流通環(huán)境對(duì)液氮充注蓄冷配送箱保溫性能的影響

夏晶晶，王飛仁，王廣海，林詩(shī)濤，任俊杰，郭嘉明,3

流通環(huán)境對(duì)液氮充注蓄冷配送箱保溫性能的影響

夏晶晶1,2，王飛仁1,2，王廣海1,2，林詩(shī)濤2，任俊杰2，郭嘉明2,3

（1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510515；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 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）

為了提高液氮充注蓄冷配送箱在流通過(guò)程中的保溫性能，保證配送品質(zhì)。搭建配送箱流通環(huán)境模擬試驗(yàn)平臺(tái)，研究不同外界風(fēng)速、外界溫度和振動(dòng)頻率對(duì)蓄冷配送箱內(nèi)空氣溫度變化和溫度場(chǎng)分布的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)外界風(fēng)速增大時(shí)，箱體內(nèi)部環(huán)境的升溫速度也會(huì)增大；外界溫度對(duì)液氮充注完畢后箱內(nèi)最低溫度產(chǎn)生較大影響，箱體內(nèi)部空氣最低溫度隨外界溫度降低而降低，同時(shí)始終在運(yùn)輸過(guò)程中維持較低的溫度，箱體內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性先提高后降低；振動(dòng)對(duì)箱體內(nèi)部環(huán)境的升溫速度影響較大，而隨著振動(dòng)頻率增大，箱體內(nèi)部的溫度場(chǎng)均勻性變差。該研究可為蓄冷運(yùn)輸配送設(shè)備的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

蓄冷；配送箱；保溫性能；流通環(huán)境；液氮；振動(dòng)

金槍魚(yú)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，為保證金槍魚(yú)的品質(zhì)，需要在?50 ℃以下的溫度進(jìn)行運(yùn)輸[1]。液氮充注蓄冷配送箱將液氮冷量存儲(chǔ)于相變材料（Phase Change Material，PCM）中，在運(yùn)輸過(guò)程中緩慢釋放冷量保持箱內(nèi)溫度，具有節(jié)能、環(huán)保、冷卻快等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。但配送箱在運(yùn)輸過(guò)程中，車輛行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，外界溫度和風(fēng)速都可能影響其保溫性能[5-7]。因此，開(kāi)展運(yùn)輸過(guò)程對(duì)配送箱保溫性能和溫度場(chǎng)影響的研究具有必要性。

目前針對(duì)在流通環(huán)境下的配送箱保溫性能研究，主要集中于研究箱體內(nèi)貨物的品質(zhì)變化情況。胡云峰等[8]研究了不同振動(dòng)頻率對(duì)箱體中蒜薹品質(zhì)的影響。周然等[9]研究了運(yùn)輸過(guò)程中因振動(dòng)對(duì)箱體中的哈密瓜的抗氧化保護(hù)系統(tǒng)的影響。楊松夏等[10]研究了3種運(yùn)輸方式（氣調(diào)保鮮運(yùn)輸、冷藏加濕保鮮運(yùn)輸和冷藏保鮮運(yùn)輸）下，菜心的品質(zhì)變化規(guī)律和保鮮效果。Laguerre等[11]研究了在不受控制的環(huán)境溫度下，裝有冰袋的保溫箱中沙丁魚(yú)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。然而，針對(duì)不同風(fēng)速、外界溫度和振動(dòng)頻率等參數(shù)下箱體的空氣溫度變化和分布的研究暫未發(fā)現(xiàn)報(bào)道，因此，文中搭建了模擬流通環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)，研究不同外界風(fēng)速、外界溫度和振動(dòng)頻率對(duì)箱體的保溫性能影響，以期為蓄冷運(yùn)輸配送設(shè)備的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)平臺(tái)

搭建的配送箱模擬流通環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)及其實(shí)物圖見(jiàn)圖1、圖2，主要由風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、配送箱、振動(dòng)臺(tái)、振動(dòng)臺(tái)控制器和無(wú)紙記錄儀組成。風(fēng)道主體結(jié)構(gòu)由鋁型材搭建而成，并通過(guò)亞克力板將其四周密封，與之相連的風(fēng)機(jī)（型號(hào)CZR90，風(fēng)量為20 m3/min，轉(zhuǎn)速為2 800 r/min）將空氣吹往配送箱。通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖調(diào)速器的占空比以獲得不同的風(fēng)速，從而改變配送箱外界的空氣流動(dòng)速度[12]。配送箱固定在振動(dòng)臺(tái)（ZY–4013型，廣州震宇試驗(yàn)設(shè)備有限公司）上，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)控制器可改變振動(dòng)頻率。配送箱體內(nèi)布置PT100傳感器（型號(hào)為WZP–PT100、精度為±0.1、測(cè)量范圍為?200～500 ℃），見(jiàn)圖1。采用無(wú)紙記錄儀（型號(hào)為SIN–R9600、精度為2%、杭州聯(lián)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)有限公司）記錄各PT100傳感器的數(shù)值，同時(shí)將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)內(nèi)。數(shù)字電子秤（型號(hào)為XK3190–A6、精確度等級(jí)三級(jí)、上海耀華稱重系統(tǒng)有限公司）記錄液氮的消減量。蓄冷型保溫箱通常在配送過(guò)程中放置合適的蓄冷板以延長(zhǎng)生鮮食品的保鮮時(shí)間[13]，故文中選取相變溫度適應(yīng)液氮充注特性的超低溫蓄冷劑置于箱內(nèi)，放置在蓄冷板的蓄冷劑其物性參數(shù)見(jiàn)表1。

1.風(fēng)機(jī)；2.風(fēng)道；3.配送箱；4.振動(dòng)臺(tái)；5.蓄冷板；6.無(wú)紙記錄儀；7.計(jì)算機(jī)；8.振動(dòng)臺(tái)控制器。

1.風(fēng)機(jī)；2.風(fēng)道；3.配送箱；4.振動(dòng)臺(tái)；5.振動(dòng)臺(tái)控制器；6.無(wú)紙記錄儀。

2 試驗(yàn)方案

在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將配送箱體固定在振動(dòng)臺(tái)上，將在室內(nèi)溫度25 ℃放置的4.5 kg蓄冷劑裝入蓄冷板，并放置在配送箱體底部，并將PT100溫度傳感器布置在如圖3所示所設(shè)定的位置，通過(guò)往箱體內(nèi)部充注液氮，將箱體溫度下降，同時(shí)將液氮的冷能存儲(chǔ)到蓄冷板中，蓄冷板會(huì)釋放冷能用于維持箱體的溫度。將液氮罐放在數(shù)字電子秤上，記錄其當(dāng)前重量為試驗(yàn)前的初始重量；將液氮注入箱體中，當(dāng)液氮充注完成后，記錄液氮罐當(dāng)前重量為試驗(yàn)后的重量。通過(guò)振動(dòng)臺(tái)控制器和脈寬調(diào)速器將振動(dòng)臺(tái)和風(fēng)機(jī)開(kāi)啟。設(shè)定無(wú)紙記錄儀每1 min記錄一組數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)充注8 kg液氮，模擬8 h的運(yùn)輸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)制圖和分析。

表1 相變蓄冷劑物性參數(shù)

Tab.1 Physical properties of phase change material

在箱體內(nèi)寬度方向的中縱截面上均勻布置9個(gè)PT100傳感器（A1—A9），取9個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的平均值來(lái)表征箱體的平均溫度，具體分布見(jiàn)圖3。

圖3 溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)分布圖

試驗(yàn)的因素及水平見(jiàn)表2，此次試驗(yàn)有外界風(fēng)速、外界溫度和振動(dòng)頻率這3個(gè)影響因素，每個(gè)因素取4個(gè)水平值，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。在不同外界風(fēng)速、外界溫度和振動(dòng)頻率條件下進(jìn)行配送箱模擬流通環(huán)境單因素試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)8 h內(nèi)箱體平均的空氣溫度變化及分布情況。

3 結(jié)果與分析

對(duì)不同風(fēng)速、外界溫度和振動(dòng)頻率對(duì)箱體保溫性能和溫度分布均勻性進(jìn)行分析。因配送箱內(nèi)溫度隨時(shí)間持續(xù)變化，取箱內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)過(guò)程中的平均值作為均勻性評(píng)價(jià)依據(jù)。具體試驗(yàn)結(jié)果及分析如下。

3.1 不同外界風(fēng)速對(duì)箱體保溫性能的影響

分別設(shè)置外界風(fēng)速為0、10、20、30 m/s。如圖4所示，當(dāng)外界風(fēng)速為30 m/s時(shí)，液氮充注后箱內(nèi)最低溫度明顯高于其他外界風(fēng)速。從箱體內(nèi)部溫度這一方面分析，當(dāng)風(fēng)速在0～30 m/s范圍內(nèi)時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)箱內(nèi)空氣溫度提高，當(dāng)風(fēng)速為30 m/s時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)箱體內(nèi)部平均溫度已達(dá)?31 ℃。說(shuō)明外界的空氣流動(dòng)速度增大會(huì)使箱體與外界的熱交換加快，導(dǎo)致箱體內(nèi)部空氣溫度上升加快[14]。如表3所示，從箱體溫度分布這一方面分析，在風(fēng)速在0～30 m/s范圍內(nèi)，外界風(fēng)速對(duì)箱內(nèi)溫度分布影響不明顯，風(fēng)速為20 m/s時(shí)，其箱體的溫度場(chǎng)均勻性較好。這可能是由于外界風(fēng)速的增大，提高了箱體與空氣的換熱效率，促進(jìn)箱內(nèi)溫度均勻性提高，但隨著風(fēng)速進(jìn)一步增大，箱體表面氣流分布不均勻性也進(jìn)一步提高，導(dǎo)致箱內(nèi)外環(huán)境換熱更加復(fù)雜。

表2 試驗(yàn)因素及水平

Tab.2 Test factors and levels

圖4 不同風(fēng)速下箱體溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

表3 不同風(fēng)速對(duì)箱體中縱截面溫度場(chǎng)的影響

Tab.3 Effect of different velocity on medium longitudinal section temperature field of box ℃

3.2 不同外界溫度對(duì)箱體保溫性能的影響

分別設(shè)置外界溫度為15、20、25、30 ℃。如圖5所示，外界溫度對(duì)液氮充注后箱內(nèi)最低溫度影響較大，箱內(nèi)最低溫度隨著外界溫度提高而提高。從箱體內(nèi)空氣溫度變化這一方面分析，當(dāng)外界溫度在15～30 ℃范圍內(nèi)時(shí)，隨著外界溫度的升高，試驗(yàn)結(jié)束箱體內(nèi)空氣平均溫度越高，當(dāng)外界溫度為30 ℃時(shí)，箱體內(nèi)部平均溫度已達(dá)?39 ℃。如表4所示，從箱體溫度分布這一方面分析，在外界溫度15～30 ℃范圍內(nèi)，當(dāng)外界溫度為20 ℃時(shí)，其箱體溫度場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差較小。說(shuō)明在這外界溫度水平中，外界溫度為20 ℃時(shí)，其箱體的溫度場(chǎng)均勻性較好[15]。這可能是由于外界溫度的升高，提高了箱體與空氣的換熱效率，但隨著外界溫度進(jìn)一步增大，箱體內(nèi)外環(huán)境換熱變得更加復(fù)雜，從而導(dǎo)致外界溫度為20 ℃時(shí)箱體內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性較好。

圖5 不同外界溫度對(duì)箱體保溫時(shí)長(zhǎng)的影響

表4 不同外界溫度對(duì)箱體中縱截面溫度場(chǎng)的影響

Tab.4 Effect of different external temperature on medium longitudinal section temperature field box ℃

3.3 不同振動(dòng)頻率對(duì)箱體保溫性能的影響

影響車輛在行駛過(guò)程中振動(dòng)頻率的是車速和路面的不平整度，振動(dòng)頻率可由式（1）計(jì)算[16]。

式中：為振動(dòng)頻率，Hz；為行駛車速，m/s；為路面不平度，取路面最小的不平整度為0.1。

根據(jù)配送車輛在城市道路中的車速一般在0～30 km/h，分別設(shè)置振動(dòng)頻率為10、30、50、70 Hz。如圖6所示，振動(dòng)頻率對(duì)液氮充注后箱內(nèi)空氣最低溫度有一定影響，但隨著振動(dòng)頻率增大后，影響減小。當(dāng)振動(dòng)頻率為30 Hz時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)箱體內(nèi)空氣溫度較高，為?43.71 ℃。當(dāng)頻率增大到50 Hz后，振動(dòng)幅度大幅度減少，導(dǎo)致對(duì)箱體的影響減小，箱體內(nèi)的空氣溫度變化減緩，箱體保溫時(shí)長(zhǎng)有所延長(zhǎng)。如表5所示，在箱體溫度場(chǎng)方面，振動(dòng)頻率為10 Hz的條件下，箱體的溫度場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差較小，為5.41，其溫度場(chǎng)均勻性較好。當(dāng)振動(dòng)頻率增大時(shí)，溫度場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差基本維持穩(wěn)定，振動(dòng)頻率對(duì)箱內(nèi)溫度分布均勻性的影響降低。這可能是由于當(dāng)振動(dòng)頻率增大時(shí)，其振幅會(huì)減小[17]，導(dǎo)致振動(dòng)對(duì)箱體的影響減小。

圖6 不同振動(dòng)頻率對(duì)箱體保溫時(shí)長(zhǎng)的影響

表5 不同振動(dòng)頻率對(duì)箱體中縱截面溫度場(chǎng)的影響

Tab.5 Effect of different vibration frequency on medium longitudinal section temperature field of box ℃

4 結(jié)語(yǔ)

搭建模擬流通環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)單因素試驗(yàn)研究了不同風(fēng)速、外界溫度和振動(dòng)頻率對(duì)蓄冷配送箱體保溫性能的影響，以期保證金槍魚(yú)的品質(zhì)，為運(yùn)輸設(shè)備的優(yōu)化提供參考。試驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)速、外界溫度和振動(dòng)頻率都對(duì)配送箱內(nèi)空氣的溫度變化和分布有一定的影響。

1）風(fēng)速對(duì)箱體內(nèi)部環(huán)境升溫的速度有著正面的影響。當(dāng)風(fēng)速為30 m/s時(shí)，箱體內(nèi)部平均溫度上升的速度較快，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)箱體內(nèi)部平均溫度已達(dá)?31 ℃，而當(dāng)風(fēng)速為20 m/s時(shí)，箱體內(nèi)部的溫度場(chǎng)均勻性較好。

2）外界溫度對(duì)液氮充注后箱內(nèi)最低溫度影響較大。隨著外界溫度升高，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)箱體內(nèi)部平均溫度越高。而當(dāng)外界溫度為20 ℃時(shí)，箱體內(nèi)部的溫度場(chǎng)均勻性較優(yōu)。

3）振動(dòng)頻率對(duì)液氮充注后箱體內(nèi)最低溫度以及溫度分布均勻性有一定影響，但當(dāng)頻率超過(guò)30 Hz后影響不大。當(dāng)振動(dòng)頻率為30 Hz時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的箱體平均溫度較高，為43.71 ℃。

值得討論的是，配送箱的容積及液氮充注量可能也會(huì)對(duì)箱內(nèi)溫度變化產(chǎn)生一定的影響，項(xiàng)目組將對(duì)此進(jìn)行深入研究。

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Effect of Circulation Environment on Thermal Insulation Performance of Cold Storage Distribution Box Based on Liquid Nitrogen Injection

XIA Jing-jing1,2, WANG Fei-ren1,2, WANG Guang-hai1,2, LIN Shi-tao2, REN Jun-jie2, GUO Jia-ming2,3

(1. Guangdong Mechanical & Electrical Polytechnic, Guangzhou 510515, China; 2. College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 3. Maoming Branch, Guangdong Laboratory for Lingnan Modern Agriculture, Guangdong Maoming 525000, China)

The work aims to improve the thermal insulation performance of cold storage distribution box based on liquid nitrogen injection during circulation and ensure the distribution quality. A simulation test platform of distribution box circulation environment was established to investigate the effect of different external air velocity, external temperature and vibration frequency on the air temperature variation and temperature field distribution in the cold storage distribution box. According to the test results, when the external air velocity increased, the temperature rising speed of the internal environment in the box also increased. The external temperature had a great effect on the minimum air temperature inside the box after injection of liquid nitrogen, and the minimum air temperature decreased as the external temperature lowered. At the same time, a lower temperature was always kept during transportation. The homogeneity of temperature field rose firstly and then decreased. The vibration frequency had a great effect on the air temperature rising speed inside the box, and the homogeneity of temperature field decreased with the increase of vibration frequency. The results can provide a reference for the design and optimization of cold storage distribution equipment.

cold storage; distribution box; thermal insulation performance; circulation environment; liquid nitrogen; vibration

2021–12–27

提升市縣茶葉科技能力促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目（DZ09–21–1–3278）；廣東省2019年省級(jí)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新及推廣項(xiàng)目（2021KJ101）；農(nóng)產(chǎn)品保鮮物流共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2021KJ145）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31901736，31971806）；茂名實(shí)驗(yàn)室自主科研項(xiàng)目（2021ZZ003）；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2020A1515010967）；廣州市農(nóng)村科技特派員項(xiàng)目（GZKTP201921）

夏晶晶（1980—），男，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)楣呃滏溛锪髋c裝備。

王飛仁（1990—），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)楣呃滏溛锪髋c裝備。

S229

A

1001-3563(2022)17-0184-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.023

責(zé)任編輯：曾鈺嬋