杨松夏 朱立学 王柳玲 吕恩利 郭嘉明

(1. 仲恺农业工程学院机电工程学院，广东 广州 510225；2. 广州检验检测认证集团有限公司，广东 广州 511447；3. 华南农业大学工程学院，广东 广州 510642)

气调保鲜车是先进的保鲜运输装备之一，其通过调节运输环境的温度、相对湿度以及气体成分达到保鲜的目的[1-2]。在气调保鲜运输途中，由于车厢内外气体温差、车辆行驶速度的原因，车厢内部和外部环境之间通过车厢缝隙进行气体交换，使车厢内O2体积分数逐渐上升，从而导致气调保鲜效果下降和气调成本增加，因此，有必要对气调保鲜运输车厢的O2体积分数的变化特性进行研究。

目前，果蔬气调保鲜装备有关O2体积分数变化的研究主要集中在气调贮藏和气调包装方面，而对气调保鲜车厢O2体积分数变化的研究较少。在气调贮藏方面，文献[3-5]对气调保鲜库中果蔬呼吸作用引起O2体积分数变化的规律进行了理论分析与试验验证。在气调包装方面，文献[6-8]对气调包装袋中果蔬呼吸作用和薄膜通透性引起O2体积分数变化的规律进行了理论分析与试验验证。然而，研究[9-10]发现，车厢渗风是气调运输中引起车厢内O2体积分数变化的主要原因之一，因此，以上文献中研究方法不适用于果蔬气调保鲜车厢内O2体积分数变化的研究。在保鲜装备渗风研究方面，文献[11-13]对冷库门热压作用下的渗风特性进行了理论分析和验证，文献[14]分析了冷藏运输装备的渗风机制，建立了风压作用下的渗风模型并进行了试验研究。而气调保鲜车渗风是由风压和热压综合作用引起的，研究热压和风压综合作用下的渗风特性可更加精确掌握O2体积分数变化规律。为此，本试验拟在车厢风压作用和热压作用下渗风特性的基础上，研究车厢渗风对车厢内O2体积分数的影响，为优化气调保鲜运输装备性能提供参考。

1 气调保鲜运输车O2体积分数变化模型构建

1.1 车厢渗风量

气调保鲜运输中，车厢内外温差以及风速差导致车厢内外存在热压和风压，从而引起车厢渗风。因此，车厢渗风量包括热压渗风量和风压渗风量。

1.1.1 热压渗风量 气调保鲜运输车厢内外空气的温度差造成了空气密度的不同。低温空气密度大，高温空气密度小。在进行气调保鲜运输过程中，外界环境空气从车厢上部的缝隙渗入，内部空气从车厢下部的缝隙渗出。参照建筑渗风理论[15]的热压计算方法，车厢热压渗风量为：

qr=3 600A(ΔPr)b，

(1)

式中：

qr——热压作用下保温车厢渗风量，m3/h；

A——当量渗风面积，m3/(s·Pab)；

ΔPr——热压差，Pa；

b——渗风特性指数。

在对建筑物外窗热压单独作用渗风量计算时，假设建筑物中间存在一中和面[16]，在夏季时，环境空气由中和面以上的窗户渗入建筑物内，然后由中和面以下的窗户渗出建筑物。因此，假设在车厢开门高度的1/2处存在一中和面，并且为了简化建模过程，将车厢中和面以上的缝隙假设为一个位于车厢顶部和中和面之间中间位置的外窗，中和面以下的缝隙假设为一个位于车厢底部和中和面之间中间位置的外窗。热压差按式(2)计算[17]：

(2)

式中：

ρw、ρn——分别为外界环境空气密度、车厢空气密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

h0——中和面高度，高度值为车厢开门高度的1/2，m；

ha——上部外窗高度，高度值为中和面与车厢顶部之间高度的1/2，m；

tw、tn——分别为外界环境温度、车厢内部温度，℃。

所以，联立式(1)、(2)即为热压渗风量模型。

1.1.2 风压渗风量 气调保鲜车为典型的钝体结构，由于行驶中车体表面流场发生气流分离、再附着和旋涡脱落等复杂的流动现象，在车辆的迎风面产生正压区，在车辆的顶面、侧面和背面产生负压区[18]。外界环境空气正压使得空气通过保温厢体缝隙渗入厢体内部，厢体内一部分空气从背风面和侧面渗出。参照建筑渗风理论[15]的风压计算方法，车厢风压渗风量为：

qf=3 600A(ΔPf)b，

(3)

式中：

qf——风压作用下保温车厢渗风量，m3/h；

ΔPf——风压差，Pa。

当气调保鲜车处于行驶状态时，随着行驶速度的增加，车厢内外的压差也随之增大。在运输过程中，车厢风压差主要与风速、空气密度有关，风压差为[19]：

(4)

式中：

ρw——外界环境空气密度，kg/m3；

v——迎风面风速，m/s；

Cf——风压差系数，对于保温厢体迎风面，风垂直作用于保温厢体前壁板，风压差系数Cf的最大平均值可取0.7。

1.1.3 热压和风压综合作用下车厢渗风量 根据热压和风压共同作用的意义和缝隙法的含义，热压和风压综合作用下的渗风量为[20]：

(5)

式中：

qA——热压和风压综合作用下的渗风量，m3/h；

b——渗风特性指数，无实测值时取0.67；

n——朝向修正系数，渗透冷空气量最大的方向为主导风向时朝向修正系数n取1，其他方向则取n<1的数值[21]。

将式(4)带入式(5)，整理可得：

qA=3 600A(ΔPr+ΔPf)b。

(6)

在研究建筑渗风时，通过大量的试验和统计给出了建筑物不同材料、不同结构条件下的渗风特性系数，而对车厢渗风特性系数的研究资料和可供参考的数据较少。因此，采用当量渗风面积对不同尺寸、规格的保温厢体的渗风情况进行研究，根据车厢的漏气倍数进行反推求解当量面积[14]。反推过程如下：

(7)

(8)

式中：

L——漏气倍数，h-1；

q0——标准状态下的漏气量，m3/h；

V0——车厢容积，m3；

△P0——测试压差，按规定为(100±10) Pa。

把式(7)、(8)带入式(6)可得热压和风压综合作用下车厢渗风量为：

(9)

1.2 O2体积分数变化模型

为获得O2体积分数随时间的变化规律，参考文献[22]中对O2体积分数变化模型的建模方法，建立行驶中车厢内O2体积分数随时间变化的计算公式：

0.21qAdt-xqAdt=VSdx，

(10)

式中：

t——运输时间，s；

x——车厢内O2体积分数，%；

VS——气调厢需要气调部分的容积，m3。

整理式(10)得到行驶中车厢内O2体积分数变化模型为：

(11)

2 模型验证

2.1 试验设备与方法

2.1.1 试验设备 试验设备为课题组研制的液氮充注式气调保鲜运输车。液氮充注式气调保鲜车由汽车底盘、保温车厢、传感器系统、执行机构和集中控制系统等组成。集中控制系统根据传感器系统采集的车厢环境信息，控制执行机构的开启与关闭，调节保温车厢内的温度、相对湿度、O2体积分数在所需要的范围内[23]。其中，保温车厢(内尺寸长×宽×高为4.20 m×1.75 m×1.8 m)为压差式结构，保温车厢厢龄为6个月，通过加装硅胶发泡密封条、粘贴三元乙丙发泡密封条和中性硅酮结构胶涂膜接缝等措施改善车厢的气密性(漏气倍数约为0.16 h-1)；传感器系统包括温度传感器、相对湿度传感器、O2传感器。执行机构包括制冷机组、冷风机、超声波雾化加湿器、液氮罐、进排气阀。液氮充注式气调保鲜运输车结构图和样车如图1所示。

2.1.2 试验方法 试验共分3组，分别为驻车试验组和跑车试验组。每组试验车厢均为空载，车厢初始的O2体积分数均为3%左右，其它试验参数设定如表1所示。将车厢环境调节至每组试验所需的试验条件后进行试验，记录车厢内O2体积分数在120 min时间内的变化情况。

2.1.3 试验数据和处理方法 3组试验的车厢O2体积分数随时间的变化如图2所示。

数据处理方法：

表1 试验参数Table 1 Parameters of experiments

1. 传感器盒 2. 厢体 3. 回风道 4. 进气阀 5. 风机 6. 风机安装板 7. 蒸发器 8. 汽化盘管 9. 出气横管 10. 出风口温度传感器 11. 压力室 12. 超声波加湿装置 13. 开孔隔板 14. 连接软管 15. 限流阀 16. 出液电磁阀 17. 增压电磁阀 18. 液氮罐 19. 保鲜室 20. 排气电磁阀 21. 后门 22. 备电厢 23. 汽车底盘 24. 汽化盘管接头 25. 车载制冷机组压缩机 26. 冷凝器 27. 继电器盒 28. 集中控制系统

图1 果蔬液氮充注气调保鲜车

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

图2 车厢内O2体积分数变化图Figure 2 Changes of O2 volume fraction in compartment

(1) 首先根据渗风量模型[式(1)～(9)]计算出渗风量理论值，然后将O2体积分数变化试验数据带入O2体积分数随时间变化的计算式[式(10)]进行换算得到渗风量试验值。

(2) 将验证试验中车厢容积、O2初始体积分数、O2体积分数上升时间以及渗风量理论值代入O2体积分数变化模型[式(11)]中可计算出某一时刻O2体积分数理论值并绘制出O2体积分数随时间变化的曲线，其中O2体积分数上升时间按照2 min间隔进行计算，理论计算值取至小数点后3位。

2.2 结果与分析

2.2.1 渗风量分析 渗风量试验值和理论值对比结果如表2 所示。由表2可以得出：3组试验的渗风量试验值与理论值基本相符，A、B、C 3组的相对误差分别为13.79%，13.01%，17.06%。车厢渗风主要是由风压作用引起的，热压单独作用引起的渗风量较小，B组试验中热压单独作用渗风量试验值占热压和风压综合作用渗风量试验值的比例约为7.31%，C组试验中热压单独作用渗风量试验值占热压和风压综合作用渗风量试验值的比例约为5.37%，由此可见，当车速越大，热压作用对行驶过程中总渗风量的影响越小。C组试验误差产生的主要原因可能为：在维持车厢内外温差过程中，发动机振动，可能导致车厢当量渗风面积暂时增大；在维持车厢内外温差过程中，车厢内循环风机运转导致局部产生正压或负压，增加了渗风量。跑车试验组误差产生的主要原因可能为：车厢与驾驶室之间的缝隙较大，车辆迎风面的一部分气流沿缝隙流向车底，在缝隙处形成一个低速、负压区域[24]。

表2 渗风量验证结果†Table 2 Results of the verification of air infiltration volume

† 相对误差=|渗风量试验值-渗风量理论值|÷渗风量理论值×100%。

2.2.2 O2体积分数分析 由O2体积分数模型可知，O2体积分数成指数形式逐渐上升，并且渗风量和车厢装载率越大则O2体积分数上升越快。对于驻车试验组，由于渗风量很小，在120 min内O2体积分数没有发生明显上升，试验值和理论值基本保持一致。由表3可知，在120 min 的试验中，O2体积分数试验值与理论值基本相符，O2体积分数的理论数值略高于试验数值。因此，车厢O2体积分数变化模型有一定的可信度。

3 结论

(1) 3组试验气调保鲜车厢试验渗风量与理论渗风量相对误差分别为13.79%，13.01%，17.06%，气调保鲜车厢试验渗风量与理论渗风量基本相符，该模型具有一定的准确性。

(2) 气调保鲜车行驶过程中，车厢渗风主要是由风压作用引起的，热压单独作用引起的车厢渗风量相对较小。

表3 3组试验O2体积分数试验值与理论值Table 3 Experimental and theoretical value of oxygen volume fraction in three experiments %

并且，当车速越大，热压作用对行驶过程中总渗风量的影响越小。

(3) 气调保鲜车驻车时车厢O2体积分数上升较慢，跑车时O2体积分数上升较快，并且O2体积分数成指数形式逐渐上升，渗风量和车厢装载率越大，O2体积分数上升越快。

此外，气调保鲜运输车车厢内O2体积分数变化以及车厢渗风量还可能受到车厢内循环风机运转、车厢外流场的较大影响，该部分还需要做进一步的探讨以提高模型的精确性。