冷藏車開門時車內溫濕度變化實驗研究

(廣州大學物流與運輸研究所 廣州 510006)

冷藏車是易腐產品短途運輸及配送的主要工具。在配送的過程中，冷藏車開門卸貨時，車廂內外空氣會進行熱濕交換，在較短的時間內改變車廂內的溫度，引起一系列的問題:1)溫度波動引起易腐食品冷耗增加，同時食品冷表面產生凝結水，均會使食品質量安全受到影響;2)增加制冷系統的負荷，增加制冷機組融霜的次數;3)在車廂門口處形成大量的凝結水，不利于裝卸。

目前，對于冷藏車開門過程的研究較為少見。在國外，C.P.Tso等人對一輛帶側開門的冷藏汽車進行了開門時空氣熱質交換的分析，但其對車內濕度變化關注不夠，濕度測點僅有一個，代表性不足[1]。多數外國學者的研究集中在與冷藏車有著相似性的微型冷庫方面。A.M.Foster利用示蹤氣體法對目前計算開門空氣滲入量的五個模型進行了驗證，指出空氣滲入量與門的型式、尺寸、相對位置、開度、冷庫的尺寸有很大的關系[2]，并給出了實驗測算方法[3]。P.Chen 等人在Tamn理論模型的基礎上對冷庫卷閘門和側滑門的開門情況下空氣的滲入率進行了實驗分析[4-5]。

國內的劉敬輝等人用CFD對外吸風式風幕機在冷藏車開門時的保溫性能進行了研究[6]。翟玉玲、謝晶等人則分別對不同送風型式下小型冷庫開門過程進行了模擬[7-8]。由于冷藏車型式多樣，目前還缺少對其大量的實證研究;對于開門過程中濕度變化也未引起足夠的重視。

在我國，每年約有4億噸生鮮農產品進入流通領域，而機械式冷藏車保有量約為20000輛，冷藏運輸能力有待提高[9]。同時，中小噸位的冷藏車配送是冷鏈運輸環節中的薄弱之處，經常出現客戶需求量小，一車供應點多的情況[6]。這些情況使得冷藏車停車開門頻率增加，內部溫度變化較大，食品品質難以得到保證。經過調查發現，大多數冷藏配送車輛在實際運輸過程中開門卸貨時主要存在以下幾點問題:1)不采用有效的保溫措施，如懸掛PVC門簾、裝載風幕機等;2)由于操作不當，開門時間過長，通過門的漏熱嚴重;3)開門時不關閉制冷機組，形成車內空氣與外界空氣的強制對流，耗能嚴重。

針對以上情況，在理論分析的基礎上，設計了分組實驗，研究幾種不同條件下冷藏車開關門引起的溫度變化狀況，并進行了分析。

1 熱質交換分析

當冷藏車停車開門時，車外高溫氣體通過門進入車廂內，與車廂內的空氣、冷表面進行換熱，其所攜帶的水蒸氣在冷表面凝結;同時，車廂內的低溫氣體也通過門流入外界。其中高溫空氣與冷表面的對流換熱量(E3)、水蒸氣凝結所放出的潛熱(E4)被冷表面所吸收。那么整個開門過程中，忽略外界通過圍護結構導熱傳入的熱量及輻射傳入的熱量，車廂內空氣熱質交換的能量方程可表示為:

式中:Ei、Ef分別為初、終狀態下車廂內空氣的能量;E1為由外界空氣滲入所攜帶的能量;E2為車廂內空氣滲出所攜帶的能量;E3為車廂內冷表面通過對流換熱吸收的顯熱量;E4為車廂內冷表面吸收的水蒸氣凝結熱量。

圖1 冷藏車開門時車廂內外空氣質能變化Fig.1 Changes of the air inside and outside of the refrigerated truck while the door is open

這一過程是車內外空氣在熱壓作用下通過單開口(車門)進行熱質交換的過程。在此過程中，E1、E2與空氣的滲入(出)量G、車內外溫差ΔT及含濕量D有關。設H為門的高度，中和面距門下緣的高度為hm，中和面將門口分為上下兩個部分1和2，開門時時，空氣從上側1部分流入，從下次2部分流出，如圖1所示。自然對流通風量Gin=Gout[10]:

式中:μ1、μ2為門口1、2部分對應的流量系數;ρin、ρo為車廂內外空氣密度，kg/m3;Ti、To為車廂內外空氣干球溫度，K;Gin為空氣滲入量，kg/s;F為冷藏車門口面積，m2;Ks為與大氣壓相關的系數，(Pa·K)/m，Ks=ρgT，T為開氏溫度。

對于E3、E4，由對流換熱公式及凝結放熱過程可知:

式中:hc為對流換熱系數，;A為車廂內部冷表面面積，m2;為空氣的平均溫度，，℃;ti為冷表面溫度，取為車廂內初始狀態時空氣溫度，℃;tf為車廂內終狀態空氣溫度，℃;mc，w為凝結的水蒸氣質量，kg;r為水蒸汽凝結放出的潛熱量，取冷表面溫度即ti對應下的值，kJ/kg。在此熱質交換過程中，潛熱交換最為劇烈，而熱空氣與冷表面的自然對流換熱量與之相比差兩個數量級以上，即E3?E4[11]。E4部分作為潛熱釋放，對于較短時間內的車內空氣溫升影響極小。這兩部分能量均被車內冷表面吸收，通過延遲對關門后車內冷負荷產生影響。

對于固定車型及尺寸，在車門全開時，式(2)中F、μ均為定值。因此，車廂內空氣溫度的升高主要與空氣流入量G、內外溫度差ΔT、以及開門時長θ有關。

圖2 冷藏單元相關尺寸及測點截面位置Fig.2 The size of the refrigeration unit and the location of the cross-section position with the measuring point

2 實驗裝置與方法

實驗基于廣州大學物流與運輸研究所的冷藏運輸條件仿真實驗臺進行[12]。該實驗臺由兩部分組成，一部分是外部環境模擬，可以模擬不同溫度、濕度的外部環境;一部分是內部冷藏運輸模擬單元，其尺寸如圖2所示，內部保溫材料為聚氨酯發泡，單元板壁厚度為100mm。實驗在冷藏運輸模擬單元內部布置了24個溫度度探頭，3個溫濕度探頭，其余為溫度探頭，其放置位置如圖3所示，記錄數據的間隔為15s一次。針對實際情況，在冷藏車空載時對8種不同狀況下分別進行開門3min與開門6min的實驗，見表1。為了簡化條件，實驗中外部環境空氣設定干球溫度為30℃，相對濕度65%;車門開啟狀態均為全開。

圖3 溫濕度傳感器在截面上的分布Fig.3 The distribution of temperature and humidity sensors on the cross-section

表1 實驗中各因素組合狀況Tab.1 The cases of combination factors in the experiment

3 實驗結果分析

圖4、圖5分別是開門時長為6min時，1～4、5～8狀況下的車廂內空氣平均溫度變化狀。圖6、圖7分別為開門3min時，1～4、5～8狀況下車廂內平均空氣溫度變化狀況。

圖4 開門6min狀況1～4的車廂內空氣平均溫度變化Fig.4 The variations of average temperature in the truck in cases1 to 4 with the door opened for 6min

通過實驗發現，在車門打開后，車廂內外空氣立即進行劇烈的熱質交換，車廂內空氣平均溫度迅速升高;而在關門同時，立即開啟制冷機組，車廂內空氣的平均溫度又逐漸回落。表2是開門期間，不同狀況下車廂內空氣平均溫度的回升狀況。

圖5 開門6min狀況5～8的車廂內空氣平均溫度變化Fig.5 The variations of average temperature in the truck in cases 5 to 8 with the door opened for 6min

無門簾、制冷機組關閉的情況(狀況1、5)，不同的開門時長所對應的車廂內空氣平均相對濕度變化如圖8所示。

圖6 開門3min狀況1～4的車廂內空氣平均溫度變化Fig.6 The variations of average temperature in the truck in cases 1 to 4 with the door opened for 3min

圖7 開門3min狀況5～8的車廂內空氣平均溫度變化Fig.7 The variations of average temperature in the truck in cases 5 to 8 with the door opened for 3min

開門后，車廂內空氣平均相對濕度迅速升高，達到露點狀態。初始狀態下車廂內外空氣溫差對相對濕度升高的速率較大。大溫差情況下，車廂內空氣相對濕度達到露點狀態較慢。隨著開門時間的增加及車廂內空氣與初始狀態的溫差(t-ti)的逐漸增大，車廂內空氣相對濕度增速減小，這三個因素之間的關系如圖9所示。

表2 開門期間溫度回升所達到的峰值Tab.2 The peak value of the temperature during the door-opened time

圖8 車廂內空氣平均相對濕度變化Fig.8 The variations of average humidity in the truck in cases 1 and 5 within different opening time

圖9 車廂內空氣平均溫度、平均相對濕度與開門時長之間的關系Fig.9 The relationship between the average temperature，average humidity in the truck and the opening time

4 結論與展望

通過理論分析與實驗結果可以得到以下結論:

1)冷藏車停車開門時，車廂內外空氣的溫度差是影響車內空氣溫升的最主要因素，而車內外空氣的相對濕度則是次要因素。

2)較大的初始溫差，會使開門時車內空氣溫升速率較快，相對濕度增加的速率較慢，空氣中的水蒸氣在冷表面凝結量較多。

3)采用塑料門簾可以在冷藏車開門時的取得良好的保溫效果，并且車廂內外空氣初始溫差越大，開門時間越長，保溫效果越明顯。

4)在開門過程中，不停止制冷機組對于冷藏車內部空氣溫升的抑制作用不大，因此無論是否懸掛門簾均應建議關閉制冷機。

對于冷藏車開門過程中空氣熱質交換的實驗研究，還應當從以下方面進行進一步的研究:

1)在不同載重狀態下，開門過程中空氣熱質交換對車廂內平均溫度、平均相對濕度的影響。

2)開門過程中，車廂內不同位置的溫度變化狀況及其可能對貨物產生的影響。

3)實際過程中，由于冷藏車的型式、開門方式、內外溫差、內外壓差等條件的不同而對于空氣的熱質交換產生不同影響，需要根據實際條件進行分析。

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