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液氮充注气调厢开门时 O 2 体积分数预测
来源:一起赢论文网     日期:2015-01-19     浏览数:1476     【 字体:

 摘要 为掌握液氮充注气调厢开门时厢内 O 2 体积分数的变化规律,在分析热压作用下气调厢开门渗风特性的基础上,建立了 O 2体积分数预测模型,并进行了试验验证。研究结果表明:气调厢开门期间,开门时间越短则气调厢内外空气交界面的平均温度上升越快;在气调厢内相对湿度为 90%~95%情况下,气调厢内外空气交界面的相对湿度在开门后 60 s 内即迅速上升至 100%,并且开门期间平均相对湿度均在 97%以上;开门时气调厢内 O 2 体积分数上升速度随着开门时间的延长而逐渐降低,通过对比计算数据和试验数据发现气调厢内 O 2 体积分数试验值和理论值存在一定误差,开门时间为 3 min 以上时,相对误差均在 10%以内。

关键词 冷藏运输;气调厢;开门;氧气体积分数;预测模型

引言

气调厢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] 。在气调厢开门过程中,在气调厢内外热压差的作用下厢内外发生气体交换,直接导致厢内 O 2 体积分数逐渐上升,从而进一步导致气调成本的增加。目前,国内外有关保鲜装备开门渗风对温度的影响研究较多,文献[3-4]对冷藏车开门时车厢内温度和相对湿度的变化进行了试验研究;文献[5]对冷藏车开门状态下温度变化的影响因素进行了理论分析和试验验证;文献[6-7]对冷库开关门过程中空气流动和温度场的变化进行了数值模拟;文献[8]对冷藏车开门时传热传质过程和温湿度的变化进行了理论分析和试验;文献[9-10]对冷库开门时内外空气交换气流速度进行了数值分析与试验验证。然而,有关气调厢开门渗风对厢内 O 2 体积分数的影响研究较少。为此,本文在研究气调厢开门渗风特性的基础上,建立气调厢 O 2 体积分数的变化模型并进行试验验证,为预测气调运输液氮匹配量和气调厢内安全作业的O 2 体积分数提供理论参考。

1 模型构建

在气调厢开门时,厢外常温空气通过厢门进入厢内部,同时厢内的低温低氧空气通过厢门流出。首先对气调厢开门时的渗风量进行研究,然后建立气调厢O 2 体积分数的变化模型。此外,建模之前还需要做以下假设:经过长时间运输后气调厢内温度、相对湿度和 O 2 体积分数均处于稳定、均匀状态;气调厢外环境为自然环境,温度、相对湿度和 O 2 体积分数均处于稳定、均匀状态;忽略开门速度、外界环境风速等随机因素对开门渗风量的影响;忽略开门期间外界环境通过气调厢围护栏传热引起的厢内温度波动。

1.1 气调厢开门渗风量

气调厢开门时,厢内外空气传热传质过程是空气在热压差作用下通过单开口进行的,可以参考建筑物渗风的研究方法。气调厢内外温差导致厢门内外两侧存在一定的热压差,在不考虑厢外界风压影响时,在厢门高度的 1/2 处存在一中和面 [5,11] ,在中和面以上,厢外热空气流入厢内,在中和面以下,厢内冷空气流出厢体,并且相对中和面距离越远压差越大,空气流速越大。以车门内壁竖直方向为 x 轴,以厢底部水平方向为 y 轴建立平面坐标系, 则热压分布示意图如图 1所示。中和面h mx 横截面h xp mp n p w 1 热压分布示意图Fig.1 Schematic diagram of the heat distribution如图所示,假设车门高度 H/2 处的中和面的压力为 p m ,则气调厢内外 x 横断面压力分别为 [5]) (m x n m nh h g p p     1) (m x w m wh h g p p     2)式中,p n p w ——x 横断面气调厢内压力、x 横断面气调厢外压力,PaHh m h x ——车门高度、中和面高度、x横断面高度,mg 为重力加速度,m/s 2 。因此,x 横断面气调厢内外压差为w n xp p p   )] ( [ ) (m x w m m x n mh h g p h h g p        ) ( ) (m x w nh h g      3)湿空气的密度与温度、相对湿度的关系式为 [12]00) 273 () 378 . 0 ( 273p tp pb  4)式中,ρ——湿空气密度,kg/m 3 ;ρ 0 ——标准状态下干空气的密度,1.293kg/m 3 t——温度,℃;p——大气绝对压力,kPap 0 ——标准大气压,101.3 kPa ——湿空气相对湿度,%p b ——饱和水蒸气压力(可以通过查询饱和水蒸气压力表获取) kPa。此外,由于气调厢内外温差一般较大,在气调厢开门时,厢外高温空气和厢内低温空气发生热传递,气调厢门内侧的温度和相对湿度均会上升。一般,果蔬保鲜要求相对湿度范围相对较高 85%~95% 具有加湿功能的气调厢内相对湿度水平较高,开门时气调厢靠近门内侧的空气相对湿度迅速上升至 100% 为方便计算,做以下假设:气调厢外的环境温度和相对湿度保持不变,气调厢靠近门内侧的空气温度随着开门时间的增加而不断上升,靠近门内侧的相对湿度在开门后迅速升至 100%。因此,气调厢靠近门内侧的湿空气密度变化可表示为00)) ( 273 () 378 . 0 ( 273) (p tp pb   5)式中,τ——开门时间,st(τ)——气调厢靠近门内侧的空气温度随开门时间变化的函数。对于 t(τ),可以通过对试验数据进行拟合而得到表达式。因此,x 横断面气调厢内外压差可以表示为:) ( ) ) ( (m x w xh h g p        6)在建立厢内外压差表达式后,可以建立空气流速与空气压差的关系式 [13]22vp x  7)式中,ρ——湿空气密度,该式中湿空气密度取 ρ w ρ(τ)的平均值;ξ——门洞阻力系数,取 2.59 [14] V——x 横截面上 y 方向的空气速度,m/s。联立式(6~7 ,整理得  ) ( ) ) ( ( 2m x wh h g   8)因此,气调厢开门时外界环境空气进入气调厢的渗风量为dhh h gW qHhm x wm    ) ( ) ) ( ( 29)式中,q——气调厢开门进气流量,m 3 /sW——开门宽度,m1.2 O 2 体积分数变化模型为获得 O 2 体积分数随时间的变化规律,对气调厢渗风过程进行以下假设 [15-16] :①τ(s)时刻气调厢内 O 2 体积分数为 x (%) dτ(s)时间内 O 2 体积分数变化量为 dx (%),初始时刻 O 2 体积分数为 x 0  (%);②外界空气的渗风量为 q (m 3 /s)O 2 体积分数为20.9% 并假设渗入的空气迅速与气调厢内的空气均匀混合。在 dτ(s)时间内,气调厢排出的气体量等于进气量,均为 qdτ(m 3 );③进入气调厢的 O 2 体积量为 qdτ×20.9%,排出气体中 O 2 体积量为 xqdτ,两者之差等于气调厢内 O 2 体积增加量。根据假设,O 2 体积分数随时间变化的计算公式为dx V xqd qdS    209 . 0 10)对式(10)积分,整理得SV b x q ) ln ) 209 . 0 (ln(      11)其中, b——待定常数,当 τ=0 时,O 2 体积分数为 x 0 (%),则 lnb=-ln(0.209-x 0 )。对式(11)整理得到 O 2 体积分数变化模型sVqe x x   ) 209 . 0 ( 209 . 0012)式中,V S ——气调厢需要气调部分的容积,m 3

2 模型验证

2.1 试验设备与方法

2.1.1 试验设备试验平台为液氮充注气调保鲜试验平台,结构如图 2 所示。试验平台箱体外尺寸(长×宽×高)为 1600mm×1100 mm×1500 mm,侧开门结构,门尺寸(宽×高)为 640 mm×980 mm。试验平台控制器根据传感器系统采集的厢体环境信息控制制冷系统、加湿系统和气调系统的开启与关闭,调节运输厢体内的温度、相对湿度和 O 2 体积分数在所需要的范围内 [17-20] 。其中,控制器为可编程控制器(SIMENS S7-300 PLC,西门子中国有限公司) 。传感器系统包括温度传感器(范围-20~80℃, 精度±0.3℃, 广州西博臣科技有限公司) 、相对湿度传感器(范围 0~100%,精度±3%,广州西博臣科技有限公司) O 2 体积分数传感器(范围 0~23%,精度±3%,深圳市旺晟达科技有限公司) 。执行机构包括制冷机组(2 匹,广州市绰盈制冷设备有限公司) 、加湿机(加湿量 72 g/h,广州市绰盈制冷设备有限公司) 、液氮罐(YDZ-175 型,北京君方科仪科技发展有限公司) 、换气阀(jl-15 DN32CR03 型,天津市君灵电子有限公司)

2.1.2 试验方法在厢体内装载空的瓦楞纸箱尺寸(长×宽×高)为320 mm×150 mm×260 mm,瓦楞纸箱堆距离厢体前、后壁面约为 6 cm,距离左、右壁面约为 11 cm。在门框范围内外空气交界面的上、中、下位置分别布置一个温湿度传感器 AQ3020 型, 广州奥松电子有限公司)用以记录开门后门框范围内外空气交界面的温度和相对湿度,在厢体前、中、后位置分别布置一个 O 2 体积分数传感器用以记录开门后厢体内 O 2 体积分数。具体的试验条件参数如表 1 所示。调节试验厢体内环境稳定在所需试验条件范围后关闭控制系统,完全打开厢门并同时开启数据记录仪(VX8140R,杭州盘古自动化系统有限公司)开始试验。对于该研究中的试验平台,试验平台厢体尺寸较小,当开门时间为 6 min 时,车厢内的 O 2 体积分数已经接近大气环境中的 O 2 体积分数,因此,本试验开门时间最长选取 6 min,并且温湿度传感器和O 2 体积分数传感器的数据采集时间间隔均为 10 s。表 1 试验条件参数Table1 Parameters of experiment conditions试验条件  参数范围环境温度/  2.0±1(厢内) 30.0±1(厢外)环境相对湿度/%  90.0±3(厢内) 65.0±5(厢外)O 2 体积分数/%  2.0±1(厢内) 20.9(厢外)开门时间/min  1234562.1.3 数据处理方法将门框范围内外空气交界面的上、中、下 3 个位置的温度平均值作为交界面的温度值,然后将对应开门时间内的交界面温度值取平均作为该次开门试验的平均温度。 6 次开门试验的平均温度进行曲线拟合,得到厢门框范围内外空气交界面的平均温度随开门时间的变化方程式。将开门时间代入平均温度随开门时间变化的函数中求得对应开门时间气调厢靠近门内侧空气的平均温度,将空气平均温度代入式(5)求得对应开门时间气调厢靠近门内侧湿空气的密度,然后将湿空气密度代入式(9)求得对应开门时间内的理论渗风量,最后将理论渗风量代入式(12)求得 O 2 体积分数理论值。取厢体内前、中、后位置的 O 2 体积分数平均值为厢体内 O 2 体积分数试验值,将 O 2 体积分数试验值与理论值进行对比,相对误差为理论值与试验值的差值绝对值占理论值的百分比。

2.2 试验结果与分析

2.2.1 温度和相对湿度变化气调厢内外空气交界面的平均温度和平均相对湿度随开门时间的变化如图 3 所示。平均温度随着开门时间的增加而增加,并且开门时间越短则对应时间内平均温度上升越快,对应 τ 开门时间内气调厢内外空气 T f(τ)=-0.40(τ/60) 2 +5.41(τ/60)-1.55 (R 2 =0.99) 每次开门期间相对湿度在开门后 60s 内即迅速上升至 100%6 次开门试验每次开门期间气调厢内外空气交界面的平均相对湿度均在 97%以上,在计算中相对湿度可取100%2.06.010.014.018.060 120 180 240 300 360开门时间/s 2.2.2 O 2 体积分数理论值与试验值对比不同开门时间气调厢内 O2 体积分数的理论值与试验值如表 2 所示。由表 2 可以看出:(1)开门期间,气调厢内的 O 2 体积分数逐渐上升,开门时间越长,气调厢内的 O 2 体积分数上升幅度越大, 并且上升速度随着开门时间的延长而逐渐降低,这主要是由气调厢内外温差越来越小而导致的。(2O 2 体积分数试验值和理论值存在一定的误差,O 2 体积分数理论值大于试验值。在开门时间为 1min2 min 3 min 时,O 2 体积分数试验值和理论值的误差较大,相对误差均大于 10%,导致这一现象的主要原因为:较短时间的开门过程中进入厢体的空气未与厢体内的空气进行完全混合就流出了厢体。而开门时间为 3 min 以上时,相对误差均在 10%以内。表 2 O 2 体积分数的试验值与理论值Table2 Experimental and theoretical value of oxygen volumefraction开门时间/min  试验值/%  理论值/%  相对误差/%1  17.2  20.7  16.772  18.1  20.9  13.373  18.7  20.9  10.524  18.9  20.9  9.57

3.结论

1)液氮充注气调厢开门期间,开门时间越短则气调厢内外空气交界面的平均温度上升越快;在厢体内相对湿度为 90%~95%情况下, 气调厢内外空气交界面的相对湿度在每次开门后 60 s 内即迅速上升至100%,并且每次开门期间气调厢内外空气交界面的平均相对湿度均在 97%以上;开门时间越长则厢体内 O 2体积分数上升幅度越大,并且上升速度随着开门时间的延长而逐渐降低。(2)液氮充注气调厢开门时气调厢 O 2 体积分数试验值和理论值存在一定的误差,在 6 min 的试验中,相对误差均在 17%以内,并且开门时间越长相对误差越小,该模型可为预测液氮充注气调运输液氮匹配量和气调厢内安全作业 O 2 体积分数提供参考。因此,通过所建立的液氮充注气调厢开门时 O 2 体积分数预测模型,可用以预测液氮充注气调运输的液氮匹配量,避免运输过程中液氮装载不足或过多。此外,通过模型还可以预测开门后气调厢内安全作业的O 2 体积分数,避免作业中出现人员缺氧窒息。

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