蓄冷式多溫區(qū)保溫箱系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究

(1 上海海事大學蓄冷技術(shù)研究所 上海 201306；2 北京市農(nóng)林科學院蔬菜研究中心 北京 100097)

我國每年約有4億噸生鮮食品進入市場，食品在冷鏈物流中的腐敗變質(zhì)是一個棘手的問題[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年在冷鏈損耗中損失金額已超過750億元，與發(fā)達國家相比我國冷鏈物流運輸水平差距甚遠[2]。在食品的種植采購、加工運輸及配送至消費者等環(huán)節(jié)中，采用全程控溫的模式以保證生鮮品質(zhì)是有效的解決手段[3-6]。機械壓縮式制冷技術(shù)仍是當前冷鏈物流運輸中的主要方法。但在冷鏈物流朝著輕量化、多樣化、節(jié)能化方向發(fā)展的前提下，機械壓縮式制冷系統(tǒng)存在能耗高、機組復雜等問題[7]。相變蓄冷技術(shù)采用蓄冷劑將冷量儲存，在生鮮果蔬保質(zhì)過程中釋放[8-9]。將蓄冷技術(shù)應用于冷鏈物流不僅可以利用峰谷電價差提高經(jīng)濟性，還可利用相變溫度維持恒定保溫區(qū)間達到了保證生鮮果蔬品質(zhì)的目的[9-11]。

蓄冷保溫箱是20世紀80年代初期從發(fā)達國家發(fā)展起來的一種高效物流技術(shù)[12]，其耐冷耐熱耐用、環(huán)保密封、尺寸靈活、保溫性能優(yōu)良及配載形式靈活成為疫苗運輸?shù)膬?yōu)質(zhì)運輸設(shè)備之一，是短途運送和果蔬保鮮的有效工具。蓄冷保溫箱是一種絕熱密封箱體，配備冰袋或冰盒等蓄冷材料來維持箱內(nèi)低溫，無需制冷就能實現(xiàn)長時間保冷，完成果蔬的冷鏈配送。徐笑鋒等[13]研究了一種基于十水硫酸鈉蓄冷材料的果蔬冷鏈物流蓄冷保溫箱，載貨情況下可有效保鮮約9.63 h。陳文樸等[14]研發(fā)了一種甲酸鈉蓄冷保溫箱體系，可維持箱內(nèi)-10 ℃的低溫環(huán)境長達13 h。李細霞等[15]設(shè)計了一種可拆卸式物流箱，并利用有限元分析法對比了不同厚度保溫層的漏熱系數(shù)。張秋玉等[16]設(shè)計了一種針對評估冷鏈運輸?shù)男罾涫奖叵?，在室?5 ℃時可有效保冷56 h，且平菇品質(zhì)變化較小。

在實際冷鏈物流運輸中，存在很多零擔物流造成資源浪費，大大降低了經(jīng)濟性。為彌補傳統(tǒng)冷鏈物流不能“混裝”的缺陷，多溫區(qū)運輸設(shè)備成為當今的研究熱點[17]。劉廣海等[18]構(gòu)建了多溫區(qū)冷藏車模型，分析了滲風對內(nèi)部溫度場的影響。趙秀紅等[18]設(shè)計了一種機械壓縮式多溫區(qū)恒溫箱，并利用FLUENT對其溫度場進行模擬計算。

本文根據(jù)不同物流配送溫區(qū)，將自主研發(fā)的蓄冷材料與真空絕熱板技術(shù)耦合，組成多溫區(qū)冷鏈物流運輸裝備。冷藏裝備帶有GPRS無線遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可通過手機端遠程實時了解運輸產(chǎn)品的溫度變化。利用產(chǎn)品供應規(guī)范驗證設(shè)備(good supply practice，GSP)建立保溫箱溫度測試系統(tǒng)，驗證該蓄冷保溫箱的可行性。研究成果解決了零擔物流與多溫共配的問題，降低物流成本并精確控溫，保證果蔬品質(zhì)，為蓄冷保溫箱的進一步優(yōu)化、設(shè)計及蓄冷技術(shù)在果蔬冷鏈物流中的深入研究和應用提供參考。

1 設(shè)計方案

考慮實際應用中運輸貨物數(shù)量的不同，設(shè)計了兩種尺寸不同、溫區(qū)不同的冷藏裝備。一種為大型蓄冷裝備(裝備1)，設(shè)3個溫區(qū)，用于運輸量大的果蔬等產(chǎn)品，可應用于鐵路、公路等渠道運輸；另一種為小型蓄冷式冷藏箱(裝備2)，設(shè)兩個溫區(qū)，用于配送量少的果蔬等生鮮產(chǎn)品，也可用于醫(yī)藥疫苗配送，及公路、鐵路、航空等渠道運輸。

圖1所示為裝備1的結(jié)構(gòu)，其外部尺寸為1 560 mm×860 mm×760 mm，內(nèi)部尺寸為1 450 mm×750 mm×650 mm，儲存容積為680 L，維護結(jié)構(gòu)的保溫材料主要為聚氨酯和真空絕熱板，內(nèi)外表面均有厚度為2.5 mm的鍍鋅鐵板。裝備1設(shè)3個溫區(qū)，不同溫區(qū)之間用厚度為30 mm的真空絕熱板隔開，真空絕熱板與滑槽之間設(shè)有滾輪，實現(xiàn)不同溫區(qū)的空間大小自由變換，在實際應用中可以根據(jù)運輸產(chǎn)品數(shù)量來調(diào)整各溫區(qū)的大小，圖2所示為滑槽和隔溫板的結(jié)構(gòu)。裝備1的兩側(cè)設(shè)有凹槽，方便運輸過程人工搬運或機器吊裝。不同溫區(qū)設(shè)有溫度實時監(jiān)控儀以監(jiān)測箱內(nèi)溫度變化。

圖1 裝備1的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of equipment 1

圖2 滑槽和隔溫板的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural diagram of chute and thermal insulation board

圖3 裝備2的結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of equipment 2

裝備2的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其外部尺寸為360 mm×360 mm×690 mm，設(shè)2個溫區(qū)，每個溫區(qū)內(nèi)部尺寸為30 mm×30 mm×30 mm，儲存容積為16 L。維護結(jié)構(gòu)的材料為真空絕熱板，厚度為30 mm，真空絕熱板的外部套有厚度為5 mm的聚丙烯保溫結(jié)構(gòu)以減少散熱。圖4所示為多溫區(qū)蓄冷保溫箱。

圖4 多溫區(qū)蓄冷保溫箱Fig.4 Multi-temperature insulation box

對冷藏裝備內(nèi)的各溫區(qū)采用GPS定位溫度遠程監(jiān)控，通過遠程數(shù)據(jù)傳輸，用戶可在手機客戶端實時觀測裝備內(nèi)的溫度變化。

2 相變蓄冷材料的研制

實驗采用的C8H16O2(正辛酸)、C14H28O2(肉豆蔻酸)、C6H7KO2(山梨酸鉀)等化學品均由國藥由國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)提供，純度為分析純。相變潛熱值由差示掃描量熱儀DSC(200F3型，溫度精度<0.1 ℃、熱焓精度<0.1%)測得，導熱系數(shù)由Hot Disk(TPS2500型，精度<2 %)測得。

采用高低溫交變箱對改性后低溫相變材料進行20、50、100循環(huán)，設(shè)置高低溫交變箱的溫度段為-50～50 ℃，循環(huán)周期為50 min。低溫相變材料循環(huán)后差示掃描量熱儀(DSC)測試其熔化溫度和潛熱值。

裝備1設(shè)有3個溫區(qū)，從左至右分別為溫區(qū)1、溫區(qū)2、溫區(qū)3。溫區(qū)1為常溫區(qū)，用于運輸不需要冷藏的干燥食品；溫區(qū)2的冷藏溫度為7～10 ℃，可用于冷藏苦瓜、冬瓜、南瓜、山藥等蔬菜；溫區(qū)3的冷藏溫度為-3～-1 ℃，可用于冷藏菠菜、芹菜、蘋果、椰子等果蔬。冷藏裝備采用自主研發(fā)的相變蓄冷材料，按照不同溫區(qū)的需求研制出不同溫度段的相變材料(phase change material，PCM)。

PCM1：87% C8H16O2(正辛酸)+13% C14H28O2(肉豆蔻酸)。

正辛酸和肉豆蔻酸均為飽和脂肪酸相變材料，無過冷度、穩(wěn)定性好。經(jīng)過多次實驗配比，確定以87% C8H16O2+13% C14H28O2為相變材料，利用DSC測量相變性能，利用低溫恒溫槽測量步冷曲線，利用Hot Disk測量導熱系數(shù)。實驗結(jié)果如圖5、圖6所示，數(shù)據(jù)表明材料的相變溫度為7.1 ℃，相變潛熱為146.1 J/g，無過冷度，相變平臺穩(wěn)定，導熱系數(shù)為0.283 2 W/(m·K)。經(jīng)100次凍融循環(huán)后，材料的相變溫度為7.5 ℃，相變潛熱為145.1 J/g，相變溫度和相變潛熱變化較小，該有機復合相變材料的循環(huán)穩(wěn)定性良好，具有良好的應用價值。

圖5 PCM1循環(huán)前后DSC熔化曲線Fig.5 DSC of before and after PCM1 100 cycles

圖6 PCM1循環(huán)前后步冷曲線Fig.6 Cooling curve of before and after PCM1 100 cycles

PCM2：H2O+0.03 g/mL C6H7KO2(山梨酸鉀)。

若采用純水作為蓄冷劑，存在較大過冷度，影響蓄冷效果。山梨酸鉀常被用作食品防腐劑，應用于果蔬保鮮等領(lǐng)域，無毒環(huán)保。在水中添加一定濃度的山梨酸鉀可以消除水的過冷度，降低水的相變溫度，并提高其潛熱值。利用DSC測量相變性能，利用低溫恒溫槽測量步冷曲線，利用Hot Disk測量導熱系數(shù)。實驗結(jié)果如圖7、圖8所示，H2O+0.03 g/mL C6H7KO2的相變溫度為-2.5 ℃，相變潛熱為256.2 J/g，導熱系數(shù)為0.942 7 W/(m·K)，相變平臺穩(wěn)定，蓄放熱過程良好。經(jīng)100次熔化凝固循環(huán)后，材料的相變溫度和相變潛熱分別為-2.9 ℃和236.8 J/g，波動范圍較小，循環(huán)穩(wěn)定性良好。

圖7 PCM2循環(huán)前后DSC熔化曲線Fig.7 DSC of before and after PCM2 100 cycles

圖8 PCM2循環(huán)前后步冷曲線Fig.8 Cooling curve of before and after PCM2 100 cycles

3 理論計算

3.1 漏熱系數(shù)測試

參考GB/T 7392—1998對冷藏裝備的漏熱進行測試。蓄冷保溫箱的漏熱系數(shù)測試主要是對箱體結(jié)構(gòu)的合理性和箱體隔熱材料的絕熱保溫性能進行研究分析。蓄冷保溫箱隔熱性能越好，因箱體傳熱造成的冷量損失就越少，蓄冷保溫箱在要求的溫度范圍內(nèi)維持的時間就越長，能起到節(jié)約能源、減少排放的效果[19]。漏熱系數(shù)檢測選用內(nèi)部加熱法進行。由于被保冷產(chǎn)品具有種類不同及物性復雜的特征，難以用統(tǒng)一的參數(shù)在理論計算模型中表征，所以理論計算中未考慮被保冷產(chǎn)品自身吸收的熱量。以多溫區(qū)蓄冷保溫箱1為例，對其漏熱系數(shù)進行計算。

冷藏裝備的漏熱系數(shù)U(W/K)為：

(1)

(2)

式中：U為總的漏熱系數(shù)，W/K；Ut為漏熱系數(shù)，W/K；Q為保溫箱內(nèi)加熱器和風扇所耗總功率之和，W；ti為箱內(nèi)平均溫度，K；tθ為箱外平局溫度，K；ti、tθ記為每個測試記錄間隔結(jié)束時各溫度點測量值的算術(shù)平均值。

實驗測得U=17.83 W/K。

保溫箱的整體傳熱系數(shù)按式(3)計算：

(3)

式中：K為保溫箱整體傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為傳熱面積，m2；λ為箱體尾部結(jié)構(gòu)的當量導熱系數(shù)，W/(m·K)；δ為箱體圍護結(jié)構(gòu)厚度，m。

經(jīng)計算得到蓄冷保溫箱整體的傳熱系數(shù)和圍護結(jié)構(gòu)的當量導熱系數(shù)：K=3.15 W/(m2·K)；λ=0.173 W/(m·K)。

3.2 蓄冷量計算

蓄冷劑在蓄冷保溫箱的應用中，冷板內(nèi)蓄冷劑的填充量是影響箱內(nèi)有效溫度范圍的一個重要因素。蓄冷板內(nèi)的填充量按式(6)估算[20]：

(6)

式中：X為蓄冷劑質(zhì)量，kg；H為蓄冷劑相變潛熱，kJ/kg；T為保冷時間，h；t2為保溫箱外溫度，K；t1為保溫箱內(nèi)保冷溫度，K；n為保溫箱開門次數(shù)，不開門n=1。

裝備1為3個溫區(qū)，每個溫區(qū)的尺寸為450 mm×750 mm×650 mm，溫區(qū)1為常溫區(qū)，不放相變材料；溫區(qū)2采用正辛酸-肉豆蔻酸復合相變材料，相變溫度為7.1 ℃，相變潛熱為146.1 J/g；溫區(qū)3采用山梨酸鉀-水復合相變材料，相變溫度為-2.5 ℃，相變潛熱為256.2 J/g。裝備2分為2個溫區(qū)，溫區(qū)1采用正辛酸-肉豆蔻酸復合相變材料；溫區(qū)2采用山梨酸鉀-水復合相變材料。測試過程保溫箱門不打開，以室外環(huán)境溫度為25 ℃計算。計算結(jié)果如表1所示。

表1 蓄冷劑使用量Tab.1 Refrigerant usage

4 實驗驗證

相變材料制備完成后，裝在聚乙烯蓄冷板中，然后放在低溫箱中進行蓄冷，充冷溫度設(shè)置為-20 ℃。裝備1使用的蓄冷板尺寸為315 mm×200 mm×25 mm，裝備2使用的蓄冷板尺寸為250 mm×250 mm×25 mm。蓄冷板和箱體通過防水雌雄貼粘合，實現(xiàn)可靈活拆卸，方便二次使用。在裝備1的溫區(qū)二、溫區(qū)三的四面及底部放置蓄冷板，在最頂部覆蓋一層厚度為2 cm的真空絕熱板，減少冷量損失，如圖9所示。

圖9 實驗裝置Fig.9 Experimental device

利用溫度監(jiān)控設(shè)備來監(jiān)控冷藏裝備內(nèi)的溫度變化，如圖10所示。溫度測試系統(tǒng)包括GSP驗證儀主機、無線溫濕度傳感器(溫濕度RFID卡片)、中繼器及驗證云平臺。驗證儀主機通過中繼器接收無線溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)并實時顯示，方便用戶在實際使用過程中實時監(jiān)測溫濕度并及時對不合理的點位作出分析和調(diào)整。溫濕度RFID卡片的測溫范圍為-40～80 ℃，精度為±0.5 ℃；Agilent 34972A型數(shù)據(jù)采集儀，每次采集時間為1 s；T型熱電偶，精度為±0.5 ℃，熱響應時間為0.4 s；中繼器可以增加無線傳輸距離；驗證云平臺可通過客戶端轉(zhuǎn)換采集到的數(shù)據(jù)并生成報告方便用戶分析。溫度傳感器置于每個溫度區(qū)的中心處，測量溫度變化。

圖10 溫度監(jiān)控裝置Fig.10 Temperature monitoring device

圖11所示為裝備1的溫度監(jiān)控曲線，監(jiān)控時間為放入蓄冷板后的20 h，測量時環(huán)境溫度為25 ℃。由圖11可以看出，由于受隔壁溫區(qū)的影響，常溫區(qū)的溫度低于環(huán)境溫度約3～5 ℃，但不影響常溫區(qū)產(chǎn)品的儲存。溫區(qū)2 相變材料的相變溫度為7.1 ℃，釋放顯熱的時間約在30 min，隨后材料發(fā)生相變，相變過程箱的溫度在7～9 ℃之間，持續(xù)了約13 h，略小于理論值，從第14 h開始溫區(qū)2內(nèi)的溫度開始上升。溫區(qū)3相變材料的相變溫度為-2.5 ℃，顯熱釋放的時間約為40 min，相變過程維持箱內(nèi)的溫度約在-2～0 ℃，維持時間為14 h，略高于溫區(qū)2的時間。

圖11 裝備1溫度監(jiān)控曲線Fig.11 Equipment 1 temperature monitoring curve

圖12所示為裝備2的溫度監(jiān)控曲線，溫區(qū)1顯熱降溫時間約為1 h，相變過程箱內(nèi)的溫度為7～8 ℃，持續(xù)了約19 h；溫區(qū)2的顯熱降溫時間約為2 h，相變過程箱內(nèi)溫度約為0 ℃，持續(xù)了約16 h。

圖12 裝備2溫度監(jiān)控曲線Fig.12 Equipment 2 temperature monitoring curve

由實驗結(jié)果可知，實際保冷時間均小于理論計算值，因為冷藏裝備存在縫隙造成一定的冷量耗散，但誤差在可接受范圍內(nèi)。實際上，可以根據(jù)產(chǎn)品的運輸路程長短或運輸時間來配置蓄冷材料的質(zhì)量，確保產(chǎn)品始終處于所需的低溫環(huán)境中。

5 結(jié)論

本文配置了兩種相變材料，并結(jié)合真空絕熱板技術(shù)，設(shè)計多溫區(qū)冷鏈物流運輸裝備，針對多溫區(qū)蓄冷保溫箱進行理論計算。在常溫下，對相變材料進行充冷并布置在蓄冷保溫箱內(nèi)，進行溫度測試實驗研究，得出如下結(jié)論：

1)相變材料87% C8H16O2(正辛酸)+13% C14H28O2(肉豆蔻酸)的相變溫度為7.1 ℃，相變潛熱為146.1 J/g，導熱系數(shù)為0.283 2 W/(m·K)；相變材料H2O+0.03 g/mL C6H7KO2的相變溫度為-2.5 ℃，相變潛熱為256.2 J/g，導熱系數(shù)為0.942 7 W/(m·K)。且兩種蓄冷材料經(jīng)過100次循環(huán)后性能穩(wěn)定，無過冷，相變平臺穩(wěn)定。

2)設(shè)計大型蓄冷裝備，共設(shè)3個溫區(qū)，其外部尺寸為1 560 mm×860 mm×760 mm，內(nèi)部尺寸為1 450 mm×750 mm×650 mm，儲存容積約為680 L；設(shè)計小型蓄冷式冷藏箱，共設(shè)2個溫區(qū)，外部尺寸為360 mm×360 mm×690 mm，每個溫區(qū)內(nèi)部尺寸為30 mm×30 mm×30 mm，儲存容積為16 L。兩種多溫區(qū)蓄冷保溫箱整體傳熱系數(shù)均為3.15 W/(m2·K)。

3)多溫區(qū)蓄冷保溫箱可有效維持恒定低溫，保障冷鏈物流運輸中果蔬品質(zhì)。裝備1中溫區(qū)2的溫度在7～9 ℃之間，持續(xù)了約13 h；溫區(qū)3的相變過程維持箱內(nèi)溫度約在-2～0 ℃，維持時間為14 h，較溫區(qū)2保冷時間增長7.7%。裝備2中溫區(qū)1相變過程溫度為7～8 ℃，持續(xù)了約19 h；溫區(qū)2相變過程的溫度為0 ℃，保冷約16 h，較溫區(qū)1降低了15.8%。