或将冷却装置放置在离货物更近的位置，可以获得更好的冷却效果和均匀性更好的制冷空间。Defraeye等[34]发现在较低的气流速度下，冷藏箱内部冷却速度明显降低，冷却均匀性较差。张哲等[16]在研究发现，送风速度越大，箱内整体平均温度越接近送风温度，且温度均匀性越好，但同时也增加了货物的干耗损失。王安冉[24]利用CFD模拟出不同送风速度下货物区温度场和流场，发现在提高送风速度过程中，货物区空气流速提高，温度分布均匀性更高；但风速为3.0，3.5 m/s时的货物区温度场大体相似，当风速提高至3.0 m/s时，整体货物区温度场均匀性已处于较好的状态，继续通过提高风速来改善箱内温度分布效果并不明显。

由表1可知，提高送风速度可加快温度场更新速率，一定程度上提高货物区温度场均匀性[36-37]。但过大的风速可能会造成食物类货物水分蒸发，增加其干耗[16, 19, 38]，过小的风速可能会产生滞留区。因此在冷藏集装箱中，合理的风速可以使箱内货物区内形成良好的气流组织，使之维持均匀性良好的温度场。后续可研究提高风速过程中造成的货物干耗问题以及额外能耗。

表1 不同出风速度下冷藏集装箱的温度场模拟结果

2.2 送回风形式

2.2.1 贴附式送风为进一步优化气流组织形式，尹海国等[39]对壁面贴附式送风模式进行了相应研究。由图3可知，该送风模式的气流组织由横向贴附区、射击冲击偏转区以及竖直空气湖区3部分组成。

图3 横向壁面贴附式送风模式图

白通通[36]研究发现，相同条件下，相对于冷风机直吹送风模式，贴附送风模式的货物区温度不均匀系数下降了31%，流速不均匀系数降低了47%。张娅妮等[40]研究表明贴壁送风使得气流可以喷射至较远的后端，缩小了箱体前后温差，形成了均匀性良好的温度场。

贴附式送风模式下，工作区可以形成类似于置换通风的气流组织分布，使气流沿着壁面流动，延长了气流喷射长度，可有效提高通风制冷能力，改善内部流场分布均匀性[21, 41-42]。其优势在于能减小对货物直吹带来的干耗并以较大的出口风速使气流到达较远的位置，从而保证箱体内部较好的气流循环，提高温度场均匀性。因此，根据实际运输需要，可以考虑将蒸发器紧贴箱顶安装，形成贴附式射流。后续可对其出风口位置、送风角度、送风速度等进行研究。

2.2.2 风口分布肖诗洋[43]研究发现，相比于双侧进风方式，单侧进风的送风口流量波动偏大，对箱体内货物区流场扰动较大，因此双侧进风方式可以实现更好的温度均匀性。张婷婷等[44]发现下送风两端回风模式下，箱内温差变化≤1.5 ℃。申江等[38]发现气流在两侧回风方式下可以形成较大的回流，配合合适的送风速度，可以形成比较均匀的温度场。郭嘉明等[45]研究发现，“上进上出”和“上进下出”式箱体的内部均存在最大风速偏大现象，造成明显的风速差，可能会引发箱内的局部过热或过冷；而“差压式”箱体的内部空气流动较为均匀，整体温度均匀性较好。

综上，通过改变送回风口在箱体内的分布，调节箱体内部的气流循环，是一种改善温度分布的有效手段。但目前对于改变回风状态的研究较少，还需进一步研究其规律，以提高冷藏集装箱的适用性。

2.2.3 风道系统 Moureh等[26]研究发现采用风道系统可以改善箱体内部通风的均匀性，减少箱体尾部出现滞留区和低速区的现象，有助于降低托盘货物温差。刘晓菲等[46]通过数值模拟计算发现，装有均匀送风管道的货物区温度不均匀系数下降了20%。张东霞等[47]研究表明，随着回风速度的提高，保鲜箱的纵截面温度差异逐渐变小，当回风道速度为8 m/s时，箱内温度均匀性最佳；随着回风道长度的增加，保鲜箱的纵截面温度均匀性越好，当回风道长度为1.5 m时，箱内温度均匀性最好，说明回风道风速、长度的增加有利于提高保鲜箱的温度均匀性。Jiang等[48]发现冷藏集装箱内部装设3个挡板改变风道后，其内部冷气流分布更均匀，温度变化为±1 ℃，冷却时间缩短了22.9%。此外，冷俊材等[49]对集装箱出风管道进行优化设计并增设差压预冷装置，提高了箱内温度分布均匀性，降低了温度波动。

综上，风道系统对提高温度场均匀性效果显著，通过增加风道长度及风速均可降低箱内温差；但目前针对冷藏集装箱的风道系统研究较少，改变风道位置是否可以提高温度场均匀性还需进一步研究。

2.3 风机位置

风机设置的位置是影响气流组织的重要因素之一[50]。李福良[51]结果发现，当冷风机设置在冷库长度方向时，可以形成良好的气流组织，使整个库内温度分布较为均匀；当冷风机设置在冷库宽度方向的一侧时，库内温度和流场均匀性主要受送风速度的影响，较小的送风速度使得气流不能喷射至较远的一端，造成温度场和流场分布不均匀。周轲等[52-53]发现风机设置在长度方向的冷库可以实现更好的降温，且冷藏库温度场均匀性更好；当风机设置在冷库宽度方向时，推荐在两侧各设置一台冷风机，以增强货物区的气流循环，提高温度场均匀性。

3 外部环境

冷藏集装箱一般具有较高的流动性，因此内部温度场易受环境温度、太阳辐射的影响[54]，设计使用冷藏集装箱时需对这些环境因素加以考虑。目前，主要通过提高箱壁的隔热系数并减少热流密度的方法来达到降低环境因素对内部温度场的波动。娄宗瑞等[13]通过模拟壁面换热系数对冷量散失的影响，发现采用真空绝热板的冷藏集装箱整体散热量为普通冷藏集装箱的56.1%，明显减少了冷量损失。通过使用良好的隔热材料可以有效降低内部温度波动。朱奎[8]研究发现，使用真空绝热板可以缩小箱壁厚度，增强保温效果，降低冷量散失；当真空隔热材料使用面积>60%时，冷藏集装箱具有良好的隔热效果。高超[11]发现积载在最外侧的冷藏集装箱温度高于积载在内部的，热量损失和导热率增加。李锦[55]研究发现随着箱体外侧风速的增大、对太阳辐射吸收率的增大以及隔热材料厚度的减小，均会造成内部降温时间延长和一定的温度波动。王文文[56]发现随着保温板厚度的增大，冷藏效果越好；增强冷藏集装箱维护结构隔热性能，可有效降低热量损失，提高内部温度场稳定性。目前隔热材料主要用于降低导热系数，未来还需对其降低表面对流换热系数进行深入研究。