無源蓄冷控溫運輸箱設計與試驗

李 斌 沈 昊 郭嘉明 魏鑫鈺 呂恩利 袁江濤

(1.華南農業大學工程學院， 廣州 510642； 2.廣州好高冷科技有限公司， 廣州 510620)

0 引言

冷鏈運輸是冷鏈環節的關鍵，對保障食品品質和安全起著重要作用[1-2]。蓄冷控溫箱將蓄冷技術與隔熱技術有機結合，具有環保、經濟節能、安全可靠等優點，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，其導熱系數低于傳統控溫材料6～10倍，還具有體積小、質量輕的優點[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]從熱力學性質、化學性質、經濟性、物理性質等方面闡述了選擇蓄冷劑應遵循的原則。KOZAK等[14]提出將絕緣材料與相變材料相結合，證明存在最佳的絕緣厚度使蓄冷劑的熔化時間最大化，從而延長產品的運輸時間。王達等[15]針對傳統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合結構蓄冷控溫箱，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量對控溫箱內溫度場的影響。

目前，國內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]。本文設計一款蓄冷運輸箱，采用真空絕熱板與聚氨酯板組成的復合隔熱箱體、高潛熱值相變蓄冷劑及自主研發的智能控制系統，以期實現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的重要手段。

貨物運輸過程能耗模型基于以下假設建立：蓄冷控溫過程中箱內各處溫度隨時間均勻變化；控溫箱體結構傳熱簡化為一維傳熱；由于箱體結構由多種隔熱材料復合構成，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]。

蓄冷控溫箱體結構隔熱性能[22-23]計算式為

(1)

(2)

(3)

式中Rw——蓄冷控溫箱體結構熱阻，m2·K/W

λj——各層傳熱材料導熱系數，W/(m·K)

xj——各層材料厚度，m

α1——控溫箱內表面傳熱系數，W/(m2·K)

α2——控溫箱外表面傳熱系數，W/(m2·K)

αi——控溫箱壁面與空氣對流傳熱系數，W/(m2·K)

v——控溫箱內外空氣流速，m/s

Ki——箱體各面傳熱系數，W/(m2·K)

通過內外環境溫差、泄漏及太陽輻射傳入箱內熱量計算式為[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——外環境空氣溫度，℃

tn——蓄冷控溫箱內平均空氣溫度，℃

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——蓄冷控溫箱總內表面積，m2

K——箱體平均傳熱系數，W/(m2·K)

f——空氣泄漏系數，根據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

風機運轉產生的熱量計算式為

Q4=Nψε

(9)

式中Q4——風機運轉產生的熱量，W

N——風機的額定功率，W

ψ——熱轉換系數，取1

ε——風機運轉時間系數，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，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

箱體預冷降溫耗冷量計算式為

Q6=mcCc(tc-tf)

(11)

式中Q6——箱體預冷降溫耗冷量，W

mc——箱體質量，kg

Cc——箱體材料比熱容，J/(kg·K)

tc——箱體初始溫度，℃

tf——箱體預冷后溫度，℃

箱內裝載貨物的呼吸熱量計算式為

(12)

式中Q7——箱內裝載貨物的呼吸熱量，W

G——控溫箱內貨物質量，t

H——控溫箱內貨物的呼吸熱，J/(t·d)

控溫運輸過程，由外界傳入箱內的總熱負荷Q0可表示為

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

(13)

根據熱平衡原理，外界傳入箱內的總熱負荷等于一定質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——蓄冷劑固態比熱容，J/(kg·K)

cl——液態比熱容，J/(kg·K)

T1——蓄冷劑初始溫度，℃

TM——相變溫度，℃

Tf——相變結束溫度，℃

M——蓄冷劑使用質量，kg

ΔhM——蓄冷劑潛熱，J/g

蓄冷劑使用量可表示為

(15)

2 整體結構與工作原理

2.1 無源蓄冷控溫箱結構

無源蓄冷控溫箱主要由隔熱箱體、蓄冷板、內循環風道及控制系統組成，箱體內部分為保鮮區、蓄冷區、內循環風道及控制區，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 2.隔熱箱體 3.風機 4.風道 5.蓄冷板 6.蓄冷區 7.控制區

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，兩側黏貼30 mm厚高密度硬質聚氨酯(Polyurethane，PU)，組成復合結構，內外蒙皮采用2 mm玻璃纖維增強復合塑料(Glass fiber reinforced plastics, GFRP)，物性參數如表1所示。

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

根據建立的無源蓄冷控溫箱能耗模型及箱體控溫層物性參數，得到在外環境平均溫度30℃的條件下，維持箱內溫度2～8℃區間內120 h，外界傳入箱內的總熱負荷約為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，需要的蓄冷劑質量約為163.3 kg。為更有效地利用蓄冷區空間，在保證蓄冷板有效釋冷的前提下，將蓄冷板設計成1 m×0.03 m×0.2 m(24條)、1 m×0.04 m×0.2 m(12條)2種規格，分別裝有蓄冷劑質量4、7 kg，共計180 kg，蓄冷板水平間距、上下間距分別為8、15 mm。

保鮮區與蓄冷區通過內循環風道連通，內循環風道由2個送風道和2個回風道組成，保鮮區風道末端設有變頻風機，風機截面尺寸為120 mm×120 mm。控制區設有電源、控制器和人機交互界面，連接傳感器及風機等執行機構，各功能區具體參數如表2所示。

表2 箱體功能區參數Tab.2 Box function area parameters mm

2.2 控制系統組成與功能

蓄冷控溫箱智能控制系統是一套可獨立應用在蓄冷運輸領域的軟硬件信息平臺，系統根據功能分為時鐘模塊、數據傳輸單元(DTU)模塊、人機交互界面、傳感設備(溫濕度傳感器)、執行設備(風機)、記錄統計、遠程數據監測備份等部分，各模塊之間關系及功能如圖2所示，主控制器通過內置的時鐘芯片(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)、風機、溫度傳感器等外設，實現蓄冷控溫箱內置設備故障診斷、溫濕度參數實時獲取、風機實時運行、數據實時存儲及下載等無線通信和遠程控制功能。

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

Web端遠程監測管理系統采用Tomcat作為Web應用服務器，用戶登錄進入Web端遠程監測管理系統頁面，主界面包含“查看環境參數”、“查看設備位置”、“查看執行器開關狀態”、“查看傳感器工作狀態”、“遠程控制”等功能選項。點擊“查看環境參數”選項后即可進入實時監測界面，如圖3所示。在界面左上角輸入節點ID號可查詢該從節點監測到的實時數據，點擊左下角“下載數據”可獲取對應從節點的歷史數據記錄。界面下側輸入翻頁數可在線查詢全部歷史數據記錄。Web端的應用實現系統跨平臺功能，用戶只需借助上網設備即可實時查看當前及歷史環境信息。

圖3 系統Web端數據監測界面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，設置好保鮮溫度后風機運行，溫度控制邏輯如圖4a所示。蓄冷區中間被底部留有風口的隔板隔開，進風道將保鮮區熱空氣吸入蓄冷區左側，在風機的壓力下，熱空氣經隔板底部進入蓄冷區右側，熱空氣自下而上與蓄冷板充分熱交換后，通過出風道將冷空氣由蓄冷區帶到貨物區，溫度控制過程如圖4b所示。基于以上控制策略，在保證箱內貨物品質的前提下，降低箱體能耗及運行成本。

3 材料與方法

3.1 試驗材料

根據設計方案，由廣東信源物流設備有限公司協助，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保材料有限公司生產；聚氨酯板由漳州福建鉅隆板業有限公司生產。箱內外環境溫度由德國賀利氏產鉑電阻PT100測得，量程為-60～300℃，精度為±0.15℃。箱內試驗物料為臍橙，購于廣州江南果蔬批發市場。

3.2 試驗方法

控溫時長、溫度均勻性是保證貨物品質一致的前提，本文對箱內溫度區間為2～8℃的工況，開展控溫箱內控溫時長、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，保鮮區放置44箱660 kg預冷至(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 結果與分析

4.1 溫度場測試結果

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，外環境平均溫度29.3℃，溫度場測試結果如圖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，且距離出風口最遠，同時也說明采用主控測點作為控制器執行控溫依據的可靠性，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；當然，箱內其他位置溫度低于主控溫度可能會造成過冷對貨物品質不利，因此，實際運輸可通過適當提高溫度下限設置或蓄冷量以防止貨物低溫冷害；隨著蓄冷量的減少，箱內溫度控制區間也逐漸縮小，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溫度[5]，使其控制在貨物所需溫度區間。

圖6 溫度場測試結果Fig.6 Temperature field test results

為評價車廂內溫度均勻性，引入溫度不均勻系數S和溫度極差R作為評價指標。溫度不均勻系數S表征了某一時刻蓄冷箱內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、極差變化曲線Fig.7 Change graph of uneven coefficient and temperature extreme value

溫度不均勻系數、極差變化曲線如圖7所示，截面1、截面2、截面3的溫度不均勻系數平均值分別為0.38、0.47、0.78，而傳統蓄冷車的溫度不均勻系數高達2.0以上[30]；27個監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，優于傳統冷藏車。

由圖6、7可知，風機開啟控溫過程中，箱內各截面溫度不均勻系數、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；控溫結束后，溫度不均勻系數、極差會逐漸減小，S一般維持在0.5以下，均勻性較好，可能是因為風機開啟控溫后，保鮮區空氣經與蓄冷條熱交換降溫再引入保鮮區，擾亂箱內氣流同時溫差增大，且距離出風口越遠，受影響越小，圖8為箱內瞬時溫度云圖，由圖8可看出風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 控溫時長測試結果

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

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

圖9 控溫時長測試結果Fig.9 Test results of heat preservation duration

本次試驗風機調控21次，每次調控時間變化如圖10所示，統計了每次風機控溫時，箱內空氣溫度從8℃分別下降到7、6℃所用時間，由圖10可得，風機每次降溫所用時間整體呈指數函數上升趨勢，擬合效果較好，決定系數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，導致降溫速率減小，風機控溫時間延長。綜上，箱內空氣降溫速度主要取決于蓄冷量，冷量越少，降溫越慢；箱內空氣升溫主要取決于外環境溫度，外環境溫度越高，升溫速率越快。

圖10 風機降溫時長變化曲線Fig.10 Trend of fan cooling time

4.3 能耗模型實際應用

蓄冷劑作為無源蓄冷控溫運輸箱唯一冷源，其質量決定箱內控溫時間，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，所以，根據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 蓄冷劑質量與外環境溫度和控溫時間關系Fig.11 Relationship between quality of coolant and ambient temperature and temperature control duration

根據能耗模型，計算箱體所需蓄冷劑質量與外環境溫度及控溫時間的關系，并利用Matlab作圖。如圖11所示，根據現有蓄冷區設計可容納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，保障貨物品質的同時也能避免能源浪費。

5 結論

(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，設計了集控溫、遠程監控、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，通過風機強化保鮮區空氣與蓄冷板對流換熱，使保鮮區空氣溫度維持在設定范圍內。

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

(3)基于能耗模型，根據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。根據現有蓄冷區設計，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。