多溫區(qū)冷藏車行駛調(diào)溫性能試驗研究

劉浩榮，謝如鶴，劉廣海，李 錦，呂 寧

（1.廣州大學(xué)物流與運輸研究所，廣州 510006；2.韶關(guān)學(xué)院汽車系，韶關(guān) 512005）

0 前 言

隨著冷凍冷藏運輸業(yè)的普及和飛速發(fā)展，需要冷凍冷藏的物品種類日益增加[1]；然而傳統(tǒng)冷藏運輸不同溫度食品不能 “混裝”的缺陷，增加了貨物運輸量、運輸次數(shù)，降低了運輸效率。而新型的多溫運輸則大大改善了傳統(tǒng)冷藏運輸運輸功能單一的缺點，一車可同時混裝冷凍、冷卻或常溫的多種貨物，且均保持在各自最適宜的運輸溫度條件下，提高了運輸效率，拓寬了冷藏運輸?shù)倪m用面，更能適宜當(dāng)前市場的要求，具有良好的發(fā)展前景，亟待展開研究。對其進行熱工性能實驗有助于對后面的深入研究提供基礎(chǔ)。

Wiestaw Zwierzycki et al.在研究冷藏車運輸過程中，效率的體現(xiàn)最重要的一個標(biāo)準(zhǔn)就是保證車廂內(nèi)部溫度的穩(wěn)定，而要達到這個要求需要考慮下列的因素：（1）選擇絕熱性能優(yōu)秀的和有合適制冷能力的冷藏車；（2）裝卸貨的組織工作 （特別是裝載貨物的前期準(zhǔn)備工作）都需要做好計劃，做好先后裝載的時間表[2]。Silvia.Estrada-Flores和Andrew.Eddy則提出目前大部分的冷藏車熱工試驗準(zhǔn)則方法都沒有建立在冷藏車的實際運行環(huán)境的條件下進行制定[3]。

在我國，劉廣海提出在運輸狀態(tài)確定時，冷藏運輸裝備的內(nèi)外溫差由自然條件所決定，所以滲風(fēng)能耗的大小主要取決于內(nèi)外溫差和裝備的漏氣量。氣密性越好，滲風(fēng)能耗就越低；并提到隨著目前運輸速度越來越快的今天，加強圍護結(jié)構(gòu)氣密性十分必要[4]。張哲等對冷藏車蒸發(fā)器結(jié)霜進行深入了解，建立了一個冷藏蒸發(fā)器結(jié)霜的數(shù)學(xué)模型，獲得各個入口空氣參數(shù)對蒸發(fā)器結(jié)霜厚度和換熱量的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)結(jié)霜嚴(yán)重地影響蒸發(fā)器換熱性能[5]。劉敬輝采用超級市場常用的風(fēng)幕機安裝到冷藏車車門處，發(fā)現(xiàn)能大大減少開門時外部空氣與內(nèi)部空氣的混合，有效維持車廂內(nèi)部溫度場；并求出了最佳的風(fēng)幕機風(fēng)速[6]。我國于2010年頒布的中華人民共和國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) （QC/T499-2010）《保溫車、冷藏車技術(shù)條件及試驗方法》[7]，新加入了冷藏車行駛調(diào)溫試驗，一改熱工試驗只局限于試驗室的情形，讓車輛走出試驗室，進入實際運行的環(huán)節(jié)，有助于更實際地反映車輛的實際運行效果。

本次試驗對象是三溫區(qū)冷藏車，規(guī)格圖如圖1。由圖1可以看出，深冷間獨立于冷藏間和冷凍間，通過安裝在車盤底的蓄冷機組進行降溫；冷凍間內(nèi)部裝有制冷機組，除了滿足本間的冷量需求外，通過設(shè)立進風(fēng)道和回風(fēng)道對冷藏間進行供冷，并在回風(fēng)口處裝有帶溫度控制器控制自身開停的風(fēng)扇進行強制對流以使冷藏間達到設(shè)定的工作溫度。

圖1 車體規(guī)格簡圖

1 行駛調(diào)溫性能試驗分析研究

本試驗旨在考核冷藏車在行駛狀態(tài)下的調(diào)溫性能。國標(biāo)QC/T499-2010《保溫車、冷藏車技術(shù)條件及試驗方法》對該試驗的描述見表1。

表1 QC/T 449—2010行駛調(diào)溫試驗方法[6]

這是新國標(biāo)新加入的一個性能試驗，暫時沒有一個成熟的試驗方案可參考。本實驗設(shè)定的測試方案是在汽車行駛過程中，設(shè)定制冷機組的最低溫度，觀察機組達到最低溫度的曲線走向，觀察其所用的時間，此為降溫測試階段。

當(dāng)溫度達到最低設(shè)定溫度時，再分別進行3個功能隔間同時進行3分鐘和1分鐘的開門卸貨模擬，得出其升溫曲線以及關(guān)門后車廂內(nèi)部溫度回復(fù)到穩(wěn)態(tài)時的時間曲線，以此達到考察機組調(diào)溫性能的目的，此為調(diào)溫測試階段。

1.1 試驗流程記錄

設(shè)定溫度：冷凍間-20℃，冷藏間0℃；制冷機組開機時間：8∶53；速度：30～40 km/h左右；轉(zhuǎn)速：1400-1500 r/min；里程數(shù)243 km。

圖2 試驗流程圖

1.2 試驗過程記錄與數(shù)據(jù)分析

1.2.1 降溫曲線分析：

對比起冷凍間的降溫曲線，冷藏間的降溫曲線平滑，沒有明顯的斜率變化，其降溫速率為：

冷凍間的降溫曲線有明顯的斜率變化，期間有進行除霜，變化曲線分為 “常溫到0℃”、“0℃到-15℃”和 “-15℃到-19℃”，曲線變得越來越平緩，其降溫速率分別為：

觀察式 （2）（3）（4），在0℃以上的降溫速率較快，在零下的降溫速率過于緩慢，整個降溫時間花費3小時20分鐘。機組的制冷效率較低。

使用數(shù)學(xué)優(yōu)化分析軟件綜合工具軟件1stOpt對兩個車廂的降溫曲線進行非線性擬合處理。把本次擬合看作只有一個變量時的最小化問題，即一維搜索問題，其數(shù)學(xué)模型為：

式中，x，x1，x2為標(biāo)量，f（x）為函數(shù)，返回標(biāo)量。而在實際應(yīng)用中，準(zhǔn)牛頓法 （BFGS）最為有效[8]，其迭代公式是：

因此選用準(zhǔn)牛頓算法，得到它們的降溫擬合曲線，x表示某個時間點：x=1，2，3，4……。

冷藏間：

冷凍間：

式 （7）、（8）的相關(guān)數(shù)R的平方值達到0.9995以上，能較好的擬合冷藏間和冷凍間的降溫曲線，符合本車的行駛降溫性能的反映。

1.2.2 開門模擬卸貨調(diào)溫曲線分析：

開門模擬卸貨過程，是一個非穩(wěn)態(tài)的傳熱傳質(zhì)過程。由于車廂體內(nèi)部是低溫低壓干燥的空氣，開門后高溫高壓高濕度的外部氣體由于壓差和溫差，迅速和車廂體內(nèi)部氣體進行熱濕交換，致使內(nèi)部空氣溫度、壓力和濕度升高，其過程遵循質(zhì)量守恒定律 （9）和質(zhì)量組分方程式 （10）。

當(dāng)卸貨結(jié)束關(guān)閉車廂門后，制冷機組馬上運行，對車廂體內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)降溫。由于在開門期間，外部進入大量濕空氣，加上在調(diào)節(jié)降溫過程中，制冷機組的風(fēng)機出口溫度低于濕空氣中水蒸氣的露點溫度，于是在機組出口附近出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，降低了制冷機組的制冷效率，嚴(yán)重影響了內(nèi)部溫度的調(diào)節(jié)降溫。這種情況在冷凍間調(diào)溫曲線圖中表現(xiàn)十分明顯。

兩圖對比，在開門模擬卸貨前后，溫度場都發(fā)生劇變。冷凍間的制冷機組在第一次3分鐘開門模擬后的調(diào)溫過程中進行了兩次的除霜過程，期間機組出風(fēng)口溫度波動較大，對冷藏間的出風(fēng)口溫度有一定影響，但是對冷藏間整間的溫度場影響不明顯。明顯的，在車廂空載的情況下，冷凍間機組的除霜過程對冷藏間的溫度場影響十分有限，冷藏間溫度場幾乎不受影響。

然而冷藏車在運輸過程中不可避免的需要頻繁的開、關(guān)車廂門，這樣必然會造成蒸發(fā)器效率的下降和除霜次數(shù)的增加。本文對冷凍間的回風(fēng)口溫度數(shù)據(jù)在第一次開門后的調(diào)溫曲線降溫速度進行了一個比較。式 （11）是開門后，根據(jù)圖6得出的車廂內(nèi)部溫度從高溫回復(fù)到-20℃的平均降溫速度，式（12）則是根據(jù)開門后，遵照機組除霜前的溫度降溫曲線的斜率使車廂內(nèi)部溫度達到-20℃時而求出的一個平均降溫速度。對比兩個速度，由于除霜的影響，車廂的調(diào)溫速率幾乎降低了50%。可見，除霜對于車廂內(nèi)部的溫度場影響特別大，嚴(yán)重降低了機組的運作效率。

圖7 深冷間溫度上升曲線

1.2.3 深冷間的行駛調(diào)溫性能分析：

對于深冷間的行駛調(diào)溫性能試驗分析，應(yīng)該關(guān)注的是它的溫升曲線。在實際運輸過程中，深冷間的溫升越慢，對易腐食品的保鮮效果越好。在開門模擬前，深冷間的自然升溫速率 （以廂體中間溫度探頭數(shù)據(jù)計算）：

從式 （13）看出，深冷間的升溫速率是比較優(yōu)秀的，開門模擬前的溫度曲線趨勢越來越平緩，能夠長時間維持在-18℃以下，效果令人滿意。但是，內(nèi)部溫度經(jīng)過一次開門后，并回復(fù)到穩(wěn)態(tài)時，溫度只能維持在-18～-20℃左右；經(jīng)過第二次開門后，溫度就只能穩(wěn)定在-15℃，這已經(jīng)是不能滿足凍結(jié)間的溫度要求了。

圖5～圖7，在冷藏車實際運行過程中，開門所耗費的冷量是非常巨大的，謝晶等選擇3種不同的方法去計算冷藏車的負(fù)荷，結(jié)果表明開門所承擔(dān)的負(fù)荷達到總負(fù)荷的1/3甚至更多[1]。因此在冷藏車實際運行時，必須對開門卸貨作好全盤的計劃，優(yōu)化卸貨環(huán)節(jié)，減少開門卸貨所用的時間；另外可在車廂門口處加裝門簾或者風(fēng)幕機，減少外部空氣與內(nèi)部空氣的混合接觸。J.Rodriguez-Bermejo et al.提到，在冷藏車裝載貨物的時候，除霜過程會導(dǎo)致車廂內(nèi)部局部的溫度過高，造成局部溫度遠達不到設(shè)定的溫度，對食品的品質(zhì)造成很大影響[9]。

2 結(jié)論與建議

（1）本文對國標(biāo) 《QC/T449—2010保溫車、冷藏車技術(shù)條件及試驗方法》中新加入的行駛調(diào)溫性能試驗進行了研究，制定了試驗方案并進行試驗。本試驗的試驗方案流程結(jié)合實際，把調(diào)溫階段與冷藏車模擬裝卸貨過程相結(jié)合進行試驗，可作為同類型試驗的參考。

（2）試驗得出車體在冷藏車行駛過程中的降溫曲線，機組降溫時間較長，降溫效率較低；空載情況下，降溫階段冷藏間和冷凍間相互影響很小，各自溫度場比較穩(wěn)定、獨立。

（3）行駛調(diào)溫實驗的模擬卸貨期間，廂門全開，3個冷間，特別是深冷間的冷量流失嚴(yán)重，造成內(nèi)部溫度劇烈波動，同時造成制冷機組頻繁的進行除霜工作，嚴(yán)重地降低了制冷機組運作效率，車廂內(nèi)部溫度場難以回復(fù)到原來設(shè)定的狀態(tài)，極大破壞易腐品的冷藏環(huán)境。

（4）冷藏車實際運行時，必須對開門卸貨作好全盤的計劃，優(yōu)化卸貨環(huán)節(jié)，減少開門卸貨所用的時間；另外可在車廂門口處加裝門簾或者風(fēng)幕機，減少外部空氣與內(nèi)部空氣的混合接觸。

[1] 謝晶，徐倩.多溫區(qū)冷藏車熱負(fù)荷計算的研究 [J].食品與機械，2007，23（4）：98-101.（Xie Jing，Xu Qian.The heat load calculation study of mutil-temperature refrigerated vehicle[J].Food andMachinery，2007，23（4）：98-101）

[2] Wiestaw Zwierzycki et al.Thermal damage to the load in cold chain transport[J].Procedia Social and Behavioral Sciences，20（2011）：761-766

[3] Silvia.Estrada-Flores，Andrew.Eddy.Thermal performance indicators for refrigerated road vehicles[J].International Journal of Refrigeration，29（2006）：889-898

[4] 劉廣海.冷藏運輸能耗分析與裝備優(yōu)化研究[D].中南大學(xué)，2007.（Liu Guanghai.Study on analysis of energy consumption and optimization of refrigerated transportation equipment[D].ZhongNan University，2007）

[5] 張哲，田津津，毛力.機械式冷藏車蒸發(fā)器結(jié)霜特征的研究 [J].低溫與超導(dǎo)，2010，38（09）：73～75.（Zhang Zhe，Tian jinjin，Mao Li.The study on the frost of the mechanical refrigerated truck evaporator[J].Cryogenics and Superconductivity，Vol.38 ，No.9 ，2010）

[6] 劉敬輝，陳江平，陳芝久等.風(fēng)幕對冷藏車性能影響的仿真分析和試驗研究[J].流體機械，2006，34（1）：52-59（Liu Jingyang，Chen Jiangping，Chen Zhijiu et al.Simulation analysis and experimental study on performance of refrigerated-car affected by air curtain[J].Fluid Machinery，2006 ，34（1）：52-59）

[7] 中華人民共和國工業(yè)與信息化部.QC/T499-2010保溫車、冷藏車技術(shù)條件及試驗方[S].北京：中國計劃出版社，2010.（Ministry of industry and information technology of the People's Republic of China.QC/T499-2010 Technical conditions test methods of insulated or refrigerated vehicles[S].BeiJing：China Planning Press，2010）

[8] 劉光輝，尹紅婷.BFGS算法的全局收斂性分析[J].曲阜師范大學(xué)學(xué)報，1994，20（1）：1-7（Liu Guanhui，Yin Hongting.Analysis on the global convergence of BFGS algorithm[J].Journal of Qufu Normal University，1994，20（1）：1-7）

[9] J.Rodriguez-Bermejo et al.Thermal study of a transport container[J].Journal ofFoodEngineering ，80（2007）：517 527