GU-PCM2型控温式相变蓄冷冷藏车设计与空载性能试验

2019-05-11 06:20刘广海吴俊章AlanFoster谢如鹤唐海洋邹毅峰屈睿瑰
农业工程学报 2019年6期
关键词:冷藏车冷藏温度场

刘广海,吴俊章,Alan Foster ,谢如鹤,唐海洋,邹毅峰,屈睿瑰



GU-PCM2型控温式相变蓄冷冷藏车设计与空载性能试验

刘广海1,吴俊章1,Alan Foster2,谢如鹤1,唐海洋1,邹毅峰1,屈睿瑰3,4※

(1. 广州大学冷链物流与标准化研究所,广州 510006;2. 伦敦南岸大学工程学院,布里斯托尔 BS40 5DU; 3. 广州城市职业学院 广州 510405;4. 中南大学交通运输工程学院,长沙 410075)

现有蓄冷冷藏车蓄冷装置多位于车厢顶部,存在重心偏高、不可控温等问题,基于此,该文设计了一款集相变蓄冷单元、车载制冷系统、隔热车厢、送风系统等于一体的GU-PCM2型蓄冷冷藏车。该蓄冷车将蓄冷装置独立设置于车厢前端并保温,系统利用夜间低谷电进行充冷,可在-25~10 ℃之间根据需要调控车厢温度。对蓄冷冷藏车厢设定温度为0和-18 ℃的2种工况进行空载温度场仿真与测试。结果表明,车厢内各测温点的模拟温度与实测温度均方根误差分别为0.7和0.8 ℃,最大绝对误差分别为1.1和1.2 ℃。冷藏车可有效控温10 h以上,车厢平均温度分别在1.1~2.9 ℃和-14.8~-16.9 ℃之间,波动范围为1.8和2.1 ℃,温度不均匀度系数在1.0以内。控温式蓄冷冷藏车与传统蓄冷车的对比试验结果表明,其平均温度波动值降低48.7%,温度绝对不均匀度系数降低50%以上,车厢质心较顶置式蓄冷车下降25.9%。研究结果可为蓄冷冷藏车的进一步优化设计与应用提供参考。

设计;试验;数值分析;相变蓄冷;温度分布;冷藏车

0 引 言

在生鲜易腐食品的流通中,冷藏运输是保障食品质量安全和延长易腐食品保质期的关键环节之一[1-2]。鉴于问题的重要性,西方发达国家多以立法或规范的形式强制推动冷藏运输技术的使用[3]。作为冷藏运输的重要载体,全球现有各类冷藏车400余万辆,并以2.5%/年的速度持续增长[4];近年来国内冷藏运输得到快速发展,截至2017年底,冷藏车已达14万辆[5]。但是也应看到,目前所使用的冷藏车中90%以上均使用机械式制冷系统,该制冷方式能源利用率仅为35~40%[6],相对较高的应用成本使得部分商贩忽视食品品质,转而使用土保温的方式运输食品,从而造成食品腐损现象严重[7]。

此外,车载制冷系统较低的能源转化效率也对环境造成较大影响[8-9]。据统计,当隔热车厢内外温差为50 ℃(厢内-20 ℃,厢外30 ℃)时,机械式冷藏车1 kW制冷量平均耗油0.47 L/h,每年碳排放量达50 t[10]。

针对上述问题,蓄冷冷藏车因其节能环保、运行成本低等优点,越来越受到运输商的青睐[11-12]。该类车型先利用夜间低谷电实现车载相变材料(phase change material,PCM)的显热及潜热迁移并储存冷量,然后在运输货物时释放冷量,从而达到节约能源、降低成本的目的。

1981年和1994年,中国先后研制了第一代和第二代铁路冷板冷藏车[13];2007年,刘国丰等在上述研究基础上,研制了运行速度达120 km/h的快速机械冷板冷藏车,并解决了PCM充注量与运行时间匹配、蓄冷装置强化传热等一系列技术问题[14]。詹耀立等应用有限元法,对比分析了蓄冷板在顶置、侧置等方式下冷藏车厢内货物温度场分布情况,认为蓄冷板顶置时温升幅度较高[15]。张哲等对冷藏车厢内蓄冷板侧置形式进行仿真,发现车厢内顶部区域空气温度较高,货物区最大温差达18°C,不利于货物贮运[16]。谢如鹤等测试了蓄冷板顶置、侧置及部分顶置部分侧置3种不同布置方式的冷藏车厢内温度场分布,认为仅靠蓄冷板布置方式的调整无法形成理想的温度场及流场[17]。

在国外,欧美等国研制了多款蓄冷冷藏车并大量应用于城市配送领域。Tan等利用液化天然气作为燃料和制冷剂对相变蓄冷装置进行充冷,达到减少车厢内温度波动及节能减排的目的[18]。Liu等研制了一款蓄冷冷藏车并展开测试,当车内温度设置为-18 ℃时,250 kg的PCM可满足10 h连续运输的需求(运输过程中不开门);如在运输配送过程中需频繁开门卸货,360 kg的PCM可满足设计需要,运输成本较传统机械冷藏车下降86.4%[19-20]。Ahmed等将PCM嵌入冷藏车围护结构中并进行测试,与传统冷藏车相比可有效降低能耗16%以上[21]。Fioretti等在上述研究基础上将PCM和绝缘夹层板集成新型围护结构,有效降低车厢内部温度1~2 ℃,且车厢热负荷和总能耗分别降低了20%和4.7%[22]。

上述研究大大促进了蓄冷运输装备技术的发展和进步,由于目前蓄冷冷藏车的蓄冷板大多悬挂在车厢顶部,研究多集中于车厢内蓄冷板的改进与优化,在实际应用中,上述模式不可避免的存在一些问题[23-24]:

1)车厢内部温度不可调节。由于蓄冷板位于车厢内部,冷藏车难以实现精准控温;PCM用量确定后,车辆仅可用于一定温度冷冻或冷藏货物运输,从而影响了蓄冷冷藏车的适用范围。

2)蓄冷板在充冷完毕后,不论车辆内是否载货均会持续放冷,并且当开门装卸时较大的温差和湿度变化易导致漏冷、蓄冷条结霜等问题,既影响了换热效果,又缩短了车辆的控温总时间。

3)目前大部分蓄冷冷藏车采用的蓄冷板顶置模式使得车辆重心升高,影响运输安全。

为解决上述问题,本文拟设计一款新型蓄冷冷藏车,通过设置独立蓄冷单元、改变车内送风结构,实现车厢温度可调节、降低车厢重心的目标。

1 整车结构与工作原理

1.1 整车结构

新型蓄冷冷藏车型号为GU-PCM2,集隔热车厢、相变蓄冷单元(phase change thermal storage unit,PCTSU)、制冷系统、送风系统于一体,整车结构如图1所示。

图1 GU-PCM2型相变蓄冷冷藏车结构示意图

隔热车厢保温材料为高密度硬质聚氨酯泡沫(poly urethane,PU),内外蒙皮采用纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer/plastic,FRP),隔热壁厚度为0.12 m,车门厚度为0.10 m,载货空间为20.4 m3。PCTSU位于车厢前端,内置24根蓄冷条,蓄冷条采用厚度为3 mm铝合金制作,各蓄冷条之间平行间距0.05 m,水平间距0.04 m,为增加其保温性能,隔热壁厚度为0.20 m。制冷系统型号为HGX34e/255-4 S,系统采用电力驱动并将蒸发器置于蓄冷条中。蓄冷条内采用自主研发的PCM(氯化钠15%~16.5%,丙三醇12.5%,余量为水)[17],参考文献[17]、[19]和[20],PCM充注量确定为360 kg。车厢采用上送下回、变频通风的模式,送回风通道经DXD-10型变频风机与PCTSU连接。通风系统共设2个送风口和1个回风口,送风口位于车厢前壁上侧两端,采用直径为0.25 m的圆形结构,距车顶和侧壁的距离分别为0.05和0.10 m;回风口位于车厢前壁底部,采用尺寸(长×宽×高)为1.7 m× 0.04 m × 1.00 m的矩形结构。

车厢结构与设备性能参数如表1、表2所示。

表1 冷藏车车厢结构尺寸

表2 冷藏车性能参数

1.2 工作原理

GU-PCM2型蓄冷冷藏车的工作原理如图2所示。使用前,开启阀门1的同时关闭阀门2,启动车载制冷系统,利用夜间低谷电对PCTSU进行充冷。运输时,关闭阀门1,开启阀门2,启动变频风机,将PCTSU内冷量导入隔热车厢中。车厢内温度传感器位于回风口处,变频风机根据车厢温度与设定温度之间的差值及车辆运行状态调控送风速度:当温差≥10 ℃时,送风速度为6 m/s;当温差≤3 ℃时,送风速度为2 m/s;当温差在3~10 ℃之间时,送风速度相应地在2~6 m/s之间逐级调节;当车门开启时,风机停止运转,送风速度为0。通过上述方法,车厢温度可在-25~10 ℃之间调整并控温,实现在保证货物品质安全的同时降低能耗及成本。

图2 相变蓄冷冷藏车工作原理图

2 仿真与试验

2.1 仿真与试验内容

冷藏运输食品通常分为冷冻食品和冷却食品,其中冷冻食品的运输温度一般为-18~-15 ℃,冷却食品的运输温度一般为0~3 ℃左右。为此,本文对车厢温度为-18和0 ℃的2种工况展开仿真与试验测定,对控温周期内的温度稳定性和车厢空间温度分布均匀性进行分析。鉴于蓄冷冷藏车多用于城市配送并采用夜间充冷、白天运行的模式,一般连续运行时间不超过10 h,因此,仿真与试验周期均设为10 h。

对蓄冷冷藏车车厢重心进行计算与分析,以确定车辆的安全性能。

2.2 仿真模型

为更好地分析蓄冷冷藏车车厢内气流与温度分布情况,采用CFD软件构建数值模型并仿真[25]。

在利用Gambit对冷藏车厢进行建模时,采用六面体划分网格单元。车厢为长方体,结构简单,可用非结构化网格划分,网格尺寸精度按5 cm划分,共生成159 280个网格,经检查,网格质量良好,节约运算时间[26-27]。

为便于计算,对模型作出如下假设:

1)车厢围护结构气密性良好且不考虑渗风影响,忽略固体壁面间的热辐射;

2)忽略温度改变对车厢内空气和货物特性的影响,不考虑车辆运输中货物水分蒸发等传质因素的影响;

3)车厢内空气为辐射透明介质,低速且不可压缩牛顿流体,符合Boussinesq假设。

计算时选取-模型,开启凝固/融化模块,采用一阶迎风格式的控制微分方程和SIMPLE算法对计算域的速度与压力进行耦合,并通过非稳态方法求解蓄冷车厢的空载温度场变化情况。

2.3 试验装置

为验证仿真模型的准确性,在仿真结果基础上展开样车试验研究,确定该蓄冷冷藏车实际控温效果。蓄冷冷藏车试验过程中,为了科学合理地反映车厢内各点温度的变化情况,在参考国内外冷藏运输装备测试标准要求的基础上布置温度传感器[28-30],如图3所示。将冷藏车沿车厢长度方向等间距划分为3个纵截面(分别位于车厢2个端部0.1 m处和车厢正中部),每个截面分别布置5个测温点,车厢外车顶及3个侧壁面的几何中心各布置1个测温点,共19个测温点。温度记录采用深圳天圆数码科技有限公司的Tag06B型无线温湿度传感器(测试范围:-40~125 ℃,测试精度:±0.3 ℃)。温度传感器距离车壁0.1 m,每1 min采集1次数据,并通过无线网络与温度监控系统相连接,可实时动态地观察车厢内温度随时间的变化规律。

注:1~15表示各测温点位置,测温点均距离车厢内壁0.1 m。

3 结果与分析

3.1 车厢内温度场仿真结果与分析

在2.2节仿真模型的基础上,首先对车厢内温度分布进行仿真。仿真时车厢为空载状态。计算时设PCTSU初始温度为-35 ℃,车厢内初始温度为25 ℃,外界温度为30 ℃;车厢内工作温度设定为-18和0 ℃。外界热量通过辐射、与厢体外壁的对流换热、车厢围护结构的热传导以及车厢内空气的对流等方式,影响车厢内温度及其分布。仿真时截面设置与样车试验一致。蓄冷运输10 h后,各截面温度分布如图4所示。

由图4可知,虽然PCM初始温度为-35 ℃,相变温度为-30 ℃,但车厢内工作温度按设定要求得到了较好控制。设定工作温度为0 ℃时,在货物装载区内,车厢内不同区域温度主要为1~3 ℃;空气温度最低点接近1 ℃,处于各截面上方的左右两侧(送风口位置),高温区则位于车厢顶部正中和回风口附近区域,温度为2~3 ℃。设定工作温度为-18 ℃时,车厢内温度分布趋势与0 ℃时类似,最低温度出现在送风口处,约为-17 ℃,最高温度位于车厢顶部正中和回风口附近区域,温度为-15~-16 ℃。之所以出现上述状况,是由于PCM温度较低,蓄冷条全部冻结后,蓄冷条温度在-30 ℃以下,当温控风机启动后,较大的温差造成剧烈换热,PCTSU冷气由车厢前端送风口导入隔热车厢内进行强对流换热,因此送风口附近的温度梯度较大;冷空气进入车厢后,由于送风系统加强了热交换效率,进而与区域内其他空气进行对流换热。由于本系统采用上送下回的送风循环模式,在气流循环的过程中,车厢内壁极小区域内的风速较低且受到车厢围护结构传入热量的影响,因此温度相对较高。

3.2 样车试验结果与分析

为验证仿真结果及控温效果,以自行研制的GU-PCM2型控温式蓄冷冷藏车为试验对象进行车厢内空载温度场测试。测试时,根据国内外冷藏运输装备测试标准要求,车厢内保持空载状态[27-30],车厢内初始温度为25 ℃,车外平均气温在30 ℃左右。开启制冷机组对PCTSU内的蓄冷板进行充冷,PCM蓄冷充分后关闭制冷机组(PCM温度降至-35 ℃左右),然后启动温控风机,将冷气由PCTSU导入车厢并控温,2次试验的车厢内设定温度分别为-18和0 ℃,各测试截面及车厢内平均温度的测试结果如图5所示。

a. 设定温度为0 ℃时车厢内温度云图

a. Temperature nephogram in carriage at setting temperature of 0 ℃

b. 设定温度为-18 ℃时车厢内温度云图

b. Temperature nephogram in carriage at setting temperature of -18 ℃

注:=+273.15,指开尔文温度,指摄氏温度。

Note:=+273.15, whererefers to kelvin temperature, andrefers to celsius temperature.

图4 不同设定温度下车厢内温度云图

Fig.4 Temperature nephogram in carriage at different setting temperature

为衡量仿真值与实测值之间的偏差,分别采用均方根误差(root mean square error,RMSE)和最大绝对误差(maximum absolute error,MAE)判断仿真结果的误差范围。计算方法如式(2)、式(3)所示。

车厢内各测温点的仿真值与实测值的对比如图 6所示。由图5、图6可知,当车厢内设定温度为0 ℃时,各点温度的实测值与模拟值的规律基本一致,各点温度在1~3 ℃间波动,且实测值与模拟值的均方根误差为0.7 ℃,最大绝对误差为1.1 ℃。车厢内设定温度为-18 ℃时,各测温点温度在-15~-17 ℃之间波动,实测值与模拟值的均方根误差为0.8 ℃,最大绝对误差为1.2 ℃,总体偏差合理,说明模型可用于模拟并分析该冷藏车车厢内的温度分布。

由试验结果知,设定温度为0 ℃时,由于PCTSU与车厢内温度差较大,车厢降温速度较快,约60 min左右车厢内温度由常温降至设定值,之后趋于稳定,各截面平均温度为截面1<截面2<截面3,平均温度分别为1.1、2.4及2.9 ℃,车厢内平均温度为2.1 ℃。设定温度为-18 ℃时车厢内温度分布趋势与0 ℃时相同,因PCTSU与车厢内温度差较设定温度为0 ℃时更大,因此降温时间约为90 min,待温度稳定后,截面1至截面3的平均温度分别为-16.9、-15.5和-14.8 ℃,车厢内平均温度为-15.7 ℃。出现上述结果与截面1靠近送、回风口和PCTSU,截面 2居中,截面3处于车辆尾部,送风气流较弱且车门存在渗风等因素有关。截面1内各测点的实测温度略低于仿真值,而截面3内各测点的实测温度略高于仿真值。这是由于仿真条件一般偏理想状态,而实际冷藏车厢的回风口处不可避免地存在漏冷现象、车门处则存在漏热(漏气)现象造成的,这也可为新型蓄冷式冷藏车的改进优化提供了参考。

图5 不同设定温度下的车厢内各测试截面平均温度

图6 不同设定温度时各测点实测温度与模拟温度的对比

为评价车厢内温度稳定性,引入温度不均匀度系数作为评价指标,它表征了某一时刻车厢内不同位置温度值与平均温度的偏差程度,计算方法如式(4)所示,值越大表示温度均匀性越差[31]。对设定温度为0 ℃时的温度稳定阶段(试验后9 h)和设定温度为-18 ℃时的温度稳定阶段(试验后8.5 h)的温度分布,分别计算各测试截面的温度不均匀度系数,结果如图7所示。

式中tj为测点j的温度测量值,℃;为车厢内平均温度,℃。

由图7可知,设定温度为0 ℃时≤1.0,设定温度为-18 ℃时≤0.4,而传统蓄冷冷藏车的值最高达2.0以上[17]。可见,本文设计的新型蓄冷冷藏车的温度分布稳定性优于传统蓄冷冷藏车,值较传统蓄冷冷藏车降低了50%以上。此外,由于新型蓄冷冷藏车在长时间运行过程中无需进行蒸发器融霜作业,其温度稳定性亦优于同类型机械冷藏车。但是也应看到,0 ℃的值较-18 ℃高,是由于PCM温度较低,送风温差较大造成的,这也说明车厢送风系统仍可进一步改进优化。

将本次试验数据与文献[17]中顶置式及部分顶置部分侧置式蓄冷冷藏车车厢内温度场进行比较可知,车厢内的设定温度分别为0和-18 ℃时,GU-PCM2型蓄冷车车的10 h车厢内平均温度分别在1.1~2.9 ℃和-14.8~-16.9 ℃之间波动,波动范围为1.8和2.1 ℃。而传统蓄冷冷藏车10 h车厢内温度在3~5 ℃之间波动,本文所设计的蓄冷式冷藏车的平均温度波动较传统蓄冷冷藏车降低了48.7%。此外,传统蓄冷冷藏车的PCM温度虽然一直维持在-18 ℃以下,但车厢内温度处在-9~-15 ℃之间,无法维持在-15 ℃以下,这对运输食品品质不利,而GU-PCM2型蓄冷式冷藏车通过对车厢温度进行调控,较好地解决了这一问题。

3.3 车厢质心计算与分析

蓄冷冷藏车车厢质心受车厢围护结构及蓄冷装置的质量和安装位置影响,如式(5)所示,根据合力矩定理,可计算得到车厢质心高度。

式中yyy分别为车厢、车厢围护结构和蓄冷装置质心高度,m;mm分别为车厢围护结构和蓄冷装置质量,kg。

为便于计算,视车厢为标准长方体,各面密度相等,其质心与车厢几何中心重合。若将360 kg蓄冷板挂于冷藏车厢顶部[17],以车厢底部为基准面,计算得到质心高度为1.70 m。改为GU-PCM2型蓄冷冷藏车后,由于PCTSU置于车厢前端,蓄冷板均匀分布在PCTSU内部。由杠杆定理可知,若干个均匀分布的几何体可用悬挂在它们质心处的质点替代,故车厢质心高度为车厢高度中点,即1.12 m。车厢质心较之前下降25.9%。

4 结 论

1)设计并研制了一款集相变蓄冷单元、车载制冷系统、隔热车厢、送风系统等于一体的新型蓄冷冷藏车。该车蓄冷装置独立设置于车厢前端并保温,蓄冷条利用夜间低谷电进行充冷。当车厢需要控温时,通过送风系统将冷量导出并调控,控温范围在-25~10 ℃之间。

2)构建了蓄冷冷藏车仿真模型,结果表明,设定温度为0和-18℃时,实测温度与模拟温度的均方根误差分别为0.7和0.8 ℃,最大绝对误差分别为1.1和1.2 ℃,总体偏差合理。所建立模型可较好地模拟车厢内温度分布,为研究提供便利。

3)样车试验及仿真结果表明,当车厢内设定温度为0和-18 ℃时,该蓄冷车可有效控温10 h以上,车厢平均温度分别在1.1~2.9 ℃和-14.8~-16.9 ℃之间波动,波动范围为1.8和2.1 ℃,温度不均匀度系数在1.0以内。较传统蓄冷冷藏车而言,该新型蓄冷冷藏车的平均温度波动值降低了48.7%,温度不均匀度系数降低了50%以上;此外,车厢质心较顶置式蓄冷车下降了25.9%,可在保证货物品质安全的同时有效降低运输能耗及成本。

[1] Garitta L, Langohr K, Elizagoyen E, et al. Survival analysis model to estimate sensory shelf life with temperature and illumination as accelerating factors[J]. Food Quality and Preference, 2018(68): 371-376.

[2] Adekomaya O, Jamiru T, Sadiku R, et al. Sustaining the shelf life of fresh food in cold chain-A burden on the environment[J]. Alexandria Engineering Journal, 2016, 55(2): 1359-1365.

[3] Ashby B H. Protecting perishable foods during transport by truck: USDA-669-2008[S]. Washington: United States Department of Agriculture, 2008.

[4] Glouannec P, Michel B, Delamarre G, et al. Experimental and numerical study of heat transfer across insulation wall of a refrigerated integral panel van[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 73(1): 196-204.

[5] 秦玉鸣. 中国冷链物流发展报告[R]. 北京:中国物流与采购联合会,2018.

[6] Horuz I. Vapor absorption refrigeration in road transport vehicles[J]. Journal of Energy Engineering-Asce, 1999, 125(2): 48-58.

[7] 中国制冷学会. 中国制冷行业战略发展研究报告[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2016.

[8] 韩佳伟,赵春江,杨信廷,等. 基于CFD数值模拟的冷藏车节能组合方式比较[J]. 农业工程学报,2013,29(19):55-62. Han Jiawei, Zhao Chunjiang, Yang Xinting, et al. Comparison of combination mode of energy conservation for refrigerated car based on CFD numerical simulation [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(19): 55-62. (in Chinese with English abstract)

[9] Rai A, Tassou S A. Energy demand and environmental impacts of alternative food transport refrigeration systems[J]. Energy Procedia, 2017(123): 113-120.

[10] Chatzidakis S K, Chatzidakis K S. Refrigerated transport and environment[J]. International Journal of Energy Research, 2004, 28(10): 887-897.

[11] 谢如鹤,罗荣武,李绍荣. 新型机械冷板冷藏车的技术经济分析[J]. 铁道科学与工程学报,2004,1(2):100-106.Xie Ruhe, Luo Rongwu, Li Shaorong. Technical and economical analysis on new type mechanically freezing-plate refrigerator car[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2004, 1(2): 100-106. (in Chinese with English abstract)

[12] Iten M, Liu S, Shukla A. A review on the air-PCM-TES application for free cooling and heating in the buildings[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016(61): 175-186.

[13] 欧阳仲志. 铁路冷冻板冷藏车放冷时间的分析[J]. 制冷,1997,60(3):23-27. Ouyang Zhongzhi. Analyses on refrigerating time of the railway hold-over plate vehicle[J]. Refrigeration, 1997, 60(3): 23-27. (in Chinese with English abstract)

[14] 刘国丰. 蓄冷式冷藏运输装备的应用研究[D]. 长沙:中南大学,2007. Liu Guofeng. Application Research of Cold Storage Refrigerated Transportation Equipment[D]. Changsha: Central South University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[15] 詹耀立,冯国会. 不同冷板布置方式的冷板车内温度场模拟[J]. 沈阳建筑大学学报:自然科学版,2008,24(5):859-862. Zhan Yaoli, Feng Guohui. The simulation of temperature field inside cold -plate refrigerator car following different setting of cold plate[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University: Natural Science, 2008, 24(5): 859-862. (in Chinese with English abstract)

[16] 张哲,郭永刚,田津津,等. 冷板冷藏汽车箱体内温度场的数值模拟及试验[J]. 农业工程学报,2013,29(增刊1):18-24. Zhang Zhe, Guo Yonggang, Tian Jinjin, et al. Numerical simulation and experiment of temperature field distribution in box of cold plate refrigerated truck[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(Supp.1): 18-24. (in Chinese with English abstract)

[17] 谢如鹤,唐海洋,陶文博,等. 基于空载温度场模拟与试验的冷藏车冷板布置方式优选[J]. 农业工程学报,2017,33(24):290-298.Xie Ruhe, Tang Haiyang, Tao Wenbo, et al. Optimization of cold-plate location in refrigerated vehicles based on simulation and test of no-load temperature field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 290-298. (in Chinese with English abstract)

[18] Tan Hongbo, Li Yanzhong, Tuo Hanfei, et al. Experimental study on liquid/solid phase change for cold energy storage of liquefied natural gas (LNG) refrigerated vehicle[J]. Energy, 2010, 35(5): 1927-1935.

[19] Liu M, Saman W, Bruno F. Development of a novel refrigeration system for refrigerated trucks incorporating phase change material[J]. Applied Energy, 2012(92): 336-342.

[20] Liu M, Saman W, Bruno F. Computer simulation with TRNSYS for a mobile refrigeration system incorporating a phase change thermal storage unit[J]. Applied Energy, 2014(132): 226-235.

[21] Ahmed M, Meade O, Medina M A. Reducing heat transfer across the insulated walls of refrigerated truck trailers by the application of phase change materials[J]. Energy Conversion and Management, 2010, 51(3): 383-392.

[22] Fioretti R, Principi P, Copertaro B. A refrigerated container envelope with a PCM (phase change material) layer: Experimental and theoretical investigation in a representative town in Central Italy[J]. Energy Conversion and Management, 2016(122): 131-141.

[23] Al Maghalseh M, Mahkamov K. Methods of heat transfer intensification in PCM thermal storage systems: Review paper[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018(92): 62-94.

[24] Darzi A A R, Jourabian M, Farhadi M. Melting and solidification of PCM enhanced by radial conductive fins and nanoparticles in cylindrical annulus[J]. Energy Conversion and Management, 2016(118): 253-263.

[25] 郭嘉明,吕恩利,陆华忠,等. 保鲜运输车果蔬堆码方式对温度场影响的数值模拟[J]. 农业工程学报,2012,28(13):231-236. Guo Jiaming, Lü Enli, Lu Huazhong, et al. Numerical simulation on temperature field effect of stack method of garden stuff for fresh-keeping transportation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(13): 231-236. (in Chinese with English abstract)

[26] 谢晶,汤毅,王金锋,等. 三维流体力学预测风机不同布置形式对冷库气流的影响[J]. 食品工业科技,2011,32(11):349-351. Xie Jing, Tang Yi, Wang Jinfeng, et al. Computational fluid dynamics simulation of influence of different arrangements of fans to the cold store[J]. Science and Technology of Food Industry, 2011, 32(11): 349-351. (in Chinese with English abstract)

[27] Foster A M, Swain M J, Barrett R, et al. Experimental verification of analytical and CFD predictions of infiltration through cold store entrances[J]. International Journal of Refrigeration, 2003, 26(8): 918-925.

[28] 全国汽车标准化技术委员会. 道路运输食品与生物制品冷藏车安全要求及试验方法:GB29753-2013[S]. 北京:中国标准出版社,2014.

[29] 全国制冷标准化技术委员会. 多温冷藏运输装备技术要求及测试方法:SB/T 11092-2014[S]. 北京:中国标准出版社,2015.

[30] The Freight Containers Technical Committee of International Organization for Standardization. Series 1 freight containers-specification and testing - Part2: Thermal containers: ISO 1496-2-2008[S]. Geneva: International Organization for Standardization, 2008.

[31] 张哲,李立民,田津津,等. 冷藏车温度场不均匀度对蔬菜保鲜效果的影响[J]. 农业工程学报,2014,30(15):309-316. Zhang Zhe, Li Limin, Tian Jinjin, et al. Effects of refrigerated truck temperature field uniformity on preservation of vegetables[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(15): 309-316. (in Chinese with English abstract)

Design and no-load performance test of GU-PCM2 temperature controlled phase change storage refrigerator

Liu Guanghai1, Wu Junzhang1, Alan Foster2, Xie Ruhe1, Tang Haiyang1, Zou Yifeng1, Qu Ruigui3,4※

(1.,,510006,; 2.,,BS40 5DU,; 3.,510405,; 4.,410075,)

The existing phase change material (PCM) devices of PCM refrigerated truck are mostly arranged on the top of the carriage, which has the problems of high gravity center and uncontrollable temperature and so on. In view of the above problems, a new type refrigerated truck was designed in this paper, which integrated phase change thermal storage unit, refrigeration system, heat-insulated carriage, air supply system and so on. The cold storage device was set independently in the front of the truck and was insulated. PCM mass required for phase change thermal storage unit was 360 kg (the phase transition temperature is -30 ℃ and the latent heat of phase change is 175.3 kJ/kg), which used cheap electricity at night to store energy, when working, the temperature in carriage could be adjusted between -25-10 ℃. The simulation and tests of 2 working modes were carried out with the setting temperature of 0 and -18 ℃ in a refrigerated prototype. A computational fluid dynamics (CFD) simulation model of PCM refrigerated truck was built and the temperature field in carriage was simulated, the root mean square error and maximum absolute error between simulations and measurements of 2 working modes were 0.7 and 0.8 ℃, 1.1 and 1.2 ℃ respectively, the simulated temperature calculated by the simulation model agreed well with the measured temperature, and the measured temperature near the air outlet in the carriage was slightly lower than the simulation temperature, while the measured temperature near the rear section was slightly higher than the simulation temperature, this was due to the fact that the simulation data were generally in an ideal state, but the cold leak was unavoidable at the return air outlet of the actual refrigerated truck and the heat leak (air leak) at the door. The test results showed that the new type of PCM refrigerated truck proposed in this paper could effectively control the temperature more than 10 h on the basis of sufficient cold storage. The average temperature fluctuated between 1.1-2.9 ℃ and -14.8--16.9 ℃and the fluctuation ranges were 1.8 and 2.1 ℃under the 2 working modes. The lowest temperature in the carriage was located at the front of the carriage and close to both sides of the air outlet, the high temperature area was located at the top of the middle of the carriage and near the air inlet. The coefficient of temperature non-uniformity was less than 1.0 when the setting temperature in carriage was 0 ℃ and was less than 0.4 when the setting temperature in carriage was -18 ℃. In terms of cooling time, it took 60 minutes when the carriage was set to 0 ℃ and 90 minutes when the carriage was set to -18 ℃. The tested results showed that the average temperature fluctuation of the new type temperature controlled PCM refrigerated truck was 48.7% lower than that of the traditional PCM refrigeration truck, the coefficient of temperature non-uniformity was 50% lower, and the center of gravity was 25.9% lower than that of the overhead traditional PCM refrigeration truck. In addition, the temperature stability of the new type PCM refrigerated truck was better than that of the similar mechanical refrigerated truck because it didn’t need to defrost the evaporator during long-term operation. The new type PCM refrigerated truck can effectively reduce the transportation energy consumption and cost while guaranteeing the quality and safety of goods, and the research provided the basis for the optimization and application of the PCM refrigerated truck.

design; experiments; numerical analysis; phase-change cold storage; distribution of temperature; refrigerated truck

2018-09-11

2018-10-06

国家科技支撑计划农业领域项目(新型冷藏及保鲜运输技术与装备/2013BAD19B01-1);广东省科技计划重点项目(No.2017B020206006)

刘广海,副教授,主要从事冷链物流装备设计与运用研究。Email:broadsea@gzhu.edu.cn

屈睿瑰,副教授,主要从事冷链物流装备设计与运用研究。Email:64855316@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.035

U272.5

A

1002-6819(2019)-06-0288-08

刘广海,吴俊章,Alan Foster,谢如鹤,唐海洋,邹毅峰,屈睿瑰. GU-PCM2型控温式相变蓄冷冷藏车设计与空载性能试验[J]. 农业工程学报,2019,35(6):288-295. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.035 http://www.tcsae.org

Liu Guanghai, Wu Junzhang, Alan Foster, Xie Ruhe, Tang Haiyang, Zou Yifeng, Qu Ruigui. Design and no-load performance test of GU-PCM2 temperature controlled phase change storage refrigerator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 288-295. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.035 http://www.tcsae.org

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