雙溫區(qū)調(diào)控的食品冷鏈自清潔物流箱設(shè)計(jì)

高靖萱，楊文惠，張路平，李 洋

(東北林業(yè)大學(xué) a.工程技術(shù)學(xué)院； b.土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引言

冷鏈物流在行業(yè)內(nèi)外的受重視程度與日俱增，已實(shí)現(xiàn)了“門到門”的快捷便利的物流運(yùn)輸[1]。冷鏈物流過程逐步規(guī)范，冷鏈物流企業(yè)日益發(fā)展，冷鏈物流信息技術(shù)水平也在不斷提高。消費(fèi)者購買生鮮是一個(gè)即時(shí)需求，對配送時(shí)間要求很高，在這種情況下，新零售模式異軍突起，其打造的生鮮電商平臺致力于為消費(fèi)者提供高頻次、隨時(shí)購隨時(shí)享的消費(fèi)模式。這種運(yùn)營模式的難點(diǎn)在于末端配送，由于生鮮在最后一公里呈現(xiàn)小批量、多批次、即時(shí)性的個(gè)性化需求，這對末端配送提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，也增加了運(yùn)營成本。在追求時(shí)效和安全的前提下怎樣優(yōu)化末端配送成為企業(yè)長久發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)[2-3]。生鮮農(nóng)產(chǎn)品易腐爛，因此對配送條件要求高的特點(diǎn)使得生鮮電商最后一公里的配送效率成為研究熱點(diǎn)[4]。

目前，冷鏈末端配送從起始點(diǎn)到消費(fèi)點(diǎn)的流動儲存效率和效益無法得到控制和整合，冷鏈發(fā)展的滯后在一定程度上影響了食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于針對多種多樣的生鮮貨品的配送設(shè)施、包裝要求和規(guī)格等水平較低，生鮮貨品常常與普通恒溫的商品同處共同的配送空間，從而導(dǎo)致配送環(huán)節(jié)的生鮮商品質(zhì)量損失較大[5-6]。另外，常用的簡易篷布食品周轉(zhuǎn)箱的抗壓性與堅(jiān)固程度也不能得到保證，因此運(yùn)輸過程中箱內(nèi)食品因裝置破損而損壞、傾灑的情況時(shí)有發(fā)生。食品運(yùn)輸過程中，因外部環(huán)境和溫度的變化，物流箱內(nèi)外溫度會受到較大的影響，實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測就顯得尤為必要。配送過程中，多次打開箱蓋時(shí)，空氣中的灰塵或細(xì)菌會進(jìn)入到箱內(nèi)，對食品安全造成威脅?？傮w來說，當(dāng)前的生鮮電商配送及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的設(shè)施設(shè)備建設(shè)有待進(jìn)一步完善。末端配送設(shè)備不僅僅是從單純的加冰泡沫箱發(fā)展到可自動調(diào)控溫度的物流箱，還應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的食品衛(wèi)生需求被賦予更多功能。

設(shè)計(jì)了多溫調(diào)控食品冷鏈自清潔物流箱，它具有自主調(diào)控溫度和一鍵殺菌消毒的功能，可廣泛用于生鮮冷鏈?zhǔn)称分苻D(zhuǎn)，進(jìn)一步提高冷鏈物流服務(wù)水平，保障食品安全。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

物流箱包括箱體、消殺模塊、監(jiān)測模塊、冷熱存儲模塊和移動電源。使用SolidWorks進(jìn)行建模，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。消殺模塊設(shè)置在箱體和頂蓋上，用于箱體內(nèi)部的消毒殺菌；監(jiān)測模塊設(shè)置在箱體的底部，用于檢測食品湯汁泄露；冷熱存儲模塊設(shè)置在箱體的內(nèi)部；移動電源設(shè)置在箱體上，與消殺模塊、冷熱存儲模塊及監(jiān)測模塊電性連接，使用CAD建立其剖視結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖1 物流箱 3D 結(jié)構(gòu)圖Fig.1 3D structure of logistics box

圖2 物流箱剖視結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Logistics box section structure drawing

1.2 工作原理

通過分析市場需求，綜合已廣泛應(yīng)用的物流箱功能，結(jié)合消費(fèi)者對冷鏈末端配送的意見反饋，設(shè)計(jì)出多溫調(diào)控的食品冷鏈自清潔物流箱。基于SolidWorks軟件，可直觀反映物流箱的整體結(jié)構(gòu)，計(jì)算出物流箱底板最大屈服應(yīng)力為 5.05 e+08 N/m2，最大承載重量為100 kg。通過Proteus模擬仿真，物流箱內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)自動升降溫，保證箱內(nèi)兩側(cè)都處于設(shè)定溫度之內(nèi)。根據(jù)相應(yīng)的食品衛(wèi)生需求，裝置被賦予監(jiān)測傾漏、殺菌消毒、溫度調(diào)控等功能，為消費(fèi)者提供了更好的服務(wù)。

1.2.1 外觀及材料

箱體內(nèi)外表面采用Toyal Lotus材料。Toyal Lotus是具有拒水性的功能性包裝材料，該拒水功能是通過對包裝材料表面進(jìn)行物理化學(xué)處理，使其形成像荷葉一樣的分形結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)與水的接觸角度為170°以上的超拒水性，在密封材料表面形成含有微米級別的微細(xì)空氣的拒水膜，從而形成超拒水性的表面狀態(tài)[7]，使物流箱具有極強(qiáng)的拒水性和密封性。

1.2.2 內(nèi)體自清潔

物流箱內(nèi)頂部設(shè)有紫外線殺菌燈，采用規(guī)格為15 W的普通型紫外線殺菌燈，其輻射強(qiáng)度≥20 um/cm2。被紫外線消毒燈照射5 min左右即可將箱體內(nèi)所的細(xì)菌等殺死，以保障外賣箱內(nèi)部的安全衛(wèi)生。

1.2.3 物流運(yùn)輸防傾倒監(jiān)測

物流箱設(shè)有預(yù)防監(jiān)測泄漏系統(tǒng)，食品可以受到有效緩沖保護(hù)，以防出現(xiàn)灑漏的情況影響食品品質(zhì)。物流箱內(nèi)部設(shè)有滑道槽及可拆卸的橫縱隔板，可放置不同大小的食品，以防灑漏。

1.2.4 溫度監(jiān)控

物流箱內(nèi)部空間采用冷熱分離式，分離隔板的兩側(cè)安置半導(dǎo)體制冷片，穩(wěn)定冷熱兩區(qū)域餐品的溫度，實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)。物流箱通過溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測箱體內(nèi)的溫度，經(jīng)單片機(jī)處理后的溫度數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷溫度高低，從而采取相應(yīng)的措施，保持箱內(nèi)食品溫度恒定。

2 物流箱主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品可應(yīng)用于生鮮冷鏈物流市場，也適用于家庭，要求箱體能夠方便運(yùn)輸，具有一定的容量和耐用性，能夠重復(fù)多次使用，需具有便于清潔、殺菌消毒、冷熱分隔、防傾倒和溫度調(diào)控等功能。針對以上需求，可從物流箱主要機(jī)構(gòu)和多溫調(diào)控系統(tǒng)兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

2.1 物流箱的主要機(jī)構(gòu)

外觀結(jié)構(gòu)。箱體外部安裝有萬向輪，通過六角頭螺栓固定在箱體的底部，減震裝配體設(shè)置在萬向輪的內(nèi)部，有利于萬向輪的承重，提高箱體的穩(wěn)定性，防止因顛簸引起的食品撒漏。箱體外部設(shè)有三節(jié)拉桿，由拉桿下橫條、拉桿外管、外管包邊、拉桿中管、中管包邊、拉桿內(nèi)管、拉桿把手、拉桿上橫條組成，收縮時(shí)體積小，可調(diào)節(jié)性更換，調(diào)節(jié)高度更方便。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以方便配送員在任何情況下進(jìn)行工作，給用戶帶來更好的體驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 箱體外觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Exterior structure of box body

消殺模塊。箱體消殺模塊包括紫外線消毒燈管，設(shè)置在頂蓋的底部，與移動電源電性連接，如圖4所示。接通電源后，紫外線消毒燈工作，可滅活箱體內(nèi) 99% 的細(xì)菌，對箱體內(nèi)部及食品起到殺菌消毒的作用。箱蓋打開時(shí)，開關(guān)會自動斷開，紫外線消毒燈停止工作，避免因照射皮膚而對人體產(chǎn)生傷害。

圖4 箱體消殺模塊Fig.4 Box elimination module

檢測模塊。箱體檢測模塊包括底板、彈簧、折疊支架和重力傳感器，如圖5所示。底板設(shè)置在箱體的底部，彈簧的一端與底板的底部連接，彈簧的另一端與箱體的底端內(nèi)壁連接，折疊支架設(shè)置在箱體內(nèi)壁上，重力傳感器設(shè)置在底板的底部，彈簧起到緩沖的作用，避免過度傾斜，保證食品配送過程中不會發(fā)生食品灑露，減少損失，重力傳感器用于檢測食品是否泄露，當(dāng)食品泄露到底板上時(shí)，重力傳感器會發(fā)出報(bào)警信號。

圖5 箱體檢測模塊Fig.5 Box detection module

冷熱存儲模塊。箱體冷熱存儲模塊包括隔熱板、半導(dǎo)體制冷器、溫度傳感器和控制器，如圖6所示。隔熱板設(shè)置在箱體內(nèi)部中間，將箱體內(nèi)部分隔為冷食品存放區(qū)和熱食品存放區(qū)。溫度傳感器用于檢測箱體的內(nèi)部溫度，將溫度信號傳輸?shù)絃CD顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度顯示，并傳輸?shù)娇刂破?，將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷溫度高低。由于半導(dǎo)體制冷器本身具有制冷和加熱的功能，因此可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，箱體一端將會產(chǎn)生制冷效應(yīng)，另一端會產(chǎn)生制熱效應(yīng)，可以穩(wěn)定冷熱兩區(qū)域餐品的溫度，實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)。

圖6 箱體冷熱存儲模塊Fig.6 Container cold and hot storage modules

2.2 多溫調(diào)控系統(tǒng)

2.2.1 多溫調(diào)控電路的原理

為使物流箱能夠?qū)崿F(xiàn)保冷和保熱的功能，在箱體中部增設(shè)隔板，以 AT89C51 單片機(jī)作為核心，根據(jù)半導(dǎo)體制冷的工作原理，選取了以 TEC1-03103 半導(dǎo)體制冷芯片為關(guān)鍵制冷部件的多功能送餐箱設(shè)計(jì)方案，其原理如圖7所示。

圖7 多溫調(diào)控原理圖Fig.7 Schematic diagram of multitemperature control

利用 AT89C51 單片機(jī)作為控制單元，防水封裝溫度傳感器 DS18B20 雙路采集箱內(nèi)實(shí)際溫度數(shù)據(jù)，并利用 LCD 液晶屏顯示箱體內(nèi)兩側(cè)實(shí)時(shí)溫度，利用鍵盤設(shè)置箱內(nèi)兩側(cè)溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度檢測與控制之間的協(xié)調(diào)工作[8]。通電后，若實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定溫度產(chǎn)生偏差，則系統(tǒng)會自動進(jìn)行升溫或降溫的調(diào)節(jié)。

2.2.2 多溫調(diào)控電路的設(shè)計(jì)

多溫調(diào)控電路包括溫度檢測電路、按鍵控制電路、溫度顯示電路及半導(dǎo)體制冷電路。

溫度檢測電路。物流箱溫度控制系統(tǒng)選用的是 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，用于采集箱內(nèi)兩側(cè)實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)[8]，測溫范圍為-55℃～+125℃，固有測溫誤差1℃。該溫度傳感器采取外部電源供電，使用中不需要任何外圍元件，輸出數(shù)字信號，具有體積小、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，且電路結(jié)構(gòu)較為簡單[8]，可將采集到的箱體內(nèi)保熱端溫度數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī) P1.6 處理，將箱體內(nèi)保冷端的溫度數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī) P1.7 處理。

按鍵控制電路?？刂齐娐酚涉I盤輸入，包括開機(jī)鍵(on)、關(guān)機(jī)鍵(off)、設(shè)置鍵(set)、升溫鍵(up)和降溫鍵(down)5個(gè)按鍵[8]。通電后，可利用設(shè)置鍵分別設(shè)置箱體內(nèi)兩側(cè)達(dá)到的溫度上下閾值，若實(shí)際采集溫度與系統(tǒng)設(shè)置溫度閾值有偏差，系統(tǒng)會自動控制半導(dǎo)體芯片進(jìn)行升溫或降溫調(diào)節(jié)，使溫度處于設(shè)定范圍內(nèi)。

溫度顯示電路。采用LCD1602 顯示箱內(nèi)兩側(cè)的實(shí)時(shí)溫度，利用 AT89C51 單片機(jī)驅(qū)動，利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制。

半導(dǎo)體制冷材料。半導(dǎo)體制冷也稱熱電制冷，它利用特種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的 P-N 結(jié)，形成熱電偶對，產(chǎn)生珀?duì)柼?yīng)，從而達(dá)到制冷和制熱的效果[9]。根據(jù)帕爾帖效應(yīng)原理，半導(dǎo)體制冷片上產(chǎn)生的熱量與其通過電流強(qiáng)度成正比，其關(guān)系式為：

Q=I×π=(αp-an)T×I

(1)

其中：π為帕爾帖系數(shù)，αpαn分別為p型和n型電偶臂的溫差電動勢；T為結(jié)點(diǎn)上的絕對溫度；I為透過結(jié)點(diǎn)的電流。

因此，在一個(gè)電偶上的產(chǎn)冷量為：

(2)

其中：R為熱電偶的等效電阻；T為半導(dǎo)體冷熱端溫差；K為半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)的總熱導(dǎo)。

根據(jù)多功能送餐箱的應(yīng)用場合和溫度的調(diào)節(jié)范圍，利用單片機(jī)驅(qū)動，選取三級半導(dǎo)體制冷芯片作為實(shí)際應(yīng)用的工作芯片，且芯片兩端均帶有陶瓷板安裝散冷器或散熱器[10]，以實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。

3 物流箱的仿真分析

3.1 溫度控制電路仿真分析

溫度控制電路中，使用電磁繼電器代替 TEC1-03103 半導(dǎo)體制冷芯片模擬升降溫，使用Keil軟件編寫成hex文件，鏈接Proteus進(jìn)行調(diào)試編譯，仿真物流箱箱體內(nèi)兩側(cè)溫度調(diào)控。

如圖8所示為物流箱正常工作的情況，仿真箱內(nèi)一側(cè)實(shí)時(shí)溫度為4℃，在設(shè)定的4℃～6℃，右側(cè)實(shí)時(shí)溫度為12℃，在設(shè)定的12℃～14℃，可以保證箱體內(nèi)兩側(cè)都處于恒溫狀態(tài)。

圖8 溫度正常Fig.8 Normal temperature

如圖9所示為物流箱內(nèi)溫度異常的情況，當(dāng)箱體內(nèi)溫度不在設(shè)定范圍內(nèi)，即超過設(shè)定溫度的上限或下限，蜂鳴器會發(fā)出警報(bào)，半導(dǎo)體制冷芯片對箱體進(jìn)行升降溫處理，直至溫度下降到設(shè)定溫度范圍內(nèi)，警報(bào)解除。

圖9 溫度異常Fig.9 Temperature abnormity

由上述仿真實(shí)驗(yàn)可知，對箱體內(nèi)兩側(cè)進(jìn)行雙路溫度采集并顯示，通過TEC1-03103半導(dǎo)體制冷芯片進(jìn)行升降溫，可保證箱內(nèi)兩側(cè)都處于設(shè)定溫度之內(nèi)，物流箱滿足多溫調(diào)控的需求，可以正常使用。

3.2 溫度場模擬

3.2.1 數(shù)學(xué)模型建立

按照物流箱設(shè)計(jì)需求，該產(chǎn)品需滿足大部分冷鏈?zhǔn)称返馁A藏條件，傳熱學(xué)和空氣動力學(xué)是本次設(shè)計(jì)仿真的重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[11]，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行仿真，設(shè)置環(huán)境是理想環(huán)境狀態(tài)下。冷藏內(nèi)部空間為自然空氣，空氣自然流動且不可壓縮。為方便計(jì)算，忽略箱蓋縫隙影響，箱蓋與箱體視作一個(gè)整體，箱內(nèi)部空間為一個(gè)整體，箱內(nèi)氣體濕度均設(shè)置為正常狀態(tài)下的自然流動，忽略箱體內(nèi)外的熱輻射，主要制冷來源即隔板半導(dǎo)體制冷器的熱量傳導(dǎo)與對流。

物流箱內(nèi)部熱傳導(dǎo)對流方程：

(3)

q=-λ?T

(4)

物流箱外部與空氣對流方程：

-n*q=q0

(5)

qo=h(Text-T)

(6)

式中：Cp為恒壓熱容；Q為內(nèi)熱流；ρ為密度；k為傳熱系數(shù)；q為熱流密度；ΔT為溫度梯度。

3.2.2 仿真過程

使用ANSYS 2021R2軟件進(jìn)行仿真，由于物流箱為對稱結(jié)構(gòu)，為簡化仿真過程，選取箱體一側(cè)進(jìn)行溫度場仿真。在SolidWorks中抽象出空間形狀，為長方體，設(shè)置材料屬性為空氣，考慮到半導(dǎo)體制冷片安裝在箱體中央隔板處，將物流箱一側(cè)劃分從右至左溫度呈現(xiàn)梯度增加，自然對流換熱系數(shù)一般為5～10 W/(m2K)，箱內(nèi)粗略計(jì)算為10 W/(m2K)，仿真過程如圖10所示。

圖10 溫度場仿真Fig.10 Temperature field simulation

3.2.3 結(jié)果分析

由仿真結(jié)果可見，箱體內(nèi)一側(cè)溫度從右至左溫度較為均勻，最低溫度為12℃，最高溫度為12.032℃，平均溫度為12.019℃，符合箱體內(nèi)12℃～14℃的溫度設(shè)置范圍，說明該物流箱設(shè)計(jì)合乎實(shí)際情況，初步仿真實(shí)驗(yàn)良好，可滿足使用需求。

4 結(jié)語

該設(shè)計(jì)選擇冷鏈物流末端配送的物流箱為研究對象，針對市場中的物流箱溫度不可控、衛(wèi)生安全得不到保障、遇到?jīng)_擊導(dǎo)致食品傾倒灑漏等問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。外體采用Toyal Lotus材料，使物流箱具有極強(qiáng)的拒水性和密封性，為食品安全提供保障；使用紫外線燈，有效殺菌消毒，為內(nèi)體清潔環(huán)境提供保證；底盤安裝重力傳感器和緩沖裝置，以免食品傾倒造成灑漏情況；選擇 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器、單片機(jī)、半導(dǎo)體制冷材料進(jìn)行溫度控制，并進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與調(diào)節(jié)，滿足溫度可調(diào)控功能。針對各項(xiàng)功能進(jìn)行相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果良好，較好地解決了冷鏈物流末端物流箱結(jié)構(gòu)不合理、衛(wèi)生安全差、溫度控制不當(dāng)?shù)葐栴}，有效提高了溫控精度與工作效率，增加了便捷性與安全性。