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(diào)保鮮集裝箱的設(shè)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(diào)集裝箱對我國遠洋船員身體素質(zhì)的保持具有重大作用。本文提供一種通用的船舶用氣調(diào)集裝箱的設(shè)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(diào)保鮮集裝箱由于體積小，使得各功能模塊處理能力小，設(shè)計中參數(shù)匹配困難的問題，對以后這一領(lǐng)域的研究具有指導(dǎo)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(diào)集裝箱的設(shè)計。

氣調(diào)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(jīng)濟、軍事的發(fā)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(zhì)的保持是遠洋保障能力中重要的一環(huán)，而足夠的新鮮果蔬的食用是保持船員身體素質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的冷藏技術(shù)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(diào)保鮮技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這一問題提供了可能性。雖然氣調(diào)保鮮技術(shù)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(diào)保鮮技術(shù)在國外已經(jīng)有數(shù)十年的研究歷史，在我國也有了一定的研究基礎(chǔ)[4]，一些大中型氣調(diào)庫已在國內(nèi)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(jīng)濟效益，技術(shù)也比較完善。但艦船用氣調(diào)保鮮集裝箱，由于體積小、使用環(huán)境復(fù)雜，雖然目前已有一些初步的試用和應(yīng)用，但整體技術(shù)仍處于不斷改進和完善當(dāng)中。

氣調(diào)保鮮主要通過提高氮氣濃度，降低環(huán)境溫度，完全脫除乙烯，控制 CO2濃度和加濕環(huán)境來實現(xiàn)[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(shè)備比較多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，合理的確定其結(jié)構(gòu)和分配參數(shù)比較重要，而這些都需要在設(shè)計階段完成。但是由于船舶用氣調(diào)保鮮集裝箱的一些特殊性，比如研發(fā)投入大、使用環(huán)境特殊等，使得對其的設(shè)計和研究近幾年才開始，因此目前國內(nèi)這一領(lǐng)域的研究資料不是很多。本文借鑒氣調(diào)庫和冷庫的設(shè)計經(jīng)驗，依據(jù)一些氣調(diào)設(shè)備的使用經(jīng)驗，建立了船舶用氣調(diào)保鮮箱的通用設(shè)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(diào)保鮮集裝箱的設(shè)計。這一工作對以后這一領(lǐng)域的研究具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

1 船舶用氣調(diào)保鮮集裝箱概述

1.1 設(shè)備簡介

船舶用氣調(diào)保鮮集裝箱一般根據(jù)船用集裝箱尺寸或根據(jù)船舶上預(yù)留的空間設(shè)計，其空間資源很有限，但是相對于氣調(diào)庫而言，所用的設(shè)備都必不可少，因此設(shè)備眾多，這不僅使得成本高昂，而且設(shè)備布置也比較困難。同時，由于空間小，貯藏量有限，所需設(shè)備能力有限，現(xiàn)有各廠家生產(chǎn)的設(shè)備是滿足不了類似氣調(diào)庫那樣連續(xù)工作的條件的，而間歇工作，因為工況復(fù)雜，又使得各設(shè)備參數(shù)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(shè)計時，需細化考慮各種工況，不僅必須盡可能準(zhǔn)確地計算需要的設(shè)備處理能力，以節(jié)省成本和空間，還需要做好參數(shù)的匹配工作，保證裝置的保鮮功能。

船舶用氣調(diào)保鮮集裝箱主要由以下功能模塊構(gòu)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(huán)境中氮氣的濃度和降低氧氣的濃度，使用體積小、性能穩(wěn)定的中空纖維膜制氮系統(tǒng)來實現(xiàn)[7]。制冷功能模塊用于降低貯存環(huán)境的溫度，并維護這一低溫環(huán)境。乙烯是果蔬的“催熟劑”，因此貯存環(huán)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(huán)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(diào)箱運轉(zhuǎn)后，需根據(jù)需求進去拿取果蔬，但由于里面是高氮低氧環(huán)境，不適合人類呼吸，如若貿(mào)然進入，輕則惡習(xí)嘔吐，重則窒息而亡，因此必須有換氣系統(tǒng)。這些設(shè)備中，加濕設(shè)備和臭氧殺菌設(shè)備需放于氣調(diào)保鮮集裝箱內(nèi)，其他設(shè)備放在箱體外面。

船用氣調(diào)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(tǒng)同時運行，將溫度和氧氣濃度降到目標(biāo)值；

2）加濕系統(tǒng)運行，使?jié)穸冗_到目標(biāo)值；3）臭氧殺菌系統(tǒng)運行；4）乙烯脫除系統(tǒng)運行。

裝置啟動后，根據(jù)溫度和濕度監(jiān)測結(jié)果決定是否運行制冷和加濕系統(tǒng)。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(tǒng)采用濃度監(jiān)測和定時運行結(jié)合的方式，而臭氧殺菌系統(tǒng)采用定時運行的方式。制氮系統(tǒng)每次開箱換氣后運行即可。

1.2 氣調(diào)保鮮集裝箱基本參數(shù)

設(shè)計基本參數(shù)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(huán)境條件的時間。設(shè)備穩(wěn)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(shè)計基本參數(shù)Tab. 1 The design essential parameters

2 氣調(diào)保鮮集裝箱設(shè)計計算

2.1 制氮功能模塊計算

船用氣調(diào)保鮮集裝箱的充氮降氧主要發(fā)生在 2 種工況下：一是果蔬入箱后和氣調(diào)保鮮箱換氣后的充氮降氧。氣調(diào)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(tǒng)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(wěn)定運行工況下，氮氣泄露引發(fā)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(jù)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(diào)箱內(nèi)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(shè)備的產(chǎn)氣量根據(jù)氧氣濃度變化可按下式計算[5]：

式中：V 為庫內(nèi)氣體體積； τ 為達到目標(biāo)工況需要的時間； CO20為貯存環(huán)境要求的氧氣濃度； CO21為庫內(nèi)空氣中的初始氧氣濃度； CO22為制氮機產(chǎn)品的氧氣濃度；Q 為制氮設(shè)備的產(chǎn)氣量。

2.2 制冷功能模塊計算

制冷系統(tǒng)在開始設(shè)計之前，需確定船舶用氣調(diào)保鮮集裝箱的貯藏噸位和保溫層厚度，才能開展制冷系統(tǒng)的設(shè)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(shù)；G 為果蔬貯藏噸位。

大中型氣調(diào)庫和冷庫在設(shè)計和計算時，會考慮貨物流量，但船舶用氣調(diào)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(nèi)外表面的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；R0為箱壁總熱阻，（m2·℃）/W；λ 為各層材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）； δ 為各層厚度，m；d 為保溫層厚度，m。

裝置的制冷系統(tǒng)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(huán)境氣體降溫；4）果蔬呼吸熱；5）箱內(nèi)機械部件工作散發(fā)熱量。制冷系統(tǒng)啟動的工況，主要是果蔬初入氣調(diào)保鮮集裝箱、穩(wěn)定運行一段時間后貯藏環(huán)境溫度上升達到溫控的上限值和換氣系統(tǒng)工作后的制冷，分別為工況 1～工況 3。

果蔬初入氣調(diào)保鮮集裝箱，即工況 1 時，貯藏環(huán)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(huán)境溫度和貯藏環(huán)境溫度的平均值。因素 3 中，由于和制氮系統(tǒng)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(tǒng)工作的時間相對于制冷系統(tǒng)來說比較短，且開始時溫差并不大，因此不予考慮。

氣調(diào)保鮮集裝箱穩(wěn)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(dǎo)致溫度上升，需進行制冷。此時，各因素的計算按照貯藏環(huán)境條件取值。換氣后，即工況 3 時，需對氣體環(huán)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(diào)保鮮集裝箱箱壁的傳熱系數(shù)依據(jù)下式計算：

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

箱壁散熱引起的傳熱量依據(jù)下式計算：

式中，A 為箱壁的傳熱面積，m2；a 為溫差修正系數(shù)；tw為箱外溫度；tn為箱內(nèi)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(nèi)外氣體的焓值；rn為冷藏間空氣密度。

果蔬的呼吸熱依據(jù)下式計算：

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

氣調(diào)集裝箱內(nèi)的電子儀表和機械設(shè)備，其散熱值Q5基本都可以從廠家或產(chǎn)品說明書上獲得相關(guān)資料。

工況 1 和工況 3 設(shè)備選型時，可直接根據(jù)計算值。工況 2 時，需考慮時間因素?？梢罁?jù)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(shè)備一用一備的要求。

2.3 加濕功能模塊計算

為實現(xiàn)果蔬的保鮮，防止果蔬水分蒸發(fā)，保持果蔬的含水量，氣調(diào)保鮮箱內(nèi)需為高濕環(huán)境。氣調(diào)保鮮箱內(nèi)的濕度損失，主要油空氣流動引起?？紤]到氣調(diào)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(diào)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(tǒng)在工作時，氣調(diào)保鮮箱內(nèi)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(jù)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(huán)氣量，m3/h；dr為箱內(nèi)換熱器進口的含濕量，g/kg；ds為箱內(nèi)換熱器出口的含濕量，g/kg。

換氣過程中，周圍環(huán)境中的空氣進入到氣調(diào)箱內(nèi)。此時，雖然周圍空氣的相對濕度較低，但是由于對應(yīng)較高的溫度，其含濕量要比貯藏環(huán)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(diào)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(chǎn)品氣幾乎不含水分，而又與艙內(nèi)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(diào)過程的除濕量，kg/h；G 為循環(huán)氣量，m3/h；dn為貯藏環(huán)境的含濕量，g/kg。

當(dāng)貯藏條件穩(wěn)定時，由于溫度也被控制在很小范圍內(nèi)，故相對濕度變化不大。因此，設(shè)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(chǎn)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(nèi)的乙烯進行徹底脫除。果蔬的乙烯產(chǎn)量難以計算，因為果蔬的乙烯產(chǎn)量區(qū)別很大，即使同一種果蔬，采摘時節(jié)稍有差別，也會有很大區(qū)別，因此只能選脫除能力盡可能強的乙烯脫除設(shè)備。

乙烯脫除在果蔬保鮮領(lǐng)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(nèi)。由于氣調(diào)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(jù)風(fēng)量大小來選擇設(shè)備。

2.5 CO2脫除功能模塊計算

貯藏環(huán)境氣體中 CO2氣體含量高有抑制呼吸、延緩果膠物質(zhì)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(tǒng)的能力應(yīng)根據(jù)貯藏果蔬的呼吸強度、氣調(diào)庫內(nèi)貯藏空間體積和貯藏量來確定，一般依據(jù)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(shè)備運行間隔時間，h；nt4為脫除設(shè)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(zhì)，去除異味，達到凈化空氣、殺菌消毒保鮮的功效。

氣調(diào)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?fàn)€變質(zhì)，造成損失。目前，市場上的臭氧殺菌系統(tǒng)體積小，適用庫容超過 30 m3，完全滿足要求。

3 算例和結(jié)果

根據(jù)某單位要求，設(shè)計一果蔬氣調(diào)集裝箱，其提供的參數(shù)和設(shè)計前確定的主要參數(shù)如表 3 所示，計算結(jié)果如表 4 所示。

表 3 設(shè)計參數(shù)Tab. 3 Design parameters

表 4 計算結(jié)果Tab. 4 Calculation results

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

[1]高中學(xué), 過志梅, 周海蓮, 等. 艦船用氣調(diào)保鮮裝置系統(tǒng)概述及其應(yīng)用效果[J]. 機電設(shè)備, 2013(5):21–24. GAO Zhong-xue, GUO Zhi-mei, ZHOU Hai-lian, et al. Summarization and application effect of marine controlled atmosphere storage equipment [J]. Mechanical and Electrical Equipment, 2013 (5):21–24.

[2]杜喆華, 國占東, 王志鵬. 船舶果蔬空氣放電保鮮技術(shù)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 33(8):173–177. DU Zhe-hua, GUO Zhan-dong, WANG Zhi-peng. The elementary research of vegetables and fruits storage by the air discharge on ship [J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(8):173–177.

[3]何磊, 柴鎮(zhèn)江, 施曉波. 關(guān)于艦船應(yīng)用氣調(diào)保鮮冷藏單元的研究[J]. 機電設(shè)備, 2013(5):73–76. HE Lei, CHAI Zhen-jiang, SHI Xiao-bo. Research on using controlled atmosphere refrigeration unit on naval vessel[J]. Mechanical and Electrical Equipment, 2013(5):73–76.

[4]孫長江, 李冠倫, 朱春來, 等.船舶氮氧氣體制備工藝[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2012, 34(2):129–132. SUN Chang-jiang, LI Guan-lun, ZHU Chun-lai, et al. Discussing the process of producing nitrogen and oxygen on ships [J]. Ship Science and Technology, 2012, 34(2):129–132.

[5]李國云, 劉穎, 鄔志敏. 小型實驗氣調(diào)庫設(shè)計[J]. 流體機械, 2008, 36(7):72–75. LI Guo-yun, LIU Ying, WU Zhi-min. Design on small scale controlled atmosphere storage room for laboratory use [J]. Fluid Machinery, 2008, 36(7):72–75.

[6]王紅育. 我國艦船果蔬保鮮貯藏技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J]. 食品科學(xué), 2010, 31(15): 308–311. WANG Hong-yu. Current state of applications of preservation techniques for fruits and vegetables carried on board vessels [J]. Food Science, 2010, 31(15): 308–311.

[7]李家慶. 果蔬保鮮手冊[M].北京: 中國輕工業(yè)出版社, 2003.

[8]GB 50072-2010, 冷庫設(shè)計規(guī)范[S].

[9]李建華. 制冷工藝設(shè)計[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2007.

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(shè)備和化工裝置新產(chǎn)品的研發(fā)。