組合蓄冷板式醫藥冷藏箱的設計與性能實驗

陳俊文 王 瑜 成 峰

(南京工業大學城市建設學院 南京 211816)

隨著新冠疫情爆發,我國多地醫藥物資緊缺,冷鏈運輸藥物困難重重[1]。為了更好地發展醫藥冷鏈,需要認清我國現階段醫藥冷鏈運輸水平與國際的差距。一些學者對國內外醫藥冷鏈運輸現狀進行了研究。李浩楠[2]研究了我國醫藥冷鏈物流技術發展的進程,調研了發展過程中運輸設備、設施、技術存在的問題。喜崇彬[3]認為冷鏈運輸是新冠疫苗分發和接種的重要保障,指出在運輸疫苗過程中我國面臨的挑戰,冷鏈運輸設備、技術升級改造十分重要。陳寧[4]研究分析了美國、日本以及西歐等發達國家現代化醫藥冷鏈物流發展的模式,再結合我國醫藥冷鏈物流發展的現狀及制約因素,得出發展我國現代醫藥冷鏈物流模式的啟示。鄧振華[5]指出美國、日本等發達國家的醫藥冷鏈物流體系較為健全,我國可將現代化技術融入醫藥冷鏈物流體系,改造創新原有技術,提升物流效率。

冷鏈運輸設備和技術在冷鏈運輸藥物過程中至關重要。現階段,我國冷鏈運輸設備主要是機械式冷藏車[6],對于運量小的疫苗等藥物,易出現“大車送小貨”的現象。同時,由于新冠疫苗2～8 ℃的儲存特性[7],常規蓄冷技術在醫藥冷鏈領域存在局限性。因此,蓄冷技術與保溫箱相結合的組合蓄冷板式冷藏箱備受關注。馮自平[8]詳細考察了國際現有冷藏配送技術,總結了國內現有配送技術的缺點,介紹了國際常用混裝配送設備(低溫蓄冷運輸箱)的基本原理、使用方法以及配送流程。趙祎等[9]研究了冷鏈運輸的相變蓄冷技術,相變機理、釋冷速率及冷鏈運輸裝備內的溫度場分布情況為冷鏈運輸發展提供一定的研究思路。楊天潤等[10]對比分析了不同種類相變蓄冷材料的熱物性和化學性質,得出結論:相變蓄冷材料具有較高的儲能密度,多種相變材料組合在能源高效利用和節能等方面應用前景廣闊。范中陽等[11]對比研究了兩種組合蓄冷板擺放形式(即頂部擺放和四周擺放)對箱內環境溫度和果蔬中心溫度的影響,以及果蔬品質的變化情況,結果表明:組合蓄冷板四周擺放相比頂部擺放具有較大優勢,四周擺放時箱內溫升較平緩,保持了果蔬較高的營養品質和商品性。劉廣海等[12]研究發現,組合式蓄冷板的相變蓄冷材料、放置位置以及保溫材料均對冷藏箱的溫度場和流場產生影響。

由此可知,組合式蓄冷板是常規蓄冷技術改造創新的產物[13],但其在醫藥冷鏈領域的深入研究還存在空白,組合蓄冷板擺放位置的研究還不夠全面,組合蓄冷板式醫藥冷藏箱的發展潛力較大。本文對醫藥冷藏箱和組合式蓄冷板進行了系統的設計,以組合式相變蓄冷取代單一蓄冷劑制冷[14],對組合蓄冷板的性能和蓄冷板在醫藥冷藏箱中的擺放位置進行實驗,研究醫藥冷藏箱在2～8 ℃條件下熱性能的影響,以此優化醫藥冷藏箱的熱性能,促進組合蓄冷板式冷藏箱在醫藥冷鏈領域的發展。

1 實驗原理與設計

1.1 實驗原理

組合式相變材料蓄冷原理[15]為:在同一相變蓄冷系統中應用相變溫度不同的兩種或兩種以上相變材料,即選擇特定的相變材料進行合理組合可提高相變蓄冷系統的效率。

C. Bellecci等[15]的研究表明:采用多種相變材料組合,對于顯熱蓄冷過程的傳熱速率無明顯改善,但潛熱蓄冷過程的傳熱速率可以提高15%。若采用純度更高、相變溫度恒定的相變材料,將進一步提高潛熱蓄冷過程的效率[16]。

1.2 實驗設計

1.2.1 組合蓄冷板的設計

目前,我國冷鏈物流設備還未能標準化。對市面上常見的蓄冷板調查發現:單個蓄冷板質量多數約2 kg,容積適中。本設計的組合蓄冷板采取雙層結構,可以灌注兩種相變材料,外界環境的熱量經過兩層蓄冷劑,實現冷量的梯級利用。

為達到兩種蓄冷劑充分換熱、確保組合蓄冷板整體強度的目的,蓄冷板中間薄層的厚度設為0.5 cm,組合蓄冷板如圖1所示。該組合蓄冷板的總質量為1.98 kg,上側有兩種圓形開孔。灌注入口直徑為0.8 cm,用于灌注相變材料;氣壓平衡孔直徑為0.3 cm,用于平衡設備內外大氣壓,利于灌注相變材料。兩孔均使用螺紋擰緊密封,蓄冷板表面光滑。

圖1 組合蓄冷板

1.2.2 利用組合式蓄冷板的醫藥冷藏箱的設計

1)尺寸設計

市面上常見的組合蓄冷板長度為37 cm,寬度為27 cm,厚度為5.5 cm。為了便于進行冷藏箱內組合蓄冷板擺放位置的實驗,設置箱體寬度為54 cm;為了呈現對稱性,箱體長度和箱體高度也設計為54 cm。冷藏箱采取上開口箱蓋嵌入式,箱蓋厚度為5 cm,箱蓋嵌入箱體1 cm,內箱體高度為53 cm,蓋上箱蓋后,箱體整體高度為58 cm,內外均呈白色,可降低輻射傳熱的影響。實驗設計的冷藏箱如圖2所示。

圖2 冷藏箱

2)保溫材料選型

在冷藏箱運輸過程中,當箱內溫度(2～8 ℃)低于外界環境時,外界環境通過輻射和對流換熱向箱體外壁面傳遞熱量,熱量從箱體外壁面通過熱傳導傳遞至箱體內壁面;當箱內溫度高于外界環境時,箱體內壁面的熱量通過冷藏箱各壁面以熱傳導的方式傳遞給箱體外壁面,最后散發至外界環境中[17]。由于箱蓋難以完全密封、箱體的保溫材料熱阻不能完全保持一致,因此箱體內部熱量分布不均。無論箱內溫度是否高于外界環境溫度,箱體保溫材料的選擇對于隔絕冷藏箱內外環境的換熱至關重要。常見的保溫材料性能參數如表1所示。

表1 不同保溫材料性能參數

醫藥冷藏箱應更加注重箱體本身性能,經濟性次之,因此本設計選用真空絕熱板作為箱體保溫材料[18]。真空絕熱板主要由芯部材料、表面隔膜材料和氣體吸附材料組成。芯部材料一方面起到板支撐結構作用,另一方面降低真空下材料導熱和傳熱系數,減少換熱。表面隔膜材料起到封裝和維持內部真空的作用,可承擔的最大壓力為100 kPa。在內部真空的情況下,為防止箱體內外熱質交換,隔膜材料中的鋁層還承擔著降低與外界輻射換熱強度的作用[19]。

2 實驗方案

2.1 實驗測量設備

實驗儀器分別為:測量相變材料質量的電子秤、測量組合蓄冷板表面溫度的熱電偶、記錄實驗數據的數據采集儀、測量蓄冷板表面溫度的RAYTEK紅外測溫儀。各儀器參數如表2所示。

表2 儀器參數

2.2 組合蓄冷板式冷藏箱的熱性能實驗

2.2.1 冷藏箱熱性能評價指標

為了研究醫藥冷藏箱的性能,客觀評價其熱性能,本實驗設計了幾組參數,各參數如下:

1)蓄冷時長T(實驗測得):冷藏箱中1～9個測點溫度同時在2～8 ℃溫度區間內的時長,h。

2)溫度平均值M(計算獲得):某時刻冷藏箱內溫度平均值,℃。

(1)

式中:t1～t9分別為某一時刻測溫點溫度,℃。

3)不均勻系數S(計算獲得):測溫時刻冷藏箱內全部/部分溫度波動的大小,溫度場均勻性的表現。

(2)

式中:共設n個測溫點,t1～tn為測溫時刻的溫度,℃;tm為上述所有測溫時刻的平均值,℃。

4)釋冷速率η(計算獲得):不同種類蓄冷板給冷藏箱提供冷量的速率。

η=T2/T1

(3)

式中:T1為蓄冷板表面溫度達到其平均溫度的時長,h;T2為冷藏箱內溫度達到其平均溫度的時長,h。

T較為直觀的表現了醫藥冷藏箱能夠使用的時間;M和S反映了冷藏箱內的溫度分布情況,尤其S反映了箱內溫度場分布是否均勻,為溫度場優化提供參考;η為蓄冷板在冷藏箱內溫度達到穩定的時間參數。

2.2.2 蓄冷板相變材料

為了滿足藥品在2～8 ℃下的儲存條件,實驗選取了5種相變材料:兩種0 ℃以下、一種0 ℃、兩種0 ℃以上,分別為NaCl、正十四烷[20]、CaCl2·6H2O、Na2SO4·10H2O、水,相變材料的熱物性如表3所示。

表3 相變材料的熱物性

考慮到組合蓄冷板實驗的相變材料應價格適中、易獲得,且不同材料的相變溫度存在一定的差值,才能夠體現多層相變提高釋冷效率、延長蓄冷時長的特點。其中,NaCl的相變潛熱值較小,蓄冷能力一般;Na2SO4·10H2O的相變溫度略高,需要與NaCl、KCl等無機材料融合才可降低相變溫度,但其他材料的加入易影響實驗結果。所以后續實驗將采用正十四烷、CaCl2·6H2O和水3種相變材料。

2.2.3 蓄冷板相變材料的組合方案

1)方案類型

(1)等質量組合方案

等質量組合方案指在組合蓄冷板中灌注兩層蓄冷劑,將表3中的材料兩兩組合,每層灌注相同質量(1.5 kg)的不同相變材料,在不同相變溫度下研究組合蓄冷板的蓄冷時長和內壁溫度變化。

(2)等相變潛熱值方案

等相變潛熱值方案指在組合蓄冷板中灌注兩層蓄冷劑,將表4中的材料兩兩組合,每層灌注相同相變潛熱值(340.5、427.5、502.5 kJ)的不同相變材料,在不同相變溫度下研究組合蓄冷板的蓄冷時長和內壁溫度變化。

表4 等質量組合方案下蓄冷時長

2)實驗布置

組合蓄冷板為兩層結構,內層為模擬儲藏層側,其內壁溫度決定著儲存物品的環境溫度;外層為相變材料與環境空氣接觸層。組合蓄冷板除37 cm×27 cm的一側與外界環境直接接觸外,其余面安裝2 cm的保溫棉,布置如圖3所示。內層內壁處有3根精度為±0.1 ℃的K型熱電偶等距布置,熱電偶均與安捷倫34970A數據采集儀連接,記錄裝置內壁面溫度的變化數據。

圖3 測溫點布置

3)實驗步驟

(1)首先按照實驗方案將相變材料灌注至組合蓄冷板中,再將蓄冷板放入設定好相變溫度的冰箱中凍結16 h,凍結完畢后取出蓄冷板,蓄冷板內的相變材料處于過冷狀態,待相變材料升溫達到相變溫度時,進行實驗;

(2)將蓄冷板37 cm×27 cm的一面與外界環境直接接觸,其他外表面安裝2 cm的保溫層,可以視作絕熱面,并在另一側面三點等距布置K型熱電偶的測溫點,如圖4所示,放在12 ℃的環境下進行釋冷;

圖4 灌注兩層相變材料的組合蓄冷板

(3)實驗對比不同組合模式下,蓄冷板內壁溫度維持在相變溫度±1 ℃的時長和溫度曲線的變化波動,每種組合模式的實驗重復3次。

4)組合蓄冷板與常規蓄冷板的對比

以市面上的常規蓄冷板作為對照組,對比等質量組合方案和等相變潛熱值方案的蓄冷時長和蓄冷板內壁溫度變化情況,詳見表4～表7。

由表4可知,等質量組合方案的蓄冷時長最優為:5 ℃ CaCl2·6H2O和-6 ℃ 正十四烷(簡稱:方案一)的組合蓄冷板,蓄冷時長為277 min;由表5可知,等相變潛熱值組合方案的蓄冷時長最優為:5 ℃ CaCl2·6H2O和-6 ℃ 正十四烷(簡稱:方案二)的組合蓄冷板,蓄冷時長為249 min。總體上,等質量組合方案的蓄冷時長優于等相變潛熱值組合方案的蓄冷時長,相差約10%。

表5 等相變潛熱值組合方案下蓄冷時長

由表6可知,等質量組合方案的溫度變化率最優為:5 ℃ CaCl2·6H2O和0 ℃水(簡稱:方案三)的組合蓄冷板,溫度變化率為0.002 9;由表7可知,等相變潛熱值組合方案的溫度變化率最優的為:0 ℃水和5 ℃ CaCl2·6H2O(簡稱:方案四)的組合蓄冷板,溫度變化率為0.004 6。總體上,等質量組合方案的溫度變化率小于等相變潛熱值組合方案的溫度變化率,相差約一倍。

表6 等質量組合方案下溫度變化率

表7 等相變潛熱值組合方案下溫度變化率

分別從上述兩種等質量和兩種等相變潛熱值的方案中,各選擇一種方案,再與常規蓄冷板進行對比。4種組合方案的溫度變化如圖5所示。

圖5 四種方案的溫度變化

等質量組合方案:方案一的蓄冷時長為277 min,溫度變化率為0.003 5;方案三的蓄冷時長為198 min,溫度變化率為0.002 9。考慮到兩者溫度變化率僅相差0.000 6,雖然方案二的溫度變化曲線略平穩,但蓄冷時長相差79 min,蓄冷時長過短會影響2.3節實驗進行,因此方案三更優。

等相變潛熱值組合方案:方案二的蓄冷時長為249 min,溫度變化率為0.005 8;方案四的蓄冷時長為200 min,溫度變化率為0.004 6。考慮到溫度均勻優先原則,因此方案四更優。

將兩種最優方案(方案二和方案四)的組合蓄冷板與常規蓄冷方案對組合蓄冷板效果的影響對比如表8所示。

表8 不同蓄冷方案對組合蓄冷板效果的影響對比

考慮到溫度均勻優先原則,本設計不使用常規蓄冷方案。等質量組合方案與等相變潛熱值方案相比,蓄冷時長和蓄冷板內壁溫度變化情況更優,因此2.3節實驗將采用等質量組合方案的5 ℃ CaCl2·6H2O和-6 ℃正十四烷的組合蓄冷板。

2.3 不同蓄冷板擺放位置對冷藏箱熱性能的影響實驗

2.3.1 實驗布置

蓄冷板性能和蓄冷板在冷藏箱內擺放位置是影響冷藏箱蓄冷效果的重要因素。本實驗將等質量組合蓄冷板按照4種方式擺放于冷藏箱中,蓄冷板中間位置布置K型熱電偶,測量蓄冷板表面溫度;冷藏箱內根據對稱性,布置9個測溫點,如圖6所示,以此反映箱內的溫度變化情況。

圖6 冷藏箱內9個測溫點位置

測溫點1、2、3分別在冷藏箱兩壁面交際處的上、中、下等距布置,測溫點4、5、6分別在冷藏箱一壁面中間位置上、中、下等距布置,測溫點7、8、9分別在冷藏箱正中間位置上、中、下等距布置。熱電偶的探頭懸于空氣中,便于準確測量冷藏箱內空氣溫度。測溫點1、4、7用于測量冷藏箱的上層空間溫度,測溫點2、5、8用于測量冷藏箱的中層空間溫度,測溫點3、6、9用于測量冷藏箱的下層空間溫度。

2.3.2 不同蓄冷板擺放位置類型

為研究等質量組合方案的組合蓄冷板擺放方式對冷藏箱蓄冷時長和溫度分布的影響,將對兩側平放、兩側疊放、對角擺放及四周擺放4種方式進行實驗,如圖7所示。

圖7 蓄冷板擺放方式

2.3.3 實驗步驟

1)在電腦上使用安捷倫數據采集儀,配置采集儀的參數,設定9個測溫點,設定每3 min記錄一次數據,溫度上下限設置為2～8 ℃。

2)將蓄冷板放入冰箱中冷凍,設定冷凍溫度,當蓄冷板完全凍結后取出分別按照圖7中4種方式布置于冷藏箱中,注意蓄冷板應緊貼冷藏箱的壁面,充分利用箱內空間。

3)將9個K型熱電偶探頭布置在相應位置,注意探頭應置于冷藏箱空氣中,不能貼近箱壁面,蓋上冷藏箱的箱蓋。

4)當安捷倫數據采集儀讀取的數據顯示9個測溫點任何一點超過8 ℃,則停止記錄數據,此次實驗完成,生成所有溫度變化的表格,將每個小時的各點溫度制成點線圖。

5)根據步驟1)～4),實驗記錄不同的蓄冷板和蓄冷板不同的擺放位置下的冷藏箱溫度時長和溫度場分布,每組實驗重復3次,減小誤差。

3 組合蓄冷板擺放位置的實驗結果分析

3.1 組合蓄冷板擺放位置對冷藏箱的影響

本節實驗以等質量組合方案的組合蓄冷板(5 ℃ CaCl2·6H2O和-6 ℃正十四烷)作為實驗對象,通過蓄冷時長T、溫度平均值M、不均勻系數S和釋冷速率η四個參數,研究組合蓄冷板在4種擺放位置下的冷藏箱熱性能。

3.1.1 冷藏箱蓄冷時長的對比

不同擺放位置下冷藏箱各點蓄冷時長T及對比如表9所示。箱內各點溫度中,最晚達到2 ℃的測溫點為3、6、9,這三個點均位于箱內的下層空間,箱內最先達到8 ℃的測溫點為4和7,可知箱內上層空間的溫度最先不滿足預期。這是因為冷藏箱的上層空間靠近箱蓋,由于箱蓋處不可能完全密閉,上層也是最易受到外界環境影響的區域。

表9 不同擺放位置下冷藏箱各點蓄冷時長及對比

對角擺放的組合蓄冷板蓄冷時長最大,達到21.80 h;兩側疊放的組合蓄冷板蓄冷時長最短,僅為9.35 h。這是因為固體的導熱性能一般強于氣體的導熱性能。在組合蓄冷板對角擺放時,內外側介質均為空氣;兩側疊放時,內側為箱內空氣,外側為箱體壁面。所以兩側疊放蓄冷時長最短,對角擺放蓄冷時長最長。

3.1.2 冷藏箱內溫度平均值及蓄冷板表面溫度平均值的對比

2～8 ℃工況下組合蓄冷板表面溫度平均值M1和冷藏箱內溫度平均值M2如表10所示。對角擺放的M1最低,兩側疊放的M1最高;對角擺放的M2最高,兩側平放的M2最低。造成該現象的原因一般為對角擺放時空氣傳熱面積大,冷量流失快,溫度平均值相差大,而其它擺放方式傳熱面積較小。

表10 組合蓄冷板表面溫度平均值及冷藏箱溫度平均值

3.1.3 冷藏箱內溫度不均勻系數的對比

2～8 ℃工況下冷藏箱內溫度不均勻系數S的對比如表11所示。兩側疊放時S最小,為19.90 ℃;對角疊放時S最大,為34.55 ℃。造成該現象主要是因內部高溫組合蓄冷板與外部低溫組合蓄冷板側表面接觸,兩塊組合蓄冷板之間相互影響,使箱內溫度場均勻性被改變。同時,由于對角擺放時蓄冷板空氣傳熱面積大,在對角擺放時箱內溫度波動最大、溫度場最不均勻,在兩側疊放時箱內溫度波動最小、溫度場最均勻。

表11 冷藏箱內不均勻系數

3.1.4 蓄冷板釋冷速率的對比

組合蓄冷板在冷藏箱內釋冷速率η的對比如表12所示。兩側疊放的箱內η最大,達到1.20;兩側平放的箱內η最小,僅為0.78。造成該現象的主要原因是蓄冷劑的相變溫度不同[21],相變溫度較高的蓄冷劑吸收箱內熱量,溫度升高后又被相變溫度較低的蓄冷劑冷卻降溫,再繼續吸收箱內冷負荷;同時相變溫度較低的蓄冷劑也在吸收冷藏箱內的冷負荷,從而提高了η。兩側疊放時的蓄冷板傳熱介質厚度[22]大于其他擺放方式,導致相變溫差大,因此在兩側疊放時箱內蓄冷板釋放溫度最快,而在兩側平放時箱內蓄冷板釋放溫度最慢。

表12 冷藏箱內釋冷速率

3.2 組合蓄冷板式冷藏箱的實驗結果分析

本節分析組合蓄冷板構造的冷藏箱熱性能,最終將在對角擺放(蓄冷時長優)和兩側疊放(溫度場分布優)中選取適合本實驗的組合蓄冷板擺放位置,兩種擺放方式的熱性能對比如表13所示。

表13 兩側疊放和對角擺放的熱性能對比

考慮到疫苗等藥品的活性對溫度的要求較高,為防止藥品失效,本實驗以溫度均勻優先為原則,則兩側疊放的等質量組合蓄冷板效果最好。

4 結論

組合蓄冷板提高了醫藥冷藏箱的釋冷速率,優化了其溫度場的分布,促進了我國醫藥冷鏈的發展。本文針對醫藥冷藏箱內的組合蓄冷板搭建了實驗臺,研究組合蓄冷板的性能及蓄冷板在醫藥冷藏箱中的擺放位置對冷藏箱在2～8 ℃工況下熱性能的影響,得到如下結論:

1)總體上,等質量組合方案與等相變潛熱值方案相比,蓄冷時長和蓄冷板內壁溫度變化情況更優。等質量組合方案的蓄冷時長比等相變潛熱值組合方案下的蓄冷時長高10%,溫度變化率小近一倍,溫度變化曲線更加平穩。

2)考慮到溫度均勻優先原則,兩側疊放的組合蓄冷板蓄冷效果最好。但該種擺放方式存在明顯缺陷,等質量5 ℃和-6 ℃組合蓄冷板在兩側疊放時的蓄冷時長僅為9.35 h,在所有蓄冷方案中時長最短。因此,由兩側疊放的等質量組合蓄冷板構成的醫藥冷藏箱適合短途高質量藥品的運輸。后續的改進實驗可以考慮采用其他相變蓄冷材料,使溫度均勻性和蓄冷時長更加優化。

3)本文設置的4種指標對冷藏箱熱性能評價具有重要的作用,有利于醫藥冷藏箱的創新和發展。其中,不均勻系數(在空間角度上反映醫藥冷藏箱內的溫度分布情況的參數)及釋冷速率(在時間角度上體現醫藥冷藏箱內的平均溫度達到穩定時長的參數)最為重要。鑒于4種擺放方式的蓄冷時長在9～22 h之間、溫度平均值在2～8 ℃工況內,兩項參數均在合理范圍內。當等質量組合方案的蓄冷板兩側疊放時,冷藏箱內不均勻系數最小,僅為19.90 ℃,箱內溫度分布最均勻;同時冷藏箱內釋冷速率最大,可達1.20,箱內蓄冷板釋放溫度最快。