船舶冷藏集裝箱內部溫度分布的模擬與優化

張婷婷，闞安康，曹 丹，婁宗瑞

（上海海事大學商船學院，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℃范圍內急劇變化，在航區、航向、氣溫、水溫、太陽輻射角、貨物種類和數量等多變干擾因素下，冷藏集裝箱動態熱負荷急劇變化，導致集裝箱內部溫度分布的不均勻［1－3］，集裝箱機組耗能量加大且導致距離機組近的貨物干耗，遠離貨物因溫度升高而變質腐敗，因此降低能耗，提高貨物的運輸質量，實現制冷節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部負荷的變化是一個復雜而且多變的工況，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］，通過計算機模擬整個冷藏集裝箱內部溫度場的分布情況，采用制冷壓縮機的變頻技術和集裝箱內部結構的改造，使集裝箱內部各個部位的溫度到達滿足貨物冷藏保鮮的要求。對冷藏集裝箱空箱內的流場與溫度場進行數值計算，通過調節箱內空氣溫度和速度使冷量合理分配，優化集裝箱船艙內的氣流組織，可達到合理冷藏貨物的目的［11－13］。

本文揭示了冷藏集裝箱內部溫度分布的規律，對冷藏集裝箱整體式裝載狀態下的工況進行有效的模擬，并通過模擬找到一些優化措施來改善箱內溫度場分布狀況，得到冷藏運輸的最佳工況，使箱內溫度分布更合理，能更好的保持貨物的風味和質量，保持貨物在各自所需要的冷藏溫度狀態下，以便保持易腐貨物的質量品質，對航運公司降低運營成本及冷藏集裝箱的發展有重要理論指導意義。

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為研究對象，采用THERMOKING CRR，內部尺寸為5720mm×2860mm×2800mm，氣流循環形式為下送上回，送風速度為6m/s。根據熱力學理論、流體力學等原理，采用原始變量法，運用仿真技術對冷藏集裝箱內流場、溫度場建立數學模型，進行模擬仿真，建立k－?紊流模型。這些過程必須建立在控制過程的基礎上，采用微分方程的形式表示。在此之前，本文做以下假設:

① 冷藏集裝箱內部的流場是穩態的。

② 冷藏集裝箱內部的流體 （空氣）是不可壓的。

③ 冷藏集裝箱內部為封閉空間。

④ 假設在冷藏集裝箱內部中，所有固體物體的密度、粘性、比熱和導熱系數等都是定值。

⑤ 冷藏集裝箱內部的回風口處的速度是一致的。

2.2 邊界條件

我們采用穩態導熱理論求解圍護結構的總的換熱系數，圍護結構保溫材料采用聚氨酯發泡，在外界環境溫度為30℃時，其總的換熱系數為0.3W/（m2·K）［14］。

3 整體式裝載冷藏集裝箱內部溫度場的仿真

冷凍貨物裝入冷藏集裝箱之間應達到指定的溫度，并要求完全凍結起來。為了便于保持冷凍貨的凍結狀態，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是通過集裝箱內壁面板上的凹條和箱底通風軌道進行循環的。

配載情況下文章采用的送風邊界條件;

（1）初始送風溫度T=253K;（2）送風速度為6m/s;（3）總的換熱系數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。

模擬結果如下:

圖2 整體式配載狀態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，整體式配載箱內溫度比較均勻，另外送風口和門側頂部溫度相差在3K左右，符合冷藏運輸溫度的要求。

4 仿真優化

4.1 旁通調節優化方案

在上述仿真基礎之上，對冷藏集裝箱內的溫度場進行整體優化，模擬冷藏集裝箱在整體式配載方式下，回風采用旁通調節的方式增加送風速度，不增加機組負荷的方式，優化箱內溫度的分布。

送風速度越大，箱內的溫度分布也就越均勻，根據軸流風機特性易知，風機壓頭越小，流量越大。風機壓頭的減小就導致了克服阻力的能力減小，從風道阻力對箱內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對溫度的要求，但是也就存在冷機側的溫度過低的危險，最直接的后果就是導致貨物凍壞;通過降低送風溫度的另一個弊端就是直接增加了冷機的制冷量，增加了初投資也就對機組提出了更高的要求。

圖4 箱內旁通調節圖

故而，存在一個送風溫度和送風速度的優化問題，在不增加機組負荷的前提下增加送風速度，文章采用旁通調節的方式進行調節:第一部分回風通過制冷機組獲得冷量，第二部分不通過制冷機組通過回風通道，與第一部分混合。

文章通過風機和導葉來控制旁通的流量。通過機組的空氣由于流量減少可以獲得更低的溫度;采用風機和導葉控制的旁通調節 （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，這樣機組的負荷也不會因為送風量的增大而變大。

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

因此送風狀況發生變化，旁通調節后的送風溫度為254K，送風速度為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，則機組和貨物之間距離變小，同時旁通部分由于增加了風機，會對整個機組的能耗有影響，這也是采用旁通調節需要考慮的一個因素。

旁通調節邊界條件:（1）初始送風溫度T=254K;（2）送風速度為8m/s;（3）壁面綜合換熱系數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。

模擬結果如圖5和圖6所示。

圖5 旁通調節箱內溫度分布

圖6 優化后的三維箱內溫度分布

4.2 回風優化方案

通過改變送風方式來提高箱內溫度分布的方法，經模擬研究，結果并不理想，采用兩端送風會導致箱內形成渦旋，在箱體中間形成高溫區域，不利于冷藏運輸。事實上，可以通過改變回風方式來改善箱內狀況?；仫L的主要特點是把經過熱交換的空氣返回到機組，再次循環利用，文章針對冷藏集裝箱內部溫度分布的特點，在門側頂部增加一個自由回風口，它的動力一部分來自箱內空氣的流動壓力，另一部分是機組側的回風機。這樣可以增加回風的進氣溫度，使機組的冷量得到最大化的利用，提高機組效率。模擬邊界條件如下:

（1）初始送風溫度T=253K;（2）送風速度為6m/s;（3）壁面換熱系數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。

模擬結果如圖7和圖8所示。

4.3 配載方式的優化方案

圖7 兩端回風下的箱內溫度分布

圖8 Tecplot下的溫度分布

圖9 箱內不同距離上溫度的平均分布

在配載情況下，箱內存在一定的溫度梯度，文章選取不同的溫度梯度標準，對冷藏集裝箱內部進行劃分區域，對不同溫度要求的貨物分區冷藏，這樣既不用擔心冷藏溫度不同的問題，又可以在不同的溫度區域配載不同的貨物，最大化利用箱內空間。圖9為箱內配載情況下不同位置的溫度變化:

以1K作為溫度梯度標準，則溫度變化范圍254.6～255.6K，從圖中選取這個溫度范圍，對應的箱內距離為0～4.8m，這段區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置回風管道、回風口、回風風機及控制設備和根據存儲冷藏貨物的不同，將集裝箱內部區域劃分為若干溫度不同區域的可移動保溫裝置，所述回風管道與回風口與集裝箱的送風口形成氣流組織的循環，同時本文依據圖10，根據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。

5 優化前后結果對比

（1）通過旁通調節優化機組方案，兩個模擬結果的對比分析:優化前，箱內溫度梯度最小為0.5K，整體分為5個等溫區域，溫度分層明顯;優化后，機組負荷不變，箱內溫度梯度為0.2K，溫度分層明顯，最高溫度降低，箱體溫度下的低溫區域跨度更大?？梢酝ㄟ^下面的對比分析:

同取在箱內四米的位置，可以發現，優化前四米處的溫度基本為255.5K，優化后為255.4K，另外優化后也減少了回風和送風之間的短路，使更多的冷量用于冷藏貨物。優化后，箱內從機組側到距離機組四米的位置溫度變化為1.4K;優化前箱內從機組側到距離機組四米的位置溫度變化為2.5K。通過采用旁通調節的方式，可以更好的利用冷量，提高機組效率。

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

圖11 優化前的二維視圖

圖12 優化后的二維視圖

圖13 箱內最高溫度處的剖面

通過圖13可以看出，箱內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，比送風溫度高2.5K。另外頂部回風口的空氣溫度為254.5K，此時回風是通過頂部回到機組，這時回風可以冷卻頂部，也就是說現實中箱內頂部最高溫度會在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化，此方法雖然沒有改善箱內的溫度分布，但是合理利用了箱內的溫度分布情況，沒有改變箱內結構也不會影響箱體的強度要求，同時可以實現冷凍、冷藏貨物的“拼箱”，是值得推廣的一種方法。

6 結論

通過整體式裝載冷藏集裝箱內部溫度場的仿真，并采用旁通調節、回風方式、配載方式三種冷藏集裝箱內部溫度分布的情況優化方案，結果如下:

（1）采用旁通調節優化方案，在不改變機組負荷的情況下增大送風速度，送風溫度有所升高，但是由于送風速度的增加反而使箱內的低溫區域更加廣泛，彌補了送風溫度的升高;

（2）采用兩端回風優化方案，明顯優化了箱內溫度分布，整體溫度變化在1.5K以內，箱內頂部出現的小部分高溫區域，可以通過回風進行冷卻，不僅降低了箱內的最高溫度，又合理的利用了冷量，提高了機組效率;

（3）采用配載方式優化方案，合理利用了箱內的溫度分布情況，沒有改變箱內結構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就可以合理利用。

通過優化使得箱內的溫度分布更均勻、溫度變化區域更少、低溫區域跨度更大。改善了箱內溫度場分布狀況，使箱內溫度分布更合理，能更好的保持貨物的風味和質量，對冷藏集裝箱的推廣及應用具有重要理論指導意義。

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