二手集装箱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臵，是‚冷藏链‛重要的一环，是最灵活和最有发展 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: 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 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， 本约为60%，澳大利亚约为90%。12 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: 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 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 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 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。 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: 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。 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。 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。 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51000—52000 台，突破1998 年的记录，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11 1995—1999 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 42006500 7400 11350 美国2000 6200 6500 3500 3080 墨西哥6200 6000 6300 10500 2500 20004500 5000 10500 其它800 1600 1500 2700 3500 2000 合计 89000 94000 91000 79000 81000 125000 注:?上述数字包括保温箱的生产能力; ?产能为多班生产的能力。 近年来，冷藏箱年均购臵量基本上控制在25000 TEU13000 台。以Maersk- Sealand 和APL 为首的各大船公司对冷藏箱购臵量将达到70000 TEU。 1990—1999 年全球冷藏箱的类型分布及数量 表12 单位:TEU 年份 20 40标高箱 40HC 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 12 500 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67500 TEU 箱，与10%的总量增加相 适应。 1990—1999 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 冷藏箱的 冷藏箱的设 冷藏箱总 产量 增加量 备更新量 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45000 TEU而韩国为18000 台约合33000 TEU。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35%。 1997—1999 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 30002000 1500 5000 中国上海 Cartisle 2000 6200 6500 42006500 烟台月友1800 1000 5000中国烟台 长荣 20004500 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 2010 年全国易管在制定技术政策时，都明确提出要‚加速发展冷藏集装箱‛， 2001—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 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。 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，冷藏集装箱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 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 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 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15,000 TEU。TLC 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、 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，青岛二手集装箱冷藏集装箱冷藏集装箱—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。 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heat bridge,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13~12 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t=1mm~2mm、不锈钢薄板t=08mm~12mm;内侧板一般采用 不锈钢板t=06mm~08mm、铝板阳极氧化处理t=08mm~2mm，或玻璃钢板 t=15mm~2mm;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，并考虑设臵双层密封胶条。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kgm 45~50 吸水性 02~03耐寒性 -150~-190耐热性 长期工作 100~120短期工作 130~140导热系数 4186kJhm 02~04224h 常温浸泡吸水性 Gcm 01 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ABS、PVC 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0019~0030kcalmh?，基本与硬质聚氨脂 0016~002 kcalmh?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。 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 类冷藏箱的类型 最大漏热率 设计温度 1C1A 1AAA 1CC1AA 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 51 289 +16 253 -20 255 -18 311 +38 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 2集装箱的最大漏热率U 按传热系数K=04mk换算而成。 max 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: 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，可以配臵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reefer unit具有如下特点。 制冷量一般为3000~5000w。 由电力拖动，能适应200V和400V 电压，以及50Hz 和60Hz 周波的电源。 用R22、R134a或R404A 等非CFC 冷剂，已经使用R12 作为冷剂的现有机组 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-40~+50?环境温度下正常工 冷藏集装箱制冷机组工作原理如图21所示。 液流电热交换膨胀阀磁阀器 热流旁 蒸发器过滤器 水冷器冷凝器制冷 压缩机 图21 制冷工作原理 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 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。 温度信号传感器转换AD 冷输入80c31 藏操输出温度信号微集作接口传感器转 接功率驱电平制冷机组触动转换和加热器器电源和电源监示面板显示打印机接口 图22 控制系统结构 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2815m，热容量大，其温度控 制器硬件配臵存在着以下特点: 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。 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， 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，又配臵了电源监视器。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。 温度范围-17 回风温度1706112228 设-28 点OFFT3ONOFFT4ONOFFT1ON OFFT2 -70-3 设定温度 ONT5 ONT6 0-6-3 供风温度 ONT0OFF 图23 微处理器控制动作图 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T~T 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 07 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: T——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。 T，T——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14 号指示。 T——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 的控制逻辑。T——决定在某种设定温度下制冷机组的加热控制。 T，T——由设定温度决定，完成特定的工况。56 T——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。 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。 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:在较重要的部门设臵传感器，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臵，以确保故障的及时发现和检修。 系统控制流程如图24 所示。 初始化显示参数采样判定温度范围 存贮给定值判定温度变化方向N送风或回风 按下,N回风键,判定温度换差 温度值保存 取控制代码显示单元N融霜时间是 否4h,N 供风键控制代码-PA 口,启动融霜 显示单元 图24 系统控制流程图 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 用随地理位臵、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: 2K,07wm,K1普通隔热或06kcal?h?; 2K,04wm,K2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: 3-1aQ,KFt,tHB, 3-1bQ,t,tHBR, ——隔热壁一侧的空气温度，例如夏季为箱外空气的温度;tH ——隔热壁另一侧的空气温度，例如夏季为箱内空气的温度; tB 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。 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R, 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R,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 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3—1a计算出通过隔热壁的热量Q。 322 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: ——材料的导热系数;,t——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3—2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 ,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 3-80~+75?。聚氨脂泡沫塑料的密度为45~65kgm，导热系数为0026~0028WmK，其使用的温度范围为-60~+120?。 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 t1t2 t3t4 d1d2d3图31 多层平壁的导热 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t,t，在稳态条件下，通过多层平壁的热流量为常量: 1n+1 t,t1n，1q, 3—3a n,i,,ii,1 t,t1n，1Q,q,F,,F 则传递的热量为 3—3b n,i,,ii,1 于是，式3—3b可以写成3—3c Q,,Ft,t1n，1R, 层平壁两个侧面温度。1n+1 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: 22,t,t ，,022,x,y t——温度;x、y——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。 ?c?b2hx2hx-gs-4hx-bg-c图32 圆热流法计算简图 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QQ,KF,t,1,t,1 数为，钢材的导热系数为。 ,,gem 第?区:宽度为已型钢的宽度b，按假设1，则这一区可按公式2—3b来计算，其 ,KF 值用来表示: ,bFQ,,,,1tnia,，i,,,gem,i,1i 第?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A—A 上，再垂直于A—A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——圆弧，其半径为r，则 2h2h1 热流是在r=0 至r=的范围内流动。是根据从隔热壁面传出的热流的热 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,2rh, 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 ,2,geiR,3 线以下的热阻是不变的，即,,ge 此区间的KF值用Q表示。 2h2dr,Q,,,t,10ai1,，，,r2,,,mgege hia，，,,gem22 积分后得: Q,,ln,,tge1ia,，,,gem 第?区:热流平行向下流动，按式2—3c，其KF值用来表示: 4,，sbh,3Q,,,t1hia，，,,gem 224 为本区宽度。 第?区:热流沿左向钢梁流动，和第?区同样的分析。其KF值用表示，得 ,，，aic,a4m22Q,dr,,ln,,,1tm0,，ai,，，air2 第?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A—A 5QA—A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: g5dr::::Q,,,,t1ciaABBD，，，,,,,gemgem 图33第五区分析图 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: ::cAB,,,,arccos,,, BDarcsin,,,,,,,2rg5drQ,代入得 ,t1,,ccc,arccos,arcsinrriarr，，，,,,,gemgem cc 展开arccos,arcsin 为级数，得 rr cc1c,3 arccos,,,,,,,r2r1，2，3r cc1c3arcsin,，，,,, rr1，2，3r 分别取前两项和前一项代入得 ,gi,ca，c，，,,,,22gegegem5,Qln 1,t,,ci,ca，c,，，2,,,gegem 第?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。h,g122hh 由于-g 的值很小，故可用一平均的圆弧半径长度并按式 6—3b求得KF值，其KF 值用来表示: 22,,hghg,,6,,Q1,t,g,hh，g,，ai22ai,，，，，,,2,2,,,mgegemgege 在面积为S1m的整个区间里，其KF QQ,t,1,t,1K,,因此，在这个区间里3—4a ,FS SRR,其导热热阻为 3—4b 323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 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 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、位臵等因素的影响，情 况非常复杂。通常以牛顿公式为基础进行实际计算，即 3—5a 3—5bQ,a,t,t,FK1 t——和壁面接触的空气温度;t——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3—5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 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,KH 0656,191,2 e——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3—7式计算， ,KB 3—7aa,349，0093,tWm,KB2BKBH 0252 3—7b,t,5a,b,,tWm,KBKBB 内空气被强迫循环时，内表面的对流放热系数a急剧增加，此时可按3—6KB 式来计算。但是，必须说明，虽然式3—6、3—7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T，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:3—8a E,,,T111 ——箱壁表面的黑度绝对光亮表面=0，无光泽的黑色表面=1;,,,111 -824 ——斯蒂芬-波尔兹曼常数等于56810WmK; E,,,,,T222那么，箱壁表面所得到的辐射热或热损失为: 4444 q,EA,EA,,,,T,T,,,T,Trn1221121212 A，A——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， 12 A,,,A,,1122——当量黑度，。 ,,,,,,n12n 或者表示为如下形式 ——辐射放热系数WmK;ar ,t——箱体表面温度与周围物体温度之差?。 在利用式3—9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: T32m,,0233,Wm,K 3—10 rn100 用式3—9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: 3—11a q,,，,t,t,,t,tKr11 t——和壁面接触的空气温度?;t——壁表面温度?; 3—11b,,,,，,Kr 3—11a时，并未考虑太阳的辐射。 从而使计算大大简化。但是在使用式 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t 和t，且tt，由已知的隔热结构就可根据 HBHB 式3—4b求得R，并根据式3—63—7和式3—10求得两侧壁面的放热D 2,,系数、。因为在稳定条件下，每小时通过具有面积Fm的隔热壁所传递的热 量HB 是相同的，所以根据式3—3c、3—11a、可以得到如下关系式: Q,,,F,t,tHH1 t、t——分别为隔热壁两侧壁面的温度。12 消去t、t，得3—12a Q,,Ft,t12HB11，R，,,,HB 1113—12b K,,,11RRRRR，，，，,H,B,,HB 11 其中 分别称为外表面和内表面的放热热阻，式中的K，R 即为RR,、,HB,,HB 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: 3—13,,nHHRi,1 层外表面的温度，各层温度由箱外向箱内计算;tn R——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 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 KF,ii2,i1K,Wm,K3—14 F,i,i1在计算各部分的面积时，采用各部分面积的几何平均值，即 2F,F,F 3—15iiHiB 2F、F 分别为外表面积和内表面积m。iHiB 33 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 白色和淡黄色026~045 090 深绿和深红色081~090 097 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: 3—16Q,,Ft,t1HH1 3—17Q,,JF2 ——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 ,,,,,Q,Q，Q,t,tF，JF12HH1 阳辐射的当量温度，3—18 ,td,H 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，tH,H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 3—19,，ttcH,H 故式3—18可以改写成 3—20 Q,,Ft,tHc1 所以，传入箱内的热量 3—21Q,KFt,t,KFt,t，,,J,FcBHB,H 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