冷藏集裝箱溫度場均勻性改善研究進展

賈發銅 楊大章 謝 晶 王金鋒

(1. 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2. 上海冷鏈裝備性能與節能評價專業技術服務平臺，上海 201306；3. 食品科學與工程國家，上海 201306;4. 上海海洋大學食品學院，上海 201306)

冷藏運輸作為冷鏈中的一個關鍵環節，與食品藥品品質密切相關，也是冷鏈過程中最難控制的部分[1]。當前中國的整體冷鏈物流服務品質和安全保障能力較低，冷鏈設施不完善，因此建立完備可靠、規范管理的食品藥品冷鏈物流，提高冷鏈物流貨物品質和冷鏈運輸技術，已成為冷鏈物流所亟待解決的重要問題[1-3]。

食品冷藏鏈中需對貨物區溫度進行精確控制，使溫度均勻分布并保持在合理的變化范圍內，尤其在冷藏運輸過程中需要穩定、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、特殊的隔熱結構、可靠的制冷保溫功能、完善的自動控制系統、良好的經濟性以及適用于各種易腐貨物運輸等優點的特殊運輸設備，其在冷鏈運輸中發揮著重要作用[8-10]。

目前，中國冷鏈運輸的貨損率較高，且運輸過程中產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，需對其進一步優化[11, 13]。因此，文章擬對貨物堆碼、氣流組織等影響冷藏集裝箱溫度分布的因素進行綜述，闡述箱體內溫度場的空間分布特性，進而對影響箱體內溫度分布的相關因素進行對比分析，并展望其未來發展方向，旨在為冷藏集裝箱的后續研究提供依據。

1. 回風口 2. 機組端 3. 送風口 4. 門端 5. T型軌道

1 貨物堆碼方式對溫度分布的影響

箱體內溫度分布與其所裝載貨物狀態密切相關，其中貨物堆碼方式為重要影響因素，決定了箱體內氣流路徑，進而對溫度場產生影響，因此，對其進行深入研究得出溫度分布與貨物堆放方式的關系，總結出合理的貨物堆碼方式，對于合理利用集裝箱空間、降低貨損、節能環保、提高冷鏈經濟效益有著重要意義[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現更加均勻的溫度場，從而降低貨損。高超[11]利用計算流體力學(CFD)技術對冷藏集裝箱的溫度分布進行對比分析發現，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才會有較好的溫度分布；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最佳。曾晰[17]研究發現不同的堆碼方式對貨物區溫度場影響較大，會對回風道產生影響，與4垛相比，8垛的貨物堆放方式由于間隙較多可實現冷空氣與貨物更加充分的換熱，使貨物區溫度分布更均勻，但會降低載貨量。

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

1.2 貨物與壁面間隙

貨物運輸過程中，貨物與箱體壁面間隙對溫度場影響顯著，其原理與貨物區堆垛數量對氣流組織影響類似，不合理的貨物與側壁間隙可能會產生湍流現象，且貨物區與側壁距離直接影響運輸載貨量，從而影響冷藏集裝箱運輸經濟性[24-25]。

Moureh等[26]研究發現，當貨物間氣流空間較窄時，會產生較高的阻力造成箱體內氣流分布不均勻，且箱體后部存在通風不良的停滯區域，導致局部溫度過高，需在貨物托盤和壁面留有合適的距離，以此改善通風和減小溫差。樓海軍等[7]發現，當擴大堆碼與壁面間距時，貨物間對流換熱得到強化，箱內溫度分布均勻性顯著改善。趙春江等[27]通過對溫度場的模擬分析發現，中間及兩側留空的貨物堆垛方式在運輸中效果最好，既可以使得離風口較遠的貨物得到很好的冷卻，又可以避免貨物產生冷害。張婭妮等[28]研究表明貨物與壁面間隙對箱體內溫度場有較大影響，隨著間隙的增大，氣流可以更有效地帶走外部環境通過壁面傳入的熱量，降低靠近壁面的氣流溫度，一定程度上減少內部溫度場的不均勻性。

一定范圍內，隨著間隙的增大，箱內溫度均勻性越好，但間隙會造成流體擾動的可能性，對換熱有一定的削弱[7, 19]。此外，間隙的增大必然會造成載貨量的減少，還需考慮實際的經濟效益作出調整。因此，在保證貨物品質的情況下，合理地控制貨物與箱體壁面間隙，可以避免因產生湍流現象及局部高溫造成的貨損，減少運輸成本[24-25]。而關于局部強制送風確定合適的間隙是否會有更好的經濟效益還需進一步研究。

2 氣流組織對溫度分布的影響

在箱體的貨物區中，降溫需要通過強制對流下冷氣流和貨物的熱交換實現，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導致貨物品質下降。而影響箱體內貨物間氣流組織形式的因素較多，其中改變送回風條件是一種常用的調節方式[29-31]。

2.1 送風速度

風機風速影響箱內溫度分布[32]，其通過改變箱內整體的氣流循環來調節冷氣流與貨物間的熱傳遞效率。實際冷藏運輸中，冷藏集裝箱面對不可控的環境工況，配合溫控系統及時地改變送風速度來減小溫度差異是一種高效的調節方法。

Ho等[33]研究發現，采用較高的送風速度或將冷卻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]發現在較低的氣流速度下，冷藏箱內部冷卻速度明顯降低，冷卻均勻性較差。張哲等[16]在研究發現，送風速度越大，箱內整體平均溫度越接近送風溫度，且溫度均勻性越好，但同時也增加了貨物的干耗損失。王安冉[24]利用CFD模擬出不同送風速度下貨物區溫度場和流場，發現在提高送風速度過程中，貨物區空氣流速提高，溫度分布均勻性更高；但風速為3.0，3.5 m/s時的貨物區溫度場大體相似，當風速提高至3.0 m/s時，整體貨物區溫度場均勻性已處于較好的狀態，繼續通過提高風速來改善箱內溫度分布效果并不明顯。

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

表1 不同出風速度下冷藏集裝箱的溫度場模擬結果

2.2 送回風形式

2.2.1 貼附式送風 為進一步優化氣流組織形式，尹海國等[39]對壁面貼附式送風模式進行了相應研究。由圖3可知，該送風模式的氣流組織由橫向貼附區、射擊沖擊偏轉區以及豎直空氣湖區3部分組成。

圖3 橫向壁面貼附式送風模式圖

白通通[36]研究發現，相同條件下，相對于冷風機直吹送風模式，貼附送風模式的貨物區溫度不均勻系數下降了31%，流速不均勻系數降低了47%。張婭妮等[40]研究表明貼壁送風使得氣流可以噴射至較遠的后端，縮小了箱體前后溫差，形成了均勻性良好的溫度場。

貼附式送風模式下，工作區可以形成類似于置換通風的氣流組織分布，使氣流沿著壁面流動，延長了氣流噴射長度，可有效提高通風制冷能力，改善內部流場分布均勻性[21, 41-42]。其優勢在于能減小對貨物直吹帶來的干耗并以較大的出口風速使氣流到達較遠的位置，從而保證箱體內部較好的氣流循環，提高溫度場均勻性。因此，根據實際運輸需要，可以考慮將蒸發器緊貼箱頂安裝，形成貼附式射流。后續可對其出風口位置、送風角度、送風速度等進行研究。

2.2.2 風口分布 肖詩洋[43]研究發現，相比于雙側進風方式，單側進風的送風口流量波動偏大，對箱體內貨物區流場擾動較大，因此雙側進風方式可以實現更好的溫度均勻性。張婷婷等[44]發現下送風兩端回風模式下，箱內溫差變化≤1.5 ℃。申江等[38]發現氣流在兩側回風方式下可以形成較大的回流，配合合適的送風速度，可以形成比較均勻的溫度場。郭嘉明等[45]研究發現，“上進上出”和“上進下出”式箱體的內部均存在最大風速偏大現象，造成明顯的風速差，可能會引發箱內的局部過熱或過冷；而“差壓式”箱體的內部空氣流動較為均勻，整體溫度均勻性較好。

綜上，通過改變送回風口在箱體內的分布，調節箱體內部的氣流循環，是一種改善溫度分布的有效手段。但目前對于改變回風狀態的研究較少，還需進一步研究其規律，以提高冷藏集裝箱的適用性。

2.2.3 風道系統 Moureh等[26]研究發現采用風道系統可以改善箱體內部通風的均勻性，減少箱體尾部出現滯留區和低速區的現象，有助于降低托盤貨物溫差。劉曉菲等[46]通過數值模擬計算發現，裝有均勻送風管道的貨物區溫度不均勻系數下降了20%。張東霞等[47]研究表明，隨著回風速度的提高，保鮮箱的縱截面溫度差異逐漸變小，當回風道速度為8 m/s時，箱內溫度均勻性最佳；隨著回風道長度的增加，保鮮箱的縱截面溫度均勻性越好，當回風道長度為1.5 m時，箱內溫度均勻性最好，說明回風道風速、長度的增加有利于提高保鮮箱的溫度均勻性。Jiang等[48]發現冷藏集裝箱內部裝設3個擋板改變風道后，其內部冷氣流分布更均勻，溫度變化為±1 ℃，冷卻時間縮短了22.9%。此外，冷俊材等[49]對集裝箱出風管道進行優化設計并增設差壓預冷裝置，提高了箱內溫度分布均勻性，降低了溫度波動。

綜上，風道系統對提高溫度場均勻性效果顯著，通過增加風道長度及風速均可降低箱內溫差；但目前針對冷藏集裝箱的風道系統研究較少，改變風道位置是否可以提高溫度場均勻性還需進一步研究。

2.3 風機位置

風機設置的位置是影響氣流組織的重要因素之一[50]。李福良[51]結果發現，當冷風機設置在冷庫長度方向時，可以形成良好的氣流組織，使整個庫內溫度分布較為均勻；當冷風機設置在冷庫寬度方向的一側時，庫內溫度和流場均勻性主要受送風速度的影響，較小的送風速度使得氣流不能噴射至較遠的一端，造成溫度場和流場分布不均勻。周軻等[52-53]發現風機設置在長度方向的冷庫可以實現更好的降溫，且冷藏庫溫度場均勻性更好；當風機設置在冷庫寬度方向時，推薦在兩側各設置一臺冷風機，以增強貨物區的氣流循環，提高溫度場均勻性。

3 外部環境

冷藏集裝箱一般具有較高的流動性，因此內部溫度場易受環境溫度、太陽輻射的影響[54]，設計使用冷藏集裝箱時需對這些環境因素加以考慮。目前，主要通過提高箱壁的隔熱系數并減少熱流密度的方法來達到降低環境因素對內部溫度場的波動。婁宗瑞等[13]通過模擬壁面換熱系數對冷量散失的影響，發現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部溫度波動。朱奎[8]研究發現，使用真空絕熱板可以縮小箱壁厚度，增強保溫效果，降低冷量散失；當真空隔熱材料使用面積>60%時，冷藏集裝箱具有良好的隔熱效果。高超[11]發現積載在最外側的冷藏集裝箱溫度高于積載在內部的，熱量損失和導熱率增加。李錦[55]研究發現隨著箱體外側風速的增大、對太陽輻射吸收率的增大以及隔熱材料厚度的減小，均會造成內部降溫時間延長和一定的溫度波動。王文文[56]發現隨著保溫板厚度的增大，冷藏效果越好；增強冷藏集裝箱維護結構隔熱性能，可有效降低熱量損失，提高內部溫度場穩定性。目前隔熱材料主要用于降低導熱系數，未來還需對其降低表面對流換熱系數進行深入研究。

4 結論

改善冷藏集裝箱溫度分布均勻性對提高中國冷鏈運輸效率、保障運輸貨物品質具有重要意義。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出適用性更高的送風條件，同時對于冷藏集裝箱溫度分布的研究還可在風機結構、導流板設置以及貨物包裝等方面進一步深入展開。