蓄冷板摆放方式对冷链宅配过程的影响

范中阳，刘升，武卫东，章学来，李彦，孙丽君

（1-上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2-北京市农林科学院蔬菜研究中心，北京 100097；3-上海海事大学商船学院，上海 201306）

0 引言

随着电子商务业务平台的日趋成熟，生鲜农产品电子商务及其城市宅配也逐渐成为人们所接受的消费模式[1]，目前采用蓄冷板的蓄冷保温箱以其轻便灵活、可大可小的特点逐渐成为当前宅配的主要配送工具，其中的蓄冷板以蓄冷量大、可重复使用等优点成为当前冷链物流的主要冷源[2]。蓄冷板又称冷板，其制冷过程是通过释放内部共晶盐溶液冻结后所存储的冷量完成的。近年来，利用蓄冷材料进行制冷的技术得到了越来越多专家和学者的关注[3-7]。

AMES[8]提出将相变温度为-3.5 ℃的NaF⋅H2O应用于蓄冷系统；BISWAS[9]对Na2SO4⋅10H2O等水合盐相变材料进行了大量研究并且建成了第一座PCM太阳房；田津津等[10]为了对蓄冷板内共晶冰的冻结过程进行数值模拟研究，建立了蓄冷板共晶冰冻结的显热容模型。张哲等[11]利用实验的方式，分别研究了初始温度为30 ℃的NaCl蓄冷板在-25 ℃、-35 ℃和-40 ℃环境中的冻结过程以及初始温度为-25 ℃的NaCl蓄冷板在-10 ℃、-5 ℃和0 ℃环境中的释冷过程。结果表明，在冻结过程中，环境温度低于NaCl共晶液的共晶温度-21.2 ℃时，环境温度对共晶液开始结晶的时间有较大影响，而对共晶液开始结晶至完全冻结过程所需时间影响较小。杜雁霞等[12]采用精确解法与积分近似相结合的方法，对一种自制相变蓄冷材料充冷凝固过程的相变导热问题进行求解，获得了该蓄冷介质在蓄冷板内凝固时的相界面移动速度、边界面热流密度随时间变化的规律，以及不同工况下蓄冷板厚度与预测蓄冷时间的关系。

蒋玉龙等[13]建立了填充泡沫材料冰蓄冷板内冰融化过程的数学物理模型，该模型考虑了融化液态水自然对流的影响，模拟了填充开孔聚氨酯泡沫、泡沫铜对冰蓄冷板的融化过程的影响；结果表明，填充低导热系数泡沫材料可有效延长冰蓄冷板的释冷时间，填充高导热系数泡沫材料可有效改善冰蓄冷板温度分布，加快融化速率。刘小平等[14]模拟研究了泡沫铜、泡沫铝、网状聚氨酯泡沫的孔隙参数对多孔介质冰蓄冷板的融化过程的影响，得到了第三类边界条件下多孔介质冰蓄冷板融化过程的时间、温度分布、相界面移动等的规律。朱先锋等[15]分析了蓄冷剂种类、质量对蓄冷板蓄冷量的影响以及蓄冷剂种类、环境温度、太阳辐射等对蓄冷板充冷时间的影响。

上述已有研究主要集中于研究蓄冷板充冷和释冷过程、导热性能改善，很少关注蓄冷板实际应用的效果，例如宅配过程中生鲜货品的品质变化、营养的衰减情况、蓄冷板的摆放位置对箱内温度波动的影响等，这是指导推广蓄冷板实际应用于宅配的重要理论依据。

本文通过模拟运输实验对蓄冷板在保温箱内的两种摆放形式（顶部摆放和四周摆放）对箱内温度波动情况进行研究，并以奶白菜作为实验对象，研究其宅配过程中营养品质的变化规律，以期为蓄冷技术在生鲜宅配领域的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本文采用0 ℃温度段蓄冷剂，相变潜热为320 J/g，相变温度为-1.78 ℃，实验对象为新鲜奶白菜。

实验系统包括两个可拆卸蓄冷保温箱，分别命名为Box1和Box2；材料采用真空绝热板和聚氨酯复合，导热系数大约为0.3 W/(m⋅K)；保温箱内尺寸为560 mm × 330 mm × 300 mm，有效容积约为0.06 m³；蓄冷板为PE材质，大蓄冷板尺寸为320 mm × 280 mm × 30 mm，小蓄冷板尺寸为230 mm × 180 mm × 25 mm；大蓄冷板充注约2.2 kg蓄冷剂，小蓄冷板约充注1.1 kg。实验仪器包括多点测温仪、WSZY-1B温湿度自记仪、PR-100折射仪、Thermo D-37520高速冷冻离心机、UV-1800紫外可见分光光度计、HW.SY11-K恒温水浴锅、家用冰箱。

1.2 实验方法

1.2.1 实验方案

实验前，奶白菜取样测试营养指标作为初值，为防止保温箱与奶白菜之间二次传热，保温箱和奶白菜一起放入压差预冷库预冷至零度；预冷结束后，每个保温箱放入约15 kg奶白菜，蓄冷板冻结完成后温度较低（约-20 ℃），为防止冻伤奶白菜，将冻结完成的蓄冷板在室温25 ℃环境下放置大约25 min释放显热后再放入箱内。蓄冷板分为两种摆放方式，Box1采用四周摆放，Box2采用顶部摆放。顶部摆放放置2个大号蓄冷板，四周摆放放置4个小号蓄冷板，两个箱内的蓄冷剂质量相等，并在每个保温箱中放入1个温湿度自记仪和无线热电偶传感器分别记录箱内环境温湿度和奶白菜菜心温度，数据每隔5分钟记录1次，放在室温25 ℃的房间内，模拟运输3天，每隔24小时开箱快速取样，测试奶白菜的理化指标，具体布置如图1所示。

1.2.2 奶白菜理化指标测试

可溶性固形物（TSS）质量分数采用PR-100折射仪进行测定；维生素C含量采用钼酸铵比色法[16]进行测定；叶绿素含量的测定采用分光光度法[17]。

2 实验结果与分析

模拟运输试验进行了约84 h，图2分别给出了模拟运输过程中保温箱内环境温度和箱内菜心的温度变化情况。由图2(a)箱内环境温度的变化可以看出，Box2内变化较剧烈，温升较快，而Box1内温升较平缓。从图2(b)奶白菜中心温度变化也可以看出，顶部摆放对应的奶白菜中心温度会有明显的温升波动，四周摆放对应的奶白菜中心温度波动较平缓，无明显的温升波动；在实验后期随着箱内环境温度的升高，奶白菜自身呼吸强度也逐渐增强，奶白菜的中心温度上升幅度较大。这种温升波动剧烈的可能原因分析如下。Box2开箱取样需要将蓄冷板临时移出，造成热量进入较多；而Box1取样不需移出蓄冷板，取样时间较短，外界热量进入较少；不考虑取样影响，四周摆放相当于在箱内四面同时供冷，而顶部只能一面供冷，没有四周摆放与空气的接触面积大，所以顶部摆放温升较快。

据文献[18]介绍，奶白菜最佳的冷藏温度为(0～3) ℃，在此温度下奶白菜可以保持较好的商品性和营养价值。结合图3给出的奶白菜各项营养指标看出，总体上相对于Box2，Box1内奶白菜的各项营养指标衰减较快，尤其是在实验后期，随着箱内环境温度快速升高，奶白菜的营养指标大幅衰减。结合图2，顶部摆放蓄冷板仅能维持大约36 h内箱中环境温度在3 ℃以内，对应奶白菜的营养指标也仅在运输24 h以内未出现明显衰减，并且由于蓄冷板在顶部摆放，奶白菜之间的挤压较严重。而蓄冷板四周摆放时可以维持大约48 h箱内环境温度在3 ℃以内，对应奶白菜的营养指标衰减相对较缓慢，48 h时相对初值仍能保持较高的商品性。因此，对于实际城市内的宅配运输，蓄冷板采用四周放置可以较好地维持箱内环境温度，对于生鲜品质也会有保证。

图2 蓄冷板位置对温度的影响

图3 蓄冷板的摆放位置对奶白菜营养品质的影响

3 结论

1）实验研究了宅配用蓄冷保温箱中蓄冷板顶部摆放和四周摆放两种形式下运输过程中的箱内环境、货品中心的温度变化以及奶白菜的品质变化。结果表明，蓄冷板四周摆放相比顶部摆放具有较大的优势，四周摆放时，可以维持大约48 h保温箱内环境温度波动不超过3 ℃，而顶部摆放仅能维持约36 h。

2）实验发现，四周摆放蓄冷板无论是箱内环境温度还是奶白菜中心温度，其温升幅度都相对平缓，开箱取样对其影响也较小；而顶部摆放蓄冷板时，箱内环境温度上升较快，并且开箱取样对其影响较大，温度波动剧烈，奶白菜的中心温度也有不同程度的波动。因此，在实际应用时，蓄冷板最好在保温箱内四周摆放，一方面方便取货品，另一方面可以较长时间地维持箱内低温的环境，另外取货时尽可能的快速，尽量避免外界热量进入。

3）配备蓄冷板的蓄冷保温箱主要依靠蓄冷剂的相变提供冷量，随着蓄冷剂的融化，其储存的冷量会逐渐减少，对于箱内的低温维持的时间具有一定的时效性。所以在宅配运输时，应根据蓄冷剂的性能结合货物特性匹配相应的蓄冷剂量，避免中途蓄冷剂储冷量不足而保温箱内温升加快影响生鲜品质。

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