多溫蓄冷車設(shè)計(jì)與車內(nèi)溫度場(chǎng)分析

劉廣海 吳俊章 FOSTER A 謝如鶴 唐海洋 屈睿瑰

(1.廣州大學(xué)冷鏈物流與標(biāo)準(zhǔn)化研究所， 廣州 510006； 2.倫敦南岸大學(xué)工程學(xué)院， 布里斯托爾 BS40 5DU；3.中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

隨著人民生活水平的提高和易腐食品流通規(guī)定的加強(qiáng)，我國(guó)冷藏運(yùn)輸裝備規(guī)模增長(zhǎng)迅速。2012—2017年，各類冷藏車由4.1萬(wàn)輛增加到13.4萬(wàn)輛[1]，預(yù)計(jì)未來(lái)5～10年，年均增速仍在10%以上[2],但與西方國(guó)家規(guī)模仍然差距顯著[1,3]，這與冷藏車能耗大、運(yùn)行成本高密切相關(guān)。當(dāng)前，90%以上的冷藏車采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)組為冷源，該系統(tǒng)價(jià)格昂貴、噪聲大、能量轉(zhuǎn)化效率僅為35%～40%[4]，在-20.0/30.0℃工況下，每1 kW制冷量油耗約為0.47 L/h，每年碳排放量達(dá)50 t[5]，以致在無(wú)溫度立法的市場(chǎng)環(huán)境下，運(yùn)輸商為追求利潤(rùn)，大量采用常溫運(yùn)輸，易腐食品腐損嚴(yán)重。在此情況下，具有降本和節(jié)能優(yōu)勢(shì)的蓄冷車逐漸被人們所重視。

蓄冷車可利用夜間低谷電制冷并將冷能儲(chǔ)藏在蓄冷槽(The phase change cold storage tank, PCCST)內(nèi)，白天工作時(shí)將冷能導(dǎo)入使車廂降溫，達(dá)到低成本控溫運(yùn)輸?shù)哪康腫6]。為此，20世紀(jì)80年代和90年代，我國(guó)自行開(kāi)發(fā)了地面充冷和移動(dòng)充冷的第一代和第二代鐵路冷板冷藏車；在此基礎(chǔ)上，21世紀(jì)初研制了時(shí)速為120 km/h快速充冷的機(jī)械冷板冷藏車[7]。在國(guó)外，美國(guó)、英國(guó)、意大利等國(guó)也開(kāi)發(fā)出多款蓄冷車并展開(kāi)大范圍試運(yùn)行，相關(guān)技術(shù)和性能指標(biāo)得到迅速提升。在車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，ZAFER[8]提出了將相變材料(Phase change material, PCM)嵌入冷藏車隔熱壁內(nèi)，達(dá)到增加熱阻、減少車內(nèi)溫度波動(dòng)的目的；MASHUD等[9]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)測(cè)，試驗(yàn)表明上述方法可降低29.1%的峰值熱負(fù)荷，減少制冷能耗16.3%。在蓄冷裝置優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[10-12]對(duì)蓄冷換熱結(jié)構(gòu)、傳熱熱性、蓄冷板布置等進(jìn)行分析；LIU等[4]自行研制了新型低溫相變材料并應(yīng)用于冷藏車蓄冷裝置內(nèi)，試驗(yàn)表明250 kg PCM可維持蓄冷車在-18.0℃條件下不間斷運(yùn)輸10 h以上(配送條件下，頻繁開(kāi)門卸貨時(shí)則需390 kg PCM)，能耗成本較機(jī)械冷藏車節(jié)約80%以上。在氣流組織優(yōu)化方面，詹耀立等[13]對(duì)蓄冷板在車廂內(nèi)不同位置擺放進(jìn)行了分析；張哲等[14]對(duì)不同貨物堆碼方式對(duì)蓄冷車車廂內(nèi)溫度場(chǎng)的影響進(jìn)行了仿真分析。

傳統(tǒng)蓄冷運(yùn)輸裝備具有運(yùn)營(yíng)成本低、溫度穩(wěn)定、噪聲小、換熱迅速等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些問(wèn)題：制冷溫度單一、不可控溫；控溫有效時(shí)間縮短；運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)較高。為此，本文提出一種帶獨(dú)立蓄冷槽的多溫蓄冷車并對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。

1 多溫蓄冷車設(shè)計(jì)

如圖1所示，該多溫蓄冷車集車載制冷系統(tǒng)、獨(dú)立蓄冷槽、隔熱車廂(分為冷凍、冷藏單元)、導(dǎo)風(fēng)槽、內(nèi)隔板等于一體。在具體運(yùn)用方面，車載制冷系統(tǒng)由電力驅(qū)動(dòng)，利用夜間廉價(jià)低谷電制冷并將冷能儲(chǔ)存于蓄冷槽內(nèi)的蓄冷條中；當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，開(kāi)啟蓄冷槽循環(huán)風(fēng)機(jī)，根據(jù)控溫需要，將蓄冷槽中的冷能導(dǎo)入隔熱車廂(冷凍單元)內(nèi)，同時(shí)通過(guò)導(dǎo)風(fēng)槽將冷氣導(dǎo)入冷藏單元，從而實(shí)現(xiàn)不同控溫要求的目的。

圖1 多溫蓄冷車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of multi-temperature cold storage vehicle 1.門 2.冷藏單元 3.內(nèi)隔板 4.冷凍單元 5.蓄冷槽 6.車載制冷系統(tǒng)

較傳統(tǒng)冷藏運(yùn)輸裝備而言，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)與機(jī)械冷藏車相比，制冷系統(tǒng)在車輛停止運(yùn)行時(shí)外接電源制冷，一方面廉價(jià)的夜間低谷電較柴油價(jià)格具有較大優(yōu)勢(shì)，降低了冷藏運(yùn)輸成本；另一方面，制冷機(jī)組在靜態(tài)狀態(tài)工作，工作環(huán)境明顯好于車輛行駛的顛簸狀態(tài)，可有效降低制冷工質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)并延長(zhǎng)制冷機(jī)組使用壽命。

(2)與傳統(tǒng)蓄冷車相比，蓄冷裝置由傳統(tǒng)的頂部設(shè)計(jì)改為車廂前部，使得車輛重心下降，增加了運(yùn)輸安全性；同時(shí)，蓄冷槽獨(dú)立保溫設(shè)計(jì)使得冷量按需按時(shí)輸出，可有效延長(zhǎng)蓄冷裝置保冷時(shí)間。

(3)在運(yùn)輸靈活性方面，車廂由可移動(dòng)的內(nèi)部隔斷裝置分為冷凍區(qū)和冷藏區(qū)，內(nèi)部隔斷裝置可根據(jù)需要調(diào)整各區(qū)域空間大?。煌瑫r(shí)通過(guò)溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度、蓄冷槽和導(dǎo)風(fēng)槽循環(huán)通風(fēng)的方式，多溫蓄冷車一方面可實(shí)現(xiàn)各區(qū)域精準(zhǔn)控溫，另一方面因車廂內(nèi)部增設(shè)了循環(huán)送風(fēng)裝置，車廂內(nèi)部的溫度分布也更均勻。

因多溫蓄冷車結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)形式變化較大，一方面蓄冷槽中PCM的相變溫度較低，另一方面由于多溫區(qū)的存在使得送風(fēng)模式發(fā)生變化，因此車輛的實(shí)用性、溫控效果、溫度分布等一系列問(wèn)題均需通過(guò)試驗(yàn)和仿真予以驗(yàn)證。

2 溫度場(chǎng)仿真與試驗(yàn)

2.1 物理模型

本文以自行設(shè)計(jì)的多溫蓄冷車為研究對(duì)象，如圖2所示，相關(guān)參數(shù)如下：

圖2 多溫蓄冷車?yán)鋬觥⒗洳貑卧魯喾植际疽鈭DFig.2 Sketch of space arrangement of freezing and cooling unit in multi-temperature cold storage vehicle 1.門 2.冷藏單元 3.內(nèi)隔板 4.送風(fēng)槽 5.冷凍單元 6.回風(fēng)槽

(1)車廂前端為-25.0～-10.0℃的冷凍單元，后端為0～15.0℃冷藏單元，內(nèi)隔板可在車廂中間1/2段自由移動(dòng)。

(2)車廂內(nèi)、外尺寸(長(zhǎng)×寬×高)分別為5.00 m×2.04 m×2.00 m和5.80 m×2.28 m×2.24 m；外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)隔板均采用高密度硬質(zhì)聚氨酯保溫板(Poly urethane, PU)，密度45 kg/m3，導(dǎo)熱率0.026 W/(m·K)，比熱容1.8 kJ/(kg·K)，內(nèi)、外蒙皮采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber reinforced polymer/plastic, FRP)，車廂外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)隔板厚度均為0.12 m，地板為花紋鋁板。

(3)蓄冷槽位于車廂前端，同樣采用聚氨酯保溫板進(jìn)行隔熱，保溫層厚度0.20 m；冷風(fēng)采用上送下回的模式由送、回風(fēng)通道經(jīng)風(fēng)機(jī)與冷凍單元連接，送風(fēng)口為邊長(zhǎng)0.25 m的正方形，距離車頭頂壁和側(cè)壁分別為0.1 m和0.05 m；送風(fēng)系統(tǒng)采用變頻風(fēng)機(jī)，溫度傳感器位于回風(fēng)口，用于控制風(fēng)道內(nèi)風(fēng)機(jī)速度和閥門的開(kāi)關(guān)。

(4)冷凍單元和冷藏單元間導(dǎo)風(fēng)槽為等邊三角形，位于車廂內(nèi)側(cè)壁頂部，邊長(zhǎng)為0.17 m；出風(fēng)口位于導(dǎo)風(fēng)槽端部的側(cè)邊中心處，圓形，直徑為0.15 m；導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)采用變頻風(fēng)機(jī)，溫度傳感器同樣位于回風(fēng)口，用于控制風(fēng)道內(nèi)風(fēng)機(jī)速度和閥門的開(kāi)關(guān)。

(5)蓄冷條采用3 mm厚鋁板制作，外尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1.80 m×0.20 m×0.12 m，蓄冷劑相變溫度為-30.0℃，比熱容為4.7 kJ/(kg·K)，相變潛熱為175.3 kJ/kg[12]。蓄冷槽中共放置蓄冷條24根，每根充注蓄冷劑15 kg，共360 kg。

為考察送風(fēng)系統(tǒng)對(duì)車廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響，對(duì)冷凍冷藏單元體積比為1∶1的空間進(jìn)行分析，如圖2所示。冷凍、冷藏單元運(yùn)輸溫度分別選擇較為常見(jiàn)的-15.0℃和3.0℃[15-16]；送風(fēng)速度方面，在參照文獻(xiàn)[17-21]的基礎(chǔ)上，將冷凍單元和導(dǎo)風(fēng)槽出風(fēng)速度均設(shè)為4 m/s并展開(kāi)試驗(yàn)。

圖3 車內(nèi)溫度傳感器布置示意圖Fig.3 Layout of temperature sensor in carriage

對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，車內(nèi)保持空置狀態(tài)，在參考國(guó)內(nèi)外冷藏運(yùn)輸測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上布置溫度傳感器[22-24]，如圖3所示。在布置上，沿冷藏車車廂長(zhǎng)度方向等距劃分為6個(gè)縱截面(分別位于冷凍和冷藏單元2個(gè)端部0.10 m處和正中部)，溫測(cè)點(diǎn)P1～P15和Q1～Q15分別代表截面S1～S3及截面T1～T3的4個(gè)頂角及截面中心；車廂外車頂、2個(gè)側(cè)壁面及車尾的幾何中心各布置1個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，共34個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。截面S1～S3在冷凍單元內(nèi)，距離送風(fēng)端面分別為0.10、1.25、2.40 m；截面T1～T3在冷藏單元內(nèi)，距離送風(fēng)端面分別為2.60、3.75、4.90 m。溫度傳感器采用深圳天圓數(shù)碼科技有限公司的Tag06B型無(wú)線溫濕度傳感器(測(cè)試范圍-40.0～125.0℃，測(cè)試精度±0.3℃)，每1 min采集1次數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接溫度監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示車廂內(nèi)溫度變化規(guī)律。

2.2 數(shù)學(xué)模型

為了更直觀地反映車廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布，采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational fluid dynamics, CFD)仿真軟件對(duì)車廂進(jìn)行建模并分析其溫度場(chǎng)分布情況。車廂分為冷凍單元和冷藏單元，空間體積相等，保持空載狀態(tài)。在對(duì)多溫蓄冷車車廂進(jìn)行建模時(shí)，內(nèi)部空間采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對(duì)送、回風(fēng)口部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

在參數(shù)設(shè)置方面，設(shè)車內(nèi)空氣為低速不可壓縮流體，不考慮車內(nèi)熱輻射以及溫度變化對(duì)空氣熱物性的影響；計(jì)算得到車內(nèi)空氣瑞利數(shù)Ra=1.092×1012[12]，為湍流，故計(jì)算中采用Boussineq假設(shè)[25]。綜合考慮上述因素的基礎(chǔ)上，建立直角坐標(biāo)系的連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量和k-ε方程，其通用表達(dá)式為

div(ρvφ)=div(Γφgradφ)+Sφ

(1)

式中φ——通用變量

Γφ——廣義擴(kuò)散系數(shù)

Sφ——廣義源項(xiàng)

ρ——空氣密度，kg/m3

v——空氣速度矢量，m/s

圖4 多溫蓄冷車空氣溫度分布圖Fig.4 Air temperature distribution diagrams of multi-temperature cold storage vehicle

式(1)各參數(shù)及k-ε方程中系數(shù)參照文獻(xiàn)[26-27]進(jìn)行取值。在能耗方面，使用空車進(jìn)行地面仿真時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行條件下需考慮太陽(yáng)輻射、車廂傳熱、漏氣、車內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)發(fā)熱量及車廂降溫產(chǎn)生的冷消耗。假設(shè)外界熱環(huán)境透過(guò)車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入車內(nèi)的熱量均勻分布于車廂壁面，車廂光照面積占總面積百分比為50%，以廣州市7月平均光照時(shí)間為基準(zhǔn)，計(jì)算得該冷藏車廂熱流密度為29.3 W/m2。

模擬計(jì)算時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，蓄冷劑參數(shù)同2.1節(jié)，仿真時(shí)設(shè)蓄冷槽初始溫度為-35.0℃，車廂內(nèi)冷凍和冷藏單元初始溫度為25.0℃，外界溫度為30.0℃，車內(nèi)冷凍單元送風(fēng)溫度為-15.0℃，冷藏單元送風(fēng)溫度為3.0℃。計(jì)算開(kāi)啟凝固/融化模塊，采用非穩(wěn)態(tài)方程求解多溫車廂的溫度變化情況。其中，控制微分方程的離散采用一階迎風(fēng)格式，并采用壓力耦合方程組的半隱式算法(Semi-implicit method for pressure linked equations, SIMPLE)對(duì)計(jì)算域速度、壓力進(jìn)行耦合；考慮冷藏配送時(shí)間一般在白天進(jìn)行，時(shí)間一般在10 h以內(nèi)[12]，故將此次仿真計(jì)算時(shí)間定為10 h，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1 s。

3 仿真與試驗(yàn)分析

3.1 多溫蓄冷車車內(nèi)仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖4所示。其中，圖4a、4b為設(shè)定溫度為-15.0℃時(shí)冷凍單元的溫度云圖，圖4c、4d為設(shè)定溫度為3.0℃時(shí)冷藏單元的溫度云圖。

由圖4可見(jiàn)，雖熱空氣等各種擾量通過(guò)對(duì)流換熱、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)等形式在一定程度上影響了車廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布，但多溫蓄冷車車廂冷凍、冷藏單元通過(guò)強(qiáng)制通風(fēng)，溫度分布仍得到了較好的控制。當(dāng)冷凍單元溫度設(shè)定為-15.0℃、送風(fēng)速度為4 m/s時(shí)，區(qū)域溫度在-15.0～-13.0℃之間。其中溫度最低點(diǎn)接近-15.0℃，位于車廂前端左右兩側(cè)送風(fēng)口處；而溫度較高區(qū)域處于回風(fēng)口處、車廂頂部及側(cè)壁處。這是由于當(dāng)啟動(dòng)溫控風(fēng)機(jī)時(shí)，蓄冷槽內(nèi)冷氣導(dǎo)入冷凍單元，較大的溫差造成劇烈換熱，所以送風(fēng)口處溫度偏低；而送回風(fēng)模式采用上送下回的氣流循環(huán)過(guò)程中，車底、車廂側(cè)壁貼附區(qū)域風(fēng)速較低，加之外界熱量傳入影響，其溫度稍高。當(dāng)冷藏單元設(shè)定溫度為3.0℃、導(dǎo)風(fēng)速度為4 m/s時(shí)，區(qū)域溫度在3.0～5.0℃之間。溫度波動(dòng)產(chǎn)生原因與冷凍單元類似，導(dǎo)風(fēng)槽口處冷氣導(dǎo)入冷藏單元進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流換熱，造成導(dǎo)風(fēng)口附近溫度梯度較大；此外，冷藏單元內(nèi)部空間較小，送風(fēng)口與回風(fēng)口距離較近且均設(shè)置在頂部，使得空載狀態(tài)下部分低溫氣流未完整循環(huán)便進(jìn)入回風(fēng)口，車廂溫度由上至下呈現(xiàn)階梯狀分布，致使冷藏區(qū)域底部角落處溫度稍高。

3.2 多溫蓄冷車車內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)時(shí)首先開(kāi)啟車載制冷系統(tǒng)對(duì)蓄冷槽內(nèi)蓄冷板進(jìn)行充冷，待蓄冷板內(nèi)PCM充分凍結(jié)后關(guān)閉制冷系統(tǒng)，隨后啟動(dòng)溫控風(fēng)機(jī)和導(dǎo)風(fēng)槽，將冷氣由蓄冷槽經(jīng)溫控風(fēng)機(jī)吹進(jìn)冷凍單元，同時(shí)冷氣經(jīng)導(dǎo)風(fēng)槽導(dǎo)入冷藏單元，控溫試驗(yàn)持續(xù)10 h。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析，冷凍、冷藏單元以及截面S1～S3和截面T1～T3的平均溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 多溫蓄冷車空氣溫度變化曲線Fig.5 Temperature variation curves of multi-temperature cold storage vehicle

由試驗(yàn)結(jié)果可知，雖然蓄冷槽內(nèi)PCM的初始溫度與冷凍、冷藏單元溫度相差較大，但因蓄冷槽獨(dú)立保溫并經(jīng)溫控風(fēng)機(jī)按設(shè)定溫度要求導(dǎo)出冷氣，因此多溫蓄冷車車廂冷凍、冷藏單元溫度均得到較好控制。

當(dāng)冷凍單元溫度設(shè)定為-15.0℃時(shí)，約60 min后可達(dá)到設(shè)定目標(biāo)溫度，之后冷凍單元各點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定。從各截面溫度來(lái)看，從小到大依次為截面S1、S2、S3，平均溫度分別為-14.6、-13.2、-12.4℃，整個(gè)冷凍單元平均溫度為-13.4℃。上述分布與截面S1接近蓄冷槽及送風(fēng)口，截面S2靠近冷凍單元側(cè)門，而截面S3緊挨可移動(dòng)的內(nèi)隔板存在一定漏氣、漏熱現(xiàn)象有關(guān)。

在冷藏單元，其送回風(fēng)均通過(guò)導(dǎo)風(fēng)槽進(jìn)行。在送風(fēng)模式上，冷風(fēng)沿車廂單側(cè)導(dǎo)風(fēng)槽送入，由另一側(cè)導(dǎo)風(fēng)槽送出；這與冷凍單元單端上送下回的送風(fēng)模式有所不同，因此兩者間溫度分布趨勢(shì)也有所不同。冷藏單元因降溫幅度不大，約30 min可達(dá)到設(shè)定目標(biāo)溫度，待各點(diǎn)溫度穩(wěn)定后，截面T1～T3的平均溫度分別為3.3、3.6、4.1℃，車廂平均溫度為3.7℃。這是由于截面T1處于內(nèi)隔板附近，會(huì)有冷凍單元內(nèi)冷空氣滲出，截面T2靠近導(dǎo)風(fēng)口，溫度梯度較大，而截面T3處于車門附近，存在漏熱、漏氣問(wèn)題。

將多溫蓄冷車試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[12]中的單溫蓄冷車比較分析，在多溫蓄冷車?yán)鋬龊屠洳貑卧O(shè)定溫度為-15.0℃和3.0℃時(shí)，其冷凍和冷藏單元平均溫度分別在-14.2～-12.9℃和3.4～4.2℃間波動(dòng)，波動(dòng)范圍為1.3℃和0.8℃；而傳統(tǒng)單溫蓄冷車經(jīng)10 h試驗(yàn)后車廂平均溫度波動(dòng)為3.0～5.0℃，取平均波動(dòng)溫度的均值，計(jì)算得到該新型多溫蓄冷車平均溫度波動(dòng)值較之降低了73.7%。這是由于傳統(tǒng)蓄冷車中蓄冷板布置在車廂內(nèi)部，僅靠蓄冷板以自然對(duì)流換熱方式持續(xù)釋放冷能被動(dòng)為車廂和貨物降溫，無(wú)法主動(dòng)調(diào)節(jié)溫度；而多溫蓄冷車采用獨(dú)立保溫的蓄冷槽并由風(fēng)機(jī)啟停實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主動(dòng)控溫，試驗(yàn)表明上述方法能更好地維持車廂溫度的穩(wěn)定，保障運(yùn)輸食品品質(zhì)的效果也更佳。

3.3 多溫蓄冷車溫度場(chǎng)分析

3.3.1溫度場(chǎng)穩(wěn)定性及仿真效果分析

新型多溫蓄冷車運(yùn)行10 h后，車內(nèi)各溫度測(cè)點(diǎn)仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析如圖6所示，圖中溫測(cè)點(diǎn)序號(hào)1～15分別對(duì)應(yīng)P1～P15和Q1～Q15。

圖6 多溫蓄冷車試驗(yàn)與模擬溫度比較Fig.6 Temperature comparison of experiment and simulation results of multi-temperature cold storage vehicle

將車廂冷凍和冷藏單元試驗(yàn)與模擬溫度進(jìn)行比較。冷凍單元溫度設(shè)定為-15.0℃時(shí)，各溫測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖6a所示，溫度試驗(yàn)值與模擬值隨位置變化的規(guī)律基本一致，各溫測(cè)點(diǎn)在-15.0～-12.0℃間正常波動(dòng)，且溫度模擬值與試驗(yàn)值的均方根誤差為1.1℃。冷藏單元溫度設(shè)定為3.0℃時(shí)，各溫測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖6b所示，冷藏單元溫度擬合良好，各溫測(cè)點(diǎn)在3.0～5.0℃間正常波動(dòng)，溫度模擬值與試驗(yàn)值的均方根誤差為0.7℃。結(jié)果顯示所建立模型可較好地用于模擬該新型多溫蓄冷車的溫度場(chǎng)分布。

此外，由圖6可見(jiàn)，PCM在持續(xù)放冷10 h后仍較好地維持了車內(nèi)設(shè)定溫度，滿足設(shè)計(jì)需要。冷凍單元內(nèi)截面S1試驗(yàn)溫度略低于模擬溫度，而截面S2、S3試驗(yàn)溫度高于模擬溫度。這是由于仿真模擬的溫度場(chǎng)處于理想狀態(tài)，溫度場(chǎng)分布較為均勻。而在現(xiàn)實(shí)中，如圖1～3所示，冷凍單元內(nèi)截面S1靠近蓄冷槽及送回風(fēng)口，蓄冷槽中PCM溫度最低達(dá)-35.0℃，冷能通過(guò)送回風(fēng)口不可避免地滲漏至車廂內(nèi)部，進(jìn)而對(duì)截面S1溫度造成影響，使其偏低于理論值；截面S2靠近冷凍冷藏區(qū)之間的導(dǎo)風(fēng)槽，從冷藏區(qū)送回的空氣在此進(jìn)入冷凍區(qū)，也使得該區(qū)域空氣溫度有所上升；而截面S3緊挨內(nèi)隔板，因該內(nèi)隔板并非處于理想的完全密封狀態(tài)(為調(diào)節(jié)空間大小，可在一定范圍內(nèi)自由移動(dòng)，故內(nèi)隔板與內(nèi)壁面之間不可避免地存在縫隙)，存在少量空氣在冷凍、冷藏區(qū)之間滲透，導(dǎo)致截面S3附近出現(xiàn)溫升現(xiàn)象。在冷藏單元內(nèi)，截面T1和截面T2試驗(yàn)溫度低于模擬溫度，截面T3試驗(yàn)溫度高于模擬溫度，原因與冷凍單元類似。截面T1靠近內(nèi)隔板，冷凍單元冷氣漏出；截面T2靠近導(dǎo)風(fēng)槽，冷空氣流入導(dǎo)致溫度梯度較大；而截面T3處于車輛尾端車門附近，車門的隔熱性能和氣密性能均弱于車壁，存在漏熱、漏氣現(xiàn)象。

3.3.2溫度場(chǎng)均勻性分析

為考察車廂內(nèi)溫度穩(wěn)定情況，引入絕對(duì)不均勻度系數(shù)S，S越大則表示溫度場(chǎng)的均勻性越差，計(jì)算公式為

(2)

式中tj——第j個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)的溫度，℃

n——車廂內(nèi)溫度測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量

對(duì)于冷凍單元設(shè)定溫度為-15.0℃時(shí)的穩(wěn)定階段和冷藏單元設(shè)定溫度為3.0℃時(shí)的穩(wěn)定階段，分別計(jì)算各截面的溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)S，結(jié)果如圖7所示。

圖7 多溫蓄冷車溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)變化曲線Fig.7 Temperature non-uniformity coefficient of multi-temperature cold storage vehicle

在空間分布上，新型多溫蓄冷車的溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)S：冷凍單元S≤0.6，冷藏單元S≤1.2，而傳統(tǒng)單溫蓄冷車的S最高達(dá)2.0以上[12]，同等試驗(yàn)條件下，取溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)平均值，計(jì)算得到該新型多溫蓄冷車S較之降低了50%以上?？梢?jiàn)，該新型多溫蓄冷車內(nèi)溫度場(chǎng)分布時(shí)間和空間穩(wěn)定性均較好。此外，由于蓄冷車在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行蒸發(fā)器融霜作業(yè)，其溫度穩(wěn)定性也優(yōu)于同類型機(jī)械式冷藏車。但新型多溫蓄冷車?yán)洳貑卧腟高于冷凍單元，這與冷藏單元導(dǎo)風(fēng)槽上送上回的結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系，其多溫車廂導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)仍可進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。

3.3.3模型拓展應(yīng)用

在多溫共配的過(guò)程中，每次需要裝載冷凍和冷藏貨物數(shù)量根據(jù)實(shí)際需要有所不同，因此，多溫蓄冷車車廂的內(nèi)隔板也需要根據(jù)實(shí)際貨物運(yùn)量進(jìn)行調(diào)整。

為考察多溫蓄冷車?yán)鋬觥⒗洳貑卧w積變化后車廂內(nèi)部溫度變化情況，仍以前述所建仿真模型為例，將冷凍冷藏單元體積比由1∶1變?yōu)?∶2，其他參數(shù)不變，對(duì)車內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真。

多溫蓄冷車運(yùn)行10 h后冷凍單元截面S1～S3及冷藏單元截面T1～T3溫度分布如圖8所示，而2次仿真中冷凍、冷藏單元內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)溫度的對(duì)比如圖9所示。對(duì)比圖4和圖8，雖然車廂內(nèi)冷凍和冷藏單元的體積發(fā)生變化，但各截面溫度分布基本一致，冷凍、冷藏單元內(nèi)部區(qū)域溫度仍在-15.0～-13.0℃和3.0～5.0℃之間波動(dòng)。可見(jiàn)，在多溫蓄冷車改變內(nèi)部體積后，車內(nèi)溫度分布仍可較好地滿足實(shí)際運(yùn)輸需要。在變化趨勢(shì)上，當(dāng)冷凍冷藏單元體積比為1∶2時(shí)，與之前的仿真相比，雖冷凍單元體積變小，但總送風(fēng)量不變，因此，冷凍單元中各測(cè)點(diǎn)溫度較之前更趨近于-15.0℃，車廂平均溫度由-14.1℃降至-14.4℃；冷藏單元與之相反，總送風(fēng)量不變但體積增大，因此內(nèi)部溫度略有升高，平均溫度由之前的4.2℃升至4.6℃。

圖8 多溫蓄冷車空氣溫度分布圖(冷凍冷藏單元 體積比1∶2)Fig.8 Air temperature distribution diagrams of multi-temperature cold storage vehicle (the space ratio of freezing unit and cooling unit was 1∶2)

圖9 多溫蓄冷車不同空間比例條件下仿真溫度對(duì)比曲線Fig.9 Comparison curves of temperature simulation result at different space proportions of multi-temperature cold storage vehicle

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一款集車載制冷系統(tǒng)、獨(dú)立蓄冷槽、隔熱車廂(冷凍單元和冷藏單元)、導(dǎo)風(fēng)槽、內(nèi)隔板等于一體的新型多溫蓄冷車。該車將蓄冷槽獨(dú)立安裝在車廂前端并獨(dú)立保溫，利用夜間低谷電對(duì)蓄冷槽內(nèi)PCM進(jìn)行充冷。當(dāng)多溫蓄冷運(yùn)輸時(shí)，冷凍單元通過(guò)車廂前端送風(fēng)系統(tǒng)將冷能導(dǎo)出并調(diào)控；而冷藏單元通過(guò)導(dǎo)風(fēng)槽將冷氣導(dǎo)入并調(diào)控。較傳統(tǒng)蓄冷冷藏車而言，該車具有重心低，溫度、空間可調(diào)控等特點(diǎn)。

(2)構(gòu)建了多溫蓄冷車仿真模型，溫度模擬值與試驗(yàn)值的均方根誤差為0.7～1.1℃，總體偏差合理，所建立的模型可較好地模擬多溫蓄冷車內(nèi)冷凍、冷藏單元溫度場(chǎng)分布。

(3)試驗(yàn)與模擬溫度數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)冷凍和冷藏單元體積比為1∶1，溫度設(shè)定為-15.0℃和3.0℃時(shí)，該多溫蓄冷車內(nèi)冷凍、冷藏單元可有效控溫10 h以上，平均溫度分別在-14.2～-12.9℃和3.4～4.2℃間正常波動(dòng)，波動(dòng)范圍分別為1.3℃和0.8℃，溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)S在1.2以內(nèi)。在多溫蓄冷車改變內(nèi)部體積后，車內(nèi)溫度分布仍可較好地滿足實(shí)際運(yùn)輸需要。此外，與傳統(tǒng)蓄冷車比較，該新型多溫蓄冷車平均溫度波動(dòng)值、溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)S分別降低了73.7%和50%以上，可在保證易腐貨物品質(zhì)安全的同時(shí)有效降低運(yùn)輸能耗及成本。