劉浩榮，謝如鶴，劉廣海，李 錦，呂 寧

（1.廣州大學(xué)物流與運(yùn)輸研究所，廣州 510006；2.韶關(guān)學(xué)院汽車系，韶關(guān) 512005）

0 前 言

隨著冷凍冷藏運(yùn)輸業(yè)的普及和飛速發(fā)展，需要冷凍冷藏的物品種類日益增加[1]；然而傳統(tǒng)冷藏運(yùn)輸不同溫度食品不能 “混裝”的缺陷，增加了貨物運(yùn)輸量、運(yùn)輸次數(shù)，降低了運(yùn)輸效率。而新型的多溫運(yùn)輸則大大改善了傳統(tǒng)冷藏運(yùn)輸運(yùn)輸功能單一的缺點(diǎn)，一車可同時(shí)混裝冷凍、冷卻或常溫的多種貨物，且均保持在各自最適宜的運(yùn)輸溫度條件下，提高了運(yùn)輸效率，拓寬了冷藏運(yùn)輸?shù)倪m用面，更能適宜當(dāng)前市場(chǎng)的要求，具有良好的發(fā)展前景，亟待展開研究。對(duì)其進(jìn)行熱工性能實(shí)驗(yàn)有助于對(duì)后面的深入研究提供基礎(chǔ)。

Wiestaw Zwierzycki et al.在研究冷藏車運(yùn)輸過程中，效率的體現(xiàn)最重要的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是保證車廂內(nèi)部溫度的穩(wěn)定，而要達(dá)到這個(gè)要求需要考慮下列的因素：（1）選擇絕熱性能優(yōu)秀的和有合適制冷能力的冷藏車；（2）裝卸貨的組織工作 （特別是裝載貨物的前期準(zhǔn)備工作）都需要做好計(jì)劃，做好先后裝載的時(shí)間表[2]。Silvia.Estrada-Flores和Andrew.Eddy則提出目前大部分的冷藏車熱工試驗(yàn)準(zhǔn)則方法都沒有建立在冷藏車的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的條件下進(jìn)行制定[3]。

在我國(guó)，劉廣海提出在運(yùn)輸狀態(tài)確定時(shí)，冷藏運(yùn)輸裝備的內(nèi)外溫差由自然條件所決定，所以滲風(fēng)能耗的大小主要取決于內(nèi)外溫差和裝備的漏氣量。氣密性越好，滲風(fēng)能耗就越低；并提到隨著目前運(yùn)輸速度越來(lái)越快的今天，加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性十分必要[4]。張哲等對(duì)冷藏車蒸發(fā)器結(jié)霜進(jìn)行深入了解，建立了一個(gè)冷藏蒸發(fā)器結(jié)霜的數(shù)學(xué)模型，獲得各個(gè)入口空氣參數(shù)對(duì)蒸發(fā)器結(jié)霜厚度和換熱量的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)結(jié)霜嚴(yán)重地影響蒸發(fā)器換熱性能[5]。劉敬輝采用超級(jí)市場(chǎng)常用的風(fēng)幕機(jī)安裝到冷藏車車門處，發(fā)現(xiàn)能大大減少開門時(shí)外部空氣與內(nèi)部空氣的混合，有效維持車廂內(nèi)部溫度場(chǎng)；并求出了最佳的風(fēng)幕機(jī)風(fēng)速[6]。我國(guó)于2010年頒布的中華人民共和國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) （QC/T499-2010）《保溫車、冷藏車技術(shù)條件及試驗(yàn)方法》[7]，新加入了冷藏車行駛調(diào)溫試驗(yàn)，一改熱工試驗(yàn)只局限于試驗(yàn)室的情形，讓車輛走出試驗(yàn)室，進(jìn)入實(shí)際運(yùn)行的環(huán)節(jié)，有助于更實(shí)際地反映車輛的實(shí)際運(yùn)行效果。

本次試驗(yàn)對(duì)象是三溫區(qū)冷藏車，規(guī)格圖如圖1。由圖1可以看出，深冷間獨(dú)立于冷藏間和冷凍間，通過安裝在車盤底的蓄冷機(jī)組進(jìn)行降溫；冷凍間內(nèi)部裝有制冷機(jī)組，除了滿足本間的冷量需求外，通過設(shè)立進(jìn)風(fēng)道和回風(fēng)道對(duì)冷藏間進(jìn)行供冷，并在回風(fēng)口處裝有帶溫度控制器控制自身開停的風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流以使冷藏間達(dá)到設(shè)定的工作溫度。

圖1 車體規(guī)格簡(jiǎn)圖

1 行駛調(diào)溫性能試驗(yàn)分析研究

本試驗(yàn)旨在考核冷藏車在行駛狀態(tài)下的調(diào)溫性能。國(guó)標(biāo)QC/T499-2010《保溫車、冷藏車技術(shù)條件及試驗(yàn)方法》對(duì)該試驗(yàn)的描述見表1。

表1 QC/T 449—2010行駛調(diào)溫試驗(yàn)方法[6]

這是新國(guó)標(biāo)新加入的一個(gè)性能試驗(yàn)，暫時(shí)沒有一個(gè)成熟的試驗(yàn)方案可參考。本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的測(cè)試方案是在汽車行駛過程中，設(shè)定制冷機(jī)組的最低溫度，觀察機(jī)組達(dá)到最低溫度的曲線走向，觀察其所用的時(shí)間，此為降溫測(cè)試階段。

當(dāng)溫度達(dá)到最低設(shè)定溫度時(shí)，再分別進(jìn)行3個(gè)功能隔間同時(shí)進(jìn)行3分鐘和1分鐘的開門卸貨模擬，得出其升溫曲線以及關(guān)門后車廂內(nèi)部溫度回復(fù)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的時(shí)間曲線，以此達(dá)到考察機(jī)組調(diào)溫性能的目的，此為調(diào)溫測(cè)試階段。

1.1 試驗(yàn)流程記錄

設(shè)定溫度：冷凍間-20℃，冷藏間0℃；制冷機(jī)組開機(jī)時(shí)間：8∶53；速度：30～40 km/h左右；轉(zhuǎn)速：1400-1500 r/min；里程數(shù)243 km。

圖2 試驗(yàn)流程圖

1.2 試驗(yàn)過程記錄與數(shù)據(jù)分析

1.2.1 降溫曲線分析：

對(duì)比起冷凍間的降溫曲線，冷藏間的降溫曲線平滑，沒有明顯的斜率變化，其降溫速率為：

冷凍間的降溫曲線有明顯的斜率變化，期間有進(jìn)行除霜，變化曲線分為 “常溫到0℃”、“0℃到-15℃”和 “-15℃到-19℃”，曲線變得越來(lái)越平緩，其降溫速率分別為：

觀察式 （2）（3）（4），在0℃以上的降溫速率較快，在零下的降溫速率過于緩慢，整個(gè)降溫時(shí)間花費(fèi)3小時(shí)20分鐘。機(jī)組的制冷效率較低。

使用數(shù)學(xué)優(yōu)化分析軟件綜合工具軟件1stOpt對(duì)兩個(gè)車廂的降溫曲線進(jìn)行非線性擬合處理。把本次擬合看作只有一個(gè)變量時(shí)的最小化問題，即一維搜索問題，其數(shù)學(xué)模型為：

式中，x，x1，x2為標(biāo)量，f（x）為函數(shù)，返回標(biāo)量。而在實(shí)際應(yīng)用中，準(zhǔn)牛頓法 （BFGS）最為有效[8]，其迭代公式是：

因此選用準(zhǔn)牛頓算法，得到它們的降溫?cái)M合曲線，x表示某個(gè)時(shí)間點(diǎn)：x=1，2，3，4……。

冷藏間：

冷凍間：

式 （7）、（8）的相關(guān)數(shù)R的平方值達(dá)到0.9995以上，能較好的擬合冷藏間和冷凍間的降溫曲線，符合本車的行駛降溫性能的反映。

1.2.2 開門模擬卸貨調(diào)溫曲線分析：

開門模擬卸貨過程，是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的傳熱傳質(zhì)過程。由于車廂體內(nèi)部是低溫低壓干燥的空氣，開門后高溫高壓高濕度的外部氣體由于壓差和溫差，迅速和車廂體內(nèi)部氣體進(jìn)行熱濕交換，致使內(nèi)部空氣溫度、壓力和濕度升高，其過程遵循質(zhì)量守恒定律 （9）和質(zhì)量組分方程式 （10）。

當(dāng)卸貨結(jié)束關(guān)閉車廂門后，制冷機(jī)組馬上運(yùn)行，對(duì)車廂體內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)降溫。由于在開門期間，外部進(jìn)入大量濕空氣，加上在調(diào)節(jié)降溫過程中，制冷機(jī)組的風(fēng)機(jī)出口溫度低于濕空氣中水蒸氣的露點(diǎn)溫度，于是在機(jī)組出口附近出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，降低了制冷機(jī)組的制冷效率，嚴(yán)重影響了內(nèi)部溫度的調(diào)節(jié)降溫。這種情況在冷凍間調(diào)溫曲線圖中表現(xiàn)十分明顯。

兩圖對(duì)比，在開門模擬卸貨前后，溫度場(chǎng)都發(fā)生劇變。冷凍間的制冷機(jī)組在第一次3分鐘開門模擬后的調(diào)溫過程中進(jìn)行了兩次的除霜過程，期間機(jī)組出風(fēng)口溫度波動(dòng)較大，對(duì)冷藏間的出風(fēng)口溫度有一定影響，但是對(duì)冷藏間整間的溫度場(chǎng)影響不明顯。明顯的，在車廂空載的情況下，冷凍間機(jī)組的除霜過程對(duì)冷藏間的溫度場(chǎng)影響十分有限，冷藏間溫度場(chǎng)幾乎不受影響。

然而冷藏車在運(yùn)輸過程中不可避免的需要頻繁的開、關(guān)車廂門，這樣必然會(huì)造成蒸發(fā)器效率的下降和除霜次數(shù)的增加。本文對(duì)冷凍間的回風(fēng)口溫度數(shù)據(jù)在第一次開門后的調(diào)溫曲線降溫速度進(jìn)行了一個(gè)比較。式 （11）是開門后，根據(jù)圖6得出的車廂內(nèi)部溫度從高溫回復(fù)到-20℃的平均降溫速度，式（12）則是根據(jù)開門后，遵照機(jī)組除霜前的溫度降溫曲線的斜率使車廂內(nèi)部溫度達(dá)到-20℃時(shí)而求出的一個(gè)平均降溫速度。對(duì)比兩個(gè)速度，由于除霜的影響，車廂的調(diào)溫速率幾乎降低了50%?？梢姡獙?duì)于車廂內(nèi)部的溫度場(chǎng)影響特別大，嚴(yán)重降低了機(jī)組的運(yùn)作效率。

圖7 深冷間溫度上升曲線

1.2.3 深冷間的行駛調(diào)溫性能分析：

對(duì)于深冷間的行駛調(diào)溫性能試驗(yàn)分析，應(yīng)該關(guān)注的是它的溫升曲線。在實(shí)際運(yùn)輸過程中，深冷間的溫升越慢，對(duì)易腐食品的保鮮效果越好。在開門模擬前，深冷間的自然升溫速率 （以廂體中間溫度探頭數(shù)據(jù)計(jì)算）：

從式 （13）看出，深冷間的升溫速率是比較優(yōu)秀的，開門模擬前的溫度曲線趨勢(shì)越來(lái)越平緩，能夠長(zhǎng)時(shí)間維持在-18℃以下，效果令人滿意。但是，內(nèi)部溫度經(jīng)過一次開門后，并回復(fù)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，溫度只能維持在-18～-20℃左右；經(jīng)過第二次開門后，溫度就只能穩(wěn)定在-15℃，這已經(jīng)是不能滿足凍結(jié)間的溫度要求了。

圖5～圖7，在冷藏車實(shí)際運(yùn)行過程中，開門所耗費(fèi)的冷量是非常巨大的，謝晶等選擇3種不同的方法去計(jì)算冷藏車的負(fù)荷，結(jié)果表明開門所承擔(dān)的負(fù)荷達(dá)到總負(fù)荷的1/3甚至更多[1]。因此在冷藏車實(shí)際運(yùn)行時(shí)，必須對(duì)開門卸貨作好全盤的計(jì)劃，優(yōu)化卸貨環(huán)節(jié)，減少開門卸貨所用的時(shí)間；另外可在車廂門口處加裝門簾或者風(fēng)幕機(jī)，減少外部空氣與內(nèi)部空氣的混合接觸。J.Rodriguez-Bermejo et al.提到，在冷藏車裝載貨物的時(shí)候，除霜過程會(huì)導(dǎo)致車廂內(nèi)部局部的溫度過高，造成局部溫度遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)定的溫度，對(duì)食品的品質(zhì)造成很大影響[9]。

2 結(jié)論與建議

（1）本文對(duì)國(guó)標(biāo) 《QC/T449—2010保溫車、冷藏車技術(shù)條件及試驗(yàn)方法》中新加入的行駛調(diào)溫性能試驗(yàn)進(jìn)行了研究，制定了試驗(yàn)方案并進(jìn)行試驗(yàn)。本試驗(yàn)的試驗(yàn)方案流程結(jié)合實(shí)際，把調(diào)溫階段與冷藏車模擬裝卸貨過程相結(jié)合進(jìn)行試驗(yàn)，可作為同類型試驗(yàn)的參考。

（2）試驗(yàn)得出車體在冷藏車行駛過程中的降溫曲線，機(jī)組降溫時(shí)間較長(zhǎng)，降溫效率較低；空載情況下，降溫階段冷藏間和冷凍間相互影響很小，各自溫度場(chǎng)比較穩(wěn)定、獨(dú)立。

（3）行駛調(diào)溫實(shí)驗(yàn)的模擬卸貨期間，廂門全開，3個(gè)冷間，特別是深冷間的冷量流失嚴(yán)重，造成內(nèi)部溫度劇烈波動(dòng)，同時(shí)造成制冷機(jī)組頻繁的進(jìn)行除霜工作，嚴(yán)重地降低了制冷機(jī)組運(yùn)作效率，車廂內(nèi)部溫度場(chǎng)難以回復(fù)到原來(lái)設(shè)定的狀態(tài)，極大破壞易腐品的冷藏環(huán)境。

（4）冷藏車實(shí)際運(yùn)行時(shí)，必須對(duì)開門卸貨作好全盤的計(jì)劃，優(yōu)化卸貨環(huán)節(jié)，減少開門卸貨所用的時(shí)間；另外可在車廂門口處加裝門簾或者風(fēng)幕機(jī)，減少外部空氣與內(nèi)部空氣的混合接觸。

[1] 謝晶，徐倩.多溫區(qū)冷藏車熱負(fù)荷計(jì)算的研究 [J].食品與機(jī)械，2007，23（4）：98-101.（Xie Jing，Xu Qian.The heat load calculation study of mutil-temperature refrigerated vehicle[J].Food andMachinery，2007，23（4）：98-101）

[2] Wiestaw Zwierzycki et al.Thermal damage to the load in cold chain transport[J].Procedia Social and Behavioral Sciences，20（2011）：761-766

[3] Silvia.Estrada-Flores，Andrew.Eddy.Thermal performance indicators for refrigerated road vehicles[J].International Journal of Refrigeration，29（2006）：889-898

[4] 劉廣海.冷藏運(yùn)輸能耗分析與裝備優(yōu)化研究[D].中南大學(xué)，2007.（Liu Guanghai.Study on analysis of energy consumption and optimization of refrigerated transportation equipment[D].ZhongNan University，2007）

[5] 張哲，田津津，毛力.機(jī)械式冷藏車蒸發(fā)器結(jié)霜特征的研究 [J].低溫與超導(dǎo)，2010，38（09）：73～75.（Zhang Zhe，Tian jinjin，Mao Li.The study on the frost of the mechanical refrigerated truck evaporator[J].Cryogenics and Superconductivity，Vol.38 ，No.9 ，2010）

[6] 劉敬輝，陳江平，陳芝久等.風(fēng)幕對(duì)冷藏車性能影響的仿真分析和試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械，2006，34（1）：52-59（Liu Jingyang，Chen Jiangping，Chen Zhijiu et al.Simulation analysis and experimental study on performance of refrigerated-car affected by air curtain[J].Fluid Machinery，2006 ，34（1）：52-59）

[7] 中華人民共和國(guó)工業(yè)與信息化部.QC/T499-2010保溫車、冷藏車技術(shù)條件及試驗(yàn)方[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.（Ministry of industry and information technology of the People's Republic of China.QC/T499-2010 Technical conditions test methods of insulated or refrigerated vehicles[S].BeiJing：China Planning Press，2010）

[8] 劉光輝，尹紅婷.BFGS算法的全局收斂性分析[J].曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，20（1）：1-7（Liu Guanhui，Yin Hongting.Analysis on the global convergence of BFGS algorithm[J].Journal of Qufu Normal University，1994，20（1）：1-7）

[9] J.Rodriguez-Bermejo et al.Thermal study of a transport container[J].Journal ofFoodEngineering ，80（2007）：517 527