三溫區(qū)冷藏車溫度場試驗分析及改進(jìn)設(shè)計

吳 堅，俞焯均

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，杭州 310023)

三溫區(qū)冷藏車能利用不同溫區(qū)運(yùn)輸對溫度有不同要求的貨物，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)冷藏車運(yùn)輸貨物品類單一的缺點(diǎn)，實現(xiàn)了有不同溫度要求的貨物混裝，提高了運(yùn)輸效率，降低了運(yùn)輸成本，對城市“最后一公里”[1]貨物配送有重要意義。但由于在冷藏運(yùn)輸過程中能耗高、損耗大，整個物流費(fèi)用約占到易腐貨物成本的70%[2]。保持溫區(qū)有效空間內(nèi)溫度始終處于合適的范圍是冷鏈的核心[3]，也是保障易腐貨物運(yùn)輸品質(zhì)的重要因素之一。若能減少運(yùn)輸過程中貨物因溫度不適合而產(chǎn)生的損耗，則能有效降低物流成本。李細(xì)霞等[4]設(shè)計了一種三層復(fù)合板結(jié)構(gòu)的冷藏汽車車廂和廂內(nèi)冷空氣導(dǎo)流機(jī)構(gòu)，建立了其瞬態(tài)傳熱模型，利用有限元方法對模型進(jìn)行了求解，分析了隔熱層厚度、冷藏溫度、空氣溫度、車速等參數(shù)對車廂漏熱速率的影響；韓佳偉等[5]通過建立冷藏車車廂溫度場分布計算模型[6-7]，以冷氣出風(fēng)口風(fēng)速、空氣溫度、車廂壁面以及貨物區(qū)溫度作為初始邊界條件，采用計算流體力學(xué)(CFD)非穩(wěn)態(tài)剪切壓力傳輸SSTκ-ω計算模型，來模擬不同邊界條件和貨物不同堆棧方式車廂內(nèi)溫度場分布情況[8-10]。

本文以三溫區(qū)冷藏車廂為研究對象，在3個溫區(qū)內(nèi)共計布設(shè)99個溫度傳感器，用來記錄各測試點(diǎn)的溫度值。研究冷藏車廂內(nèi)溫度場分布和氣流運(yùn)動，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以保證廂內(nèi)溫度均勻分布，并從車廂結(jié)構(gòu)、出入風(fēng)口布局等方面對溫度場的影響進(jìn)行了解析。最后對三溫區(qū)冷藏車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出了一種溫度場更均勻的新型三溫區(qū)車廂結(jié)構(gòu)。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 研究對象

本文所研究的三溫區(qū)冷藏車廂是采用單蒸發(fā)器的冷藏車。該冷藏車包含3個溫區(qū)，分別是冷凍區(qū)、保鮮區(qū)和冷藏區(qū)，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 三溫區(qū)冷藏車廂Fig.1 Refrigerated compartment of three-temperature zone

1.2 車廂技術(shù)參數(shù)

各溫區(qū)的尺寸、預(yù)設(shè)溫度和溫度控制精度，見表1。

表1 三溫區(qū)車廂參數(shù)Table 1 Three-temperature compartment parameters

制冷機(jī)組的單蒸發(fā)器固定在車廂冷凍區(qū)處，冷凍區(qū)的氣流循環(huán)主要通過蒸發(fā)器的出風(fēng)和回風(fēng)來實現(xiàn)，回風(fēng)口1和出風(fēng)口1的氣流流動范圍較??；保鮮區(qū)的氣流循環(huán)主要通過出風(fēng)口1的風(fēng)機(jī)陣列和回風(fēng)口1來實現(xiàn)；冷藏區(qū)的氣流循環(huán)主要通過出風(fēng)口2的風(fēng)機(jī)陣列和回風(fēng)口2來實現(xiàn)。氣流循環(huán)方式如圖2所示：首先是通過制冷機(jī)組的蒸發(fā)器出風(fēng)到冷凍區(qū)，然后通過出風(fēng)口1處的溫控風(fēng)機(jī)陣列送風(fēng)到保鮮區(qū)，再通過出風(fēng)口2處的溫控風(fēng)機(jī)陣列送風(fēng)到冷藏區(qū)，接著通過車廂頂部的回風(fēng)口2和回風(fēng)口1回風(fēng)到冷凍區(qū)，最后通過制冷機(jī)組的蒸發(fā)器回風(fēng)。

圖2 冷藏車空氣循環(huán)方式Fig.2 Air circulation mode of refrigerated vehicle

1.3 測量儀器

1.3.1 紅外熱像儀

圖3 Testo 890紅外熱像儀Fig.3 Testo 890 infrared thermal imager

采用德圖集團(tuán)生產(chǎn)的Testo 890紅外熱像儀檢測三溫區(qū)車廂廂門的密封性和廂體泄冷情況，其可測量溫度范圍為0～100 ℃，測量精度為±2 ℃，紅外圖像分辨率為<40 mK(在30 ℃時)，圖像刷新率為33 Hz，紅外圖像分辨率為640 pixel×480 pixel，見圖3。

1.3.2 溫度采集模塊

采用DS18B20溫度采集模塊采集三溫區(qū)車廂內(nèi)各測試點(diǎn)的溫度參數(shù)。溫度采集模塊直接從傳感器前端輸入數(shù)字信號，可同時采集64點(diǎn)數(shù)字溫度，測量溫度范圍為-40～150 ℃，溫度精度為±0.3 ℃(0～50 ℃)、±0.5 ℃(其他范圍)，記錄間隔時間為1～10 min可調(diào)。

1.4 傳感器布置

溫度傳感器矩陣布設(shè)在車廂中貨物存放的四周和空間中點(diǎn)(每個矩形平面的中點(diǎn))，且通過細(xì)繩從頂部懸掛的方式來固定傳感器。根據(jù)各溫區(qū)的空間尺寸，將每個溫區(qū)沿長度方向分成前中后3層；根據(jù)各溫區(qū)的空間高度，將每個溫區(qū)分成上中下3層，并在各溫區(qū)的出、回風(fēng)口另加設(shè)18個傳感器，用來記錄各溫區(qū)出、回風(fēng)口所在區(qū)域氣流溫度，主要作用是與各個溫區(qū)其他測試點(diǎn)的溫度值做比較。

3個溫區(qū)共計布設(shè)99個溫度傳感器，其中冷凍區(qū)布設(shè)33個，冷藏區(qū)布設(shè)35個，保鮮區(qū)布設(shè)31個。冷凍區(qū)中6個傳感器布設(shè)在進(jìn)、回風(fēng)口，27個傳感器按3×3×3的方式均勻布設(shè)在冷凍區(qū)；冷藏區(qū)中8個傳感器布設(shè)在進(jìn)、回風(fēng)口，27個傳感器按3×3×3的方式均勻布設(shè)在冷藏區(qū)；保鮮區(qū)中4個傳感器布設(shè)在進(jìn)、回風(fēng)口，27個傳感器按3×3×3的方式均勻布設(shè)在保鮮區(qū)；每個溫區(qū)的27個傳感器位置均離開壁面20 cm。布設(shè)結(jié)果如圖4所示。

2 試驗步驟及結(jié)果

試驗步驟如下：1)冷藏車在室外自然環(huán)境溫度(20～41 ℃)下進(jìn)行測試試驗；2)預(yù)設(shè)各個溫區(qū)的溫度，冷凍區(qū)設(shè)定為-18 ℃，保鮮區(qū)設(shè)定為0 ℃，冷藏區(qū)設(shè)定為5 ℃；3)設(shè)定傳感器每5 min記錄1次數(shù)據(jù)；4)實驗周期為24 h；5)重復(fù)上述試驗3次，分析數(shù)據(jù)。對冷藏車各溫區(qū)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，數(shù)據(jù)見表2。

圖4 傳感器布置方式Fig.4 Sensor placement

冷凍區(qū)測點(diǎn)編號溫度保鮮區(qū)測點(diǎn)編號溫度冷藏區(qū)測點(diǎn)編號溫度截面Ⅰ1-18.62-18.23-17.510-17.611-17.712-17.319-16.720-17.121-16.6截面Ⅰ′28-1.629-1.330-1.137-0.1380.2390.3461.2471.4481.5截面Ⅰ″553.8564.0574.3645.6655.3665.7736.3746.4756.7截面Ⅱ4-18.45-18.56-17.613-17.514-17.815-17.322-16.923-17.324-16.8截面Ⅱ′31-1.832-1.533-1.340-0.341-0.1420.1491.0501.2511.4截面Ⅱ″583.6593.9604.2675.4685.2695.6766.2776.5786.5截面Ⅲ7-18.58-18.59-17.616-17.617-17.518-16.925-16.726-16.927-16.6截面Ⅲ′34-1.735-1.136-1.0430.2440.3450.4521.3531.5541.7截面Ⅲ″613.9624.1634.4705.5715.3725.6796.5806.4816.9均值 -17.49均值 0.03均值 5.33方差 0.39方差 1.30方差 1.06

3 試驗分析

3.1 單個溫區(qū)各測點(diǎn)溫度分析

圖5 冷凍區(qū)各測點(diǎn)溫度值Fig.5 Temperature value at all points in the freezing zone

對表2溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得折線圖5～7，橫坐標(biāo)是各區(qū)每個截面測點(diǎn)編號，其中每個截面測點(diǎn)分別按測點(diǎn)編號的大小，按從小到大的順序重新對測點(diǎn)進(jìn)行1～9編號，縱坐標(biāo)則是各測點(diǎn)對應(yīng)的溫度。

從圖5可知，冷凍區(qū)的溫度波動度Δtf=±1 ℃，溫度上偏差Δth=1.4 ℃，溫度下偏差Δtl=-0.6 ℃，冷凍區(qū)試驗結(jié)果與設(shè)計偏差±1.5 ℃的結(jié)果相符。同時發(fā)現(xiàn)冷凍區(qū)各截面靠近車廂頂部所在測試點(diǎn)的溫度，要比車廂底部所在測試點(diǎn)溫度高，且冷凍區(qū)最高溫度和最低溫度相差2 ℃。

圖6 保鮮區(qū)各測點(diǎn)溫度值Fig.6 Temperature value at different points in fresh-keeping zone

從圖6可知，保鮮區(qū)的溫度波動度Δtf=±1.75 ℃,溫度上偏差Δth=1.7 ℃，溫度下偏差Δtl=-1.8 ℃,保鮮區(qū)試驗結(jié)果與設(shè)計偏差±1.5 ℃的結(jié)果不符，溫度誤差為16.7%。同時發(fā)現(xiàn)保鮮區(qū)各截面靠近車廂頂部所在測試點(diǎn)的溫度，要比車廂底部所在測試點(diǎn)溫度高，且保鮮區(qū)最高溫度和最低溫度相差3.5 ℃。

從圖7可知，冷藏區(qū)的溫度波動度Δtf=±1.65 ℃，溫度上偏差Δth=1.9 ℃，溫度下偏差Δtl=-1.4 ℃，冷藏區(qū)試驗結(jié)果與設(shè)計偏差±1.5 ℃的結(jié)果不符，溫度誤差為10%。同時冷藏區(qū)各截面靠近車廂頂部所在測試點(diǎn)的溫度，要比車廂底部所在測試點(diǎn)溫度高，且冷藏區(qū)最高溫度和最低溫度相差3.3 ℃。

圖7 冷藏區(qū)各測點(diǎn)溫度值Fig.7 Temperature value at different points in refrigerated zone

各溫區(qū)所在截面靠近車廂頂部測試點(diǎn)的溫度均要比車廂底部測試點(diǎn)溫度高，這是由于車廂內(nèi)熱交換導(dǎo)致的。同時冷凍區(qū)的出風(fēng)口和回風(fēng)口均在頂部，而其他兩個溫區(qū)出風(fēng)口在底部，回風(fēng)口在頂部，造成保鮮區(qū)和冷藏區(qū)相較冷凍區(qū)熱交換不充分，進(jìn)一步使頂部和底部溫差變大。由此可見，出風(fēng)口和回風(fēng)口在頂部有利于溫區(qū)溫度場分布更均勻。

3.2 各溫區(qū)溫度的相互影響分析

冷藏車廂兩個溫區(qū)之間是通過溫控風(fēng)機(jī)陣列進(jìn)行送風(fēng)和回風(fēng)的。關(guān)閉溫控風(fēng)機(jī)陣列，由于密封性能，溫區(qū)之間也會產(chǎn)生相互影響，通過以下試驗來進(jìn)行檢測。

將冷藏車置于環(huán)境溫度恒定在25 ℃的密閉空間中，關(guān)閉出風(fēng)口1和出風(fēng)口2的溫控風(fēng)機(jī)陣列(即停止對保鮮區(qū)和冷藏區(qū)的制冷)，冷凍區(qū)設(shè)定為-18 ℃，傳感器布點(diǎn)位置等其他條件不變，試驗周期24 h，部分結(jié)果見表3。由表3可知，在25 ℃的環(huán)境溫度下，冷藏區(qū)截面Ⅰ″所在區(qū)域的各測點(diǎn)溫度要低于保鮮區(qū)截面Ⅰ′的各測點(diǎn)溫度。由此可見冷藏區(qū)截面Ⅰ″各測點(diǎn)的溫度受到冷凍區(qū)的影響，即冷凍區(qū)與冷藏區(qū)之間存在泄冷問題。同樣發(fā)現(xiàn)，冷藏區(qū)與保鮮區(qū)之間也存在泄冷問題。

表3 各溫區(qū)的部分溫度值Table 3 Partial temperature value in each temperature zone ℃

3.3 泄冷問題

在環(huán)境溫度為35 ℃，相對濕度為50%的條件下，用紅外熱像儀分別拍攝冷凍區(qū)和保鮮區(qū)所在區(qū)域的側(cè)門，CS1點(diǎn)為劃定矩形區(qū)域的最低溫度，HS1點(diǎn)為劃定矩形區(qū)域的最高溫度，如圖8～9所示。由此可見冷凍區(qū)和保鮮區(qū)的側(cè)門與車框之間的橡膠密封處均存在泄冷現(xiàn)象。

圖8 冷凍區(qū)所在區(qū)域的側(cè)門Fig.8 Side doors of the area where the freezing zone is located

圖9 保鮮區(qū)所在區(qū)域的側(cè)門Fig.9 Side doors of the area where the fresh-keeping zone is located

在環(huán)境溫度為32 ℃，相對濕度為60%的條件下，用紅外熱像儀拍攝冷藏區(qū)所在區(qū)域的后門，CS1點(diǎn)為劃定矩形區(qū)域的最低溫度，HS1點(diǎn)為劃定矩形區(qū)域的最高溫度，如圖10所示。由此可見后門與車框之間的橡膠密封處存在泄冷現(xiàn)象。

4 新式三溫區(qū)車廂設(shè)計方案

在基于以上分析的基礎(chǔ)上，將制冷機(jī)組換成一拖二的結(jié)構(gòu)，即有2個蒸發(fā)器。蒸發(fā)器1單獨(dú)送風(fēng)到保鮮區(qū)，并通過蒸發(fā)器1單獨(dú)回風(fēng)；蒸發(fā)器2送風(fēng)到冷凍區(qū)，并通過蒸發(fā)器2回風(fēng)；冷藏區(qū)與冷凍區(qū)通過2個溫控風(fēng)機(jī)分別進(jìn)行送風(fēng)、回風(fēng)，當(dāng)冷藏區(qū)環(huán)境溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度±1.0 ℃時，風(fēng)機(jī)停止工作。車廂的側(cè)門由2扇變成1扇，減少車廂上的泄冷點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 新式三溫區(qū)冷藏車廂Fig.11 New refrigerated compartment of three -temperature zone

改變門的密封材料，用硅膠材料進(jìn)行密封，且采用雙密封結(jié)構(gòu)，以減少門的泄冷量，結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 門框密封結(jié)構(gòu)Fig.12 Door frame sealing structure

針對車廂棱邊存在的冷橋問題，采取在車廂隔板和車廂外包皮之間加入木框架，然后填充聚氨酯的方式來減少泄冷量，結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 車廂棱邊結(jié)構(gòu)Fig.13 Carriage edge structure

5 結(jié) 論

基于三溫區(qū)冷藏車廂的試驗，得到以下結(jié)論：

1)三個溫區(qū)共同工作時，冷凍區(qū)平均溫度的方差為0.39，冷藏區(qū)平均溫度的方差為1.30，保鮮區(qū)平均溫度的方差為1.06，可見冷凍區(qū)出風(fēng)、回風(fēng)口都在車廂頂部，能使溫區(qū)溫度場更均勻；

2)只有冷凍區(qū)工作時，冷凍區(qū)平均溫度的方差為0.15，可見溫區(qū)的單獨(dú)出風(fēng)、回風(fēng)，能使溫區(qū)溫度場更均勻；

3)通過紅外圖像可知，車框與車門之間存在泄冷問題。

對于新式的三溫區(qū)冷藏車廂，需要進(jìn)一步將計算流體力學(xué)(CFD)應(yīng)用到冷鏈運(yùn)輸車溫度場研究中，下一階段將對三溫區(qū)冷藏廂內(nèi)溫度場進(jìn)行模擬計算，并采用k-ξ紊流模型和非穩(wěn)態(tài)求解方法進(jìn)行求解，以得出冷藏車內(nèi)溫度場的分布特點(diǎn)。