王建軍吳彥生徐笑鋒

1.河南新泓光谷新能源有限公司；2.鄭州市科技工業(yè)學(xué)校；3.上海海事大學(xué)蓄冷技術(shù)研究所

0 引言

蔬菜水果，肉制品，海鮮，包括疫苗等附加值較高的食品藥品從生產(chǎn)加工到使用者往往需要很遠(yuǎn)的距離。例如，冬季在中國的北京吃到海南省的水果，需要運(yùn)輸約2 700km，這是我們常說的“冷鏈物流”。在冷鏈物流中，食品、藥品的質(zhì)量和數(shù)量將會(huì)受到損耗。一些易腐食品往往會(huì)腐敗變質(zhì)[1,2]。在中國，新鮮食品在運(yùn)輸中的損失率高達(dá)20%～25%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家的運(yùn)輸損失率5%[3,4]。然而，我國是目前世界上最大的易腐食品生產(chǎn)國，冷鏈行業(yè)也在過去的15年為中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來巨大的效益。因此，建立完善的物流體系制度，精確控制運(yùn)輸中的溫度是解決該問題的關(guān)鍵[5]。冷鏈運(yùn)輸主要分為航空運(yùn)輸與地面運(yùn)輸。航空運(yùn)輸效率高、可靠性高，但是成本較高，適合運(yùn)送高附加值產(chǎn)品。地面運(yùn)輸可分為鐵路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸。鐵路運(yùn)輸調(diào)度較復(fù)雜，公路運(yùn)輸以其方便快捷、靈活性高、成本低占據(jù)了大部分市場。從2010年至2015年，中國注冊冷藏運(yùn)輸卡車從26 000輛增長至81 000輛[6]。根據(jù)制冷方式的不同，冷藏車可分為：（1）機(jī)械壓縮制冷方式，采用獨(dú)立或獨(dú)立的蓄冷單元提供制冷量；（2）冷板型，采用相變材料儲(chǔ)存冷能；（3）液氮源型或者干冰型，利用液氮源型或者干冰的汽化作用對食品進(jìn)行冷卻；（4）LNG（液化天然氣）型，以LNG為驅(qū)動(dòng)燃料，回收其冷能。目前市場主要的冷藏車運(yùn)輸方式為機(jī)械壓縮式制冷，但其存在機(jī)組維護(hù)復(fù)雜、制冷劑污染等缺點(diǎn)[7]。而蓄冷式冷藏運(yùn)輸主要是利用相變材料充冷放冷對食品藥品進(jìn)行保溫，該方式方便靈活、精確控溫，運(yùn)輸中無需制冷機(jī)組，蓄冷技術(shù)可以利用峰谷電價(jià)差達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)性的目的。機(jī)械壓縮式制冷運(yùn)輸，蓄冷式冷鏈運(yùn)輸與干冰式冷鏈運(yùn)輸?shù)男阅軐Ρ纫姳?。

許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究[8-15]，利用相變材料存儲(chǔ)大量潛熱在運(yùn)輸中釋放。其中利用最多的蓄冷式物流運(yùn)輸裝備為蓄冷保溫箱，它具有環(huán)保密封、尺寸靈活、保溫性能優(yōu)良以及配載形式靈活等特點(diǎn)，是短途運(yùn)送和保鮮果蔬的有效工具[16]。但是，目前研發(fā)的相變材料中，無機(jī)材料存在過冷、相分離等問題；有機(jī)材料存在導(dǎo)熱系數(shù)較低等缺點(diǎn)[17]。避免這些缺點(diǎn)，合理利用相變材料是現(xiàn)今一個(gè)研究熱點(diǎn)。Yoram Kozak研發(fā)一種相變材料與保溫材料結(jié)合的運(yùn)輸裝備，并對其熱物性進(jìn)行了分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)與尺寸[18]。Yu-Chu M制備了三種相變材料，并利用冷鏈運(yùn)輸裝備分析了不同熔點(diǎn)對食品的影響規(guī)律[19]。Xu將納米相變材料和真空絕熱板保溫技術(shù)結(jié)合，研制的冷鏈物流運(yùn)輸裝備可有效保冷87h[20]。同時(shí)，我們也注意到傳統(tǒng)的聚氨酯保溫材料具有導(dǎo)熱系數(shù)大、污染嚴(yán)重的缺點(diǎn)。新型的真空絕熱板技術(shù)可大幅降低導(dǎo)熱系數(shù)，提高保冷時(shí)間[21]。

表1 不同冷鏈運(yùn)輸方式的性能比較

蓄冷式冷鏈物流運(yùn)輸裝備另一個(gè)研究方向是多溫共配模式。在實(shí)際冷鏈物流運(yùn)輸中，存在很多零擔(dān)物流造成資源浪費(fèi)，大幅降低其經(jīng)濟(jì)性。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)冷鏈物流不能“混裝”的缺陷，多溫區(qū)運(yùn)輸設(shè)備成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)[22]。劉廣海等[23]構(gòu)建了多溫區(qū)冷藏車模型，并分析了滲風(fēng)對內(nèi)部溫度場的影響。趙秀紅等[24]設(shè)計(jì)了一種機(jī)械壓縮式多溫區(qū)恒溫箱，并利用FLUENT對其溫度場進(jìn)行了模擬計(jì)算。

根據(jù)不同的物流配送溫區(qū)，將自主研發(fā)蓄冷材料與真空絕熱板技術(shù)耦合，組成多溫區(qū)冷鏈物流運(yùn)輸裝備。建立三維非穩(wěn)態(tài)模型，對不同區(qū)域的溫度場進(jìn)行分析。冷藏裝備帶有GPRS無線遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可通過手機(jī)端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解運(yùn)輸產(chǎn)品的溫度變化情況。利用產(chǎn)品供應(yīng)規(guī)范驗(yàn)證設(shè)備（good supply practice，GSP）建立保溫箱溫度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證該蓄冷保溫箱的可行性。研究成果解決了零擔(dān)物流與多溫共配的問題，降低物流成本并精確控溫，保證果蔬品質(zhì)，為蓄冷保溫箱的進(jìn)一步優(yōu)化和設(shè)計(jì)，以及蓄冷技術(shù)在果蔬冷鏈物流中的深入研究和應(yīng)用提供參考。

1 模型的建立

1.1 模型簡化及計(jì)算區(qū)域選取

本研究以三溫區(qū)冷鏈運(yùn)輸裝備為研究對象。外部尺寸為1 560×860×760mm，內(nèi)部尺寸為1 450×750×650mm，儲(chǔ)存容積為680L。維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫材料主要為聚氨酯和真空絕熱板。設(shè)3個(gè)溫區(qū)，不同溫區(qū)之間用厚度為30mm的真空絕熱板隔開，真空絕熱板與滑槽之間設(shè)有滾輪，實(shí)現(xiàn)不同溫區(qū)的空間大小自由變換。溫區(qū)1為常溫區(qū)，用于運(yùn)輸不需要冷藏的干燥食品；溫區(qū)2的冷藏溫度為7℃～10℃，可用于冷藏苦瓜、冬瓜、南瓜、山藥等蔬菜；溫區(qū)3的冷藏溫度為-3℃～-1℃，可用于冷藏菠菜、芹菜、蘋果、椰子等果蔬。為實(shí)現(xiàn)各溫區(qū)保持不同的溫度，溫區(qū)1不放相變材料，為常溫區(qū)；溫區(qū)2采用正辛酸-肉豆蔻酸復(fù)合相變材料，相變溫度為7.1℃；溫區(qū)3采用山梨酸鉀-水復(fù)合相變材料，相變溫度為-2.5℃。蓄冷材料填充在蓄冷板內(nèi)部，蓄冷板安裝于溫區(qū)2、3壁（保溫箱蓋除外）。為簡化研究，計(jì)算區(qū)域中的保溫材料物性均勻，通過聚氨酯和真空絕熱板物性和尺寸求得。蓄冷材料均勻地附著在溫區(qū)2、溫區(qū)3的前、后、左、右、下的表面上，計(jì)算幾何模型及計(jì)算區(qū)域如圖1所示。

圖1 計(jì)算幾何模型及區(qū)域

溫區(qū)1無蓄冷材料；溫區(qū)2采用正辛酸-肉豆蔻酸復(fù)合相變材料，充注量為13.8kg；溫區(qū)3采用山梨酸鉀-水復(fù)合相變材料，充注量為12.1kg。各材料物性見表2。

表2 材料的物理性能

1.2 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)條件：

1）空氣、蓄冷材料和保溫材料各向同性；

2）空氣及蓄冷材料滿足Boussinesq假設(shè)；

3）不考慮接觸熱阻；

4）蓄冷材料熔化過程發(fā)生在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，在固液共存區(qū)的物性為溫度的線性函數(shù)；

控制方程及邊界條件

控制方程如下：

在計(jì)算中，當(dāng)t=0s時(shí)，保溫箱外壁溫度為25℃，保溫箱內(nèi)空氣溫度為25℃，正辛酸-肉豆蔻酸復(fù)合相變材料溫度為-20℃；山梨酸鉀-水復(fù)合相變材料溫度為-20℃。

1.3 計(jì)算方法及網(wǎng)格無關(guān)性考察

通過Ansys自帶前處理軟件ICEM構(gòu)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為得到與網(wǎng)格獨(dú)立性無關(guān)的解，分別采用35萬、50萬和55萬三種網(wǎng)格尺寸仿真，結(jié)果表明50萬和55萬兩種網(wǎng)格劃分方法的仿真中，蓄冷材料開始熔化時(shí)間基本不變，綜合考慮計(jì)算成本和計(jì)算精度，模型采用50萬網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)時(shí)間步長為2s時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

仿真使用Solidification&Melting模型，壓力和速度耦合采用SIMPLEC算法進(jìn)行求解。求解為非穩(wěn)態(tài)過程,當(dāng)單位時(shí)間步長迭代的殘差小于1.0E-04認(rèn)為模型收斂。

2 結(jié)果與分析

2.1 相變材料融化分析

相變材料液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化如圖2所示，溫度變化如圖3所示。相變材料2由于相變溫度較低，在40分鐘開始融化，但此時(shí)溫度為267K并未達(dá)到相變溫度。因?yàn)槟Ｐ驮O(shè)置采集單位體積平均溫度，部分靠近空氣側(cè)相變材料可能首先融化。從分子晶體動(dòng)力學(xué)角度看，一部分晶核首先破裂，帶動(dòng)相變材料進(jìn)行融化。相變材料1在80min左右開始融化，此刻相變材料溫度為278K。達(dá)到相變溫度后，相變材料勻速融化，液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)與時(shí)間的線性關(guān)系。在11h左右，相變材料2的融化速率超過相變材料1的融化速率。從傳熱學(xué)角度分析，相變材料2相變溫度較低，與空氣溫差較大，融化速率前期較快。11h后相變材料1融化80%左右，由于潛熱較小，融化速度加快。分別在14.53h與15.4h左右，相變材料完全融化并釋放潛熱開始升溫。相變材料潛熱供冷階段結(jié)束。

圖2 液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

圖3 相變材料溫度變化

2.2 箱內(nèi)速度與溫度場分布

保溫箱不同溫度區(qū)間溫度變化如圖4所示。明顯發(fā)現(xiàn)由于真空絕熱板導(dǎo)熱系數(shù)較低，相變材料顯熱釋放后，箱體內(nèi)空氣溫度迅速下降至相變溫度以下。但是在運(yùn)輸過程中要避免此類狀況出現(xiàn)，因?yàn)闇囟鹊牟环€(wěn)定與浮動(dòng)會(huì)造成食品藥品的凍傷與變質(zhì)。T1為常溫區(qū)，未布置相變材料。但是由于溫區(qū)二的相變材料釋冷熱傳導(dǎo)，溫度有所下降。常溫區(qū)溫度下降至287K左右開始升溫，后穩(wěn)定在291K左右，仍低于室溫298K。T2為中溫區(qū)，布置相變材料1，經(jīng)過初期波動(dòng)后溫度穩(wěn)定在相變溫度280K左右。T3為低溫區(qū)，布置相變材料2，經(jīng)過初期波動(dòng)后溫度穩(wěn)定在相變溫度270K左右。相變材料分別在14.5h與15.4h完全融化，但是箱內(nèi)溫度并未上升。中溫區(qū)有效保冷15h左右，低溫區(qū)有效保冷16h左右。這是由于相變材料顯熱釋放，維持30min左右箱內(nèi)溫度恒定。

圖4箱體內(nèi)溫度變化圖

圖5 和圖6展示了箱體內(nèi)部在相變材料開始融化時(shí)的速度云圖和溫度云圖。圖中從左至右依次是常溫區(qū)、中溫區(qū)和低溫區(qū)。從圖中可以明顯看到，常溫區(qū)由于中溫區(qū)傳遞冷量，并未布置蓄冷材料，空氣流動(dòng)較弱，沒有渦旋。而中溫區(qū)和低溫區(qū)明顯存在渦旋，底部空氣自然對流十分明顯。根據(jù)傳熱學(xué)與流體力學(xué)分析，渦旋的存在能夠增加流體流動(dòng)的紊亂程度，故當(dāng)蓄冷材料溫度較低時(shí)空氣的分散程度較高。模型采取自然對流，而底部出現(xiàn)明顯空氣流速，是因?yàn)闇夭顚?dǎo)致空氣流動(dòng)。低溫區(qū)空氣流動(dòng)活躍，溫度場分布最為均勻。各溫區(qū)頂部溫度最高，這是由于冷量下降并且頂部未布置冷板的緣故。在實(shí)際應(yīng)用中必須避免上部的食品藥品因?yàn)闇囟炔痪鶆蚨冑|(zhì)。減少開門次數(shù)，在上部布置冷板并加大蓄冷材料的用量是有效可行的方法。

圖5 箱體內(nèi)部速度云圖

圖6 箱體內(nèi)部溫度云圖

不同溫區(qū)隔板處可以明顯看到溫度較低，證明不同溫區(qū)有傳熱現(xiàn)象。保溫材料的溫度云圖如圖7所示。從左至右依次為常溫區(qū)，中溫區(qū)和低溫區(qū)。可以明顯看到保溫材料與隔板的溫度變化。最左側(cè)隔板由于無蓄冷材料，與室溫保持一致。中間隔板由于蓄冷材料冷量傳遞有明顯降溫。特別是中溫區(qū)與低溫區(qū)隔板溫度達(dá)到了258K，與相變材料開始融化時(shí)的溫度一致。在實(shí)際應(yīng)用中，保溫材料的耐低溫性能也需重點(diǎn)關(guān)注。

圖7 保溫材料溫度云圖

3 結(jié)論

將真空絕熱板技術(shù)與蓄冷技術(shù)結(jié)合，首次設(shè)計(jì)一種蓄冷式多溫區(qū)冷鏈運(yùn)輸裝備。通過建立三維三溫區(qū)保溫箱模型，模擬研究了在使用不同蓄冷材料的情況下，各溫區(qū)的溫度分布和蓄冷板釋冷過程，得出以下結(jié)論：

1）數(shù)值仿真結(jié)果較好，溫度誤差不超過1℃，兩種蓄冷材料的完全熔化時(shí)間誤差不超過20min。

2）在溫區(qū)一無蓄冷板，溫區(qū)二正辛酸-肉豆蔻酸復(fù)合相變材料相變溫度為7.1℃，溫區(qū)三山梨酸鉀-水復(fù)合相變材料相變溫度為-2.5℃時(shí)，在穩(wěn)定狀態(tài)下，溫區(qū)一的溫度為9℃，溫區(qū)二的溫度為3℃，溫區(qū)三的溫度為-1℃。

3）在溫區(qū)二正辛酸-肉豆蔻酸復(fù)合相變材料充注量為13.8kg，溫區(qū)三山梨酸鉀-水復(fù)合相變材料充注量為12.1kg時(shí)，各溫區(qū)可保存15h低溫狀態(tài)。