送風相對濕度對冷藏集裝箱內(nèi)溫濕度場的影響

何凱強，莊春龍，楊小鳳，劉亞姣

(陸軍勤務(wù)學院 國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系， 重慶 401311)

【后勤保障與裝備管理】

送風相對濕度對冷藏集裝箱內(nèi)溫濕度場的影響

何凱強，莊春龍，楊小鳳，劉亞姣

(陸軍勤務(wù)學院 國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系， 重慶 401311)

以傳統(tǒng)機械式冷藏集裝箱為研究對象，以番茄為實驗物料，借助多孔介質(zhì)模型和組分輸運模型，建立集裝箱內(nèi)部三維紊流模型，采用非穩(wěn)態(tài)計算方法，模擬研究了不同送風相對濕度下集裝箱內(nèi)部的溫濕度分布特性，同時對相應測點的溫濕度變化情況進行了驗證。研究分析發(fā)現(xiàn)，集裝箱內(nèi)溫度逐步降低并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定狀態(tài)時集裝箱內(nèi)溫度場呈分層分布。穩(wěn)定狀態(tài)時相對濕度場與溫度場分布具有一定的相似性，番茄堆內(nèi)部相對濕度較周圍空氣區(qū)小，分層現(xiàn)象更明顯。保持其他參數(shù)不變，提高送風相對濕度，會明顯提升穩(wěn)態(tài)時箱內(nèi)相對濕度，不改變其分布規(guī)律，對箱內(nèi)溫度影響不明顯，可減小貨物水分耗散量，有利于果蔬的冷藏運輸。

機械式冷藏集裝箱；FLUENT模擬；多孔介質(zhì)；堆碼方式

機械式冷藏集裝箱是為運輸有低溫冷藏需求的貨物而設(shè)計生產(chǎn)的，適用于各類易腐貨物的運輸和貯藏[1]。近年來，人們對果蔬的品質(zhì)越來越看重，使得機械式冷藏集裝箱在果蔬冷藏運輸領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展[2]。研究表明，集裝箱內(nèi)部不合理的溫濕度場分布是導致果蔬腐損和干耗的主要原因，集裝箱內(nèi)部熱濕環(huán)境的優(yōu)劣直接關(guān)系到果蔬運輸?shù)男?，特別是內(nèi)部相對濕度的分布，對于果蔬等對水分極其敏感的貨物作用尤為明顯[3]。但是目前對集裝箱內(nèi)部相對濕度分布規(guī)律的研究，所受重視程度明顯不足[4]。

機械式冷藏集裝箱內(nèi)，制冷機送風參數(shù)對于果蔬的冷藏效果具有很大的影響，特別是送風相對濕度的影響[5]。針對給定果蔬產(chǎn)品，如何合理地控制集裝箱內(nèi)制冷機的送風相對濕度，直接影響產(chǎn)品的冷藏質(zhì)量[6]。本研究以傳統(tǒng)機械式冷藏集裝箱為研究對象，以番茄為實驗物料，借助多孔介質(zhì)模型和組分輸運模型，建立集裝箱內(nèi)部三維紊流模型，采用非穩(wěn)態(tài)計算方法，模擬研究了不同送風相對濕度下集裝箱內(nèi)部的溫濕度分布特性，同時對相應測點的溫濕度變化情況進行了驗證試驗。旨在研究送風相對濕度對果蔬運輸用機械式冷藏集裝箱內(nèi)溫濕度場的影響，可進一步指導集裝箱內(nèi)部溫濕度的優(yōu)化與監(jiān)控設(shè)計。

1 數(shù)學物理模型的建立

1.1 幾何模型

機械式冷藏集裝箱物理模型如圖1所示，集裝箱外部尺寸為12 010 mm×2 560 mm×2 940 mm(分別為X、Y和Z方向，下同)，內(nèi)部尺寸為11 800 mm×2 350 mm×2 690 mm。制冷機組安裝于箱門縱向?qū)γ娴南浔谏喜浚浒惭b結(jié)構(gòu)尺寸為0.425 m×0.425 m×1.15 m，送風口為兩個正對箱門的圓形風口，直徑為330 mm，回風口位于制冷機后部，尺寸為425 mm×1150mm。

圖1 集裝箱模型

番茄包裝采用塑料轉(zhuǎn)運筐，規(guī)格尺寸為605 mm×325 mm×425 mm，集裝箱裝載番茄17×6×4筐(X軸×Y軸×Z軸)，具體堆碼尺寸如圖2所示，在截面1、2、3、4上分別設(shè)置4個測點，依據(jù)截面1上4點編號順序，由截面1～4依次將測點編號為1～16，其中面5為縱向?qū)挾确较蛑休S面，面6為縱向高度方向中軸面。各截面測點位置尺寸如圖3所示。

圖2 堆碼尺寸

圖3 測點位置

1.2 模型假設(shè)

在建立箱內(nèi)溫濕度分布的數(shù)學模型前，對模型做出相應假設(shè)：

1) 忽略箱體密封性不良的漏氣影響；

2) 箱內(nèi)空氣為牛頓流體，符合Boussinesq假設(shè)；

3) 番茄堆可看作多孔介質(zhì)，內(nèi)部為層流；

4) 忽略箱內(nèi)熱輻射影響；

5) 箱內(nèi)壁面處空氣無滑移。

1.3 數(shù)學模型

針對集裝箱內(nèi)部溫濕度場的數(shù)值模擬，建立描述集裝箱內(nèi)部熱質(zhì)交換的數(shù)學模型。由于集裝箱內(nèi)周圍環(huán)境區(qū)與多孔介質(zhì)區(qū)的流場狀態(tài)不同，本研究將集裝箱內(nèi)部劃分為兩個相互連通的區(qū)域：包含番茄和間隙空氣在內(nèi)的番茄堆放區(qū)與番茄堆外部的周圍環(huán)境區(qū)，分別探討其流場動態(tài)分布狀況，數(shù)學模型中所采用的瞬態(tài)通用控制方程為

(1)

式中：ρ為空氣密度(kg/m3)； u為速度矢量(m/s)； τ為時間(s)；φ為廣義變量；Γ為對應于φ的廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項。

1.3.1 番茄堆放區(qū)

番茄堆放區(qū)為多孔介質(zhì)，按各項同性處理，方程為[7]

(2)

式中：Si為i方向動量源項；C為慣性阻力系數(shù)；D為黏性阻力系數(shù)；v為空氣流動速率(m/s)；μ為空氣動力黏度(N·s/m2)；vj為空氣j方向流速(m/s)。其中，D和C可通過經(jīng)驗公式求得。

番茄堆放區(qū)能量方程的源項為番茄代謝產(chǎn)熱減去水分耗散產(chǎn)生的蒸發(fā)散熱，其計算式為

(3)

式中：ρeff為番茄堆放區(qū)密度(kg/m3)；Qr為番茄代謝產(chǎn)熱速率(W/kg)；NAi為番茄的水分耗散速率(kg/m3·s)；hfg為水分蒸發(fā)潛熱(J/kg)。

番茄堆放區(qū)組分輸運方程的源項可表示為

(4)

式中：km為綜合質(zhì)傳遞系數(shù)(kg/m2·s·Pa)；Psat為飽和蒸氣壓力(Pa)；aw為番茄表皮水分活度；HR為番茄堆放區(qū)內(nèi)部空氣相對濕度(%)；ap為番茄的比表面積(m2/m3)。

1.3.2 周圍環(huán)境區(qū)

上述番茄堆放區(qū)的控制方程同樣可用于周圍環(huán)境區(qū)，并做以下修正：

1) 動量方程中的源項Si=0；

3) 組分輸運方程中的源項不包括由于番茄水分散失而產(chǎn)生的項，但是，應考慮到空氣中水蒸氣在盤管表面析出，凝結(jié)成液態(tài)水，所以周圍環(huán)境區(qū)的組分源項為

Sj=αD·Ac·(ρc-ρa)

(5)

式中：αD為傳質(zhì)系數(shù)(m/s)；ρc為盤管表面處空氣的水蒸氣質(zhì)量濃度(kg/m3)；ρa為回風口處空氣的水蒸氣質(zhì)量濃度(kg/m3)。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 邊界條件及相關(guān)參數(shù)設(shè)定

1) 出入口邊界：入口采用速度入口，出口采用壓力出流，具體參數(shù)見表1；

3) 外壁面換熱系數(shù)：本文選取《客車空調(diào)設(shè)計參數(shù)》(TB1951-87)確定的外表面對流換熱模型，其具體公式如下：

式中υp為集裝箱行駛速度(km/h)。

利用《客車空調(diào)設(shè)計參數(shù)》(TB1951—87)確定的外表面對流換熱模型，計算機械式冷藏集裝箱以60 km/h速度運輸時其外壁面對流換熱系數(shù)約為61.2 W/(m2·K)。

4) 內(nèi)壁面換熱系數(shù)：本文冷藏集裝箱用于果蔬運輸，箱內(nèi)空氣溫度不應小于0 ℃，避免凍傷貨物。因此在計算內(nèi)壁面對流換熱系數(shù)中，假定空氣溫度為0 ℃，近壁面風速取制冷機送風速度8 m/s，內(nèi)表面溫度受箱內(nèi)冷空氣作用，且箱體保溫性能較好，可假定內(nèi)壁面溫度為1 ℃，查得空氣運動黏度ν=13.37×10-6，Pr=0.707，λ=0.024 5 W/(m·K)，同時箱壁進深長度l=11.8 m，計算雷諾數(shù)

因雷諾數(shù)Re大于5×105，選用計算式

Nu=(0.037Re0.8-870)Pr1/3=

[0.037×(7.1×106)0.8-870]×0.7071/3=9 203

故內(nèi)壁面對流換熱系數(shù)平均值為

5) 本文選取成熟番茄(果實通體紅色，少許綠色)作為研究對象，參考《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》(第二版)，總結(jié)成熟番茄物性參數(shù)如表1所示。

數(shù)值計算中涉及到的各類參數(shù)，其具體設(shè)定結(jié)果見表2所示。

2.2 網(wǎng)格及時間步長無關(guān)性驗證

對于瞬態(tài)數(shù)值模擬，需要確定計算所用網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)量以及時間步長與計算獲得的結(jié)果之間的無關(guān)性，也就是要進行網(wǎng)格和步長無關(guān)性驗證。選取模擬運行24 h后測點10、12的溫度和相對濕度值進行對比分析，分別分析不同網(wǎng)格數(shù)量和時間步長下的計算結(jié)果，進行網(wǎng)格及時間步長的無關(guān)性驗證。

表1 成熟番茄物性參數(shù)

表2 相關(guān)參數(shù)設(shè)定

1) 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

對表3中的4種網(wǎng)格數(shù)量下24 h的計算結(jié)果以網(wǎng)格數(shù)量為自變量，溫度及相對濕度值為變量，將測點10、12的溫度值及相對濕度值在不同網(wǎng)格數(shù)下連線，如圖4所示。

表3 4種計算網(wǎng)格數(shù)

從圖4可以看出，當網(wǎng)格數(shù)量從63萬變至300萬時，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，測點10、12的溫度值及相對濕度值的變化均較小，說明表2所設(shè)置的4種網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響很小，可認為63萬的網(wǎng)格已達到網(wǎng)格無關(guān)，因此模擬選取636 275的網(wǎng)格數(shù)量作為計算網(wǎng)格。

2) 時間步長無關(guān)性驗證

由于本模擬計算的周期較長，為24 h，所以下面對時間步長分別為30 s、60 s、120 s、240 s進行時間步長無關(guān)性驗證。對以上4個時間步長的計算結(jié)果以步長為自變量，溫度值及相對濕度值為變量，將測點10、12的溫度值及相對濕度值隨步長的變化分別連線，如圖5所示。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果

圖5 時間步長無關(guān)性驗證結(jié)果

從圖5中可以看出，測點10在不同的時間步長下溫度值及相對濕度值結(jié)果基本不變，而點12隨著步長的減小，溫度值及相對濕度值變化越來越小，在時間步長為60 s時可近似認為溫度和相對濕度達到穩(wěn)定。若步長取得太小，會大大增加計算周期，若步長取得太大又會影響計算精度，綜合考慮，本文取時間步長為60 s。

2.3 數(shù)值求解

運用FLUENT14.0多孔介質(zhì)與組分輸運模型，結(jié)合湍流模型，采用有限容積法，選用二階迎風離散格式?？紤]浮升力的影響，重力加速度取9.81 m/s2。時間步長60 s，模擬計算24 h即共1 440個時間步長，每步最大迭代次數(shù)取30次。

3 不同送風相對濕度模擬結(jié)果分析

3.1 溫度場模擬結(jié)果分析

選取集裝箱內(nèi)各測點溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)時的箱內(nèi)截面4及截面5中縱向位置線P1、P2、P3上的溫度分布圖進行分析，如圖6、圖7所示。

由圖6可知，集裝箱內(nèi)溫度分層現(xiàn)象明顯，且番茄堆放區(qū)溫度場分層較周圍環(huán)境區(qū)明顯，這是因為番茄呼吸熱的存在導致番茄堆內(nèi)部熱量積聚，并且冷空氣在番茄堆內(nèi)部流動阻力較大，相比周圍環(huán)境區(qū)換熱較不充分。由于冷空氣從送風口吹出后外掠經(jīng)過番茄堆上部空間，番茄堆內(nèi)上部溫度較下部低，相差最大為1.75 ℃，且由于番茄堆內(nèi)部呼吸熱的積聚，番茄堆中心溫度最高達4.75 ℃。同時由于冷空氣從送風口流出帶走了番茄的呼吸熱及經(jīng)由壁面?zhèn)魅氲臒崃?，所以集裝箱內(nèi)部從門板到背板處溫度逐漸升高，且在番茄堆內(nèi)部該現(xiàn)象明顯，如圖5所示。

對比分析不同送風相對濕度下的溫度分布情況，由圖6可知，不同送風相對濕度下，集裝箱截面溫度分布基本一致。番茄堆放區(qū)溫度普遍高于周圍空氣區(qū)，溫度分層現(xiàn)象明顯，且高溫區(qū)位置偏下。送風相對濕度越低，集裝箱內(nèi)溫度越低，形成這種現(xiàn)象的原因是在低相對濕度條件下，相同溫度的空氣焓值更低，更易進行集裝箱的冷卻，使得集裝箱降到較低的溫度。但是送風相對濕度的變化并未改變集裝箱內(nèi)溫度的分布規(guī)律。同樣，由圖7對比發(fā)現(xiàn)，隨著送風相對濕度的增大，集裝箱縱向位置線上溫度普遍增大，但是其分布規(guī)律并未發(fā)生改變。

圖6 集裝箱內(nèi)溫度云圖

圖7 縱向位置線溫度分布

3.2相對濕度場模擬結(jié)果分析

選取集裝箱內(nèi)各測點相對濕度達到穩(wěn)定狀態(tài)時的箱內(nèi)截面4及截面5中縱向位置線P1、P2、P3上的相對濕度分布圖進行分析，如圖8、圖9所示。

由圖8可看出相對濕度場的分布與圖4所示溫度場分布近似，是因為水蒸汽的輸運原理與能量傳遞相似，即在番茄堆放區(qū)主要是以自然對流的方式和周圍環(huán)境區(qū)進行組分和能量交換，在周圍環(huán)境區(qū)主要是在制冷機的作用下以紊流形式帶走集裝箱內(nèi)熱負荷和濕負荷。由圖8可看出，番茄堆內(nèi)部相對濕度普遍較周圍環(huán)境區(qū)小，這是因為水蒸汽含量很低的冷空氣進入番茄堆內(nèi)部，繼而取代了熱濕空氣。由上述對溫度場的分析可知，番茄堆放區(qū)溫度較周圍環(huán)境區(qū)高，所以在相同水蒸汽含量下番茄堆內(nèi)部相對濕度較小。由圖7可知，集裝箱內(nèi)部從門板處到背板處相對濕度逐漸降低，且在番茄堆內(nèi)部這種現(xiàn)象最為明顯。

對比分析不同送風相對濕度下的相對濕度分布情況，由圖8可知，不同送風相對濕度下，集裝箱截面相對濕度分布基本一致。番茄堆放區(qū)相對濕度普遍低于周圍空氣區(qū)，相對濕度分層現(xiàn)象明顯，且較低相對濕度區(qū)域位置偏下。由圖9對比發(fā)現(xiàn)，對于縱向截面，在番茄區(qū)靠近制冷機處相對濕度最低，并沿X軸正向依次增大。隨著送風相對濕度的增大，集裝箱內(nèi)部相對濕度在數(shù)值上也相應增大，但分布規(guī)律變化不大。

圖8 集裝箱內(nèi)相對濕度云圖

圖9 縱向位置線相對濕度分布

4 模擬結(jié)果的試驗驗證

為了驗證模型的準確性，對集裝箱內(nèi)部溫濕度的變化情況進行了實驗測試。如圖10所示，在截面1～4上依次設(shè)置測點1～16用來監(jiān)測溫濕度隨時間的變化情況，數(shù)據(jù)采集間隔為1 min，連續(xù)監(jiān)測24 h。最終選取測點10、12的溫濕度變化情況與模擬結(jié)果進行對比分析，結(jié)果如圖11所示。

由圖10可知，在前60 min時間內(nèi)，測點10、12的溫度下降并不明顯，這主要是由于測點10、12位于番茄堆內(nèi)部，受制冷機吹出冷空氣的影響延遲。隨著時間的推移，測點10溫度下降明顯快于測點12，是由于測點10位于貨物上部，受到制冷機吹出的外掠冷空氣的影響較大，降溫較快。當箱內(nèi)各測點溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)時，測點12溫度明顯高于測點10，這是由于貨物下部番茄產(chǎn)生呼吸熱量且受制冷機吹出的外掠冷空氣的影響較小，造成內(nèi)部熱量積聚，測點12溫度較測點10高出約1 ℃。從圖中可以看出，集裝箱內(nèi)測點溫度變化趨勢模擬結(jié)果與實驗測試結(jié)果一致，但是由于在進行模擬計算時對番茄堆放區(qū)呼吸熱和空氣阻力系數(shù)的選取與實際測試過程存在差異，并對計算結(jié)果產(chǎn)生影響，造成模擬與實測數(shù)據(jù)的偏差，整體來說測點溫度變化趨勢與實驗測試結(jié)果吻合度較好，該模型能反映集裝箱裝載番茄情況下箱內(nèi)溫度場分布規(guī)律，驗證了模型的正確性。

從圖11可以看出，在實驗初始各測點相對濕度均有一個下降過程，這主要是由于低水蒸汽含量的冷空氣取代了番茄堆內(nèi)部的熱濕空氣，但是由于番茄的比熱容較冷空氣高，番茄堆內(nèi)部溫度降低并沒有水蒸汽含量降低明顯，致使番茄堆相對濕度下降幅度較大，最大降低約13%，因此可通過提高送風水蒸汽含量、提升番茄堆通風效果的方法抑制該下降過程。隨著實驗的繼續(xù)進行，箱內(nèi)溫度持續(xù)下降并最終趨于穩(wěn)定。在送風水蒸汽含量一定的情況下，箱內(nèi)相對濕度逐步增大并最終趨于穩(wěn)定。由圖可看出，集裝箱內(nèi)測點相對濕度模擬計算值與實驗測試值變化趨勢相同，均在初期急劇減小，在之后的冷藏過程中，相對濕度逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。對比模擬與實驗結(jié)果可知，相對濕度的模擬結(jié)果較實驗結(jié)果偏低，這是因為在數(shù)值模擬計算時，反映番茄水分耗散的數(shù)學模型與實際水分散失過程存在差異，但整體來說，數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好，且誤差能控制在3%范圍內(nèi)，該模型能較好地反映集裝箱內(nèi)部各測點相對濕度分布。

圖10 溫度變化

圖11 相對濕度變化

5 結(jié)論

本文以傳統(tǒng)機械式冷藏集裝箱為研究對象，以番茄為實驗物料，借助多孔介質(zhì)模型和組分輸運模型，建立集裝箱內(nèi)部三維紊流模型，采用非穩(wěn)態(tài)計算方法，模擬研究了不同送風相對濕度下集裝箱內(nèi)部的溫濕度分布特性，同時對相應測點的溫濕度變化情況進行了驗證，得到如下結(jié)論：

1) 集裝箱內(nèi)溫度逐步降低并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定狀態(tài)時集裝箱內(nèi)溫度場呈分層分布，且番茄堆放區(qū)溫度場分層較周圍環(huán)境區(qū)明顯。番茄堆內(nèi)上部溫度較下部低，內(nèi)部溫差較大。集裝箱內(nèi)部從門板處到背板處溫度逐漸升高，且在番茄堆內(nèi)部現(xiàn)象最為明顯。

2) 集裝箱內(nèi)相對濕度初期急劇下降后逐步上升并趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定狀態(tài)時相對濕度場與溫度場分布具有一定的相似性，番茄堆內(nèi)部相對濕度較周圍空氣區(qū)小，分層現(xiàn)象更為明顯。

3) 其他參數(shù)不變，提高送風相對濕度，會明顯提升穩(wěn)態(tài)時的箱內(nèi)相對濕度值，不會改變其分布規(guī)律，但是對箱內(nèi)溫度的影響卻不很明顯。可減小貨物水分耗散量，有利于果蔬的冷藏運輸。但是為了避免微生物滋生，送風相對濕度不易過高。

4) 通過對比分析，模擬結(jié)果與實驗測試結(jié)果貼合度較好，表明該模型的可用性好，為后續(xù)利用該模型深入研究果蔬運輸用機械式冷藏集裝箱提供了理論依據(jù)。

[1] 張平,張鶴,陳紹慧,等.我國果蔬物流保鮮產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略思考[J].保鮮與加工,2013,13(4):1-5.

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InfluenceofAirSupplyRelativeHumidityontheTemperatureandHumidityFieldinMechanicalRefrigerationContainer

HE Kaiqiang, ZHUANG Chunlong, YANG Xiaofeng, LIU Yajiao

(Department of Defense Building Planning and Environmental Engineering, Army School of Service, Chongqing 401311, China)

Taking the traditional mechanical refrigerated container as the research object, the three-dimensional turbulence model of the container was established by using the porous media model and the component transport model with tomato as the experimental material. The non-steady state calculation method was used to simulate the relative temperature and humidity distribution inside the container, and the temperature and humidity change of the corresponding measuring point were verified. It is found that the temperature inside the container is gradually reduced and stabilized. When the temperature is stable, the temperature field in the container is stratified. The relative humidity field and the temperature field distribution in the steady state are similar, and the relative humidity inside the tomato pile is smaller than that of the surrounding air zone, and the stratification phenomenon is more obvious. Keeping the other parameters unchanged, to improve the relative humidity of the air supply, it will significantly enhance the steady state when the relative humidity value of the box, and will not change its distribution, but the impact on the temperature inside the box is not very obvious, and it can reduce the Cargo moisture consumption, which is conducive to the refrigerated transport of fruits and vegetables.

mechanical refrigerated containers; FLUENT simulation; porous media; stacking method

2017-06-10；

2017-06-30

國家自然科學基金項目(51706243)

何凱強(1992—)，男，碩士，主要從事地下工程水冷機組冷卻方式及運行策略研究。

10.11809/scbgxb2017.10.020

本文引用格式：何凱強，莊春龍，楊小鳳，等.送風相對濕度對冷藏集裝箱內(nèi)溫濕度場的影響[J].兵器裝備工程學報，2017(10):97-103.

formatHE Kaiqiang, ZHUANG Chunlong, YANG Xiaofeng, et al.Influence of Air Supply Relative Humidity on the Temperature and Humidity Field in Mechanical Refrigeration Container[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):97-103.

U169

A

2096-2304(2017)10-0097-07

(責任編輯楊繼森)