冷鏈專用蓄冷托盤設(shè)計(jì)與控溫運(yùn)輸性能測(cè)試

劉廣海，馬平川，李慶庭，梁銘華，謝如鶴，吳俊章

冷鏈專用蓄冷托盤設(shè)計(jì)與控溫運(yùn)輸性能測(cè)試

劉廣海1，馬平川1，李慶庭1，梁銘華1，謝如鶴1※，吳俊章2

（1. 廣州大學(xué)管理學(xué)院，廣州 510006；2. 帕多瓦大學(xué)工業(yè)工程學(xué)院，帕多瓦 35131）

目前蓄冷冷藏運(yùn)輸車普遍采用車體和蓄冷裝置一體化設(shè)計(jì)，存在重心偏高、控溫范圍窄、蓄冷劑充注量與運(yùn)輸時(shí)間難以合理匹配等問題?；诖?，該研究設(shè)計(jì)并建造一款集標(biāo)準(zhǔn)托盤、蓄冷槽、蓄冷盒等裝置于一體的冷鏈專用蓄冷托盤。蓄冷托盤適用于包括倉儲(chǔ)、運(yùn)輸裝備在內(nèi)的全程冷鏈環(huán)境，該設(shè)備采用分體式設(shè)計(jì)，運(yùn)用時(shí)利用夜間低谷電充冷，相變材料（Phase Change Material，PCM）種類和質(zhì)量可根據(jù)運(yùn)輸貨物實(shí)際情況靈活搭配，從而達(dá)到按需蓄冷、靈活控溫、降低重心、節(jié)能降耗等多重目標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用水凝膠為PCM，質(zhì)量為100、200、300 kg時(shí)，車廂控溫時(shí)間可達(dá)1～3 d，基本滿足中短途冷藏運(yùn)輸需要。同時(shí)，循環(huán)通風(fēng)可將車內(nèi)平均溫度由9.3、6.9、6.7 ℃降至5.7、4.6、3.3 ℃。在車廂溫度均勻性方面，無循環(huán)通風(fēng)時(shí)，車廂溫度場(chǎng)水平分層嚴(yán)重，截面間最高溫差分別為2.8、2.8、3.2 ℃，截面內(nèi)最大溫差4.2、4.1、6.6 ℃；循環(huán)通風(fēng)后，截面間和截面內(nèi)最大溫差分別降至0.4、0.4、0.5 ℃和0.8、0.9、0.7 ℃，降幅分別為85.7%、85.7%、84.4%和81.0%、78.0%、89.4%。與傳統(tǒng)蓄冷冷藏車（300 kg PCM）相比，溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)由2.5下降至1.2，下降52.0%；車廂重心高度由1.46 m下降至0.77 m，下降47.3%。研究可為冷鏈節(jié)能低碳發(fā)展提供借鑒，為蓄冷冷藏運(yùn)輸裝備拓展應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

溫度控制；冷藏；運(yùn)輸；冷鏈；蓄冷托盤；溫度場(chǎng)

0 引 言

中國是全球最大的食品生產(chǎn)和消費(fèi)國，產(chǎn)銷量約占全球的1/4，2020年農(nóng)產(chǎn)品省際調(diào)運(yùn)量在4億t以上[1]。作為農(nóng)產(chǎn)品流通的重要途徑，冷鏈物流越來越受到關(guān)注：2017—2021年，“冷鏈物流”已連續(xù)5 a出現(xiàn)在中央一號(hào)文件中。與此同時(shí)，中國在冷藏運(yùn)輸方面的發(fā)展仍存在一定問題：由于冷藏運(yùn)輸能耗成本高，部分商販忽視食品品質(zhì)，擅自提高運(yùn)輸溫度甚至采用土保溫替代冷藏運(yùn)輸，冷鏈流通率僅為19%（歐美等發(fā)達(dá)國家在90%以上），常造成各類易腐貨物的腐損率高達(dá)15%～30%，年直接經(jīng)濟(jì)損失上千億元[2]。截止2020年底，中國各類冷藏運(yùn)輸裝備總量達(dá)27萬臺(tái)，僅占全球的6%，人均不及歐美等國家的1/10[3]。2020年，中國在第七十五屆聯(lián)合國一般性辯論會(huì)中作出承諾，將采取強(qiáng)有力的措施，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。因此，如何提高冷鏈流通率，在保障食品品質(zhì)安全的同時(shí)降低運(yùn)輸能耗和碳排已成為全行業(yè)共識(shí)[4]。

針對(duì)上述問題，蓄冷運(yùn)輸裝備利用相變材料（Phase Change Material，PCM）替代機(jī)械制冷裝置，合理利用電網(wǎng)資源（夜間充冷、白天運(yùn)輸放冷），具有運(yùn)用成本低，節(jié)能低碳等優(yōu)點(diǎn)，近年來越來越受到行業(yè)的青睞[5-7]。在運(yùn)輸裝備方面，Tan等[8]將液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）作為燃料和冷源應(yīng)用于冷藏車，改進(jìn)蓄冷換熱系統(tǒng)，在探討新的應(yīng)用模式基礎(chǔ)上肯定了蓄冷冷藏裝備的發(fā)展方向。Liu等[9]在澳大利亞開發(fā)了一款PCM外置式蓄冷車，研究表明，在當(dāng)?shù)貧庀髼l件下，250 kg蓄冷劑可滿足車廂-18 ℃低溫全天配送要求（復(fù)雜工況下，最高390 kg可滿足需要），且能耗僅為機(jī)械冷藏車的20%左右。劉廣海等[10-11]通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將蓄冷裝置前移實(shí)現(xiàn)了車輛重心下降、車廂可控溫和多溫共配等目標(biāo)。此外，中國鐵路蓄冷車歷經(jīng)3代發(fā)展，逐步解決了蓄冷劑充注、蓄冷板設(shè)計(jì)及放冷特性優(yōu)化等相關(guān)問題[12]；2020年，中車與國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)合作，開發(fā)新型12.192 m（40 ft）蓄冷集裝箱，該裝備充冷時(shí)間6 h可持續(xù)控溫14 h以上，較機(jī)械冷藏車節(jié)能61.9%[13]。在材料改進(jìn)方面，Ahmed等[14]將PCM嵌入冷藏車圍護(hù)結(jié)構(gòu)，使得車廂峰值負(fù)荷降低29%，總能耗減少16%。Copertaro等[15]在上述研究的基礎(chǔ)上將外部PCM層與絕緣夾層板集成為新的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，使車廂峰值負(fù)荷減少20.87%，傳熱速率降低4.74%。李細(xì)霞等[16]設(shè)計(jì)了一種玻璃鋼板夾硬質(zhì)聚氨酯三層復(fù)合板結(jié)構(gòu)的冷藏車隔熱層，峰值傳熱速率最高可降低6.79 W/m2，在減輕車廂質(zhì)量降低能耗同時(shí)增強(qiáng)保冷隔熱效果[17]。呂恩利等[17]將真空隔熱材料應(yīng)用于蓄冷箱，控溫時(shí)長最高可達(dá)106 h，有效延長了蓄冷保溫時(shí)間。上述研究促進(jìn)了蓄冷運(yùn)輸裝備技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，但也不可避免存在一些問題：1）目前的蓄冷冷藏車蓄冷裝置與車廂采用一體化設(shè)計(jì)，為延長控溫時(shí)間，PCM充注量較大（大多為300～400 kg），在增加車輛自重的同時(shí)存在過度充冷造成能源浪費(fèi)等現(xiàn)象；2）大部分蓄冷冷藏車采用冷板頂置的模式，車輛重心較高不利于運(yùn)輸安全，同時(shí)，使用時(shí)冷板存在冷凝水下滴等現(xiàn)象也影響到食品品質(zhì)；3）PCM材料固定限定了蓄冷冷藏車運(yùn)用條件，使得車輛無法實(shí)現(xiàn)冷凍、冷藏通用。

為此，本文將蓄冷技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)托盤相結(jié)合，研制冷鏈專用蓄冷托盤，以期達(dá)到按需蓄冷、靈活控溫、降低重心、節(jié)能降耗等多重目標(biāo)。為考察運(yùn)用效果，本文對(duì)其運(yùn)用模式和控溫效果展開分析，以期為蓄冷冷藏運(yùn)輸裝備拓展應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 冷鏈專用蓄冷托盤設(shè)計(jì)與運(yùn)用模式

1.1 冷鏈專用蓄冷托盤設(shè)計(jì)

食品冷鏈環(huán)節(jié)多，人工作業(yè)效率低、耗時(shí)長且容易造成貨損。為此，國家自2014年起在物流領(lǐng)域大力推行托盤標(biāo)準(zhǔn)化行動(dòng)并取得了積極成效。分析表明，使用標(biāo)準(zhǔn)托盤可使車輛周轉(zhuǎn)率提高20%，裝卸效率提高21倍，貨損率降低45%[18]。截至2019年中國托盤市場(chǎng)保有量達(dá)14.5億片[19]，新建冷庫多采用立體式貨架+托盤的形式存儲(chǔ)貨物，帶板運(yùn)輸率顯著提高，這為發(fā)展冷鏈專用托盤提供了基礎(chǔ)。而相變蓄冷技術(shù)作為一種節(jié)能技術(shù)，可在低用電量時(shí)將冷量?jī)?chǔ)存在蓄冷介質(zhì)中，在用電高峰期釋放冷量，實(shí)現(xiàn)電能的削峰填谷。基于上述特點(diǎn)，將托盤與蓄冷技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出一種冷鏈專用托盤如圖1所示。

蓄冷托盤依照國家標(biāo)準(zhǔn)托盤要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[20]，方便冷庫堆碼與車廂裝載；材料方面，蓄冷盒由高密度聚乙烯制作，蓄冷槽采用全鋁合金設(shè)計(jì)，由底板、墊塊、底鋪板、頂板、蓄冷槽、蓄冷盒等部件構(gòu)成。底板、墊塊、底鋪板共同組成叉車位，方便機(jī)械化作業(yè)；蓄冷槽和蓄冷盒居中，為冷源提供裝置，PCM種類（相變點(diǎn)不同）和數(shù)量均可根據(jù)使用需要進(jìn)行調(diào)整；底鋪板和頂板包裹蓄冷槽，采用鏤空結(jié)構(gòu)方便傳熱，同時(shí)也可為PCM提供額外的保護(hù)，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。此外，托盤還在底板下部加裝了低溫防滑墊，用于防止托盤低溫狀態(tài)下結(jié)冰滑動(dòng)。單個(gè)托盤最大動(dòng)載為1.25t，地面堆垛靜載最大為3t，空托盤可堆垛25層。

表1 蓄冷托盤結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 蓄冷劑充注量

蓄冷托盤控溫運(yùn)輸過程中PCM的充注量與運(yùn)輸裝備內(nèi)外環(huán)境、裝載貨物的種類、質(zhì)量以及運(yùn)輸時(shí)間等因素有關(guān)。蓄冷劑充注量m的計(jì)算如式（1）所示。

式中m為蓄冷劑充注量，kg；1為漏熱冷消耗，kJ；2為漏氣冷消耗，kJ；3為太陽輻射冷消耗，kJ；4為食品呼吸冷消耗，kJ；5為循環(huán)風(fēng)機(jī)冷消耗，kJ；為安全系數(shù)（城際運(yùn)輸取=1.3，城市配送取=1.6）；為蓄冷劑相變潛熱，kJ/kg。

其中：

式中為車體外表面積，m2；為車廂傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；t、t分別為外環(huán)境和車廂控溫溫度，℃；為運(yùn)輸時(shí)間，h。

式中為滲風(fēng)量，m3/h；為空氣比熱容，取=1.297kJ/（m3·℃）

式中為車體被太陽照射面積占總面積的百分比（一般取=50%），%；t為車體被太陽照射面的溫度（一般取t=t+12），℃；h為車體被太陽照射的時(shí)間，h。

式中m為食品質(zhì)量，kg；q為食品呼吸熱，kJ/(h·kg)。

式中為循環(huán)風(fēng)機(jī)功率，kW。

1.3 運(yùn)用模式

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，加快實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型，中國提出“雙碳”目標(biāo)任務(wù)。在此背景下，深化電價(jià)改革，完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制肯定了利用“削峰填谷”政策進(jìn)行節(jié)能減排的發(fā)展方向。如圖2所示，蓄冷托盤作為一種冷鏈特種設(shè)備，可全程應(yīng)用于冷鏈各環(huán)節(jié)，其運(yùn)用模式與傳統(tǒng)蓄冷車也有所不同。

1）蓄冷托盤的蓄冷盒與托盤采用分離式設(shè)計(jì)，在未儲(chǔ)運(yùn)食品時(shí)，可將蓄冷盒置于冷庫，利用夜間低谷電充分充冷。

2）在冷庫儲(chǔ)藏時(shí)，可將蓄冷托盤和易腐食品共同放置并儲(chǔ)存，此時(shí)蓄冷托盤可對(duì)冷庫制冷系統(tǒng)起到削峰填谷的作用（降低冷庫峰值負(fù)荷，減少制冷機(jī)組裝機(jī)容量和初投資），同時(shí)托盤的分布式蓄冷對(duì)庫內(nèi)溫度的均勻性也有所幫助。

3）在運(yùn)輸時(shí)（如冷鏈前端食品由田間地頭或加工廠運(yùn)往冷庫，冷鏈末端食品由冷庫運(yùn)往銷售點(diǎn)等），通過“保溫車+專用蓄冷托盤”的模式，將貨物規(guī)范裝載至托盤上，并根據(jù)所運(yùn)輸易腐食品的要求（運(yùn)輸溫度、運(yùn)輸時(shí)間），將一定數(shù)量的蓄冷盒放入托盤內(nèi)，之后由叉車插入保溫車內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸。

4）在裝卸搬運(yùn)、末端銷售等接駁環(huán)節(jié)時(shí)，使用冷鏈專用蓄冷托盤亦可短時(shí)間維持易腐農(nóng)產(chǎn)品溫度，保障易腐農(nóng)產(chǎn)品在流通過程中不斷鏈。

5）此外，由于該型托盤采用國家推薦標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)間通用。供應(yīng)商可采用帶板冷藏運(yùn)輸方式將貨物運(yùn)輸至零售商，在返程時(shí)將蓄冷托盤帶回備用，在提高車輛周轉(zhuǎn)率和裝卸效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)冷鏈專用托盤在易腐農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈上下游企業(yè)間循環(huán)往復(fù)使用。

在冷藏運(yùn)輸環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)蓄冷冷藏車較機(jī)械冷藏車雖具有能耗成本低的優(yōu)點(diǎn)，但因制冷機(jī)組和蓄冷條整體安放于車上，一方面需增加數(shù)百公斤蓄冷裝置，導(dǎo)致自重較大（藍(lán)牌貨車限重4.5 t），另一方面需利用未裝貨的時(shí)間段停車接電蓄冷，車輛運(yùn)用不可避免地受到一定限制。

蓄冷托盤在使用過程中，蓄冷劑的類別和數(shù)量均可根據(jù)需要進(jìn)行選擇，可大幅減輕自重，按需充冷、應(yīng)用也更加靈活；蓄冷托盤在應(yīng)用時(shí)，只需使用普通保溫車即可（無需車載制冷系統(tǒng)），在進(jìn)一步降低自重的同時(shí)應(yīng)用成本更加低廉；此外，由于托盤位于車廂底部，相較于傳統(tǒng)的頂置式蓄冷車重心更低，運(yùn)輸也更加安全。

2 蓄冷托盤運(yùn)用性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

蓄冷托盤能否滿足冷藏運(yùn)輸需求，關(guān)鍵取決于控溫時(shí)間的長短以及車廂內(nèi)的溫度分布是否均勻。這既與PCM的充注量有關(guān)，也與廂內(nèi)氣流組織方式有關(guān)。為此，在參考現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上[21-26]，以GU-PCM2型控溫式蓄冷冷藏車為載體[10]，分別對(duì)蓄冷劑充注量為100、200和300 kg，無送風(fēng)和開啟內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)（4 m/s）相組合的6種模式展開試驗(yàn)，考慮蓄冷運(yùn)輸多應(yīng)用于中短途運(yùn)輸，將測(cè)試時(shí)長設(shè)定為24～72 h（1～3 d），具體如表2所示。

表2 蓄冷托盤性能測(cè)試

為了研究車廂內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性，引入溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)。如式（7）所示，表征了車廂內(nèi)某一時(shí)刻個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度測(cè)量值與平均溫度的偏差程度，其值越大溫度場(chǎng)不均勻程度也越大。

式中S為試驗(yàn)的溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)；t為試驗(yàn)測(cè)溫點(diǎn)的溫度測(cè)量值，℃；`t為試驗(yàn)車廂內(nèi)平均溫度，℃。

此外，研究對(duì)裝載蓄冷托盤的保溫車重心也進(jìn)行計(jì)算，確定車輛的安全性能。冷藏車廂的重心直接影響到行車速度與安全。根據(jù)合力矩定理，可計(jì)算得到車廂整體重心高度，如式（8）所示。

式中y、y、y分別為車廂、車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)、蓄冷裝置重心高度，m；m、m分別為車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)和蓄冷裝置質(zhì)量，kg。

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在真實(shí)的保溫運(yùn)輸車內(nèi)進(jìn)行，車廂內(nèi)尺寸（長×寬×高）為5.00 m×2.04 m×2.00 m；圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體采用高密度硬質(zhì)聚氨酯保溫板，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，總體厚度為0.12 m。

在氣流組織方面，車廂采用端部上送下回送風(fēng)模式，通風(fēng)系統(tǒng)共設(shè)送風(fēng)口2個(gè)，位于車廂前壁上側(cè)兩端，采用直徑為0.25 m的圓形結(jié)構(gòu)，距車頂和側(cè)壁的距離分別為0.05和0.10 m；回風(fēng)口1個(gè)，位于車廂前壁底部，采用尺寸（長×寬×高）為1.7 m × 0.04 m× 1.00 m的矩形結(jié)構(gòu)，送回風(fēng)通道經(jīng)DXD-10型變頻風(fēng)機(jī)與車廂連接[10]。

蓄冷托盤共8個(gè)，均勻布置于車廂內(nèi)地板上，當(dāng)蓄冷劑充注量為100、200和300 kg時(shí)，每個(gè)蓄冷托盤內(nèi)放置的PCM質(zhì)量分別為12.5、25.0和37.5 kg。蓄冷劑采用水凝膠，無毒無害，相變溫度為0 ℃，相變潛熱334 kJ/kg。

溫度傳感器布置參考國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[27-29]，廂內(nèi)在車廂8個(gè)頂角、6個(gè)面中心和車廂中央共設(shè)置15個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，廂外頂面與左右側(cè)面中心設(shè)置3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，除車廂中央測(cè)溫點(diǎn)外，其他測(cè)溫點(diǎn)均距壁面0.1 m。溫度記錄儀為深圳天圓數(shù)碼科技有限公司生產(chǎn)的Tag06B型，（范圍：-40～125 ℃，精度：±0.3 ℃），每分鐘采集1次數(shù)據(jù)，并通過LoRa通信技術(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)相連，對(duì)車廂內(nèi)溫度變化情況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)，如圖3所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同工況條件對(duì)控溫時(shí)間的影響

測(cè)試選取廣州8—9月份晴熱無雨氣象條件下進(jìn)行，期間平均氣溫約為30 ℃，具有一定代表性。在內(nèi)溫方面，由于本次試驗(yàn)所選PCM相變點(diǎn)為0 ℃，因此，按照國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)冷藏車的分類控溫類別為A級(jí)（0～12 ℃）[29]。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，由圖4可知通風(fēng)后的溫度比未通風(fēng)更加均勻。為更好地對(duì)比試驗(yàn)效果，將各組試驗(yàn)平均溫度顯示如圖5所示。進(jìn)行試驗(yàn)1～3時(shí)，隨著PCM質(zhì)量的增加，總體上呈現(xiàn)降溫速度加快、控溫時(shí)間延長、平均溫度下降的趨勢(shì)。在降溫方面，車廂溫度由常溫降低至12 ℃分別需4.0、2.2和2.1 h；之后控溫階段廂內(nèi)平均溫度為9.3、6.9和6.7 ℃；當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，廂內(nèi)平均溫度為9.5、6.4和6.3 ℃。可見，僅從控溫時(shí)長來看，當(dāng)蓄冷劑充注量為100、200和300 kg時(shí)，“蓄冷托盤+保溫車”的運(yùn)輸模式可以滿足1～3 d甚至更長時(shí)間的冷藏運(yùn)輸要求；但由于冷空氣積聚于車廂下部，在無強(qiáng)制通風(fēng)的條件下，僅靠空氣的熱浮升作用，換熱不充分，車廂降溫時(shí)間過長，對(duì)運(yùn)輸食品的品質(zhì)不利。

圖6所示，試驗(yàn)4～6的降溫時(shí)間分別為1.1、0.7和0.4 h，較試驗(yàn)1～3下降了1.5～3.0 h；平均溫度為5.7、4.6和3.3 ℃，較之前下降3.6、2.3和3.4 ℃；當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，廂內(nèi)平均溫度為7.3、8.7和5.2 ℃。

此外，由圖5可以看出，在試驗(yàn)后期，試驗(yàn)4～6平均溫度斜率明顯高于試驗(yàn)1～3。這是由于在強(qiáng)制通風(fēng)條件下，PCM與車廂空氣換熱更加充分，一方面使得車輛內(nèi)部空氣溫度更接近于PCM的溫度，另一方面因車內(nèi)外溫差加大蓄冷量也消耗得較快。在試驗(yàn)后期，試驗(yàn)4至試驗(yàn)6中PCM相變潛熱消耗量大于試驗(yàn)1～3，因此，升溫也更加迅速。

易腐食品控溫運(yùn)輸時(shí)要求車廂內(nèi)溫度盡量穩(wěn)定[30]。為此，以3 ℃為波動(dòng)范圍的臨界值分析上述試驗(yàn)可以達(dá)到的穩(wěn)定溫度區(qū)間及穩(wěn)定時(shí)長，如表3所示。對(duì)于試驗(yàn)1～3，穩(wěn)定溫度區(qū)間分別為：8.3～11.3 ℃、5.9～8.9 ℃和5.8～8.8 ℃，穩(wěn)定控溫時(shí)長分別可達(dá)19.1、42.2和65.3 h。通過增加循環(huán)通風(fēng)，試驗(yàn)4～5可降至4.9～7.9 ℃、3.3～6.3 ℃和2.6～5.6 ℃，較未通風(fēng)降低2～4 ℃；穩(wěn)定控溫時(shí)間達(dá)21.5、41.5和70.2 h，與未通風(fēng)基本相當(dāng)（降溫更快，升溫也更快）?？梢娫谄渌麠l件不變的前提下增加循環(huán)通風(fēng)，控溫效果明顯改善。

表3 溫度穩(wěn)定區(qū)段統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

3.2 不同工況條件對(duì)溫度均勻性的影響

均勻穩(wěn)定的溫度場(chǎng)有利保障食品品質(zhì)安全，為此，研究將車內(nèi)15個(gè)測(cè)溫點(diǎn)組合為6個(gè)截面，分別表征車廂縱向前、中、后區(qū)域（截面1～3）和水平面上、中、下3個(gè)區(qū)域（截面4～6），各截面平均溫度如圖7所示。

3.2.1 截面間溫度均勻性分析

進(jìn)行試驗(yàn)1～3時(shí)，縱向截面由于車廂端部存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、車門滲風(fēng)（截面1）、送回風(fēng)口換熱（截面3）等影響，總體呈現(xiàn)兩端高、中間低的狀況，但總體溫度差別不大，各截面間平均溫差在0.8 ℃以內(nèi)。在水平截面方面，由于未進(jìn)行車內(nèi)循環(huán)通風(fēng)，溫度場(chǎng)上下分層明顯，截面之間最大溫差分別為2.8、2.8和3.2 ℃，呈現(xiàn)“截面4<截面5<截面6”的趨勢(shì)。水平截面上下溫度梯度較大，這與截面4靠近冷源，截面5居中、截面6位于車廂頂部有關(guān)，此時(shí)廂內(nèi)的降溫僅依靠空氣自然對(duì)流，換熱不充分；而冷空氣下沉、熱空氣上升的特性進(jìn)一步加劇了溫度的分層。

而進(jìn)行試驗(yàn)4～6時(shí)，通過增加循環(huán)通風(fēng)，縱向截面平均溫差降至0.5 ℃以內(nèi)；水平截面之間最大溫差分別降至0.4、0.4和0.5 ℃，較未通風(fēng)分別可降低85.7%、85.7%和84.4%。可見增加循環(huán)通風(fēng)可明顯降低車廂水平截面之間溫度波動(dòng)，提高溫度場(chǎng)均勻性。

3.2.2 截面內(nèi)溫度均勻性分析

為考察截面內(nèi)各點(diǎn)溫度的均勻性，統(tǒng)一選取試驗(yàn)第12小時(shí)時(shí)刻點(diǎn)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。如圖8所示，在進(jìn)行試驗(yàn)1～3時(shí)，車廂溫度最高點(diǎn)分別接近11.3、9.4和10.2 ℃，位于車廂頂部；溫度最低點(diǎn)約為7.0、4.8和3.6 ℃，位于車廂底部；此時(shí)，雖然車廂平均溫度達(dá)到控溫要求，但是縱向截面內(nèi)部溫度場(chǎng)波動(dòng)范圍仍舊較大。對(duì)于試驗(yàn)1～3，截面內(nèi)部最大溫差分別可達(dá)4.2、4.1和6.6 ℃。而開啟風(fēng)機(jī)后，縱向截面內(nèi)部溫度波動(dòng)明顯改善，最大溫差分別降至0.8、0.9和0.7 ℃，較未通風(fēng)分別降低81.0%、78.0%和89.4%，截面內(nèi)溫度均勻性明顯提高。

3.2.3 車廂整體溫度均勻性評(píng)價(jià)

在不同蓄冷劑充注量、不同送風(fēng)條件下，計(jì)算得到相應(yīng)的值。由圖9可知，蓄冷劑充注量分別為100、200、300 kg時(shí)，當(dāng)車內(nèi)無空氣循環(huán)時(shí)，最大值分別為1.6、2.1、2.5，與傳統(tǒng)蓄冷冷藏車的值基本相當(dāng)[22]；開啟風(fēng)機(jī)時(shí)，值分別下降到0.6、1.1和1.2，裝載同等質(zhì)量PCM情況下，值較傳統(tǒng)蓄冷冷藏車分別降低62.5%、47.6%和52.0%。

綜上，裝載不同質(zhì)量PCM的蓄冷托盤在試驗(yàn)過程中，僅靠自然對(duì)流換熱，車廂溫度波動(dòng)范圍較大，溫度場(chǎng)上下分層嚴(yán)重，不利于保障食品品質(zhì)；供應(yīng)商可搭配循環(huán)通風(fēng)裝置，根據(jù)不同的交貨期匹配不同質(zhì)量的蓄冷劑，在保障車廂控溫效果的同時(shí)，降低車輛自重，提高能源利用效率。

3.3 車廂重心計(jì)算與分析

傳統(tǒng)蓄冷冷藏車PCM一般放置于車廂頂部，冷藏車重心較高。采用蓄冷托盤時(shí)，PCM質(zhì)量主要位于車廂底部，可有效降低車廂重心。車廂各面圍護(hù)結(jié)構(gòu)及蓄冷裝置的質(zhì)量和安裝位置決定了車廂重心高度。為便于計(jì)算分析，假設(shè)車廂為標(biāo)準(zhǔn)矩形，圍護(hù)結(jié)構(gòu)密度為45 kg/m3，其重心與車廂幾何中心重合。

表4 車廂重心變化情況

計(jì)算結(jié)果如表4所示，當(dāng)傳統(tǒng)蓄冷冷藏車蓄冷劑充注量分別為100、200、300 kg時(shí)，以車廂底部為基準(zhǔn)面，計(jì)算得到重心高度分別為1.12、1.38和1.46 m。改為使用同等質(zhì)量蓄冷劑的蓄冷托盤，由于蓄冷托盤位于車廂地面，均勻的分布在車廂地板上，計(jì)算得到重心高度分別為0.96、0.85和0.77 m，車輛重心分別降低約14.3%、38.4%和47.3%。

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)并研制了一款集蓄冷槽、蓄冷盒等于一體的冷鏈專用蓄冷托盤并提出其運(yùn)用模式。該托盤采用可分離式結(jié)構(gòu)，相變材料（Phase Change Material，PCM）利用低谷電充冷，在實(shí)際運(yùn)輸時(shí)，PCM類別、質(zhì)量可根據(jù)運(yùn)輸貨物需求靈活調(diào)整，避免了傳統(tǒng)蓄冷冷藏車自重偏大、控溫范圍較小等缺點(diǎn)。

2）使用水凝膠為PCM時(shí)，按A級(jí)冷藏車要求，100、200和300 kg蓄冷劑的控溫時(shí)間約為1～3 d，可基本滿足中短途冷藏運(yùn)輸需要。同時(shí)，強(qiáng)制通風(fēng)可明顯降低車內(nèi)平均溫度，以3 ℃為波動(dòng)范圍的臨界值，試驗(yàn)1～6的控溫范圍分別為8.3～11.3 ℃、5.9～8.9 ℃、5.8～8.8 ℃、4.9～7.9 ℃、3.3～6.3 ℃、2.6～5.6 ℃，同等條件下較未通風(fēng)降幅達(dá)2～4 ℃。

3）車內(nèi)強(qiáng)制通風(fēng)在改善蓄冷運(yùn)輸溫度場(chǎng)方面作用明顯。未進(jìn)行車內(nèi)循環(huán)通風(fēng)時(shí)，車內(nèi)溫度場(chǎng)上下分層明顯，截面之間最大溫差分別為2.8、2.8和3.2 ℃；截面內(nèi)各點(diǎn)間最高溫差分別可達(dá)4.2、4.1和6.6 ℃；溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)最大分別為1.6、2.1、2.5，與傳統(tǒng)蓄冷冷藏車基本相當(dāng)。采用循環(huán)通風(fēng)后，車廂水平截面之間最大溫差降至0.4、0.4和0.5 ℃；截面內(nèi)最大溫差降至0.8、0.9和0.7 ℃；溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)峰值分別降至0.6、1.1和1.2，降幅分別為62.5%、47.6%和52.0%。

4）在車廂重心方面，由于蓄冷托盤平鋪在車廂底部，當(dāng)PCM質(zhì)量為100、200、300 kg時(shí)，車廂重心分別由1.12、1.38和1.46 m降至0.96、0.85和0.77 m，重心較頂置式蓄冷車分別下降了14.3%、38.4%和47.3%，有效提高了車輛行駛安全。

5）蓄冷托盤可全程運(yùn)用于食品冷鏈，本次試驗(yàn)僅對(duì)冷藏運(yùn)輸控溫性能進(jìn)行分析。后期，應(yīng)針對(duì)應(yīng)用模式，不同裝載貨物，不同車速、風(fēng)速等情況下的重車運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、接駁等環(huán)節(jié)進(jìn)行深入研究。此外，未來也將對(duì)“蓄冷托盤+保溫車”運(yùn)輸模式能耗、碳排問題展開進(jìn)一步討論，對(duì)運(yùn)用效果進(jìn)行綜合評(píng)估。

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Design of special cold chain pallet and its temperature-controlled transport performance test

Liu Guanghai1, Ma Pingchuan1, Li Qingting1, Liang Minghua1, Xie Ruhe1※, Wu Junzhang2

(1.,,510006,; 2.,,35131,)

The largest number of fruits and vegetables are produced annually in the world, particularly in traditional agriculture in China. Correspondingly, refrigerated transportation is a crucial link to ensure the safety and quality of perishable food in a fully cold chain logistics. However, the transport of refrigerated vehicles still is less utilized nowadays, due mainly to the relatively high initial and maintenance costs, such as high energy consumption and expensive manual labor. Since an integrated vehicle body with a cold storage device is mostly adopted in the current equipment, there is an inevitable mismatch between the charging amount of phase change material (PCM) and transportation time, temperature with a narrow range, as well as a high center of gravity. Therefore, the purpose of this study aimed to design and construct a special PCM pallet for better temperature-control performance in the cold chain. The novel PCM pallet was also integrated with the standard pallet, cold storage container, and PCM pack, particularly suitable for the cold chain environment over the whole process from the cold product storage to transportation. A split PCM pallet and can were adopted to independently install at the bottom of the carriage. As such, the system was charged with the cooling thermal energy (CTE) using off-peak electricity at night. The specific procedure was as follows. The goods were first loaded onto the pallet, according to the required transportation of perishable food, while the PCM pack was then put into the pallet, and the forklift was finally inserted into the insulated truck for transportation. The CTE capacity was adjusted flexibly in this system, according to the actual needs of the transport goods, compared with only a limited CTE capacity in the traditional cold storage refrigerated vehicles. A performance test of temperature-control transport was also performed on a newly-developed platform for 100, 200, and 300kg PCM pallets. The results showed that the mean temperatures were 9.3 ℃, 6.9 ℃, and 6.7 ℃, respectively, while the temperature-control time reached 19.1, 42.2, and 65.3 h, respectively, in the three PCM pallets during the temperature-control stage without an air supply. Furthermore, the mean temperatures were 5.7 ℃, 4.6 ℃ and 3.3 ℃ when the fan was turned on, 3.6 ℃, 2.3 ℃ and 3.4 ℃ lower than that without an air supply. At the same time, the temperature-control time reached 21.5, 41.5, and 70.2 h, indicating all the same without an air supply. More importantly, the CTE capacity was flexibly controllable for the transportation time and required temperature range. Nevertheless, there was a seriously uneven temperature field in the 300kg PCM on the horizontal and upper layers of carriage without wind, where the temperature difference between sections reached up to 3.2 ℃. In addition, the mean temperature difference was reduced to less than 0.5 ℃ in the cross section, when opening the fan, 84.4% lower than before. Consequently, the absolute temperature in the 300 kg PCM plate can be expected to reduce by 52.0% for the insulated vehicle, compared with the traditional. The center of mass of the vehicle was also reduced by 47.3%, compared with the overhead PCM refrigerated vehicle. The finding can provide a sound reference for the application and optimized design in the PCM-based transportation equipment.

temperature control; refrigerated; transportation; cold chain;phase change material (PCM) pallet; temperature field

劉廣海，馬平川，李慶庭，等. 冷鏈專用蓄冷托盤設(shè)計(jì)與控溫運(yùn)輸性能測(cè)試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(16)：295-302.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.036 http://www.tcsae.org

Liu Guanghai, Ma Pingchuan, Li Qingting, et al. Design of special cold chain pallet and its temperature-controlled transport performance test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(16): 295-302. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.036 http://www.tcsae.org

2021-04-21

2021-08-12

廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（No.2019B020225001）；廣東省農(nóng)產(chǎn)品保鮮物流共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（No.2021KJ145）；廣州市教育局高?？蒲许?xiàng)目（202032872）

劉廣海，副教授，研究方向?yàn)槔滏溛锪餮b備設(shè)計(jì)與運(yùn)用。Email：broadsrea@gzhu.edu.cn

謝如鶴，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槔滏溛锪鞣矫?。Email：583385752@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.036

U272.5

A

1002-6819(2021)-16-0295-08