利用半導(dǎo)體制冷的新型冷藏車設(shè)計(jì)

姚成軍，黎偉嘉，侯少波，高麗宏

（1.廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué)廣東省海洋裝備及制造工程技術(shù)研究中心，廣東 湛江 524088；3.廣東博信達(dá)環(huán)境工程有限公司，廣東 珠海 519000）

目前冷藏車制冷系統(tǒng)多采用高速運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，存在耗電量高且運(yùn)行不可靠等問題。半導(dǎo)體制冷部件少、清潔無污染、無運(yùn)動(dòng)部件、穩(wěn)定性高、易于控制，與壓縮式制冷相比，不會(huì)有噪音、機(jī)械部件發(fā)生磨損等問題，也不需要設(shè)計(jì)配套的制冷劑管路，減少了系統(tǒng)部件，而且不存在制冷劑泄漏等問題。半導(dǎo)體制冷單個(gè)制冷片雖然制冷量較小，但可通過串、并聯(lián)的形式連接多個(gè)半導(dǎo)體制冷片，以增大其制冷能力，因此具有很廣的制冷范圍。金剛善[1]利用太陽(yáng)能電池板發(fā)電和小房間內(nèi)半導(dǎo)體器件的冷卻與加熱，解決了熱電堆組件的模塊化問題。徐娟娟等[2]對(duì)熱電制冷溫度控制系統(tǒng)開展研究。Xu等[3]設(shè)計(jì)了由太陽(yáng)能電池板、半導(dǎo)體熱電冷卻器和儲(chǔ)能裝置組成的系統(tǒng)模型，獲得了最大冷卻系數(shù)電壓。但目前半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)在冷藏車中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用鮮見報(bào)道。本研究設(shè)計(jì)了一款無需高速運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的制冷系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。將清潔的太陽(yáng)能用于冷藏車制冷，對(duì)無電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)的果蔬保鮮，以及我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要意義。

1 設(shè)計(jì)概況

本設(shè)計(jì)選用長(zhǎng)安跨越王X5（SC1031FRD67）普通運(yùn)輸車為基礎(chǔ)，將其改裝成深圳地區(qū)某超市冷藏運(yùn)輸車，日平均運(yùn)輸500 kg蘋果，冷藏溫度為0℃。整車具體參數(shù)為：整車質(zhì)量2.015 t，額定載重1.295 t，最大輸出功率82 kW，車身尺寸5.64 m×1.85 m×2.68 m,貨箱尺寸3.51 m×1.71 m×1.65 m。采用節(jié)能型的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，由太陽(yáng)能電池板和蓄電池供電。改裝后的冷藏車結(jié)構(gòu)如圖1所示，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖1 冷藏車結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawingof refrigerated truck

本設(shè)計(jì)的制冷系統(tǒng)芯片如圖2中的部件3所示，其結(jié)構(gòu)由水冷板、隔熱墊片、肋片式散熱器三部件組成。其中水冷板用于熱端冷卻。冷卻水將熱端熱量帶走，在空冷式散熱器中，再由空氣將熱量散發(fā)至環(huán)境大氣中。

圖2 冷藏車半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)Fig.2 Semiconductor refrigeration systemfor refrigerated truck

2 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 冷藏車廂傳熱系數(shù)計(jì)算

冷藏廂體與外界傳熱的對(duì)流換熱系數(shù)αk的計(jì)算公式如下[4]：

式中：V為環(huán)境氣流與行駛中車廂表面的相對(duì)流動(dòng)速度，取V=70 km/h=19.4 m/s；e為自然常數(shù)。

代入公式計(jì)算得αk=44.14 W/（m2·K）。由αk計(jì)算車廂外表面與環(huán)境氣流的換熱熱阻Rk=1/αk=0.022 7（m2·K）/W。取車廂內(nèi)表面與車廂內(nèi)部氣流的對(duì)流換熱系數(shù)αn=7.5 W/（m2·K），計(jì)算車廂內(nèi)表面與車廂內(nèi)部氣流的換熱熱阻Rn=1/αn=0.133（m2·K）/W。冷藏廂體絕熱層選用聚氨酯泡沫，厚度δ2為0.100 m，其兩側(cè)分別是厚度δ1為0.002 m的外殼不銹鋼板和厚度δ3為0.001 5 mm的內(nèi)膽不銹鋼板。車廂隔熱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱熱阻Rd計(jì)算公式如下：

式中：λ1、λ2、λ3分別為外殼不銹鋼板、聚氨酯、內(nèi)膽不銹鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)，λ1=14.5 W/（m2·K），λ2=0.027 W/（m2·K），λ3=14.5W/（m2·K）。

代入計(jì)算得：Rd=3.704（m2·K）/W。故車廂隔熱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)K計(jì)算公式如下：

代入公式計(jì)算得：K=0.259 1 W/（m2·K）。

2.2 冷藏車廂熱負(fù)荷計(jì)算

冷藏車廂熱負(fù)荷Q包括廂體漏熱量Q1、縫隙漏熱量Q2、太陽(yáng)輻射熱量Q3、貨物呼吸熱量Q4、開門漏熱量Q5、風(fēng)機(jī)運(yùn)行熱量Q6。

廂體漏熱量Q1的計(jì)算公式為[5]：

式中：K為0.259 1 W/（m2·K）；車廂內(nèi)、外部溫度t1、t2分別為0℃和30.1℃；廂體外表面面積S=29.223 m2。

代入公式計(jì)算得：Q1=227.91 W。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，縫隙漏熱量Q2的計(jì)算公式為：Q2=0.1×Q1，代入Q1得到Q2=22.791 W。

太陽(yáng)輻射進(jìn)入車廂的熱量Q3的計(jì)算公式為：Q3=（0.1～0.2）×Q1[5]。深圳地區(qū)取0.2，代入Q1得到：Q3=45.582 W。

蘋果的呼吸熱Q4的計(jì)算公式為[6]：

式中：G為蘋果運(yùn)貨量500 kg；q1為貨物冷卻初始溫度25℃時(shí)的呼吸熱量0.149 W/kg；q2表示貨物冷卻終止溫度0℃時(shí)的呼吸熱量0.010 7 W/kg。

計(jì)算得Q4=79.85 W。

冷藏車開門漏熱量Q5的計(jì)算公式[5]：

式中：n′為開門頻度次數(shù)0.25。

將Q1、Q3代入公式計(jì)算可得：Q5=68.373 W。

冷藏車在運(yùn)輸過程中，車廂內(nèi)的軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的熱量Q6計(jì)算公式為：

式中：P為冷藏車內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)額定功率，W；本設(shè)計(jì)所選用軸流風(fēng)機(jī)數(shù)量為2臺(tái)，運(yùn)行功率均為8.4 W；ζ表示熱轉(zhuǎn)化系數(shù)1；軸流風(fēng)機(jī)日平均有效運(yùn)行時(shí)間6 h，ρ為電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間系數(shù)0.25。

因此，本設(shè)計(jì)中冷藏車廂在運(yùn)輸冷藏貨物時(shí)的總冷負(fù)荷Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=448.706 W。冷藏車制冷系統(tǒng)選型時(shí)，在相應(yīng)冷藏車類別溫度下的制冷量應(yīng)不小于1.75倍的設(shè)備負(fù)荷[7]，故半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為785.24 W。

2.3 半導(dǎo)體制冷片設(shè)計(jì)選型

冷藏車廂內(nèi)部溫度為0℃，傳熱溫差2℃，熱電堆冷端溫度為-2℃。選用型號(hào)為TEC1-12706的半導(dǎo)體制冷片，該制冷片在最大制冷系數(shù)工況時(shí)的制冷量為14.235 W，選用數(shù)量為：設(shè)計(jì)冷負(fù)荷/最大制冷系數(shù)工況時(shí)的制冷量=785.24 W/14.24 W=55.14片，取整數(shù)56片。該型號(hào)半導(dǎo)體制冷片的外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為40 mm×40 mm×3.8 mm。其性能參數(shù)為：型號(hào)TEC1-12706，電堆數(shù)127，最大工作電壓16.0 V，最大工作電流6.1 A，最大溫差70℃，最大產(chǎn)冷功率61.4 W，最大制冷系數(shù)工況制冷量/散熱量為14.24 W/41.05 W。

2.4 半導(dǎo)體熱端冷卻

在本設(shè)計(jì)中半導(dǎo)體熱端冷卻的部分采用一個(gè)水冷系統(tǒng)，包括圖2中的空冷散熱器、儲(chǔ)水箱、水冷板等。以最大制冷系數(shù)工況計(jì)算，單片制冷片在設(shè)定的運(yùn)行工況下熱端發(fā)熱量為41.05 W,所選用的56片制冷片總發(fā)熱量為41.05×56=2 298.8 W。空冷散熱器選用一款翅片管式散熱器，其性能參數(shù)如下：材質(zhì)為不銹鋼鋁管，排數(shù)2，表面管長(zhǎng)78 mm，表面管數(shù)10個(gè)，散熱面積25.08 m2，質(zhì)量72 kg。

3 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型

3.1 太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型

本設(shè)計(jì)中半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)采用12 V供電系統(tǒng)，選用某廠家40W單晶太陽(yáng)能電池板，性能參數(shù)為：工作電壓17.0 V，工作電流2.8A，尺寸680 mm×520 mm×25 mm，質(zhì)量3.1 kg，工作溫度-45～85℃。

3.1.1 太陽(yáng)能電池串聯(lián)數(shù)的計(jì)算

太陽(yáng)能電池串聯(lián)數(shù)NS的計(jì)算公式為[8]：

式中：UOC為太陽(yáng)能電池最佳工作電壓17 V；Uf為蓄電池浮充電壓14 V；UD為二極管壓降0.7 V；UC為其他因素壓降1 V。

代入公式計(jì)算可得：NS=0.924，取整為1個(gè)。

3.1.2 太陽(yáng)能電池并聯(lián)數(shù)的計(jì)算

系統(tǒng)用電負(fù)載總耗電量包括：半導(dǎo)體制冷片日平均耗電量為6 114.276 W·h/d；軸流風(fēng)扇日平均耗電量為302.4 W·h/d；水泵日平均耗電量為57.6 W·h/d。日平均總耗電量QL為6 474.276 W·h/d。在12 V供電系統(tǒng)中可轉(zhuǎn)換為539.523 A·h/d。

太陽(yáng)能電池日平均發(fā)電量QP的計(jì)算[7]：

式中：IOC為電池最佳工作電流2.8 V；H為深圳地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)條件下的日平均太陽(yáng)輻射時(shí)間4.45 h；KOP為太陽(yáng)能電池斜面修正系數(shù)0.885；CZ為充電效率、灰塵、組合修正系數(shù)0.8。

代入公式計(jì)算可得：QP=8.822 A·h/d。

太陽(yáng)能電池并聯(lián)數(shù)NP的計(jì)算公式：

式中：QL為用電負(fù)載總耗電量539.523 A·h/d；QP為太陽(yáng)能電池日平均發(fā)電量8.822 A·h/d。

代入公式計(jì)算可得：NP=61.157，向上取整為62個(gè)。

3.1.3 太陽(yáng)能光伏板數(shù)量

太陽(yáng)能光伏板數(shù)量：N=Ns×Np=1×62=62，即太陽(yáng)能光伏板數(shù)量為62個(gè)。運(yùn)輸車廂廂頂面積為6.0021m2，選用的太陽(yáng)能電池板面積為0.353 6 m2，現(xiàn)有廂頂面積可裝設(shè)15個(gè)太陽(yáng)能電池板，將電池板并聯(lián)輸出，電池板陣列日平均發(fā)電功率為132.33 A·h/d，不能滿足制冷系統(tǒng)用電負(fù)載日平均用電量，因此需從蓄電池中調(diào)配電能供給制冷系統(tǒng)用電負(fù)載，以滿足制冷系統(tǒng)日平均運(yùn)行功耗。白天車輛運(yùn)行所消耗蓄電池的電能可在夜間不工作時(shí)利用市電進(jìn)行充電。太陽(yáng)能電池板布置圖如圖3所示。

圖3 冷藏車廂頂太陽(yáng)能電池板布置圖Fig.3 Layout of solar panels on refrigerated carriage roof

3.2 蓄電池設(shè)計(jì)選型

鉛酸蓄電池所需容量BC的計(jì)算公式[7]：

式中：A為安全系數(shù)1.1；QL為用電負(fù)載總耗電量539.523 A·h/d；NL為陰雨天無光照連續(xù)運(yùn)行時(shí)間1 d；TO為溫度修正系數(shù)1；CC為鉛酸蓄電池放電深度0.75。

代入公式計(jì)算可得：BC=791.300 4 A·h/d。選用4個(gè)型號(hào)為6-CN-250的鉛酸蓄電池，其額定電壓為12 V，額定容量250 A·h/10 hr，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為520 mm×269 mm×220 mm。

3.3 充放電控制器設(shè)計(jì)選型

充放電控制器選用型號(hào)為TS-MPPT-60L的太陽(yáng)能控制器，其性能參數(shù)表略。

4 溫度控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)是由電源供電模塊在對(duì)用電負(fù)載進(jìn)行供電時(shí)，溫度測(cè)量模塊把感應(yīng)到的溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，提供給單片機(jī)控制模塊進(jìn)行算法處理，而單片機(jī)控制模塊通過判斷溫度是否在冷藏車溫度區(qū)間內(nèi)，發(fā)出是否開啟制冷片制冷運(yùn)行狀態(tài)的指令，從而達(dá)到維持車廂內(nèi)溫度穩(wěn)定在冷藏溫度范圍內(nèi)的目的。

5 車廂內(nèi)溫度變化與制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間分析

根據(jù)車廂內(nèi)的總冷負(fù)荷448.706 W，選用56片TEC1-12706型半導(dǎo)體制冷片，能產(chǎn)生797.16 W總制冷量，兩者的差值為348.454 W。而制冷系統(tǒng)開始起動(dòng)時(shí)車廂內(nèi)溫度為環(huán)境溫度30.1℃，可計(jì)算出車廂內(nèi)環(huán)境溫度30.1℃降至冷藏溫度0℃所需的換熱量Q為1 087.99 kJ。當(dāng)裝載貨物時(shí)先對(duì)冷藏車廂進(jìn)行預(yù)冷，可計(jì)算出所需的預(yù)冷時(shí)間為22.747 min。當(dāng)車廂內(nèi)溫度比冷藏溫度0℃高出3℃時(shí)，開啟制冷系統(tǒng)制冷狀態(tài)，可計(jì)算車廂溫度由0℃升高至3℃時(shí)的時(shí)間2.383 min。而車廂內(nèi)部空氣由3℃降溫至0℃時(shí)的時(shí)間為3.068 min。即當(dāng)將車廂內(nèi)部溫度從0℃升高至3℃，又降至0℃時(shí)，這兩個(gè)過程的總時(shí)間為5.451 min。制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為4.503 h。加上載貨前對(duì)車廂的預(yù)冷運(yùn)行時(shí)間22.747 min，可得1 d內(nèi)總的制冷系統(tǒng)開機(jī)時(shí)間為4.882 h。

6 總結(jié)

本設(shè)計(jì)利用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng),可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電并直接供給半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷，該系統(tǒng)能夠較容易地控制供電電壓，從而控制半導(dǎo)體制冷過程，以此調(diào)控冷藏車廂溫度。由太陽(yáng)能發(fā)電供電給半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，具有節(jié)能、所用部件較少、穩(wěn)定性較高、更易于調(diào)控的特點(diǎn)。