流通環(huán)境對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，林詩濤，任俊杰，郭嘉明,3

流通環(huán)境對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，林詩濤2，任俊杰2，郭嘉明2,3

（1.廣東機電職業(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)廣東省實驗室茂名分中心，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)境模擬試驗平臺，研究不同外界風(fēng)速、外界溫度和振動頻率對蓄冷配送箱內(nèi)空氣溫度變化和溫度場分布的影響。試驗結(jié)果表明，當(dāng)外界風(fēng)速增大時，箱體內(nèi)部環(huán)境的升溫速度也會增大；外界溫度對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，同時始終在運輸過程中維持較低的溫度，箱體內(nèi)溫度場均勻性先提高后降低；振動對箱體內(nèi)部環(huán)境的升溫速度影響較大，而隨著振動頻率增大，箱體內(nèi)部的溫度場均勻性變差。該研究可為蓄冷運輸配送設(shè)備的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

蓄冷；配送箱；保溫性能；流通環(huán)境；液氮；振動

金槍魚營養(yǎng)價值高，為保證金槍魚的品質(zhì)，需要在?50 ℃以下的溫度進(jìn)行運輸[1]。液氮充注蓄冷配送箱將液氮冷量存儲于相變材料（Phase Change Material，PCM）中，在運輸過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[2-4]。但配送箱在運輸過程中，車輛行駛時產(chǎn)生的振動，外界溫度和風(fēng)速都可能影響其保溫性能[5-7]。因此，開展運輸過程對配送箱保溫性能和溫度場影響的研究具有必要性。

目前針對在流通環(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]研究了不同振動頻率對箱體中蒜薹品質(zhì)的影響。周然等[9]研究了運輸過程中因振動對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種運輸方式（氣調(diào)保鮮運輸、冷藏加濕保鮮運輸和冷藏保鮮運輸）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溫度隨時間的變化關(guān)系。然而，針對不同風(fēng)速、外界溫度和振動頻率等參數(shù)下箱體的空氣溫度變化和分布的研究暫未發(fā)現(xiàn)報道，因此，文中搭建了模擬流通環(huán)境試驗平臺，研究不同外界風(fēng)速、外界溫度和振動頻率對箱體的保溫性能影響，以期為蓄冷運輸配送設(shè)備的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

1 試驗平臺

搭建的配送箱模擬流通環(huán)境試驗平臺及其實物圖見圖1、圖2，主要由風(fēng)機、風(fēng)道、配送箱、振動臺、振動臺控制器和無紙記錄儀組成。風(fēng)道主體結(jié)構(gòu)由鋁型材搭建而成，并通過亞克力板將其四周密封，與之相連的風(fēng)機（型號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速度[12]。配送箱固定在振動臺（ZY–4013型，廣州震宇試驗設(shè)備有限公司）上，通過振動臺控制器可改變振動頻率。配送箱體內(nèi)布置PT100傳感器（型號為WZP–PT100、精度為±0.1、測量范圍為?200～500 ℃），見圖1。采用無紙記錄儀（型號為SIN–R9600、精度為2%、杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司）記錄各PT100傳感器的數(shù)值，同時將數(shù)據(jù)儲存于計算機內(nèi)。數(shù)字電子秤（型號為XK3190–A6、精確度等級三級、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程中放置合適的蓄冷板以延長生鮮食品的保鮮時間[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)見表1。

1.風(fēng)機；2.風(fēng)道；3.配送箱；4.振動臺；5.蓄冷板；6.無紙記錄儀；7.計算機；8.振動臺控制器。

1.風(fēng)機；2.風(fēng)道；3.配送箱；4.振動臺；5.振動臺控制器；6.無紙記錄儀。

2 試驗方案

在進(jìn)行試驗時，將配送箱體固定在振動臺上，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，通過往箱體內(nèi)部充注液氮，將箱體溫度下降，同時將液氮的冷能存儲到蓄冷板中，蓄冷板會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)前重量為試驗后的重量。通過振動臺控制器和脈寬調(diào)速器將振動臺和風(fēng)機開啟。設(shè)定無紙記錄儀每1 min記錄一組數(shù)據(jù)，每組試驗充注8 kg液氮，模擬8 h的運輸試驗。試驗結(jié)束后，通過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PT100傳感器（A1—A9），取9個溫度測點的平均值來表征箱體的平均溫度，具體分布見圖3。

圖3 溫度場測點分布圖

試驗的因素及水平見表2，此次試驗有外界風(fēng)速、外界溫度和振動頻率這3個影響因素，每個因素取4個水平值，進(jìn)行單因素試驗。在不同外界風(fēng)速、外界溫度和振動頻率條件下進(jìn)行配送箱模擬流通環(huán)境單因素試驗，監(jiān)測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

對不同風(fēng)速、外界溫度和振動頻率對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)溫度隨時間持續(xù)變化，取箱內(nèi)溫度測點在試驗過程中的平均值作為均勻性評價依據(jù)。具體試驗結(jié)果及分析如下。

3.1 不同外界風(fēng)速對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，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，隨著風(fēng)速的增大，試驗結(jié)束時箱內(nèi)空氣溫度提高，當(dāng)風(fēng)速為30 m/s時，試驗結(jié)束時箱體內(nèi)部平均溫度已達(dá)?31 ℃。說明外界的空氣流動速度增大會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)速對箱內(nèi)溫度分布影響不明顯，風(fēng)速為20 m/s時，其箱體的溫度場均勻性較好。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)速下箱體溫度隨時間的變化關(guān)系

表3 不同風(fēng)速對箱體中縱截面溫度場的影響

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，隨著外界溫度的升高，試驗結(jié)束箱體內(nèi)空氣平均溫度越高，當(dāng)外界溫度為30 ℃時，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，其箱體溫度場標(biāo)準(zhǔn)差較小。說明在這外界溫度水平中，外界溫度為20 ℃時，其箱體的溫度場均勻性較好[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 ℃時箱體內(nèi)溫度場均勻性較好。

圖5 不同外界溫度對箱體保溫時長的影響

表4 不同外界溫度對箱體中縱截面溫度場的影響

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

3.3 不同振動頻率對箱體保溫性能的影響

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

式中：為振動頻率，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)置振動頻率為10、30、50、70 Hz。如圖6所示，振動頻率對液氮充注后箱內(nèi)空氣最低溫度有一定影響，但隨著振動頻率增大后，影響減小。當(dāng)振動頻率為30 Hz時，試驗結(jié)束時箱體內(nèi)空氣溫度較高，為?43.71 ℃。當(dāng)頻率增大到50 Hz后，振動幅度大幅度減少，導(dǎo)致對箱體的影響減小，箱體內(nèi)的空氣溫度變化減緩，箱體保溫時長有所延長。如表5所示，在箱體溫度場方面，振動頻率為10 Hz的條件下，箱體的溫度場標(biāo)準(zhǔn)差較小，為5.41，其溫度場均勻性較好。當(dāng)振動頻率增大時，溫度場標(biāo)準(zhǔn)差基本維持穩(wěn)定，振動頻率對箱內(nèi)溫度分布均勻性的影響降低。這可能是由于當(dāng)振動頻率增大時，其振幅會減小[17]，導(dǎo)致振動對箱體的影響減小。

圖6 不同振動頻率對箱體保溫時長的影響

表5 不同振動頻率對箱體中縱截面溫度場的影響

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

4 結(jié)語

搭建模擬流通環(huán)境試驗平臺，通過單因素試驗研究了不同風(fēng)速、外界溫度和振動頻率對蓄冷配送箱體保溫性能的影響，以期保證金槍魚的品質(zhì)，為運輸設(shè)備的優(yōu)化提供參考。試驗結(jié)果表明，風(fēng)速、外界溫度和振動頻率都對配送箱內(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，箱體內(nèi)部平均溫度上升的速度較快，試驗結(jié)束時箱體內(nèi)部平均溫度已達(dá)?31 ℃，而當(dāng)風(fēng)速為20 m/s時，箱體內(nèi)部的溫度場均勻性較好。

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

3）振動頻率對液氮充注后箱體內(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30 Hz后影響不大。當(dāng)振動頻率為30 Hz時，試驗結(jié)束時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對箱內(nèi)溫度變化產(chǎn)生一定的影響，項目組將對此進(jìn)行深入研究。

[1] AVTAR S, SOOTTAWAT B, ZHANG BIN, et al. Effect of Squid Pen Chitooligosaccharide in Conjugation with Different Modified Atmospheric Packaging Conditions on Color and Storage Stability of Tuna Slices[J]. Food Control, 2021, 125: 108013.

[2] CHONG L L, NOR M A, KAMARUL A A. Cryogenic Pipe Flow Simulation for Liquid Nitrogen with Vacuum Insulated Pipe (VIP) and Polyurethane (PU) foam Insulation under Steady-State Conditions[J]. Thermal Science and Engineering Progress, 2018, 7: 302-310.

[3] REHMAN M K, MUHAMMAD A, RAHMAN A F U, et al. Influence of Cryogenic Liquid Nitrogen Cooling and Thermal Shocks on Petro-Physical and Morphological Characteristics of Eagle Ford Shale[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2021, 96: 104313.

[4] 徐瀚洲, 郭憲民, 王世偉. 液氮冷藏箱性能實驗研究[J]. 低溫與特氣, 2020, 38(2): 29-32.

XU Han-zhou, GUO Xian-min, WANG Shi-wei. Experimental Study on Performance of Liquid Nitrogen Refrigerator[J]. Low Temperature and Specialty Gases, 2020, 38(2): 29-32.

[5] 賈寶惠, 郝彤星, 張剛, 等. 濕熱環(huán)境對復(fù)合材料蜂窩板振動特性的影響[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2020, 37(7): 1601-1610.

JIA Bao-hui, HAO Tong-xing, ZHANG Gang, et al. Effect of Hygrothermal Environment on Vibration Characteristic of Composite Honeycomb Structure[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2020, 37(7): 1601-1610.

[6] 陳洪國, 謝代寒, 彭永宏. 常溫運輸中加冰量對荔枝果實品質(zhì)的影響[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2001(2): 56-58.

CHEN Hong-guo, XIE Dai-han, PENG Yong-hong. Influence of Ice Adding Rate on the Lychee Fruit Quality under Common Transportation Condition[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2001(2): 56-58.

[7] WANG Bin, RONG Chuan-xin, CHENG Hua, et al. Temporal and Spatial Evolution of Temperature Field of Single Freezing Pipe in Large Velocity Infiltration Configuration[J]. Cold Regions Science and Technology, 2020, 175: 103080.

[8] 胡云峰, 杜威, 魏增宇. 運輸振動降低蒜薹的貯藏品質(zhì)[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2018, 34(8): 75-80.

HU Yun-feng, DU Wei, WEI Zeng-yu. Transport Vibration Decreases the Storage Quality of Garlic Shoots[J]. Modern Food Science & Technology, 2018, 34 (8): 75-80.

[9] 周然, 曾媛媛. 不同等級道路的運輸振動對哈密瓜貯藏過程中抗氧化系統(tǒng)的影響[J]. 食品科學(xué), 2018(9): 176-181.

ZHOU Ran, ZENG Yuan-yuan. Effect of Transportation Vibration on Different Grades of Road on Antioxidant System of Hami Melons(Cucumis Melo Var. Saccharinus) during Storage[J]. Food Science, 2018(9): 176-181.

[10] 楊松夏, 呂恩利, 朱立學(xué), 等. 模擬運輸條件下保鮮模式對菜心品質(zhì)的影響[J]. 食品與機械, 2018(3): 127-131.

YANG Song-xia, LU En-li, ZHU Li-xue, et al. Effects of the Fresh-Keeping Modes on Quality of Flowering Chinese Cabbage under Simulated Transportation[J]. Food & Machinery, 2018(3): 127-131.

[11] LAGUERRE O, CHAOMUANG N, DERENS E, et al. How to Predict Product Temperature Changes during Transport in an Insulated Box Equipped with an Ice Pack: Experimental Versus 1-D and 3-D Modelling Approaches[J]. International Journal of Refrigeration, 2019, 100: 196-207.

[12] 劉衛(wèi)生, 黃雪梅, 張磊安, 等. 基于最小方差理論的風(fēng)電葉片自動配膠機控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 制造業(yè)自動化, 2016, 38(12): 11-14.

LIU Wei-sheng, HUANG Xue-mei, ZHANG Lei-an, et al. Design of Control System of Automatic Adhesives Mixing Machine for Wind Turbine Blade Based on Minimum Variance Theory[J]. Manufacturing Automation, 2016, 38(12): 11-14.

[13] 游輝, 謝晶. 低溫相變蓄冷材料及其應(yīng)用于冷鏈的研究進(jìn)展[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2021, 47(18): 287-293.

YOU Hui, XIE Jing. Research Progress of Low Temperature Phase Change Storage Materials and Their Applications in Cold Chain[J]. Food and Fermentation Industries, 2021, 47(18): 287-293.

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

LYU En-li, SHEN Hao, LIU Yan-hua, et al. Heat Transfer Model for Vacuum Insulated Thermal Cooling Storage Temperature Control and Verification in Cold Storage Incubator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(4): 300-306.

[15] 李斌, 沈昊, 郭嘉明, 等. 無源蓄冷控溫運輸箱設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2020, 51(9): 358-365.

LI Bin, SHEN Hao, GUO Jia-ming, et al. Design and Test of Passive Cold Storage Temperature Control Box[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(9): 358-365.

[16] 包晨旭. 電動汽車直驅(qū)式輪邊電機仿真設(shè)計與實驗研究[D]. 揚州: 揚州大學(xué), 2019: 32-35.

BAO Chen-xu. Simulation Design and Experimental Research on Direct Drive Wheel Motor of Electric Vehicle[D]. Yangzhou: Yangzhou University, 2019: 32-35.

[17] 王躍鋼, 左朝陽, 吳建國, 等. 基于ADAMS的離心機–振動臺系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析[J]. 機械設(shè)計, 2013, 30(7): 33-37.

WANG Yue-gang, ZUO Zhao-yang, WU Jian-guo, et al. Kinematics and Dynamics Simulation Analysis of Centrifuge Facility-Vibration Shaker System Based on ADAMS[J]. Journal of Machine Design, 2013, 30(7): 33-37.

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)展項目（DZ09–21–1–3278）；廣東省2019年省級農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新及推廣項目（2021KJ101）；農(nóng)產(chǎn)品保鮮物流共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新團隊（2021KJ145）；國家自然科學(xué)基金項目（31901736，31971806）；茂名實驗室自主科研項目（2021ZZ003）；廣東省自然科學(xué)基金項目（2020A1515010967）；廣州市農(nóng)村科技特派員項目（GZKTP201921）

夏晶晶（1980—），男，碩士，副教授，主要研究方向為果蔬冷鏈物流與裝備。

王飛仁（1990—），男，博士，講師，主要研究方向為果蔬冷鏈物流與裝備。

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