李 斌 沈 昊 郭嘉明 魏鑫鈺 呂恩利 袁江濤

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642； 2.廣州好高冷科技有限公司， 廣州 510620)

0 引言

冷鏈運輸是冷鏈環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，對保障食品品質(zhì)和安全起著重要作用[1-2]。蓄冷控溫箱將蓄冷技術(shù)與隔熱技術(shù)有機結(jié)合，具有環(huán)保、經(jīng)濟節(jié)能、安全可靠等優(yōu)點，是一種高效的冷鏈物流運輸工具，它主要由控溫箱體和蓄冷板組成[3-5]。按能源供應(yīng)方式，蓄冷控溫箱可以分為有源型和無源型，無源型低溫配送一般通過相變蓄冷材料釋放冷量、維持低溫環(huán)境，無需額外能量，且使用方便，因此，蓄冷運輸越來越受到市場青睞[6-7]。

隔熱箱體材料的選擇直接影響控溫箱的隔熱性能和內(nèi)部溫度控制[8]，陳海洋等[9]研究了使用真空絕熱板作為控溫材料的可行性，其導(dǎo)熱系數(shù)低于傳統(tǒng)控溫材料6～10倍，還具有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點[10-12]。相變蓄冷劑的選擇對蓄冷控溫箱運輸性能有一定影響[1]，SIDIK等[13]從熱力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、經(jīng)濟性、物理性質(zhì)等方面闡述了選擇蓄冷劑應(yīng)遵循的原則。KOZAK等[14]提出將絕緣材料與相變材料相結(jié)合，證明存在最佳的絕緣厚度使蓄冷劑的熔化時間最大化，從而延長產(chǎn)品的運輸時間。王達等[15]針對傳統(tǒng)控溫材料控溫性能不足的問題，提出真空絕熱板和聚氨酯復(fù)合結(jié)構(gòu)蓄冷控溫箱，并建立傳熱模型，計算了控溫時間。文獻[16-17]通過平均保冷時間評價蓄冷控溫箱空載與負載的控溫性能，并對比了蓄冷板不同擺放位置對保冷性能的影響。宋海燕等[18]研究了不同蓄冷劑質(zhì)量對控溫箱內(nèi)溫度場的影響。

目前，國內(nèi)外相變蓄冷型控溫箱運輸時間一般不超過48 h，存在控溫困難、易過冷、信息透明化程度低等缺點[19-20]。本文設(shè)計一款蓄冷運輸箱，采用真空絕熱板與聚氨酯板組成的復(fù)合隔熱箱體、高潛熱值相變蓄冷劑及自主研發(fā)的智能控制系統(tǒng)，以期實現(xiàn)長時間的蓄冷控溫運輸和運輸全程信息透明化。

1 能耗模型

現(xiàn)有冷藏箱和有源蓄冷冷藏箱都配備壓縮機組，冷量來源于壓縮機組或充冷后的蓄冷模塊，運輸途中壓縮機組可提供冷量補給。無源蓄冷箱的冷源完全由蓄冷劑提供，因此，建立貨物運輸過程能耗模型，計算蓄冷劑使用量來匹配運輸時長是保證貨物運輸品質(zhì)的重要手段。

貨物運輸過程能耗模型基于以下假設(shè)建立：蓄冷控溫過程中箱內(nèi)各處溫度隨時間均勻變化；控溫箱體結(jié)構(gòu)傳熱簡化為一維傳熱；由于箱體結(jié)構(gòu)由多種隔熱材料復(fù)合構(gòu)成，計算時簡化為多層材料沿厚度方向疊加而成，且箱體同一表面材料具有相同物理性能，即忽略材料厚度的不均勻性[21]。

蓄冷控溫箱體結(jié)構(gòu)隔熱性能[22-23]計算式為

(1)

(2)

(3)

式中Rw——蓄冷控溫箱體結(jié)構(gòu)熱阻，m2·K/W

λj——各層傳熱材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

xj——各層材料厚度，m

α1——控溫箱內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

α2——控溫箱外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

αi——控溫箱壁面與空氣對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

v——控溫箱內(nèi)外空氣流速，m/s

Ki——箱體各面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

通過內(nèi)外環(huán)境溫差、泄漏及太陽輻射傳入箱內(nèi)熱量計算式為[24-26]

(4)

Q2=fQ1

(5)

(6)

(7)

(8)

tr=tw+20

式中Q1——通過蓄冷控溫箱體隔熱材料傳入的熱量，W

n——蓄冷控溫箱面序號，n=1，2，…，6

Q2——通過縫隙泄漏空氣傳入的熱量，W

Q3——太陽輻射傳入的熱量，W

tw——外環(huán)境空氣溫度，℃

tn——蓄冷控溫箱內(nèi)平均空氣溫度，℃

Ai——蓄冷控溫箱總傳熱比表面積，m2

Ai1——蓄冷控溫箱總外表面積，m2

Ai2——蓄冷控溫箱總內(nèi)表面積，m2

K——箱體平均傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

f——空氣泄漏系數(shù)，根據(jù)蓄冷控溫箱氣密性取0.1～0.2

A3——蓄冷控溫箱受太陽輻射面積，一般取總面積30%～50%，m2

tr——箱體表面受太陽輻射的溫度，℃

τf——每晝夜受太陽輻射的時間，h

風(fēng)機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量計算式為

Q4=Nψε

(9)

式中Q4——風(fēng)機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，W

N——風(fēng)機的額定功率，W

ψ——熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，取1

ε——風(fēng)機運轉(zhuǎn)時間系數(shù)，取1[27]

開門傳熱耗冷量計算式為

Q5=mQ1

(10)

式中Q5——開門傳熱耗冷量，W

m——開門頻率系數(shù)，運輸途中不開門為0.25，開門1～5次為0.5，開門6～10次為0.75，開門11～15次為1

箱體預(yù)冷降溫耗冷量計算式為

Q6=mcCc(tc-tf)

(11)

式中Q6——箱體預(yù)冷降溫耗冷量，W

mc——箱體質(zhì)量，kg

Cc——箱體材料比熱容，J/(kg·K)

tc——箱體初始溫度，℃

tf——箱體預(yù)冷后溫度，℃

箱內(nèi)裝載貨物的呼吸熱量計算式為

(12)

式中Q7——箱內(nèi)裝載貨物的呼吸熱量，W

G——控溫箱內(nèi)貨物質(zhì)量，t

H——控溫箱內(nèi)貨物的呼吸熱，J/(t·d)

控溫運輸過程，由外界傳入箱內(nèi)的總熱負荷Q0可表示為

Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7

(13)

根據(jù)熱平衡原理，外界傳入箱內(nèi)的總熱負荷等于一定質(zhì)量蓄冷劑所釋放的冷能。蓄冷板總冷量計算包括蓄冷劑固體顯熱、相變潛熱及液體顯熱，計算公式為[28]

(14)

式中cs——蓄冷劑固態(tài)比熱容，J/(kg·K)

cl——液態(tài)比熱容，J/(kg·K)

T1——蓄冷劑初始溫度，℃

TM——相變溫度，℃

Tf——相變結(jié)束溫度，℃

M——蓄冷劑使用質(zhì)量，kg

ΔhM——蓄冷劑潛熱，J/g

蓄冷劑使用量可表示為

(15)

2 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 無源蓄冷控溫箱結(jié)構(gòu)

無源蓄冷控溫箱主要由隔熱箱體、蓄冷板、內(nèi)循環(huán)風(fēng)道及控制系統(tǒng)組成，箱體內(nèi)部分為保鮮區(qū)、蓄冷區(qū)、內(nèi)循環(huán)風(fēng)道及控制區(qū)，如圖1所示。

圖1 無源蓄冷控溫箱二維圖Fig.1 Two-dimensional views of cold storage temperature control box1.保鮮區(qū) 2.隔熱箱體 3.風(fēng)機 4.風(fēng)道 5.蓄冷板 6.蓄冷區(qū) 7.控制區(qū)

隔熱箱體控溫層中間以25 mm厚真空絕熱板(Vacuum insuliation panel, VIP)作為核心控溫層，兩側(cè)黏貼30 mm厚高密度硬質(zhì)聚氨酯(Polyurethane，PU)，組成復(fù)合結(jié)構(gòu)，內(nèi)外蒙皮采用2 mm玻璃纖維增強復(fù)合塑料(Glass fiber reinforced plastics, GFRP)，物性參數(shù)如表1所示。

表1 控溫箱材料物性參數(shù)Tab.1 Material property parameters of insulation box

根據(jù)建立的無源蓄冷控溫箱能耗模型及箱體控溫層物性參數(shù)，得到在外環(huán)境平均溫度30℃的條件下，維持箱內(nèi)溫度2～8℃區(qū)間內(nèi)120 h，外界傳入箱內(nèi)的總熱負荷約為6.16×104kJ。采用相變點為-15℃，潛熱為339.2 kJ/kg的高效蓄冷劑作為冷源時，需要的蓄冷劑質(zhì)量約為163.3 kg。為更有效地利用蓄冷區(qū)空間，在保證蓄冷板有效釋冷的前提下，將蓄冷板設(shè)計成1 m×0.03 m×0.2 m(24條)、1 m×0.04 m×0.2 m(12條)2種規(guī)格，分別裝有蓄冷劑質(zhì)量4、7 kg，共計180 kg，蓄冷板水平間距、上下間距分別為8、15 mm。

保鮮區(qū)與蓄冷區(qū)通過內(nèi)循環(huán)風(fēng)道連通，內(nèi)循環(huán)風(fēng)道由2個送風(fēng)道和2個回風(fēng)道組成，保鮮區(qū)風(fēng)道末端設(shè)有變頻風(fēng)機，風(fēng)機截面尺寸為120 mm×120 mm?？刂茀^(qū)設(shè)有電源、控制器和人機交互界面，連接傳感器及風(fēng)機等執(zhí)行機構(gòu)，各功能區(qū)具體參數(shù)如表2所示。

表2 箱體功能區(qū)參數(shù)Tab.2 Box function area parameters mm

2.2 控制系統(tǒng)組成與功能

蓄冷控溫箱智能控制系統(tǒng)是一套可獨立應(yīng)用在蓄冷運輸領(lǐng)域的軟硬件信息平臺，系統(tǒng)根據(jù)功能分為時鐘模塊、數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)模塊、人機交互界面、傳感設(shè)備(溫濕度傳感器)、執(zhí)行設(shè)備(風(fēng)機)、記錄統(tǒng)計、遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測備份等部分，各模塊之間關(guān)系及功能如圖2所示，主控制器通過內(nèi)置的時鐘芯片(RTC)、異步串行接口(UART)、通用輸入/輸出接口(GPIO)，以及外置的閃存(FLASH)、風(fēng)機、溫度傳感器等外設(shè)，實現(xiàn)蓄冷控溫箱內(nèi)置設(shè)備故障診斷、溫濕度參數(shù)實時獲取、風(fēng)機實時運行、數(shù)據(jù)實時存儲及下載等無線通信和遠程控制功能。

圖2 智能控制系統(tǒng)組成與功能框圖Fig.2 Composition and function of intelligent control system

Web端遠程監(jiān)測管理系統(tǒng)采用Tomcat作為Web應(yīng)用服務(wù)器，用戶登錄進入Web端遠程監(jiān)測管理系統(tǒng)頁面，主界面包含“查看環(huán)境參數(shù)”、“查看設(shè)備位置”、“查看執(zhí)行器開關(guān)狀態(tài)”、“查看傳感器工作狀態(tài)”、“遠程控制”等功能選項。點擊“查看環(huán)境參數(shù)”選項后即可進入實時監(jiān)測界面，如圖3所示。在界面左上角輸入節(jié)點ID號可查詢該從節(jié)點監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)，點擊左下角“下載數(shù)據(jù)”可獲取對應(yīng)從節(jié)點的歷史數(shù)據(jù)記錄。界面下側(cè)輸入翻頁數(shù)可在線查詢?nèi)繗v史數(shù)據(jù)記錄。Web端的應(yīng)用實現(xiàn)系統(tǒng)跨平臺功能，用戶只需借助上網(wǎng)設(shè)備即可實時查看當(dāng)前及歷史環(huán)境信息。

圖3 系統(tǒng)Web端數(shù)據(jù)監(jiān)測界面Fig.3 Data monitoring interface of system Webpage

2.3 工作原理

圖4 溫度控制工作原理圖Fig.4 Working principle of temperature control

箱體停運期間，將蓄冷板取出放入冷庫，利用夜間低價峰谷電對其集中充冷。運輸時，將充分蓄冷的冷板放入蓄冷區(qū)，設(shè)置好保鮮溫度后風(fēng)機運行，溫度控制邏輯如圖4a所示。蓄冷區(qū)中間被底部留有風(fēng)口的隔板隔開，進風(fēng)道將保鮮區(qū)熱空氣吸入蓄冷區(qū)左側(cè)，在風(fēng)機的壓力下，熱空氣經(jīng)隔板底部進入蓄冷區(qū)右側(cè)，熱空氣自下而上與蓄冷板充分熱交換后，通過出風(fēng)道將冷空氣由蓄冷區(qū)帶到貨物區(qū)，溫度控制過程如圖4b所示。基于以上控制策略，在保證箱內(nèi)貨物品質(zhì)的前提下，降低箱體能耗及運行成本。

3 材料與方法

3.1 試驗材料

根據(jù)設(shè)計方案，由廣東信源物流設(shè)備有限公司協(xié)助，試制了一臺智能化蓄冷控溫運輸箱。真空隔熱板、蓄冷材料由廣州暉能環(huán)保材料有限公司生產(chǎn)；聚氨酯板由漳州福建鉅隆板業(yè)有限公司生產(chǎn)。箱內(nèi)外環(huán)境溫度由德國賀利氏產(chǎn)鉑電阻PT100測得，量程為-60～300℃，精度為±0.15℃。箱內(nèi)試驗物料為臍橙，購于廣州江南果蔬批發(fā)市場。

3.2 試驗方法

控溫時長、溫度均勻性是保證貨物品質(zhì)一致的前提，本文對箱內(nèi)溫度區(qū)間為2～8℃的工況，開展控溫箱內(nèi)控溫時長、溫度分布均勻性測試。

試驗于室外空曠無遮擋的環(huán)境中進行，試驗前將蓄冷板置于-20℃冷庫中充分充冷，試驗開始時將蓄冷板擺放至蓄冷區(qū)，保鮮區(qū)放置44箱660 kg預(yù)冷至(7±1)℃的新鮮臍橙作為試驗物料，溫度傳感器布置方式如圖5所示。

圖5 傳感器測點示意圖Fig.5 Schematic of sensor measuring points

4 結(jié)果與分析

4.1 溫度場測試結(jié)果

在室外條件下，對蓄冷控溫箱進行溫度場測試試驗，試驗時長為2 d，外環(huán)境平均溫度29.3℃，溫度場測試結(jié)果如圖6所示。由圖可知，主控測點溫度全程均高于其他測點溫度，是因為其傳感器置于箱體壁面，且距離出風(fēng)口最遠，同時也說明采用主控測點作為控制器執(zhí)行控溫依據(jù)的可靠性，即保證了箱體其他位置的溫度不超過8℃，以免造成貨物變質(zhì)；當(dāng)然，箱內(nèi)其他位置溫度低于主控溫度可能會造成過冷對貨物品質(zhì)不利，因此，實際運輸可通過適當(dāng)提高溫度下限設(shè)置或蓄冷量以防止貨物低溫冷害；隨著蓄冷量的減少，箱內(nèi)溫度控制區(qū)間也逐漸縮小，控溫下限逐漸升高，直至冷量釋放完全，說明可通過改變蓄冷量、蓄冷條初始溫度來改變箱內(nèi)溫度[5]，使其控制在貨物所需溫度區(qū)間。

圖6 溫度場測試結(jié)果Fig.6 Temperature field test results

為評價車廂內(nèi)溫度均勻性，引入溫度不均勻系數(shù)S和溫度極差R作為評價指標(biāo)。溫度不均勻系數(shù)S表征了某一時刻蓄冷箱內(nèi)不同位置溫度與平均溫度的偏差程度，溫度極差R表征箱內(nèi)溫度變動的最大范圍，S、R越大表示溫度均勻性越差[29]，計算式為

(16)

R=tmax-tmin

(17)

式中tk——節(jié)點k的溫度測量值，℃

n1——溫度傳感器序號，n1=1,2,…,27

tmax——同一時刻下所有溫度測點最大值，℃

tmin——同一時刻下所有溫度測點最小值，℃

圖7 溫度不均勻系數(shù)、極差變化曲線Fig.7 Change graph of uneven coefficient and temperature extreme value

溫度不均勻系數(shù)、極差變化曲線如圖7所示，截面1、截面2、截面3的溫度不均勻系數(shù)平均值分別為0.38、0.47、0.78，而傳統(tǒng)蓄冷車的溫度不均勻系數(shù)高達2.0以上[30]；27個監(jiān)測點溫度極差平均值為1.8℃，最大值為2.8℃，溫度波動范圍較小。可見，該無源蓄冷控溫箱溫度場分布均勻性較好，優(yōu)于傳統(tǒng)冷藏車。

由圖6、7可知，風(fēng)機開啟控溫過程中，箱內(nèi)各截面溫度不均勻系數(shù)、溫度極差都會迅速增大，由大到小為截面3、截面2、截面1，S最大為2.47；控溫結(jié)束后，溫度不均勻系數(shù)、極差會逐漸減小，S一般維持在0.5以下，均勻性較好，可能是因為風(fēng)機開啟控溫后，保鮮區(qū)空氣經(jīng)與蓄冷條熱交換降溫再引入保鮮區(qū)，擾亂箱內(nèi)氣流同時溫差增大，且距離出風(fēng)口越遠，受影響越小，圖8為箱內(nèi)瞬時溫度云圖，由圖8可看出風(fēng)機啟停對溫度場的影響。

圖8 瞬時溫度云圖Fig.8 Cloud diagrams of temperature control and temperature rise

4.2 控溫時長測試結(jié)果

圖9為控溫時長測試結(jié)果，總控溫時長122 h，蓄冷劑用量180 kg(滿載)，外環(huán)境平均溫度為26.39℃。由圖可得，箱體相對濕度穩(wěn)定性較好，全程穩(wěn)定在80%左右，風(fēng)機開啟后濕度會出現(xiàn)短時間驟降，是因為保鮮區(qū)空氣遇到低溫蓄冷板冷凝液化導(dǎo)致濕度降低，風(fēng)機停止后，由于臍橙呼吸蒸騰作用，箱內(nèi)濕度再次上升。

外環(huán)境溫度波動對于風(fēng)機控溫頻率也有較大影響，如在15～30 h、90～110 h時，外環(huán)境溫度高，內(nèi)外溫差變大，箱體傳熱增加，導(dǎo)致箱內(nèi)溫度升高較快，即曲線斜率變大，風(fēng)機調(diào)控頻繁，同時隨著蓄冷冷量的減少，箱內(nèi)空氣與冷板換熱效率降低，降溫速率也相應(yīng)下降。

圖9 控溫時長測試結(jié)果Fig.9 Test results of heat preservation duration

本次試驗風(fēng)機調(diào)控21次，每次調(diào)控時間變化如圖10所示，統(tǒng)計了每次風(fēng)機控溫時，箱內(nèi)空氣溫度從8℃分別下降到7、6℃所用時間，由圖10可得，風(fēng)機每次降溫所用時間整體呈指數(shù)函數(shù)上升趨勢，擬合效果較好，決定系數(shù)R2不小于0.928 0，可能是因為隨著冷量的減少，空氣與冷板溫差變小，換熱效率降低，導(dǎo)致降溫速率減小，風(fēng)機控溫時間延長。綜上，箱內(nèi)空氣降溫速度主要取決于蓄冷量，冷量越少，降溫越慢；箱內(nèi)空氣升溫主要取決于外環(huán)境溫度，外環(huán)境溫度越高，升溫速率越快。

圖10 風(fēng)機降溫時長變化曲線Fig.10 Trend of fan cooling time

4.3 能耗模型實際應(yīng)用

蓄冷劑作為無源蓄冷控溫運輸箱唯一冷源，其質(zhì)量決定箱內(nèi)控溫時間，用量過多會造成冷源浪費，用量過少會造成冷鏈中斷，影響貨物品質(zhì)，所以，根據(jù)天氣情況及運輸時間合理確定蓄冷劑用量有重要意義。

圖11 蓄冷劑質(zhì)量與外環(huán)境溫度和控溫時間關(guān)系Fig.11 Relationship between quality of coolant and ambient temperature and temperature control duration

根據(jù)能耗模型，計算箱體所需蓄冷劑質(zhì)量與外環(huán)境溫度及控溫時間的關(guān)系，并利用Matlab作圖。如圖11所示，根據(jù)現(xiàn)有蓄冷區(qū)設(shè)計可容納180 kg蓄冷劑，以廣州7月平均氣溫28.4℃為例，其用量可在室外條件下維持低溫5 d以上，當(dāng)然也可以更換潛熱值更大的蓄冷劑滿足更長時間的控溫運輸需要；對于短距離運輸，蓄冷劑用量50 kg即可滿足1 d的控溫要求，因此，實際運輸時，根據(jù)兩地運輸距離及天氣情況確定運輸時間及溫度，合理選擇蓄冷劑用量，保障貨物品質(zhì)的同時也能避免能源浪費。

5 結(jié)論

(1)針對長時間蓄冷運輸問題，采用真空絕熱板及聚氨酯板為核心控溫材料，設(shè)計了集控溫、遠程監(jiān)控、定位、故障診斷等功能于一體的智能化蓄冷運輸箱，該運輸箱利用夜間峰谷電對蓄冷材料進行蓄冷，運輸時，通過風(fēng)機強化保鮮區(qū)空氣與蓄冷板對流換熱，使保鮮區(qū)空氣溫度維持在設(shè)定范圍內(nèi)。

(2)以主控測點溫度作為控制系統(tǒng)執(zhí)行依據(jù)可保證箱內(nèi)各點溫度不超過設(shè)定范圍，各截面溫度不均勻系數(shù)分別為0.38、0.47、0.78，溫度極差最大為2.8℃，均勻性優(yōu)于傳統(tǒng)蓄冷車。當(dāng)蓄冷劑用量為180 kg，預(yù)冷臍橙660 kg，在外部環(huán)境平均溫度為26.39℃的條件下，總控溫時長122 h，期間，風(fēng)機共執(zhí)行控溫21次，隨著蓄冷量的減少，風(fēng)機每次降溫所用時間整體呈指數(shù)上升趨勢，擬合效果較好，決定系數(shù)不小于0.928 0。箱內(nèi)空氣降溫主要取決于蓄冷量，蓄冷量越少，降溫越慢；箱內(nèi)空氣升溫主要取決于外部環(huán)境的溫度，外部環(huán)境溫度越高，升溫速率越快。

(3)基于能耗模型，根據(jù)兩地運輸距離及天氣情況確定運輸時間及溫度，并計算合適的蓄冷劑用量。根據(jù)現(xiàn)有蓄冷區(qū)設(shè)計，可容納180 kg蓄冷劑，其用量可在廣州夏季高溫條件下維持5 d以上，對于短距離運輸，蓄冷劑用量50 kg即可滿足1 d的控溫要求。