无源蓄冷控温运输箱设计与试验

李 斌 沈 昊 郭嘉明 魏鑫钰 吕恩利 袁江涛

(1.华南农业大学工程学院， 广州 510642； 2.广州好高冷科技有限公司， 广州 510620)

0 引言

冷链运输是冷链环节的关键，对保障食品品质和安全起着重要作用[1-2]。蓄冷控温箱将蓄冷技术与隔热技术有机结合，具有环保、经济节能、安全可靠等优点，是一种高效的冷链物流运输工具，它主要由控温箱体和蓄冷板组成[3-5]。按能源供应方式，蓄冷控温箱可以分为有源型和无源型，无源型低温配送一般通过相变蓄冷材料释放冷量、维持低温环境，无需额外能量，且使用方便，因此，蓄冷运输越来越受到市场青睐[6-7]。

隔热箱体材料的选择直接影响控温箱的隔热性能和内部温度控制[8]，陈海洋等[9]研究了使用真空绝热板作为控温材料的可行性，其导热系数低于传统控温材料6～10倍，还具有体积小、质量轻的优点[10-12]。相变蓄冷剂的选择对蓄冷控温箱运输性能有一定影响[1]，SIDIK等[13]从热力学性质、化学性质、经济性、物理性质等方面阐述了选择蓄冷剂应遵循的原则。KOZAK等[14]提出将绝缘材料与相变材料相结合，证明存在最佳的绝缘厚度使蓄冷剂的熔化时间最大化，从而延长产品的运输时间。王达等[15]针对传统控温材料控温性能不足的问题，提出真空绝热板和聚氨酯复合结构蓄冷控温箱，并建立传热模型，计算了控温时间。文献[16-17]通过平均保冷时间评价蓄冷控温箱空载与负载的控温性能，并对比了蓄冷板不同摆放位置对保冷性能的影响。宋海燕等[18]研究了不同蓄冷剂质量对控温箱内温度场的影响。

目前，国内外相变蓄冷型控温箱运输时间一般不超过48 h，存在控温困难、易过冷、信息透明化程度低等缺点[19-20]。本文设计一款蓄冷运输箱，采用真空绝热板与聚氨酯板组成的复合隔热箱体、高潜热值相变蓄冷剂及自主研发的智能控制系统，以期实现长时间的蓄冷控温运输和运输全程信息透明化。

1 能耗模型

现有冷藏箱和有源蓄冷冷藏箱都配备压缩机组，冷量来源于压缩机组或充冷后的蓄冷模块，运输途中压缩机组可提供冷量补给。无源蓄冷箱的冷源完全由蓄冷剂提供，因此，建立货物运输过程能耗模型，计算蓄冷剂使用量来匹配运输时长是保证货物运输品质的重要手段。

货物运输过程能耗模型基于以下假设建立：蓄冷控温过程中箱内各处温度随时间均匀变化；控温箱体结构传热简化为一维传热；由于箱体结构由多种隔热材料复合构成，计算时简化为多层材料沿厚度方向叠加而成，且箱体同一表面材料具有相同物理性能，即忽略材料厚度的不均匀性[21]。

蓄冷控温箱体结构隔热性能[22-23]计算式为

(1)

(2)

(3)

式中Rw——蓄冷控温箱体结构热阻，m2·K/W

λj——各层传热材料导热系数，W/(m·K)

xj——各层材料厚度，m

α1——控温箱内表面传热系数，W/(m2·K)

α2——控温箱外表面传热系数，W/(m2·K)

αi——控温箱壁面与空气对流传热系数，W/(m2·K)

v——控温箱内外空气流速，m/s

Ki——箱体各面传热系数，W/(m2·K)

通过内外环境温差、泄漏及太阳辐射传入箱内热量计算式为[24-26]

(4)

Q2=fQ1

(5)

(6)

(7)

(8)

tr=tw+20

式中Q1——通过蓄冷控温箱体隔热材料传入的热量，W

n——蓄冷控温箱面序号，n=1，2，…，6

Q2——通过缝隙泄漏空气传入的热量，W

Q3——太阳辐射传入的热量，W

tw——外环境空气温度，℃

tn——蓄冷控温箱内平均空气温度，℃

Ai——蓄冷控温箱总传热比表面积，m2

Ai1——蓄冷控温箱总外表面积，m2

Ai2——蓄冷控温箱总内表面积，m2

K——箱体平均传热系数，W/(m2·K)

f——空气泄漏系数，根据蓄冷控温箱气密性取0.1～0.2

A3——蓄冷控温箱受太阳辐射面积，一般取总面积30%～50%，m2

tr——箱体表面受太阳辐射的温度，℃

τf——每昼夜受太阳辐射的时间，h

风机运转产生的热量计算式为

Q4=Nψε

(9)

式中Q4——风机运转产生的热量，W

N——风机的额定功率，W

ψ——热转换系数，取1

ε——风机运转时间系数，取1[27]

开门传热耗冷量计算式为

Q5=mQ1

(10)

式中Q5——开门传热耗冷量，W

m——开门频率系数，运输途中不开门为0.25，开门1～5次为0.5，开门6～10次为0.75，开门11～15次为1

箱体预冷降温耗冷量计算式为

Q6=mcCc(tc-tf)

(11)

式中Q6——箱体预冷降温耗冷量，W

mc——箱体质量，kg

Cc——箱体材料比热容，J/(kg·K)

tc——箱体初始温度，℃

tf——箱体预冷后温度，℃

箱内装载货物的呼吸热量计算式为

(12)

式中Q7——箱内装载货物的呼吸热量，W

G——控温箱内货物质量，t

H——控温箱内货物的呼吸热，J/(t·d)

控温运输过程，由外界传入箱内的总热负荷Q0可表示为

Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7

(13)

根据热平衡原理，外界传入箱内的总热负荷等于一定质量蓄冷剂所释放的冷能。蓄冷板总冷量计算包括蓄冷剂固体显热、相变潜热及液体显热，计算公式为[28]

(14)

式中cs——蓄冷剂固态比热容，J/(kg·K)

cl——液态比热容，J/(kg·K)

T1——蓄冷剂初始温度，℃

TM——相变温度，℃

Tf——相变结束温度，℃

M——蓄冷剂使用质量，kg

ΔhM——蓄冷剂潜热，J/g

蓄冷剂使用量可表示为

(15)

2 整体结构与工作原理

2.1 无源蓄冷控温箱结构

无源蓄冷控温箱主要由隔热箱体、蓄冷板、内循环风道及控制系统组成，箱体内部分为保鲜区、蓄冷区、内循环风道及控制区，如图1所示。

图1 无源蓄冷控温箱二维图Fig.1 Two-dimensional views of cold storage temperature control box1.保鲜区 2.隔热箱体 3.风机 4.风道 5.蓄冷板 6.蓄冷区 7.控制区

隔热箱体控温层中间以25 mm厚真空绝热板(Vacuum insuliation panel, VIP)作为核心控温层，两侧黏贴30 mm厚高密度硬质聚氨酯(Polyurethane，PU)，组成复合结构，内外蒙皮采用2 mm玻璃纤维增强复合塑料(Glass fiber reinforced plastics, GFRP)，物性参数如表1所示。

表1 控温箱材料物性参数Tab.1 Material property parameters of insulation box

根据建立的无源蓄冷控温箱能耗模型及箱体控温层物性参数，得到在外环境平均温度30℃的条件下，维持箱内温度2～8℃区间内120 h，外界传入箱内的总热负荷约为6.16×104kJ。采用相变点为-15℃，潜热为339.2 kJ/kg的高效蓄冷剂作为冷源时，需要的蓄冷剂质量约为163.3 kg。为更有效地利用蓄冷区空间，在保证蓄冷板有效释冷的前提下，将蓄冷板设计成1 m×0.03 m×0.2 m(24条)、1 m×0.04 m×0.2 m(12条)2种规格，分别装有蓄冷剂质量4、7 kg，共计180 kg，蓄冷板水平间距、上下间距分别为8、15 mm。

保鲜区与蓄冷区通过内循环风道连通，内循环风道由2个送风道和2个回风道组成，保鲜区风道末端设有变频风机，风机截面尺寸为120 mm×120 mm。控制区设有电源、控制器和人机交互界面，连接传感器及风机等执行机构，各功能区具体参数如表2所示。

表2 箱体功能区参数Tab.2 Box function area parameters mm

2.2 控制系统组成与功能

蓄冷控温箱智能控制系统是一套可独立应用在蓄冷运输领域的软硬件信息平台，系统根据功能分为时钟模块、数据传输单元(DTU)模块、人机交互界面、传感设备(温湿度传感器)、执行设备(风机)、记录统计、远程数据监测备份等部分，各模块之间关系及功能如图2所示，主控制器通过内置的时钟芯片(RTC)、异步串行接口(UART)、通用输入/输出接口(GPIO)，以及外置的闪存(FLASH)、风机、温度传感器等外设，实现蓄冷控温箱内置设备故障诊断、温湿度参数实时获取、风机实时运行、数据实时存储及下载等无线通信和远程控制功能。

图2 智能控制系统组成与功能框图Fig.2 Composition and function of intelligent control system

Web端远程监测管理系统采用Tomcat作为Web应用服务器，用户登录进入Web端远程监测管理系统页面，主界面包含“查看环境参数”、“查看设备位置”、“查看执行器开关状态”、“查看传感器工作状态”、“远程控制”等功能选项。点击“查看环境参数”选项后即可进入实时监测界面，如图3所示。在界面左上角输入节点ID号可查询该从节点监测到的实时数据，点击左下角“下载数据”可获取对应从节点的历史数据记录。界面下侧输入翻页数可在线查询全部历史数据记录。Web端的应用实现系统跨平台功能，用户只需借助上网设备即可实时查看当前及历史环境信息。

图3 系统Web端数据监测界面Fig.3 Data monitoring interface of system Webpage

2.3 工作原理

图4 温度控制工作原理图Fig.4 Working principle of temperature control

箱体停运期间，将蓄冷板取出放入冷库，利用夜间低价峰谷电对其集中充冷。运输时，将充分蓄冷的冷板放入蓄冷区，设置好保鲜温度后风机运行，温度控制逻辑如图4a所示。蓄冷区中间被底部留有风口的隔板隔开，进风道将保鲜区热空气吸入蓄冷区左侧，在风机的压力下，热空气经隔板底部进入蓄冷区右侧，热空气自下而上与蓄冷板充分热交换后，通过出风道将冷空气由蓄冷区带到货物区，温度控制过程如图4b所示。基于以上控制策略，在保证箱内货物品质的前提下，降低箱体能耗及运行成本。

3 材料与方法

3.1 试验材料

根据设计方案，由广东信源物流设备有限公司协助，试制了一台智能化蓄冷控温运输箱。真空隔热板、蓄冷材料由广州晖能环保材料有限公司生产；聚氨酯板由漳州福建钜隆板业有限公司生产。箱内外环境温度由德国贺利氏产铂电阻PT100测得，量程为-60～300℃，精度为±0.15℃。箱内试验物料为脐橙，购于广州江南果蔬批发市场。

3.2 试验方法

控温时长、温度均匀性是保证货物品质一致的前提，本文对箱内温度区间为2～8℃的工况，开展控温箱内控温时长、温度分布均匀性测试。

试验于室外空旷无遮挡的环境中进行，试验前将蓄冷板置于-20℃冷库中充分充冷，试验开始时将蓄冷板摆放至蓄冷区，保鲜区放置44箱660 kg预冷至(7±1)℃的新鲜脐橙作为试验物料，温度传感器布置方式如图5所示。

图5 传感器测点示意图Fig.5 Schematic of sensor measuring points

4 结果与分析

4.1 温度场测试结果

在室外条件下，对蓄冷控温箱进行温度场测试试验，试验时长为2 d，外环境平均温度29.3℃，温度场测试结果如图6所示。由图可知，主控测点温度全程均高于其他测点温度，是因为其传感器置于箱体壁面，且距离出风口最远，同时也说明采用主控测点作为控制器执行控温依据的可靠性，即保证了箱体其他位置的温度不超过8℃，以免造成货物变质；当然，箱内其他位置温度低于主控温度可能会造成过冷对货物品质不利，因此，实际运输可通过适当提高温度下限设置或蓄冷量以防止货物低温冷害；随着蓄冷量的减少，箱内温度控制区间也逐渐缩小，控温下限逐渐升高，直至冷量释放完全，说明可通过改变蓄冷量、蓄冷条初始温度来改变箱内温度[5]，使其控制在货物所需温度区间。

图6 温度场测试结果Fig.6 Temperature field test results

为评价车厢内温度均匀性，引入温度不均匀系数S和温度极差R作为评价指标。温度不均匀系数S表征了某一时刻蓄冷箱内不同位置温度与平均温度的偏差程度，温度极差R表征箱内温度变动的最大范围，S、R越大表示温度均匀性越差[29]，计算式为

(16)

R=tmax-tmin

(17)

式中tk——节点k的温度测量值，℃

n1——温度传感器序号，n1=1,2,…,27

tmax——同一时刻下所有温度测点最大值，℃

tmin——同一时刻下所有温度测点最小值，℃

图7 温度不均匀系数、极差变化曲线Fig.7 Change graph of uneven coefficient and temperature extreme value

温度不均匀系数、极差变化曲线如图7所示，截面1、截面2、截面3的温度不均匀系数平均值分别为0.38、0.47、0.78，而传统蓄冷车的温度不均匀系数高达2.0以上[30]；27个监测点温度极差平均值为1.8℃，最大值为2.8℃，温度波动范围较小。可见，该无源蓄冷控温箱温度场分布均匀性较好，优于传统冷藏车。

由图6、7可知，风机开启控温过程中，箱内各截面温度不均匀系数、温度极差都会迅速增大，由大到小为截面3、截面2、截面1，S最大为2.47；控温结束后，温度不均匀系数、极差会逐渐减小，S一般维持在0.5以下，均匀性较好，可能是因为风机开启控温后，保鲜区空气经与蓄冷条热交换降温再引入保鲜区，扰乱箱内气流同时温差增大，且距离出风口越远，受影响越小，图8为箱内瞬时温度云图，由图8可看出风机启停对温度场的影响。

图8 瞬时温度云图Fig.8 Cloud diagrams of temperature control and temperature rise

4.2 控温时长测试结果

图9为控温时长测试结果，总控温时长122 h，蓄冷剂用量180 kg(满载)，外环境平均温度为26.39℃。由图可得，箱体相对湿度稳定性较好，全程稳定在80%左右，风机开启后湿度会出现短时间骤降，是因为保鲜区空气遇到低温蓄冷板冷凝液化导致湿度降低，风机停止后，由于脐橙呼吸蒸腾作用，箱内湿度再次上升。

外环境温度波动对于风机控温频率也有较大影响，如在15～30 h、90～110 h时，外环境温度高，内外温差变大，箱体传热增加，导致箱内温度升高较快，即曲线斜率变大，风机调控频繁，同时随着蓄冷冷量的减少，箱内空气与冷板换热效率降低，降温速率也相应下降。

图9 控温时长测试结果Fig.9 Test results of heat preservation duration

本次试验风机调控21次，每次调控时间变化如图10所示，统计了每次风机控温时，箱内空气温度从8℃分别下降到7、6℃所用时间，由图10可得，风机每次降温所用时间整体呈指数函数上升趋势，拟合效果较好，决定系数R2不小于0.928 0，可能是因为随着冷量的减少，空气与冷板温差变小，换热效率降低，导致降温速率减小，风机控温时间延长。综上，箱内空气降温速度主要取决于蓄冷量，冷量越少，降温越慢；箱内空气升温主要取决于外环境温度，外环境温度越高，升温速率越快。

图10 风机降温时长变化曲线Fig.10 Trend of fan cooling time

4.3 能耗模型实际应用

蓄冷剂作为无源蓄冷控温运输箱唯一冷源，其质量决定箱内控温时间，用量过多会造成冷源浪费，用量过少会造成冷链中断，影响货物品质，所以，根据天气情况及运输时间合理确定蓄冷剂用量有重要意义。

图11 蓄冷剂质量与外环境温度和控温时间关系Fig.11 Relationship between quality of coolant and ambient temperature and temperature control duration

根据能耗模型，计算箱体所需蓄冷剂质量与外环境温度及控温时间的关系，并利用Matlab作图。如图11所示，根据现有蓄冷区设计可容纳180 kg蓄冷剂，以广州7月平均气温28.4℃为例，其用量可在室外条件下维持低温5 d以上，当然也可以更换潜热值更大的蓄冷剂满足更长时间的控温运输需要；对于短距离运输，蓄冷剂用量50 kg即可满足1 d的控温要求，因此，实际运输时，根据两地运输距离及天气情况确定运输时间及温度，合理选择蓄冷剂用量，保障货物品质的同时也能避免能源浪费。

5 结论

(1)针对长时间蓄冷运输问题，采用真空绝热板及聚氨酯板为核心控温材料，设计了集控温、远程监控、定位、故障诊断等功能于一体的智能化蓄冷运输箱，该运输箱利用夜间峰谷电对蓄冷材料进行蓄冷，运输时，通过风机强化保鲜区空气与蓄冷板对流换热，使保鲜区空气温度维持在设定范围内。

(2)以主控测点温度作为控制系统执行依据可保证箱内各点温度不超过设定范围，各截面温度不均匀系数分别为0.38、0.47、0.78，温度极差最大为2.8℃，均匀性优于传统蓄冷车。当蓄冷剂用量为180 kg，预冷脐橙660 kg，在外部环境平均温度为26.39℃的条件下，总控温时长122 h，期间，风机共执行控温21次，随着蓄冷量的减少，风机每次降温所用时间整体呈指数上升趋势，拟合效果较好，决定系数不小于0.928 0。箱内空气降温主要取决于蓄冷量，蓄冷量越少，降温越慢；箱内空气升温主要取决于外部环境的温度，外部环境温度越高，升温速率越快。

(3)基于能耗模型，根据两地运输距离及天气情况确定运输时间及温度，并计算合适的蓄冷剂用量。根据现有蓄冷区设计，可容纳180 kg蓄冷剂，其用量可在广州夏季高温条件下维持5 d以上，对于短距离运输，蓄冷剂用量50 kg即可满足1 d的控温要求。