冷鏈專用蓄冷托盤設計與控溫運輸性能測試

劉廣海，馬平川，李慶庭，梁銘華，謝如鶴，吳俊章

冷鏈專用蓄冷托盤設計與控溫運輸性能測試

劉廣海1，馬平川1，李慶庭1，梁銘華1，謝如鶴1※，吳俊章2

（1. 廣州大學管理學院，廣州 510006；2. 帕多瓦大學工業(yè)工程學院，帕多瓦 35131）

目前蓄冷冷藏運輸車普遍采用車體和蓄冷裝置一體化設計，存在重心偏高、控溫范圍窄、蓄冷劑充注量與運輸時間難以合理匹配等問題。基于此，該研究設計并建造一款集標準托盤、蓄冷槽、蓄冷盒等裝置于一體的冷鏈專用蓄冷托盤。蓄冷托盤適用于包括倉儲、運輸裝備在內(nèi)的全程冷鏈環(huán)境，該設備采用分體式設計，運用時利用夜間低谷電充冷，相變材料（Phase Change Material，PCM）種類和質(zhì)量可根據(jù)運輸貨物實際情況靈活搭配，從而達到按需蓄冷、靈活控溫、降低重心、節(jié)能降耗等多重目標。試驗結果表明，使用水凝膠為PCM，質(zhì)量為100、200、300 kg時，車廂控溫時間可達1～3 d，基本滿足中短途冷藏運輸需要。同時，循環(huán)通風可將車內(nèi)平均溫度由9.3、6.9、6.7 ℃降至5.7、4.6、3.3 ℃。在車廂溫度均勻性方面，無循環(huán)通風時，車廂溫度場水平分層嚴重，截面間最高溫差分別為2.8、2.8、3.2 ℃，截面內(nèi)最大溫差4.2、4.1、6.6 ℃；循環(huán)通風后，截面間和截面內(nèi)最大溫差分別降至0.4、0.4、0.5 ℃和0.8、0.9、0.7 ℃，降幅分別為85.7%、85.7%、84.4%和81.0%、78.0%、89.4%。與傳統(tǒng)蓄冷冷藏車（300 kg PCM）相比，溫度絕對不均勻度系數(shù)由2.5下降至1.2，下降52.0%；車廂重心高度由1.46 m下降至0.77 m，下降47.3%。研究可為冷鏈節(jié)能低碳發(fā)展提供借鑒，為蓄冷冷藏運輸裝備拓展應用及優(yōu)化設計提供參考。

溫度控制；冷藏；運輸；冷鏈；蓄冷托盤；溫度場

0 引 言

中國是全球最大的食品生產(chǎn)和消費國，產(chǎn)銷量約占全球的1/4，2020年農(nóng)產(chǎn)品省際調(diào)運量在4億t以上[1]。作為農(nóng)產(chǎn)品流通的重要途徑，冷鏈物流越來越受到關注：2017—2021年，“冷鏈物流”已連續(xù)5 a出現(xiàn)在中央一號文件中。與此同時，中國在冷藏運輸方面的發(fā)展仍存在一定問題：由于冷藏運輸能耗成本高，部分商販忽視食品品質(zhì)，擅自提高運輸溫度甚至采用土保溫替代冷藏運輸，冷鏈流通率僅為19%（歐美等發(fā)達國家在90%以上），常造成各類易腐貨物的腐損率高達15%～30%，年直接經(jīng)濟損失上千億元[2]。截止2020年底，中國各類冷藏運輸裝備總量達27萬臺，僅占全球的6%，人均不及歐美等國家的1/10[3]。2020年，中國在第七十五屆聯(lián)合國一般性辯論會中作出承諾，將采取強有力的措施，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。因此，如何提高冷鏈流通率，在保障食品品質(zhì)安全的同時降低運輸能耗和碳排已成為全行業(yè)共識[4]。

針對上述問題，蓄冷運輸裝備利用相變材料（Phase Change Material，PCM）替代機械制冷裝置，合理利用電網(wǎng)資源（夜間充冷、白天運輸放冷），具有運用成本低，節(jié)能低碳等優(yōu)點，近年來越來越受到行業(yè)的青睞[5-7]。在運輸裝備方面，Tan等[8]將液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）作為燃料和冷源應用于冷藏車，改進蓄冷換熱系統(tǒng)，在探討新的應用模式基礎上肯定了蓄冷冷藏裝備的發(fā)展方向。Liu等[9]在澳大利亞開發(fā)了一款PCM外置式蓄冷車，研究表明，在當?shù)貧庀髼l件下，250 kg蓄冷劑可滿足車廂-18 ℃低溫全天配送要求（復雜工況下，最高390 kg可滿足需要），且能耗僅為機械冷藏車的20%左右。劉廣海等[10-11]通過結構優(yōu)化，將蓄冷裝置前移實現(xiàn)了車輛重心下降、車廂可控溫和多溫共配等目標。此外，中國鐵路蓄冷車歷經(jīng)3代發(fā)展，逐步解決了蓄冷劑充注、蓄冷板設計及放冷特性優(yōu)化等相關問題[12]；2020年，中車與國內(nèi)外研究機構合作，開發(fā)新型12.192 m（40 ft）蓄冷集裝箱，該裝備充冷時間6 h可持續(xù)控溫14 h以上，較機械冷藏車節(jié)能61.9%[13]。在材料改進方面，Ahmed等[14]將PCM嵌入冷藏車圍護結構，使得車廂峰值負荷降低29%，總能耗減少16%。Copertaro等[15]在上述研究的基礎上將外部PCM層與絕緣夾層板集成為新的圍護結構，使車廂峰值負荷減少20.87%，傳熱速率降低4.74%。李細霞等[16]設計了一種玻璃鋼板夾硬質(zhì)聚氨酯三層復合板結構的冷藏車隔熱層，峰值傳熱速率最高可降低6.79 W/m2，在減輕車廂質(zhì)量降低能耗同時增強保冷隔熱效果[17]。呂恩利等[17]將真空隔熱材料應用于蓄冷箱，控溫時長最高可達106 h，有效延長了蓄冷保溫時間。上述研究促進了蓄冷運輸裝備技術的發(fā)展和進步，但也不可避免存在一些問題：1）目前的蓄冷冷藏車蓄冷裝置與車廂采用一體化設計，為延長控溫時間，PCM充注量較大（大多為300～400 kg），在增加車輛自重的同時存在過度充冷造成能源浪費等現(xiàn)象；2）大部分蓄冷冷藏車采用冷板頂置的模式，車輛重心較高不利于運輸安全，同時，使用時冷板存在冷凝水下滴等現(xiàn)象也影響到食品品質(zhì)；3）PCM材料固定限定了蓄冷冷藏車運用條件，使得車輛無法實現(xiàn)冷凍、冷藏通用。

為此，本文將蓄冷技術與標準托盤相結合，研制冷鏈專用蓄冷托盤，以期達到按需蓄冷、靈活控溫、降低重心、節(jié)能降耗等多重目標。為考察運用效果，本文對其運用模式和控溫效果展開分析，以期為蓄冷冷藏運輸裝備拓展應用及優(yōu)化設計提供參考。

1 冷鏈專用蓄冷托盤設計與運用模式

1.1 冷鏈專用蓄冷托盤設計

食品冷鏈環(huán)節(jié)多，人工作業(yè)效率低、耗時長且容易造成貨損。為此，國家自2014年起在物流領域大力推行托盤標準化行動并取得了積極成效。分析表明，使用標準托盤可使車輛周轉率提高20%，裝卸效率提高21倍，貨損率降低45%[18]。截至2019年中國托盤市場保有量達14.5億片[19]，新建冷庫多采用立體式貨架+托盤的形式存儲貨物，帶板運輸率顯著提高，這為發(fā)展冷鏈專用托盤提供了基礎。而相變蓄冷技術作為一種節(jié)能技術，可在低用電量時將冷量儲存在蓄冷介質(zhì)中，在用電高峰期釋放冷量，實現(xiàn)電能的削峰填谷。基于上述特點，將托盤與蓄冷技術相結合，開發(fā)出一種冷鏈專用托盤如圖1所示。

蓄冷托盤依照國家標準托盤要求進行設計[20]，方便冷庫堆碼與車廂裝載；材料方面，蓄冷盒由高密度聚乙烯制作，蓄冷槽采用全鋁合金設計，由底板、墊塊、底鋪板、頂板、蓄冷槽、蓄冷盒等部件構成。底板、墊塊、底鋪板共同組成叉車位，方便機械化作業(yè)；蓄冷槽和蓄冷盒居中，為冷源提供裝置，PCM種類（相變點不同）和數(shù)量均可根據(jù)使用需要進行調(diào)整；底鋪板和頂板包裹蓄冷槽，采用鏤空結構方便傳熱，同時也可為PCM提供額外的保護，具體結構參數(shù)如表1所示。此外，托盤還在底板下部加裝了低溫防滑墊，用于防止托盤低溫狀態(tài)下結冰滑動。單個托盤最大動載為1.25t，地面堆垛靜載最大為3t，空托盤可堆垛25層。

表1 蓄冷托盤結構參數(shù)

1.2 蓄冷劑充注量

蓄冷托盤控溫運輸過程中PCM的充注量與運輸裝備內(nèi)外環(huán)境、裝載貨物的種類、質(zhì)量以及運輸時間等因素有關。蓄冷劑充注量m的計算如式（1）所示。

式中m為蓄冷劑充注量，kg；1為漏熱冷消耗，kJ；2為漏氣冷消耗，kJ；3為太陽輻射冷消耗，kJ；4為食品呼吸冷消耗，kJ；5為循環(huán)風機冷消耗，kJ；為安全系數(shù)（城際運輸取=1.3，城市配送取=1.6）；為蓄冷劑相變潛熱，kJ/kg。

其中：

式中為車體外表面積，m2；為車廂傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；t、t分別為外環(huán)境和車廂控溫溫度，℃；為運輸時間，h。

式中為滲風量，m3/h；為空氣比熱容，取=1.297kJ/（m3·℃）

式中為車體被太陽照射面積占總面積的百分比（一般取=50%），%；t為車體被太陽照射面的溫度（一般取t=t+12），℃；h為車體被太陽照射的時間，h。

式中m為食品質(zhì)量，kg；q為食品呼吸熱，kJ/(h·kg)。

式中為循環(huán)風機功率，kW。

1.3 運用模式

為應對全球氣候變化，加快實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展轉型，中國提出“雙碳”目標任務。在此背景下，深化電價改革，完善分時電價機制肯定了利用“削峰填谷”政策進行節(jié)能減排的發(fā)展方向。如圖2所示，蓄冷托盤作為一種冷鏈特種設備，可全程應用于冷鏈各環(huán)節(jié)，其運用模式與傳統(tǒng)蓄冷車也有所不同。

1）蓄冷托盤的蓄冷盒與托盤采用分離式設計，在未儲運食品時，可將蓄冷盒置于冷庫，利用夜間低谷電充分充冷。

2）在冷庫儲藏時，可將蓄冷托盤和易腐食品共同放置并儲存，此時蓄冷托盤可對冷庫制冷系統(tǒng)起到削峰填谷的作用（降低冷庫峰值負荷，減少制冷機組裝機容量和初投資），同時托盤的分布式蓄冷對庫內(nèi)溫度的均勻性也有所幫助。

3）在運輸時（如冷鏈前端食品由田間地頭或加工廠運往冷庫，冷鏈末端食品由冷庫運往銷售點等），通過“保溫車+專用蓄冷托盤”的模式，將貨物規(guī)范裝載至托盤上，并根據(jù)所運輸易腐食品的要求（運輸溫度、運輸時間），將一定數(shù)量的蓄冷盒放入托盤內(nèi)，之后由叉車插入保溫車內(nèi)進行運輸。

4）在裝卸搬運、末端銷售等接駁環(huán)節(jié)時，使用冷鏈專用蓄冷托盤亦可短時間維持易腐農(nóng)產(chǎn)品溫度，保障易腐農(nóng)產(chǎn)品在流通過程中不斷鏈。

5）此外，由于該型托盤采用國家推薦標準設計，可以實現(xiàn)企業(yè)間通用。供應商可采用帶板冷藏運輸方式將貨物運輸至零售商，在返程時將蓄冷托盤帶回備用，在提高車輛周轉率和裝卸效率的同時實現(xiàn)冷鏈專用托盤在易腐農(nóng)產(chǎn)品供應鏈上下游企業(yè)間循環(huán)往復使用。

在冷藏運輸環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)蓄冷冷藏車較機械冷藏車雖具有能耗成本低的優(yōu)點，但因制冷機組和蓄冷條整體安放于車上，一方面需增加數(shù)百公斤蓄冷裝置，導致自重較大（藍牌貨車限重4.5 t），另一方面需利用未裝貨的時間段停車接電蓄冷，車輛運用不可避免地受到一定限制。

蓄冷托盤在使用過程中，蓄冷劑的類別和數(shù)量均可根據(jù)需要進行選擇，可大幅減輕自重，按需充冷、應用也更加靈活；蓄冷托盤在應用時，只需使用普通保溫車即可（無需車載制冷系統(tǒng)），在進一步降低自重的同時應用成本更加低廉；此外，由于托盤位于車廂底部，相較于傳統(tǒng)的頂置式蓄冷車重心更低，運輸也更加安全。

2 蓄冷托盤運用性能試驗

2.1 試驗方法

蓄冷托盤能否滿足冷藏運輸需求，關鍵取決于控溫時間的長短以及車廂內(nèi)的溫度分布是否均勻。這既與PCM的充注量有關，也與廂內(nèi)氣流組織方式有關。為此，在參考現(xiàn)有研究成果的基礎上[21-26]，以GU-PCM2型控溫式蓄冷冷藏車為載體[10]，分別對蓄冷劑充注量為100、200和300 kg，無送風和開啟內(nèi)循環(huán)風機（4 m/s）相組合的6種模式展開試驗，考慮蓄冷運輸多應用于中短途運輸，將測試時長設定為24～72 h（1～3 d），具體如表2所示。

表2 蓄冷托盤性能測試

為了研究車廂內(nèi)溫度場的均勻性，引入溫度絕對不均勻度系數(shù)。如式（7）所示，表征了車廂內(nèi)某一時刻個測溫點溫度測量值與平均溫度的偏差程度，其值越大溫度場不均勻程度也越大。

式中S為試驗的溫度絕對不均勻度系數(shù)；t為試驗測溫點的溫度測量值，℃；`t為試驗車廂內(nèi)平均溫度，℃。

此外，研究對裝載蓄冷托盤的保溫車重心也進行計算，確定車輛的安全性能。冷藏車廂的重心直接影響到行車速度與安全。根據(jù)合力矩定理，可計算得到車廂整體重心高度，如式（8）所示。

式中y、y、y分別為車廂、車廂圍護結構、蓄冷裝置重心高度，m；m、m分別為車廂圍護結構和蓄冷裝置質(zhì)量，kg。

2.2 試驗裝置

試驗在真實的保溫運輸車內(nèi)進行，車廂內(nèi)尺寸（長×寬×高）為5.00 m×2.04 m×2.00 m；圍護結構主體采用高密度硬質(zhì)聚氨酯保溫板，導熱率0.026 W/(m·K)，比熱容1.8 kJ/(kg·K)，內(nèi)、外蒙皮采用纖維增強復合材料，總體厚度為0.12 m。

在氣流組織方面，車廂采用端部上送下回送風模式，通風系統(tǒng)共設送風口2個，位于車廂前壁上側兩端，采用直徑為0.25 m的圓形結構，距車頂和側壁的距離分別為0.05和0.10 m；回風口1個，位于車廂前壁底部，采用尺寸（長×寬×高）為1.7 m × 0.04 m× 1.00 m的矩形結構，送回風通道經(jīng)DXD-10型變頻風機與車廂連接[10]。

蓄冷托盤共8個，均勻布置于車廂內(nèi)地板上，當蓄冷劑充注量為100、200和300 kg時，每個蓄冷托盤內(nèi)放置的PCM質(zhì)量分別為12.5、25.0和37.5 kg。蓄冷劑采用水凝膠，無毒無害，相變溫度為0 ℃，相變潛熱334 kJ/kg。

溫度傳感器布置參考國內(nèi)外相關標準要求[27-29]，廂內(nèi)在車廂8個頂角、6個面中心和車廂中央共設置15個測溫點，廂外頂面與左右側面中心設置3個測溫點，除車廂中央測溫點外，其他測溫點均距壁面0.1 m。溫度記錄儀為深圳天圓數(shù)碼科技有限公司生產(chǎn)的Tag06B型，（范圍：-40～125 ℃，精度：±0.3 ℃），每分鐘采集1次數(shù)據(jù)，并通過LoRa通信技術與監(jiān)控系統(tǒng)相連，對車廂內(nèi)溫度變化情況實現(xiàn)實時動態(tài)組網(wǎng)監(jiān)測，如圖3所示。

3 結果與分析

3.1 不同工況條件對控溫時間的影響

測試選取廣州8—9月份晴熱無雨氣象條件下進行，期間平均氣溫約為30 ℃，具有一定代表性。在內(nèi)溫方面，由于本次試驗所選PCM相變點為0 ℃，因此，按照國家標準對冷藏車的分類控溫類別為A級（0～12 ℃）[29]。

試驗結果如圖4所示，由圖4可知通風后的溫度比未通風更加均勻。為更好地對比試驗效果，將各組試驗平均溫度顯示如圖5所示。進行試驗1～3時，隨著PCM質(zhì)量的增加，總體上呈現(xiàn)降溫速度加快、控溫時間延長、平均溫度下降的趨勢。在降溫方面，車廂溫度由常溫降低至12 ℃分別需4.0、2.2和2.1 h；之后控溫階段廂內(nèi)平均溫度為9.3、6.9和6.7 ℃；當試驗結束時，廂內(nèi)平均溫度為9.5、6.4和6.3 ℃。可見，僅從控溫時長來看，當蓄冷劑充注量為100、200和300 kg時，“蓄冷托盤+保溫車”的運輸模式可以滿足1～3 d甚至更長時間的冷藏運輸要求；但由于冷空氣積聚于車廂下部，在無強制通風的條件下，僅靠空氣的熱浮升作用，換熱不充分，車廂降溫時間過長，對運輸食品的品質(zhì)不利。

圖6所示，試驗4～6的降溫時間分別為1.1、0.7和0.4 h，較試驗1～3下降了1.5～3.0 h；平均溫度為5.7、4.6和3.3 ℃，較之前下降3.6、2.3和3.4 ℃；當試驗結束時，廂內(nèi)平均溫度為7.3、8.7和5.2 ℃。

此外，由圖5可以看出，在試驗后期，試驗4～6平均溫度斜率明顯高于試驗1～3。這是由于在強制通風條件下，PCM與車廂空氣換熱更加充分，一方面使得車輛內(nèi)部空氣溫度更接近于PCM的溫度，另一方面因車內(nèi)外溫差加大蓄冷量也消耗得較快。在試驗后期，試驗4至試驗6中PCM相變潛熱消耗量大于試驗1～3，因此，升溫也更加迅速。

易腐食品控溫運輸時要求車廂內(nèi)溫度盡量穩(wěn)定[30]。為此，以3 ℃為波動范圍的臨界值分析上述試驗可以達到的穩(wěn)定溫度區(qū)間及穩(wěn)定時長，如表3所示。對于試驗1～3，穩(wěn)定溫度區(qū)間分別為：8.3～11.3 ℃、5.9～8.9 ℃和5.8～8.8 ℃，穩(wěn)定控溫時長分別可達19.1、42.2和65.3 h。通過增加循環(huán)通風，試驗4～5可降至4.9～7.9 ℃、3.3～6.3 ℃和2.6～5.6 ℃，較未通風降低2～4 ℃；穩(wěn)定控溫時間達21.5、41.5和70.2 h，與未通風基本相當（降溫更快，升溫也更快）。可見在其他條件不變的前提下增加循環(huán)通風，控溫效果明顯改善。

表3 溫度穩(wěn)定區(qū)段統(tǒng)計結果分析

3.2 不同工況條件對溫度均勻性的影響

均勻穩(wěn)定的溫度場有利保障食品品質(zhì)安全，為此，研究將車內(nèi)15個測溫點組合為6個截面，分別表征車廂縱向前、中、后區(qū)域（截面1～3）和水平面上、中、下3個區(qū)域（截面4～6），各截面平均溫度如圖7所示。

3.2.1 截面間溫度均勻性分析

進行試驗1～3時，縱向截面由于車廂端部存在圍護結構傳熱、車門滲風（截面1）、送回風口換熱（截面3）等影響，總體呈現(xiàn)兩端高、中間低的狀況，但總體溫度差別不大，各截面間平均溫差在0.8 ℃以內(nèi)。在水平截面方面，由于未進行車內(nèi)循環(huán)通風，溫度場上下分層明顯，截面之間最大溫差分別為2.8、2.8和3.2 ℃，呈現(xiàn)“截面4<截面5<截面6”的趨勢。水平截面上下溫度梯度較大，這與截面4靠近冷源，截面5居中、截面6位于車廂頂部有關，此時廂內(nèi)的降溫僅依靠空氣自然對流，換熱不充分；而冷空氣下沉、熱空氣上升的特性進一步加劇了溫度的分層。

而進行試驗4～6時，通過增加循環(huán)通風，縱向截面平均溫差降至0.5 ℃以內(nèi)；水平截面之間最大溫差分別降至0.4、0.4和0.5 ℃，較未通風分別可降低85.7%、85.7%和84.4%。可見增加循環(huán)通風可明顯降低車廂水平截面之間溫度波動，提高溫度場均勻性。

3.2.2 截面內(nèi)溫度均勻性分析

為考察截面內(nèi)各點溫度的均勻性，統(tǒng)一選取試驗第12小時時刻點溫度場進行分析。如圖8所示，在進行試驗1～3時，車廂溫度最高點分別接近11.3、9.4和10.2 ℃，位于車廂頂部；溫度最低點約為7.0、4.8和3.6 ℃，位于車廂底部；此時，雖然車廂平均溫度達到控溫要求，但是縱向截面內(nèi)部溫度場波動范圍仍舊較大。對于試驗1～3，截面內(nèi)部最大溫差分別可達4.2、4.1和6.6 ℃。而開啟風機后，縱向截面內(nèi)部溫度波動明顯改善，最大溫差分別降至0.8、0.9和0.7 ℃，較未通風分別降低81.0%、78.0%和89.4%，截面內(nèi)溫度均勻性明顯提高。

3.2.3 車廂整體溫度均勻性評價

在不同蓄冷劑充注量、不同送風條件下，計算得到相應的值。由圖9可知，蓄冷劑充注量分別為100、200、300 kg時，當車內(nèi)無空氣循環(huán)時，最大值分別為1.6、2.1、2.5，與傳統(tǒng)蓄冷冷藏車的值基本相當[22]；開啟風機時，值分別下降到0.6、1.1和1.2，裝載同等質(zhì)量PCM情況下，值較傳統(tǒng)蓄冷冷藏車分別降低62.5%、47.6%和52.0%。

綜上，裝載不同質(zhì)量PCM的蓄冷托盤在試驗過程中，僅靠自然對流換熱，車廂溫度波動范圍較大，溫度場上下分層嚴重，不利于保障食品品質(zhì)；供應商可搭配循環(huán)通風裝置，根據(jù)不同的交貨期匹配不同質(zhì)量的蓄冷劑，在保障車廂控溫效果的同時，降低車輛自重，提高能源利用效率。

3.3 車廂重心計算與分析

傳統(tǒng)蓄冷冷藏車PCM一般放置于車廂頂部，冷藏車重心較高。采用蓄冷托盤時，PCM質(zhì)量主要位于車廂底部，可有效降低車廂重心。車廂各面圍護結構及蓄冷裝置的質(zhì)量和安裝位置決定了車廂重心高度。為便于計算分析，假設車廂為標準矩形，圍護結構密度為45 kg/m3，其重心與車廂幾何中心重合。

表4 車廂重心變化情況

計算結果如表4所示，當傳統(tǒng)蓄冷冷藏車蓄冷劑充注量分別為100、200、300 kg時，以車廂底部為基準面，計算得到重心高度分別為1.12、1.38和1.46 m。改為使用同等質(zhì)量蓄冷劑的蓄冷托盤，由于蓄冷托盤位于車廂地面，均勻的分布在車廂地板上，計算得到重心高度分別為0.96、0.85和0.77 m，車輛重心分別降低約14.3%、38.4%和47.3%。

4 結 論

1）設計并研制了一款集蓄冷槽、蓄冷盒等于一體的冷鏈專用蓄冷托盤并提出其運用模式。該托盤采用可分離式結構，相變材料（Phase Change Material，PCM）利用低谷電充冷，在實際運輸時，PCM類別、質(zhì)量可根據(jù)運輸貨物需求靈活調(diào)整，避免了傳統(tǒng)蓄冷冷藏車自重偏大、控溫范圍較小等缺點。

2）使用水凝膠為PCM時，按A級冷藏車要求，100、200和300 kg蓄冷劑的控溫時間約為1～3 d，可基本滿足中短途冷藏運輸需要。同時，強制通風可明顯降低車內(nèi)平均溫度，以3 ℃為波動范圍的臨界值，試驗1～6的控溫范圍分別為8.3～11.3 ℃、5.9～8.9 ℃、5.8～8.8 ℃、4.9～7.9 ℃、3.3～6.3 ℃、2.6～5.6 ℃，同等條件下較未通風降幅達2～4 ℃。

3）車內(nèi)強制通風在改善蓄冷運輸溫度場方面作用明顯。未進行車內(nèi)循環(huán)通風時，車內(nèi)溫度場上下分層明顯，截面之間最大溫差分別為2.8、2.8和3.2 ℃；截面內(nèi)各點間最高溫差分別可達4.2、4.1和6.6 ℃；溫度絕對不均勻度系數(shù)最大分別為1.6、2.1、2.5，與傳統(tǒng)蓄冷冷藏車基本相當。采用循環(huán)通風后，車廂水平截面之間最大溫差降至0.4、0.4和0.5 ℃；截面內(nèi)最大溫差降至0.8、0.9和0.7 ℃；溫度絕對不均勻度系數(shù)峰值分別降至0.6、1.1和1.2，降幅分別為62.5%、47.6%和52.0%。

4）在車廂重心方面，由于蓄冷托盤平鋪在車廂底部，當PCM質(zhì)量為100、200、300 kg時，車廂重心分別由1.12、1.38和1.46 m降至0.96、0.85和0.77 m，重心較頂置式蓄冷車分別下降了14.3%、38.4%和47.3%，有效提高了車輛行駛安全。

5）蓄冷托盤可全程運用于食品冷鏈，本次試驗僅對冷藏運輸控溫性能進行分析。后期，應針對應用模式，不同裝載貨物，不同車速、風速等情況下的重車運輸、倉儲、接駁等環(huán)節(jié)進行深入研究。此外，未來也將對“蓄冷托盤+保溫車”運輸模式能耗、碳排問題展開進一步討論，對運用效果進行綜合評估。

[1] 中國物流與采購聯(lián)合會. 中國冷鏈物流發(fā)展報告（2020）[M]. 北京：中國財富出版社，2020.

[2] 田長青. 中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)研究與發(fā)展·冷鏈物流[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2020.

[3] Zhao H, Liu S, Tian C, et al. An overview of current status of cold chain in China[J]. International Journal of Refrigeration, 2018, 88: 483-495.

[4] Gao E, Cui Q, Jing H, et al. A review of application status and replacement progress of refrigerants in the Chinese cold chain industry[J]. International Journal of Refrigeration, 2021, 128: 104-117.

[5] Du K, Calautit J, Wang Z, et al. A review of the applications of phase change materials in cooling, heating and power generation in different temperature ranges[J]. Applied Energy, 2018, 220: 242-273.

[6] 李曉燕，張曉雅，邱雪君，等. 相變蓄冷技術在食品冷鏈運輸中的研究進展[J]. 包裝工程，2019，40(15)：150-157.

Li Xiaoyan, Zhang Xiaoya, Qiu Xuejun, et al. Research progress of phase change cold storage technology in food cold chain transportation[J]. Packaging Engineering, 2019, 40(15): 150-157. (in Chinese with English abstract)

[7] 陶文博，謝如鶴. 有機相變蓄冷材料的研究進展[J]. 制冷學報，2016，37(1)：52-59.

Tao Wenbo, Xie Ruhe. Research and development of organic phase change materials for cool thermal energy storage[J]. Journal of Refrigeration, 2016, 37(1): 52-59. (in Chinese with English abstract)

[8] Tan H, Li Y, Tuo H, et al. Experimental study on liquid/solid phase change for cold energy storage of Liquefied Natural Gas (LNG) refrigerated vehicle[J]. Energy, 2010, 35(5): 1927-1935.

[9] Liu M, Saman W, Bruno F. Computer simulation with TRNSYS for a mobile refrigeration system incorporating a phase change thermal storage unit[J]. Applied Energy, 2014, 132: 226-235.

[10] 劉廣海，吳俊章，F(xiàn)oster A，等. GU-PCM2型控溫式相變蓄冷冷藏車設計與空載性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(6)：288-295.

Liu Guanghai, Wu Junzhang, Foster A, et al. Design and no-load performance test of GU-PCM2 temperature controlled phase change storage refrigerator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 288-295. (in Chinese with English abstract)

[11] 劉廣海，吳俊章，F(xiàn)oster A，等. 多溫蓄冷車設計與車內(nèi)溫度場分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2019，50(4)：309-316.

Liu Guanghai, Wu Junzhang, Foster A, et al. Design of multi-temperature cold storage vehicle and analysis on temperature field in vehicle[J]. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Machinery, 2019, 50(4): 309-316. (in Chinese with English abstract)

[12] 李洋. 冷鏈物流技術與裝備[M]. 中國財富出版社，2021.

[13] 童山虎，聶彬劍，李子瀟，等. 基于相變蓄冷技術的冷鏈集裝箱性能研究[J]. 儲能科學與技術，2020，9(1)：211-216.

Tong Shanhu, Nie Binjian, Li Zixiao, et al. Investigation of the cold thermal energy storage reefer container for cold chain application[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(1): 211-216. (in Chinese with English abstract)

[14] Ahmed M, Meade O, Medina M A. Reducing heat transfer across the insulated walls of refrigerated truck trailers by the application of phase change materials[J]. Energy Conversion and Management, 2010, 51(3): 383-392.

[15] Copertaro B, Principi P, Fioretti R. Thermal performance analysis of PCM in refrigerated container envelopes in the Italian context–Numerical modeling and validation[J]. Applied thermal engineering, 2016, 102: 873-881.

[16] 李細霞，呂東霖，李長玉. 冷藏車車廂結構優(yōu)化設計及關鍵參數(shù)分析[J]. 中國工程機械學報，2018，16(4)：316-320.

Li Xixia, Lü Donglin, Li Changyu. Structure optimization and key parameters analysis of a refrigerated truck carriage[J]. Chinese Journal of Construction Machinery, 2018, 16(4): 316-320. (in Chinese with English abstract)

[17] 呂恩利，沈昊，劉妍華，等. 蓄冷保溫箱真空隔熱蓄控溫傳熱模型與驗證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(4)：300-306.

Lü Enli, Shen Hao, Liu Yanhua, et al. Heat transfer model for vacuum insulated thermal cooling storage temperature control andverification in cold storage incubator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 300-306. (in Chinese with English abstract)

[18] 商務部. 2016年度中國托盤標準化發(fā)展監(jiān)測分析報告[R]. 北京：2017.

[19] 中國物流與采購聯(lián)合會. 中國物流年鑒（2020）[M]. 北京：中國財富出版社，2020.

[20] 全國物流標準化技術委員會. 聯(lián)運通用平托盤主要尺寸及公差：GB/T 2934-2007[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[21] 王廣海，郭嘉明，呂恩利，等. 出風道參數(shù)對冷藏集裝箱溫度場的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47(10)：293-301.

Wang Guanghai, Guo Jiaming, Lü Enli, et al. Effects of air-outlet duct parameters on temperature distribution in fresh-keeping container[J]. Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47( 10) : 293-301. (in Chinese with English abstract)

[22] 謝如鶴，唐海洋，陶文博，等. 基于空載溫度場模擬與試驗的冷藏車冷板布置方式優(yōu)選[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(24)：290-298.

Xie Ruhe, Tang Haiyang, Tao Wenbo, et al. Optimization of cold-plate location in refrigerated vehicles based on simulation and test of no-load temperature field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 290-298. (in Chinese with English abstract)

[23] 徐笑鋒，章學來，周孫希，等. 蓄冷式多溫區(qū)保溫箱系統(tǒng)設計與實驗研究[J]. 制冷學報，2019，40(3)：92-98.

Xu Xiaofeng, Zhang Xuelai, Zhou Sunxi, et al. Design and experimental study on the storage type insulation box with multi-temperature[J]. Journal of Refrigeration, 2019, 40(3): 92-98. (in Chinese with English abstract)

[24] 錢建平，范蓓蕾，張翔，等. 基于溫度感知RFID標簽的冷鏈廂體中溫度監(jiān)測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(21)：282-288.

Qian Jianping, Fan Beilei, Zhang Xiang, et al. Temperature monitoring in cold chain chamber based on temperature sensing RFID labels[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(21): 282-288. (in Chinese with English abstract)

[25] Vadhera J, Sura A, Nandan G, et al. Study of phase change materials and its domestic application[J]. Materials Today: Proceedings, 2018, 5(2): 3411-3417.

[26] 徐笑鋒，章學來，Jotham Muthoka Munyalo，等. 十水硫酸鈉相變蓄冷保溫箱保冷特性的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(22)：308-314.

Xu Xiaofeng, Zhang Xuelai, Muthoka Munyalo Jotham, et al. Experimental study on cold retention characteristics of cold storage incubator using Na2SO4·10H2O as PCMs[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(22): 308-314. (in Chinese with English abstract)

[27] 全國制冷標準化委員會. 多溫冷藏運輸裝備技術要求及測試方法：SB/T 11092-2014[S]. 北京：中國標準出版社，2015.

[28] The Freight Containers Technical Committee of International Organization for Standardization. Series 1 freight containers-specification and testing-Part2: Thermal containers: ISO 1496-2-2008[S]. Geneva: International Organization for Standardization，2008.

[29] 全國汽車標準化技術委員會. 道路運輸食品與生物制品冷藏車安全要求及試驗方法：GB 29753-2013[S]. 北京：中國標準出版社，2014.

[30] 全國制冷標準化委員會. 易腐食品控溫運輸技術要求：GB/T 22918—2008[S]. 北京：中國標準出版社，2009.

Design of special cold chain pallet and its temperature-controlled transport performance test

Liu Guanghai1, Ma Pingchuan1, Li Qingting1, Liang Minghua1, Xie Ruhe1※, Wu Junzhang2

(1.,,510006,; 2.,,35131,)

The largest number of fruits and vegetables are produced annually in the world, particularly in traditional agriculture in China. Correspondingly, refrigerated transportation is a crucial link to ensure the safety and quality of perishable food in a fully cold chain logistics. However, the transport of refrigerated vehicles still is less utilized nowadays, due mainly to the relatively high initial and maintenance costs, such as high energy consumption and expensive manual labor. Since an integrated vehicle body with a cold storage device is mostly adopted in the current equipment, there is an inevitable mismatch between the charging amount of phase change material (PCM) and transportation time, temperature with a narrow range, as well as a high center of gravity. Therefore, the purpose of this study aimed to design and construct a special PCM pallet for better temperature-control performance in the cold chain. The novel PCM pallet was also integrated with the standard pallet, cold storage container, and PCM pack, particularly suitable for the cold chain environment over the whole process from the cold product storage to transportation. A split PCM pallet and can were adopted to independently install at the bottom of the carriage. As such, the system was charged with the cooling thermal energy (CTE) using off-peak electricity at night. The specific procedure was as follows. The goods were first loaded onto the pallet, according to the required transportation of perishable food, while the PCM pack was then put into the pallet, and the forklift was finally inserted into the insulated truck for transportation. The CTE capacity was adjusted flexibly in this system, according to the actual needs of the transport goods, compared with only a limited CTE capacity in the traditional cold storage refrigerated vehicles. A performance test of temperature-control transport was also performed on a newly-developed platform for 100, 200, and 300kg PCM pallets. The results showed that the mean temperatures were 9.3 ℃, 6.9 ℃, and 6.7 ℃, respectively, while the temperature-control time reached 19.1, 42.2, and 65.3 h, respectively, in the three PCM pallets during the temperature-control stage without an air supply. Furthermore, the mean temperatures were 5.7 ℃, 4.6 ℃ and 3.3 ℃ when the fan was turned on, 3.6 ℃, 2.3 ℃ and 3.4 ℃ lower than that without an air supply. At the same time, the temperature-control time reached 21.5, 41.5, and 70.2 h, indicating all the same without an air supply. More importantly, the CTE capacity was flexibly controllable for the transportation time and required temperature range. Nevertheless, there was a seriously uneven temperature field in the 300kg PCM on the horizontal and upper layers of carriage without wind, where the temperature difference between sections reached up to 3.2 ℃. In addition, the mean temperature difference was reduced to less than 0.5 ℃ in the cross section, when opening the fan, 84.4% lower than before. Consequently, the absolute temperature in the 300 kg PCM plate can be expected to reduce by 52.0% for the insulated vehicle, compared with the traditional. The center of mass of the vehicle was also reduced by 47.3%, compared with the overhead PCM refrigerated vehicle. The finding can provide a sound reference for the application and optimized design in the PCM-based transportation equipment.

temperature control; refrigerated; transportation; cold chain;phase change material (PCM) pallet; temperature field

劉廣海，馬平川，李慶庭，等. 冷鏈專用蓄冷托盤設計與控溫運輸性能測試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(16)：295-302.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.036 http://www.tcsae.org

Liu Guanghai, Ma Pingchuan, Li Qingting, et al. Design of special cold chain pallet and its temperature-controlled transport performance test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(16): 295-302. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.036 http://www.tcsae.org

2021-04-21

2021-08-12

廣東省重點領域研發(fā)計劃項目（No.2019B020225001）；廣東省農(nóng)產(chǎn)品保鮮物流共性關鍵技術研發(fā)創(chuàng)新團隊項目（No.2021KJ145）；廣州市教育局高校科研項目（202032872）

劉廣海，副教授，研究方向為冷鏈物流裝備設計與運用。Email：broadsrea@gzhu.edu.cn

謝如鶴，教授，博士生導師，研究方向為冷鏈物流方面。Email：583385752@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.036

U272.5

A

1002-6819(2021)-16-0295-08