冷藏周轉柜的冷藏溫度故障分析與修復

姚 堯，鄭大宇

（哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院 黑龍江 哈爾濱 150000）

1 引言

冷鏈物流是近幾年以來逐漸受到社會重視的物流分支。隨著國民經濟的不斷發展，人民生活水平的不斷提高，以及時代科技的進步，這三者均對物流行業提出了新的要求。人們在十年的時間里逐漸適應了電商物流體系，同時也希望這樣方便快捷的購物體系得到更好的發展，即消除商品運輸的限制，商家和物流公司可以盡可能地運送一些不易運輸的商品如水果、藥品、食品、精密設備等等。冷藏設備如便攜式冷藏箱、冷藏周轉柜、冷藏車等的普及，是冷鏈物流的一個比較重要的發展標志。本文主要研究的是冷藏周轉柜的冷藏故障分析及改良，故不對其他冷藏設備做討論。

2 冷藏周轉柜故障分析的背景簡析

2.1 傳統冷鏈物流的缺憾

我國在近十年前，就出現了歐美曾經經歷過的質量安全危機，物流公司業務的擴大，使其不僅深入到空運、海運以及陸運等運輸方式，還介入到了冷鏈物流這種非傳統物流分支。在歐美、日本等先進國家的發展歷程中，也經歷了冷鏈物流從挫折到成熟的過程。近些年來，經濟的發展帶來了人們對商品物流質量更高的要求，最開始物流公司仍然使用傳統的冷凍運輸方式，即貨車車廂以隔熱材料建成，內置運輸商品，商品箱內由多袋冰包裹，以做到冷藏運輸的目的。在生鮮食品這個超級龐大的領域中，電商公司要攻城掠地，冷鏈物流是所有公司面臨的困難之一。生鮮類食品對于物流配送要求極高，既要保持食品的新鮮，又要保證達到的速度，最常用的方式就是冷鏈物流。冷鏈物流一般比常溫物流系統的要求更高、更復雜，建設投資也要大很多，是一個龐大的工程。加上國內一線城市的交通擁堵情況嚴重，中國冷鏈物流成本更是讓很多電商望而卻步。

2.2 本文研究的冷藏周轉柜簡介

本文所研究的冷藏周轉柜是近年來基于最新的物聯網技術、電子商務系統體系以及冷藏箱技術的一種新型嘗試。在傳統的冷鏈物流配送方式中，采用“高標泡沫箱+低溫冰袋”的包裝方式，不但運輸成本增加，而且冰袋容易融化，很難保證食品的新鮮。冷藏運輸車雖然可保證食品新鮮，但是其運輸成本高，故障率高，且僅能運送單一品溫的食品。在本設計中，采用蓄冷技術，在夜間用電低谷時段對蓄冷板進行充冷，節省耗電費用，避開電力高峰，減輕電網負荷；采用模塊化管理，不同保鮮要求的食品放于不同的蓄冷箱，不同溫域以不同顏色區分；利用物聯網技術，給每份貨品配有RFID標簽，通過溫度傳感器、氣體感應器、全球定位系統等信息傳感設備，對生鮮產品的溫度以及氣味進行實時檢測并記錄，用戶可以通過手機掃描條碼、二維碼和電子標簽的方式，對已購的貨品進行溫度以及運輸的地理位置實時檢測和追蹤溯源。

3 冷藏周轉柜的故障分析

3.1 貨物運輸中造成的故障

冷藏周轉柜根據設計上的不同，其內部結構也不盡相同，傳統的冷藏周轉柜根據制冷方式可以分為機械制冷、液氮制冷、干冰制冷、及蓄冷板制冷等幾種[1]。機械式冷藏主要由蒸發器、冷凝器、保溫板、壓縮機構成，以逆卡諾循環為制冷原理，使用諸如R34a、R404A等制冷劑[2]。從制冷設備的整個循環過程來看，能夠對冷藏周轉柜內部溫度造成不均勻影響的大致有兩個因素：一是冷藏周轉柜的循環系統對柜內的熱影響；二就是貨物本身對冷藏周轉柜內溫度場的影響。冷藏柜內出現溫度失調的情況多有發生，以某型半導體冷藏箱為例，工作人員發現故障常有幾種：其一，半導體制冷片發生損壞導致冷藏箱的散熱效果變差，冷藏溫度無法降到設定值[3]；其二，由于冷藏箱在物流運輸流程中，經常要打開箱門進行貨物更換，時間一長導致了門封的變形，導致冷藏箱體不能隔絕外部熱流；其三，冷藏箱本身的結構在使用時間過長后會導致部件松弛，最后使制冷片的傳熱性能下降等等。

3.2 建立3D流場模型進行溫度場解析

我們可以以一種某型簡便的冷藏周轉柜為例，仿真計算冷藏柜內溫度場分布。將物流中最常出現的冷藏運轉柜系統參數如箱體厚度，尺寸規格，保溫材料，貨物類型及貨物擺放模式等參數輸入到FLUENT軟件中，選用k-ω湍流模型（又稱為高Reynolds模型），針對模擬對象為冷藏周轉柜，可選取SSTk-ω輸運模型進行求解[4]。最后經FLUENT模型得出的模擬數據文件，整合到ANSYS WORKBENCH的圖像輸出界面，得出模型內溫度分布情況。計算可按照時間來計算，而不是按步數來規定運算結果。見圖1、2。

圖1 模型圖樣

圖2 網格模型

3.3 進一步對結果分析

模擬結果受到不同模型的影響，結果應該不盡相同，在此我們只討論本文模擬的一種結果和由此揣測的通用結果。本文模擬選用的兩個數據曲線，一個為模型的溫度模擬/實驗變化曲線圖，另一個則是整體的誤差分布，以驗證模擬結果的誤差程度[5]。如圖3、4所示。

圖3 溫度模擬值與實驗值

圖4 整體的溫度誤差分布

從模擬結果來看，實驗的實驗值溫度的波動比模擬值出現的略早，模擬值的波動出現在1350～1400左右，而實驗值出現在900左右，從這一點我們可以看出由于冷藏環境趨于實際時，受到冷藏柜結構和貨物的影響，溫度場出現波動循環的時間較早。從冷藏柜模型的中部橫截面的溫度分布情況和縱截面的分布情況可以看出，在冷藏柜有縫隙，靠近柜門密封區的位置，以及距離貨物較近的位置，溫度的分布趨向于高溫分布，這要是和密封不嚴和貨物本身所帶有的熱度有關。

4 冷藏箱維護以及改進的措施

對于冷藏箱的質量，物流公司應該對冷藏箱的質量加以嚴格檢查，發現制造時有無零件松弛的現象，在保證質量之后，公司一定要對冷藏設備進行較好的保養，盡可能減少因人為操作造成的柜體松弛[6]。同時，物流公司可以針對本公司的冷場設備，如冷藏車，冷藏周轉柜以及各式冷藏箱，利用FLUENT類的進行熱固耦合模擬測試，將冷鏈物流可能出現的設備內部溫度場進行模擬測試。得出溫度場分布結果后，對冷藏系統的結構進行優化，再次進行模擬，得出最優結構模型后，刨除人為因素（如貨物的堆放方式），更新訂購和最佳模擬結構相似的冷藏箱，冷藏車等等。在物流公司擁有某些沒有傳統制冷結構類如壓縮機和制冷劑的冷藏設備，就要考慮一定的工藝問題[7]。以半導體冷藏箱為例，某些冷藏箱的溫度出現故障的原因是某些導熱硅膠性能較差導致陀螺造成的，所以冷藏箱應該改用更加優質的導熱硅膠。

5 結語

總的來說，對于冷藏周轉柜來說，貨物類型、柜內結構、制冷系統對冷藏柜內的溫度恒定程度均有一定的影響。物流公司應該利用模擬得出的最佳冷藏模型，選用最適合自己的冷藏設備。同時，利用物聯網技術，給每份貨品配有RFID標簽，通過溫度傳感器、氣體感應器、全球定位系統等信息傳感設備，對生鮮產品的溫度以及氣味進行實時檢測并記錄，這樣就能夠更好地監控冷藏柜的溫度分布情況，以便于及時發現故障并排除。