冷鏈專用蓄冷盤設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

0冷鏈專用蓄冷盤的研制中國(guó)是世界上最大的食品生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，產(chǎn)量約占世界的1.4%。到2020年，跨境農(nóng)業(yè)線路已超過4000萬(wàn)噸。針對(duì)上述問題，蓄冷運(yùn)輸裝備利用相變材料（PhaseChangeMaterial,PCM）替代機(jī)械制冷裝置，合理利用電網(wǎng)資源（夜間充冷、白天運(yùn)輸放冷），具有運(yùn)用成本低，節(jié)能低碳等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越受到行業(yè)的青睞為此，本文將蓄冷技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)托盤相結(jié)合，研制冷鏈專用蓄冷托盤，以期達(dá)到按需蓄冷、靈活控溫、降低重心、節(jié)能降耗等多重目標(biāo)。為考察運(yùn)用效果，本文對(duì)其運(yùn)用模式和控溫效果展開分析，以期為蓄冷冷藏運(yùn)輸裝備拓展應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。1冷鏈特殊蓄水盤的設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式1.1盤改善生產(chǎn)成效食品冷鏈環(huán)節(jié)多，人工作業(yè)效率低、耗時(shí)長(zhǎng)且容易造成貨損。為此，國(guó)家自2014年起在物流領(lǐng)域大力推行托盤標(biāo)準(zhǔn)化行動(dòng)并取得了積極成效。分析表明，使用標(biāo)準(zhǔn)托盤可使車輛周轉(zhuǎn)率提高20%，裝卸效率提高21倍，貨損率降低45%蓄冷托盤依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)托盤要求進(jìn)行設(shè)計(jì)1.2影響運(yùn)輸過程的因素蓄冷托盤控溫運(yùn)輸過程中PCM的充注量與運(yùn)輸裝備內(nèi)外環(huán)境、裝載貨物的種類、質(zhì)量以及運(yùn)輸時(shí)間等因素有關(guān)。蓄冷劑充注量m式中m其中：式中F為車體外表面積，m式中V為滲風(fēng)量，m式中γ為車體被太陽(yáng)照射面積占總面積的百分比（一般取γ=50%),%;t式中m式中N為循環(huán)風(fēng)機(jī)功率，kW。1.3使用冷盤的必要性為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，加快實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型，中國(guó)提出“雙碳”目標(biāo)任務(wù)。在此背景下，深化電價(jià)改革，完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制肯定了利用“削峰填谷”政策進(jìn)行節(jié)能減排的發(fā)展方向。如圖2所示，蓄冷托盤作為一種冷鏈特種設(shè)備，可全程應(yīng)用于冷鏈各環(huán)節(jié)，其運(yùn)用模式與傳統(tǒng)蓄冷車也有所不同。1）蓄冷托盤的蓄冷盒與托盤采用分離式設(shè)計(jì)，在未儲(chǔ)運(yùn)食品時(shí)，可將蓄冷盒置于冷庫(kù)，利用夜間低谷電充分充冷。2）在冷庫(kù)儲(chǔ)藏時(shí)，可將蓄冷托盤和易腐食品共同放置并儲(chǔ)存，此時(shí)蓄冷托盤可對(duì)冷庫(kù)制冷系統(tǒng)起到削峰填谷的作用（降低冷庫(kù)峰值負(fù)荷，減少制冷機(jī)組裝機(jī)容量和初投資），同時(shí)托盤的分布式蓄冷對(duì)庫(kù)內(nèi)溫度的均勻性也有所幫助。3）在運(yùn)輸時(shí)（如冷鏈前端食品由田間地頭或加工廠運(yùn)往冷庫(kù)，冷鏈末端食品由冷庫(kù)運(yùn)往銷售點(diǎn)等），通過“保溫車+專用蓄冷托盤”的模式，將貨物規(guī)范裝載至托盤上，并根據(jù)所運(yùn)輸易腐食品的要求（運(yùn)輸溫度、運(yùn)輸時(shí)間），將一定數(shù)量的蓄冷盒放入托盤內(nèi)，之后由叉車插入保溫車內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸。4）在裝卸搬運(yùn)、末端銷售等接駁環(huán)節(jié)時(shí)，使用冷鏈專用蓄冷托盤亦可短時(shí)間維持易腐農(nóng)產(chǎn)品溫度，保障易腐農(nóng)產(chǎn)品在流通過程中不斷鏈。5）此外，由于該型托盤采用國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)間通用。供應(yīng)商可采用帶板冷藏運(yùn)輸方式將貨物運(yùn)輸至零售商，在返程時(shí)將蓄冷托盤帶回備用，在提高車輛周轉(zhuǎn)率和裝卸效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)冷鏈專用托盤在易腐農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈上下游企業(yè)間循環(huán)往復(fù)使用。在冷藏運(yùn)輸環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)蓄冷冷藏車較機(jī)械冷藏車雖具有能耗成本低的優(yōu)點(diǎn)，但因制冷機(jī)組和蓄冷條整體安放于車上，一方面需增加數(shù)百公斤蓄冷裝置，導(dǎo)致自重較大（藍(lán)牌貨車限重4.5t），另一方面需利用未裝貨的時(shí)間段停車接電蓄冷，車輛運(yùn)用不可避免地受到一定限制。蓄冷托盤在使用過程中，蓄冷劑的類別和數(shù)量均可根據(jù)需要進(jìn)行選擇，可大幅減輕自重，按需充冷、應(yīng)用也更加靈活；蓄冷托盤在應(yīng)用時(shí)，只需使用普通保溫車即可（無(wú)需車載制冷系統(tǒng)），在進(jìn)一步降低自重的同時(shí)應(yīng)用成本更加低廉；此外，由于托盤位于車廂底部，相較于傳統(tǒng)的頂置式蓄冷車重心更低，運(yùn)輸也更加安全。2用冷容量管理系統(tǒng)進(jìn)行性能試驗(yàn)2.1溫度絕對(duì)不均勻度及重心的計(jì)算蓄冷托盤能否滿足冷藏運(yùn)輸需求，關(guān)鍵取決于控溫時(shí)間的長(zhǎng)短以及車廂內(nèi)的溫度分布是否均勻。這既與PCM的充注量有關(guān)，也與廂內(nèi)氣流組織方式有關(guān)。為此，在參考現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上為了研究車廂內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性，引入溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)S。如式（7）所示，S表征了車廂內(nèi)某一時(shí)刻n個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度測(cè)量值與平均溫度的偏差程度，其值越大溫度場(chǎng)不均勻程度也越大。式中S此外，研究對(duì)裝載蓄冷托盤的保溫車重心也進(jìn)行計(jì)算，確定車輛的安全性能。冷藏車廂的重心直接影響到行車速度與安全。根據(jù)合力矩定理，可計(jì)算得到車廂整體重心高度，如式（8）所示。式中y2.2蒙皮、回風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)在真實(shí)的保溫運(yùn)輸車內(nèi)進(jìn)行，車廂內(nèi)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為5.00m×2.04m×2.00m；圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體采用高密度硬質(zhì)聚氨酯保溫板，導(dǎo)熱率0.026W/(m·K)，比熱容1.8kJ/(kg·K)，內(nèi)、外蒙皮采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，總體厚度為0.12m。在氣流組織方面，車廂采用端部上送下回送風(fēng)模式，通風(fēng)系統(tǒng)共設(shè)送風(fēng)口2個(gè)，位于車廂前壁上側(cè)兩端，采用直徑為0.25m的圓形結(jié)構(gòu)，距車頂和側(cè)壁的距離分別為0.05和0.10m；回風(fēng)口1個(gè)，位于車廂前壁底部，采用尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為1.7m×0.04m×1.00m的矩形結(jié)構(gòu)，送回風(fēng)通道經(jīng)DXD-10型變頻風(fēng)機(jī)與車廂連接蓄冷托盤共8個(gè)，均勻布置于車廂內(nèi)地板上，當(dāng)蓄冷劑充注量為100、200和300kg時(shí)，每個(gè)蓄冷托盤內(nèi)放置的PCM質(zhì)量分別為12.5、25.0和37.5kg。蓄冷劑采用水凝膠，無(wú)毒無(wú)害，相變溫度為0℃，相變潛熱334kJ/kg。溫度傳感器布置參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求3結(jié)果與分析3.1試驗(yàn)結(jié)果分析測(cè)試選取廣州8—9月份晴熱無(wú)雨氣象條件下進(jìn)行，期間平均氣溫約為30℃，具有一定代表性。在內(nèi)溫方面，由于本次試驗(yàn)所選PCM相變點(diǎn)為0℃，因此，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)冷藏車的分類控溫類別為A級(jí)（0～12℃）試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，由圖4可知通風(fēng)后的溫度比未通風(fēng)更加均勻。為更好地對(duì)比試驗(yàn)效果，將各組試驗(yàn)平均溫度顯示如圖5所示。進(jìn)行試驗(yàn)1～3時(shí)，隨著PCM質(zhì)量的增加，總體上呈現(xiàn)降溫速度加快、控溫時(shí)間延長(zhǎng)、平均溫度下降的趨勢(shì)。在降溫方面，車廂溫度由常溫降低至12℃分別需4.0、2.2和2.1h；之后控溫階段廂內(nèi)平均溫度為9.3、6.9和6.7℃；當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，廂內(nèi)平均溫度為9.5、6.4和6.3℃。可見，僅從控溫時(shí)長(zhǎng)來(lái)看，當(dāng)蓄冷劑充注量為100、200和300kg時(shí)，“蓄冷托盤+保溫車”的運(yùn)輸模式可以滿足1～3d甚至更長(zhǎng)時(shí)間的冷藏運(yùn)輸要求；但由于冷空氣積聚于車廂下部，在無(wú)強(qiáng)制通風(fēng)的條件下，僅靠空氣的熱浮升作用，換熱不充分，車廂降溫時(shí)間過長(zhǎng)，對(duì)運(yùn)輸食品的品質(zhì)不利。圖6所示，試驗(yàn)4～6的降溫時(shí)間分別為1.1、0.7和0.4h，較試驗(yàn)1～3下降了1.5～3.0h；平均溫度為5.7、4.6和3.3℃，較之前下降3.6、2.3和3.4℃；當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，廂內(nèi)平均溫度為7.3、8.7和5.2℃。此外，由圖5可以看出，在試驗(yàn)后期，試驗(yàn)4～6平均溫度斜率明顯高于試驗(yàn)1～3。這是由于在強(qiáng)制通風(fēng)條件下，PCM與車廂空氣換熱更加充分，一方面使得車輛內(nèi)部空氣溫度更接近于PCM的溫度，另一方面因車內(nèi)外溫差加大蓄冷量也消耗得較快。在試驗(yàn)后期，試驗(yàn)4至試驗(yàn)6中PCM相變潛熱消耗量大于試驗(yàn)1～3，因此，升溫也更加迅速。易腐食品控溫運(yùn)輸時(shí)要求車廂內(nèi)溫度盡量穩(wěn)定3.2截面平均溫度測(cè)量均勻穩(wěn)定的溫度場(chǎng)有利保障食品品質(zhì)安全，為此，研究將車內(nèi)15個(gè)測(cè)溫點(diǎn)組合為6個(gè)截面，分別表征車廂縱向前、中、后區(qū)域（截面1～3）和水平面上、中、下3個(gè)區(qū)域（截面4～6），各截面平均溫度如圖7所示。3.2.1截面截面間的對(duì)比進(jìn)行試驗(yàn)1～3時(shí)，縱向截面由于車廂端部存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、車門滲風(fēng)（截面1）、送回風(fēng)口換熱（截面3）等影響，總體呈現(xiàn)兩端高、中間低的狀況，但總體溫度差別不大，各截面間平均溫差在0.8℃以內(nèi)。在水平截面方面，由于未進(jìn)行車內(nèi)循環(huán)通風(fēng)，溫度場(chǎng)上下分層明顯，截面之間最大溫差分別為2.8、2.8和3.2℃，呈現(xiàn)“截面4<截面5<截面6”的趨勢(shì)。水平截面上下溫度梯度較大，這與截面4靠近冷源，截面5居中、截面6位于車廂頂部有關(guān)，此時(shí)廂內(nèi)的降溫僅依靠空氣自然對(duì)流，換熱不充分；而冷空氣下沉、熱空氣上升的特性進(jìn)一步加劇了溫度的分層。而進(jìn)行試驗(yàn)4～6時(shí)，通過增加循環(huán)通風(fēng)，縱向截面平均溫差降至0.5℃以內(nèi)；水平截面之間最大溫差分別降至0.4、0.4和0.5℃，較未通風(fēng)分別可降低85.7%、85.7%和84.4%?？梢娫黾友h(huán)通風(fēng)可明顯降低車廂水平截面之間溫度波動(dòng)，提高溫度場(chǎng)均勻性。3.2.2截面內(nèi)部溫度波動(dòng)為考察截面內(nèi)各點(diǎn)溫度的均勻性，統(tǒng)一選取試驗(yàn)第12小時(shí)時(shí)刻點(diǎn)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。如圖8所示，在進(jìn)行試驗(yàn)1～3時(shí)，車廂溫度最高點(diǎn)分別接近11.3、9.4和10.2℃，位于車廂頂部；溫度最低點(diǎn)約為7.0、4.8和3.6℃，位于車廂底部；此時(shí)，雖然車廂平均溫度達(dá)到控溫要求，但是縱向截面內(nèi)部溫度場(chǎng)波動(dòng)范圍仍舊較大。對(duì)于試驗(yàn)1～3，截面內(nèi)部最大溫差分別可達(dá)4.2、4.1和6.6℃。而開啟風(fēng)機(jī)后，縱向截面內(nèi)部溫度波動(dòng)明顯改善，最大溫差分別降至0.8、0.9和0.7℃，較未通風(fēng)分別降低81.0%、78.0%和89.4%，截面內(nèi)溫度均勻性明顯提高。3.2.3車內(nèi)無(wú)空氣循環(huán)在不同蓄冷劑充注量、不同送風(fēng)條件下，計(jì)算得到相應(yīng)的S值。由圖9可知，蓄冷劑充注量分別為100、200、300kg時(shí)，當(dāng)車內(nèi)無(wú)空氣循環(huán)時(shí)，S最大值分別為1.6、2.1、2.5，與傳統(tǒng)蓄冷冷藏車的S值基本相當(dāng)綜上，裝載不同質(zhì)量PCM的蓄冷托盤在試驗(yàn)過程中，僅靠自然對(duì)流換熱，車廂溫度波動(dòng)范圍較大，溫度場(chǎng)上下分層嚴(yán)重，不利于保障食品品質(zhì)；供應(yīng)商可搭配循環(huán)通風(fēng)裝置，根據(jù)不同的交貨期匹配不同質(zhì)量的蓄冷劑，在保障車廂控溫效果的同時(shí)，降低車輛自重，提高能源利用效率。3.3保護(hù)巖多態(tài)體系以保護(hù)好蓄冷劑安裝位置為基準(zhǔn)面?zhèn)鹘y(tǒng)蓄冷冷藏車PCM一般放置于車廂頂部，冷藏車重心較高。采用蓄冷托盤時(shí)，PCM質(zhì)量主要位于車廂底部，可有效降低車廂重心。車廂各面圍護(hù)結(jié)構(gòu)及蓄冷裝置的質(zhì)量和安裝位置決定了車廂重心高度。為便于計(jì)算分析，假設(shè)車廂為標(biāo)準(zhǔn)矩形，圍護(hù)結(jié)構(gòu)密度為45kg/m計(jì)算結(jié)果如表4所示，當(dāng)傳統(tǒng)蓄冷冷藏車蓄冷劑充注量分別為100、200、300kg時(shí)，以車廂底部為基準(zhǔn)面，計(jì)算得到重心高度分別為1.12、1.38和1.46m。改為使用同等質(zhì)量蓄冷劑的蓄冷托盤，由于蓄冷托盤位于車廂地面，均勻的分布在車廂地板上，計(jì)算得到重心高度分別為0.96、0.85和0.77m，車輛重心分別降低約14.3%、38.4%和47.3%。4試驗(yàn)結(jié)果分析1）設(shè)計(jì)并研制了一款集蓄冷槽、蓄冷盒等于一體的冷鏈專用蓄冷托盤并提出其運(yùn)用模式。該托盤采用可分離式結(jié)構(gòu)，相變材料（PhaseChangeMaterial,PCM）利用低谷電充冷，在實(shí)際運(yùn)輸時(shí)，PCM類別、質(zhì)量可根據(jù)運(yùn)輸貨物需求靈活調(diào)整，避免了傳統(tǒng)蓄冷冷藏車自重偏大、控溫范圍較小等缺點(diǎn)。2）使用水凝膠為PCM時(shí)，按A級(jí)冷藏車要求，100、200和300kg蓄冷劑的控溫時(shí)間約為1～3d，可基本滿足中短途冷藏運(yùn)輸需要。同時(shí)，強(qiáng)制通風(fēng)可明顯降低車內(nèi)平均溫度，以3℃為波動(dòng)范圍的臨界值，試驗(yàn)1～6的控溫范圍分別為8.3～11.3℃、5.9～8.9℃、5.8～8.8℃、4.9～7.9℃、3.3～6.3℃、2.6～5.6℃，同等條件下較未通風(fēng)降幅達(dá)2～4℃。3）車內(nèi)強(qiáng)制通風(fēng)在改善蓄冷運(yùn)輸溫度場(chǎng)方面作用明顯。未進(jìn)行車內(nèi)循環(huán)通風(fēng)時(shí)，車內(nèi)溫度場(chǎng)上下分層明顯，截面之間最大溫差分別為2.8、2.8和3.2℃；截面內(nèi)各點(diǎn)間最高溫差分別可達(dá)4.2、4.1和6.6℃；溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)最大分別為1.6、2.1、2.5，與傳統(tǒng)蓄冷冷藏車基本相當(dāng)。采用循環(huán)通風(fēng)后，車廂水平截面之間最大溫差降至0.4、0.4和0.5℃；截面內(nèi)最大溫差降至0.8、0.9和0.7℃；溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)峰值分別降至0.6、1.1和1.2，降幅分別為62.5%、47.6%和52.0%。4）在車廂重心方面，由于