0 前　言

随着我国经济、军事的发展，对舰船的远洋能力和远洋保障能力要求越来越高。船员良好身体素质的保持是远洋保障能力中重要的一环，而足够的新鲜果蔬的食用是保持船员身体素质的关键因素之一。传统的冷藏技术对果蔬的保存期延长有限，一般不超过一周^{[1 –2]}，根本不能满足远洋航行的需要，而气调保鲜技术的出现，为解决这一问题提供了可能性。虽然气调保鲜技术对于不同果蔬的保存期并不一致，但对于新鲜果蔬来说，其保存期比普通冷藏保存要延长 2～3 倍^[3]。

气调保鲜技术在国外已经有数十年的研究历史，在我国也有了一定的研究基础^[4]，一些大中型气调库已在国内很多地方使用，主要用于果蔬的长周期保存，取得了很好的经济效益，技术也比较完善。但舰船用气调保鲜集装箱，由于体积小、使用环境复杂，虽然目前已有一些初步的试用和应用，但整体技术仍处于不断改进和完善当中。

气调保鲜主要通过提高氮气浓度，降低环境温度，完全脱除乙烯，控制 CO₂ 浓度和加湿环境来实现^[5]，其装置涉及到制氮、制冷、加湿、CO₂ 脱除、乙烯脱除和杀菌^[6]，设备比较多，结构比较复杂，合理的确定其结构和分配参数比较重要，而这些都需要在设计阶段完成。但是由于船舶用气调保鲜集装箱的一些特殊性，比如研发投入大、使用环境特殊等，使得对其的设计和研究近几年才开始，因此目前国内这一领域的研究资料不是很多。本文借鉴气调库和冷库的设计经验，依据一些气调设备的使用经验，建立了船舶用气调保鲜箱的通用设计方法，这一方法的特点是对制氮、制冷和加湿的工况进行细化，并对各工况的影响因素进行详细分析，进而确定计算方法。在文章的最后，运用这一方法完成了对 1 台气调保鲜集装箱的设计。这一工作对以后这一领域的研究具有一定的借鉴和指导意义。

1 船舶用气调保鲜集装箱概述 1.1 设备简介

船舶用气调保鲜集装箱一般根据船用集装箱尺寸或根据船舶上预留的空间设计，其空间资源很有限，但是相对于气调库而言，所用的设备都必不可少，因此设备众多，这不仅使得成本高昂，而且设备布置也比较困难。同时，由于空间小，贮藏量有限，所需设备能力有限，现有各厂家生产的设备是满足不了类似气调库那样连续工作的条件的，而间歇工作，因为工况复杂，又使得各设备参数匹配比较困难，尤其是制冷和加湿功能单元，相互影响很大。因此，在设计时，需细化考虑各种工况，不仅必须尽可能准确地计算需要的设备处理能力，以节省成本和空间，还需要做好参数的匹配工作，保证装置的保鲜功能。

船舶用气调保鲜集装箱主要由以下功能模块构成：制氮、制冷、乙烯脱除、CO₂ 脱除、臭氧杀菌、加湿、换气。制氮功能模块用于提高贮存环境中氮气的浓度和降低氧气的浓度，使用体积小、性能稳定的中空纤维膜制氮系统来实现^[7]。制冷功能模块用于降低贮存环境的温度，并维护这一低温环境。乙烯是果蔬的“催熟剂”，因此贮存环境中的乙烯必须尽可能脱除，乙烯脱除使用 4% 浓度 K₂MnO₄ 溶液涂覆的氧化铝小球。CO₂ 脱除要使脱除后的 CO₂ 浓度控制在一定范围，其含量过高或过低都不太好，通常使用碳吸附的方法。臭氧杀菌模块采用的是臭氧氧化的方法杀死贮存大气环境中和果蔬上的细菌及微生物。加湿使用的是超声波加湿器。气调箱运转后，需根据需求进去拿取果蔬，但由于里面是高氮低氧环境，不适合人类呼吸，如若贸然进入，轻则恶习呕吐，重则窒息而亡，因此必须有换气系统。这些设备中，加湿设备和臭氧杀菌设备需放于气调保鲜集装箱内，其他设备放在箱体外面。

船用气调集装箱体积小，空间难以分割成多个，因此尽量贮存贮藏条件比较接近的水果。目前，推荐的装置启动方式如下：

1）制氮和制氧系统同时运行，将温度和氧气浓度降到目标值；

2）加湿系统运行，使湿度达到目标值；

3）臭氧杀菌系统运行；

4）乙烯脱除系统运行。

装置启动后，根据温度和湿度监测结果决定是否运行制冷和加湿系统。由于许多果蔬对 CO₂、乙烯比较敏感，因此乙烯脱除和 CO₂ 脱除系统采用浓度监测和定时运行结合的方式，而臭氧杀菌系统采用定时运行的方式。制氮系统每次开箱换气后运行即可。

1.2 气调保鲜集装箱基本参数

设计基本参数和推荐的运行值如表 1 所示。同时，启动时，需确定温度、湿度和氧气浓度达到贮藏环境条件的时间。设备稳定运行后，制冷和加湿功能模块的间隔启动时间和运行时间也需在计算过程中确定下来。

2 气调保鲜集装箱设计计算 2.1 制氮功能模块计算

船用气调保鲜集装箱的充氮降氧主要发生在 2 种工况下：一是果蔬入箱后和气调保鲜箱换气后的充氮降氧。气调保鲜箱换气后氧气浓度为 20% 左右，和果蔬初入箱时差别不大，因此作为一个工况考虑。这个过程和制冷系统一起运行，不过，温度对气体成份的影响并不大，可只考虑充氮降氧过程；二是稳定运行工况下，氮气泄露引发的氮气浓度不足。由于采用焊接密封，密封效果比较好，且根据需要，装置大约 2～3 天就需要开箱一次，因此工况 2 可以忽略，只考虑工况 1。

氧气浓度逐步下降。将初始气调箱内的空气视为新鲜空气，其主要成分为：氮气 78%，氧气 21%，其他 1%（其中 CO₂ 为 0.03%）。制氮设备的产气量根据氧气浓度变化可按下式计算^[5]：

$Q = \frac{v}{\tau }\ln \frac{{{{C}}{{{O}}_2}^2 - {{C}}{{{O}}_2}^0}}{{{{C}}{{{O}}_2}^0 - {{C}}{{{O}}_2}^2}}{\text{。}}$

(1)

式中：V 为库内气体体积； $\tau $ 为达到目标工况需要的时间； ${{{C}}{{{O}}_2}^0}$ 为贮存环境要求的氧气浓度； ${{C}}{{{O}}_2}^1$ 为库内空气中的初始氧气浓度； ${{{C}}{{{O}}_2}^2}$ 为制氮机产品的氧气浓度；Q 为制氮设备的产气量。

2.2 制冷功能模块计算

制冷系统在开始设计之前，需确定船舶用气调保鲜集装箱的贮藏吨位和保温层厚度，才能开展制冷系统的设计计算。

装置的贮藏量可按下式计算^[8]：

$G = \frac{{\Sigma V \cdot \rho \cdot \gamma }}{{1 000}}{\text{，}}$

(2)

式中：ρ 为贮藏食品的密度；γ 为贮藏间的容积利用系数；G 为果蔬贮藏吨位。

大中型气调库和冷库在设计和计算时，会考虑货物流量，但船舶用气调集装箱由于本身体积小，且主要在海上使用，一般都是一次装满，很少中途进货。因此在后面的计算中不予考虑。

保温层厚度按下式计算^[9]：

$d = \lambda \left[ {{R_0} - \left( {\frac{1}{{{\alpha _w}}} + \sum\nolimits_{i = 1}^m {\frac{{{\delta _i}}}{{{\lambda _i}}}} + \frac{1}{{{\alpha _n}}}} \right)} \right]{\text{，}}$

(3)

式中：α_w 和α_n 均为箱壁内外表面的传热系数，W/（m²·℃）；R₀ 为箱壁总热阻，（m²·℃）/W；λ 为各层材料导热系数，W/（m·℃）； $\delta $ 为各层厚度，m；d 为保温层厚度，m。

装置的制冷系统需要考虑的耗冷量包括：1）箱壁散热；2）果蔬冷却热量；3）贮藏环境气体降温；4）果蔬呼吸热；5）箱内机械部件工作散发热量。制冷系统启动的工况，主要是果蔬初入气调保鲜集装箱、稳定运行一段时间后贮藏环境温度上升达到温控的上限值和换气系统工作后的制冷，分别为工况 1～工况 3。

果蔬初入气调保鲜集装箱，即工况 1 时，贮藏环境条件要达到指定条件，影响耗冷量的因素均要考虑。但因素 1、因素 2 和 因素 4 受温差的影响很大，而过程中温度不断变化，因此推荐取初始环境温度和贮藏环境温度的平均值。因素 3 中，由于和制氮系统同时工作，排出的气体中会带走部分热量。但由于通常制氮系统工作的时间相对于制冷系统来说比较短，且开始时温差并不大，因此不予考虑。

气调保鲜集装箱稳定运行一段时间后，即工况 2 时，由于受因素 1、因素 4 和 因素 5 影响，导致温度上升，需进行制冷。此时，各因素的计算按照贮藏环境条件取值。换气后，即工况 3 时，需对气体环境重新制冷，考虑因素 3 和 因素 5。此时，虽然果蔬温度也会变化，会影响因素 2，但由于时间短，果蔬和空气热交换量小，因此不予考虑。

综上所述，需考虑的耗冷量如表 2 所示。

气调保鲜集装箱箱壁的传热系数依据下式计算：

$K = \frac{1}{{\Sigma R}} = \frac{1}{{\frac{1}{{{\alpha _w}}} + \sum\nolimits_{i = 1}^m {\frac{{{\delta _i}}}{{{\lambda _i}}}} + \frac{1}{{{\alpha _n}}}}}{\text{，}}$

(4)

式中： ${\Sigma R}$ 为箱壁热阻，m²·℃/W；K 为箱壁传热系数，W/（m²·℃）。

箱壁散热引起的传热量依据下式计算：

${Q_1} = K \cdot A \cdot a \cdot \left( {{t_w} - {t_n}} \right){\text{，}}$

(5)

式中，A 为箱壁的传热面积，m²；a 为温差修正系数；t_w 为箱外温度；t_n 为箱内温度。

果蔬冷却热量计算公式为：

${Q_2} = \frac{{m\left( {{h_1} - {h_2}} \right)}}{{3.6t}}{\text{，}}$

(6)

式中：m 为果蔬贮存量，kg；h₁ 为果蔬初始比焓，kJ/kg；h₂ 为果蔬终止降温时比焓，kJ/kg；t 为降温时间。

换气时，耗冷量计算公式为：

${Q_3} = \frac{{\left( {{h_w} - {h_n}} \right)V{r_n}}}{{3.6}}{\text{，}}$

(7)

式中：h_w ，h_n 为室内外气体的焓值；r_n 为冷藏间空气密度。

果蔬的呼吸热依据下式计算：

${Q_4} = \frac{{m\left( {{\phi ^1} - {\phi ^2}} \right)}}{2}{\text{。}}$

(8)

式中： ${{\phi ^1}}$ 为初始温度时单位质量果蔬的呼吸热； ${{\phi ^2}}$ 为终止温度时单位质量果蔬的呼吸热；Q₄ 为进箱降温阶段的呼吸热。

气调集装箱内的电子仪表和机械设备，其散热值Q₅ 基本都可以从厂家或产品说明书上获得相关资料。

工况 1 和工况 3 设备选型时，可直接根据计算值。工况 2 时，需考虑时间因素。可依据下式确定。

${W_2} = \frac{{\left( {{Q_1} + {Q_4} + {Q_5}} \right) \cdot {n_{t1}}}}{{{n_{t2}}}}{\text{，}}$

(9)

式中：n_t1 为运行间隔时间，h；n_t2 为运行时间，h。

实际情况下，工况 3 的值远远小于工况 1。工况 2 确定的值最好为工况 1 的一半，这样既可以在工况 1 时尽快制冷，又可以满足船舶使用时一些设备一用一备的要求。

2.3 加湿功能模块计算

为实现果蔬的保鲜，防止果蔬水分蒸发，保持果蔬的含水量，气调保鲜箱内需为高湿环境。气调保鲜箱内的湿度损失，主要油空气流动引起。考虑到气调保鲜集装箱的工况，可能引起湿度下降的情况有：

1）制冷功能模块工作过程；2）换气功能模块工作过程；3）气调功能模块工作过程。

按此分别进行计算，取最大值即可。

制冷系统在工作时，气调保鲜箱内空气会和制冷剂换热，这会使一部分水冷凝出来。除湿量根据下式计算可得：

${W_{\rm{\text{冷}}}} = G\left( {{d_r} - {d_s}} \right)/1 000{\text{，}}$

(10)

式中：W_冷 为制冷过程的除湿量，kg/h；G 为循环气量，m³/h；d_r 为箱内换热器进口的含湿量，g/kg；d_s 为箱内换热器出口的含湿量，g/kg。

换气过程中，周围环境中的空气进入到气调箱内。此时，虽然周围空气的相对湿度较低，但是由于对应较高的温度，其含湿量要比贮藏环境大气中的含湿量高，比如，25℃ 时，即便相对湿度为 30%，含湿量仍有 5.9 g/kg，而 5℃ 时，即便相对湿度为 95%，含湿量仅有 5.1 g/kg，所以可以不考虑此过程的除湿量。

气调过程引起湿度下降的工况主要有：1）制氮充气过程；2）乙烯脱除过程；3）CO₂ 脱除过程。其中，乙烯脱除和 CO₂ 脱除中由于使用保温措施，温度的波动很小，且主要是升温，基本不会引起含湿量下降。而制氮充气过程中，由于中空纤维膜的使用要求，其产品气几乎不含水分，而又与舱内气体完全置换，故只有此过程需要加湿。在制氮充气过程中，不考虑中间过程，只考虑加湿到贮藏条件时需要的加湿量。

${W_{\rm{\text{气}}}} = G{d_n}/1 000{\text{，}}$

(11)

式中：W_冷 为气调过程的除湿量，kg/h；G 为循环气量，m³/h；d_n 为贮藏环境的含湿量，g/kg。

当贮藏条件稳定时，由于温度也被控制在很小范围内，故相对湿度变化不大。因此，设备选型时只需考虑二者的最大值即可。

2.4 乙烯脱除功能模块

采收之后的鲜果在贮藏期间会产生乙烯，乙烯能促进果，蔬呼吸、加快果蔬成熟，有催熟作用，通常果蔬对乙烯非常敏感，即使有微量乙烯存在，也会严重影响贮藏效果。因此，必须对库内的乙烯进行彻底脱除。果蔬的乙烯产量难以计算，因为果蔬的乙烯产量区别很大，即使同一种果蔬，采摘时节稍有差别，也会有很大区别，因此只能选脱除能力尽可能强的乙烯脱除设备。

乙烯脱除在果蔬保鲜领域常用的有臭氧氧化法和高锰酸钾氧化法，前一种可以附带杀菌效果，但并不能完全脱除乙烯，只能把它控制在一个范围内。由于气调保鲜箱体积狭小，这一方法并不适用，因此建议采用了高锰酸钾氧化法。目前市场上的乙烯脱除功能模块主要依据风量大小来选择设备。

2.5 CO₂ 脱除功能模块计算

贮藏环境气体中 CO₂ 气体含量高有抑制呼吸、延缓果胶物质分解和叶绿降解的作用，并能抑制微生物危害，但过高也会对果蔬造成其他生理危害。

CO₂ 脱除系统的能力应根据贮藏果蔬的呼吸强度、气调库内贮藏空间体积和贮藏量来确定，一般依据下式计算。

$M = \left[ {\frac{V}{\tau }\left( {{C_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}}^1 - {C_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}}^2} \right) + G \cdot C} \right] \cdot {n_{t3}}/{n_{t4}}{\text{，}}$

(12)

式中：M 为需要的 CO₂ 脱除能力，m³/h；C_CO2¹ 为脱除前的 CO₂ 含量；C_CO2² 为脱除后的 CO₂ 含量；G 为果蔬贮藏量；C 为每千克果蔬每小时排出的 CO₂ 量，m³/（h·kg）；n_t3 为脱除设备运行间隔时间，h；n_t4 为脱除设备运行间隔时间，h。

2.6 臭氧杀菌

臭氧是世界公认的高效杀菌剂，它能够迅速彻底的清除空气中、物体表面的细菌、病毒等有害物质，去除异味，达到净化空气、杀菌消毒保鲜的功效。

气调保鲜库在保鲜水果、蔬菜时，温度低、湿度大，很适宜多种霉菌生长，需定期消毒，否则储藏的食品就很容易霉烂变质，造成损失。目前，市场上的臭氧杀菌系统体积小，适用库容超过 30 m³，完全满足要求。

3 算例和结果

根据某单位要求，设计一果蔬气调集装箱，其提供的参数和设计前确定的主要参数如表 3 所示，计算结果如表 4 所示。

本文提供了一种通用的船舶用气调集装箱计算方法，充分考虑了气调保鲜集装箱体积小、设备多的特点，通过细分工况，解决了设计过程中参数分配的问题，并且使计算值最大程度接近真实值，保证了设计的准确性。最后的算例也表明，依照本方法可以很好地完成气调保鲜集装箱的设计计算，这一工作对以后的研究有一定的借鉴和指导意义。