冷藏運輸單元的動態滲風機理及實驗研究

謝如鶴 呂寧 劉廣海

(廣州大學物流與運輸研究所 廣州 510006)

冷藏運輸單元的動態滲風機理及實驗研究

謝如鶴 呂寧 劉廣海

(廣州大學物流與運輸研究所 廣州 510006)

冷藏運輸單元的空氣滲透對內部貨物溫度及冷藏運輸能耗都有一定的影響。在分析冷藏運輸裝備特點的基礎上，提出了動態滲風時漏氣量的縫隙法計算公式，通過實驗進行驗證并對影響因素和機理進行分析，得出該方法適用于動態滲風研究，動態滲風量受車速和內部流動的影響較大。

冷藏運輸；動態滲風；縫隙法；漏氣量

在冷藏運輸過程中，冷藏運輸工具與空氣的相對運動速度較高，廂體內部與外環境之間存在著空氣滲透即動態滲風。動態滲風的強度可以用單位時間內的滲風量來表示。冷藏運輸工具滲風與建筑的滲風相比，具有以下特點[1]:1)冷藏運輸工具體積較小且高度有限，運行中的風壓是滲風的動力；2)縫隙主要為拼接縫隙、車門縫隙、管道接入縫隙以及行駛過程中廂體變形形成的縫隙；3)風速、車速的變化均會使車體表面壓力發生變化進而造成滲風量變化；4)內部流場及裝載情況會影響滲風。

在現行規范及研究中，普遍采用加壓法對冷藏車的氣密性進行研究，冷藏裝備處于靜態，不同之處在于壓力條件的設定[2]。對于冷藏運輸過程中運輸工具的內外空氣滲透，國內外專家鮮有研究。而動態滲風對于分析冷藏運輸裝備的能耗更具有實際意義[3]。對于冷藏集裝箱的動態滲風進行的初步的研究發現，隨著車速的增加，廂體內外的壓力增大，動態滲風量增加[4]，但目前尚未提出一種適用性較強的理論分析方法。本文在加壓法的基礎上，采用示蹤氣體濃度衰減法對冷藏運輸單元的動態滲風進行實驗，可以得到冷藏運輸單元的動態滲風量，并從縫隙法原理出發，參考相關標準及文獻[5－7]，對影響動態滲風的因素與機理進行了分析與實驗。

1 動態滲風及縫隙法原理

縫隙法是以縫隙為主要滲透通道來對滲風量進行計算的方法，通過縫隙的滲風量取決于作用在縫隙兩側的壓差和縫隙的特性。在冷藏運輸單元行駛過程中，高速流動的氣流吹過車廂時會在車體的迎風面上將動能轉化為靜壓力，然后在靜壓力的作用下通過縫隙滲入車內。而在廂外尾部則會形成負壓區，廂內的空氣從該部分的縫隙滲出。

利用縫隙法對滲風量計算的公式為:

式中:AIV為當量滲風孔隙面積，表示單位壓差作用下，單位縫隙長度單位時間內的滲風量，m3/(s· Pab)；Δpd為理論風壓，即來流空氣全部動壓轉化成為靜壓時對縫隙兩側產生的壓差；Δpt為理論熱壓，由于縫隙內外空氣密度差及高差計算而得的壓差；Cf為風壓系數，縫隙兩側的實際風壓與理論風壓的比值；Cr為熱壓系數，實際熱壓與理論熱壓的比值。

對于冷藏運輸單元，縫隙法公式可以表示為:

式中:風壓系數Cf為縫隙兩側實際風壓與理論風壓之比；內部流動影響系數Cn為內部氣流流動對車廂內外壓差的影響。其大小與車廂尺寸、蒸發器安裝位置、出風口風速及內部氣流狀況有關；Δpb為溫差補償壓力，由于滲透壓差主要由風壓提供，雖然冷藏車廂的高度無法與高層建筑比擬，但考慮到冷藏車車廂內外空氣通常會有較大的溫差(最大可達65℃以上)，因而引入溫差補償壓力，以表征熱壓對其內部壓力的影響；裝備老化系數k代表冷藏運輸裝備隨著時間的推移材料、結構老化對其動態滲風量的影響，%/年。

2 實驗原理

2.1 加壓法

用空氣壓縮機將空氣經調節閥和流量計充入車廂內，通過調控調節閥使車廂內外形成壓差，待壓差穩定后記錄保持該壓差時輸入的風量，多次測量取平均值進行計算。將測量結果換算成標準狀況下的流量:

式中:V為標準狀態下的漏氣量，m3/h；V0為流量計所測的漏氣量，m3/h；θ為標準狀態下絕對溫度，273 K；θ0為流量測量處每次測量的空氣的絕對溫度，K；p為標準大氣壓力1.013×105Pa；p0為流量測量處測量的空氣的絕對壓力，Pa。

2.2 示蹤氣體濃度自然衰減法

示蹤氣體濃度自然衰減法是先在廂體內釋放一定量的過濾嘴氣體后停止釋放，隨著空氣的動態滲透，廂內示蹤氣體濃度下降。在無風、車速勻速的情況下，車廂內外各部門壓差處于穩定狀態，測試時間內有:

式中:V為車廂體積，m3；C為示蹤氣體濃度，g/ m3；Coa為外界環境示蹤氣體濃度g/m3；F為示蹤氣體質量釋放率，m3/h；L為廂體與外界的空氣交換體積流量，m3/h；τ為測試時間，h。

實驗采用乙烯作為實驗氣體，則外界環境示蹤氣體濃度Coa＝0，那么上式可寫為:

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 The diagram of the experiment system

由此可以得到lnC和時間τ的線性關系式，斜率為－L/V。將測得的實驗數據進行關系擬合，見圖6。令k＝L/V，那么在穩定狀態下，不同車速對應的廂體滲風量為:本實驗如圖1所示系統進行。

3 實驗平臺與流程

3.1 實驗平臺

實驗基于廣州大學物流與運輸研究所冷藏運輸仿真實驗臺進行[8]。圖2與圖3為其結構示意及相關尺寸。該實驗臺由兩部分組成。外部環境可無級調控風速、空氣溫度，對車輛運輸的外環境進行模擬。冷藏運輸單元為標準20英尺冷藏集裝箱廂體，外表為雙層不銹鋼板，內部保溫材料為聚氨酯發泡。冷藏運輸單元可以通過調節風口位置、出風方向，風機頻率等對其內部風速、風量進行調節；其內部有效體積為23.0 m3，總表面積68.0 m2。實驗臺配置了專門的氣體檢測系統，可以對冷藏運輸模擬單元內部進行CO2、N2、乙烯等氣體嘗試的檢測。同時配備了CO2、N2、乙烯氣瓶、二氧化碳脫除機、乙烯脫除機、加濕器、氣體調節站、空氣壓縮機等裝置，對冷藏運輸單元內部的氣體成分進行監測、調控。同時設有溫濕度傳感器、風速儀、壓差計、監視攝像機等多種監控設備，與微電腦控制系統相聯，可以及時地獲得實驗臺各種數據。

圖2 冷藏運輸仿真實驗臺示意圖Fig.2 The schematic drawing of refrigerated transport test bed

圖3 冷藏運輸模擬單元結構尺寸Fig.3 The size of the structure of the refrigerated transport situation unit

3.2 實驗流程

本實驗的流程如圖4所示。

圖4 實驗流程Fig.4 The procedure of the experiment

4 結果分析

4.1 縫隙特性

4.1.1 氣密性

將每個壓差值的六次測試的數據代入式(3)進行修正(當地空氣絕對壓力101120 Pa，空氣溫度27 ℃)，即得到表1。

冷藏車車廂的氣密性在國際上通常采用漏氣倍數(air leakage ratio)來作為指標:

式中:β為漏氣倍數，h－1；V為標準狀態下的漏氣量，m3/h；Vx為車廂的容積，m3。

4.1.2 縫隙特性

利用Origin7.5對表1中的數據進行處理，可得式L＝AIV(Δp)b對應的對數曲線擬合如圖5所示，同時根據最小二乘法得到 b＝0.785和 lnAIV＝－9.01217。

本冷藏運輸模擬單元的漏氣量計算公式為:

L＝1.219×10－4Δp0.785(m3/s)

即 L＝0.439Δp0.785(m3/h)

4.2 風壓影響

由圖6可以看出，隨著車速的加快，廂內乙烯濃度減小得也越快。利用Origin軟件，根據最小二乘法原理對乙烯濃度的對數與時間關系進行擬合可以得到不同車速對應的關系式，見表2。

圖7中可以看到，隨著車速的增加，車廂漏氣量呈現增加趨勢。在行駛狀態時，車廂表面壓力分布不均勻，出現局部高壓使得該部位縫隙變大，從而與加壓法比，相同的內外均壓差下，示蹤氣體法所得到的漏氣量更大。

表1 加壓法測得的不同壓差標準狀態空氣漏氣量Tab.1 Air leakage value with differential pressures in standard state

圖5 確定滲風指數b與lnAIV的擬合曲線Fig.5 The fitted curve to define b and lnAIV

圖6 不同車速下乙烯濃度隨時間變化的擬合關系Fig.6 The fitting relationship between the C2H4concentration and the time at different velocity

圖7 兩種方法所得漏氣量比較Fig.7 The air leakage for different methods

求擬合壓差與理論壓差的比值即可得到在用縫隙法研究冷藏運輸單元動態滲風中各車速對應下的風壓系數，見圖8。隨著車速的增加，風壓轉化為靜壓的部分逐漸減少并趨于0.7。這是因為雖然車速(相對風速)的增加，導致氣體繞流加劇，氣流在正面轉化為靜壓的部分減少，但其在廂體的上部前沿會形成較大的正壓，從而使得利用滲風量擬合所得的風壓系數趨于某一值。

圖8 不同車速下的風壓系數Fig.8 The wind pressure coefficient at different velocities

4.3 內部流動影響

在冷藏車的行駛過程中，內部蒸發器(或通風裝置)均處于工作狀態。其內部氣流的流動會影響其滲風量的大小。由于實驗平臺蒸發器及出風口位置固定，通過改變不同蒸發器出口平均風速(1 m/s～4 m/s)，得到的動態滲風量如表3所示。采用縫隙法公式對壓差值進行擬合，與蒸發器未開啟時的擬合壓差進行比較可得到理論風壓Δpd＝ρv2中內部流動影響系數的相關取值，列入表4中，可作為采用縫隙法計算側蒸發器上送風進滲風量的參考。

4.4 溫差影響

冷藏車的廂體高度一般在2～3 m，與建筑相比，冷藏車內外空氣密度差產生的熱壓值非常小。將實驗數據進行整理，可以得到冷藏車在不同速度時不同溫差的滲風量(見圖9，蒸發器出口風速2 m/s)。

可以看到車廂內外空氣溫差形成的熱壓對于冷藏車動態滲風的影響較小。通過縫隙法對此時的內外壓差進行擬合發現，壓差值與無溫差(蒸發器出口風速均為2 m/s)相比，最多增加3 Pa左右的壓力。將實驗數據整理，可得溫差補償壓差的取值范圍，如表5。

表2 不同車速下的乙烯濃度變化規律、漏氣量及擬合壓差Tab.2 The rules of C2H4concentration changing，air infiltration values and fitting pressure differences at different velocities

表3 不同內部流動影響下的滲風量Tab.3 Values of air infiltration with different internal flows

表4 內部流動影響系數CnTab.4 Internal flows'influence coefficient Cn

表5 溫差補償壓差Tab.5 Compensatory pressure for temperature difference

圖9 不同車速、不同溫差的漏氣量Fig.9 Values of air infiltration with different temperature differences and velocities

5 結論與展望

5.1 結論

1)縫隙法可用于冷藏運輸裝備的動態滲風分析。根據實驗分析，式(2)可寫為:

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

2)在運輸單元動態滲風的影響因素中，車速的影響最大，而熱壓對于冷藏車廂體滲風的影響較小，Δpb可忽略不計。

3)冷藏運輸單元在車速達到80 km/h時，車廂內外壓差已達200 Pa以上，可見我國現行規范采用檢測壓差(100 Pa)偏小。

5.2 展望

1)冷藏運輸裝備型式多樣，可進行更廣泛的實驗研究來確定滲風特性指數的取值范圍。

2)冷藏運輸中載貨率及內部碼方式對于動態滲風也有一定的影響，需要進一步的研究。

3)對于同一型式的冷藏運輸裝備應進行跟蹤研究，以獲得全壽命周期內的滲風狀況。

[1] 呂寧，謝如鶴，劉廣海.冷藏車開門時車內溫濕度變化實驗研究[J].制冷學報，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] 劉廣海.冷藏運輸能耗分析與裝備優化研究[D].長沙:中南大學，2007.

[3] 劉廣海，孫永才，謝如鶴，等.冷藏集裝箱滲透漏氣量動態性能研究[C]//第七屆全國食品冷藏鏈大會論文集. 2010，09:173-176.

[4] 孫永才.冷藏車熱工性能分析及其真空隔熱材料研制[D].廣州:廣州大學，2011.

[5] 中華人民共和國工業與信息化部.QC/T449—2010中華人民共和國汽車行業標準:保溫車、冷藏車技術條件及試驗方法[S].北京:中國標準出版社，2010.

[6] 朱能，田哲，王侃紅.示蹤氣體跟蹤測量方法在空調通風上的應用[J].暖通空調，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] 李曉鋒，朱穎心.示蹤氣體濃度衰減法在民用建筑自然通風中的應用[J].暖通空調，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] 謝如鶴，劉廣海，郭成.冷藏運輸條件仿真試驗臺的設計與測試[J].制冷學報，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

謝如鶴，男(1963－)，博導，教授，廣州大學物流與運輸研究所，13342886983，E-mail:583385752＠qq.com。研究方向:冷藏運輸與冷鏈物流。

國家科技計劃課題(2013BAD19B01－1)和國家自然科學基金(71172077＆51008087)資助項目。(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.