馬冰奇

( 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150028 )

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相變蓄冷技術(shù)在食品冷鏈中的應(yīng)用與進(jìn)展

馬冰奇

( 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150028 )

相變蓄冷技術(shù)在食品冷鏈領(lǐng)域應(yīng)用中有著廣泛的前景。本文綜述了相變冷藏技術(shù)在食品冷鏈的近期發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了相變蓄冷技術(shù)應(yīng)用于蓄冷板冷藏庫、蓄冷板冷藏車、冷藏保溫箱等冷鏈不同領(lǐng)域的研究進(jìn)展。本文也呈現(xiàn)了使用計算應(yīng)用流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬軟件ANSYS描述蓄冷板和蓄冷板冷藏車蓄冷過程的溫度分布。結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)口溫度不變，蓄冷量隨換熱流體流速的增加而增加。相變蓄冷技術(shù)的應(yīng)用，在冷藏運(yùn)輸設(shè)備領(lǐng)域有巨大的發(fā)展前景。根據(jù)國內(nèi)外相變蓄冷技術(shù)的研究情況，本文提出了相變蓄冷技術(shù)需要解決的問題，為今后進(jìn)一步研究提供了一定的參考依據(jù)。

相變蓄冷技術(shù)；冷藏車；蓄冷特性；數(shù)值模擬

引言

能源問題可以說是當(dāng)今全球最值得關(guān)注的問題之一。節(jié)能減排已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展之中最重要的議題。食品的冷藏冷凍由于量大范圍廣，一直是耗能較大的產(chǎn)業(yè)。要使食品冷鏈走可持續(xù)發(fā)展的道路，必須研究冷鏈物流節(jié)能降耗技術(shù)，而蓄冷式節(jié)能技術(shù)是一個很好的發(fā)展方向之一[1]。

蓄冷技術(shù)是指在夜間電力負(fù)荷低峰時使制冷機(jī)組運(yùn)行,產(chǎn)生的冷量存儲在蓄冷介質(zhì)中,然后在電力負(fù)荷高峰期將冷量釋放出來,滿足高峰期冷負(fù)荷需求或生產(chǎn)工藝用冷的需求，最終達(dá)到移峰填谷,節(jié)省電費(fèi)的目的。

相變蓄冷技術(shù)也非常適合在食品冷鏈中應(yīng)用，例如：利用相變蓄能的原理，按冷鏈運(yùn)輸不同的溫度需求將不同相變溫度的材料進(jìn)行合理配置達(dá)到相變蓄冷蓄熱的效果。如蓄冷型運(yùn)輸保溫箱，應(yīng)用相變蓄冷技術(shù)制作的啤酒冰袋，用于啤酒運(yùn)輸和銷售過程中的降溫和冷藏，以保證啤酒涼爽新鮮的口感。因此相變蓄冷技術(shù)在食品低溫加工、低溫貯藏、低溫運(yùn)輸及配送、低溫銷售等食品冷鏈的各環(huán)節(jié)中具有廣泛的應(yīng)用前景和節(jié)能潛力[2,3,4]。日本果蔬在流通中有98%采用了冷藏鏈[5]。

1　相變蓄冷技術(shù)在冷藏庫中的應(yīng)用

1.1冰蓄冷和濕空氣保鮮果蔬冷庫技術(shù)

它是基于蓄冷技術(shù)對蔬菜和瓜果進(jìn)行保鮮的新技術(shù)，20世紀(jì)70年代在國外發(fā)展起來，美國、英國、加拿大等許多發(fā)達(dá)國家許多學(xué)者也曾對這個項目有廣泛研究，如國外有將冰蓄冷和濕空氣冷卻進(jìn)行花果蔬菜的保鮮冷庫，郭康寧、蘇文[6,7]等人都提出過夜間將冷凝水降溫蓄冷，以降低冷凝溫度，他們已基本上完成了濕冷系統(tǒng)的理論和實驗?zāi)Ｐ汀?/p>

與傳統(tǒng)的冷庫相比,該系統(tǒng)具有如下特點：

(1)采用蓄冷技術(shù)的冷庫其制冷機(jī)組的容量比傳統(tǒng)冷庫小30%左右。減少環(huán)境污染，就電力系統(tǒng)而言，由于蓄冷技術(shù)的“移峰填谷”作用。使得電力負(fù)荷趨于平衡。

(2)顯著增加業(yè)主的經(jīng)濟(jì)效益。實施電網(wǎng)峰谷差價政策后，對于業(yè)主來說,采用蓄冷方式將制冷負(fù)荷從高峰期轉(zhuǎn)入低峰期可獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)冷卻速度加快，冷藏品質(zhì)量提高。由于流經(jīng)冷藏品的空氣是濕空氣，經(jīng)過長時間儲存的農(nóng)產(chǎn)品水分損失少，也不會干縮、變形、變色，從而提高了冷藏品的品質(zhì),因此銷路好，價格高。

1.2蓄冷板冷藏庫

蓄冷板制冷技術(shù)是美國人在上個世紀(jì)四十年代發(fā)明的，在七十年代末，美國運(yùn)輸冷凍食品的冷板汽車拖車，冷板集裝箱占專用冷凍車的70%。

20世紀(jì)60年代，國外在冷藏運(yùn)輸工具上開發(fā)蓄冷技術(shù)后，首先將其應(yīng)用在恒溫要求高的小型冰淇淋冷藏庫上，而我國在20世紀(jì)90年代后才進(jìn)行果蔬蓄冷式貯藏的研究，但目前蓄冷板式冷藏庫卻還未普及，只有上海、北京、廣州等幾個大城市采用[8]。

蓄冷板冷藏庫是與冷藏車類似在頂棚下或庫體兩側(cè)安裝蓄冷板，將人工制取的冷量利用物質(zhì)的顯熱或潛熱蓄存起來，以備負(fù)荷高峰時使用。圖2、圖3分別為蓄冷板和制冷管道頂裝和側(cè)裝的安裝方式。

圖1　頂裝蓄冷板

圖2　側(cè)裝蓄冷板

由于冷庫用電的峰谷期與電價的峰谷期正好重合，采用單一的供冷方式并不節(jié)能。在蓄冷冷庫中，蒸發(fā)端采用蓄冷板與冷風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行的方式，會更節(jié)能。蓄冷冷庫運(yùn)行示意圖[9]，如圖3所示。

圖3　蓄冷冷庫運(yùn)行示意圖

2　相變蓄冷技術(shù)在低溫運(yùn)輸中的應(yīng)用

我國冷藏貨運(yùn)市場潛力巨大，但目前我國冷鏈物流基礎(chǔ)比較薄弱[10]，在一段時期內(nèi)還很難縮小與發(fā)達(dá)國家差距，蓄冷技術(shù)在國外20世紀(jì)60年代后已廣泛應(yīng)用于冷藏車和冷藏集裝箱上，蓄冷板冷藏車是在隔熱車體上安裝蓄冷板，蓄冷板內(nèi)充注一定量的低溫共晶溶液作為冷源，當(dāng)共晶溶液充冷凍結(jié)后貯存冷量，并在不斷融化過程中吸收熱量而實現(xiàn)制冷。由于冷板系統(tǒng)的控溫困難，國外多用冷板汽車來運(yùn)輸冷凍貨物，而果蔬運(yùn)輸仍使用常規(guī)的冷風(fēng)機(jī)的機(jī)械冷藏車。2002年120 km/h快速新型機(jī)械冷板冷藏車通過鐵道部鑒定,有2輛車已投入運(yùn)用[11]。目前，我國也研制出第二代蓄冷板冷藏車(即機(jī)械冷板冷藏車，包括鐵路和公路用)[12]，它克服了第一代冷板冷藏車需要地面充冷站進(jìn)行充冷的缺點,在冷藏車上自帶制冷機(jī)組，只要供電就可以進(jìn)行充冷,在任何車站都可以進(jìn)行，使其大范圍的使用成為可能。

從冷卻方式分類，冷藏運(yùn)輸可以分為加冰冷藏、機(jī)械冷藏、冷藏集裝箱及冷板冷藏[13-15]，其中冷藏集裝箱和冷板冷藏是發(fā)展的重點。冷板冷藏車具有很好的節(jié)能效果，例如我國第一代鐵路冷板冷藏車，從1983年9月起至1984年8月止，共運(yùn)行了12次，平均運(yùn)距2120公里。

2.1蓄冷式冷藏車

蓄冷板式冷藏汽車車廂廂體系采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料發(fā)泡成型，這樣可以減少車廂內(nèi)的冷量損失。蓄冷板一般對稱安裝在廂體的兩側(cè)或頂部，其厚度為50～100mm，用鋁合金做成中空的殼體，內(nèi)裝蓄冷劑。圖4所示為蓄冷板結(jié)構(gòu)[16]，在蓄冷板中布置有制冷蒸發(fā)盤管，蓄冷液直接與盤管接觸，使其傳熱能力大大提高。板內(nèi)蓄冷液借助制冷盤管內(nèi)的冷劑吸熱而凍結(jié)以貯存冷量，其凍結(jié)成固體的方向是由盤管外緣逐漸成長到蓄冷板的內(nèi)壁，釋冷時則是由凍結(jié)固體的最外緣，即蓄冷板的內(nèi)壁向盤管方向融化。

圖4　蓄冷板結(jié)構(gòu)1.蓄冷板外殼；2.蓄冷液；3.蒸發(fā)器盤；4.制冷劑進(jìn)口快速接頭；5.制冷劑出口快速接頭

圖5　蓄冷板的溫度分布

圖6　蓄冷板冷藏車的溫度分布

李月明[17]應(yīng)用ANSYS建立蓄冷板物理模型，模擬研究蓄冷板內(nèi)相態(tài)分布、溫度分布情況及多元共晶鹽溶液的蓄冷特性。圖5是蓄冷過程時間為3600s的蓄冷板整體的溫度分布圖。

劉家慶[18]建立蓄冷式冷藏車車廂的物理模型與數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬研究蓄冷式冷藏車車廂內(nèi)的溫度分布，如圖6所示，結(jié)果表明：車廂的溫度適合冷藏車?yán)洳剡\(yùn)輸。

澳大利亞的Ming Liu，Wasim Saman研究了一種新的蓄冷式冷藏車，與常規(guī)系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)噪音低，能耗少，適合用于小型和中型冷藏車的短途和本地運(yùn)輸使用[19]。美國的Mashud Ahmed對冷藏車廂體的隔熱材料進(jìn)行研究，廂體的隔熱材料和結(jié)構(gòu)直接影響著冷藏車的絕熱性能、機(jī)械強(qiáng)度、環(huán)保性能和經(jīng)濟(jì)性[20]。

2.2蓄冷型運(yùn)輸保溫箱

蓄冷型運(yùn)輸保溫箱是20世紀(jì)80年代初期，從發(fā)達(dá)國家發(fā)展起來的一種非常高效的物流技術(shù)裝備[21]。它是小批量、高品質(zhì)貨物運(yùn)輸?shù)囊粋€優(yōu)質(zhì)運(yùn)輸裝備，具有集中供冷,箱容利用率高,自重輕,裝卸效率高,周轉(zhuǎn)速度快的特點[22]。主要由保溫箱和蓄冷板組成，保溫箱本身沒有制冷功能，它的溫度控制依靠配置不同溫度的蓄冷板來實現(xiàn)，無需制冷就能實現(xiàn)長時間保冷。蓄冷板內(nèi)裝有高效蓄冷劑，可以反復(fù)多次使用。根據(jù)蓄冷板的數(shù)量和類型，不同的溫度控制依靠不同規(guī)格的蓄冷板來實現(xiàn)。蓄冷板在箱內(nèi)釋放冷量使箱內(nèi)溫度保持恒定。冷凍貨物和冷藏貨物分別裝于不同溫度的保溫箱中，之后就可以和常溫貨物一同裝在普通貨車中進(jìn)行配送。與傳統(tǒng)的冷藏車對照分析，蓄冷型運(yùn)輸保溫箱具有靈活性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可控性等特點[23]。

3　食品冷鏈蓄冷技術(shù)的研究方向

冷鏈蓄冷技術(shù)的研究發(fā)展方向主要包括以下幾個方面：

(1)研制溫度可調(diào)的蓄冷材料或控溫蓄冷系統(tǒng)。

(2)相變材料結(jié)構(gòu)與潛熱關(guān)系的研究，尋找提高相變材料潛熱的途徑。

(3)對冷鏈中蓄冷介質(zhì)的蓄能機(jī)理進(jìn)行研究，提高相變材料的蓄釋冷特性，減少蓄冷板的充冷時間。

(4)提高蓄冷板性能的理論分析和試驗研究。優(yōu)化冷板車設(shè)計，改革現(xiàn)行的運(yùn)營管理機(jī)制。

(5)新型便攜式蓄冷保溫配送箱的研究。

(6)新型蓄冷式冷藏庫和冷藏柜的研究。

(7)冷鏈蓄冷技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析及評價。

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Review of Development of Phase Change Cold Storage Technology for Food Cold Chain Application

MA Bingqi

( School of Energy and Building Engineering，Harbin University of Commerce,Harbin，150028，China )

The application of phase change storage technology has a widely prospect in the field of food cold chain.This paper reviews the recent development of phase change cold storage technology for food cold chain application.According to the application field of cold chain，developments of phase change cold storage technology in cold storage and low temperature transport are introduced separately，such as hold-over plate refrigerated storage，hold-over plate refrigerated vehicle，cold storage type transport incubators.Numerical simulations using the computational fluid dynamics (CFD) software ANSYS FLUENT to characterize the temperature distribution in cold storage plate and hold-over plate refrigerated vehicle in charging process is reported.The results indicate that the charging capacity increase with the heat transfer fluid flow rate increase when the inlet temperature remains constant.Application of phase change cold storage technology in field of refrigeration transportation equipment has huge development prospect.Based on the summary of the domestic and foreign investigations about phase change of cold storage technology，the problems which were necessary to be resolved were pointed out.And it will provide certain reference foundation for further research.

Phase change cold storage technology;Refrigerated vehicle;Characteristic of charging;Numerical simulations.

2015-12-27

馬冰奇(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向：制冷空調(diào)系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)研究。Email：754675333@qq.com

ISSN1005-9180(2016)03-079-05

TS205.7 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.015