冷鏈物流保溫箱保溫性能影響因素研究綜述

■文/廖嘉昱，曾臺(tái)英，梁 津，李昊霖，劉舒文，都春龍

（上海理工大學(xué) 出版印刷與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200093）

0 引言

隨著我國人民生活水平的提高，生鮮食品的需求量越來越大，同時(shí)，如何保障生鮮物流運(yùn)輸成為亟待解決的問題。蓄冷保溫箱是蓄冷技術(shù)與隔熱技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，可以彌補(bǔ)冷藏車的缺陷[1-2]。只要將食品分裝于含有蓄冷劑的絕熱保溫材料箱體中，就能通過不同相變溫度的蓄冷劑保證不同食品所需的冷藏溫度。體積較小的蓄冷保溫箱，既能用普通貨車運(yùn)輸，又可重復(fù)使用。

鑒于當(dāng)前蓄冷保溫箱的廣泛應(yīng)用，本文就蓄冷保溫箱保溫性能及影響因素的研究進(jìn)展作一番綜述，以期為優(yōu)化保溫箱設(shè)計(jì)參數(shù)，提高冷鏈物流中保溫箱的使用效率，以及降低成本提供參考。

1 蓄冷劑影響保溫性能的研究進(jìn)展

1.1 蓄冷劑儲(chǔ)存形式

蓄冷板又稱冷板，其制冷原理是利用共晶鹽溶液凍結(jié)后所蓄存的冷量進(jìn)行制冷[3]。張哲等[4]研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度對蓄冷板凍結(jié)所需時(shí)間影響較小，但對共晶液開始凍結(jié)所需時(shí)間影響較大，且環(huán)境溫度越高，蓄冷板釋冷時(shí)間越短。朱先鋒等[5]研究指出，環(huán)境溫度對蓄冷板充冷時(shí)間影響較大。杜雁霞等[6]研究了蓄冷介質(zhì)在板式蓄冷器中凝固時(shí)的相界面移動(dòng)速度，指出蓄冷板厚度應(yīng)根據(jù)傳熱速率、預(yù)測蓄冷時(shí)間和電價(jià)低谷時(shí)段進(jìn)行設(shè)計(jì)。

蓄冷袋又叫“非冰冰枕”“特殊冰”，因其成本低廉、保溫性能良好而被廣泛用在食品、水產(chǎn)等冷鏈物流中。趙艾東等[7]指出，單位重量的蓄冷袋與同重量的人造冰相比，在冰點(diǎn)以下的同一溫度變化范圍內(nèi)蓄冷量較大，吸熱較多。張松陽[8]研究發(fā)現(xiàn)，比起室溫保存，加冰袋可以有效控溫延長西蘭花的保鮮期?？紤]到經(jīng)濟(jì)成本，推薦采用西蘭花和蓄冰袋重量配比2：1來儲(chǔ)運(yùn)。盛況[9]通過對普通果蔬、食用菌、高附加值產(chǎn)品3種典型物料進(jìn)行模擬冷藏條件運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)，指出從經(jīng)濟(jì)角度考慮，在28°室溫下，使用3袋蓄冷袋進(jìn)行冷藏保溫，可以達(dá)到最佳效果。

1.2 蓄冷材料選擇

相變蓄冷材料是能在相變循環(huán)中吸收和釋放潛在熱量的材料，可以分為有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料和共晶混合物。Bai等[10]選用自制蓄冷冰袋，模擬夏季冷鏈物流配送箱內(nèi)情況，測量箱內(nèi)溫度和農(nóng)產(chǎn)品的中心溫度，結(jié)果表明，蓄冷劑相變溫度越低，箱內(nèi)產(chǎn)品保質(zhì)期越長。黃莉[11]針對冷藏藥品保溫運(yùn)輸?shù)囊螅捎昧霜?dú)特的包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并使用不同的蓄冷劑進(jìn)行試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在保溫箱體性能參數(shù)不變的情況下，其溫控時(shí)間取決于所用相變材料的相變溫度和相變焓值。江海林等[12]建立了蓄冷保溫箱的有限元模型，分析了冷藏和冷凍兩種制冷方式下保溫箱內(nèi)部瞬態(tài)溫度場和有效保溫時(shí)間，研究并給出了在外界環(huán)境溫度以及箱體各參數(shù)均不變的情況下，在3種常見冷鏈物流條件下，箱內(nèi)蓄冷劑設(shè)計(jì)參數(shù)的合理選擇范圍。Cong等[13]以自制3種三元鹽水溶液研究其相變溫度和熔解熱的差異，發(fā)現(xiàn)熔解熱隨共晶溶液比例的不同而變化。宋海燕等[14]在3種不同的外界溫濕度環(huán)境條件下，向保溫箱內(nèi)部加入不同質(zhì)量的蓄冷劑，研究蓄冷劑質(zhì)量對擠塑聚苯乙烯保溫箱溫控效果的影響。Choi等[15]建立了一個(gè)綜合模型來研究包裝隔熱性能，并將導(dǎo)熱、對流和輻射等基本傳熱原理應(yīng)用于模型中，在此基礎(chǔ)上討論了影響保溫性能的幾個(gè)因素，并用該模型計(jì)算出實(shí)際問題中的冰需求量。

1.3 蓄冷劑擺放位置

蓄冷板的擺放方式會(huì)影響蓄冷保溫箱的溫度場均勻性。李曉燕等[16]研究了蓄冷保溫箱配送過程中，在4種蓄冷板布置方式（即頂部布置、四周布置、并列布置、重合布置）下箱體的保冷性能。范中陽等[17]以奶白菜為實(shí)驗(yàn)對象，對比研究了兩種蓄冷板擺放形式（即頂部擺放和四周擺放）對箱內(nèi)環(huán)境溫度和奶白菜中心溫度的影響，建議在實(shí)際應(yīng)用中蓄冷板應(yīng)擺放在保溫箱內(nèi)四周。潘欣藝等[18]應(yīng)用有限元法，建立保溫箱基本模型，并通過改變模型內(nèi)部蓄冷劑的擺放位置建立側(cè)面擺放（2種）、頂部擺放和邊緣擺放共4種擺放方式。研究發(fā)現(xiàn)，保溫過程中內(nèi)部溫度場分布十分不均勻，蓄冷劑擺放方式對內(nèi)部溫度場影響極大，從溫度場均勻程度和箱內(nèi)平均溫度來說，頂擺方式都是最佳的擺放方式。成峰等[19]實(shí)驗(yàn)測量了醫(yī)藥運(yùn)輸冷藏箱中蓄冷板兩側(cè)擺放、四周擺放和上下擺放對箱內(nèi)中心溫度和壁面溫度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，上下擺放更利于箱體的快速降溫，且箱體內(nèi)中間溫度最低。

2 保溫箱影響保溫性能的研究進(jìn)展

蓄冷保溫箱箱體由保溫或低熱導(dǎo)率的材料制成，以聚乙烯作為外殼材料，并在外殼夾層中填充發(fā)泡材料來提升保溫性能。一方面可以維持箱內(nèi)的低溫環(huán)境；另一方面也對外界物質(zhì)進(jìn)行了阻隔，提高了運(yùn)輸安全性。

2.1 箱體尺寸

余永濤等[20]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)冷鏈物流EPP保溫箱內(nèi)容積在35～45L之間，且箱體厚度和箱蓋厚度相同時(shí)，把長寬比控制在1.8～2.0之間可有效減小內(nèi)外表面積幾何平均值，從而提高保溫箱的保溫性能。

張莉偉等[21]通過建立保溫箱有限元模型，改變保溫箱壁厚和熱導(dǎo)率等參數(shù)，研究對其保溫效果的影響。Terpak等[22]建立了一個(gè)仿真模型，分析食品包裝加熱過程中的保溫性能，評估加熱時(shí)間受隔熱材料厚度、包裝表面輻射率及蠟在食品包裝中轉(zhuǎn)變等因素的影響程度，并提出了最佳的食品隔熱包裝建議。

2.2 保溫材料

傳統(tǒng)的蓄冷保溫箱材料有聚氨酯（PU）和聚苯乙烯（EPS），其保溫性能較好但降解性差，不便于回收，會(huì)對環(huán)境造成污染[23]。陳海洋等[24]提出了以真空絕熱板（VIP）為保溫材料的可行性。潘欣藝等[25]選取上述3種保溫材料（EPS、PU、VIP），通過模擬仿真研究不同材質(zhì)保溫箱內(nèi)溫度場的分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，VIP保溫箱內(nèi)溫度最接近蓄冷劑相變溫度值，溫度場分布最均勻；3種材料中VIP的阻熱性能最好，在保溫箱內(nèi)相同位置的溫度要比EPS、PU都低。徐笑鋒等[26]研究發(fā)現(xiàn)真空絕熱板的保溫效果優(yōu)于發(fā)泡聚丙烯，可提高保冷時(shí)間13.31%。

有學(xué)者提出，將兩種保溫材料結(jié)合起來，組成復(fù)合保溫材料使用。王達(dá)等[27]提出一種基于真空絕熱板和聚氨酯復(fù)合結(jié)構(gòu)（VIP＋PU）的蓄冷保溫箱，并以桃子為例，對VIP＋PU、PU、EPS三種不同隔熱材料蓄冷保溫箱冷藏運(yùn)輸效果進(jìn)行了研究。陳文樸等[28]研究了一種甲酸鈉低溫相變材料，將其分別使用在純聚氨酯發(fā)泡（PU）、真空絕熱板＋聚氨酯復(fù)合（VIP＋PU）兩種保溫箱內(nèi)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真空絕熱板+聚氨酯復(fù)合的蓄冷箱保冷效果明顯優(yōu)于聚氨酯蓄冷箱，且低溫維持時(shí)間是純聚氨酯蓄冷箱的2倍。

3 其他影響因素的研究進(jìn)展

環(huán)境溫度對保溫箱的保溫性能有一定影響。翟紀(jì)強(qiáng)等[29]研究發(fā)現(xiàn)，外界環(huán)境和蓄冷劑與內(nèi)裝物質(zhì)量比對多溫區(qū)保溫箱的保溫特性均有影響，并建立了外界環(huán)境溫度-蓄冷劑與內(nèi)裝物質(zhì)量比-保溫時(shí)間的三維數(shù)學(xué)模型。

保溫箱和內(nèi)裝物的溫度預(yù)處理直接影響保溫箱內(nèi)溫度場及保冷時(shí)間。李杰瑞等[30]研究發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)冷時(shí)間的增加，保溫箱的保溫時(shí)效也隨之增大，但當(dāng)預(yù)冷時(shí)間為24 h時(shí)，保溫時(shí)效的增大不再明顯，僅有0.5%。

保溫箱的隔層預(yù)處理，如在保溫箱內(nèi)表面覆鋁箔，也會(huì)影響其隔熱性能。朱琦[31]研究發(fā)現(xiàn)保溫箱內(nèi)表面覆鋁箔能夠提升保溫性能。隔層是組合材料對保溫性能也有影響，伍亞云[32]對不同厚度的EPS泡沫板和XPS泡沫板組合而成的保溫箱進(jìn)行中心點(diǎn)保溫時(shí)間測試，并根據(jù)公式計(jì)算出每種組合方式的平均升溫速度，發(fā)現(xiàn)平均升溫速度值越小，箱體保溫性能越好。

另外，在蓄冷箱的設(shè)計(jì)上，大部分的研究與應(yīng)用是針對某一溫度范圍的單溫區(qū)而設(shè)計(jì)的，對于多溫蓄冷箱和多溫蓄冷箱的內(nèi)部空間設(shè)計(jì)的研究比較欠缺。

4 結(jié) 語

我國冷鏈物流市場有著巨大的發(fā)展空間，隨著人們對冷鮮產(chǎn)品品質(zhì)要求的提升，冷鏈物流過程中對保溫箱保溫性能的要求也越來越高。本文重點(diǎn)分析了蓄冷劑和保溫箱參數(shù)的改變對蓄冷保溫箱保溫性能的影響。通過分析總結(jié)，明確了蓄冷材料、蓄冷劑擺放位置、保溫箱隔熱材料、保溫箱尺寸等因素對保溫性能影響的程度和相關(guān)定量的指導(dǎo)性結(jié)果，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)冷鏈保溫箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)和降本增效提供保障。