多溫區(qū)冷藏車的研究進(jìn)展

劉昌通，董慶鑫，蓋若男

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱，150028）

隨著全面小康社會的建成，國民生活水平顯著提高，人們也對食品的質(zhì)量提出了更高要求。冷鏈物流作為保證食品質(zhì)量和食品安全的重要手段［1］，如何提高運(yùn)輸效率等問題日益受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。而隨著5G時(shí)代的到來，物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展也使得眾多電商企業(yè)開始涉足生鮮產(chǎn)品交易，進(jìn)而刺激了冷鏈運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展［2］。這使得各類冷鏈運(yùn)輸裝備迅速增長，公路冷藏車需求量逐年增加，冷鏈運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展對于促進(jìn)居民收入，保障消費(fèi)者食品安全，提高城鄉(xiāng)居民生活水平具有重要意義［3］。作為冷鏈運(yùn)輸?shù)闹匾钶d工具，冷藏車的改進(jìn)在提高冷鏈運(yùn)輸效率，促進(jìn)冷鏈經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面至關(guān)重要。

適宜的廂內(nèi)溫度是保證冷藏食品維持良好品質(zhì)的基礎(chǔ)，而在運(yùn)輸多品種小批量貨物時(shí)，因不同食品最佳貯運(yùn)溫度區(qū)間窄，故采用單溫區(qū)冷藏車進(jìn)行冷鏈運(yùn)輸時(shí)無法保證產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而造成資源的浪費(fèi)，導(dǎo)致冷鏈運(yùn)輸成本增加［4-5］，相較于單溫區(qū)冷藏車，多溫區(qū)冷藏車因具有兩個(gè)以上不同溫區(qū)，能夠滿足貨物多溫共配的需求，進(jìn)而提高冷鏈運(yùn)輸效率，節(jié)約資源。目前國內(nèi)冷藏車年產(chǎn)量在三萬輛左右，大部分均為單溫區(qū)結(jié)構(gòu)，所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中僅有W B/T 1060及SB/T 11092提及帶多溫制冷功能的冷藏車［6］，而國外多溫區(qū)冷藏車輛有著充分的法規(guī)作指引，保證了多溫區(qū)冷藏車的技術(shù)和質(zhì)量，由此可見，國內(nèi)多溫區(qū)冷藏車的發(fā)展還有很大空間。

現(xiàn)有的冷藏車主要有三種，機(jī)械式、蓄冷式和液化氣式。其中，90 %以上的冷藏車是使用柴油機(jī)帶動制冷機(jī)組從而達(dá)到降溫目的的機(jī)械式冷藏車，這種系統(tǒng)價(jià)格高、噪聲大、能量轉(zhuǎn)化效率低［7］。蓄冷式冷藏車主要是PCM板式冷藏車，PCM即相變蓄冷材料，通過車載蓄冷板提供冷能。液化氣式LNG冷藏車，LNG即液化天然氣，利用液化天然氣氣化時(shí)吸收熱量，使冷間降溫。LNG冷藏車和PCM板式冷藏車均有運(yùn)行成本低、噪聲低、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，但由于蓄冷能力有限，目前多用于短途運(yùn)輸［8］。因此，對于多溫區(qū)冷藏車的改進(jìn)，既要考慮節(jié)能、節(jié)約成本，還要滿足長途、長時(shí)間運(yùn)輸?shù)囊螅?］。

1 冷藏車原理分類

1.1 機(jī)械式冷藏車原理

傳統(tǒng)機(jī)械式冷藏車應(yīng)用最為廣泛，制冷機(jī)組包含壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥，制冷劑主要有氟利昂12、氟利昂22和R410a等，大多采用柴油機(jī)提供動力帶動壓縮機(jī)工作，通過向個(gè)各冷間輸送冷風(fēng)達(dá)到降溫目的，冷間內(nèi)有溫度傳感器，溫控系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)風(fēng)量大小來調(diào)節(jié)冷間內(nèi)溫度［10］。車廂保溫材料大多采用聚氨酯隔熱層，聚氨酯價(jià)格低廉、可塑性好、保溫效果好，廣泛應(yīng)用于冷庫及冷藏運(yùn)輸設(shè)備中。如圖為一種可移動隔板式雙溫區(qū)機(jī)械冷藏車車廂結(jié)構(gòu)，該冷藏車可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)隔板控制凍結(jié)間和冷藏間大小，合理利用空間資源。

圖1 雙溫區(qū)機(jī)械冷藏車車廂結(jié)構(gòu)圖

相比于其他冷藏車，多溫區(qū)機(jī)械冷藏車因其車身自帶制冷機(jī)組，可進(jìn)行長時(shí)間，遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸，具有結(jié)構(gòu)簡單，故障少等優(yōu)點(diǎn)。但其自帶的制冷機(jī)組也會導(dǎo)致的車身重、不靈活，能源利用率低等缺點(diǎn)。

1.2 LNG冷藏車原理

隨著石油價(jià)格上漲和全國用電量猛增，回收利用LNG冷能逐漸被人們開發(fā)。2020年，我國天然氣生產(chǎn)能力超過2400億立方米。我國正在向世界提倡節(jié)能減排，LNG能源作為一種清潔能源，在我國能源領(lǐng)域有非常好的發(fā)展趨勢［11］，研究發(fā)現(xiàn)，LNG冷能可用于發(fā)電、空份、脫鹽等領(lǐng)域并顯著提高系統(tǒng)工作效率［12］，液態(tài)天然氣制冷能夠減少傳統(tǒng)制冷劑對大氣和海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響［13］。故可采用LNG為冷藏車供冷。

LNG冷藏車與液氮、干冰冷藏車類似，是一種風(fēng)冷冷藏車。LNG氣化溫度升高至燃燒溫度的過程中，會吸收大量熱，為冷藏車提供冷源［14］，同時(shí)以天然氣為燃料提供動力。在車身沒有壓縮機(jī)、冷凝器等設(shè)備，降低了成本。

LNG存儲密度為420 kg·m-3，為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的1/625，通常將天然氣加壓降溫至111 K變成液態(tài)天然氣(LNG)以方便運(yùn)輸［15］。LNG儲液罐安裝在車輛底部，以降低車輛重心、節(jié)省空間。如圖2所示［16］，是一種LNG冷藏車結(jié)構(gòu)圖。LNG在從儲液罐通過流量控制閥進(jìn)入換熱器，流經(jīng)換熱器內(nèi)部熱管氣化為低溫天然氣，利用熱管與車廂內(nèi)的空氣進(jìn)行熱交換，使冷間降溫，加熱器將換熱器中流出的低溫天然氣加熱至送氣溫度后，送入發(fā)動機(jī)中燃燒。

圖2 LNG冷藏車結(jié)構(gòu)圖

LNG冷藏車因其使用天然氣提供動力同時(shí)作為冷藏車?yán)湓矗示哂芯G色環(huán)保、噪音小，運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)；車身重量輕，重心低，行駛安全；車輛整體結(jié)構(gòu)簡單，方便維護(hù)維修。但天然氣易燃易爆，且冷藏車燃?xì)鈨Υ媪坑邢薏荒軐?shí)現(xiàn)長途運(yùn)輸。

1.3 PCM冷藏車原理

早在幾千年前人們就利用儲存冰塊蓄冷，近些年來相變蓄冷技術(shù)更趨于成熟，并在蓄冷空調(diào)、冷鏈運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)被廣泛應(yīng)用［17］。蓄冷板式多溫區(qū)冷藏車主要由制冷機(jī)組、蓄冷板、溫度控制系統(tǒng)和車體等組成，有些車輛不包含制冷機(jī)組，通過冷站充冷。蓄冷板內(nèi)的相變材料在充冷時(shí)由液態(tài)變成固態(tài)，儲存冷量；放冷時(shí)，相變材料吸收熱量，由固態(tài)變成液態(tài)，達(dá)到給冷間降溫的目的。由于晝夜電價(jià)差，蓄冷板在夜間電價(jià)低時(shí)充冷，在用電高峰時(shí)釋冷，“削峰填谷”，大幅度降低成本，節(jié)省用電費(fèi)用［18］，緩解電網(wǎng)高峰時(shí)段壓力。圖3所示［19］，是一種帶冷站的雙溫區(qū)PCM冷藏車結(jié)構(gòu)圖。圖4所示［20］，是一種PCM板剖面圖，蓄冷板內(nèi)是蒸發(fā)盤管和相變蓄冷劑，載冷劑在蒸發(fā)盤管中流動為蓄冷板充冷。

圖3 帶冷站雙溫區(qū)PCM冷藏車結(jié)構(gòu)圖

圖4 PCM板剖面圖

多溫區(qū)PCM冷藏車具有運(yùn)輸溫度穩(wěn)定，保存溫度低，節(jié)能環(huán)保，運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn)，但由于其自帶制冷機(jī)組，會導(dǎo)致車輛笨重，車內(nèi)冷藏空間較小，且蓄冷板壽命短，需要定時(shí)更換等缺點(diǎn)。

2 多溫區(qū)冷藏車的研究與應(yīng)用

2.1 機(jī)械式多溫區(qū)冷藏車的研究與應(yīng)用

生鮮果蔬冷鏈物流是近幾年國家重點(diǎn)扶持的領(lǐng)域，隨著人民生活水平提高，對果蔬口感和食品安全等質(zhì)量要求也顯著提高。我國是生鮮果蔬生產(chǎn)和消耗大國，果蔬產(chǎn)量占全世界一半以 上［21］，以山東省為例，2018年蔬菜產(chǎn)量達(dá)8192萬噸;水果產(chǎn)量2788.8萬噸［22］。此外，果蔬是生活中的必需品，含有維持人體健康的多種微量元素，對人們的健康非常重要，而腐壞的果蔬產(chǎn)生的微生物則會嚴(yán)重威脅人們安全［23］，故發(fā)展果蔬冷鏈運(yùn)輸迫在眉睫。目前，果蔬運(yùn)輸領(lǐng)域大多使用機(jī)械冷藏車。但由于貯藏溫度對不同果蔬水分含量、呼吸作用和營養(yǎng)成分變化影響不同［24］，這就導(dǎo)致果蔬運(yùn)輸具有復(fù)雜性，新鮮果蔬在運(yùn)輸過程中經(jīng)常會出現(xiàn)大量腐壞變質(zhì)的現(xiàn)象，從而造成資源浪費(fèi)。由此可見，研究多溫區(qū)冷藏車輛對生鮮果蔬運(yùn)輸保鮮效果具有重要意義。

機(jī)械冷藏車也同樣被廣泛應(yīng)用于肉類食品運(yùn)輸，肉類是人們食譜的重要組成部分，肉類安全與國民生活息息相關(guān)，近幾年肉類產(chǎn)量持續(xù)上升、肉價(jià)持續(xù)增高，保證肉類冷鏈安全既是食品安全的要求，也是維護(hù)肉類行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。

水產(chǎn)品是重要的農(nóng)產(chǎn)品之一，含有豐富的蛋白質(zhì)和維生素。我國沿海地區(qū)水產(chǎn)品產(chǎn)量豐富，帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益，但由于我國水產(chǎn)品冷鏈物流技術(shù)發(fā)展緩慢［25］，進(jìn)而導(dǎo)致水產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中浪費(fèi)嚴(yán)重。水產(chǎn)品主要分成三大類，鮮活水產(chǎn)品、冷凍水產(chǎn)品和腌制水產(chǎn)品［26］，其中鮮活水產(chǎn)品和冷凍水產(chǎn)品需要冷藏運(yùn)輸以保證食品質(zhì)量，一般在對這兩大類水產(chǎn)品進(jìn)行冷藏運(yùn)輸時(shí)多會采用機(jī)械式多溫區(qū)冷藏車。

乳制品運(yùn)輸過程中其色澤、口味和脂肪分離程度等與環(huán)境溫度息息相關(guān)［27］，特別是需要低溫貯藏的酸奶和巴氏奶在常溫下極其容易變質(zhì)。故機(jī)械冷藏車在乳制品冷鏈運(yùn)輸中具有較好的應(yīng)用前景。

商超貨物配送、生鮮快遞配送，需要同時(shí)運(yùn)輸不同種類貨物，多溫區(qū)機(jī)械冷藏車相比單溫區(qū)更加方便、節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用和運(yùn)輸時(shí)間,而且續(xù)航能力強(qiáng)，更適用于遠(yuǎn)距離、長時(shí)間配送過程。

基于機(jī)械冷藏車使用燃油提供動力，易造成污染和能源浪費(fèi)，多名專家學(xué)者為此做出了研究，張凱鵬等人［28］為了減少冷藏車市場對化石能源的依賴，提出了純電動機(jī)械冷藏車，現(xiàn)已經(jīng)投入使用，并培養(yǎng)了一大批新能源技術(shù)人才，為將來推行新能源冷藏車產(chǎn)業(yè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。Chen Liping等人［29］提出了混合動力汽車制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括動力系統(tǒng)、吸收式制冷循環(huán)和壓縮式中了個(gè)循環(huán)組成，利用燃?xì)鈾C(jī)余熱驅(qū)動制冷系統(tǒng)，降低電池驅(qū)動壓縮機(jī)的功耗，與純電動冷藏車相比，節(jié)能效率提高了37.1 %。針對機(jī)械冷藏車漏冷現(xiàn)象，景傳峰等人［30］通過對冷藏車車廂進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用新工藝和新技術(shù)改良冷藏車門、車廂和排水結(jié)構(gòu)，減少漏氣點(diǎn)，可以提高冷間氣密性，提高冷藏運(yùn)輸效率。

2.2 多溫區(qū)LNG冷藏車的研究與應(yīng)用

多溫區(qū)LNG冷藏車的實(shí)際應(yīng)用還處于實(shí)驗(yàn)階段，對于多溫區(qū)LNG冷藏車的可行性，尹鑫林等人［31］通過計(jì)算不同容積車廂、不同載貨量和不同行駛速度所需冷量以及打冷量，得出在正常行駛條件下，制冷能力滿足貨物所需的冷量。針對LNG儲蓄罐的損壞會造成災(zāi)難性后果，Liu X等人［32］通過分析爆炸實(shí)驗(yàn)和儲蓄罐壓力對事故概率影響，提出了抑制事故的有效策略，對處理液態(tài)天然氣緊急事故有重要意義，也為提高多溫區(qū)LNG冷藏車的安全系數(shù)提供了方法。He Tianbao等人［33］提出一種新型LNG冷能梯度利用系統(tǒng)（CES-ORC-DC-LNG），采用不同方法回收不同溫度范圍內(nèi)的LNG冷能，將低溫儲能（CES）、有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）、直接冷卻（DC）相結(jié)合，對于提高冷藏車能量利用率非常有效，為多溫區(qū)LNG冷藏車研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

2.3 多溫區(qū)PCM冷藏車的研究與應(yīng)用

應(yīng)用于冷鏈運(yùn)輸中的相變蓄冷技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保、降低電網(wǎng)負(fù)擔(dān)的優(yōu)點(diǎn)，故蓄冷式多溫區(qū)冷藏車已經(jīng)成為冷鏈運(yùn)輸領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

蓄冷板式雙溫區(qū)冷藏車在冷凍肉和新鮮肉的冷藏運(yùn)輸中應(yīng)用較為廣泛，由于其冷間溫度穩(wěn)定波動小，在肉類運(yùn)輸中表現(xiàn)良好。肉類儲存過程中，溫度越低，解凍損失越小，且溫度波動越大，肌肉纖維結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重［34］，由此可見溫度穩(wěn)定性對于肉類品質(zhì)至關(guān)重要。生鮮市場和超市對凍肉和新鮮肉兩種肉類質(zhì)量有較高要求以滿足廣大消費(fèi)者［35］，應(yīng)用PCM多溫區(qū)冷藏車能夠?qū)崿F(xiàn)多溫共配，保證肉類產(chǎn)品質(zhì)量，對于提高市場效率有重要意義。

多溫區(qū)蓄冷板冷藏車可用于水產(chǎn)品運(yùn)輸，水產(chǎn)品蛋白質(zhì)含量豐富，營養(yǎng)價(jià)值高，但易腐敗，肉質(zhì)脆弱，低溫可以有效降低水產(chǎn)品中酶的活性，抑制微生物繁殖［36］，從而延長保鮮期。對溫度的精準(zhǔn)控制是影響水產(chǎn)品冷鏈運(yùn)輸質(zhì)量的重要因素，傳統(tǒng)機(jī)械冷藏車由于壓縮機(jī)啟停必然導(dǎo)致溫度波動，從而引起貨物凍融，冰晶重結(jié)晶對細(xì)胞進(jìn)一步損傷［37］，蛋白質(zhì)變性，營養(yǎng)價(jià)值下降［38］，最終失去其商品價(jià)值。多溫區(qū)蓄冷板冷藏車溫度穩(wěn)定，克服溫度波動對水產(chǎn)品品質(zhì)影響從而提高運(yùn)輸效率，同時(shí)滿足鮮活水產(chǎn)品和冷凍水產(chǎn)品運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)多溫共配。

多溫區(qū)PCM冷藏車由于儲存溫度穩(wěn)定，在生鮮果蔬運(yùn)輸中應(yīng)用效果很好。Zhang Shihua等人［39］設(shè)計(jì)了一種結(jié)合真空保鮮技術(shù)的多溫區(qū)冷藏車，蓄冷板供冷，采用數(shù)值模擬的方法對空載和滿載溫度分布進(jìn)行模擬，其研究結(jié)果為果蔬冷鏈物流提供了技術(shù)支持和研究方向，提高了果蔬物流的經(jīng)濟(jì)性。

冷藏車車身圍護(hù)結(jié)構(gòu)大多采用聚氨酯，然而近幾年出現(xiàn)一種新型材料氣凝膠，它是一種多孔固體保溫材料，具有空隙率高保溫效果好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)［40］，可用于冷藏車圍護(hù)結(jié)構(gòu)中。Li Chengdong等人［41］設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的復(fù)合氣凝膠，相比聚氨酯，有更輕、導(dǎo)熱性更低、方便加工的優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的發(fā)展前景。

蓄冷板的安裝方式對制冷效率有很大影響，其安裝方式可分為前置、頂置和側(cè)置，楊鳳等人［42］計(jì)算分析了蓄冷板不同安裝方式對融霜的影響，得出頂置蓄冷板能減少融霜熱對冷間溫度場的影響。對于蓄冷板性能和使用壽命等問題，邱慶玲［43］對納米二氧化鈦復(fù)合相變材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)納米粒子二氧化鈦改良的相變材料比未改性的相變材料有更好的熱穩(wěn)定性，導(dǎo)熱系數(shù)提高了16.47 %，以及更高的機(jī)械穩(wěn)定性；Harish Sivasankaran等人［44］對比碳納米相變復(fù)合材料和普通相變材料固、液相導(dǎo)熱性能，發(fā)現(xiàn)夾雜碳納米材料能有效提高相變材料的導(dǎo)熱性能；劉棟等人［45］通過分析芒硝和六水氯化鈣兩種貯能體系，發(fā)現(xiàn)海泡石能有效阻止相變體系固液分層，抑制結(jié)晶長大，在延長相變材料壽命方面有重要作用。對于多溫區(qū)PCM冷藏車?yán)溟g溫度分布不均勻，冷凍間受冷藏間影響，溫度波動大的問題，Xu Xiaofeng等人［46］模擬研究了不同環(huán)境溫度對冷藏車溫度場和相變材料融化過程的影響，結(jié)果表明環(huán)境溫度越高，潛熱釋放越快，溫度場越不均勻，可通過強(qiáng)制對流方式使冷間溫度更均勻。

3 結(jié)語

機(jī)械式多溫區(qū)冷藏車、多溫區(qū)LNG冷藏車和PCM多溫區(qū)冷藏車在食品的冷藏運(yùn)輸領(lǐng)域均各具有一定優(yōu)勢，均能在運(yùn)輸過程中有效保證食品質(zhì)量，其中機(jī)械式應(yīng)用相對廣泛，PCM板式應(yīng)用較少，LNG式還停留在實(shí)驗(yàn)研究階段。但各自還有一些不足之處，可以從以下幾方面進(jìn)行研究。

（1）機(jī)械式多溫區(qū)冷藏車使用燃油提供動力，能量轉(zhuǎn)化效率低，浪費(fèi)資源，加重污染?？蓮膬?yōu)化制冷劑方面進(jìn)行研究，提高制冷機(jī)組效率；研究保溫效果更好的保溫材料，減少冷量的浪費(fèi)。

（2）LNG多溫區(qū)冷藏車使用的天然氣具有一定危險(xiǎn)性，且其制冷效率較低，還沒有應(yīng)用于實(shí)際?？蓮奶岣咧评湎到y(tǒng)安全系數(shù)和制冷系統(tǒng)優(yōu)化方面進(jìn)行研究。

（3）多溫區(qū)PCM冷藏車使用的蓄冷板壽命有限，冷藏車?yán)溟g預(yù)冷時(shí)間長，運(yùn)輸效率較低?？赏ㄟ^研發(fā)新型相變材料，延長蓄冷板壽命。

網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，充分利用利用5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，從線上入手，實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)輸過程中貨物溫度并通過遠(yuǎn)程操控調(diào)整運(yùn)輸溫度提高運(yùn)輸效率。