真空絕熱板在冷鏈運(yùn)輸裝備上的工程應(yīng)用研究

羅彥平，苗曉雨，侯天華，王新銳，岳凌漢

（1 大連中車鐵龍集裝化技術(shù)裝備研發(fā)有限公司，遼寧大連 116052；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

從國(guó)外冷鏈物流發(fā)展情況及國(guó)內(nèi)冷鏈發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，在各種冷鏈流通領(lǐng)域冷藏集裝箱將成為最主要的運(yùn)輸裝備［1-2］。從冷鏈運(yùn)輸裝備的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，隨著現(xiàn)代物流技術(shù)和效率的提高，冷鏈基礎(chǔ)設(shè)施的完善和普及，物流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和管理的提升，將會(huì)出現(xiàn)冷鏈運(yùn)輸裝備細(xì)分化及保溫類裝備比重提高的發(fā)展趨勢(shì)。從冷藏技術(shù)發(fā)展來(lái)看，智能、綠色是冷鏈運(yùn)輸裝備的發(fā)展方向；保質(zhì)、降損、快捷、準(zhǔn)時(shí)、節(jié)能是用戶的關(guān)注焦點(diǎn)。因此，新時(shí)代國(guó)內(nèi)冷鏈運(yùn)輸裝備研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要為：智能化的制冷技術(shù)、保溫技術(shù)、氣調(diào)技術(shù)及貨物智能監(jiān)測(cè)與信息跟蹤技術(shù)、節(jié)能環(huán)保技術(shù)等［1，3］。

保溫性能作為冷鏈運(yùn)輸裝備的核心，是任何冷鏈裝備都需首要關(guān)注的指標(biāo)。目前廣泛采用的保溫技術(shù)為聚氨酯發(fā)泡技術(shù)，又以整體發(fā)泡和預(yù)制板粘接兩種方式為主［4］。其充分利用了聚氨酯發(fā)泡材料低導(dǎo)熱系數(shù)的特性及其能夠和箱體蒙皮結(jié)合成整體提供剛度的特點(diǎn)。采用導(dǎo)熱系數(shù)更低的絕熱材料并實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，是冷鏈運(yùn)輸裝備保溫技術(shù)發(fā)展的主要方向［5］。

1 真空絕熱板及工程應(yīng)用的要求

真空絕熱板是一種導(dǎo)熱系數(shù)非常低的新型絕熱材料，其結(jié)構(gòu)通常包括高阻隔薄膜、芯材、吸氣劑，如圖1 所示。該材料是提高結(jié)構(gòu)內(nèi)部真空度和降低芯材的導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)減少熱傳導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)保溫節(jié)能的目的［6］。

圖1 真空絕熱板結(jié)構(gòu)示意圖

芯材一般采用二氧化硅、氣溶膠、玻纖、微孔聚氨酯等多孔隙隔熱材料，隔膜多采用含有金屬層的薄膜，如鋁箔等。

聚氨酯發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.025 W/（m·K）左右，而真空絕熱板的導(dǎo)熱系數(shù)通常在0.01 W/（m·K）以下，并能夠達(dá)到聚氨酯材料導(dǎo)熱系數(shù)的1/10［7］。真空絕熱板的制成品多為板狀，如圖2 所示。

圖2 真空絕熱制成品

目前，真空絕熱板以其優(yōu)異的隔熱性能在冰箱、熱水器、冷柜、醫(yī)用箱、冷凍貨柜等領(lǐng)域有較多的應(yīng)用，可以看出應(yīng)用場(chǎng)景多為固定設(shè)備或者應(yīng)用工況較好的中小型移動(dòng)設(shè)備上，在大型冷鏈運(yùn)輸裝備上，特別是在工況復(fù)雜的多式聯(lián)運(yùn)裝備上還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用［5］，主要是因?yàn)椴牧系奶匦允蛊湓诠こ虘?yīng)用中有一定的要求。

其一，保持高真空是保證材料隔熱性能的前提，所以一旦維持材料真空的隔膜破損將導(dǎo)致真空失效，隔熱性能降低。所以工程應(yīng)用中真空絕熱板應(yīng)該具有良好保護(hù)，以確保其始終維持真空狀態(tài)。冷藏箱這類大型多式聯(lián)運(yùn)裝備，承載、吊運(yùn)、發(fā)生變形、碰撞的風(fēng)險(xiǎn)較大，所以對(duì)真空絕熱板的防護(hù)尤為重要。

其二，真空絕熱板制成品規(guī)格多為板塊，規(guī)格大小有限，在大型裝備上要實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋必然要多塊拼裝。所以要保證整箱保溫性能有明顯的提升，覆蓋面積的比例，拼裝的位置和范圍均要根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。

其三，由于真空絕熱板不能作為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度部件，又有拼接的需求，還需要被保護(hù)起來(lái)，所以在箱體保溫結(jié)構(gòu)中需要與其他保溫材料和結(jié)構(gòu)復(fù)合成整體才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工也是工程應(yīng)用的難點(diǎn)。

2 真空絕熱板在冷藏集裝箱上應(yīng)用的研究

根據(jù)真空絕熱板工程應(yīng)用的要求，結(jié)合冷藏集裝的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，研究和分析真空絕熱板在冷藏集裝箱上實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的可能。

2.1 冷藏集裝箱結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

冷藏集裝箱一般運(yùn)輸需要保溫的包裝類貨物，從箱體各部位承載要求來(lái)看，底架主要承受貨物的垂向載荷以及箱內(nèi)叉車作業(yè)的載荷并實(shí)現(xiàn)箱體在運(yùn)輸車上的拴固；端墻主要承受箱內(nèi)貨物的縱向沖擊載荷；側(cè)壁承受貨物的橫向載荷；箱門和箱頂不直接參與承載。

從結(jié)構(gòu)變形情況來(lái)看，底架和端墻由于受到較大的載荷，在使用中會(huì)發(fā)生一定的變形；側(cè)壁由于垂向剛度大，受橫向載荷較小，基本沒(méi)有變形；箱頂和端門不直接承載，變形較小。

從漏熱角度來(lái)看，箱頂和側(cè)壁面積較大且受環(huán)境影響最為直接，漏熱較大，特別是箱頂受太陽(yáng)熱輻射影響漏熱最大。

從箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度來(lái)看，底架和端墻由于承載的要求較高，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)較多，且端部一般還要考慮冷箱附件的安裝，底架還需要考慮拴固、排水結(jié)構(gòu)，一般比較復(fù)雜；端門由于有門鎖的安裝所以內(nèi)部結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜；箱頂和側(cè)壁結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

2.2 真空絕熱板的布置

結(jié)合真空絕熱板工程應(yīng)用的要求和冷藏集裝箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，真空絕熱板的布置應(yīng)該優(yōu)先考慮承載要求低、變形小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、漏熱較大的箱頂和側(cè)壁。

首先承載要求和變形小，真空絕熱板在該部位使用時(shí)破損的風(fēng)險(xiǎn)小，才能保證真空板性能有效；同時(shí)選擇面積較大、漏熱較大的側(cè)壁和箱頂進(jìn)行真空絕熱板的鋪設(shè)對(duì)整箱保溫性能的提升比較明顯；再者側(cè)壁和箱頂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于真空絕熱板的鋪裝和施工。

2.3 真空絕熱板復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)

即使選擇了鋪裝在承載和變形較小的箱體側(cè)壁和箱頂，但在吊運(yùn)、堆碼或者裝卸貨時(shí)，側(cè)壁和箱頂仍然存在碰撞、剮蹭的風(fēng)險(xiǎn)。只有將真空絕熱板設(shè)置在箱壁保溫結(jié)構(gòu)的中心才能有效避免可能的損傷，即采用多層復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)如圖3 所示，相比既有冷藏箱內(nèi)、外蒙皮和中間聚氨酯發(fā)泡的“三明治”結(jié)構(gòu)又多了一層真空絕熱層［6］。

圖3 箱壁復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)

2.4 復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)施工工藝

通?！叭髦巍北亟Y(jié)構(gòu)有兩種施工工藝：一種是在由內(nèi)、外蒙皮和中間隔條組成的型腔內(nèi)注入計(jì)算好的發(fā)泡料，在夾具內(nèi)完成發(fā)泡過(guò)程和固化，并將發(fā)泡材料和內(nèi)外蒙皮結(jié)合成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)［4，8］。另一種工藝是中間的發(fā)泡材料采用預(yù)制好的聚氨酯板，再將外蒙皮、聚氨酯板、內(nèi)蒙皮依次涂膠粘接，并利用夾具或其他加壓方式壓緊固化，在膠粘劑的作用下結(jié)合成整體。兩種工藝方法各有特點(diǎn)，并且在冷鏈運(yùn)輸裝備上都有應(yīng)用。

當(dāng)采用圖3 包含真空絕熱板的多層復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)時(shí)，上述兩種工藝方法均需要進(jìn)行一定的調(diào)整。

采用注入發(fā)泡的工藝時(shí)要注意幾個(gè)問(wèn)題：一是置于發(fā)泡型腔內(nèi)部的真空絕熱板在發(fā)泡過(guò)程中需保持其位置固定；二是置于發(fā)泡型腔內(nèi)的真空絕熱板不能妨礙發(fā)泡料在型腔內(nèi)的流動(dòng)和發(fā)泡；三是真空絕熱板和發(fā)泡料結(jié)合面具有足夠的粘接強(qiáng)度。工藝結(jié)構(gòu)如圖4 所示，用膠粘劑和聚氨酯墊塊將真空絕熱板固定在發(fā)泡型腔內(nèi)，保持其位置固定；真空絕熱板之間以及真空絕熱板與內(nèi)外蒙皮之間均保留適當(dāng)?shù)目障?，保證發(fā)泡料能夠流通順暢，并合理設(shè)置注料口和排氣口使發(fā)泡充滿整個(gè)空腔；為保證真空絕熱板和聚氨酯發(fā)泡材料有足夠的粘接強(qiáng)度，真空絕熱板表面可以采用覆膠面或其他粘接性好的覆面材料。

圖4 復(fù)合保溫箱壁的發(fā)泡工藝結(jié)構(gòu)

采用粘接工藝時(shí)要注意，由于多了真空絕熱層，保溫結(jié)構(gòu)由“三明治”變?yōu)榱恕拔迕髦巍?，如果各層依次粘接，結(jié)合面由2 層增加到4 層，用膠量翻倍，工藝復(fù)雜，且相鄰真空絕熱板之間的間隙填充也是一個(gè)棘手的問(wèn)題。可行的方案是將中間的聚氨酯保溫材料和真空絕熱板預(yù)制成復(fù)合板，再與內(nèi)、外蒙皮粘接，則可以實(shí)現(xiàn)兩層的粘接，既可保證粘接效果，還減少了用工和用料，如圖5 所示。

圖5 復(fù)合保溫箱壁的粘接工藝結(jié)構(gòu)

2.5 復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)傳熱仿真對(duì)比研究

根據(jù)上述分析，模型一冷藏箱箱體均采用聚氨酯保溫結(jié)構(gòu)如圖6 所示。模型二冷藏箱側(cè)壁和箱頂采用真空絕熱板和聚氨酯復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)如圖7 所示，其余部位仍采用傳統(tǒng)的聚氨酯保溫。在相同換熱條件下（環(huán)境溫度30 ℃，箱內(nèi)溫度為-10 ℃）對(duì)兩種模型進(jìn)行仿真對(duì)比研究［9-10］。

圖6 模型一

圖7 模型二

由于冷藏箱各箱壁形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，首先對(duì)側(cè)墻、端墻、車頂和車底架的隔熱板分別進(jìn)行K值及漏熱率計(jì)算，其次求解整車的K值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1［11-12］。

表1 兩種模型仿真對(duì)比結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，采用聚氨酯和真空絕熱板復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)的冷藏箱箱頂傳熱系數(shù)由0.23 W/（m2·K）降低到0.15 W/（m2·K），降低了34.8%；側(cè)墻由0.28 W/（m2·K）降低到0.19 W/（m2·K），降低了32.1%。整箱傳熱系數(shù)由0.26 W/（m2·K）降低到0.20 W/（m2·K），降低了23.1%，真空絕熱板的應(yīng)用對(duì)整箱保溫性能的提升顯著。

3 采用真空絕熱板的冷藏箱樣箱

通過(guò)工藝驗(yàn)證和仿真對(duì)比研究可知真空絕熱板在冷鏈運(yùn)輸裝備上具有規(guī)?；こ虘?yīng)用的可能。在中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司冷鏈裝備發(fā)展規(guī)劃下，采用真空絕熱板復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)的蓄冷箱已經(jīng)完成了樣箱、型式試驗(yàn)并開(kāi)展了樣箱試運(yùn)。

該蓄冷箱是在保溫箱內(nèi)設(shè)置有蓄冷系統(tǒng)的新型冷藏箱，該樣箱箱體側(cè)壁和箱頂采用了聚氨酯蜂窩和真空絕熱板結(jié)合的復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，采用了粘接的制造工藝。樣箱通過(guò)了各項(xiàng)強(qiáng)度試驗(yàn)和漏熱試驗(yàn)，并且進(jìn)行了鐵路沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明在各種載荷工況下，箱體均沒(méi)有出現(xiàn)明顯變形、開(kāi)裂、分層或真空板破損等情況，整箱漏熱率僅35.52 W/K，滿足設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)要求。

該蓄冷箱樣箱從2021 年5 月開(kāi)始從昆明至武漢運(yùn)輸鮮花，行程1 500 km，運(yùn)行約51 h，箱內(nèi)溫度全程在鮮花最佳存儲(chǔ)溫度3～5 ℃，到站后蓄冷系統(tǒng)冷量還剩余60%以上，冷量消耗較小，可維持時(shí)間長(zhǎng)，也驗(yàn)證了采用真空絕熱板復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)的箱體漏熱率小，保溫性能優(yōu)異的特點(diǎn)。近一年的樣箱試運(yùn)，沒(méi)有出現(xiàn)任何影響使用的損壞，保溫性能良好，完全滿足冷藏運(yùn)輸和多式聯(lián)運(yùn)的要求。

4 展 望

真空絕熱板的應(yīng)用對(duì)冷鏈運(yùn)輸裝備的保溫性能提升顯著，契合當(dāng)下物流裝備綠色、智能的發(fā)展趨勢(shì)，在冷鏈運(yùn)輸裝備關(guān)鍵技術(shù)研究中新型保溫材料—真空絕熱板的應(yīng)用將是重要的發(fā)展方向之一。