冷藏集裝箱溫度場均勻性改善研究進(jìn)展

賈發(fā)銅 楊大章 謝 晶 王金鋒

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306；3. 食品科學(xué)與工程國家，上海 201306;4. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

冷藏運(yùn)輸作為冷鏈中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與食品藥品品質(zhì)密切相關(guān)，也是冷鏈過程中最難控制的部分[1]。當(dāng)前中國的整體冷鏈物流服務(wù)品質(zhì)和安全保障能力較低，冷鏈設(shè)施不完善，因此建立完備可靠、規(guī)范管理的食品藥品冷鏈物流，提高冷鏈物流貨物品質(zhì)和冷鏈運(yùn)輸技術(shù)，已成為冷鏈物流所亟待解決的重要問題[1-3]。

食品冷藏鏈中需對(duì)貨物區(qū)溫度進(jìn)行精確控制，使溫度均勻分布并保持在合理的變化范圍內(nèi)，尤其在冷藏運(yùn)輸過程中需要穩(wěn)定、均勻的溫度場，以減少不必要的貨損[4-6]。冷藏集裝箱(圖1)是一種具有較高的裝載容積利用率、完整的制冷裝置、特殊的隔熱結(jié)構(gòu)、可靠的制冷保溫功能、完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)、良好的經(jīng)濟(jì)性以及適用于各種易腐貨物運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)的特殊運(yùn)輸設(shè)備，其在冷鏈運(yùn)輸中發(fā)揮著重要作用[8-10]。

目前，中國冷鏈運(yùn)輸?shù)呢洆p率較高，且運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的貨損在冷鏈貨損中占比較大[11-12]。冷藏集裝箱在溫度控制方面仍存在不足，需對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化[11, 13]。因此，文章擬對(duì)貨物堆碼、氣流組織等影響冷藏集裝箱溫度分布的因素進(jìn)行綜述，闡述箱體內(nèi)溫度場的空間分布特性，進(jìn)而對(duì)影響箱體內(nèi)溫度分布的相關(guān)因素進(jìn)行對(duì)比分析，并展望其未來發(fā)展方向，旨在為冷藏集裝箱的后續(xù)研究提供依據(jù)。

1. 回風(fēng)口 2. 機(jī)組端 3. 送風(fēng)口 4. 門端 5. T型軌道

1 貨物堆碼方式對(duì)溫度分布的影響

箱體內(nèi)溫度分布與其所裝載貨物狀態(tài)密切相關(guān)，其中貨物堆碼方式為重要影響因素，決定了箱體內(nèi)氣流路徑，進(jìn)而對(duì)溫度場產(chǎn)生影響，因此，對(duì)其進(jìn)行深入研究得出溫度分布與貨物堆放方式的關(guān)系，總結(jié)出合理的貨物堆碼方式，對(duì)于合理利用集裝箱空間、降低貨損、節(jié)能環(huán)保、提高冷鏈經(jīng)濟(jì)效益有著重要意義[14]。常用冷藏集裝箱堆碼方式如圖2所示。

圖2 3種常用堆碼方式示意圖[15]

1.1 堆垛數(shù)量

堆垛通過形成不同的氣流通道，造成不同情況的溫度分布[16]。合理的氣流組織可實(shí)現(xiàn)更加均勻的溫度場，從而降低貨損。高超[11]利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)冷藏集裝箱的溫度分布進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，一體式堆碼雖是一種最常見的貨物堆碼方式，但易形成較大的氣流旋渦而造成溫度均勻性較差；而二體式堆碼只在縱向分割堆碼時(shí)才會(huì)有較好的溫度分布；相較于一體式和二體式兩種堆碼方式，四體式堆碼下的溫度場均勻性表現(xiàn)最佳。曾晰[17]研究發(fā)現(xiàn)不同的堆碼方式對(duì)貨物區(qū)溫度場影響較大，會(huì)對(duì)回風(fēng)道產(chǎn)生影響，與4垛相比，8垛的貨物堆放方式由于間隙較多可實(shí)現(xiàn)冷空氣與貨物更加充分的換熱，使貨物區(qū)溫度分布更均勻，但會(huì)降低載貨量。

研究[18-20]表明，貨物堆碼對(duì)流場有較大影響，改變堆垛間距離就可以改變溫度場分布。隨著貨物堆垛的數(shù)量增加、間隙增大，貨物間的氣流循環(huán)得到優(yōu)化，換熱效果提高，貨物區(qū)溫度均勻性也逐漸改善，可有效地降低貨物區(qū)整體溫度；但當(dāng)間隙增大到一定程度時(shí)，箱內(nèi)可能會(huì)在局部形成低溫旋渦區(qū)，不利于氣流流通[21-22]。因此，冷鏈運(yùn)輸中應(yīng)先權(quán)衡貨物質(zhì)量和載貨量后，再確定合適的堆垛間距，選擇合理的貨物堆碼方式[23]。鑒于堆碼數(shù)量的增多，可能會(huì)造成貨物在運(yùn)送過程中更容易偏移位置，這對(duì)貨架的設(shè)計(jì)提出了更高要求；此外，確定合適的堆垛數(shù)量時(shí)還可以結(jié)合貨物的散熱能力進(jìn)行深入研究。

1.2 貨物與壁面間隙

貨物運(yùn)輸過程中，貨物與箱體壁面間隙對(duì)溫度場影響顯著，其原理與貨物區(qū)堆垛數(shù)量對(duì)氣流組織影響類似，不合理的貨物與側(cè)壁間隙可能會(huì)產(chǎn)生湍流現(xiàn)象，且貨物區(qū)與側(cè)壁距離直接影響運(yùn)輸載貨量，從而影響冷藏集裝箱運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性[24-25]。

Moureh等[26]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)貨物間氣流空間較窄時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的阻力造成箱體內(nèi)氣流分布不均勻，且箱體后部存在通風(fēng)不良的停滯區(qū)域，導(dǎo)致局部溫度過高，需在貨物托盤和壁面留有合適的距離，以此改善通風(fēng)和減小溫差。樓海軍等[7]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擴(kuò)大堆碼與壁面間距時(shí)，貨物間對(duì)流換熱得到強(qiáng)化，箱內(nèi)溫度分布均勻性顯著改善。趙春江等[27]通過對(duì)溫度場的模擬分析發(fā)現(xiàn)，中間及兩側(cè)留空的貨物堆垛方式在運(yùn)輸中效果最好，既可以使得離風(fēng)口較遠(yuǎn)的貨物得到很好的冷卻，又可以避免貨物產(chǎn)生冷害。張婭妮等[28]研究表明貨物與壁面間隙對(duì)箱體內(nèi)溫度場有較大影響，隨著間隙的增大，氣流可以更有效地帶走外部環(huán)境通過壁面?zhèn)魅氲臒崃?，降低靠近壁面的氣流溫度，一定程度上減少內(nèi)部溫度場的不均勻性。

一定范圍內(nèi)，隨著間隙的增大，箱內(nèi)溫度均勻性越好，但間隙會(huì)造成流體擾動(dòng)的可能性，對(duì)換熱有一定的削弱[7, 19]。此外，間隙的增大必然會(huì)造成載貨量的減少，還需考慮實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益作出調(diào)整。因此，在保證貨物品質(zhì)的情況下，合理地控制貨物與箱體壁面間隙，可以避免因產(chǎn)生湍流現(xiàn)象及局部高溫造成的貨損，減少運(yùn)輸成本[24-25]。而關(guān)于局部強(qiáng)制送風(fēng)確定合適的間隙是否會(huì)有更好的經(jīng)濟(jì)效益還需進(jìn)一步研究。

2 氣流組織對(duì)溫度分布的影響

在箱體的貨物區(qū)中，降溫需要通過強(qiáng)制對(duì)流下冷氣流和貨物的熱交換實(shí)現(xiàn)，貨物溫度分布和熱交換效果直接取決于氣流模式，不均勻的氣流可能會(huì)導(dǎo)致貨物品質(zhì)下降。而影響箱體內(nèi)貨物間氣流組織形式的因素較多，其中改變送回風(fēng)條件是一種常用的調(diào)節(jié)方式[29-31]。

2.1 送風(fēng)速度

風(fēng)機(jī)風(fēng)速影響箱內(nèi)溫度分布[32]，其通過改變箱內(nèi)整體的氣流循環(huán)來調(diào)節(jié)冷氣流與貨物間的熱傳遞效率。實(shí)際冷藏運(yùn)輸中，冷藏集裝箱面對(duì)不可控的環(huán)境工況，配合溫控系統(tǒng)及時(shí)地改變送風(fēng)速度來減小溫度差異是一種高效的調(diào)節(jié)方法。

Ho等[33]研究發(fā)現(xiàn)，采用較高的送風(fēng)速度或?qū)⒗鋮s裝置放置在離貨物更近的位置，可以獲得更好的冷卻效果和均勻性更好的制冷空間。Defraeye等[34]發(fā)現(xiàn)在較低的氣流速度下，冷藏箱內(nèi)部冷卻速度明顯降低，冷卻均勻性較差。張哲等[16]在研究發(fā)現(xiàn)，送風(fēng)速度越大，箱內(nèi)整體平均溫度越接近送風(fēng)溫度，且溫度均勻性越好，但同時(shí)也增加了貨物的干耗損失。王安冉[24]利用CFD模擬出不同送風(fēng)速度下貨物區(qū)溫度場和流場，發(fā)現(xiàn)在提高送風(fēng)速度過程中，貨物區(qū)空氣流速提高，溫度分布均勻性更高；但風(fēng)速為3.0，3.5 m/s時(shí)的貨物區(qū)溫度場大體相似，當(dāng)風(fēng)速提高至3.0 m/s時(shí)，整體貨物區(qū)溫度場均勻性已處于較好的狀態(tài)，繼續(xù)通過提高風(fēng)速來改善箱內(nèi)溫度分布效果并不明顯。

由表1可知，提高送風(fēng)速度可加快溫度場更新速率，一定程度上提高貨物區(qū)溫度場均勻性[36-37]。但過大的風(fēng)速可能會(huì)造成食物類貨物水分蒸發(fā)，增加其干耗[16, 19, 38]，過小的風(fēng)速可能會(huì)產(chǎn)生滯留區(qū)。因此在冷藏集裝箱中，合理的風(fēng)速可以使箱內(nèi)貨物區(qū)內(nèi)形成良好的氣流組織，使之維持均勻性良好的溫度場。后續(xù)可研究提高風(fēng)速過程中造成的貨物干耗問題以及額外能耗。

表1 不同出風(fēng)速度下冷藏集裝箱的溫度場模擬結(jié)果

2.2 送回風(fēng)形式

2.2.1 貼附式送風(fēng) 為進(jìn)一步優(yōu)化氣流組織形式，尹海國等[39]對(duì)壁面貼附式送風(fēng)模式進(jìn)行了相應(yīng)研究。由圖3可知，該送風(fēng)模式的氣流組織由橫向貼附區(qū)、射擊沖擊偏轉(zhuǎn)區(qū)以及豎直空氣湖區(qū)3部分組成。

圖3 橫向壁面貼附式送風(fēng)模式圖

白通通[36]研究發(fā)現(xiàn)，相同條件下，相對(duì)于冷風(fēng)機(jī)直吹送風(fēng)模式，貼附送風(fēng)模式的貨物區(qū)溫度不均勻系數(shù)下降了31%，流速不均勻系數(shù)降低了47%。張婭妮等[40]研究表明貼壁送風(fēng)使得氣流可以噴射至較遠(yuǎn)的后端，縮小了箱體前后溫差，形成了均勻性良好的溫度場。

貼附式送風(fēng)模式下，工作區(qū)可以形成類似于置換通風(fēng)的氣流組織分布，使氣流沿著壁面流動(dòng)，延長了氣流噴射長度，可有效提高通風(fēng)制冷能力，改善內(nèi)部流場分布均勻性[21, 41-42]。其優(yōu)勢在于能減小對(duì)貨物直吹帶來的干耗并以較大的出口風(fēng)速使氣流到達(dá)較遠(yuǎn)的位置，從而保證箱體內(nèi)部較好的氣流循環(huán)，提高溫度場均勻性。因此，根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸需要，可以考慮將蒸發(fā)器緊貼箱頂安裝，形成貼附式射流。后續(xù)可對(duì)其出風(fēng)口位置、送風(fēng)角度、送風(fēng)速度等進(jìn)行研究。

2.2.2 風(fēng)口分布 肖詩洋[43]研究發(fā)現(xiàn)，相比于雙側(cè)進(jìn)風(fēng)方式，單側(cè)進(jìn)風(fēng)的送風(fēng)口流量波動(dòng)偏大，對(duì)箱體內(nèi)貨物區(qū)流場擾動(dòng)較大，因此雙側(cè)進(jìn)風(fēng)方式可以實(shí)現(xiàn)更好的溫度均勻性。張婷婷等[44]發(fā)現(xiàn)下送風(fēng)兩端回風(fēng)模式下，箱內(nèi)溫差變化≤1.5 ℃。申江等[38]發(fā)現(xiàn)氣流在兩側(cè)回風(fēng)方式下可以形成較大的回流，配合合適的送風(fēng)速度，可以形成比較均勻的溫度場。郭嘉明等[45]研究發(fā)現(xiàn)，“上進(jìn)上出”和“上進(jìn)下出”式箱體的內(nèi)部均存在最大風(fēng)速偏大現(xiàn)象，造成明顯的風(fēng)速差，可能會(huì)引發(fā)箱內(nèi)的局部過熱或過冷；而“差壓式”箱體的內(nèi)部空氣流動(dòng)較為均勻，整體溫度均勻性較好。

綜上，通過改變送回風(fēng)口在箱體內(nèi)的分布，調(diào)節(jié)箱體內(nèi)部的氣流循環(huán)，是一種改善溫度分布的有效手段。但目前對(duì)于改變回風(fēng)狀態(tài)的研究較少，還需進(jìn)一步研究其規(guī)律，以提高冷藏集裝箱的適用性。

2.2.3 風(fēng)道系統(tǒng) Moureh等[26]研究發(fā)現(xiàn)采用風(fēng)道系統(tǒng)可以改善箱體內(nèi)部通風(fēng)的均勻性，減少箱體尾部出現(xiàn)滯留區(qū)和低速區(qū)的現(xiàn)象，有助于降低托盤貨物溫差。劉曉菲等[46]通過數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，裝有均勻送風(fēng)管道的貨物區(qū)溫度不均勻系數(shù)下降了20%。張東霞等[47]研究表明，隨著回風(fēng)速度的提高，保鮮箱的縱截面溫度差異逐漸變小，當(dāng)回風(fēng)道速度為8 m/s時(shí)，箱內(nèi)溫度均勻性最佳；隨著回風(fēng)道長度的增加，保鮮箱的縱截面溫度均勻性越好，當(dāng)回風(fēng)道長度為1.5 m時(shí)，箱內(nèi)溫度均勻性最好，說明回風(fēng)道風(fēng)速、長度的增加有利于提高保鮮箱的溫度均勻性。Jiang等[48]發(fā)現(xiàn)冷藏集裝箱內(nèi)部裝設(shè)3個(gè)擋板改變風(fēng)道后，其內(nèi)部冷氣流分布更均勻，溫度變化為±1 ℃，冷卻時(shí)間縮短了22.9%。此外，冷俊材等[49]對(duì)集裝箱出風(fēng)管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并增設(shè)差壓預(yù)冷裝置，提高了箱內(nèi)溫度分布均勻性，降低了溫度波動(dòng)。

綜上，風(fēng)道系統(tǒng)對(duì)提高溫度場均勻性效果顯著，通過增加風(fēng)道長度及風(fēng)速均可降低箱內(nèi)溫差；但目前針對(duì)冷藏集裝箱的風(fēng)道系統(tǒng)研究較少，改變風(fēng)道位置是否可以提高溫度場均勻性還需進(jìn)一步研究。

2.3 風(fēng)機(jī)位置

風(fēng)機(jī)設(shè)置的位置是影響氣流組織的重要因素之一[50]。李福良[51]結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷風(fēng)機(jī)設(shè)置在冷庫長度方向時(shí)，可以形成良好的氣流組織，使整個(gè)庫內(nèi)溫度分布較為均勻；當(dāng)冷風(fēng)機(jī)設(shè)置在冷庫寬度方向的一側(cè)時(shí)，庫內(nèi)溫度和流場均勻性主要受送風(fēng)速度的影響，較小的送風(fēng)速度使得氣流不能噴射至較遠(yuǎn)的一端，造成溫度場和流場分布不均勻。周軻等[52-53]發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)設(shè)置在長度方向的冷庫可以實(shí)現(xiàn)更好的降溫，且冷藏庫溫度場均勻性更好；當(dāng)風(fēng)機(jī)設(shè)置在冷庫寬度方向時(shí)，推薦在兩側(cè)各設(shè)置一臺(tái)冷風(fēng)機(jī)，以增強(qiáng)貨物區(qū)的氣流循環(huán)，提高溫度場均勻性。

3 外部環(huán)境

冷藏集裝箱一般具有較高的流動(dòng)性，因此內(nèi)部溫度場易受環(huán)境溫度、太陽輻射的影響[54]，設(shè)計(jì)使用冷藏集裝箱時(shí)需對(duì)這些環(huán)境因素加以考慮。目前，主要通過提高箱壁的隔熱系數(shù)并減少熱流密度的方法來達(dá)到降低環(huán)境因素對(duì)內(nèi)部溫度場的波動(dòng)。婁宗瑞等[13]通過模擬壁面換熱系數(shù)對(duì)冷量散失的影響，發(fā)現(xiàn)采用真空絕熱板的冷藏集裝箱整體散熱量為普通冷藏集裝箱的56.1%，明顯減少了冷量損失。通過使用良好的隔熱材料可以有效降低內(nèi)部溫度波動(dòng)。朱奎[8]研究發(fā)現(xiàn)，使用真空絕熱板可以縮小箱壁厚度，增強(qiáng)保溫效果，降低冷量散失；當(dāng)真空隔熱材料使用面積>60%時(shí)，冷藏集裝箱具有良好的隔熱效果。高超[11]發(fā)現(xiàn)積載在最外側(cè)的冷藏集裝箱溫度高于積載在內(nèi)部的，熱量損失和導(dǎo)熱率增加。李錦[55]研究發(fā)現(xiàn)隨著箱體外側(cè)風(fēng)速的增大、對(duì)太陽輻射吸收率的增大以及隔熱材料厚度的減小，均會(huì)造成內(nèi)部降溫時(shí)間延長和一定的溫度波動(dòng)。王文文[56]發(fā)現(xiàn)隨著保溫板厚度的增大，冷藏效果越好；增強(qiáng)冷藏集裝箱維護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能，可有效降低熱量損失，提高內(nèi)部溫度場穩(wěn)定性。目前隔熱材料主要用于降低導(dǎo)熱系數(shù)，未來還需對(duì)其降低表面對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

改善冷藏集裝箱溫度分布均勻性對(duì)提高中國冷鏈運(yùn)輸效率、保障運(yùn)輸貨物品質(zhì)具有重要意義。影響冷藏集裝箱溫度分布因素眾多，需綜合考慮各種因素總結(jié)出適用性更高的送風(fēng)條件，同時(shí)對(duì)于冷藏集裝箱溫度分布的研究還可在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流板設(shè)置以及貨物包裝等方面進(jìn)一步深入展開。