劉廣海，吳俊章，Alan Foster ，謝如鶴，唐海洋，鄒毅峰，屈睿瑰

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GU-PCM2型控溫式相變蓄冷冷藏車設(shè)計(jì)與空載性能試驗(yàn)

劉廣海1，吳俊章1，Alan Foster2，謝如鶴1，唐海洋1，鄒毅峰1，屈睿瑰3,4※

（1. 廣州大學(xué)冷鏈物流與標(biāo)準(zhǔn)化研究所，廣州 510006；2. 倫敦南岸大學(xué)工程學(xué)院，布里斯托爾 BS40 5DU； 3. 廣州城市職業(yè)學(xué)院 廣州 510405；4. 中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長沙 410075）

現(xiàn)有蓄冷冷藏車蓄冷裝置多位于車廂頂部，存在重心偏高、不可控溫等問題，基于此，該文設(shè)計(jì)了一款集相變蓄冷單元、車載制冷系統(tǒng)、隔熱車廂、送風(fēng)系統(tǒng)等于一體的GU-PCM2型蓄冷冷藏車。該蓄冷車將蓄冷裝置獨(dú)立設(shè)置于車廂前端并保溫，系統(tǒng)利用夜間低谷電進(jìn)行充冷，可在-25～10 ℃之間根據(jù)需要調(diào)控車廂溫度。對蓄冷冷藏車廂設(shè)定溫度為0和-18 ℃的2種工況進(jìn)行空載溫度場仿真與測試。結(jié)果表明，車廂內(nèi)各測溫點(diǎn)的模擬溫度與實(shí)測溫度均方根誤差分別為0.7和0.8 ℃，最大絕對誤差分別為1.1和1.2 ℃。冷藏車可有效控溫10 h以上，車廂平均溫度分別在1.1～2.9 ℃和-14.8～-16.9 ℃之間，波動(dòng)范圍為1.8和2.1 ℃，溫度不均勻度系數(shù)在1.0以內(nèi)?？販厥叫罾淅洳剀嚺c傳統(tǒng)蓄冷車的對比試驗(yàn)結(jié)果表明，其平均溫度波動(dòng)值降低48.7%，溫度絕對不均勻度系數(shù)降低50%以上，車廂質(zhì)心較頂置式蓄冷車下降25.9%。研究結(jié)果可為蓄冷冷藏車的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；數(shù)值分析；相變蓄冷；溫度分布；冷藏車

0 引 言

在生鮮易腐食品的流通中，冷藏運(yùn)輸是保障食品質(zhì)量安全和延長易腐食品保質(zhì)期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1-2]。鑒于問題的重要性，西方發(fā)達(dá)國家多以立法或規(guī)范的形式強(qiáng)制推動(dòng)冷藏運(yùn)輸技術(shù)的使用[3]。作為冷藏運(yùn)輸?shù)闹匾d體，全球現(xiàn)有各類冷藏車400余萬輛，并以2.5%/年的速度持續(xù)增長[4]；近年來國內(nèi)冷藏運(yùn)輸?shù)玫娇焖侔l(fā)展，截至2017年底，冷藏車已達(dá)14萬輛[5]。但是也應(yīng)看到，目前所使用的冷藏車中90%以上均使用機(jī)械式制冷系統(tǒng)，該制冷方式能源利用率僅為35～40%[6]，相對較高的應(yīng)用成本使得部分商販忽視食品品質(zhì)，轉(zhuǎn)而使用土保溫的方式運(yùn)輸食品，從而造成食品腐損現(xiàn)象嚴(yán)重[7]。

此外，車載制冷系統(tǒng)較低的能源轉(zhuǎn)化效率也對環(huán)境造成較大影響[8-9]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)隔熱車廂內(nèi)外溫差為50 ℃（廂內(nèi)-20 ℃，廂外30 ℃）時(shí)，機(jī)械式冷藏車1 kW制冷量平均耗油0.47 L/h，每年碳排放量達(dá)50 t[10]。

針對上述問題，蓄冷冷藏車因其節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到運(yùn)輸商的青睞[11-12]。該類車型先利用夜間低谷電實(shí)現(xiàn)車載相變材料（phase change material，PCM）的顯熱及潛熱遷移并儲(chǔ)存冷量，然后在運(yùn)輸貨物時(shí)釋放冷量，從而達(dá)到節(jié)約能源、降低成本的目的。

1981年和1994年，中國先后研制了第一代和第二代鐵路冷板冷藏車[13]；2007年，劉國豐等在上述研究基礎(chǔ)上，研制了運(yùn)行速度達(dá)120 km/h的快速機(jī)械冷板冷藏車，并解決了PCM充注量與運(yùn)行時(shí)間匹配、蓄冷裝置強(qiáng)化傳熱等一系列技術(shù)問題[14]。詹耀立等應(yīng)用有限元法，對比分析了蓄冷板在頂置、側(cè)置等方式下冷藏車廂內(nèi)貨物溫度場分布情況，認(rèn)為蓄冷板頂置時(shí)溫升幅度較高[15]。張哲等對冷藏車廂內(nèi)蓄冷板側(cè)置形式進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)車廂內(nèi)頂部區(qū)域空氣溫度較高，貨物區(qū)最大溫差達(dá)18°C，不利于貨物貯運(yùn)[16]。謝如鶴等測試了蓄冷板頂置、側(cè)置及部分頂置部分側(cè)置3種不同布置方式的冷藏車廂內(nèi)溫度場分布，認(rèn)為僅靠蓄冷板布置方式的調(diào)整無法形成理想的溫度場及流場[17]。

在國外，歐美等國研制了多款蓄冷冷藏車并大量應(yīng)用于城市配送領(lǐng)域。Tan等利用液化天然氣作為燃料和制冷劑對相變蓄冷裝置進(jìn)行充冷，達(dá)到減少車廂內(nèi)溫度波動(dòng)及節(jié)能減排的目的[18]。Liu等研制了一款蓄冷冷藏車并展開測試，當(dāng)車內(nèi)溫度設(shè)置為-18 ℃時(shí)，250 kg的PCM可滿足10 h連續(xù)運(yùn)輸?shù)男枨螅ㄟ\(yùn)輸過程中不開門）；如在運(yùn)輸配送過程中需頻繁開門卸貨，360 kg的PCM可滿足設(shè)計(jì)需要，運(yùn)輸成本較傳統(tǒng)機(jī)械冷藏車下降86.4%[19-20]。Ahmed等將PCM嵌入冷藏車圍護(hù)結(jié)構(gòu)中并進(jìn)行測試，與傳統(tǒng)冷藏車相比可有效降低能耗16%以上[21]。Fioretti等在上述研究基礎(chǔ)上將PCM和絕緣夾層板集成新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，有效降低車廂內(nèi)部溫度1～2 ℃，且車廂熱負(fù)荷和總能耗分別降低了20%和4.7%[22]。

上述研究大大促進(jìn)了蓄冷運(yùn)輸裝備技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，由于目前蓄冷冷藏車的蓄冷板大多懸掛在車廂頂部，研究多集中于車廂內(nèi)蓄冷板的改進(jìn)與優(yōu)化，在實(shí)際應(yīng)用中，上述模式不可避免的存在一些問題[23-24]：

1）車廂內(nèi)部溫度不可調(diào)節(jié)。由于蓄冷板位于車廂內(nèi)部，冷藏車難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫；PCM用量確定后，車輛僅可用于一定溫度冷凍或冷藏貨物運(yùn)輸，從而影響了蓄冷冷藏車的適用范圍。

2）蓄冷板在充冷完畢后，不論車輛內(nèi)是否載貨均會(huì)持續(xù)放冷，并且當(dāng)開門裝卸時(shí)較大的溫差和濕度變化易導(dǎo)致漏冷、蓄冷條結(jié)霜等問題，既影響了換熱效果，又縮短了車輛的控溫總時(shí)間。

3）目前大部分蓄冷冷藏車采用的蓄冷板頂置模式使得車輛重心升高，影響運(yùn)輸安全。

為解決上述問題，本文擬設(shè)計(jì)一款新型蓄冷冷藏車，通過設(shè)置獨(dú)立蓄冷單元、改變車內(nèi)送風(fēng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車廂溫度可調(diào)節(jié)、降低車廂重心的目標(biāo)。

1 整車結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整車結(jié)構(gòu)

新型蓄冷冷藏車型號(hào)為GU-PCM2，集隔熱車廂、相變蓄冷單元（phase change thermal storage unit，PCTSU）、制冷系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)于一體，整車結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GU-PCM2型相變蓄冷冷藏車結(jié)構(gòu)示意圖

隔熱車廂保溫材料為高密度硬質(zhì)聚氨酯泡沫（poly urethane，PU），內(nèi)外蒙皮采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiber reinforced polymer/plastic，F(xiàn)RP），隔熱壁厚度為0.12 m，車門厚度為0.10 m，載貨空間為20.4 m3。PCTSU位于車廂前端，內(nèi)置24根蓄冷條，蓄冷條采用厚度為3 mm鋁合金制作，各蓄冷條之間平行間距0.05 m，水平間距0.04 m，為增加其保溫性能，隔熱壁厚度為0.20 m。制冷系統(tǒng)型號(hào)為HGX34e/255-4 S，系統(tǒng)采用電力驅(qū)動(dòng)并將蒸發(fā)器置于蓄冷條中。蓄冷條內(nèi)采用自主研發(fā)的PCM（氯化鈉15%～16.5%，丙三醇12.5%，余量為水）[17]，參考文獻(xiàn)[17]、[19]和[20]，PCM充注量確定為360 kg。車廂采用上送下回、變頻通風(fēng)的模式，送回風(fēng)通道經(jīng)DXD-10型變頻風(fēng)機(jī)與PCTSU連接。通風(fēng)系統(tǒng)共設(shè)2個(gè)送風(fēng)口和1個(gè)回風(fēng)口，送風(fēng)口位于車廂前壁上側(cè)兩端，采用直徑為0.25 m的圓形結(jié)構(gòu)，距車頂和側(cè)壁的距離分別為0.05和0.10 m；回風(fēng)口位于車廂前壁底部，采用尺寸（長×寬×高）為1.7 m× 0.04 m × 1.00 m的矩形結(jié)構(gòu)。

車廂結(jié)構(gòu)與設(shè)備性能參數(shù)如表1、表2所示。

表1 冷藏車車廂結(jié)構(gòu)尺寸

表2 冷藏車性能參數(shù)

1.2 工作原理

GU-PCM2型蓄冷冷藏車的工作原理如圖2所示。使用前，開啟閥門1的同時(shí)關(guān)閉閥門2，啟動(dòng)車載制冷系統(tǒng)，利用夜間低谷電對PCTSU進(jìn)行充冷。運(yùn)輸時(shí)，關(guān)閉閥門1，開啟閥門2，啟動(dòng)變頻風(fēng)機(jī)，將PCTSU內(nèi)冷量導(dǎo)入隔熱車廂中。車廂內(nèi)溫度傳感器位于回風(fēng)口處，變頻風(fēng)機(jī)根據(jù)車廂溫度與設(shè)定溫度之間的差值及車輛運(yùn)行狀態(tài)調(diào)控送風(fēng)速度：當(dāng)溫差≥10 ℃時(shí)，送風(fēng)速度為6 m/s；當(dāng)溫差≤3 ℃時(shí)，送風(fēng)速度為2 m/s；當(dāng)溫差在3～10 ℃之間時(shí)，送風(fēng)速度相應(yīng)地在2～6 m/s之間逐級(jí)調(diào)節(jié)；當(dāng)車門開啟時(shí)，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，送風(fēng)速度為0。通過上述方法，車廂溫度可在-25～10 ℃之間調(diào)整并控溫，實(shí)現(xiàn)在保證貨物品質(zhì)安全的同時(shí)降低能耗及成本。

圖2 相變蓄冷冷藏車工作原理圖

2 仿真與試驗(yàn)

2.1 仿真與試驗(yàn)內(nèi)容

冷藏運(yùn)輸食品通常分為冷凍食品和冷卻食品，其中冷凍食品的運(yùn)輸溫度一般為-18～-15 ℃，冷卻食品的運(yùn)輸溫度一般為0～3 ℃左右。為此，本文對車廂溫度為-18和0 ℃的2種工況展開仿真與試驗(yàn)測定，對控溫周期內(nèi)的溫度穩(wěn)定性和車廂空間溫度分布均勻性進(jìn)行分析。鑒于蓄冷冷藏車多用于城市配送并采用夜間充冷、白天運(yùn)行的模式，一般連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不超過10 h，因此，仿真與試驗(yàn)周期均設(shè)為10 h。

對蓄冷冷藏車車廂重心進(jìn)行計(jì)算與分析，以確定車輛的安全性能。

2.2 仿真模型

為更好地分析蓄冷冷藏車車廂內(nèi)氣流與溫度分布情況，采用CFD軟件構(gòu)建數(shù)值模型并仿真[25]。

在利用Gambit對冷藏車廂進(jìn)行建模時(shí)，采用六面體劃分網(wǎng)格單元。車廂為長方體，結(jié)構(gòu)簡單，可用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸精度按5 cm劃分，共生成159 280個(gè)網(wǎng)格，經(jīng)檢查，網(wǎng)格質(zhì)量良好，節(jié)約運(yùn)算時(shí)間[26-27]。

為便于計(jì)算，對模型作出如下假設(shè)：

1）車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性良好且不考慮滲風(fēng)影響，忽略固體壁面間的熱輻射；

2）忽略溫度改變對車廂內(nèi)空氣和貨物特性的影響，不考慮車輛運(yùn)輸中貨物水分蒸發(fā)等傳質(zhì)因素的影響；

3）車廂內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)，低速且不可壓縮牛頓流體，符合Boussinesq假設(shè)。

計(jì)算時(shí)選取-模型，開啟凝固/融化模塊，采用一階迎風(fēng)格式的控制微分方程和SIMPLE算法對計(jì)算域的速度與壓力進(jìn)行耦合，并通過非穩(wěn)態(tài)方法求解蓄冷車廂的空載溫度場變化情況。

2.3 試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，在仿真結(jié)果基礎(chǔ)上展開樣車試驗(yàn)研究，確定該蓄冷冷藏車實(shí)際控溫效果。蓄冷冷藏車試驗(yàn)過程中，為了科學(xué)合理地反映車廂內(nèi)各點(diǎn)溫度的變化情況，在參考國內(nèi)外冷藏運(yùn)輸裝備測試標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上布置溫度傳感器[28-30]，如圖3所示。將冷藏車沿車廂長度方向等間距劃分為3個(gè)縱截面（分別位于車廂2個(gè)端部0.1 m處和車廂正中部），每個(gè)截面分別布置5個(gè)測溫點(diǎn)，車廂外車頂及3個(gè)側(cè)壁面的幾何中心各布置1個(gè)測溫點(diǎn)，共19個(gè)測溫點(diǎn)。溫度記錄采用深圳天圓數(shù)碼科技有限公司的Tag06B型無線溫濕度傳感器（測試范圍：-40～125 ℃，測試精度：±0.3 ℃）。溫度傳感器距離車壁0.1 m，每1 min采集1次數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)與溫度監(jiān)控系統(tǒng)相連接，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地觀察車廂內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

注：1～15表示各測溫點(diǎn)位置，測溫點(diǎn)均距離車廂內(nèi)壁0.1 m。

3 結(jié)果與分析

3.1 車廂內(nèi)溫度場仿真結(jié)果與分析

在2.2節(jié)仿真模型的基礎(chǔ)上，首先對車廂內(nèi)溫度分布進(jìn)行仿真。仿真時(shí)車廂為空載狀態(tài)。計(jì)算時(shí)設(shè)PCTSU初始溫度為-35 ℃，車廂內(nèi)初始溫度為25 ℃，外界溫度為30 ℃；車廂內(nèi)工作溫度設(shè)定為-18和0 ℃。外界熱量通過輻射、與廂體外壁的對流換熱、車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)以及車廂內(nèi)空氣的對流等方式，影響車廂內(nèi)溫度及其分布。仿真時(shí)截面設(shè)置與樣車試驗(yàn)一致。蓄冷運(yùn)輸10 h后，各截面溫度分布如圖4所示。

由圖4可知，雖然PCM初始溫度為-35 ℃，相變溫度為-30 ℃，但車廂內(nèi)工作溫度按設(shè)定要求得到了較好控制。設(shè)定工作溫度為0 ℃時(shí)，在貨物裝載區(qū)內(nèi)，車廂內(nèi)不同區(qū)域溫度主要為1～3 ℃；空氣溫度最低點(diǎn)接近1 ℃，處于各截面上方的左右兩側(cè)（送風(fēng)口位置），高溫區(qū)則位于車廂頂部正中和回風(fēng)口附近區(qū)域，溫度為2～3 ℃。設(shè)定工作溫度為-18 ℃時(shí)，車廂內(nèi)溫度分布趨勢與0 ℃時(shí)類似，最低溫度出現(xiàn)在送風(fēng)口處，約為-17 ℃，最高溫度位于車廂頂部正中和回風(fēng)口附近區(qū)域，溫度為-15～-16 ℃。之所以出現(xiàn)上述狀況，是由于PCM溫度較低，蓄冷條全部凍結(jié)后，蓄冷條溫度在-30 ℃以下，當(dāng)溫控風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，較大的溫差造成劇烈換熱，PCTSU冷氣由車廂前端送風(fēng)口導(dǎo)入隔熱車廂內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)對流換熱，因此送風(fēng)口附近的溫度梯度較大；冷空氣進(jìn)入車廂后，由于送風(fēng)系統(tǒng)加強(qiáng)了熱交換效率，進(jìn)而與區(qū)域內(nèi)其他空氣進(jìn)行對流換熱。由于本系統(tǒng)采用上送下回的送風(fēng)循環(huán)模式，在氣流循環(huán)的過程中，車廂內(nèi)壁極小區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速較低且受到車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入熱量的影響，因此溫度相對較高。

3.2 樣車試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證仿真結(jié)果及控溫效果，以自行研制的GU-PCM2型控溫式蓄冷冷藏車為試驗(yàn)對象進(jìn)行車廂內(nèi)空載溫度場測試。測試時(shí)，根據(jù)國內(nèi)外冷藏運(yùn)輸裝備測試標(biāo)準(zhǔn)要求，車廂內(nèi)保持空載狀態(tài)[27-30]，車廂內(nèi)初始溫度為25 ℃，車外平均氣溫在30 ℃左右。開啟制冷機(jī)組對PCTSU內(nèi)的蓄冷板進(jìn)行充冷，PCM蓄冷充分后關(guān)閉制冷機(jī)組（PCM溫度降至-35 ℃左右），然后啟動(dòng)溫控風(fēng)機(jī)，將冷氣由PCTSU導(dǎo)入車廂并控溫，2次試驗(yàn)的車廂內(nèi)設(shè)定溫度分別為-18和0 ℃，各測試截面及車廂內(nèi)平均溫度的測試結(jié)果如圖5所示。

a. 設(shè)定溫度為0 ℃時(shí)車廂內(nèi)溫度云圖

a. Temperature nephogram in carriage at setting temperature of 0 ℃

b. 設(shè)定溫度為-18 ℃時(shí)車廂內(nèi)溫度云圖

b. Temperature nephogram in carriage at setting temperature of -18 ℃

注：=+273.15，指開爾文溫度，指攝氏溫度。

Note:=+273.15, whererefers to kelvin temperature, andrefers to celsius temperature.

圖4 不同設(shè)定溫度下車廂內(nèi)溫度云圖

Fig.4 Temperature nephogram in carriage at different setting temperature

為衡量仿真值與實(shí)測值之間的偏差，分別采用均方根誤差（root mean square error，RMSE）和最大絕對誤差（maximum absolute error，MAE）判斷仿真結(jié)果的誤差范圍。計(jì)算方法如式（2）、式（3）所示。

車廂內(nèi)各測溫點(diǎn)的仿真值與實(shí)測值的對比如圖 6所示。由圖5、圖6可知，當(dāng)車廂內(nèi)設(shè)定溫度為0 ℃時(shí)，各點(diǎn)溫度的實(shí)測值與模擬值的規(guī)律基本一致，各點(diǎn)溫度在1～3 ℃間波動(dòng)，且實(shí)測值與模擬值的均方根誤差為0.7 ℃，最大絕對誤差為1.1 ℃。車廂內(nèi)設(shè)定溫度為-18 ℃時(shí)，各測溫點(diǎn)溫度在-15～-17 ℃之間波動(dòng)，實(shí)測值與模擬值的均方根誤差為0.8 ℃，最大絕對誤差為1.2 ℃，總體偏差合理，說明模型可用于模擬并分析該冷藏車車廂內(nèi)的溫度分布。

由試驗(yàn)結(jié)果知，設(shè)定溫度為0 ℃時(shí)，由于PCTSU與車廂內(nèi)溫度差較大，車廂降溫速度較快，約60 min左右車廂內(nèi)溫度由常溫降至設(shè)定值，之后趨于穩(wěn)定，各截面平均溫度為截面1<截面2<截面3，平均溫度分別為1.1、2.4及2.9 ℃，車廂內(nèi)平均溫度為2.1 ℃。設(shè)定溫度為-18 ℃時(shí)車廂內(nèi)溫度分布趨勢與0 ℃時(shí)相同，因PCTSU與車廂內(nèi)溫度差較設(shè)定溫度為0 ℃時(shí)更大，因此降溫時(shí)間約為90 min，待溫度穩(wěn)定后，截面1至截面3的平均溫度分別為-16.9、-15.5和-14.8 ℃，車廂內(nèi)平均溫度為-15.7 ℃。出現(xiàn)上述結(jié)果與截面1靠近送、回風(fēng)口和PCTSU，截面 2居中，截面3處于車輛尾部，送風(fēng)氣流較弱且車門存在滲風(fēng)等因素有關(guān)。截面1內(nèi)各測點(diǎn)的實(shí)測溫度略低于仿真值，而截面3內(nèi)各測點(diǎn)的實(shí)測溫度略高于仿真值。這是由于仿真條件一般偏理想狀態(tài)，而實(shí)際冷藏車廂的回風(fēng)口處不可避免地存在漏冷現(xiàn)象、車門處則存在漏熱（漏氣）現(xiàn)象造成的，這也可為新型蓄冷式冷藏車的改進(jìn)優(yōu)化提供了參考。

圖5 不同設(shè)定溫度下的車廂內(nèi)各測試截面平均溫度

圖6 不同設(shè)定溫度時(shí)各測點(diǎn)實(shí)測溫度與模擬溫度的對比

為評(píng)價(jià)車廂內(nèi)溫度穩(wěn)定性，引入溫度不均勻度系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，它表征了某一時(shí)刻車廂內(nèi)不同位置溫度值與平均溫度的偏差程度，計(jì)算方法如式（4）所示，值越大表示溫度均勻性越差[31]。對設(shè)定溫度為0 ℃時(shí)的溫度穩(wěn)定階段（試驗(yàn)后9 h）和設(shè)定溫度為-18 ℃時(shí)的溫度穩(wěn)定階段（試驗(yàn)后8.5 h）的溫度分布，分別計(jì)算各測試截面的溫度不均勻度系數(shù)，結(jié)果如圖7所示。

式中tj為測點(diǎn)j的溫度測量值，℃；為車廂內(nèi)平均溫度，℃。

由圖7可知，設(shè)定溫度為0 ℃時(shí)≤1.0，設(shè)定溫度為-18 ℃時(shí)≤0.4，而傳統(tǒng)蓄冷冷藏車的值最高達(dá)2.0以上[17]?？梢?，本文設(shè)計(jì)的新型蓄冷冷藏車的溫度分布穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)蓄冷冷藏車，值較傳統(tǒng)蓄冷冷藏車降低了50%以上。此外，由于新型蓄冷冷藏車在長時(shí)間運(yùn)行過程中無需進(jìn)行蒸發(fā)器融霜作業(yè)，其溫度穩(wěn)定性亦優(yōu)于同類型機(jī)械冷藏車。但是也應(yīng)看到，0 ℃的值較-18 ℃高，是由于PCM溫度較低，送風(fēng)溫差較大造成的，這也說明車廂送風(fēng)系統(tǒng)仍可進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。

將本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[17]中頂置式及部分頂置部分側(cè)置式蓄冷冷藏車車廂內(nèi)溫度場進(jìn)行比較可知，車廂內(nèi)的設(shè)定溫度分別為0和-18 ℃時(shí)，GU-PCM2型蓄冷車車的10 h車廂內(nèi)平均溫度分別在1.1～2.9 ℃和-14.8～-16.9 ℃之間波動(dòng)，波動(dòng)范圍為1.8和2.1 ℃。而傳統(tǒng)蓄冷冷藏車10 h車廂內(nèi)溫度在3～5 ℃之間波動(dòng)，本文所設(shè)計(jì)的蓄冷式冷藏車的平均溫度波動(dòng)較傳統(tǒng)蓄冷冷藏車降低了48.7%。此外，傳統(tǒng)蓄冷冷藏車的PCM溫度雖然一直維持在-18 ℃以下，但車廂內(nèi)溫度處在-9～-15 ℃之間，無法維持在-15 ℃以下，這對運(yùn)輸食品品質(zhì)不利，而GU-PCM2型蓄冷式冷藏車通過對車廂溫度進(jìn)行調(diào)控，較好地解決了這一問題。

3.3 車廂質(zhì)心計(jì)算與分析

蓄冷冷藏車車廂質(zhì)心受車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)及蓄冷裝置的質(zhì)量和安裝位置影響，如式（5）所示，根據(jù)合力矩定理，可計(jì)算得到車廂質(zhì)心高度。

式中y、y、y分別為車廂、車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)和蓄冷裝置質(zhì)心高度，m；m、m分別為車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)和蓄冷裝置質(zhì)量，kg。

為便于計(jì)算，視車廂為標(biāo)準(zhǔn)長方體，各面密度相等，其質(zhì)心與車廂幾何中心重合。若將360 kg蓄冷板掛于冷藏車廂頂部[17]，以車廂底部為基準(zhǔn)面，計(jì)算得到質(zhì)心高度為1.70 m。改為GU-PCM2型蓄冷冷藏車后，由于PCTSU置于車廂前端，蓄冷板均勻分布在PCTSU內(nèi)部。由杠桿定理可知，若干個(gè)均勻分布的幾何體可用懸掛在它們質(zhì)心處的質(zhì)點(diǎn)替代，故車廂質(zhì)心高度為車廂高度中點(diǎn)，即1.12 m。車廂質(zhì)心較之前下降25.9%。

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)并研制了一款集相變蓄冷單元、車載制冷系統(tǒng)、隔熱車廂、送風(fēng)系統(tǒng)等于一體的新型蓄冷冷藏車。該車蓄冷裝置獨(dú)立設(shè)置于車廂前端并保溫，蓄冷條利用夜間低谷電進(jìn)行充冷。當(dāng)車廂需要控溫時(shí)，通過送風(fēng)系統(tǒng)將冷量導(dǎo)出并調(diào)控，控溫范圍在-25～10 ℃之間。

2）構(gòu)建了蓄冷冷藏車仿真模型，結(jié)果表明，設(shè)定溫度為0和-18℃時(shí)，實(shí)測溫度與模擬溫度的均方根誤差分別為0.7和0.8 ℃，最大絕對誤差分別為1.1和1.2 ℃，總體偏差合理。所建立模型可較好地模擬車廂內(nèi)溫度分布，為研究提供便利。

3）樣車試驗(yàn)及仿真結(jié)果表明，當(dāng)車廂內(nèi)設(shè)定溫度為0和-18 ℃時(shí)，該蓄冷車可有效控溫10 h以上，車廂平均溫度分別在1.1～2.9 ℃和-14.8～-16.9 ℃之間波動(dòng)，波動(dòng)范圍為1.8和2.1 ℃，溫度不均勻度系數(shù)在1.0以內(nèi)。較傳統(tǒng)蓄冷冷藏車而言，該新型蓄冷冷藏車的平均溫度波動(dòng)值降低了48.7%，溫度不均勻度系數(shù)降低了50%以上；此外，車廂質(zhì)心較頂置式蓄冷車下降了25.9%，可在保證貨物品質(zhì)安全的同時(shí)有效降低運(yùn)輸能耗及成本。

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Design and no-load performance test of GU-PCM2 temperature controlled phase change storage refrigerator

Liu Guanghai1, Wu Junzhang1, Alan Foster2, Xie Ruhe1, Tang Haiyang1, Zou Yifeng1, Qu Ruigui3,4※

(1.,,510006,; 2.,,BS40 5DU,; 3.,510405,; 4.,410075,)

The existing phase change material (PCM) devices of PCM refrigerated truck are mostly arranged on the top of the carriage, which has the problems of high gravity center and uncontrollable temperature and so on. In view of the above problems, a new type refrigerated truck was designed in this paper, which integrated phase change thermal storage unit, refrigeration system, heat-insulated carriage, air supply system and so on. The cold storage device was set independently in the front of the truck and was insulated. PCM mass required for phase change thermal storage unit was 360 kg (the phase transition temperature is -30 ℃ and the latent heat of phase change is 175.3 kJ/kg), which used cheap electricity at night to store energy, when working, the temperature in carriage could be adjusted between -25-10 ℃. The simulation and tests of 2 working modes were carried out with the setting temperature of 0 and -18 ℃ in a refrigerated prototype. A computational fluid dynamics (CFD) simulation model of PCM refrigerated truck was built and the temperature field in carriage was simulated, the root mean square error and maximum absolute error between simulations and measurements of 2 working modes were 0.7 and 0.8 ℃, 1.1 and 1.2 ℃ respectively, the simulated temperature calculated by the simulation model agreed well with the measured temperature, and the measured temperature near the air outlet in the carriage was slightly lower than the simulation temperature, while the measured temperature near the rear section was slightly higher than the simulation temperature, this was due to the fact that the simulation data were generally in an ideal state, but the cold leak was unavoidable at the return air outlet of the actual refrigerated truck and the heat leak (air leak) at the door. The test results showed that the new type of PCM refrigerated truck proposed in this paper could effectively control the temperature more than 10 h on the basis of sufficient cold storage. The average temperature fluctuated between 1.1-2.9 ℃ and -14.8--16.9 ℃and the fluctuation ranges were 1.8 and 2.1 ℃under the 2 working modes. The lowest temperature in the carriage was located at the front of the carriage and close to both sides of the air outlet, the high temperature area was located at the top of the middle of the carriage and near the air inlet. The coefficient of temperature non-uniformity was less than 1.0 when the setting temperature in carriage was 0 ℃ and was less than 0.4 when the setting temperature in carriage was -18 ℃. In terms of cooling time, it took 60 minutes when the carriage was set to 0 ℃ and 90 minutes when the carriage was set to -18 ℃. The tested results showed that the average temperature fluctuation of the new type temperature controlled PCM refrigerated truck was 48.7% lower than that of the traditional PCM refrigeration truck, the coefficient of temperature non-uniformity was 50% lower, and the center of gravity was 25.9% lower than that of the overhead traditional PCM refrigeration truck. In addition, the temperature stability of the new type PCM refrigerated truck was better than that of the similar mechanical refrigerated truck because it didn’t need to defrost the evaporator during long-term operation. The new type PCM refrigerated truck can effectively reduce the transportation energy consumption and cost while guaranteeing the quality and safety of goods, and the research provided the basis for the optimization and application of the PCM refrigerated truck.

design; experiments; numerical analysis; phase-change cold storage; distribution of temperature; refrigerated truck

2018-09-11

2018-10-06

國家科技支撐計(jì)劃農(nóng)業(yè)領(lǐng)域項(xiàng)目（新型冷藏及保鮮運(yùn)輸技術(shù)與裝備/2013BAD19B01-1）；廣東省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（No.2017B020206006）

劉廣海，副教授，主要從事冷鏈物流裝備設(shè)計(jì)與運(yùn)用研究。Email：broadsea@gzhu.edu.cn

屈睿瑰，副教授，主要從事冷鏈物流裝備設(shè)計(jì)與運(yùn)用研究。Email：64855316@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.035

U272.5

A

1002-6819(2019)-06-0288-08

劉廣海，吳俊章，Alan Foster，謝如鶴，唐海洋，鄒毅峰，屈睿瑰. GU-PCM2型控溫式相變蓄冷冷藏車設(shè)計(jì)與空載性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(6)：288－295. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.035 http://www.tcsae.org

Liu Guanghai, Wu Junzhang, Alan Foster, Xie Ruhe, Tang Haiyang, Zou Yifeng, Qu Ruigui. Design and no-load performance test of GU-PCM2 temperature controlled phase change storage refrigerator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 288－295. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.035 http://www.tcsae.org