冷藏集装箱冷藏集装箱第一章绪论11概述冷藏集装箱属运输制冷装置是冷藏链重要的一环是最灵活和最有发展前途的门对门运输工具由于冷藏集装箱能把各种易腐货物始终保持在各自所需的储藏温度下向世界各地进行大量快速和廉价的运输所以近年来已发展成为国际贸易中一项新型的重要运输方式也将是21世纪重要的冷藏运输工具冷藏集装箱在促进世界性贸易促进保温和冷藏物品的交流正在越来越多地发挥着作用显示着潜力我国进出口集装箱中冷藏箱所占的比例近年来正逐步上升冷藏箱所具有的保鲜防变质冷藏等功能正被越来越多的商家客户所认识和重视住在甘肃兰州的小姑娘可以吃到产自中美洲新鲜的香蕉在热带

　　第一章绪论11概述冷藏集装箱属运输制冷装置是冷藏链重要的一环是最灵活和最有发展前途的门对门运输工具由于冷藏集装箱能把各种易腐货物始终保持在各自所需的储藏温度下向世界各地进行大量快速和廉价的运输所以近年来已发展成为国际贸易中一项新型的重要运输方式也将是21世纪重要的冷藏运输工具冷藏集装箱在促进世界性贸易促进保温和冷藏物品的交流正在越来越多地发挥着作用显示着潜力我国进出口集装箱中冷藏箱所占的比例近年来正逐步上升冷藏箱所具有的保鲜防变质冷藏等功能正被越来越多的商家客户所认识和重视住在甘肃兰州的小姑娘可以吃到产自中美洲新鲜的香蕉在热带雨林里的巴西小男孩可以第一次尝到来自美国的冰淇淋在日本超市里可以选购到产自上海郊区水淋碧绿的新鲜蔬菜这些厂家广告说的事都是实情而且不足为怪了集装箱是当今公认的一种经济合理的运输工具是货物运输的革命性的工具和发展趋势冷藏集装箱则是运输易腐食品的理想工具它除具有普通箱的优点外还具有下列主要特点1适用于不同运输方式和批量灵活的运输需求2有利于保持运输条件的连续性与稳定性易腐货物运输的固有特点要求在整个运输过程中保持适宜的气候条件温度湿度风速气体成分等特别是恒温的环境即使运输与等待销售的时间较长也能起到作为移动冷库的作用这是用冷藏集装箱运输易腐货物的最大优势3适应外贸发展增加外汇收入国际食品市场对冷藏食品的数量与质量要求相当高如果没有先进的具有一定规模的冷藏运输工具易腐食品的运输质量是很难保证的目前美国进出口的易腐食品几乎100采用冷藏集装箱运输日本约为60澳大利亚约为9012国内外冷藏集装箱的生产与发展现状121发展状况冷藏集装箱的发展经历了从30年代起步50年代迅速发展和从70年代开始的飞跃发展3个阶段冷藏集装箱的生产和使用已超越了国家的界限变成了全球性的通用标准篮球课程标准尘肺标准片党员活动室建设分级护理细化标准儿科分级护理标准运输工具是陆海空冷藏运输中发展最快最多的一种运输工具现阶段的主要特点有1冷藏集装箱大量制造70年代80年代冷藏集装箱增长很快到了90年代这一趋势依然不减到2000年全球冷藏集装箱的总数已达到100万TEU标准箱目前冷藏集装箱的生产国由德国英国等发达国家转移到发展中国家我国的冷藏集装箱制造业也迅速崛起最近我国沿海地区先后就有6家冷藏集装箱合资企业投产年生产能力达到418万TEU标准箱从2000年起的10年内需要新造冷藏集装箱6～10万TEU标准箱平均每年需6000～1万个2集装箱国际标准化为了集装箱的国际流通铺平门对门运输道路确保集装箱的互换性ISO推荐了国际集装箱统一标准3广泛采用机械式冷藏集装箱国际间长途运输的冷藏集装箱几乎全部采用带制冷机组的冷藏集装箱而在短途运输中才使用其它冷源4装卸机械日臻完善5大量建造集装箱码头和中转站6建立强大的集装箱船队冷藏集装箱在发展中的新技术采用与突破主要表现在以下几个方面1在结构上以往全钢质为铝合金所替代冷箱的强度隔热以及内部送风系统等方面都大大改善2实现了更先进更可靠更完善的自动控制与调节系统传统的电器控制代替以电子遥控系统在承运过程中把每个集装箱的状态引入中央控制台用计算机进行管理3从早期运输冻结货物发展到利用计算机对箱内空气改良及成分控制创造适合蔬菜水果等鲜品运输的环境以控制水果蔬菜的成熟速度4制冷系统仍然是蒸气压缩式但在其通用性节能方面也取得了进展新的制冷系统充分考虑装运各种鲜货冻结货的特点以满足不同贮运要求5特殊用途的专用冷藏箱在兴起如日本设计了活鱼集装箱以及冰温冷藏箱等122国内外冷藏集装箱生产情况国内外冷藏集装箱生产将持续升温2000年的产量已达到95000TEU以上相当于5100052000台突破1998年的记录廉洁谈话记录内容离职面谈记录怎么写安全生产每月会议记录幼儿园膳食委员会会议记录内容安全例会会议记录再创历史新高其中抢夺了韩国和美国市场的中国冷藏箱厂是增产的主力军见表1119951999年各国家地区冷藏箱生产情况表11                    单位TEU 地区 1999 1998 1997 1996 1995 产能 韩国 35800 34500 34200 38000 46450 45000 中国 30200 22500 20500 4900 400 58000 丹麦 14000 17000 11000 7000 1500 20000 日本 4200 6500 7400 11350 - 美国 2000 6200 6500 3500 3080 - 墨西哥 6200 6000 6300 10500 2500 - 中国台湾 2000 4500 5000 10500 - 其它 800 1600 1500 2700 3500 2000 合计 89000 94000 91000 79000 81000 125000              注①上述数字包括保温箱的生产能力②产能为多班生产的能力近年来冷藏箱年均购置量基本上控制在25000TEU13000台以Maersk-Sealand和APL为首的各大船公司对冷藏箱购置量将达到70000TEU19901999年全球冷藏箱的类型分布及数量表12                   单位TEU 年份 20冷箱 40标高箱 40HC箱 保温箱 总TEU 总台数 1990 11500 17000 14500 4000 47000 31000 1991 5000 9000 15500 4000 33500 21200 1992 10000 17500 24000 10500 62000 41000 1993 12000 13000 28500 4500 58000 37200 1994 10500 13000 40000 2500 86000 39500 1995 12500 17000 50500 1000 81000 47000 1996 11000 6500 81000 500 79000 45200 1997 11000 6500 73000 500 91000 51000 1998 10000 7000 76500 500 94000 52200 1999 10000 4500 74000 500 89000 49750              全球冷藏箱总量持续增长平均每年增长67500TEU箱与10的总量增加相适应19901999年全球冷藏箱总量规模变化情况表13                      单位TEU 年份 冷藏箱的产量 冷藏箱的增加量 冷藏箱的设备更新量 冷藏箱总量的规模 1990 43000 35000 8000 299000 1991 29500 23000 6500 322000 1992 51500 46000 5500 368000 1993 53500 48000 5500 416000 1994 63500 50000 13500

　　466000 1995 80000 60000 20000 526000 1996 78500 52000 26500 578000 1997 90500 68000 22500 646000 1998 93500 67000 26500 713000 1999 88500 65000 23500 778000          生产制造日益集中促进了冷藏箱制造业的重组定单主要由5大主要的冷藏箱厂所瓜分拥有上海青岛两个冷藏箱厂的CIMC在1999年总产量排名榜上紧随Maersk名列第2现代也有两处工厂但主要的生产基地在韩国蔚山其余冷藏箱厂还有Singamas的上海Reeferco烟台月友和扬州通利中国抢夺市场在目前生产活跃的6个冷藏箱厂中中国的箱厂占据着领导地位2000年显示中国的冷藏箱厂将生产25000台约合45000TEU而韩国为18000台约合33000TEU这将使中国的市场份额从1999年的33上升到45而韩国的市场份额由40下降到3519971999年各冷藏箱厂的生产情况表14                   单位TEU 冷藏箱厂 1999 1998 1997 产能 工厂所在地 现代 27300 24500 26200 25000 韩国 Maersk 19500 18000 11000 35000 丹麦青岛 CIMC 19000 11500 9000 30000 上海青岛 Jindo 14700 22500 23800 20000 韩国 胜狮 3000 2000 1500 5000 中国上海 Cartisle 2000 6200 6500 -   Fruenauf 4200 6500 -   烟台月友 1800 1000 - 5000 中国烟台 长荣 2000 4500 -   其他 1700 2100 2000 5000   合计 89000 94000 91000 12500              13加快研制开发和生产冷藏集装箱的必要性冷藏集装箱适应国际冷藏运输联运随着我国欧亚大陆桥的开通和加入WTO之后易腐食品的进出口量将有大幅度增长交通运输业也在加快与国际市场接轨易腐食品采用冷藏集装箱的需求将是十分巨大的据悉包括铁路公路和水路有关部门主管在制定技术政策时都明确提出要加速发展冷藏集装箱20012010年全国易腐货物运量预测其中有30运量675万吨采用冷藏集装箱运输14加快研制开发和生产冷藏集装箱的可能性1技术成熟众所周知用于冷藏集装箱的制冷技术已经相当成熟国际上冷藏集装箱的生产历史也已达半个世纪在冷藏集装箱的生产手段生产工艺技术标准和性能测试等方面均臻成熟2经济与社会效益明显大量采用冷藏集装箱运输易腐食品一方面能提高易腐食品的冷藏运输率另一方面又能大大提高运输质量减少腐烂损失据初步估计如按目前易腐货物运量的20使用冷藏箱运输将易腐货物的腐烂率从20减少到10及以下则每年可减少直接损失达20亿元左右还可提高其销售质量同时也节约了食品资源减少了城市垃圾污染综上所述加快研制开发和生产冷藏集装箱具有重要的意义其技术可行经济效益巨大15我国冷藏集装箱主要生产厂家简介中国国际海运集装箱集团股份有限公司作为全球最大品种最全的集装箱制造企业自1996年以来集装箱产销量连续5年保持世界第一2000年中集取得了38％的世界集装箱市场份额和近60％的国内市场份额同时中集在冷藏集装箱方面今年更取得长足进展2000年其冷藏集装箱居世界第二位到2001年中期中集已超过丹麦M AERSK而跃居世界第一据透露截止2001年6月30日中集冷藏箱累计生产18955标准箱销售18230标准箱分别比去年同期增长433％和410％日前获得P＆ONedlloyd公司14500台冷藏集装箱合23000标箱订单的确认据悉全部冷藏箱将由中集在上海和青岛的工厂制造并于2001年12月至2002年11月期间交货据介绍其此次订单采购价值超过2亿美元包括C arrier Transicold提供的制冷系统这是中集迄今为止所有业务里接获的最大一张订单同时也是业内最大的单张订单扬州通利冷藏集装箱有限公司以下简称TLC成立于1995年5月是国内首家冷藏集装箱制造厂家总投资2000万美元目前TLC的年生产能力为15000TEUTLC拥有两条生产线可同时生产钢箱和铝箱另外TLC的弹性生产线还能生产多种特种箱具有国际先进水平的热工试验室机械性能试验室化工试验室和原材料测试试验室确保了TLC生产的每只集装箱的各项性能TLC还配备了聚氨脂发泡机组自动碰焊机可倾斜式发泡夹具电火花清洁火烤清洁二次发泡夹具和热喷锌等具有当代最新技术含量的进口设备16本论文的主要工作冷藏集装箱类似移动的冷藏库主要采用机械制冷方式由于冷藏集装箱的可靠性要求很高因此其性能实验尤为重要集装箱除强度实验外热工性能实验是另一项重要的性能检验项目主要有以下两类1对运输工具的单项实验它包括隔热箱体总传热系数K值的测定隔热箱体的气密性测试运输用制冷机的制冷量的测试箱内冷空气流的气流特性研究等这些实验可为制造厂单项部件的设计和改进整台运输工具的匹配提供依据2对整台冷藏运输工具进行实验它包括安装完毕的冷藏运输工具在特定的实验条件下空载和重载时的制冷或加热的综合性能实验此项实验可为制造厂的产品以及监管部门和用户提供依据本文主要研究内容1对冷藏集装箱的隔热结构传热过程进行理论分析2对冷藏集装箱热工性能测试系统进行研究3对冷藏集装箱热工性能实验温度数据采集系统进行开发4对冷藏集装箱气密性实验漏热实验和制冷机组性能实验结果进行分析和验证并对相关的问题进行探讨第二章冷藏集装箱的结构与系统21冷藏集装箱的隔热结构1隔热层构成箱体的6个面均包括隔热层不论是预制的隔热板或者是现场发泡的隔热层均要求有一定的强度更重要的是它必须具备相当的隔热能力和更高的密封功能为满足以上要求应当避免出现贯穿整个隔热层厚度的金属件即热桥heatbridge并在铆钉和任何接缝处采取相应的密封措施2箱顶冷藏集装箱顶的面板必须是整块的不允许在这里出现任何拼缝以防外界的雨水或海水渗进隔热层甚至进入箱体在箱顶处还要避免出现竖向的接缝3箱底为了使箱内各部位的温度均衡在箱底结构的顶面必须敷设铝质工字型断面的通风轨板在箱底的各个角部应设有供排出箱内凝结水和其它水分的疏水器或橡胶阀嘴kazzo当阀内积水达到其容积的1312时就会自行开启并排出积水它具有逆止功能只能出水不能逆向流入空气4侧壁结构侧壁的面积很大对冷藏集装箱的整体隔热会有巨大影响通常其外侧板可由铝合金t1mm2mm不锈钢薄板t08mm12mm内侧板一般采用不锈钢板t06mm08mm铝板阳极氧化处理t08mm2mm或玻璃钢板t15mm2mm外界水分

　　对箱壁隔热夹层的入侵将是潜在的危机隔热壁板的水分渗入将导致该板的泡沫中空度降低增加其自身重量最终会大大减弱其隔热功能因此在任何一个接缝处和铆钉的周围都必须垫以密封带并精心打好密封胶整个箱体的内壁衬板应当由带竖向波形的不锈钢板构成该波形的竖向布局是从底部通分轨板的顶面开始上至箱内装货高限为止以利箱内的冷风循环5箱门结构冷藏集装箱对箱门的结构设计和工艺要求很高一般来讲箱内气体通过箱门的泄漏量至少占整体泄漏量的50％以上由于箱门的周边加上中间接缝的总量较长在此处需要注意门板和后断框架的间隙并考虑设置双层密封胶条其外层胶条的断面可以象干货箱那样而内层胶条的断面将更加复杂它的主要作用是在水密的基础上进一步达到气密的要求表21                     技术指标 项目 单位 数值 表观密度 kgm3 4550 吸水性 ％ 0203 耐寒性 ℃ -150-190 耐热性长期工作短期工作 ℃℃ 0 导热系数 4186kJhm℃ 0204 24h常温浸泡吸水性 Gcm2 01      6隔热材料通常使用聚氨脂泡沫多元醇作为组分A异氰酸脂作为组分B再加发泡剂HCFC141b共三个组分而撑档是为了配合隔断热桥设计应尽可能采用导热系数较小而又有一定强度的ABSPVC材料从冷藏集装箱基本结构可看出其隔热结构主要有骨架区和平板区两部分组成其中在骨架部分由于撑档材料PVC或ABS的导热系数很小00190030kcalmh℃基本与硬质聚氨脂0016002kcalmh℃相近而撑档尺寸比较小为了简化分析计算假设撑档和隔热材料由同一种材料组成同样对于冷藏箱底部由于其T形条及疏水孔的存在势必影响其传热效果对于T形条来说由于其尺寸较小故假设其可忽略而对于疏水孔可假设其与底部为同样的隔热材料这样底部就成为具有一定隔热厚度的平板区此时整个冷藏集装箱可以看作一个各面具有一定隔热厚度的冷藏库传统的隔热材料为硬质聚氨酯泡沫塑料其典型技术指标如表21所示7隔热箱体的热工参数几种典型冷藏集装箱的最大漏热率及设计温度见表22所示表22                          热工参数 类型号 冷藏箱的类型 最大漏热率 设计温度 UmaxWK 箱内 箱外 1C1CC 1A1AA 1AAA K ℃ K ℃ 30 耗用冷剂式冷藏集装箱 26 48 51 255 -18 311 38 31 机冷式冷藏集装箱 26 48 51 255 -18 311 38 32 制冷加热集装箱 26 48 51 289255 16-18 253311 -2038 36 带动力的机冷式冷藏集装箱 26 48 51 255 16 311 18 37 带动力的冷藏加热集装箱 26 48 51 289 -18 253 -20                  集装箱的最大漏热率Umax按传热系数K04m2k换算而成22冷藏集装箱制冷系统特点221用于冷藏集装箱的制冷系统要符合以下几项原则●确保所装运易腐货物的运输品质满足货主的有关要求●在一定的范围内对其制冷量进行不间断的调节●对箱内温度和湿度的控制能够达到一定的精度●适量的换气使箱内有合适的乙烯和二氧化碳浓度●对箱内工况可以自动的检测和记录222冷藏集装箱的制冷方式机械压缩制冷是当前最成熟也是被广泛应用的一种制冷方法分电力驱动和自带动力直接驱动两种方式当前可以满足海上运输为解决陆上运输中的能源问题可以配置发电机组或挂装电源由于整套设备和系统比较复杂维修工作量较大管理费用较高用于冷藏集装箱的制冷机组reeferunit具有如下特点●制冷量一般为30005000w●压缩机为半封闭或全封闭单级活塞式●冷凝器为风冷式或水冷式●由电力拖动能适应200V和400V电压以及50Hz和60Hz周波的电源●蒸发器为风冷式其风机可以作有级变速●用R22R134a或R404A等非CFC冷剂已经使用R12作为冷剂的现有机组必须考虑置换问题●布局力求紧凑尽量少地占据箱内空间在既定横截面的条件下力求减少机组的厚度23冷藏集装箱自动控制系统特点231控制系统特点冷藏集装箱是一种在动态条件下工作的带有制冷设备的大容积包装容器由于它在全球全天候露天工作又要承受各种冲击和颠簸冷藏集装箱控制系统的高可靠要求就特别突出现代的冷藏集装箱控制系统充分考虑了可靠性采用单片微机控制精度增加了智能功能和故障显示这对操作检修和实现海洋运输港口车站的冷藏集装箱计算机管理是十分有利的以20英尺冷藏集装箱控制系统为例加以说明冷藏集装箱控制系统由主驱动系统温度控制器温度自动记录仪三部分组成集装箱具有自动冷却冷冻和冷藏自动加热自动融霜的能力箱内温度可在-25℃25℃范围内整数任意设定并自动保持记录仪能在31天内连续自动记录箱内温度温度控制器的显示面板能够显示箱内供风口回风口的温度制冷机组的工作方式和制冷机组主要部件的工况机组发生故障时可通过特定的代码显示机组或控制器的故障部位发出报警讯号并按照故障的等级确定机组的工作状态冷藏集装箱电控系统安装在密封的电控箱内由5060Hz三相200400V电源供电能承受振动冲击盐雾腐蚀和海浪冲刷能在-4050℃环境温度下正常工作冷藏集装箱制冷机组工作原理如图21所示制冷压缩机把经过蒸发器气化并经过热交换器的低压气体压缩成高压气体流入冷凝器壁管用冷凝器风扇强迫风冷也可同时进行水冷后冷凝成为高压的液体同时把媒质的热量排出箱外高压的液体经过热气膨胀阀的调节根据压力大小把媒质分配至蒸发器热量又在蒸发器内发生交换蒸发器风扇的工作把集装箱内的热量带走使其通过蒸发器变成高温低压的气体然后再由压缩机把该气体压缩为高压的气体通过这种连续不断的循环可把冷藏集装箱箱内的热量排出箱外使冷藏集装箱内温度降低在制冷系统中还装有一个热气旁通阀当要求的制冷速度不快时可以使膨胀阀的一部分不经过蒸发器而直接返回冷凝器以降低压缩机的压差降低能耗冷藏集装箱控制系统的任务就是根据设定温度供风口出风口的温度制冷机内各部分的压力选择一种最佳的控制方式控制电磁阀的开闭使制冷机组按照规定的顺序进行最佳工作并在发生故障时根据温度压力或其它传感元件的信号发出警报和显示相应的故障部位232控制系统结构主驱动系统用接触器控制制冷机组的压缩机电机电加热器蒸发器风扇冷凝器风扇和各种工作电磁阀电路的通断温度控制器由于20英尺冷藏集装箱的容积达2815m3热容量大其温度控制器硬件配置存在着以下特点1对AD变换器的速度要求不高但对其重复性能要求较高且末位01℃的数字跳变都将会影响控制系统的工作因此应选择抗干扰性能好转换精度高转换速率要求不高的器件并约定每个脉冲当量为0025℃及每4个脉冲才显示01℃这样因AD转换器的末位数字的

　　跳变误差引起的控制失误得以避免保证了系统正常工作2冷藏集装箱控制系统是一种要求长期连续工作的电子设备对放大器的设计工艺都需十分重视以免干扰漂移等现象产生3冷藏集装箱控制系统的器件均采用CMOS低工耗器件以减少供电功率适应控制器无通风降湿设施的工作环境4由于在运输过程中难免要进行冷藏集装箱的编组和短途运输因而停电是会经常发生的为了保存运输前的指令及运输过程中的数据温度控制器配置了E2PROM以保证复电后冷藏集装箱能正常工作5由于冷藏集装箱在运输过程中的供电受运输方式和供电区域差异的影响对单片机的供电的电源质量将是较差的除了采取必要的电源滤波措施外又配置了电源监视器其使用方法与一般温度控制器略有不同并不要求动作时顺序清零而是保持原来的顺序状态温度计录仪采用自动温度计录仪233软件系统特点冷藏集装箱温度控制系统根据使用要求采用双位控制方式其位控制动作如图23所示其中T0T7表示单片机输出口的位控制其标号与输出口的标号相对应位操作的各位数值分别由设定温度供风温度回风温度值来控制其作用如下T3根据回风温度与设定温度的差值范围和变化来决定制冷压缩机的启停T1T4表示制冷机组在制冷和加热中箱内回风口温度已接近设定温度的信号指示T7表示在某种设定温度下为避免温度下降过快减少能耗提高控温精度的控制逻辑T2决定在某种设定温度下制冷机组的加热控制T5T6由设定温度决定完成特定的工况T0由供气温度决定完成特定的工况1采用固化软件由于冷藏集装箱是一种经常处于运动过程中的运输设备操作必须简单应能自动选择最佳工况因此按可能出现的六种工作方法将软件全部固化在操作面板上设有功能及操作键启动后控制系统将按设定值和箱内温度情况自行选择最佳的工况进行制冷和加热2温度值的计算及显示由于冷藏集装箱容积较大在制冷加热过程中箱内各处的温度不尽相同我们以回风口的温度值作控制和显示用回风口的温度变化较大故除采用滤波环节外还需要用软件作数字滤波处理以获得稳定的温度计算和显示值3温度变化的判断冷藏集装箱控制系统实质上是一个双位温度控制系统从上图可以看出在温度上升或下降变化时位控制转换点是不同的由于风道受阻温度场对流等原因测温点的温度是频繁上下波动的对回风口的实际温度的微小波动如不采取措施温度上升或下降的判断失误将引起控制动作的失误甚至影响制冷机组的正常工作为此规定将测得的值与原先测得的值相比温度的差值必须大于02℃且需连续三次才予以确认否则机组任按原方向运行这样处理尽管耗时较多但由于冷藏集装箱本身的热容量较大不会影响控温精度4融霜控制制冷机组冷源的热交换是在蒸发器中进行的保持蒸发器盘管无霜可以提高制冷机组的制冷效率在本控制系统中具有自动融霜定时融霜手动融霜三种功能其中定时融霜是由单片机定时器及相应软件来完成的6机组及控制系统的保护冷藏集装箱装载易腐易坏的货物因此冷藏集装的保护与故障显示是特别重要的系统中除配备常用的短路过载缺相过热等保护硬件以外还设计了软件保护措施在较重要的部门设置传感器如蒸发器叶片的温度检测传感器等根据故障的等级决定相应的中断优先级根据测定的机组内的温度和压力进行相应的计算判断系统故障报警并输出故障代码冷藏集装箱还备有远距离监视电路和显示装置以确保故障的及时发现和检修系统控制流程仓库管理流程财务报销流程离职手续办理流程报销流程售后服务流程如图24所示第三章 冷藏集装箱隔热结构热工性能理论分析31概述为了使冷藏集装箱的箱内温度保持在一定的范围内除了安装制冷和加热设备外还必须要求箱体具有一定的隔热能力即要求箱体上敷设一定厚度的隔热材料箱体结构的隔热性能差则热或冷损失就大为保持箱内温度在一定范围内所需设备的能量就大而且当隔热性能差时由于内外壁面温差的减少还会使箱体内表面产生结露现象从而影响货物的运输质量具有一定隔热性能的结构称为隔热壁在隔热壁热工性能的设计计算中一般应用的是稳态传热原理所谓稳态传热就是指隔热壁中的温度分布和热流大小始终保持固定的数值而不随时间变化这个条件只有在隔热壁两侧所受到的热作用为一常数且不随时间而变化时才能得到保证实际上冷藏集装箱受到的热作用随地理位置季节昼夜和其它情况的不同而变化的所以真正的稳态传热在自然条件下是不存在的但是如果把某个周期内的平均外部温度作为固定的数值并借助于制冷设备使箱内的温度达到一定程度的稳定这样按稳态传热进行隔热壁的热工性能计算是基本符合实际的而且还可大大简化计算工作这对实际工程的应用则是很重要的本文着重分析冷藏集装箱稳态传热计算隔热壁的热工性能32箱体隔热壁传热系数的分析与计算传热系数即K值是衡量冷藏集装箱隔热性能的一个重要热工性能参数它直接关系到冷藏集装箱能否正常使用决定着冷藏集装箱的热负荷状况它既是衡量冷藏集装箱隔热性能好坏的重要指标又是计算冷藏集装箱漏热量的主要依据目前国内外普遍采用的K值测定方法主要有稳态法与非稳态法稳态法因其实验简单易行可靠测试精度较高而得到普遍承认但它要求箱体内外温度都必须长时间保持稳定一般要求温度的波动不超过1K或者更小箱体内部温度可以达到这个要求可是箱体外侧温度就很难满足这个条件了如一般环境温度的变化幅度为2-5K大大超过了1K的要求所以这种实验都必须在恒温室内进行生产现场的测试是不能满足稳态法所要求的条件的因此只能使用非稳态法在生产现场测试冷藏集装箱的传热系数至今国家标准中还没有方法可循而冷藏集装箱传热系数的测定更多的是需要在现场进行因而研究应用和推广非稳态法具有特别重要的意义通常根据在静止实验条件下所测得的传热系数K值将箱体分为两个等级1普通隔热或06kcal㎡h℃2强化隔热或06kcal㎡h℃为了保证箱体隔热性能的质量一些工业发达国家对箱体隔热性能的测试都制定了标准规定了测试程序321箱体隔热壁的传热过程在稳态条件下当隔热壁两侧的空气温度不同时热流就要从高温一侧通过隔热壁传至低温侧平壁的稳定传热公式为3-1a或              3-1b式中  每小时通过隔热壁的热量隔热壁一侧的空气温度例如夏季为箱外空气的温度隔热壁另一侧的空气温度例如夏季为箱内空气的温度F隔热壁的传热面积隔热壁的传热热阻隔热壁的传热系数K是指箱内外空气温度相差1℃时在1小时内通过一平方米隔热壁表面积所传递的热量它可以表示出箱体隔热壁允许热量通过的能力K值愈大在同样的传热面积与箱内外温差的情况下通过的热量就越多隔热性能就愈差而隔热壁的传热热阻是指箱内外空气温度相差1℃时使一定热量通过一平方米隔热壁表面积所需要的时间它可以表示出热流穿过隔热壁所承受的阻力愈大热流受到隔热壁的阻力就愈大在同样的传热面积和箱内外温差的情况下一定量的热量通过隔热壁所需要的时间就愈长隔热性能就愈好热量从隔热壁一侧的空气中传至另一侧的空气中其传热过程可以分为三个阶段1表面吸热热量从一侧的空气中传至隔热壁的一侧表面2结构透热热量从隔热壁的一

　　侧表面传至另一侧的表面3表面放热热量从隔热壁另一侧表面传至另一侧空气中这个传热过程包括了以热传导为主要形式的隔热壁内部的传热和以对流及辐射为主要形式的隔热壁边界的传热因此要得到隔热壁的传热系数K必须先分析隔热壁内部传热和边界传热的特点并进行传热计算然后才能求出隔热壁的传热系数求出隔热壁的传热系数K就可以根据式31a计算出通过隔热壁的热量Q322隔热壁内部的传热隔热壁内部的传热形式主要是热传导把单位时间内通过单位面积的热量称为热流量并用q表示用傅立叶定律表达如下32式中  q热流量表示单位时间内通过单位面积的热流量材料的导热系数温度梯度负号表示热量传递的方向和温度梯度的方向相反以下我们将利用式32基本关系式来研究冷藏集装箱隔热壁内部的导热问题一多层均匀平壁的导热在冷藏集装箱箱体中除侧壁立柱地板小横梁等结构外大部分都是由外包板内包板及中间隔热材料其导热系数＜0233WmK组成的多层均匀平壁中间隔热层的隔热材料目前广泛采用聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨脂泡沫塑料聚苯乙烯泡沫塑料的密度为2530kgm3导热系数为00290035WmK其使用的温度范围为-8075℃聚氨脂泡沫塑料的密度为4565kgm3导热系数为00260028WmK其使用的温度范围为-60120℃为了研究方便可以把冷藏集装箱的这种典型的隔热壁结构可简化为图31所示的有几层不同材料组成的多层平壁假设壁面很大且温度只沿壁厚方向有变化各层材质均匀层间相互密接如平壁两侧温度不同且t1＞tn1在稳态条件下通过多层平壁的热流量为常量33a则传递的热量为        33b其导热热阻为    于是式33b可以写成   33c式中  F传热面积t1tn1n层平壁两个侧面温度二多层不均匀平壁的导热由于箱体隔热壁中存在金属构架是属于组织不均匀的结构因此不能直接运用上述公式这时又由于存在着所谓热桥的影响所以其传热计算将比上述计算复杂的多对于多层不均匀的隔热壁当其中有一小部分的隔热性能较其它部分差得很多时隔热壁的总传热量就会大大提高这个部分就称为热桥或冷桥例如箱体的钢骨架部分当构成热桥的金属物体穿过隔热壁时这种热桥则称为穿透热桥在出现热桥而形成热流短路的情况下其温度分布是三维空间或二维平面问题不能按一维稳态温度场来研究从数学的观点来看温度场和电场一样都可以用拉普拉斯方程式来描述如在平面热流中热流和等温线构成垂直的网这时拉普拉斯方程式可以写成式中  t温度xy垂直平面坐标基于对拉普拉斯方程式的研究对热桥引起的热流短路可用以热电相似的实验方法为依据的圆热流法进行计算圆热流法计算是基于下列假设1嵌在已型钢槽钢等翼板内部的隔热材料的热阻不计2所有与外层钢板相连的金属其温度与钢板温度相同但小金属零件的导热性不予考虑3热流偏斜后所通过的路径是圆弧4不同材料间相互密接以上假定都可以造成误差但由于其中一些假定造成的误差偏于增加热阻而另一些则偏于减少热阻因此综合实验结果大致相符计算时将结构分成若干区域单独研究各区域的传热情况图32为一典型结构用圆热流法的计算简图在计算之前先引入KF值的概念所谓KF值即指两侧面的温差为1℃时通过F平方米面积上的热量用来表示即并设隔热材料的导热系数为钢材的导热系数为第Ⅰ区宽度为已型钢的宽度b按假设1则这一区可按公式23b来计算其KF值用来表示如取隔热壁的长度垂直于截面的长度为一米则第Ⅰ区的面积Fb×1m2因此第Ⅱ区按假设1则热流从已型钢的边缘向右沿圆弧方向通过材料到达AA线上再垂直于AA线而直线流动在这种情况下热流大小是在变化的且从左到右逐渐减小假定这一区的热流是限制在本区右边的终点以内且热流流过的路线至r的范围内流动是根据从隔热壁面传出的热流的热阻和从已型钢边缘沿圆弧线传出的热流的热阻相等的条件来确定的即故           r2热流在隔热材料中按圆弧通过时其热阻随半径r的变化而变化即3热阻在AA线热流通过钢制内包板的热阻是固定的即此区间的KF值用表示积分后得     第Ⅲ区热流平行向下流动按式23c其KF值用来表示为本区宽度第Ⅳ区热流沿左向钢梁流动和第Ⅱ区同样的分析其KF值用表示得第Ⅴ区热流从已型钢向左沿圆弧方向经过钢梁和隔热材料到达AA线再垂直于AA线在隔热材料中流动这一区的区间从c到g其KF值用来表示如图33取一微圆热流其厚度为dr则BD穿过刚梁而AB穿过隔热材料显然可以找到如下关系代入得    展开为级数得分别取前两项和前一项代入得第Ⅵ区只有当g＜时才存在这时热流是从已型钢而不是从外钢板传来的由于-g的值很小故可用一平均的圆弧半径长度并按式 23b求得KF值其KF值用来表示在面积为S×1m2的整个区间里其KF值用来表示则因此在这个区间里         34a其导热热阻为               34b323隔热壁边界的传热热流从隔热壁一侧的空气中传到另一侧空气中的时候空气和壁面间的传热是非常重要的其传热主要以对流和辐射的方式进行一空气与壁面间的对流换热从本质上看对流换热的能量转移既有流体流动的作用也有流体分子间的导热作用因此对流换热的强弱将与这两种作用的强弱密切相关它受到流体流动的速度流体的物理性质及换热表面的几何尺寸形状位置等因素的影响情况非常复杂通常以牛顿公式为基础进行实际计算即35a或                   35b式中 t和壁面接触的空气温度t1壁表面温度F壁表面面积对流放热系数由于影响对流换热的因素很多因此式35并未提供根本的简化只不过是把换热过程的一切复杂性和计算上的困难都转移并集中到放热系数这样一个量上罢了箱体隔热壁外表面与外界空气发生对流换热常采用下式计算放热系数即36式中 靠近外表面处的空气流动速度它取决于箱体运行速度和风速mse自然对数的底数箱体隔热壁内表面与车内空气发生对流换热时放热系数用37式计算当℃时   37a当℃时          37b式中  t2隔热壁内表面温度℃tB箱内空气温度℃b与箱内空气流动和温差有关的系数在自然循环时b267326当箱内空气被强迫循环时内表面的对流放热系数aKB急剧增加此时可按36式来计算但是必须说明虽然式3637看来很简单确只有在所设计的过程进行情况完全跟导出各简单公式所依据的实验情况相符合时才能使用这些公式只考虑了过程进行的某几个主要因素例如温差速度而对实际影响过程的其它因素则忽略了因此虽然使用方便但应用范围和条件受到一定的限制二周围物体和壁面间的辐射换热如箱壁表面温度为T1单位时间内单位面积上的辐射能可用斯蒂芬-波尔兹曼定律得到                    38a式中 箱壁表面的黑度绝对光亮表面0无光泽的黑色表面1斯蒂芬-波尔兹曼常数等于568×10-8Wm2K4同时箱

　　体周围的物体温度近似为空气温度T2也要放出一定的辐射能那么箱壁表面所得到的辐射热或热损失为式中A1A2分别为箱壁表面和周围物体的吸收率因物体的吸收率等于其黑度故当量黑度或者表示为如下形式             39式中辐射放热系数Wm2K箱体表面温度与周围物体温度之差℃在利用式39计算换热量时常采用下列简化公式计算隔热壁外表面或内表面的辐射换热系数310式中 Tm箱壁表面的温度和周围物体的绝对温度的平均值K用式39表示辐射换热的热交换情况就可以很方便的把边界的对流换热和辐射换热合并考虑即所谓复合换热其热流量为311a式中  t和壁面接触的空气温度℃t1壁表面温度℃总放热系数Wm2K  311b从而使计算大大简化但是在使用式311a时并未考虑太阳的辐射324箱体隔热壁的传热系数设隔热壁两侧空气的温度分别为tH和tB且tHtB由已知的隔热结构就可根据式34b求得RD并根据式3637和式310求得两侧壁面的放热系数因为在稳定条件下每小时通过具有面积Fm2的隔热壁所传递的热量是相同的所以根据式33c311a可以得到如下关系式式中 t1t2分别为隔热壁两侧壁面的温度消去t1t2得  312a则312b其中 分别称为外表面和内表面的放热热阻式中的KR即为所求隔热壁的传热系数和传热热阻同时还可以很方便地得到壁内任意层的温度313式中 第n层外表面的温度各层温度由箱外向箱内计算从外表面至n-1层的导热热阻之和在设计集装箱隔热壁及计算通过隔热壁的热量传递时传热系数K是表示箱体隔热壁热工性能的一个非常重要的参数一般是先求出侧壁端壁箱顶等部分的传热系数再根据其计算部分面积求出箱体的总的平均传热系数即314在计算各部分的面积时采用各部分面积的几何平均值即m2     315式中  分别为外表面积和内表面积m233太阳辐射换热计算当太阳辐射能以电磁波的形式传到隔热壁外表面时由于隔热结构不透明因此一部分被反射另一部分被吸收隔热壁表面对太阳辐射能的吸收能力用吸收系数来表示材料表面粗糙度越大吸收系数越大表面颜色越深吸收系数亦越大表31列出了集装箱隔热壁外表面常用材料的太阳辐射吸收系数表31                  吸收系数 材料名称 吸收系数 运用前 长期运用后 银漆 042 090 抛光铝板 026   镀锌铁板 076 089 抛光铁板 045 074 磁漆和油漆 白色和淡黄色 026045 090 深绿和深红色 081090 097 黑色 098 098        隔热壁外表面吸收了一定的太阳辐射能后会使自身的壁面温度提高因而引起箱内外温差增大夏季并使传入箱内的热负荷增加为了便于研究夏季太阳热辐射对集装箱隔热壁的热作用可以把外表面所吸收的那部分太阳辐射能用相当的温度形式来表达因此由于太阳辐射对隔热壁的热作用在隔热壁外表面与大气间的传热量可以分为两部分1夏季隔热壁外表面以对流换热的形式与外界空气交换的热量316式中 t1隔热壁外表面温度2表面从太阳辐射中所吸收的热量317式中 J外表面的总辐射强度外表面的吸收系数见表31因此隔热壁外表面所得到的总热量上式具有温度的单位可以看成是与太阳辐射作用等效的温度数值称为太阳辐射的当量温度          318而值就综合反映了箱外温度和太阳辐射对隔热壁外表面所起的双重热作用它可以作为箱外温度一样来研究称为综合箱外温度或称总箱外温度表示为319故式318可以改写成     320所以传入箱内的热量321通常按某一朝向运行的集装箱其隔热壁的六个面一般只有箱顶和一个侧面承受太阳的照射显然在隔热壁传热的热工计算中阴面和阳面水平的太阳照射面和垂直的太阳照射面所取的总和是不同的34冷藏集装箱最适宜的箱体传热系数的确定方法冷藏集装箱在确定其最适宜的箱体总传热系数时应该考虑到箱体制造和运营时的成本同时还要考虑箱体内部的有效容积与箱体以及动力设备制冷设备的重量之间最有利的比例关系箱体重量制冷与动力设备的重量都是附加在货物之外的重量这就要求尽量减少箱体制冷设备的重量以增加有效载重量尤其是装载容积显然如果选用较小的K值则制冷动力设备的重量可以较小而箱体隔热壁的厚度要相应增加箱体重量就增大更主要的是箱体有效容积将减小反之如果选用较大的K值虽然箱内有效容积增加了但制冷动力设备的重量也增加了冷藏集装箱的有效装载容积是一个很重要的指标我们选择冷藏集装箱的最佳的传热系数就是应该在有效装载容积最大的条件下使箱体制冷和动力设备的重量在货运吨-公里中占的比重最小如果用系数a表示箱体结构包括隔热材料的容积与箱内有效装载容积之比系数b表示动力和制冷设备的重量与箱体结构重量包括隔热材料之比十分明显K值增大则系数a减小而系数b增大反之K值减小则系数a增大而系数b减小按照箱体结构的状况和动力制冷设备等资料就可以得到各种不同的K值下的ab值并可用作图法作出如图34所示的af1K和bf2K的两条曲线以及ab的新曲线显然ab曲线上的最小值及表示箱内有效装载容积最大时而制冷动力设备的重量又最小时的传热系数K值亦即箱体最适宜的传热系数值35隔热壁的非稳态传热前面讨论了在稳态条件下隔热壁的传热过程而实际所遇到的问题都是属于非稳态条件下的传热问题即温度场是随时间而变化的例如在箱内持续加热时隔热壁的传热过程由于箱外温度和太阳辐射的周期性变化而引起的传热过程等我们以内部加热法为例讨论非稳态传热的特点假设在加热前壁内温度场是稳定的箱内空气温度为箱外空气温度为壁内表面温度为壁外表面温度为当开始加热时箱内空气温度即开始升高由于空气的对流作用将较快的由上升到并保持稳定由于空气温度的升高传给内表面的热量将相应的增加隔热壁内的温度跟着发生变化首先是升高接着ab各层间温度tatb等也逐渐升高最后也开始升高这种温度变化一直到建立起新的稳定状态中的的温度分布时才停止在温度变化过程中t1首先变化随后tatb相继发生变化到时刻t2也开始变化由于温度场的变化也引起了热流量的变化假设箱内空气传给内壁面的热流量用q1表示壁外表面传给箱外空气的热流量用q2表示在温度场变化时q1q2以及通过各层的热量qcqb都是变化的且各不相等在未加热时显然开始加热后由于很快上升到而t1的升高要滞后些温差很快增大故q1急剧提高之后因的升高q1又逐渐减小在时刻之前尚未开始变化故q2仍保持到时刻之后开始升高q2也逐渐提高直到建立起新的稳定状态时q1和q2又重新相等并等于新的稳定状态下的热流量热流量随时间变化的情况根据能量守恒定律在不稳定传热过程中q1和q2的差值就是壁体本身温度升高所积蓄的热量这部分热量增加了物体即壁的焓值由此可见不稳定传热过程必然伴随着物体的加热或冷却过程即物体的焓的变化过程因为焓的变化速度和材料导热能力即导热系数

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