夏晶晶，王廣海，王飛仁，林詩(shī)濤，任俊杰，郭嘉明, 3

(1. 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州市，510515； 2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州市，510642；3. 嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室茂名分中心，廣東茂名，525000)

0 引言

冷鏈物流是指從生產(chǎn)到消費(fèi)階段，連續(xù)使用各種手段對(duì)易腐食品進(jìn)行冷藏保鮮，并將食品運(yùn)輸?shù)较M(fèi)者手中，保障食品質(zhì)量和消費(fèi)者安全的過(guò)程[1-3]。為保證金槍魚(yú)的品質(zhì)，需要采用能夠?qū)囟染S持在-50 ℃以下的蓄冷配送箱進(jìn)行配送[4-5]。液氮的溫度低至-196 ℃，可將液氮注入箱體，將箱體內(nèi)部空氣降溫，達(dá)到貨物所需的溫度環(huán)境，同時(shí)對(duì)箱體中的蓄冷板進(jìn)行充冷，蓄冷板中的相變蓄冷劑可儲(chǔ)存大量冷量，運(yùn)輸過(guò)程中蓄冷板會(huì)釋放冷量用于維持箱體的溫度，以滿足配送要求[6-9]。針對(duì)冷源的引入問(wèn)題，方貴銀[10]研究了平板蓄冷板的蓄冷特性，并建立了相應(yīng)的模型，得到蓄冷劑溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系；Liu等[11]建立了蓄冷板凍結(jié)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；童山虎等[12]通過(guò)試驗(yàn)研究了蓄冷板在蓄冷過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化情況；文獻(xiàn)[13-17]研究了在不同條件下如外界環(huán)境溫度、載冷劑進(jìn)口流量、蓄冷板厚度、空氣溫度、傳熱系數(shù)和蓄冷劑材料等參數(shù)對(duì)蓄冷板蓄冷特性的影響。然而，目前針對(duì)不同液氮充注量、蓄冷板傳熱面積和蓄冷板裝載量等冷源引入?yún)?shù)下的蓄冷配送箱蓄冷特性的研究較少，因此有必要開(kāi)展相關(guān)研究。

本文主要結(jié)合金槍魚(yú)的短途配送需求，搭建金槍魚(yú)蓄冷配送箱試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)裝載已預(yù)冷的魚(yú)肉配送箱進(jìn)行空箱液氮充注，使箱體和蓄冷板得到充分冷卻，研究不同液氮充注量、傳熱面積和蓄冷板裝載量等參數(shù)下金槍魚(yú)蓄冷配送箱的冷量引入特性，包括箱內(nèi)的空氣降溫速率和蓄冷板蓄冷效率等蓄冷特性，以期為箱體的冷源引入進(jìn)行優(yōu)化和降低成本。

1 試驗(yàn)平臺(tái)及方法

1.1 金槍魚(yú)蓄冷配送箱試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，主要由蓄冷配送箱體、無(wú)紙記錄儀、液氮罐、數(shù)字式電子秤和計(jì)算機(jī)組成。

蓄冷配送箱體的結(jié)構(gòu)如圖2所示，箱體的長(zhǎng)寬高為1 000 mm×500 mm×500 mm，保溫結(jié)構(gòu)為內(nèi)外嵌套式玻璃鋼箱體，夾層為聚氨酯材料和真空絕熱板隔熱(VIP)材料填充層，開(kāi)孔隔板將箱體內(nèi)部分隔為保鮮室和蓄冷室。蓄冷室放置蓄冷板，蓄冷板中裝有相變溫度為-80 ℃的相變蓄冷劑(潛熱量82.32 kJ/L)。

圖1 蓄冷配送箱試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 蓄冷配送箱結(jié)構(gòu)示意圖

箱體內(nèi)部和蓄冷板的溫度數(shù)據(jù)均采用PT100傳感器(型號(hào)為WZP-PT100、精度為±0.1、測(cè)量范圍為-200 ℃～500 ℃)進(jìn)行采集，采用無(wú)紙記錄儀(型號(hào)為SIN-R9600、精度為2‰)記錄各個(gè)傳感器的數(shù)值，同時(shí)儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)上。采用自增壓式液氮罐(型號(hào)為YDZ-100，容積為100 L)實(shí)現(xiàn)液氮充注，數(shù)字電子秤(型號(hào)為XK3190-A6、精確度等級(jí)三級(jí))記錄液氮的充注量[18]。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在恒溫室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度為(25±1) ℃。將箱體連接好液氮罐，開(kāi)啟出液電磁閥、增壓電磁閥對(duì)箱體進(jìn)行液氮充注。在蓄冷板內(nèi)均勻布置4路PT100溫度測(cè)點(diǎn)，取其平均值來(lái)表征蓄冷劑的溫度。在箱體內(nèi)寬度方向250 mm處中縱截面的上中下3層均勻布置9路PT100傳感器(A1～A9)，取其平均值來(lái)表征箱體內(nèi)部的平均溫度，具體分布如圖3所示。

圖3 中縱截面溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)分布

蓄冷板傳熱面積為蓄冷板與空氣接觸換熱的表面積；蓄冷板裝載量為蓄冷劑占蓄冷板內(nèi)部空間體積的百分比，蓄冷板裝載量越大表示所裝載的蓄冷劑越多。

液氮充注量為液氮罐試驗(yàn)期間的質(zhì)量的變化量，其計(jì)算式

qy=ms-mf

(1)

式中：qy——液氮充注量，kg；

ms——試驗(yàn)前液氮罐的重量，kg；

mf——試驗(yàn)后液氮罐的重量，kg。

箱體內(nèi)部與液氮進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致溫度不斷降低，箱內(nèi)空氣的降溫速率計(jì)算式

Vs=(Tb1-Tf1)/tb

(2)

式中：Vs——箱內(nèi)空氣的降溫速率，℃/min；

Tb1——試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)箱內(nèi)空氣的溫度，℃；

Tf1——試驗(yàn)結(jié)束時(shí)箱內(nèi)空氣的溫度，℃；

tb——試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，min。

蓄冷板通過(guò)與液氮進(jìn)行換熱得到的冷量為存儲(chǔ)冷量，其計(jì)算式

Qa=CamaΔTa

(3)

式中：Qa——蓄冷板通過(guò)與液氮進(jìn)行換熱得到的冷量，J；

Ca——蓄冷劑的比熱，J/(kg·℃)；

ma——蓄冷劑的質(zhì)量，kg；

ΔTa——試驗(yàn)前后蓄冷劑的溫差，℃。

液氮通過(guò)與蓄冷板和箱體進(jìn)行換熱釋放出來(lái)的冷量為釋放冷量，其計(jì)算式

(4)

式中：Qb——液氮通過(guò)與蓄冷板和箱體進(jìn)行換熱釋放出來(lái)的冷量，J；

ΔTb——試驗(yàn)前后液氮的溫差，℃；

Cb——液氮的比熱，J/(kg·℃)；

Ly——液氮的汽化潛熱，取2.79 kJ/mol[19]；

MN——氮?dú)饽栙|(zhì)量，kg/kmol。

用存儲(chǔ)冷量除以釋放冷量來(lái)表征蓄冷板的蓄冷效率[20]，其計(jì)算式

(5)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

試驗(yàn)采用液氮充注量、蓄冷板傳熱面積和蓄冷板裝載量3因素5水平的二次回歸正交組合設(shè)計(jì)方案。根據(jù)箱體的尺寸和配送時(shí)長(zhǎng)的要求，結(jié)合項(xiàng)目組的經(jīng)驗(yàn)和預(yù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，選取三個(gè)因素的零水平值分別為10 kg、0.10 m2、50%。

2.1 編制因子水平的編碼

設(shè)定義Zj表示變量，用Z1j和Z2j表示因子Zj水平變化的最小值和最大值，該因子的零水平Z0j為Z1j和Z2j相加的一半，Δj表示為變化區(qū)間，mc表示為二水平點(diǎn)試驗(yàn)次數(shù)，mr表示為星號(hào)點(diǎn)試驗(yàn)次數(shù)，m0表示為零水平點(diǎn)試驗(yàn)次數(shù)，則

(6)

(7)

(8)

式中：γ——星號(hào)臂，設(shè)定試驗(yàn)因素水平各為-γ，-1，0，1，γ。

由二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得出3因素5水平的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量

Ns=mc+mr+m0

(9)

式中：m——因子個(gè)數(shù)，m=3；

mc——二水平點(diǎn)試驗(yàn)次數(shù)，mc=2m=23=8；

mr——星號(hào)點(diǎn)試驗(yàn)次數(shù)，mr=2m=6；

m0——零水平點(diǎn)試驗(yàn)次數(shù)，取值為6。

γ值計(jì)算得到為1.52，則試驗(yàn)次數(shù)為Ns=8+6+6=20。

2.2 編制因子水平的編碼表及試驗(yàn)結(jié)果

因素的變化區(qū)間Δj可由公式求得

(10)

(11)

將液氮充注量、蓄冷板傳熱面積和蓄冷板裝載量3個(gè)因素的編碼值水平以表格的形式列出，得到因素水平編碼表如表1所示。

設(shè)定Z1為液氮充注量、Z2為蓄冷板傳熱面積、Z3為蓄冷板裝載量，為了獲得正交性，將平方項(xiàng)Z12，Z22和Z32進(jìn)行中心化變換

(12)

綜上所述，試驗(yàn)次數(shù)N為20，γ為1.52，mc為8，則

(13)

根據(jù)二次回歸正交組合設(shè)計(jì)法則，共需進(jìn)行20組試驗(yàn)，得到三元二次回歸正交組合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣如表2所示。根據(jù)3因素5水平的二次回歸正交組合設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表3所示。

表1 因素水平編碼表Tab. 1 Coding table of factor levels

表2 三元二次回歸正交組合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣Tab. 2 Structure matrix of three variables regression orthogonal combination design

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到方差分析結(jié)果和系數(shù)分析如表4、表5所示。由表4可知，降溫速率和蓄冷效率回歸模型的F值的顯著性概率為0.000，小于5%，所以回歸達(dá)到顯著水平，說(shuō)明各因素與降溫速率和蓄冷效率之間存在顯著的回歸關(guān)系，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案正確。

由表5可知，經(jīng)過(guò)逐步回歸，可得到降溫速率和蓄冷效率的多元回歸方程

(14)

(15)

將Z1=(x1-10)/2.63和Z2′=x22-0.63代入回歸方程(14)得到用自然數(shù)xj表示的降溫速率回歸方程

0.524(x22-0.63)

(16)

將Z1=(x1-10)/2.63、Z2=(x2-0.1)/0.01和Z3=(x3-50)/13.16代入回歸方程(15)得到用自然數(shù)xj表示的蓄冷效率回歸方程

(17)

由回歸方程(16)可知，一次回歸項(xiàng)系數(shù)為正數(shù)，且只有液氮充注量這個(gè)因素有一次回歸項(xiàng)系數(shù)，傳熱面積有二次回歸項(xiàng)系數(shù)，即液氮充注量和傳熱面積對(duì)降溫速度的影響是正面的，當(dāng)液氮充注量和傳熱面積增大時(shí)，降溫速率提高，回歸方程中沒(méi)有Z3，說(shuō)明蓄冷板裝載量對(duì)降溫速率產(chǎn)生的影響不大。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab. 3 Test design and results

由回歸方程(17)可知，一次項(xiàng)回歸系數(shù)絕對(duì)值得大小順序：傳熱面積>液氮充注量>蓄冷板裝載量，反映了本試驗(yàn)條件下3因素對(duì)蓄冷效率影響作用的大小，由此可知，傳熱面積是增大蓄冷效率的主要因素，蓄冷板裝載量和液氮充注量影響相對(duì)較小。從影響效應(yīng)的方面看，傳熱面積和蓄冷板裝載量為正向影響，即蓄冷效率隨著蓄冷板傳熱面積和蓄冷板裝載量的增大呈增大的趨勢(shì)；液氮充注量為負(fù)向影響，說(shuō)明增大液氮充注量會(huì)導(dǎo)致蓄冷效率的減小。

從對(duì)降溫速率和蓄冷效率逐步回歸的結(jié)果上看，交互作用項(xiàng)在逐步回歸過(guò)程中被剔除，最終的回歸方程中不包含因素之間的交互作用項(xiàng)，說(shuō)明各影響因素之間沒(méi)有顯著的交互作用[21]。

3.2 降溫速率和蓄冷效率的主效應(yīng)分析

將回歸方程進(jìn)行降維處理，分別固定液氮充注量、蓄冷板傳熱面積和蓄冷板裝載量為零水平，得到3因素與降溫速率和蓄冷效率的關(guān)系[22]。

降溫速率

Y1=16.889+0.524(x22-0.63)

(18)

Y2=16.889+1.847(x1-10)/2.63-0.324 88

(19)

蓄冷效率

Yx1=31.15-1.12x1+41.64+0.16

(20)

Yx2=31.146-11.198+416.4x2+0.16

(21)

Yx3=31.146-11.198+41.64+0.311 2x3

(22)

表4 方差分析結(jié)果Tab. 4 Analysis of variance

表5 回歸系數(shù)分析表Tab. 5 Analysis of regression coefficients

將各參數(shù)值代入到式(18)和式(19)中，可得到降溫速率主效應(yīng)分析圖如圖4所示。液氮充注量和傳熱面積對(duì)降溫速率的影響呈正相關(guān)，且液氮充注量對(duì)降溫速率的影響較大，傳熱面積對(duì)降溫速率的影響相對(duì)較小。因此，欲取得較好的降溫速率時(shí)，可以適當(dāng)?shù)卦龃笠旱渥⒘亢托罾浒鍌鳠崦娣e。因此當(dāng)液氮充注量取值范圍6～14 kg，傳熱面積取值范圍0.08～0.12 m2時(shí)，降溫速率在二者取值分別為14 kg和0.12 m2時(shí)可達(dá)最大值。

圖4 降溫速率的主效應(yīng)分析

將各參數(shù)值代入到上述式(20)～式(22)中，可得到蓄冷效率主效應(yīng)分析圖如圖5所示。液氮充注量對(duì)蓄冷效率的影響呈負(fù)相關(guān)，而傳熱面積和蓄冷板裝載量對(duì)蓄冷效率的影響呈正相關(guān)，且傳熱面積對(duì)蓄冷效率的影響較大，蓄冷板裝載量對(duì)蓄冷效率影響相對(duì)較小。因此，欲取得較好的蓄冷效率時(shí)，可以適當(dāng)增大蓄冷板傳熱面積和蓄冷板裝載量、減小液氮充注量。因此當(dāng)液氮充注量取值范圍為6～14 kg，傳熱面積取值范圍為0.08～0.12 m2，蓄冷板裝載量取值范圍為30%～70%時(shí)，蓄冷效率在三者取值分別為6 kg、0.12 m2和70%時(shí)可達(dá)最大值。

圖5 蓄冷效率的主效應(yīng)分析

4 結(jié)論

為了解不同冷源引入?yún)?shù)對(duì)金槍魚(yú)蓄冷配送箱蓄冷特性的影響，搭建了蓄冷配送箱試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)二次旋轉(zhuǎn)回歸正交試驗(yàn)方法進(jìn)行3因素5水平試驗(yàn)并建立回歸模型，研究了不同液氮充注量、蓄冷板傳熱面積和蓄冷板裝載量對(duì)蓄冷配送箱蓄冷特性的影響。

1) 液氮充注量、蓄冷板傳熱面積和蓄冷板裝載量都對(duì)蓄冷配送箱蓄冷特性有影響。蓄冷板裝載量對(duì)降溫速率產(chǎn)生的影響不大，液氮充注量和傳熱面積對(duì)降溫速率的影響呈正相關(guān)，且液氮充注量對(duì)降溫速率的影響較大，傳熱面積對(duì)降溫速率的影響相對(duì)較??；液氮充注量對(duì)蓄冷效率的影響呈負(fù)相關(guān)，傳熱面積和蓄冷板裝載量對(duì)蓄冷效率的影響呈正相關(guān)，且傳熱面積對(duì)蓄冷效率的影響較大，蓄冷板裝載量對(duì)蓄冷效率影響相對(duì)較小。

2) 箱內(nèi)空氣的降溫速隨著液氮充注量和傳熱面積的增大而增大，蓄冷板裝載量對(duì)降溫速率產(chǎn)生的影響不大。在所控制的液氮充注量和傳熱面積的范圍內(nèi)，當(dāng)液氮充注量14 kg、蓄冷板傳熱面積為0.12 m2時(shí)，降溫速率可達(dá)最大值。

3) 箱內(nèi)蓄冷板的蓄冷效率隨著蓄冷板的傳熱面積和蓄冷板裝載量的增大而提高、隨著液氮充注量的增大而降低。傳熱面積是增大蓄冷效率的主要因素，蓄冷板裝載量和液氮充注量影響相對(duì)較小。在所控制的液氮充注量、傳熱面積和蓄冷板裝載量的范圍內(nèi)，當(dāng)液氮充注量為6 kg、蓄冷板傳熱面積為0.12 m2和蓄冷板裝載量為70%時(shí)，蓄冷效率可達(dá)最大值。

結(jié)合成本、所需的配送時(shí)間和配送溫度進(jìn)行綜合考慮，在滿足配送要求的前提下，應(yīng)盡量選擇較少的液氮充注量、較大的蓄冷板傳熱面積和蓄冷板裝載量以提高箱體的降溫速率和蓄冷效率，從而提高蓄冷配送箱冷源引入的效率。