移動式冷庫性能及其冷卻均勻性分析

朱鑒宇 ，盛 偉 ,※，陳金龍 ，司春強 ，麥爾祖克江 ，鄭海坤

（1.河南理工大學機械與動力工程學院，焦作 454000；2.哈密豫新能源產(chǎn)業(yè)研究院，哈密 839000；3.華商國際工程有限公司，北京 100069；4.新疆天建冷鏈科技有限公司，哈密 839000）

0 引 言

水果和蔬菜是飲食的重要組成部分，為人們的健康提供必要的營養(yǎng)物質、植物營養(yǎng)素和纖維。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，自2012年以來中國果蔬農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量呈逐年遞增趨勢，截止2021年底，水果及蔬菜產(chǎn)量分別達到29 970.2萬t和77 548.78萬t，較2012年分別提高了35.66%和28.54%[1]。然而果蔬收獲后仍然存活，并具有生命體征，生物實體的呼吸、蒸發(fā)、乙烯釋放和其他傳播等重要過程持續(xù)不斷地消耗其有機物質（如糖和淀粉），從而降低新鮮農(nóng)產(chǎn)品的質量（如營養(yǎng)成分、功能成分、硬度），限制其貨架壽命[2-4]。在果蔬產(chǎn)品供應鏈中采后損失在總損失中占到了相當大的比例，高達13%～38%[5]。對于新鮮的農(nóng)產(chǎn)品，溫度是影響其損腐率及貯藏壽命的重要參數(shù)[6-8]。因此，在整個供應鏈中，通過冷卻和保持最佳產(chǎn)品溫度快速消除收獲后的田間熱量至關重要[9-12]。

預冷的主要目的是在收獲、采摘后迅速去除新鮮農(nóng)產(chǎn)品的田間熱量，這一步驟減緩了農(nóng)產(chǎn)品采摘后的物理化學活動，并將感官特性和營養(yǎng)物質的破壞降至最低[13-16]。研究表明，在果蔬冷鏈運輸過程中，經(jīng)過預冷處理的果蔬損失率可以從25%～30%降低至5%～10%[17]。因此，對預冷過程進行系統(tǒng)的研究，優(yōu)化預冷過程及預冷設備，是提高冷鏈物流的經(jīng)濟效益的有效途徑。

移動式冷庫是指采用一體式制冷裝置對移動式保溫艙體進行降溫的一種冷藏設備，主要用于解決果蔬采后的最先一公里問題。移動式冷庫較普通冷庫具有建設周期短、靈活性高、可用于田間地頭快速解決果蔬采后田間熱的優(yōu)點[18-19]，同時冷庫預冷作為傳統(tǒng)預冷方式，其具有適用范圍廣、成本低廉的優(yōu)點[20]。在國內有少部分學者在移動式預冷設備開發(fā)[19]、冷庫預冷冷卻性能[21-22]以及應用[23-26]上進行研究，然而這部分研究缺少對移動式預冷設備的性能以及運行過程中溫度均勻性的研究。

本文針對果蔬采后最先一公里問題，結合制冷技術以及保溫集裝箱技術，提出和開發(fā)了一種移動式冷庫，并對其進行了性能研究試驗。并以冷庫的導熱熱阻以及制冷系數(shù)對設備的性能進行了評估，同時采用溫度變異系數(shù)和溫度異質性系數(shù)對運行過程中的冷卻均勻性進行定量化分析，擬為解決果蔬采后最先一公里問題提供一定的解決方案。

1 移動式冷庫開發(fā)

1.1 結構設計

冷庫的整體結構是決定其移動性能的重要指標，移動式冷庫的結構如圖1所示，移動式冷庫整體由制冷一體機以及冷庫主體結構組成，其具有以下幾點特點：

圖1 移動式冷庫裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the mobile cold storage

1）相較于傳統(tǒng)固定式冷庫，本設備冷庫主體結構采用集裝箱框架作為骨骼構件，使得其建設周期短，結構緊湊，穩(wěn)定性好?？捎绍囕d運輸至田間地頭對采后果蔬進行預冷；

2）相較于冷藏箱，本設備采用制冷一體機作為制冷設備，結構緊湊，安裝、維修簡單，且置于田間地頭時重要部件不易被雜物損傷。在設計初期針對果蔬預冷增大了設備的設計余量，因此果蔬預冷周期相對較短，損腐率低；

3）冷風機安裝在冷庫內側壁面天花板處，且出風口設置有導流格柵，使得設備運行過程中整體溫度變異系數(shù)較低，具有較高的冷卻均勻性。

1.2 循環(huán)參數(shù)計算

設備主要針對30 m3葡萄預冷設計，按照GB 50 072-2021《冷庫設計規(guī)范》進行熱力計算，并選用聚氨酯發(fā)泡板作為冷庫板。依據(jù)葡萄冷藏最佳溫度0 °C，設備采用R404A制冷劑，蒸發(fā)溫度設定為0 °C，過熱度為5 °C；冷凝溫度設定為35 °C，過冷度為5 °C。將上述設計工況代入制冷劑物性參數(shù)軟件Coolpack繪制壓焓圖，并由此查得各點的比焓分別為：蒸發(fā)器出口比焓h1= 372.825 kJ/kg，冷凝器進口比焓h2= 397.946 kJ/kg，蒸發(fā)器進口比焓h4= 245.624 kJ/kg。

以常規(guī)高性能壓縮機等熵效率[27]作為設計工況下壓縮機的等熵效率，其值為0.8，將其代入到式（1）計算其設計工況下的理論制冷系數(shù)。

式中εd為設計工況下的理論制冷系數(shù)；ηd為等熵效率；qde為設計工況下的理論制冷量，kJ/kg；wd為設計工況下的理論功率，kJ/kg。

式中qdc為設計工況下的理論冷凝熱負荷（kJ/kg）。

將h1、h2、h4分別代入式（1）~式（4），可求得設計工況下的理論制冷系數(shù)為5.06，理論制冷量為127.20 kJ/kg，理論功率為25.12 kJ/kg，理論冷凝熱負荷為152.322 kJ/kg。

由于本文設備主要針對果蔬預冷設計，因此在設備選型時適當放大了熱負荷以減少預冷時間。通過放大所求的冷庫熱負荷（即制冷量Qde= 10.15 kW）并結合設計工況依據(jù)式（1）求得壓縮機功率為1.6 kW，故選取壓縮機型號為NTZ068A4 LR1A。將放大后的冷庫熱負荷（制冷量）代入式（5）~式（8），求得蒸發(fā)器以及冷凝器所需換熱面積分別為25.36 和30.39 m2，故選取換熱面積為25 m2，風量為2 670 m3/h的冷風機和換熱面積為30 m2的冷凝器。

式中A dc為設計工況下的冷凝器換熱面積，m2；Qdc為設計工況下的冷凝器熱負荷，kW；Kdc為設計工況下的冷凝器傳熱系數(shù)，取40 W/(m2·K)；Δt為換熱溫差，取10 °C；qg為制冷劑質量流量，kg/s；Ade為設計工況下的蒸發(fā)器換熱面積，m2；Qde為放大后設計工況下的冷庫熱負荷，kW；Kde為設計工況下的蒸發(fā)器傳熱系數(shù)，取40 W/(m2·K)。

1.3 試驗裝置及方法

1.3.1 試驗裝置

移動式冷庫試驗裝置如圖1a所示，設備主要由移動式冷庫主體結構以及制冷一體機組成。其中制冷一體機（如圖2）由壓縮機、冷凝器、散熱風機、儲液器、干燥過濾器、四通閥、電子膨脹閥以及冷風機組成；冷庫主體結構（如圖1b）由集裝箱框架、聚氨酯發(fā)泡板組成。主要試驗裝置和儀表型號及參數(shù)如表1所示。

表1 主要試驗裝置和儀器型號與參數(shù)Table 1 Models and parameters of main test equipments and instruments

圖2 制冷一體機系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle diagram of the integrated refrigeration machine

本文試驗于2022年3月30日— 4月2日在新疆哈密某地區(qū)進行，試驗過程當?shù)匕滋鞙囟葹?～17 °C，夜間溫度為1～8 °C。

1.3.2 試驗方法

（1）移動式冷庫傳熱系數(shù)檢測

試驗依據(jù)標準GB/T 30 103.3-2013 《冷庫熱工性能試驗方法 第3部分：圍護結構熱流量檢測》采用熱平衡法進行傳熱系數(shù)測量。試驗測點分布如圖3a所示，試驗過程中制冷一體機始終處于停機狀態(tài)，為了使冷庫內外溫差保持在20 °C以上，在冷庫底面幾何中心處布置加熱爐作為熱源使用，軸流式風機則布置于加熱爐同一軸線上用于加強冷庫內部空氣循環(huán)，加速溫升；同時在冷庫內外壁面距幾何中心100 mm處設置溫度測點實時監(jiān)測冷庫內部及外部溫度變化情況，其中測點ta、tb、tc、td、te、tf設置于冷庫內部，測點ta'、tb'、tc'、td'、te'、tf'設置于冷庫外部。試驗時長設置為24 h（3月30日10:25～3月31日10:25），數(shù)據(jù)采集儀每5s記錄一次。

圖3 移動式冷庫試驗測點分布Fig.3 Mobile cold storage test point distribution

（2）移動式冷庫溫度場檢測

移動式冷庫溫度場檢測試驗測點分布如圖3b所示，試驗依據(jù)標準GB/T 30 103.1-2013 《冷庫熱工性能試驗方法 第1部分：溫度和濕度檢測》進行測試。試驗過程中制冷一體機處于正常運行狀態(tài)，由于當?shù)靥鞖庠?，為保持庫體內外溫差在20 °C以上將庫溫設定為-20 °C，并將除霜周期設置為4 h；同時在冷庫底面幾何中心處設置有加熱爐，其目的是當制冷一體機檢測到庫溫降至-20 °C時將會處于待機狀態(tài)，此時若采用自然升溫將會使得測試間隔較長，因此設置加熱爐輔助升溫。

由于冷庫庫體長寬高較短，冷風機安裝于制冷機組側壁面天花板處，此時風機射流將在Coanda效應的作用下貼附于冷庫上壁面流動最終撞擊冷庫門側壁面擴散回流。這將會導致冷庫門側壁面處溫度顯著低于制冷機組側壁面，而冷庫幾何中心點處側測點則接近整體平均溫度，且試驗為空庫測試，冷庫整體溫差較小。因此在溫度較高區(qū)域距離箱體頂角三面100 mm處布置有1、2、5、6號測點，在溫度中等區(qū)域距離箱體頂角三面100 mm處布置有3、4、7、8號測點，而溫度較低區(qū)域即冷庫幾何中心處布置有9號測點，以此反映冷庫的溫度場以及冷卻均勻性。在冷風機的回風口以及出風口處設置有熱電偶監(jiān)測進風以及出風溫度并計算冷風機制冷量。試驗時長設置為12 h（4月1日22:00-4月2日10:00），數(shù)據(jù)采集儀每5 s記錄一次。

1.4 移動式冷庫的主要性能指標

（1）移動式冷庫庫板的熱阻

移動式冷庫庫板的熱阻R是反映冷庫保溫性能的重要指標，定義為試驗過程中由冷庫傳熱面積以及冷庫內外溫差與其內部熱負荷的比值[27]。

式中R為移動式冷庫庫板的熱阻，m2· °C/W；Q為試驗過程中冷庫內部設置的熱負荷，W；A為傳熱面積，m2；Ta1庫內平均溫度， °C；Ta2庫外平均溫度， °C；Q1為加熱器功率，W；Q2為軸流風機功率，W；A1為冷庫外表面積，m2；A2為冷庫內表面積，m2。

（2）制冷一體機的制冷系數(shù)

制冷一體機的制冷系數(shù)ε是評價制冷一體機的性能的參數(shù)，定義為制冷一體機的制冷量與其消耗功率的比值[28]。

式中Qe為制冷一體機的制冷量（其計算式如式（13）所示），kW；W為制冷一體機消耗的功率，kW；qv為冷風機風量，m3/h；ρ為空氣密度，kg /m3；H1以及H2分別為冷風機出風口以及回風口空氣的焓值，kJ/kg。

（3）移動式冷庫溫度場均勻性

溫度異質性系數(shù)（CHT）[29]以及溫度變異系數(shù)（CVT）[30]可以用于評價一組數(shù)據(jù)偏離平均值的程度，且其可以忽略不同時刻平均溫度不同帶來的影響。溫度異質性系數(shù)以及溫度變異系數(shù)越小，冷庫內部溫度場分布越均勻。因此本文采用CHT以及CVT分別評估冷庫局部溫度均勻性以及整體溫度均勻性。

式中Ti表示該點處的溫度，℃；表示該冷庫溫度的平均值，℃。

式中n為測點數(shù)量。

2 結果與分析

2.1 熱阻檢測試驗結果分析

試驗過程中各個測點的溫度變化情況如圖4所示。從圖4a中可以觀察到，位于冷庫內部的測點ta～tf溫度曲線基本一致，而位于冷庫外部的測點ta'～tf'則存在一定偏差，這是由于布置于冷庫外部的測點受環(huán)境因素影響較大，因此外部測點溫度曲線存在偏差，區(qū)域A亦是由于天氣的陰晴變化導致了溫度波動；點B（17:25左右）處由于時間已接近黃昏，因此冷庫內外測點溫度均出現(xiàn)下降趨勢；區(qū)域C（9:00左右）處由于時間已至早晨，陽光開始強烈，冷庫外部測點受到不同程度的影響，因此此處溫度曲線呈現(xiàn)遞增趨勢；同時通過計算可以得到冷庫的平均內外溫差為Ta1-Ta2=30.79°C>20°C，符合國標測試要求。冷庫內部熱負荷變化曲線如圖4b所示，經(jīng)過計算可得平均熱負荷Q= 0.510 kW。將測得結果代入式（9）計算可得該移動式冷庫庫板的熱阻為3.98 m2· °C/W，熱阻值較高符合使用要求，且較高的熱阻值將有效減少冷庫漏熱率減少能量消耗。

圖4 傳熱系數(shù)檢測試驗結果Fig.4 Detection test results of heat transfer coefficient

2.2 溫度場檢測結果分析

試驗過程中各個測點的溫度變化情況如圖5所示，圖中依據(jù)初始設置的4 h除霜周期將整體分為三個部分，在0～4 h，4～8 h區(qū)間交界處由于此時機組開始除霜，因此溫度曲線形成了兩個較大的峰值；而在各個區(qū)間內分別由兩個較小的峰值，其形成原因則是由于制冷一體機庫溫設置為-20 °C，冷庫內部溫度降至此溫度時制冷一體機停機，此時冷庫內部僅有加熱爐在運行，使得庫溫快速升至設備運行溫度從而開始下一次降溫周期。同時可以觀察到初次化霜后的首次降溫周期要長于第二次化霜，這是由于初次化霜霜層化為液態(tài)水，在降溫過程中此部分液態(tài)水的凝固潛熱增大了冷庫內部的熱負荷使得降溫周期增長；而第二次化霜后盡管增加了液態(tài)水的凝固潛熱，但已經(jīng)有一部分在初次化霜后的降溫周期中消除，因此出現(xiàn)了初次化霜后的首次降溫周期要長于第二次化霜。

圖5 溫度場檢測測點溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curve at different temperature field detection points

2.2.1 制冷一體機性能分析

冷風機出風及回風溫度變化曲線如圖6a所示，經(jīng)過計算可得回風口的平均溫度為-18.4 °C，出風口的平均溫度為-22.2 °C，通過Coolpack制冷劑物性軟件查得其焓值分別為H2= 380.79 kJ/kg，H1= 376.97 kJ/kg，通過式（13）計算可得制冷量為Qe= 3.87 kW。制冷一體機功率變化曲線如圖6b所示，經(jīng)過計算可得制冷一體機的平均功率W= 1.873 kW，將所得代入式（12）可得制冷一體機的ε值為2.07，設備具有較高的ε值，較為節(jié)能。

圖6 制冷一體機運行工況Fig.6 Operating condition of integrated refrigeration machine

2.2.2 移動式冷庫溫度場均勻性分析

移動式冷庫運行過程中的冷卻均勻性變化如圖7所示，其中圖7a為各個測點的CHT隨時間變化的曲線，即移動式冷庫的局部冷卻均勻性，從圖中可以看出在制冷一體機停機以及除霜時由于局部溫升使得平均溫度升高導致各個測點處的 CHT波動較大，但整體波動低于1%。經(jīng)過計算可以得出各個測點的平均溫度異質性系數(shù)（即）均低于0.5 %，移動式冷庫的局部冷卻均勻性較好。其中t3處的值最低，為0.08%，而t5處的值最高，為0.48%。結合圖5分析可知，由于測點3位于冷庫門側壁面天花板附近，此處處于冷庫內部溫度中等區(qū)域，測點溫度偏離整體平均溫度較少，因此此處值低，冷卻均勻性好；由于測點5處于冷庫內部溫度較高區(qū)域，測點溫度偏離整體平均溫度較高，因此此處值高，冷卻均勻性差。圖7b為移動式冷庫整體溫度變異系數(shù)隨時間變化的曲線，即移動式冷庫的整體冷卻均勻性，從整體來看其變化規(guī)律與曲線相似，通過計算可以得到，在0.05 %以下，移動式冷庫的整體冷卻均勻性較好，且較好的冷卻均勻性將有效減少果蔬在預冷過程中的損腐率。

圖7 移動式冷庫冷卻均勻性Fig.7 Cooling uniform of mobile cold storage

3 結 論

本文針對果蔬采后最先一公里問題，提出和開發(fā)了一種移動式冷庫，并對其進行了性能研究試驗。結果如下：

1）在移動式冷庫傳熱系數(shù)檢測試驗過程中，冷庫內外平均溫差為30.79 °C大于20 °C，冷庫內部施加的平均熱負荷為0.510 kW；最終通過試驗和計算得到冷庫庫板的導熱熱阻為3.98 m2·°C/W，較高的導熱熱阻將降低冷庫的漏熱率，減少冷庫能耗。

2）通過試驗和理論計算相結合的方式對冷庫制冷一體機的性能進行了研究，制冷一體機的制冷量為3.87 kW，功率為1.873 kW，制冷系數(shù)為2.07，設備具有較高的制冷系數(shù)，能夠有效減少冷庫能耗。

3）采用溫度異質性系數(shù)以及溫度變異系數(shù)對冷庫運行過程的冷卻均勻性進行了評價，冷庫運行過程中測點冷庫門側左上角測點處的冷卻均勻性最好，其平均溫度異質性系數(shù)為0.08 %，制冷機組側右上角測點處的冷卻均勻性最差，其平均溫度異質性系數(shù)為0.48 %，但其值低于0.5%，依舊具有較好的冷卻均勻性；同時從整體來看，平均溫度變異系數(shù)為0.034 %，在0.5 %以下，可見該移動式冷庫具有較好的冷卻均勻性，在果蔬預冷過程中將會在一定程度上降低損腐率。

本文對移動式冷庫的開發(fā)以及性能進行了系統(tǒng)性的研究。但對于移動式冷庫，其內部結構的變化將很大程度上改變冷庫的冷卻性能，如冷風機安裝位置及其出風參數(shù)、果蔬堆垛排列方式、果蔬包裝箱結構等因素。因此在進一步的研究中將結合所開發(fā)設備對此進行更加深入的研究。