氣調(diào)運(yùn)輸車廂滲風(fēng)對氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響

楊松夏 朱立學(xué) 王柳玲 呂恩利 郭嘉明

(1. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510225；2. 廣州檢驗(yàn)檢測認(rèn)證集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511447；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

氣調(diào)保鮮車是先進(jìn)的保鮮運(yùn)輸裝備之一，其通過調(diào)節(jié)運(yùn)輸環(huán)境的溫度、相對濕度以及氣體成分達(dá)到保鮮的目的[1-2]。在氣調(diào)保鮮運(yùn)輸途中，由于車廂內(nèi)外氣體溫差、車輛行駛速度的原因，車廂內(nèi)部和外部環(huán)境之間通過車廂縫隙進(jìn)行氣體交換，使車廂內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)逐漸上升，從而導(dǎo)致氣調(diào)保鮮效果下降和氣調(diào)成本增加，因此，有必要對氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車廂的O2體積分?jǐn)?shù)的變化特性進(jìn)行研究。

目前，果蔬氣調(diào)保鮮裝備有關(guān)O2體積分?jǐn)?shù)變化的研究主要集中在氣調(diào)貯藏和氣調(diào)包裝方面，而對氣調(diào)保鮮車廂O2體積分?jǐn)?shù)變化的研究較少。在氣調(diào)貯藏方面，文獻(xiàn)[3-5]對氣調(diào)保鮮庫中果蔬呼吸作用引起O2體積分?jǐn)?shù)變化的規(guī)律進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。在氣調(diào)包裝方面，文獻(xiàn)[6-8]對氣調(diào)包裝袋中果蔬呼吸作用和薄膜通透性引起O2體積分?jǐn)?shù)變化的規(guī)律進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。然而，研究[9-10]發(fā)現(xiàn)，車廂滲風(fēng)是氣調(diào)運(yùn)輸中引起車廂內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)變化的主要原因之一，因此，以上文獻(xiàn)中研究方法不適用于果蔬氣調(diào)保鮮車廂內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)變化的研究。在保鮮裝備滲風(fēng)研究方面，文獻(xiàn)[11-13]對冷庫門熱壓作用下的滲風(fēng)特性進(jìn)行了理論分析和驗(yàn)證，文獻(xiàn)[14]分析了冷藏運(yùn)輸裝備的滲風(fēng)機(jī)制，建立了風(fēng)壓作用下的滲風(fēng)模型并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。而氣調(diào)保鮮車滲風(fēng)是由風(fēng)壓和熱壓綜合作用引起的，研究熱壓和風(fēng)壓綜合作用下的滲風(fēng)特性可更加精確掌握O2體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律。為此，本試驗(yàn)擬在車廂風(fēng)壓作用和熱壓作用下滲風(fēng)特性的基礎(chǔ)上，研究車廂滲風(fēng)對車廂內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)的影響，為優(yōu)化氣調(diào)保鮮運(yùn)輸裝備性能提供參考。

1 氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車O2體積分?jǐn)?shù)變化模型構(gòu)建

1.1 車廂滲風(fēng)量

氣調(diào)保鮮運(yùn)輸中，車廂內(nèi)外溫差以及風(fēng)速差導(dǎo)致車廂內(nèi)外存在熱壓和風(fēng)壓，從而引起車廂滲風(fēng)。因此，車廂滲風(fēng)量包括熱壓滲風(fēng)量和風(fēng)壓滲風(fēng)量。

1.1.1 熱壓滲風(fēng)量 氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車廂內(nèi)外空氣的溫度差造成了空氣密度的不同。低溫空氣密度大，高溫空氣密度小。在進(jìn)行氣調(diào)保鮮運(yùn)輸過程中，外界環(huán)境空氣從車廂上部的縫隙滲入，內(nèi)部空氣從車廂下部的縫隙滲出。參照建筑滲風(fēng)理論[15]的熱壓計(jì)算方法，車廂熱壓滲風(fēng)量為：

qr=3 600A(ΔPr)b，

(1)

式中：

qr——熱壓作用下保溫車廂滲風(fēng)量，m3/h；

A——當(dāng)量滲風(fēng)面積，m3/(s·Pab)；

ΔPr——熱壓差，Pa；

b——滲風(fēng)特性指數(shù)。

在對建筑物外窗熱壓單獨(dú)作用滲風(fēng)量計(jì)算時(shí)，假設(shè)建筑物中間存在一中和面[16]，在夏季時(shí)，環(huán)境空氣由中和面以上的窗戶滲入建筑物內(nèi)，然后由中和面以下的窗戶滲出建筑物。因此，假設(shè)在車廂開門高度的1/2處存在一中和面，并且為了簡化建模過程，將車廂中和面以上的縫隙假設(shè)為一個(gè)位于車廂頂部和中和面之間中間位置的外窗，中和面以下的縫隙假設(shè)為一個(gè)位于車廂底部和中和面之間中間位置的外窗。熱壓差按式(2)計(jì)算[17]：

(2)

式中：

ρw、ρn——分別為外界環(huán)境空氣密度、車廂空氣密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

h0——中和面高度，高度值為車廂開門高度的1/2，m；

ha——上部外窗高度，高度值為中和面與車廂頂部之間高度的1/2，m；

tw、tn——分別為外界環(huán)境溫度、車廂內(nèi)部溫度，℃。

所以，聯(lián)立式(1)、(2)即為熱壓滲風(fēng)量模型。

1.1.2 風(fēng)壓滲風(fēng)量 氣調(diào)保鮮車為典型的鈍體結(jié)構(gòu)，由于行駛中車體表面流場發(fā)生氣流分離、再附著和旋渦脫落等復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，在車輛的迎風(fēng)面產(chǎn)生正壓區(qū)，在車輛的頂面、側(cè)面和背面產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)[18]。外界環(huán)境空氣正壓使得空氣通過保溫廂體縫隙滲入廂體內(nèi)部，廂體內(nèi)一部分空氣從背風(fēng)面和側(cè)面滲出。參照建筑滲風(fēng)理論[15]的風(fēng)壓計(jì)算方法，車廂風(fēng)壓滲風(fēng)量為：

qf=3 600A(ΔPf)b，

(3)

式中：

qf——風(fēng)壓作用下保溫車廂滲風(fēng)量，m3/h；

ΔPf——風(fēng)壓差，Pa。

當(dāng)氣調(diào)保鮮車處于行駛狀態(tài)時(shí)，隨著行駛速度的增加，車廂內(nèi)外的壓差也隨之增大。在運(yùn)輸過程中，車廂風(fēng)壓差主要與風(fēng)速、空氣密度有關(guān)，風(fēng)壓差為[19]：

(4)

式中：

ρw——外界環(huán)境空氣密度，kg/m3；

v——迎風(fēng)面風(fēng)速，m/s；

Cf——風(fēng)壓差系數(shù)，對于保溫廂體迎風(fēng)面，風(fēng)垂直作用于保溫廂體前壁板，風(fēng)壓差系數(shù)Cf的最大平均值可取0.7。

1.1.3 熱壓和風(fēng)壓綜合作用下車廂滲風(fēng)量 根據(jù)熱壓和風(fēng)壓共同作用的意義和縫隙法的含義，熱壓和風(fēng)壓綜合作用下的滲風(fēng)量為[20]：

(5)

式中：

qA——熱壓和風(fēng)壓綜合作用下的滲風(fēng)量，m3/h；

b——滲風(fēng)特性指數(shù)，無實(shí)測值時(shí)取0.67；

n——朝向修正系數(shù)，滲透冷空氣量最大的方向?yàn)橹鲗?dǎo)風(fēng)向時(shí)朝向修正系數(shù)n取1，其他方向則取n<1的數(shù)值[21]。

將式(4)帶入式(5)，整理可得：

qA=3 600A(ΔPr+ΔPf)b。

(6)

在研究建筑滲風(fēng)時(shí)，通過大量的試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)給出了建筑物不同材料、不同結(jié)構(gòu)條件下的滲風(fēng)特性系數(shù)，而對車廂滲風(fēng)特性系數(shù)的研究資料和可供參考的數(shù)據(jù)較少。因此，采用當(dāng)量滲風(fēng)面積對不同尺寸、規(guī)格的保溫廂體的滲風(fēng)情況進(jìn)行研究，根據(jù)車廂的漏氣倍數(shù)進(jìn)行反推求解當(dāng)量面積[14]。反推過程如下：

(7)

(8)

式中：

L——漏氣倍數(shù)，h-1；

q0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的漏氣量，m3/h；

V0——車廂容積，m3；

△P0——測試壓差，按規(guī)定為(100±10) Pa。

把式(7)、(8)帶入式(6)可得熱壓和風(fēng)壓綜合作用下車廂滲風(fēng)量為：

(9)

1.2 O2體積分?jǐn)?shù)變化模型

為獲得O2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，參考文獻(xiàn)[22]中對O2體積分?jǐn)?shù)變化模型的建模方法，建立行駛中車廂內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的計(jì)算公式：

0.21qAdt-xqAdt=VSdx，

(10)

式中：

t——運(yùn)輸時(shí)間，s；

x——車廂內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)，%；

VS——?dú)庹{(diào)廂需要?dú)庹{(diào)部分的容積，m3。

整理式(10)得到行駛中車廂內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)變化模型為：

(11)

2 模型驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)備 試驗(yàn)設(shè)備為課題組研制的液氮充注式氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車。液氮充注式氣調(diào)保鮮車由汽車底盤、保溫車廂、傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和集中控制系統(tǒng)等組成。集中控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器系統(tǒng)采集的車廂環(huán)境信息，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開啟與關(guān)閉，調(diào)節(jié)保溫車廂內(nèi)的溫度、相對濕度、O2體積分?jǐn)?shù)在所需要的范圍內(nèi)[23]。其中，保溫車廂(內(nèi)尺寸長×寬×高為4.20 m×1.75 m×1.8 m)為壓差式結(jié)構(gòu)，保溫車廂廂齡為6個(gè)月，通過加裝硅膠發(fā)泡密封條、粘貼三元乙丙發(fā)泡密封條和中性硅酮結(jié)構(gòu)膠涂膜接縫等措施改善車廂的氣密性(漏氣倍數(shù)約為0.16 h-1)；傳感器系統(tǒng)包括溫度傳感器、相對濕度傳感器、O2傳感器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括制冷機(jī)組、冷風(fēng)機(jī)、超聲波霧化加濕器、液氮罐、進(jìn)排氣閥。液氮充注式氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)圖和樣車如圖1所示。

2.1.2 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)共分3組，分別為駐車試驗(yàn)組和跑車試驗(yàn)組。每組試驗(yàn)車廂均為空載，車廂初始的O2體積分?jǐn)?shù)均為3%左右，其它試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如表1所示。將車廂環(huán)境調(diào)節(jié)至每組試驗(yàn)所需的試驗(yàn)條件后進(jìn)行試驗(yàn)，記錄車廂內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)在120 min時(shí)間內(nèi)的變化情況。

2.1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和處理方法 3組試驗(yàn)的車廂O2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化如圖2所示。

數(shù)據(jù)處理方法：

表1 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of experiments

1. 傳感器盒 2. 廂體 3. 回風(fēng)道 4. 進(jìn)氣閥 5. 風(fēng)機(jī) 6. 風(fēng)機(jī)安裝板 7. 蒸發(fā)器 8. 汽化盤管 9. 出氣橫管 10. 出風(fēng)口溫度傳感器 11. 壓力室 12. 超聲波加濕裝置 13. 開孔隔板 14. 連接軟管 15. 限流閥 16. 出液電磁閥 17. 增壓電磁閥 18. 液氮罐 19. 保鮮室 20. 排氣電磁閥 21. 后門 22. 備電廂 23. 汽車底盤 24. 汽化盤管接頭 25. 車載制冷機(jī)組壓縮機(jī) 26. 冷凝器 27. 繼電器盒 28. 集中控制系統(tǒng)

圖1 果蔬液氮充注氣調(diào)保鮮車

Figure 1 Fruits and vegetables fresh-keeping transportation vehicle with controlled atmosphere by liquid nitrogen injection

圖2 車廂內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)變化圖Figure 2 Changes of O2 volume fraction in compartment

(1) 首先根據(jù)滲風(fēng)量模型[式(1)～(9)]計(jì)算出滲風(fēng)量理論值，然后將O2體積分?jǐn)?shù)變化試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入O2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的計(jì)算式[式(10)]進(jìn)行換算得到滲風(fēng)量試驗(yàn)值。

(2) 將驗(yàn)證試驗(yàn)中車廂容積、O2初始體積分?jǐn)?shù)、O2體積分?jǐn)?shù)上升時(shí)間以及滲風(fēng)量理論值代入O2體積分?jǐn)?shù)變化模型[式(11)]中可計(jì)算出某一時(shí)刻O2體積分?jǐn)?shù)理論值并繪制出O2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的曲線，其中O2體積分?jǐn)?shù)上升時(shí)間按照2 min間隔進(jìn)行計(jì)算，理論計(jì)算值取至小數(shù)點(diǎn)后3位。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 滲風(fēng)量分析 滲風(fēng)量試驗(yàn)值和理論值對比結(jié)果如表2 所示。由表2可以得出：3組試驗(yàn)的滲風(fēng)量試驗(yàn)值與理論值基本相符，A、B、C 3組的相對誤差分別為13.79%，13.01%，17.06%。車廂滲風(fēng)主要是由風(fēng)壓作用引起的，熱壓單獨(dú)作用引起的滲風(fēng)量較小，B組試驗(yàn)中熱壓單獨(dú)作用滲風(fēng)量試驗(yàn)值占熱壓和風(fēng)壓綜合作用滲風(fēng)量試驗(yàn)值的比例約為7.31%，C組試驗(yàn)中熱壓單獨(dú)作用滲風(fēng)量試驗(yàn)值占熱壓和風(fēng)壓綜合作用滲風(fēng)量試驗(yàn)值的比例約為5.37%，由此可見，當(dāng)車速越大，熱壓作用對行駛過程中總滲風(fēng)量的影響越小。C組試驗(yàn)誤差產(chǎn)生的主要原因可能為：在維持車廂內(nèi)外溫差過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，可能導(dǎo)致車廂當(dāng)量滲風(fēng)面積暫時(shí)增大；在維持車廂內(nèi)外溫差過程中，車廂內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致局部產(chǎn)生正壓或負(fù)壓，增加了滲風(fēng)量。跑車試驗(yàn)組誤差產(chǎn)生的主要原因可能為：車廂與駕駛室之間的縫隙較大，車輛迎風(fēng)面的一部分氣流沿縫隙流向車底，在縫隙處形成一個(gè)低速、負(fù)壓區(qū)域[24]。

表2 滲風(fēng)量驗(yàn)證結(jié)果?Table 2 Results of the verification of air infiltration volume

? 相對誤差=|滲風(fēng)量試驗(yàn)值-滲風(fēng)量理論值|÷滲風(fēng)量理論值×100%。

2.2.2 O2體積分?jǐn)?shù)分析 由O2體積分?jǐn)?shù)模型可知，O2體積分?jǐn)?shù)成指數(shù)形式逐漸上升，并且滲風(fēng)量和車廂裝載率越大則O2體積分?jǐn)?shù)上升越快。對于駐車試驗(yàn)組，由于滲風(fēng)量很小，在120 min內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)沒有發(fā)生明顯上升，試驗(yàn)值和理論值基本保持一致。由表3可知，在120 min 的試驗(yàn)中，O2體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)值與理論值基本相符，O2體積分?jǐn)?shù)的理論數(shù)值略高于試驗(yàn)數(shù)值。因此，車廂O2體積分?jǐn)?shù)變化模型有一定的可信度。

3 結(jié)論

(1) 3組試驗(yàn)氣調(diào)保鮮車廂試驗(yàn)滲風(fēng)量與理論滲風(fēng)量相對誤差分別為13.79%，13.01%，17.06%，氣調(diào)保鮮車廂試驗(yàn)滲風(fēng)量與理論滲風(fēng)量基本相符，該模型具有一定的準(zhǔn)確性。

(2) 氣調(diào)保鮮車行駛過程中，車廂滲風(fēng)主要是由風(fēng)壓作用引起的，熱壓單獨(dú)作用引起的車廂滲風(fēng)量相對較小。

表3 3組試驗(yàn)O2體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)值與理論值Table 3 Experimental and theoretical value of oxygen volume fraction in three experiments %

并且，當(dāng)車速越大，熱壓作用對行駛過程中總滲風(fēng)量的影響越小。

(3) 氣調(diào)保鮮車駐車時(shí)車廂O2體積分?jǐn)?shù)上升較慢，跑車時(shí)O2體積分?jǐn)?shù)上升較快，并且O2體積分?jǐn)?shù)成指數(shù)形式逐漸上升，滲風(fēng)量和車廂裝載率越大，O2體積分?jǐn)?shù)上升越快。

此外，氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車車廂內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)變化以及車廂滲風(fēng)量還可能受到車廂內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、車廂外流場的較大影響，該部分還需要做進(jìn)一步的探討以提高模型的精確性。