船舶用氣調保鮮集裝箱的設計

楊雙橋，于獻榕，馬麗君，謝裕忠

(中國船舶重工集團公司 第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

船舶用氣調保鮮集裝箱的設計

楊雙橋，于獻榕，馬麗君，謝裕忠

(中國船舶重工集團公司 第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

船舶用氣調集裝箱對我國遠洋船員身體素質的保持具有重大作用。本文提供一種通用的船舶用氣調集裝箱的設計方法。這種方法通過對制氮、制冷和加濕功能模塊的工況進行細化，解決氣調保鮮集裝箱由于體積小，使得各功能模塊處理能力小，設計中參數匹配困難的問題，對以后這一領域的研究具有指導和借鑒意義。最后算例表明，運用本方法可以很好地完成氣調集裝箱的設計。

氣調保鮮集裝箱；制氮功能模塊；制冷功能模塊；加濕功能模塊

0 前 言

隨著我國經濟、軍事的發展，對艦船的遠洋能力和遠洋保障能力要求越來越高。船員良好身體素質的保持是遠洋保障能力中重要的一環，而足夠的新鮮果蔬的食用是保持船員身體素質的關鍵因素之一。傳統的冷藏技術對果蔬的保存期延長有限，一般不超過一周[1–2]，根本不能滿足遠洋航行的需要，而氣調保鮮技術的出現，為解決這一問題提供了可能性。雖然氣調保鮮技術對于不同果蔬的保存期并不一致，但對于新鮮果蔬來說，其保存期比普通冷藏保存要延長 2～3 倍[3]。

氣調保鮮技術在國外已經有數十年的研究歷史，在我國也有了一定的研究基礎[4]，一些大中型氣調庫已在國內很多地方使用，主要用于果蔬的長周期保存，取得了很好的經濟效益，技術也比較完善。但艦船用氣調保鮮集裝箱，由于體積小、使用環境復雜，雖然目前已有一些初步的試用和應用，但整體技術仍處于不斷改進和完善當中。

氣調保鮮主要通過提高氮氣濃度，降低環境溫度，完全脫除乙烯，控制 CO2濃度和加濕環境來實現[5]，其裝置涉及到制氮、制冷、加濕、CO2脫除、乙烯脫除和殺菌[6]，設備比較多，結構比較復雜，合理的確定其結構和分配參數比較重要，而這些都需要在設計階段完成。但是由于船舶用氣調保鮮集裝箱的一些特殊性，比如研發投入大、使用環境特殊等，使得對其的設計和研究近幾年才開始，因此目前國內這一領域的研究資料不是很多。本文借鑒氣調庫和冷庫的設計經驗，依據一些氣調設備的使用經驗，建立了船舶用氣調保鮮箱的通用設計方法，這一方法的特點是對制氮、制冷和加濕的工況進行細化，并對各工況的影響因素進行詳細分析，進而確定計算方法。在文章的最后，運用這一方法完成了對 1 臺氣調保鮮集裝箱的設計。這一工作對以后這一領域的研究具有一定的借鑒和指導意義。

1 船舶用氣調保鮮集裝箱概述

1.1 設備簡介

船舶用氣調保鮮集裝箱一般根據船用集裝箱尺寸或根據船舶上預留的空間設計，其空間資源很有限，但是相對于氣調庫而言，所用的設備都必不可少，因此設備眾多，這不僅使得成本高昂，而且設備布置也比較困難。同時，由于空間小，貯藏量有限，所需設備能力有限，現有各廠家生產的設備是滿足不了類似氣調庫那樣連續工作的條件的，而間歇工作，因為工況復雜，又使得各設備參數匹配比較困難，尤其是制冷和加濕功能單元，相互影響很大。因此，在設計時，需細化考慮各種工況，不僅必須盡可能準確地計算需要的設備處理能力，以節省成本和空間，還需要做好參數的匹配工作，保證裝置的保鮮功能。

船舶用氣調保鮮集裝箱主要由以下功能模塊構成：制氮、制冷、乙烯脫除、CO2脫除、臭氧殺菌、加濕、換氣。制氮功能模塊用于提高貯存環境中氮氣的濃度和降低氧氣的濃度，使用體積小、性能穩定的中空纖維膜制氮系統來實現[7]。制冷功能模塊用于降低貯存環境的溫度，并維護這一低溫環境。乙烯是果蔬的“催熟劑”，因此貯存環境中的乙烯必須盡可能脫除，乙烯脫除使用 4% 濃度 K2MnO4溶液涂覆的氧化鋁小球。CO2脫除要使脫除后的 CO2濃度控制在一定范圍，其含量過高或過低都不太好，通常使用碳吸附的方法。臭氧殺菌模塊采用的是臭氧氧化的方法殺死貯存大氣環境中和果蔬上的細菌及微生物。加濕使用的是超聲波加濕器。氣調箱運轉后，需根據需求進去拿取果蔬，但由于里面是高氮低氧環境，不適合人類呼吸，如若貿然進入，輕則惡習嘔吐，重則窒息而亡，因此必須有換氣系統。這些設備中，加濕設備和臭氧殺菌設備需放于氣調保鮮集裝箱內，其他設備放在箱體外面。

船用氣調集裝箱體積小，空間難以分割成多個，因此盡量貯存貯藏條件比較接近的水果。目前，推薦的裝置啟動方式如下：

1）制氮和制氧系統同時運行，將溫度和氧氣濃度降到目標值；

2）加濕系統運行，使濕度達到目標值；3）臭氧殺菌系統運行；4）乙烯脫除系統運行。

裝置啟動后，根據溫度和濕度監測結果決定是否運行制冷和加濕系統。由于許多果蔬對 CO2、乙烯比較敏感，因此乙烯脫除和 CO2脫除系統采用濃度監測和定時運行結合的方式，而臭氧殺菌系統采用定時運行的方式。制氮系統每次開箱換氣后運行即可。

1.2 氣調保鮮集裝箱基本參數

設計基本參數和推薦的運行值如表 1 所示。同時，啟動時，需確定溫度、濕度和氧氣濃度達到貯藏環境條件的時間。設備穩定運行后，制冷和加濕功能模塊的間隔啟動時間和運行時間也需在計算過程中確定下來。

表 1 設計基本參數Tab. 1 The design essential parameters

2 氣調保鮮集裝箱設計計算

2.1 制氮功能模塊計算

船用氣調保鮮集裝箱的充氮降氧主要發生在 2 種工況下：一是果蔬入箱后和氣調保鮮箱換氣后的充氮降氧。氣調保鮮箱換氣后氧氣濃度為 20% 左右，和果蔬初入箱時差別不大，因此作為一個工況考慮。這個過程和制冷系統一起運行，不過，溫度對氣體成份的影響并不大，可只考慮充氮降氧過程；二是穩定運行工況下，氮氣泄露引發的氮氣濃度不足。由于采用焊接密封，密封效果比較好，且根據需要，裝置大約2～3 天就需要開箱一次，因此工況 2 可以忽略，只考慮工況 1。

氧氣濃度逐步下降。將初始氣調箱內的空氣視為新鮮空氣，其主要成分為：氮氣 78%，氧氣 21%，其他 1%（其中 CO2為 0.03%）。制氮設備的產氣量根據氧氣濃度變化可按下式計算[5]：

式中：V 為庫內氣體體積； τ 為達到目標工況需要的時間； CO20為貯存環境要求的氧氣濃度； CO21為庫內空氣中的初始氧氣濃度； CO22為制氮機產品的氧氣濃度；Q 為制氮設備的產氣量。

2.2 制冷功能模塊計算

制冷系統在開始設計之前，需確定船舶用氣調保鮮集裝箱的貯藏噸位和保溫層厚度，才能開展制冷系統的設計計算。

裝置的貯藏量可按下式計算[8]：

式中：ρ 為貯藏食品的密度；γ 為貯藏間的容積利用系數；G 為果蔬貯藏噸位。

大中型氣調庫和冷庫在設計和計算時，會考慮貨物流量，但船舶用氣調集裝箱由于本身體積小，且主要在海上使用，一般都是一次裝滿，很少中途進貨。因此在后面的計算中不予考慮。

保溫層厚度按下式計算[9]：

式中：αw和 αn均為箱壁內外表面的傳熱系數，W/（m2·℃）；R0為箱壁總熱阻，（m2·℃）/W；λ 為各層材料導熱系數，W/（m·℃）； δ 為各層厚度，m；d 為保溫層厚度，m。

裝置的制冷系統需要考慮的耗冷量包括：1）箱壁散熱；2）果蔬冷卻熱量；3）貯藏環境氣體降溫；4）果蔬呼吸熱；5）箱內機械部件工作散發熱量。制冷系統啟動的工況，主要是果蔬初入氣調保鮮集裝箱、穩定運行一段時間后貯藏環境溫度上升達到溫控的上限值和換氣系統工作后的制冷，分別為工況 1～工況 3。

果蔬初入氣調保鮮集裝箱，即工況 1 時，貯藏環境條件要達到指定條件，影響耗冷量的因素均要考慮。但因素 1、因素 2 和 因素 4 受溫差的影響很大，而過程中溫度不斷變化，因此推薦取初始環境溫度和貯藏環境溫度的平均值。因素 3 中，由于和制氮系統同時工作，排出的氣體中會帶走部分熱量。但由于通常制氮系統工作的時間相對于制冷系統來說比較短，且開始時溫差并不大，因此不予考慮。

氣調保鮮集裝箱穩定運行一段時間后，即工況 2時，由于受因素 1、因素 4 和 因素 5 影響，導致溫度上升，需進行制冷。此時，各因素的計算按照貯藏環境條件取值。換氣后，即工況 3 時，需對氣體環境重新制冷，考慮因素 3 和 因素 5。此時，雖然果蔬溫度也會變化，會影響因素 2，但由于時間短，果蔬和空氣熱交換量小，因此不予考慮。

綜上所述，需考慮的耗冷量如表 2 所示。

表 2 各工況的耗冷量Tab. 2 Cooling capacity consumption factors of various working conditions

氣調保鮮集裝箱箱壁的傳熱系數依據下式計算：

式中： ΣR 為箱壁熱阻，m2·℃/W；K 為箱壁傳熱系數，W/（m2·℃）。

箱壁散熱引起的傳熱量依據下式計算：

式中，A 為箱壁的傳熱面積，m2；a 為溫差修正系數；tw為箱外溫度；tn為箱內溫度。

果蔬冷卻熱量計算公式為：

式中：m 為果蔬貯存量，kg；h1為果蔬初始比焓，kJ/kg；h2為果蔬終止降溫時比焓，kJ/kg；t 為降溫時間。

換氣時，耗冷量計算公式為：

式中：hw，hn為室內外氣體的焓值；rn為冷藏間空氣密度。

果蔬的呼吸熱依據下式計算：

式中： ?1為初始溫度時單位質量果蔬的呼吸熱； ?2為終止溫度時單位質量果蔬的呼吸熱；Q4為進箱降溫階段的呼吸熱。

氣調集裝箱內的電子儀表和機械設備，其散熱值Q5基本都可以從廠家或產品說明書上獲得相關資料。

工況 1 和工況 3 設備選型時，可直接根據計算值。工況 2 時，需考慮時間因素。可依據下式確定。

式中：nt1為運行間隔時間，h；nt2為運行時間，h。

實際情況下，工況 3 的值遠遠小于工況 1。工況 2確定的值最好為工況 1 的一半，這樣既可以在工況 1時盡快制冷，又可以滿足船舶使用時一些設備一用一備的要求。

2.3 加濕功能模塊計算

為實現果蔬的保鮮，防止果蔬水分蒸發，保持果蔬的含水量，氣調保鮮箱內需為高濕環境。氣調保鮮箱內的濕度損失，主要油空氣流動引起。考慮到氣調保鮮集裝箱的工況，可能引起濕度下降的情況有：

1）制冷功能模塊工作過程；2）換氣功能模塊工作過程；3）氣調功能模塊工作過程。

按此分別進行計算，取最大值即可。

制冷系統在工作時，氣調保鮮箱內空氣會和制冷劑換熱，這會使一部分水冷凝出來。除濕量根據下式計算可得：

式中：W冷為制冷過程的除濕量，kg/h；G 為循環氣量，m3/h；dr為箱內換熱器進口的含濕量，g/kg；ds為箱內換熱器出口的含濕量，g/kg。

換氣過程中，周圍環境中的空氣進入到氣調箱內。此時，雖然周圍空氣的相對濕度較低，但是由于對應較高的溫度，其含濕量要比貯藏環境大氣中的含濕量高，比如，25℃ 時，即便相對濕度為 30%，含濕量仍有 5.9 g/kg，而 5℃ 時，即便相對濕度為 95%，含濕量僅有 5.1 g/kg，所以可以不考慮此過程的除濕量。

氣調過程引起濕度下降的工況主要有：1）制氮充氣過程；2）乙烯脫除過程；3）CO2脫除過程。其中，乙烯脫除和 CO2脫除中由于使用保溫措施，溫度的波動很小，且主要是升溫，基本不會引起含濕量下降。而制氮充氣過程中，由于中空纖維膜的使用要求，其產品氣幾乎不含水分，而又與艙內氣體完全置換，故只有此過程需要加濕。在制氮充氣過程中，不考慮中間過程，只考慮加濕到貯藏條件時需要的加濕量。

式中：W冷為氣調過程的除濕量，kg/h；G 為循環氣量，m3/h；dn為貯藏環境的含濕量，g/kg。

當貯藏條件穩定時，由于溫度也被控制在很小范圍內，故相對濕度變化不大。因此，設備選型時只需考慮二者的最大值即可。

2.4 乙烯脫除功能模塊

采收之后的鮮果在貯藏期間會產生乙烯，乙烯能促進果，蔬呼吸、加快果蔬成熟，有催熟作用，通常果蔬對乙烯非常敏感，即使有微量乙烯存在，也會嚴重影響貯藏效果。因此，必須對庫內的乙烯進行徹底脫除。果蔬的乙烯產量難以計算，因為果蔬的乙烯產量區別很大，即使同一種果蔬，采摘時節稍有差別，也會有很大區別，因此只能選脫除能力盡可能強的乙烯脫除設備。

乙烯脫除在果蔬保鮮領域常用的有臭氧氧化法和高錳酸鉀氧化法，前一種可以附帶殺菌效果，但并不能完全脫除乙烯，只能把它控制在一個范圍內。由于氣調保鮮箱體積狹小，這一方法并不適用，因此建議采用了高錳酸鉀氧化法。目前市場上的乙烯脫除功能模塊主要依據風量大小來選擇設備。

2.5 CO2脫除功能模塊計算

貯藏環境氣體中 CO2氣體含量高有抑制呼吸、延緩果膠物質分解和葉綠降解的作用，并能抑制微生物危害，但過高也會對果蔬造成其他生理危害。

CO2脫除系統的能力應根據貯藏果蔬的呼吸強度、氣調庫內貯藏空間體積和貯藏量來確定，一般依據下式計算。

式中：M 為需要的 CO2脫除能力，m3/h；CCO21為脫除前的 CO2含量；CCO22為脫除后的 CO2含量；G 為果蔬貯藏量；C 為每千克果蔬每小時排出的 CO2量，m3/（h·kg）；nt3為脫除設備運行間隔時間，h；nt4為脫除設備運行間隔時間，h。

2.6 臭氧殺菌

臭氧是世界公認的高效殺菌劑，它能夠迅速徹底的清除空氣中、物體表面的細菌、病毒等有害物質，去除異味，達到凈化空氣、殺菌消毒保鮮的功效。

氣調保鮮庫在保鮮水果、蔬菜時，溫度低、濕度大，很適宜多種霉菌生長，需定期消毒，否則儲藏的食品就很容易霉爛變質，造成損失。目前，市場上的臭氧殺菌系統體積小，適用庫容超過 30 m3，完全滿足要求。

3 算例和結果

根據某單位要求，設計一果蔬氣調集裝箱，其提供的參數和設計前確定的主要參數如表 3 所示，計算結果如表 4 所示。

表 3 設計參數Tab. 3 Design parameters

表 4 計算結果Tab. 4 Calculation results

本文提供了一種通用的船舶用氣調集裝箱計算方法，充分考慮了氣調保鮮集裝箱體積小、設備多的特點，通過細分工況，解決了設計過程中參數分配的問題，并且使計算值最大程度接近真實值，保證了設計的準確性。最后的算例也表明，依照本方法可以很好地完成氣調保鮮集裝箱的設計計算，這一工作對以后的研究有一定的借鑒和指導意義。

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Design method of the controlled atmosphere container for shipment

YANG Shuang-qiao, YU Xian-rong, MA Li-jun, XIE Yu-zhong
(The 703 Research Institute of CSIC, Wuxi 214151, China)

It is important to keep the healthy quality of ocean seamen in our country. And the controlled atmosphere container for shipment is one of key equipments used for this purpose. In this paper, a general design method for the container is built. The characteristic of the method is working conditions segmentation of nitrogen making, refrigeration and humidification functional unit. The problem of parameters matching which lead by the container small volume is solved by this method. This research is significance for correlation studies. The calculation example at last shows that the design of controlled atmosphere container can be finished very well used this method.

controlled atmosphere container；nitrogen making functional unit；refrigeration functional unit；humidification functional unit

TS255.3

A

1672–7619(2017)03–0082–05

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.017

2016–07–16；

2016–09–01

楊雙橋(1984–)，男，博士研究生，主要從事機械設備和化工裝置新產品的研發。