劉廣海，吳俊章，Alan Foster ，謝如鶴，唐海洋，鄒毅峰，屈睿瑰

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GU-PCM2型控溫式相變蓄冷冷藏車(chē)設(shè)計(jì)與空載性能試驗(yàn)

劉廣海1，吳俊章1，Alan Foster2，謝如鶴1，唐海洋1，鄒毅峰1，屈睿瑰3,4※

（1. 廣州大學(xué)冷鏈物流與標(biāo)準(zhǔn)化研究所，廣州 510006；2. 倫敦南岸大學(xué)工程學(xué)院，布里斯托爾 BS40 5DU； 3. 廣州城市職業(yè)學(xué)院 廣州 510405；4. 中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075）

現(xiàn)有蓄冷冷藏車(chē)蓄冷裝置多位于車(chē)廂頂部，存在重心偏高、不可控溫等問(wèn)題，基于此，該文設(shè)計(jì)了一款集相變蓄冷單元、車(chē)載制冷系統(tǒng)、隔熱車(chē)廂、送風(fēng)系統(tǒng)等于一體的GU-PCM2型蓄冷冷藏車(chē)。該蓄冷車(chē)將蓄冷裝置獨(dú)立設(shè)置于車(chē)廂前端并保溫，系統(tǒng)利用夜間低谷電進(jìn)行充冷，可在-25～10 ℃之間根據(jù)需要調(diào)控車(chē)廂溫度。對(duì)蓄冷冷藏車(chē)廂設(shè)定溫度為0和-18 ℃的2種工況進(jìn)行空載溫度場(chǎng)仿真與測(cè)試。結(jié)果表明，車(chē)廂內(nèi)各測(cè)溫點(diǎn)的模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度均方根誤差分別為0.7和0.8 ℃，最大絕對(duì)誤差分別為1.1和1.2 ℃。冷藏車(chē)可有效控溫10 h以上，車(chē)廂平均溫度分別在1.1～2.9 ℃和-14.8～-16.9 ℃之間，波動(dòng)范圍為1.8和2.1 ℃，溫度不均勻度系數(shù)在1.0以內(nèi)?？販厥叫罾淅洳剀?chē)與傳統(tǒng)蓄冷車(chē)的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，其平均溫度波動(dòng)值降低48.7%，溫度絕對(duì)不均勻度系數(shù)降低50%以上，車(chē)廂質(zhì)心較頂置式蓄冷車(chē)下降25.9%。研究結(jié)果可為蓄冷冷藏車(chē)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；數(shù)值分析；相變蓄冷；溫度分布；冷藏車(chē)

0 引 言

在生鮮易腐食品的流通中，冷藏運(yùn)輸是保障食品質(zhì)量安全和延長(zhǎng)易腐食品保質(zhì)期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1-2]。鑒于問(wèn)題的重要性，西方發(fā)達(dá)國(guó)家多以立法或規(guī)范的形式強(qiáng)制推動(dòng)冷藏運(yùn)輸技術(shù)的使用[3]。作為冷藏運(yùn)輸?shù)闹匾d體，全球現(xiàn)有各類(lèi)冷藏車(chē)400余萬(wàn)輛，并以2.5%/年的速度持續(xù)增長(zhǎng)[4]；近年來(lái)國(guó)內(nèi)冷藏運(yùn)輸?shù)玫娇焖侔l(fā)展，截至2017年底，冷藏車(chē)已達(dá)14萬(wàn)輛[5]。但是也應(yīng)看到，目前所使用的冷藏車(chē)中90%以上均使用機(jī)械式制冷系統(tǒng)，該制冷方式能源利用率僅為35～40%[6]，相對(duì)較高的應(yīng)用成本使得部分商販忽視食品品質(zhì)，轉(zhuǎn)而使用土保溫的方式運(yùn)輸食品，從而造成食品腐損現(xiàn)象嚴(yán)重[7]。

此外，車(chē)載制冷系統(tǒng)較低的能源轉(zhuǎn)化效率也對(duì)環(huán)境造成較大影響[8-9]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)隔熱車(chē)廂內(nèi)外溫差為50 ℃（廂內(nèi)-20 ℃，廂外30 ℃）時(shí)，機(jī)械式冷藏車(chē)1 kW制冷量平均耗油0.47 L/h，每年碳排放量達(dá)50 t[10]。

針對(duì)上述問(wèn)題，蓄冷冷藏車(chē)因其節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到運(yùn)輸商的青睞[11-12]。該類(lèi)車(chē)型先利用夜間低谷電實(shí)現(xiàn)車(chē)載相變材料（phase change material，PCM）的顯熱及潛熱遷移并儲(chǔ)存冷量，然后在運(yùn)輸貨物時(shí)釋放冷量，從而達(dá)到節(jié)約能源、降低成本的目的。

1981年和1994年，中國(guó)先后研制了第一代和第二代鐵路冷板冷藏車(chē)[13]；2007年，劉國(guó)豐等在上述研究基礎(chǔ)上，研制了運(yùn)行速度達(dá)120 km/h的快速機(jī)械冷板冷藏車(chē)，并解決了PCM充注量與運(yùn)行時(shí)間匹配、蓄冷裝置強(qiáng)化傳熱等一系列技術(shù)問(wèn)題[14]。詹耀立等應(yīng)用有限元法，對(duì)比分析了蓄冷板在頂置、側(cè)置等方式下冷藏車(chē)廂內(nèi)貨物溫度場(chǎng)分布情況，認(rèn)為蓄冷板頂置時(shí)溫升幅度較高[15]。張哲等對(duì)冷藏車(chē)廂內(nèi)蓄冷板側(cè)置形式進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)車(chē)廂內(nèi)頂部區(qū)域空氣溫度較高，貨物區(qū)最大溫差達(dá)18°C，不利于貨物貯運(yùn)[16]。謝如鶴等測(cè)試了蓄冷板頂置、側(cè)置及部分頂置部分側(cè)置3種不同布置方式的冷藏車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布，認(rèn)為僅靠蓄冷板布置方式的調(diào)整無(wú)法形成理想的溫度場(chǎng)及流場(chǎng)[17]。

在國(guó)外，歐美等國(guó)研制了多款蓄冷冷藏車(chē)并大量應(yīng)用于城市配送領(lǐng)域。Tan等利用液化天然氣作為燃料和制冷劑對(duì)相變蓄冷裝置進(jìn)行充冷，達(dá)到減少車(chē)廂內(nèi)溫度波動(dòng)及節(jié)能減排的目的[18]。Liu等研制了一款蓄冷冷藏車(chē)并展開(kāi)測(cè)試，當(dāng)車(chē)內(nèi)溫度設(shè)置為-18 ℃時(shí)，250 kg的PCM可滿足10 h連續(xù)運(yùn)輸?shù)男枨螅ㄟ\(yùn)輸過(guò)程中不開(kāi)門(mén)）；如在運(yùn)輸配送過(guò)程中需頻繁開(kāi)門(mén)卸貨，360 kg的PCM可滿足設(shè)計(jì)需要，運(yùn)輸成本較傳統(tǒng)機(jī)械冷藏車(chē)下降86.4%[19-20]。Ahmed等將PCM嵌入冷藏車(chē)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中并進(jìn)行測(cè)試，與傳統(tǒng)冷藏車(chē)相比可有效降低能耗16%以上[21]。Fioretti等在上述研究基礎(chǔ)上將PCM和絕緣夾層板集成新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，有效降低車(chē)廂內(nèi)部溫度1～2 ℃，且車(chē)廂熱負(fù)荷和總能耗分別降低了20%和4.7%[22]。

上述研究大大促進(jìn)了蓄冷運(yùn)輸裝備技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，由于目前蓄冷冷藏車(chē)的蓄冷板大多懸掛在車(chē)廂頂部，研究多集中于車(chē)廂內(nèi)蓄冷板的改進(jìn)與優(yōu)化，在實(shí)際應(yīng)用中，上述模式不可避免的存在一些問(wèn)題[23-24]：

1）車(chē)廂內(nèi)部溫度不可調(diào)節(jié)。由于蓄冷板位于車(chē)廂內(nèi)部，冷藏車(chē)難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫；PCM用量確定后，車(chē)輛僅可用于一定溫度冷凍或冷藏貨物運(yùn)輸，從而影響了蓄冷冷藏車(chē)的適用范圍。

2）蓄冷板在充冷完畢后，不論車(chē)輛內(nèi)是否載貨均會(huì)持續(xù)放冷，并且當(dāng)開(kāi)門(mén)裝卸時(shí)較大的溫差和濕度變化易導(dǎo)致漏冷、蓄冷條結(jié)霜等問(wèn)題，既影響了換熱效果，又縮短了車(chē)輛的控溫總時(shí)間。

3）目前大部分蓄冷冷藏車(chē)采用的蓄冷板頂置模式使得車(chē)輛重心升高，影響運(yùn)輸安全。

為解決上述問(wèn)題，本文擬設(shè)計(jì)一款新型蓄冷冷藏車(chē)，通過(guò)設(shè)置獨(dú)立蓄冷單元、改變車(chē)內(nèi)送風(fēng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車(chē)廂溫度可調(diào)節(jié)、降低車(chē)廂重心的目標(biāo)。

1 整車(chē)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整車(chē)結(jié)構(gòu)

新型蓄冷冷藏車(chē)型號(hào)為GU-PCM2，集隔熱車(chē)廂、相變蓄冷單元（phase change thermal storage unit，PCTSU）、制冷系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)于一體，整車(chē)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GU-PCM2型相變蓄冷冷藏車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖

隔熱車(chē)廂保溫材料為高密度硬質(zhì)聚氨酯泡沫（poly urethane，PU），內(nèi)外蒙皮采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiber reinforced polymer/plastic，F(xiàn)RP），隔熱壁厚度為0.12 m，車(chē)門(mén)厚度為0.10 m，載貨空間為20.4 m3。PCTSU位于車(chē)廂前端，內(nèi)置24根蓄冷條，蓄冷條采用厚度為3 mm鋁合金制作，各蓄冷條之間平行間距0.05 m，水平間距0.04 m，為增加其保溫性能，隔熱壁厚度為0.20 m。制冷系統(tǒng)型號(hào)為HGX34e/255-4 S，系統(tǒng)采用電力驅(qū)動(dòng)并將蒸發(fā)器置于蓄冷條中。蓄冷條內(nèi)采用自主研發(fā)的PCM（氯化鈉15%～16.5%，丙三醇12.5%，余量為水）[17]，參考文獻(xiàn)[17]、[19]和[20]，PCM充注量確定為360 kg。車(chē)廂采用上送下回、變頻通風(fēng)的模式，送回風(fēng)通道經(jīng)DXD-10型變頻風(fēng)機(jī)與PCTSU連接。通風(fēng)系統(tǒng)共設(shè)2個(gè)送風(fēng)口和1個(gè)回風(fēng)口，送風(fēng)口位于車(chē)廂前壁上側(cè)兩端，采用直徑為0.25 m的圓形結(jié)構(gòu)，距車(chē)頂和側(cè)壁的距離分別為0.05和0.10 m；回風(fēng)口位于車(chē)廂前壁底部，采用尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為1.7 m× 0.04 m × 1.00 m的矩形結(jié)構(gòu)。

車(chē)廂結(jié)構(gòu)與設(shè)備性能參數(shù)如表1、表2所示。

表1 冷藏車(chē)車(chē)廂結(jié)構(gòu)尺寸

表2 冷藏車(chē)性能參數(shù)

1.2 工作原理

GU-PCM2型蓄冷冷藏車(chē)的工作原理如圖2所示。使用前，開(kāi)啟閥門(mén)1的同時(shí)關(guān)閉閥門(mén)2，啟動(dòng)車(chē)載制冷系統(tǒng)，利用夜間低谷電對(duì)PCTSU進(jìn)行充冷。運(yùn)輸時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)1，開(kāi)啟閥門(mén)2，啟動(dòng)變頻風(fēng)機(jī)，將PCTSU內(nèi)冷量導(dǎo)入隔熱車(chē)廂中。車(chē)廂內(nèi)溫度傳感器位于回風(fēng)口處，變頻風(fēng)機(jī)根據(jù)車(chē)廂溫度與設(shè)定溫度之間的差值及車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)調(diào)控送風(fēng)速度：當(dāng)溫差≥10 ℃時(shí)，送風(fēng)速度為6 m/s；當(dāng)溫差≤3 ℃時(shí)，送風(fēng)速度為2 m/s；當(dāng)溫差在3～10 ℃之間時(shí)，送風(fēng)速度相應(yīng)地在2～6 m/s之間逐級(jí)調(diào)節(jié)；當(dāng)車(chē)門(mén)開(kāi)啟時(shí)，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，送風(fēng)速度為0。通過(guò)上述方法，車(chē)廂溫度可在-25～10 ℃之間調(diào)整并控溫，實(shí)現(xiàn)在保證貨物品質(zhì)安全的同時(shí)降低能耗及成本。

圖2 相變蓄冷冷藏車(chē)工作原理圖

2 仿真與試驗(yàn)

2.1 仿真與試驗(yàn)內(nèi)容

冷藏運(yùn)輸食品通常分為冷凍食品和冷卻食品，其中冷凍食品的運(yùn)輸溫度一般為-18～-15 ℃，冷卻食品的運(yùn)輸溫度一般為0～3 ℃左右。為此，本文對(duì)車(chē)廂溫度為-18和0 ℃的2種工況展開(kāi)仿真與試驗(yàn)測(cè)定，對(duì)控溫周期內(nèi)的溫度穩(wěn)定性和車(chē)廂空間溫度分布均勻性進(jìn)行分析。鑒于蓄冷冷藏車(chē)多用于城市配送并采用夜間充冷、白天運(yùn)行的模式，一般連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不超過(guò)10 h，因此，仿真與試驗(yàn)周期均設(shè)為10 h。

對(duì)蓄冷冷藏車(chē)車(chē)廂重心進(jìn)行計(jì)算與分析，以確定車(chē)輛的安全性能。

2.2 仿真模型

為更好地分析蓄冷冷藏車(chē)車(chē)廂內(nèi)氣流與溫度分布情況，采用CFD軟件構(gòu)建數(shù)值模型并仿真[25]。

在利用Gambit對(duì)冷藏車(chē)廂進(jìn)行建模時(shí)，采用六面體劃分網(wǎng)格單元。車(chē)廂為長(zhǎng)方體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸精度按5 cm劃分，共生成159 280個(gè)網(wǎng)格，經(jīng)檢查，網(wǎng)格質(zhì)量良好，節(jié)約運(yùn)算時(shí)間[26-27]。

為便于計(jì)算，對(duì)模型作出如下假設(shè)：

1）車(chē)廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性良好且不考慮滲風(fēng)影響，忽略固體壁面間的熱輻射；

2）忽略溫度改變對(duì)車(chē)廂內(nèi)空氣和貨物特性的影響，不考慮車(chē)輛運(yùn)輸中貨物水分蒸發(fā)等傳質(zhì)因素的影響；

3）車(chē)廂內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)，低速且不可壓縮牛頓流體，符合Boussinesq假設(shè)。

計(jì)算時(shí)選取-模型，開(kāi)啟凝固/融化模塊，采用一階迎風(fēng)格式的控制微分方程和SIMPLE算法對(duì)計(jì)算域的速度與壓力進(jìn)行耦合，并通過(guò)非穩(wěn)態(tài)方法求解蓄冷車(chē)廂的空載溫度場(chǎng)變化情況。

2.3 試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，在仿真結(jié)果基礎(chǔ)上展開(kāi)樣車(chē)試驗(yàn)研究，確定該蓄冷冷藏車(chē)實(shí)際控溫效果。蓄冷冷藏車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中，為了科學(xué)合理地反映車(chē)廂內(nèi)各點(diǎn)溫度的變化情況，在參考國(guó)內(nèi)外冷藏運(yùn)輸裝備測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上布置溫度傳感器[28-30]，如圖3所示。將冷藏車(chē)沿車(chē)廂長(zhǎng)度方向等間距劃分為3個(gè)縱截面（分別位于車(chē)廂2個(gè)端部0.1 m處和車(chē)廂正中部），每個(gè)截面分別布置5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，車(chē)廂外車(chē)頂及3個(gè)側(cè)壁面的幾何中心各布置1個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，共19個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。溫度記錄采用深圳天圓數(shù)碼科技有限公司的Tag06B型無(wú)線溫濕度傳感器（測(cè)試范圍：-40～125 ℃，測(cè)試精度：±0.3 ℃）。溫度傳感器距離車(chē)壁0.1 m，每1 min采集1次數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與溫度監(jiān)控系統(tǒng)相連接，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地觀察車(chē)廂內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

注：1～15表示各測(cè)溫點(diǎn)位置，測(cè)溫點(diǎn)均距離車(chē)廂內(nèi)壁0.1 m。

3 結(jié)果與分析

3.1 車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果與分析

在2.2節(jié)仿真模型的基礎(chǔ)上，首先對(duì)車(chē)廂內(nèi)溫度分布進(jìn)行仿真。仿真時(shí)車(chē)廂為空載狀態(tài)。計(jì)算時(shí)設(shè)PCTSU初始溫度為-35 ℃，車(chē)廂內(nèi)初始溫度為25 ℃，外界溫度為30 ℃；車(chē)廂內(nèi)工作溫度設(shè)定為-18和0 ℃。外界熱量通過(guò)輻射、與廂體外壁的對(duì)流換熱、車(chē)廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)以及車(chē)廂內(nèi)空氣的對(duì)流等方式，影響車(chē)廂內(nèi)溫度及其分布。仿真時(shí)截面設(shè)置與樣車(chē)試驗(yàn)一致。蓄冷運(yùn)輸10 h后，各截面溫度分布如圖4所示。

由圖4可知，雖然PCM初始溫度為-35 ℃，相變溫度為-30 ℃，但車(chē)廂內(nèi)工作溫度按設(shè)定要求得到了較好控制。設(shè)定工作溫度為0 ℃時(shí)，在貨物裝載區(qū)內(nèi)，車(chē)廂內(nèi)不同區(qū)域溫度主要為1～3 ℃；空氣溫度最低點(diǎn)接近1 ℃，處于各截面上方的左右兩側(cè)（送風(fēng)口位置），高溫區(qū)則位于車(chē)廂頂部正中和回風(fēng)口附近區(qū)域，溫度為2～3 ℃。設(shè)定工作溫度為-18 ℃時(shí)，車(chē)廂內(nèi)溫度分布趨勢(shì)與0 ℃時(shí)類(lèi)似，最低溫度出現(xiàn)在送風(fēng)口處，約為-17 ℃，最高溫度位于車(chē)廂頂部正中和回風(fēng)口附近區(qū)域，溫度為-15～-16 ℃。之所以出現(xiàn)上述狀況，是由于PCM溫度較低，蓄冷條全部?jī)鼋Y(jié)后，蓄冷條溫度在-30 ℃以下，當(dāng)溫控風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，較大的溫差造成劇烈換熱，PCTSU冷氣由車(chē)廂前端送風(fēng)口導(dǎo)入隔熱車(chē)廂內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流換熱，因此送風(fēng)口附近的溫度梯度較大；冷空氣進(jìn)入車(chē)廂后，由于送風(fēng)系統(tǒng)加強(qiáng)了熱交換效率，進(jìn)而與區(qū)域內(nèi)其他空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。由于本系統(tǒng)采用上送下回的送風(fēng)循環(huán)模式，在氣流循環(huán)的過(guò)程中，車(chē)廂內(nèi)壁極小區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速較低且受到車(chē)廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入熱量的影響，因此溫度相對(duì)較高。

3.2 樣車(chē)試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證仿真結(jié)果及控溫效果，以自行研制的GU-PCM2型控溫式蓄冷冷藏車(chē)為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行車(chē)廂內(nèi)空載溫度場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試時(shí)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外冷藏運(yùn)輸裝備測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，車(chē)廂內(nèi)保持空載狀態(tài)[27-30]，車(chē)廂內(nèi)初始溫度為25 ℃，車(chē)外平均氣溫在30 ℃左右。開(kāi)啟制冷機(jī)組對(duì)PCTSU內(nèi)的蓄冷板進(jìn)行充冷，PCM蓄冷充分后關(guān)閉制冷機(jī)組（PCM溫度降至-35 ℃左右），然后啟動(dòng)溫控風(fēng)機(jī)，將冷氣由PCTSU導(dǎo)入車(chē)廂并控溫，2次試驗(yàn)的車(chē)廂內(nèi)設(shè)定溫度分別為-18和0 ℃，各測(cè)試截面及車(chē)廂內(nèi)平均溫度的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

a. 設(shè)定溫度為0 ℃時(shí)車(chē)廂內(nèi)溫度云圖

a. Temperature nephogram in carriage at setting temperature of 0 ℃

b. 設(shè)定溫度為-18 ℃時(shí)車(chē)廂內(nèi)溫度云圖

b. Temperature nephogram in carriage at setting temperature of -18 ℃

注：=+273.15，指開(kāi)爾文溫度，指攝氏溫度。

Note:=+273.15, whererefers to kelvin temperature, andrefers to celsius temperature.

圖4 不同設(shè)定溫度下車(chē)廂內(nèi)溫度云圖

Fig.4 Temperature nephogram in carriage at different setting temperature

為衡量仿真值與實(shí)測(cè)值之間的偏差，分別采用均方根誤差（root mean square error，RMSE）和最大絕對(duì)誤差（maximum absolute error，MAE）判斷仿真結(jié)果的誤差范圍。計(jì)算方法如式（2）、式（3）所示。

車(chē)廂內(nèi)各測(cè)溫點(diǎn)的仿真值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖 6所示。由圖5、圖6可知，當(dāng)車(chē)廂內(nèi)設(shè)定溫度為0 ℃時(shí)，各點(diǎn)溫度的實(shí)測(cè)值與模擬值的規(guī)律基本一致，各點(diǎn)溫度在1～3 ℃間波動(dòng)，且實(shí)測(cè)值與模擬值的均方根誤差為0.7 ℃，最大絕對(duì)誤差為1.1 ℃。車(chē)廂內(nèi)設(shè)定溫度為-18 ℃時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)溫度在-15～-17 ℃之間波動(dòng)，實(shí)測(cè)值與模擬值的均方根誤差為0.8 ℃，最大絕對(duì)誤差為1.2 ℃，總體偏差合理，說(shuō)明模型可用于模擬并分析該冷藏車(chē)車(chē)廂內(nèi)的溫度分布。

由試驗(yàn)結(jié)果知，設(shè)定溫度為0 ℃時(shí)，由于PCTSU與車(chē)廂內(nèi)溫度差較大，車(chē)廂降溫速度較快，約60 min左右車(chē)廂內(nèi)溫度由常溫降至設(shè)定值，之后趨于穩(wěn)定，各截面平均溫度為截面1<截面2<截面3，平均溫度分別為1.1、2.4及2.9 ℃，車(chē)廂內(nèi)平均溫度為2.1 ℃。設(shè)定溫度為-18 ℃時(shí)車(chē)廂內(nèi)溫度分布趨勢(shì)與0 ℃時(shí)相同，因PCTSU與車(chē)廂內(nèi)溫度差較設(shè)定溫度為0 ℃時(shí)更大，因此降溫時(shí)間約為90 min，待溫度穩(wěn)定后，截面1至截面3的平均溫度分別為-16.9、-15.5和-14.8 ℃，車(chē)廂內(nèi)平均溫度為-15.7 ℃。出現(xiàn)上述結(jié)果與截面1靠近送、回風(fēng)口和PCTSU，截面 2居中，截面3處于車(chē)輛尾部，送風(fēng)氣流較弱且車(chē)門(mén)存在滲風(fēng)等因素有關(guān)。截面1內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度略低于仿真值，而截面3內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度略高于仿真值。這是由于仿真條件一般偏理想狀態(tài)，而實(shí)際冷藏車(chē)廂的回風(fēng)口處不可避免地存在漏冷現(xiàn)象、車(chē)門(mén)處則存在漏熱（漏氣）現(xiàn)象造成的，這也可為新型蓄冷式冷藏車(chē)的改進(jìn)優(yōu)化提供了參考。

圖5 不同設(shè)定溫度下的車(chē)廂內(nèi)各測(cè)試截面平均溫度

圖6 不同設(shè)定溫度時(shí)各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度與模擬溫度的對(duì)比

為評(píng)價(jià)車(chē)廂內(nèi)溫度穩(wěn)定性，引入溫度不均勻度系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，它表征了某一時(shí)刻車(chē)廂內(nèi)不同位置溫度值與平均溫度的偏差程度，計(jì)算方法如式（4）所示，值越大表示溫度均勻性越差[31]。對(duì)設(shè)定溫度為0 ℃時(shí)的溫度穩(wěn)定階段（試驗(yàn)后9 h）和設(shè)定溫度為-18 ℃時(shí)的溫度穩(wěn)定階段（試驗(yàn)后8.5 h）的溫度分布，分別計(jì)算各測(cè)試截面的溫度不均勻度系數(shù)，結(jié)果如圖7所示。

式中tj為測(cè)點(diǎn)j的溫度測(cè)量值，℃；為車(chē)廂內(nèi)平均溫度，℃。

由圖7可知，設(shè)定溫度為0 ℃時(shí)≤1.0，設(shè)定溫度為-18 ℃時(shí)≤0.4，而傳統(tǒng)蓄冷冷藏車(chē)的值最高達(dá)2.0以上[17]。可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的新型蓄冷冷藏車(chē)的溫度分布穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)蓄冷冷藏車(chē)，值較傳統(tǒng)蓄冷冷藏車(chē)降低了50%以上。此外，由于新型蓄冷冷藏車(chē)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行蒸發(fā)器融霜作業(yè)，其溫度穩(wěn)定性亦優(yōu)于同類(lèi)型機(jī)械冷藏車(chē)。但是也應(yīng)看到，0 ℃的值較-18 ℃高，是由于PCM溫度較低，送風(fēng)溫差較大造成的，這也說(shuō)明車(chē)廂送風(fēng)系統(tǒng)仍可進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。

將本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[17]中頂置式及部分頂置部分側(cè)置式蓄冷冷藏車(chē)車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行比較可知，車(chē)廂內(nèi)的設(shè)定溫度分別為0和-18 ℃時(shí)，GU-PCM2型蓄冷車(chē)車(chē)的10 h車(chē)廂內(nèi)平均溫度分別在1.1～2.9 ℃和-14.8～-16.9 ℃之間波動(dòng)，波動(dòng)范圍為1.8和2.1 ℃。而傳統(tǒng)蓄冷冷藏車(chē)10 h車(chē)廂內(nèi)溫度在3～5 ℃之間波動(dòng)，本文所設(shè)計(jì)的蓄冷式冷藏車(chē)的平均溫度波動(dòng)較傳統(tǒng)蓄冷冷藏車(chē)降低了48.7%。此外，傳統(tǒng)蓄冷冷藏車(chē)的PCM溫度雖然一直維持在-18 ℃以下，但車(chē)廂內(nèi)溫度處在-9～-15 ℃之間，無(wú)法維持在-15 ℃以下，這對(duì)運(yùn)輸食品品質(zhì)不利，而GU-PCM2型蓄冷式冷藏車(chē)通過(guò)對(duì)車(chē)廂溫度進(jìn)行調(diào)控，較好地解決了這一問(wèn)題。

3.3 車(chē)廂質(zhì)心計(jì)算與分析

蓄冷冷藏車(chē)車(chē)廂質(zhì)心受車(chē)廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)及蓄冷裝置的質(zhì)量和安裝位置影響，如式（5）所示，根據(jù)合力矩定理，可計(jì)算得到車(chē)廂質(zhì)心高度。

式中y、y、y分別為車(chē)廂、車(chē)廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)和蓄冷裝置質(zhì)心高度，m；m、m分別為車(chē)廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)和蓄冷裝置質(zhì)量，kg。

為便于計(jì)算，視車(chē)廂為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)方體，各面密度相等，其質(zhì)心與車(chē)廂幾何中心重合。若將360 kg蓄冷板掛于冷藏車(chē)廂頂部[17]，以車(chē)廂底部為基準(zhǔn)面，計(jì)算得到質(zhì)心高度為1.70 m。改為GU-PCM2型蓄冷冷藏車(chē)后，由于PCTSU置于車(chē)廂前端，蓄冷板均勻分布在PCTSU內(nèi)部。由杠桿定理可知，若干個(gè)均勻分布的幾何體可用懸掛在它們質(zhì)心處的質(zhì)點(diǎn)替代，故車(chē)廂質(zhì)心高度為車(chē)廂高度中點(diǎn)，即1.12 m。車(chē)廂質(zhì)心較之前下降25.9%。

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)并研制了一款集相變蓄冷單元、車(chē)載制冷系統(tǒng)、隔熱車(chē)廂、送風(fēng)系統(tǒng)等于一體的新型蓄冷冷藏車(chē)。該車(chē)蓄冷裝置獨(dú)立設(shè)置于車(chē)廂前端并保溫，蓄冷條利用夜間低谷電進(jìn)行充冷。當(dāng)車(chē)廂需要控溫時(shí)，通過(guò)送風(fēng)系統(tǒng)將冷量導(dǎo)出并調(diào)控，控溫范圍在-25～10 ℃之間。

2）構(gòu)建了蓄冷冷藏車(chē)仿真模型，結(jié)果表明，設(shè)定溫度為0和-18℃時(shí)，實(shí)測(cè)溫度與模擬溫度的均方根誤差分別為0.7和0.8 ℃，最大絕對(duì)誤差分別為1.1和1.2 ℃，總體偏差合理。所建立模型可較好地模擬車(chē)廂內(nèi)溫度分布，為研究提供便利。

3）樣車(chē)試驗(yàn)及仿真結(jié)果表明，當(dāng)車(chē)廂內(nèi)設(shè)定溫度為0和-18 ℃時(shí)，該蓄冷車(chē)可有效控溫10 h以上，車(chē)廂平均溫度分別在1.1～2.9 ℃和-14.8～-16.9 ℃之間波動(dòng)，波動(dòng)范圍為1.8和2.1 ℃，溫度不均勻度系數(shù)在1.0以內(nèi)。較傳統(tǒng)蓄冷冷藏車(chē)而言，該新型蓄冷冷藏車(chē)的平均溫度波動(dòng)值降低了48.7%，溫度不均勻度系數(shù)降低了50%以上；此外，車(chē)廂質(zhì)心較頂置式蓄冷車(chē)下降了25.9%，可在保證貨物品質(zhì)安全的同時(shí)有效降低運(yùn)輸能耗及成本。

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Design and no-load performance test of GU-PCM2 temperature controlled phase change storage refrigerator

Liu Guanghai1, Wu Junzhang1, Alan Foster2, Xie Ruhe1, Tang Haiyang1, Zou Yifeng1, Qu Ruigui3,4※

(1.,,510006,; 2.,,BS40 5DU,; 3.,510405,; 4.,410075,)

The existing phase change material (PCM) devices of PCM refrigerated truck are mostly arranged on the top of the carriage, which has the problems of high gravity center and uncontrollable temperature and so on. In view of the above problems, a new type refrigerated truck was designed in this paper, which integrated phase change thermal storage unit, refrigeration system, heat-insulated carriage, air supply system and so on. The cold storage device was set independently in the front of the truck and was insulated. PCM mass required for phase change thermal storage unit was 360 kg (the phase transition temperature is -30 ℃ and the latent heat of phase change is 175.3 kJ/kg), which used cheap electricity at night to store energy, when working, the temperature in carriage could be adjusted between -25-10 ℃. The simulation and tests of 2 working modes were carried out with the setting temperature of 0 and -18 ℃ in a refrigerated prototype. A computational fluid dynamics (CFD) simulation model of PCM refrigerated truck was built and the temperature field in carriage was simulated, the root mean square error and maximum absolute error between simulations and measurements of 2 working modes were 0.7 and 0.8 ℃, 1.1 and 1.2 ℃ respectively, the simulated temperature calculated by the simulation model agreed well with the measured temperature, and the measured temperature near the air outlet in the carriage was slightly lower than the simulation temperature, while the measured temperature near the rear section was slightly higher than the simulation temperature, this was due to the fact that the simulation data were generally in an ideal state, but the cold leak was unavoidable at the return air outlet of the actual refrigerated truck and the heat leak (air leak) at the door. The test results showed that the new type of PCM refrigerated truck proposed in this paper could effectively control the temperature more than 10 h on the basis of sufficient cold storage. The average temperature fluctuated between 1.1-2.9 ℃ and -14.8--16.9 ℃and the fluctuation ranges were 1.8 and 2.1 ℃under the 2 working modes. The lowest temperature in the carriage was located at the front of the carriage and close to both sides of the air outlet, the high temperature area was located at the top of the middle of the carriage and near the air inlet. The coefficient of temperature non-uniformity was less than 1.0 when the setting temperature in carriage was 0 ℃ and was less than 0.4 when the setting temperature in carriage was -18 ℃. In terms of cooling time, it took 60 minutes when the carriage was set to 0 ℃ and 90 minutes when the carriage was set to -18 ℃. The tested results showed that the average temperature fluctuation of the new type temperature controlled PCM refrigerated truck was 48.7% lower than that of the traditional PCM refrigeration truck, the coefficient of temperature non-uniformity was 50% lower, and the center of gravity was 25.9% lower than that of the overhead traditional PCM refrigeration truck. In addition, the temperature stability of the new type PCM refrigerated truck was better than that of the similar mechanical refrigerated truck because it didn’t need to defrost the evaporator during long-term operation. The new type PCM refrigerated truck can effectively reduce the transportation energy consumption and cost while guaranteeing the quality and safety of goods, and the research provided the basis for the optimization and application of the PCM refrigerated truck.

design; experiments; numerical analysis; phase-change cold storage; distribution of temperature; refrigerated truck

2018-09-11

2018-10-06

國(guó)家科技支撐計(jì)劃農(nóng)業(yè)領(lǐng)域項(xiàng)目（新型冷藏及保鮮運(yùn)輸技術(shù)與裝備/2013BAD19B01-1）；廣東省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（No.2017B020206006）

劉廣海，副教授，主要從事冷鏈物流裝備設(shè)計(jì)與運(yùn)用研究。Email：broadsea@gzhu.edu.cn

屈睿瑰，副教授，主要從事冷鏈物流裝備設(shè)計(jì)與運(yùn)用研究。Email：64855316@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.035

U272.5

A

1002-6819(2019)-06-0288-08

劉廣海，吳俊章，Alan Foster，謝如鶴，唐海洋，鄒毅峰，屈睿瑰. GU-PCM2型控溫式相變蓄冷冷藏車(chē)設(shè)計(jì)與空載性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(6)：288－295. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.035 http://www.tcsae.org

Liu Guanghai, Wu Junzhang, Alan Foster, Xie Ruhe, Tang Haiyang, Zou Yifeng, Qu Ruigui. 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) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.035 http://www.tcsae.org