流通環境對液氮充注蓄冷配送箱保溫性能的影響

夏晶晶，王飛仁，王廣海，林詩濤，任俊杰，郭嘉明,3

流通環境對液氮充注蓄冷配送箱保溫性能的影響

夏晶晶1,2，王飛仁1,2，王廣海1,2，林詩濤2，任俊杰2，郭嘉明2,3

（1.廣東機電職業技術學院，廣州 510515；2.華南農業大學工程學院，廣州 510642；3.嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室茂名分中心，廣東 茂名 525000）

為了提高液氮充注蓄冷配送箱在流通過程中的保溫性能，保證配送品質。搭建配送箱流通環境模擬試驗平臺，研究不同外界風速、外界溫度和振動頻率對蓄冷配送箱內空氣溫度變化和溫度場分布的影響。試驗結果表明，當外界風速增大時，箱體內部環境的升溫速度也會增大；外界溫度對液氮充注完畢后箱內最低溫度產生較大影響，箱體內部空氣最低溫度隨外界溫度降低而降低，同時始終在運輸過程中維持較低的溫度，箱體內溫度場均勻性先提高后降低；振動對箱體內部環境的升溫速度影響較大，而隨著振動頻率增大，箱體內部的溫度場均勻性變差。該研究可為蓄冷運輸配送設備的設計與優化提供參考。

蓄冷；配送箱；保溫性能；流通環境；液氮；振動

金槍魚營養價值高，為保證金槍魚的品質，需要在?50 ℃以下的溫度進行運輸[1]。液氮充注蓄冷配送箱將液氮冷量存儲于相變材料（Phase Change Material，PCM）中，在運輸過程中緩慢釋放冷量保持箱內溫度，具有節能、環保、冷卻快等優點[2-4]。但配送箱在運輸過程中，車輛行駛時產生的振動，外界溫度和風速都可能影響其保溫性能[5-7]。因此，開展運輸過程對配送箱保溫性能和溫度場影響的研究具有必要性。

目前針對在流通環境下的配送箱保溫性能研究，主要集中于研究箱體內貨物的品質變化情況。胡云峰等[8]研究了不同振動頻率對箱體中蒜薹品質的影響。周然等[9]研究了運輸過程中因振動對箱體中的哈密瓜的抗氧化保護系統的影響。楊松夏等[10]研究了3種運輸方式（氣調保鮮運輸、冷藏加濕保鮮運輸和冷藏保鮮運輸）下，菜心的品質變化規律和保鮮效果。Laguerre等[11]研究了在不受控制的環境溫度下，裝有冰袋的保溫箱中沙丁魚溫度隨時間的變化關系。然而，針對不同風速、外界溫度和振動頻率等參數下箱體的空氣溫度變化和分布的研究暫未發現報道，因此，文中搭建了模擬流通環境試驗平臺，研究不同外界風速、外界溫度和振動頻率對箱體的保溫性能影響，以期為蓄冷運輸配送設備的設計與優化提供參考。

1 試驗平臺

搭建的配送箱模擬流通環境試驗平臺及其實物圖見圖1、圖2，主要由風機、風道、配送箱、振動臺、振動臺控制器和無紙記錄儀組成。風道主體結構由鋁型材搭建而成，并通過亞克力板將其四周密封，與之相連的風機（型號CZR90，風量為20 m3/min，轉速為2 800 r/min）將空氣吹往配送箱。通過調節脈沖調速器的占空比以獲得不同的風速，從而改變配送箱外界的空氣流動速度[12]。配送箱固定在振動臺（ZY–4013型，廣州震宇試驗設備有限公司）上，通過振動臺控制器可改變振動頻率。配送箱體內布置PT100傳感器（型號為WZP–PT100、精度為±0.1、測量范圍為?200～500 ℃），見圖1。采用無紙記錄儀（型號為SIN–R9600、精度為2%、杭州聯測自動化技術有限公司）記錄各PT100傳感器的數值，同時將數據儲存于計算機內。數字電子秤（型號為XK3190–A6、精確度等級三級、上海耀華稱重系統有限公司）記錄液氮的消減量。蓄冷型保溫箱通常在配送過程中放置合適的蓄冷板以延長生鮮食品的保鮮時間[13]，故文中選取相變溫度適應液氮充注特性的超低溫蓄冷劑置于箱內，放置在蓄冷板的蓄冷劑其物性參數見表1。

1.風機；2.風道；3.配送箱；4.振動臺；5.蓄冷板；6.無紙記錄儀；7.計算機；8.振動臺控制器。

1.風機；2.風道；3.配送箱；4.振動臺；5.振動臺控制器；6.無紙記錄儀。

2 試驗方案

在進行試驗時，將配送箱體固定在振動臺上，將在室內溫度25 ℃放置的4.5 kg蓄冷劑裝入蓄冷板，并放置在配送箱體底部，并將PT100溫度傳感器布置在如圖3所示所設定的位置，通過往箱體內部充注液氮，將箱體溫度下降，同時將液氮的冷能存儲到蓄冷板中，蓄冷板會釋放冷能用于維持箱體的溫度。將液氮罐放在數字電子秤上，記錄其當前重量為試驗前的初始重量；將液氮注入箱體中，當液氮充注完成后，記錄液氮罐當前重量為試驗后的重量。通過振動臺控制器和脈寬調速器將振動臺和風機開啟。設定無紙記錄儀每1 min記錄一組數據，每組試驗充注8 kg液氮，模擬8 h的運輸試驗。試驗結束后，通過Excel軟件進行數據制圖和分析。

表1 相變蓄冷劑物性參數

Tab.1 Physical properties of phase change material

在箱體內寬度方向的中縱截面上均勻布置9個PT100傳感器（A1—A9），取9個溫度測點的平均值來表征箱體的平均溫度，具體分布見圖3。

圖3 溫度場測點分布圖

試驗的因素及水平見表2，此次試驗有外界風速、外界溫度和振動頻率這3個影響因素，每個因素取4個水平值，進行單因素試驗。在不同外界風速、外界溫度和振動頻率條件下進行配送箱模擬流通環境單因素試驗，監測8 h內箱體平均的空氣溫度變化及分布情況。

3 結果與分析

對不同風速、外界溫度和振動頻率對箱體保溫性能和溫度分布均勻性進行分析。因配送箱內溫度隨時間持續變化，取箱內溫度測點在試驗過程中的平均值作為均勻性評價依據。具體試驗結果及分析如下。

3.1 不同外界風速對箱體保溫性能的影響

分別設置外界風速為0、10、20、30 m/s。如圖4所示，當外界風速為30 m/s時，液氮充注后箱內最低溫度明顯高于其他外界風速。從箱體內部溫度這一方面分析，當風速在0～30 m/s范圍內時，隨著風速的增大，試驗結束時箱內空氣溫度提高，當風速為30 m/s時，試驗結束時箱體內部平均溫度已達?31 ℃。說明外界的空氣流動速度增大會使箱體與外界的熱交換加快，導致箱體內部空氣溫度上升加快[14]。如表3所示，從箱體溫度分布這一方面分析，在風速在0～30 m/s范圍內，外界風速對箱內溫度分布影響不明顯，風速為20 m/s時，其箱體的溫度場均勻性較好。這可能是由于外界風速的增大，提高了箱體與空氣的換熱效率，促進箱內溫度均勻性提高，但隨著風速進一步增大，箱體表面氣流分布不均勻性也進一步提高，導致箱內外環境換熱更加復雜。

表2 試驗因素及水平

Tab.2 Test factors and levels

圖4 不同風速下箱體溫度隨時間的變化關系

表3 不同風速對箱體中縱截面溫度場的影響

Tab.3 Effect of different velocity on medium longitudinal section temperature field of box ℃

3.2 不同外界溫度對箱體保溫性能的影響

分別設置外界溫度為15、20、25、30 ℃。如圖5所示，外界溫度對液氮充注后箱內最低溫度影響較大，箱內最低溫度隨著外界溫度提高而提高。從箱體內空氣溫度變化這一方面分析，當外界溫度在15～30 ℃范圍內時，隨著外界溫度的升高，試驗結束箱體內空氣平均溫度越高，當外界溫度為30 ℃時，箱體內部平均溫度已達?39 ℃。如表4所示，從箱體溫度分布這一方面分析，在外界溫度15～30 ℃范圍內，當外界溫度為20 ℃時，其箱體溫度場標準差較小。說明在這外界溫度水平中，外界溫度為20 ℃時，其箱體的溫度場均勻性較好[15]。這可能是由于外界溫度的升高，提高了箱體與空氣的換熱效率，但隨著外界溫度進一步增大，箱體內外環境換熱變得更加復雜，從而導致外界溫度為20 ℃時箱體內溫度場均勻性較好。

圖5 不同外界溫度對箱體保溫時長的影響

表4 不同外界溫度對箱體中縱截面溫度場的影響

Tab.4 Effect of different external temperature on medium longitudinal section temperature field box ℃

3.3 不同振動頻率對箱體保溫性能的影響

影響車輛在行駛過程中振動頻率的是車速和路面的不平整度，振動頻率可由式（1）計算[16]。

式中：為振動頻率，Hz；為行駛車速，m/s；為路面不平度，取路面最小的不平整度為0.1。

根據配送車輛在城市道路中的車速一般在0～30 km/h，分別設置振動頻率為10、30、50、70 Hz。如圖6所示，振動頻率對液氮充注后箱內空氣最低溫度有一定影響，但隨著振動頻率增大后，影響減小。當振動頻率為30 Hz時，試驗結束時箱體內空氣溫度較高，為?43.71 ℃。當頻率增大到50 Hz后，振動幅度大幅度減少，導致對箱體的影響減小，箱體內的空氣溫度變化減緩，箱體保溫時長有所延長。如表5所示，在箱體溫度場方面，振動頻率為10 Hz的條件下，箱體的溫度場標準差較小，為5.41，其溫度場均勻性較好。當振動頻率增大時，溫度場標準差基本維持穩定，振動頻率對箱內溫度分布均勻性的影響降低。這可能是由于當振動頻率增大時，其振幅會減小[17]，導致振動對箱體的影響減小。

圖6 不同振動頻率對箱體保溫時長的影響

表5 不同振動頻率對箱體中縱截面溫度場的影響

Tab.5 Effect of different vibration frequency on medium longitudinal section temperature field of box ℃

4 結語

搭建模擬流通環境試驗平臺，通過單因素試驗研究了不同風速、外界溫度和振動頻率對蓄冷配送箱體保溫性能的影響，以期保證金槍魚的品質，為運輸設備的優化提供參考。試驗結果表明，風速、外界溫度和振動頻率都對配送箱內空氣的溫度變化和分布有一定的影響。

1）風速對箱體內部環境升溫的速度有著正面的影響。當風速為30 m/s時，箱體內部平均溫度上升的速度較快，試驗結束時箱體內部平均溫度已達?31 ℃，而當風速為20 m/s時，箱體內部的溫度場均勻性較好。

2）外界溫度對液氮充注后箱內最低溫度影響較大。隨著外界溫度升高，試驗結束時箱體內部平均溫度越高。而當外界溫度為20 ℃時，箱體內部的溫度場均勻性較優。

3）振動頻率對液氮充注后箱體內最低溫度以及溫度分布均勻性有一定影響，但當頻率超過30 Hz后影響不大。當振動頻率為30 Hz時，試驗結束時的箱體平均溫度較高，為43.71 ℃。

值得討論的是，配送箱的容積及液氮充注量可能也會對箱內溫度變化產生一定的影響，項目組將對此進行深入研究。

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Effect of Circulation Environment on Thermal Insulation Performance of Cold Storage Distribution Box Based on Liquid Nitrogen Injection

XIA Jing-jing1,2, WANG Fei-ren1,2, WANG Guang-hai1,2, LIN Shi-tao2, REN Jun-jie2, GUO Jia-ming2,3

(1. Guangdong Mechanical & Electrical Polytechnic, Guangzhou 510515, China; 2. College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 3. Maoming Branch, Guangdong Laboratory for Lingnan Modern Agriculture, Guangdong Maoming 525000, China)

The work aims to improve the thermal insulation performance of cold storage distribution box based on liquid nitrogen injection during circulation and ensure the distribution quality. A simulation test platform of distribution box circulation environment was established to investigate the effect of different external air velocity, external temperature and vibration frequency on the air temperature variation and temperature field distribution in the cold storage distribution box. According to the test results, when the external air velocity increased, the temperature rising speed of the internal environment in the box also increased. The external temperature had a great effect on the minimum air temperature inside the box after injection of liquid nitrogen, and the minimum air temperature decreased as the external temperature lowered. At the same time, a lower temperature was always kept during transportation. The homogeneity of temperature field rose firstly and then decreased. The vibration frequency had a great effect on the air temperature rising speed inside the box, and the homogeneity of temperature field decreased with the increase of vibration frequency. The results can provide a reference for the design and optimization of cold storage distribution equipment.

cold storage; distribution box; thermal insulation performance; circulation environment; liquid nitrogen; vibration

2021–12–27

提升市縣茶葉科技能力促進產業發展項目（DZ09–21–1–3278）；廣東省2019年省級農業科技創新及推廣項目（2021KJ101）；農產品保鮮物流共性關鍵技術研發創新團隊（2021KJ145）；國家自然科學基金項目（31901736，31971806）；茂名實驗室自主科研項目（2021ZZ003）；廣東省自然科學基金項目（2020A1515010967）；廣州市農村科技特派員項目（GZKTP201921）

夏晶晶（1980—），男，碩士，副教授，主要研究方向為果蔬冷鏈物流與裝備。

王飛仁（1990—），男，博士，講師，主要研究方向為果蔬冷鏈物流與裝備。

S229

A

1001-3563(2022)17-0184-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.023

責任編輯：曾鈺嬋