蓄冷板擺放方式對冷鏈宅配過程的影響

范中陽，劉升，武衛東，章學來，李彥，孫麗君

（1-上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2-北京市農林科學院蔬菜研究中心，北京 100097；3-上海海事大學商船學院，上海 201306）

0 引言

隨著電子商務業務平臺的日趨成熟，生鮮農產品電子商務及其城市宅配也逐漸成為人們所接受的消費模式[1]，目前采用蓄冷板的蓄冷保溫箱以其輕便靈活、可大可小的特點逐漸成為當前宅配的主要配送工具，其中的蓄冷板以蓄冷量大、可重復使用等優點成為當前冷鏈物流的主要冷源[2]。蓄冷板又稱冷板，其制冷過程是通過釋放內部共晶鹽溶液凍結后所存儲的冷量完成的。近年來，利用蓄冷材料進行制冷的技術得到了越來越多專家和學者的關注[3-7]。

AMES[8]提出將相變溫度為-3.5 ℃的NaF?H2O應用于蓄冷系統；BISWAS[9]對Na2SO4?10H2O等水合鹽相變材料進行了大量研究并且建成了第一座PCM太陽房；田津津等[10]為了對蓄冷板內共晶冰的凍結過程進行數值模擬研究，建立了蓄冷板共晶冰凍結的顯熱容模型。張哲等[11]利用實驗的方式，分別研究了初始溫度為30 ℃的NaCl蓄冷板在-25 ℃、-35 ℃和-40 ℃環境中的凍結過程以及初始溫度為-25 ℃的NaCl蓄冷板在-10 ℃、-5 ℃和0 ℃環境中的釋冷過程。結果表明，在凍結過程中，環境溫度低于NaCl共晶液的共晶溫度-21.2 ℃時，環境溫度對共晶液開始結晶的時間有較大影響，而對共晶液開始結晶至完全凍結過程所需時間影響較小。杜雁霞等[12]采用精確解法與積分近似相結合的方法，對一種自制相變蓄冷材料充冷凝固過程的相變導熱問題進行求解，獲得了該蓄冷介質在蓄冷板內凝固時的相界面移動速度、邊界面熱流密度隨時間變化的規律，以及不同工況下蓄冷板厚度與預測蓄冷時間的關系。

蔣玉龍等[13]建立了填充泡沫材料冰蓄冷板內冰融化過程的數學物理模型，該模型考慮了融化液態水自然對流的影響，模擬了填充開孔聚氨酯泡沫、泡沫銅對冰蓄冷板的融化過程的影響；結果表明，填充低導熱系數泡沫材料可有效延長冰蓄冷板的釋冷時間，填充高導熱系數泡沫材料可有效改善冰蓄冷板溫度分布，加快融化速率。劉小平等[14]模擬研究了泡沫銅、泡沫鋁、網狀聚氨酯泡沫的孔隙參數對多孔介質冰蓄冷板的融化過程的影響，得到了第三類邊界條件下多孔介質冰蓄冷板融化過程的時間、溫度分布、相界面移動等的規律。朱先鋒等[15]分析了蓄冷劑種類、質量對蓄冷板蓄冷量的影響以及蓄冷劑種類、環境溫度、太陽輻射等對蓄冷板充冷時間的影響。

上述已有研究主要集中于研究蓄冷板充冷和釋冷過程、導熱性能改善，很少關注蓄冷板實際應用的效果，例如宅配過程中生鮮貨品的品質變化、營養的衰減情況、蓄冷板的擺放位置對箱內溫度波動的影響等，這是指導推廣蓄冷板實際應用于宅配的重要理論依據。

本文通過模擬運輸實驗對蓄冷板在保溫箱內的兩種擺放形式（頂部擺放和四周擺放）對箱內溫度波動情況進行研究，并以奶白菜作為實驗對象，研究其宅配過程中營養品質的變化規律，以期為蓄冷技術在生鮮宅配領域的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

本文采用0 ℃溫度段蓄冷劑，相變潛熱為320 J/g，相變溫度為-1.78 ℃，實驗對象為新鮮奶白菜。

實驗系統包括兩個可拆卸蓄冷保溫箱，分別命名為Box1和Box2；材料采用真空絕熱板和聚氨酯復合，導熱系數大約為0.3 W/(m?K)；保溫箱內尺寸為560 mm × 330 mm × 300 mm，有效容積約為0.06 m3；蓄冷板為PE材質，大蓄冷板尺寸為320 mm × 280 mm × 30 mm，小蓄冷板尺寸為230 mm × 180 mm × 25 mm；大蓄冷板充注約2.2 kg蓄冷劑，小蓄冷板約充注1.1 kg。實驗儀器包括多點測溫儀、WSZY-1B溫濕度自記儀、PR-100折射儀、Thermo D-37520高速冷凍離心機、UV-1800紫外可見分光光度計、HW.SY11-K恒溫水浴鍋、家用冰箱。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗方案

實驗前，奶白菜取樣測試營養指標作為初值，為防止保溫箱與奶白菜之間二次傳熱，保溫箱和奶白菜一起放入壓差預冷庫預冷至零度；預冷結束后，每個保溫箱放入約15 kg奶白菜，蓄冷板凍結完成后溫度較低（約-20 ℃），為防止凍傷奶白菜，將凍結完成的蓄冷板在室溫25 ℃環境下放置大約25 min釋放顯熱后再放入箱內。蓄冷板分為兩種擺放方式，Box1采用四周擺放，Box2采用頂部擺放。頂部擺放放置2個大號蓄冷板，四周擺放放置4個小號蓄冷板，兩個箱內的蓄冷劑質量相等，并在每個保溫箱中放入1個溫濕度自記儀和無線熱電偶傳感器分別記錄箱內環境溫濕度和奶白菜菜心溫度，數據每隔5分鐘記錄1次，放在室溫25 ℃的房間內，模擬運輸3天，每隔24小時開箱快速取樣，測試奶白菜的理化指標，具體布置如圖1所示。

1.2.2 奶白菜理化指標測試

可溶性固形物（TSS）質量分數采用PR-100折射儀進行測定；維生素C含量采用鉬酸銨比色法[16]進行測定；葉綠素含量的測定采用分光光度法[17]。

2 實驗結果與分析

模擬運輸試驗進行了約84 h，圖2分別給出了模擬運輸過程中保溫箱內環境溫度和箱內菜心的溫度變化情況。由圖2(a)箱內環境溫度的變化可以看出，Box2內變化較劇烈，溫升較快，而Box1內溫升較平緩。從圖2(b)奶白菜中心溫度變化也可以看出，頂部擺放對應的奶白菜中心溫度會有明顯的溫升波動，四周擺放對應的奶白菜中心溫度波動較平緩，無明顯的溫升波動；在實驗后期隨著箱內環境溫度的升高，奶白菜自身呼吸強度也逐漸增強，奶白菜的中心溫度上升幅度較大。這種溫升波動劇烈的可能原因分析如下。Box2開箱取樣需要將蓄冷板臨時移出，造成熱量進入較多；而Box1取樣不需移出蓄冷板，取樣時間較短，外界熱量進入較少；不考慮取樣影響，四周擺放相當于在箱內四面同時供冷，而頂部只能一面供冷，沒有四周擺放與空氣的接觸面積大，所以頂部擺放溫升較快。

據文獻[18]介紹，奶白菜最佳的冷藏溫度為(0～3) ℃，在此溫度下奶白菜可以保持較好的商品性和營養價值。結合圖3給出的奶白菜各項營養指標看出，總體上相對于Box2，Box1內奶白菜的各項營養指標衰減較快，尤其是在實驗后期，隨著箱內環境溫度快速升高，奶白菜的營養指標大幅衰減。結合圖2，頂部擺放蓄冷板僅能維持大約36 h內箱中環境溫度在3 ℃以內，對應奶白菜的營養指標也僅在運輸24 h以內未出現明顯衰減，并且由于蓄冷板在頂部擺放，奶白菜之間的擠壓較嚴重。而蓄冷板四周擺放時可以維持大約48 h箱內環境溫度在3 ℃以內，對應奶白菜的營養指標衰減相對較緩慢，48 h時相對初值仍能保持較高的商品性。因此，對于實際城市內的宅配運輸，蓄冷板采用四周放置可以較好地維持箱內環境溫度，對于生鮮品質也會有保證。

圖2 蓄冷板位置對溫度的影響

圖3 蓄冷板的擺放位置對奶白菜營養品質的影響

3 結論

1）實驗研究了宅配用蓄冷保溫箱中蓄冷板頂部擺放和四周擺放兩種形式下運輸過程中的箱內環境、貨品中心的溫度變化以及奶白菜的品質變化。結果表明，蓄冷板四周擺放相比頂部擺放具有較大的優勢，四周擺放時，可以維持大約48 h保溫箱內環境溫度波動不超過3 ℃，而頂部擺放僅能維持約36 h。

2）實驗發現，四周擺放蓄冷板無論是箱內環境溫度還是奶白菜中心溫度，其溫升幅度都相對平緩，開箱取樣對其影響也較小；而頂部擺放蓄冷板時，箱內環境溫度上升較快，并且開箱取樣對其影響較大，溫度波動劇烈，奶白菜的中心溫度也有不同程度的波動。因此，在實際應用時，蓄冷板最好在保溫箱內四周擺放，一方面方便取貨品，另一方面可以較長時間地維持箱內低溫的環境，另外取貨時盡可能的快速，盡量避免外界熱量進入。

3）配備蓄冷板的蓄冷保溫箱主要依靠蓄冷劑的相變提供冷量，隨著蓄冷劑的融化，其儲存的冷量會逐漸減少，對于箱內的低溫維持的時間具有一定的時效性。所以在宅配運輸時，應根據蓄冷劑的性能結合貨物特性匹配相應的蓄冷劑量，避免中途蓄冷劑儲冷量不足而保溫箱內溫升加快影響生鮮品質。

[1]辛巖, 胥義, 劉道平, 等. 冷鏈運輸及相關技術在生鮮農產品城市宅配中的應用及發展[J]. 制冷技術, 2016,36(3): 49-52.

[2]伍景瓊, 韓春陽, 賀瑞. 生鮮食品冷鏈配送相關理論研究綜述[J]. 華東交通大學學報, 2016, 33(1): 45-54.

[3]田津津, 張哲, 王懷文, 等. 蓄冷板釋冷過程的數值模擬和實驗研究[J]. 制冷學報, 2016, 37(3): 29-34.

[4]陳英姿, 劉益才, 楊智輝. 冰箱組合式相變材料蓄冷的實驗研究[J]. 制冷技術, 2006, 26(2): 13-16.

[5]趙薇華. 蓄冷技術在低溫箱中的應用研究[J]. 制冷技術, 2000, 20(4): 13-14, 17.

[6]關地. 極低溫用流動型蓄冷材料[J]. 制冷技術, 1996,16(2): 25-28.

[7]劉振利, 劉益才, 宛超. 一種新型空調蓄冷材料的研制[J]. 制冷技術, 2007, 27(4): 23-25.

[8]AMES D A. Eutectoid salt composition for coolness storage: US, 4689164[P]. 1987-08-25.

[9]BISWAS D R. Thermal energy storage using sodium sulfate decahydrate and water[J]. Solar Energy, 1977,19(1): 99-100.

[10]田津津, 郭永剛, 張哲, 等. 蓄冷板凍結過程的數值模擬與實驗研究[J]. 低溫與超導, 2014, 42(2): 67-71.

[11]張哲, 王颯颯, 李立民, 等. 蓄冷板凍結與釋冷的實驗研究[J]. 低溫工程, 2015(1): 64-68.

[12]杜雁霞, 程寶義, 賈代勇, 等. 相變材料蓄冷板凝固過程的傳熱研究[J]. 制冷學報, 2005, 26(2): 44-46.

[13]蔣玉龍, 張素軍, 李菊香. 泡沫材料冰蓄冷板融化過程的研究[J]. 制冷學報, 2015, 36(5): 65-73.

[14]劉小平, 蔣玉龍, 張素軍, 等. 多孔介質冰蓄冷板的融化過程[J]. 化工進展, 2015, 34(10): 3636-3643.

[15]朱先鋒, 陳煥新, 劉國豐. 影響冷板蓄冷量及充冷時間的因素[J]. 鐵道機車車輛, 2004, 24(2): 37-39.

[16]李軍. 鉬藍比色法測定還原型維生素C[J]. 食品科學,2000, 21(8): 42-45.

[17]羅光宏, 許耀照, 何琳. 影響分光光度法測定鈍頂螺旋藻干粉葉綠素含量的因素分析[J]. 食品科學, 2014,35(14): 151-154.

[18]楊一凡, 尹從緒, 劉升, 等. 易腐食品冷藏鏈技術要求果:SB/T 10728-2012[S]. 北京: 中國標準出版社, 2012: 1-6.