朱鑒宇 ，盛 偉 ,※，陳金龍 ，司春強(qiáng) ，麥爾祖克江 ，鄭海坤

（1.河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，焦作 454000；2.哈密豫新能源產(chǎn)業(yè)研究院，哈密 839000；3.華商國際工程有限公司，北京 100069；4.新疆天建冷鏈科技有限公司，哈密 839000）

0 引 言

水果和蔬菜是飲食的重要組成部分，為人們的健康提供必要的營養(yǎng)物質(zhì)、植物營養(yǎng)素和纖維。據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，自2012年以來中國果蔬農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量呈逐年遞增趨勢，截止2021年底，水果及蔬菜產(chǎn)量分別達(dá)到29 970.2萬t和77 548.78萬t，較2012年分別提高了35.66%和28.54%[1]。然而果蔬收獲后仍然存活，并具有生命體征，生物實體的呼吸、蒸發(fā)、乙烯釋放和其他傳播等重要過程持續(xù)不斷地消耗其有機(jī)物質(zhì)（如糖和淀粉），從而降低新鮮農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量（如營養(yǎng)成分、功能成分、硬度），限制其貨架壽命[2-4]。在果蔬產(chǎn)品供應(yīng)鏈中采后損失在總損失中占到了相當(dāng)大的比例，高達(dá)13%～38%[5]。對于新鮮的農(nóng)產(chǎn)品，溫度是影響其損腐率及貯藏壽命的重要參數(shù)[6-8]。因此，在整個供應(yīng)鏈中，通過冷卻和保持最佳產(chǎn)品溫度快速消除收獲后的田間熱量至關(guān)重要[9-12]。

預(yù)冷的主要目的是在收獲、采摘后迅速去除新鮮農(nóng)產(chǎn)品的田間熱量，這一步驟減緩了農(nóng)產(chǎn)品采摘后的物理化學(xué)活動，并將感官特性和營養(yǎng)物質(zhì)的破壞降至最低[13-16]。研究表明，在果蔬冷鏈運輸過程中，經(jīng)過預(yù)冷處理的果蔬損失率可以從25%～30%降低至5%～10%[17]。因此，對預(yù)冷過程進(jìn)行系統(tǒng)的研究，優(yōu)化預(yù)冷過程及預(yù)冷設(shè)備，是提高冷鏈物流的經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。

移動式冷庫是指采用一體式制冷裝置對移動式保溫艙體進(jìn)行降溫的一種冷藏設(shè)備，主要用于解決果蔬采后的最先一公里問題。移動式冷庫較普通冷庫具有建設(shè)周期短、靈活性高、可用于田間地頭快速解決果蔬采后田間熱的優(yōu)點[18-19]，同時冷庫預(yù)冷作為傳統(tǒng)預(yù)冷方式，其具有適用范圍廣、成本低廉的優(yōu)點[20]。在國內(nèi)有少部分學(xué)者在移動式預(yù)冷設(shè)備開發(fā)[19]、冷庫預(yù)冷冷卻性能[21-22]以及應(yīng)用[23-26]上進(jìn)行研究，然而這部分研究缺少對移動式預(yù)冷設(shè)備的性能以及運行過程中溫度均勻性的研究。

本文針對果蔬采后最先一公里問題，結(jié)合制冷技術(shù)以及保溫集裝箱技術(shù)，提出和開發(fā)了一種移動式冷庫，并對其進(jìn)行了性能研究試驗。并以冷庫的導(dǎo)熱熱阻以及制冷系數(shù)對設(shè)備的性能進(jìn)行了評估，同時采用溫度變異系數(shù)和溫度異質(zhì)性系數(shù)對運行過程中的冷卻均勻性進(jìn)行定量化分析，擬為解決果蔬采后最先一公里問題提供一定的解決方案。

1 移動式冷庫開發(fā)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

冷庫的整體結(jié)構(gòu)是決定其移動性能的重要指標(biāo)，移動式冷庫的結(jié)構(gòu)如圖1所示，移動式冷庫整體由制冷一體機(jī)以及冷庫主體結(jié)構(gòu)組成，其具有以下幾點特點：

圖1 移動式冷庫裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the mobile cold storage

1）相較于傳統(tǒng)固定式冷庫，本設(shè)備冷庫主體結(jié)構(gòu)采用集裝箱框架作為骨骼構(gòu)件，使得其建設(shè)周期短，結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性好?？捎绍囕d運輸至田間地頭對采后果蔬進(jìn)行預(yù)冷；

2）相較于冷藏箱，本設(shè)備采用制冷一體機(jī)作為制冷設(shè)備，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝、維修簡單，且置于田間地頭時重要部件不易被雜物損傷。在設(shè)計初期針對果蔬預(yù)冷增大了設(shè)備的設(shè)計余量，因此果蔬預(yù)冷周期相對較短，損腐率低；

3）冷風(fēng)機(jī)安裝在冷庫內(nèi)側(cè)壁面天花板處，且出風(fēng)口設(shè)置有導(dǎo)流格柵，使得設(shè)備運行過程中整體溫度變異系數(shù)較低，具有較高的冷卻均勻性。

1.2 循環(huán)參數(shù)計算

設(shè)備主要針對30 m3葡萄預(yù)冷設(shè)計，按照GB 50 072-2021《冷庫設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行熱力計算，并選用聚氨酯發(fā)泡板作為冷庫板。依據(jù)葡萄冷藏最佳溫度0 °C，設(shè)備采用R404A制冷劑，蒸發(fā)溫度設(shè)定為0 °C，過熱度為5 °C；冷凝溫度設(shè)定為35 °C，過冷度為5 °C。將上述設(shè)計工況代入制冷劑物性參數(shù)軟件Coolpack繪制壓焓圖，并由此查得各點的比焓分別為：蒸發(fā)器出口比焓h1= 372.825 kJ/kg，冷凝器進(jìn)口比焓h2= 397.946 kJ/kg，蒸發(fā)器進(jìn)口比焓h4= 245.624 kJ/kg。

以常規(guī)高性能壓縮機(jī)等熵效率[27]作為設(shè)計工況下壓縮機(jī)的等熵效率，其值為0.8，將其代入到式（1）計算其設(shè)計工況下的理論制冷系數(shù)。

式中εd為設(shè)計工況下的理論制冷系數(shù)；ηd為等熵效率；qde為設(shè)計工況下的理論制冷量，kJ/kg；wd為設(shè)計工況下的理論功率，kJ/kg。

式中qdc為設(shè)計工況下的理論冷凝熱負(fù)荷（kJ/kg）。

將h1、h2、h4分別代入式（1）~式（4），可求得設(shè)計工況下的理論制冷系數(shù)為5.06，理論制冷量為127.20 kJ/kg，理論功率為25.12 kJ/kg，理論冷凝熱負(fù)荷為152.322 kJ/kg。

由于本文設(shè)備主要針對果蔬預(yù)冷設(shè)計，因此在設(shè)備選型時適當(dāng)放大了熱負(fù)荷以減少預(yù)冷時間。通過放大所求的冷庫熱負(fù)荷（即制冷量Qde= 10.15 kW）并結(jié)合設(shè)計工況依據(jù)式（1）求得壓縮機(jī)功率為1.6 kW，故選取壓縮機(jī)型號為NTZ068A4 LR1A。將放大后的冷庫熱負(fù)荷（制冷量）代入式（5）~式（8），求得蒸發(fā)器以及冷凝器所需換熱面積分別為25.36 和30.39 m2，故選取換熱面積為25 m2，風(fēng)量為2 670 m3/h的冷風(fēng)機(jī)和換熱面積為30 m2的冷凝器。

式中A dc為設(shè)計工況下的冷凝器換熱面積，m2；Qdc為設(shè)計工況下的冷凝器熱負(fù)荷，kW；Kdc為設(shè)計工況下的冷凝器傳熱系數(shù)，取40 W/(m2·K)；Δt為換熱溫差，取10 °C；qg為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；Ade為設(shè)計工況下的蒸發(fā)器換熱面積，m2；Qde為放大后設(shè)計工況下的冷庫熱負(fù)荷，kW；Kde為設(shè)計工況下的蒸發(fā)器傳熱系數(shù)，取40 W/(m2·K)。

1.3 試驗裝置及方法

1.3.1 試驗裝置

移動式冷庫試驗裝置如圖1a所示，設(shè)備主要由移動式冷庫主體結(jié)構(gòu)以及制冷一體機(jī)組成。其中制冷一體機(jī)（如圖2）由壓縮機(jī)、冷凝器、散熱風(fēng)機(jī)、儲液器、干燥過濾器、四通閥、電子膨脹閥以及冷風(fēng)機(jī)組成；冷庫主體結(jié)構(gòu)（如圖1b）由集裝箱框架、聚氨酯發(fā)泡板組成。主要試驗裝置和儀表型號及參數(shù)如表1所示。

表1 主要試驗裝置和儀器型號與參數(shù)Table 1 Models and parameters of main test equipments and instruments

圖2 制冷一體機(jī)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle diagram of the integrated refrigeration machine

本文試驗于2022年3月30日— 4月2日在新疆哈密某地區(qū)進(jìn)行，試驗過程當(dāng)?shù)匕滋鞙囟葹?～17 °C，夜間溫度為1～8 °C。

1.3.2 試驗方法

（1）移動式冷庫傳熱系數(shù)檢測

試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30 103.3-2013 《冷庫熱工性能試驗方法 第3部分：圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流量檢測》采用熱平衡法進(jìn)行傳熱系數(shù)測量。試驗測點分布如圖3a所示，試驗過程中制冷一體機(jī)始終處于停機(jī)狀態(tài)，為了使冷庫內(nèi)外溫差保持在20 °C以上，在冷庫底面幾何中心處布置加熱爐作為熱源使用，軸流式風(fēng)機(jī)則布置于加熱爐同一軸線上用于加強(qiáng)冷庫內(nèi)部空氣循環(huán)，加速溫升；同時在冷庫內(nèi)外壁面距幾何中心100 mm處設(shè)置溫度測點實時監(jiān)測冷庫內(nèi)部及外部溫度變化情況，其中測點ta、tb、tc、td、te、tf設(shè)置于冷庫內(nèi)部，測點ta'、tb'、tc'、td'、te'、tf'設(shè)置于冷庫外部。試驗時長設(shè)置為24 h（3月30日10:25～3月31日10:25），數(shù)據(jù)采集儀每5s記錄一次。

圖3 移動式冷庫試驗測點分布Fig.3 Mobile cold storage test point distribution

（2）移動式冷庫溫度場檢測

移動式冷庫溫度場檢測試驗測點分布如圖3b所示，試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30 103.1-2013 《冷庫熱工性能試驗方法 第1部分：溫度和濕度檢測》進(jìn)行測試。試驗過程中制冷一體機(jī)處于正常運行狀態(tài)，由于當(dāng)?shù)靥鞖庠?，為保持庫體內(nèi)外溫差在20 °C以上將庫溫設(shè)定為-20 °C，并將除霜周期設(shè)置為4 h；同時在冷庫底面幾何中心處設(shè)置有加熱爐，其目的是當(dāng)制冷一體機(jī)檢測到庫溫降至-20 °C時將會處于待機(jī)狀態(tài)，此時若采用自然升溫將會使得測試間隔較長，因此設(shè)置加熱爐輔助升溫。

由于冷庫庫體長寬高較短，冷風(fēng)機(jī)安裝于制冷機(jī)組側(cè)壁面天花板處，此時風(fēng)機(jī)射流將在Coanda效應(yīng)的作用下貼附于冷庫上壁面流動最終撞擊冷庫門側(cè)壁面擴(kuò)散回流。這將會導(dǎo)致冷庫門側(cè)壁面處溫度顯著低于制冷機(jī)組側(cè)壁面，而冷庫幾何中心點處側(cè)測點則接近整體平均溫度，且試驗為空庫測試，冷庫整體溫差較小。因此在溫度較高區(qū)域距離箱體頂角三面100 mm處布置有1、2、5、6號測點，在溫度中等區(qū)域距離箱體頂角三面100 mm處布置有3、4、7、8號測點，而溫度較低區(qū)域即冷庫幾何中心處布置有9號測點，以此反映冷庫的溫度場以及冷卻均勻性。在冷風(fēng)機(jī)的回風(fēng)口以及出風(fēng)口處設(shè)置有熱電偶監(jiān)測進(jìn)風(fēng)以及出風(fēng)溫度并計算冷風(fēng)機(jī)制冷量。試驗時長設(shè)置為12 h（4月1日22:00-4月2日10:00），數(shù)據(jù)采集儀每5 s記錄一次。

1.4 移動式冷庫的主要性能指標(biāo)

（1）移動式冷庫庫板的熱阻

移動式冷庫庫板的熱阻R是反映冷庫保溫性能的重要指標(biāo)，定義為試驗過程中由冷庫傳熱面積以及冷庫內(nèi)外溫差與其內(nèi)部熱負(fù)荷的比值[27]。

式中R為移動式冷庫庫板的熱阻，m2· °C/W；Q為試驗過程中冷庫內(nèi)部設(shè)置的熱負(fù)荷，W；A為傳熱面積，m2；Ta1庫內(nèi)平均溫度， °C；Ta2庫外平均溫度， °C；Q1為加熱器功率，W；Q2為軸流風(fēng)機(jī)功率，W；A1為冷庫外表面積，m2；A2為冷庫內(nèi)表面積，m2。

（2）制冷一體機(jī)的制冷系數(shù)

制冷一體機(jī)的制冷系數(shù)ε是評價制冷一體機(jī)的性能的參數(shù)，定義為制冷一體機(jī)的制冷量與其消耗功率的比值[28]。

式中Qe為制冷一體機(jī)的制冷量（其計算式如式（13）所示），kW；W為制冷一體機(jī)消耗的功率，kW；qv為冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/h；ρ為空氣密度，kg /m3；H1以及H2分別為冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口以及回風(fēng)口空氣的焓值，kJ/kg。

（3）移動式冷庫溫度場均勻性

溫度異質(zhì)性系數(shù)（CHT）[29]以及溫度變異系數(shù)（CVT）[30]可以用于評價一組數(shù)據(jù)偏離平均值的程度，且其可以忽略不同時刻平均溫度不同帶來的影響。溫度異質(zhì)性系數(shù)以及溫度變異系數(shù)越小，冷庫內(nèi)部溫度場分布越均勻。因此本文采用CHT以及CVT分別評估冷庫局部溫度均勻性以及整體溫度均勻性。

式中Ti表示該點處的溫度，℃；表示該冷庫溫度的平均值，℃。

式中n為測點數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱阻檢測試驗結(jié)果分析

試驗過程中各個測點的溫度變化情況如圖4所示。從圖4a中可以觀察到，位于冷庫內(nèi)部的測點ta～tf溫度曲線基本一致，而位于冷庫外部的測點ta'～tf'則存在一定偏差，這是由于布置于冷庫外部的測點受環(huán)境因素影響較大，因此外部測點溫度曲線存在偏差，區(qū)域A亦是由于天氣的陰晴變化導(dǎo)致了溫度波動；點B（17:25左右）處由于時間已接近黃昏，因此冷庫內(nèi)外測點溫度均出現(xiàn)下降趨勢；區(qū)域C（9:00左右）處由于時間已至早晨，陽光開始強(qiáng)烈，冷庫外部測點受到不同程度的影響，因此此處溫度曲線呈現(xiàn)遞增趨勢；同時通過計算可以得到冷庫的平均內(nèi)外溫差為Ta1-Ta2=30.79°C>20°C，符合國標(biāo)測試要求。冷庫內(nèi)部熱負(fù)荷變化曲線如圖4b所示，經(jīng)過計算可得平均熱負(fù)荷Q= 0.510 kW。將測得結(jié)果代入式（9）計算可得該移動式冷庫庫板的熱阻為3.98 m2· °C/W，熱阻值較高符合使用要求，且較高的熱阻值將有效減少冷庫漏熱率減少能量消耗。

圖4 傳熱系數(shù)檢測試驗結(jié)果Fig.4 Detection test results of heat transfer coefficient

2.2 溫度場檢測結(jié)果分析

試驗過程中各個測點的溫度變化情況如圖5所示，圖中依據(jù)初始設(shè)置的4 h除霜周期將整體分為三個部分，在0～4 h，4～8 h區(qū)間交界處由于此時機(jī)組開始除霜，因此溫度曲線形成了兩個較大的峰值；而在各個區(qū)間內(nèi)分別由兩個較小的峰值，其形成原因則是由于制冷一體機(jī)庫溫設(shè)置為-20 °C，冷庫內(nèi)部溫度降至此溫度時制冷一體機(jī)停機(jī)，此時冷庫內(nèi)部僅有加熱爐在運行，使得庫溫快速升至設(shè)備運行溫度從而開始下一次降溫周期。同時可以觀察到初次化霜后的首次降溫周期要長于第二次化霜，這是由于初次化霜霜層化為液態(tài)水，在降溫過程中此部分液態(tài)水的凝固潛熱增大了冷庫內(nèi)部的熱負(fù)荷使得降溫周期增長；而第二次化霜后盡管增加了液態(tài)水的凝固潛熱，但已經(jīng)有一部分在初次化霜后的降溫周期中消除，因此出現(xiàn)了初次化霜后的首次降溫周期要長于第二次化霜。

圖5 溫度場檢測測點溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curve at different temperature field detection points

2.2.1 制冷一體機(jī)性能分析

冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)及回風(fēng)溫度變化曲線如圖6a所示，經(jīng)過計算可得回風(fēng)口的平均溫度為-18.4 °C，出風(fēng)口的平均溫度為-22.2 °C，通過Coolpack制冷劑物性軟件查得其焓值分別為H2= 380.79 kJ/kg，H1= 376.97 kJ/kg，通過式（13）計算可得制冷量為Qe= 3.87 kW。制冷一體機(jī)功率變化曲線如圖6b所示，經(jīng)過計算可得制冷一體機(jī)的平均功率W= 1.873 kW，將所得代入式（12）可得制冷一體機(jī)的ε值為2.07，設(shè)備具有較高的ε值，較為節(jié)能。

圖6 制冷一體機(jī)運行工況Fig.6 Operating condition of integrated refrigeration machine

2.2.2 移動式冷庫溫度場均勻性分析

移動式冷庫運行過程中的冷卻均勻性變化如圖7所示，其中圖7a為各個測點的CHT隨時間變化的曲線，即移動式冷庫的局部冷卻均勻性，從圖中可以看出在制冷一體機(jī)停機(jī)以及除霜時由于局部溫升使得平均溫度升高導(dǎo)致各個測點處的 CHT波動較大，但整體波動低于1%。經(jīng)過計算可以得出各個測點的平均溫度異質(zhì)性系數(shù)（即）均低于0.5 %，移動式冷庫的局部冷卻均勻性較好。其中t3處的值最低，為0.08%，而t5處的值最高，為0.48%。結(jié)合圖5分析可知，由于測點3位于冷庫門側(cè)壁面天花板附近，此處處于冷庫內(nèi)部溫度中等區(qū)域，測點溫度偏離整體平均溫度較少，因此此處值低，冷卻均勻性好；由于測點5處于冷庫內(nèi)部溫度較高區(qū)域，測點溫度偏離整體平均溫度較高，因此此處值高，冷卻均勻性差。圖7b為移動式冷庫整體溫度變異系數(shù)隨時間變化的曲線，即移動式冷庫的整體冷卻均勻性，從整體來看其變化規(guī)律與曲線相似，通過計算可以得到，在0.05 %以下，移動式冷庫的整體冷卻均勻性較好，且較好的冷卻均勻性將有效減少果蔬在預(yù)冷過程中的損腐率。

圖7 移動式冷庫冷卻均勻性Fig.7 Cooling uniform of mobile cold storage

3 結(jié) 論

本文針對果蔬采后最先一公里問題，提出和開發(fā)了一種移動式冷庫，并對其進(jìn)行了性能研究試驗。結(jié)果如下：

1）在移動式冷庫傳熱系數(shù)檢測試驗過程中，冷庫內(nèi)外平均溫差為30.79 °C大于20 °C，冷庫內(nèi)部施加的平均熱負(fù)荷為0.510 kW；最終通過試驗和計算得到冷庫庫板的導(dǎo)熱熱阻為3.98 m2·°C/W，較高的導(dǎo)熱熱阻將降低冷庫的漏熱率，減少冷庫能耗。

2）通過試驗和理論計算相結(jié)合的方式對冷庫制冷一體機(jī)的性能進(jìn)行了研究，制冷一體機(jī)的制冷量為3.87 kW，功率為1.873 kW，制冷系數(shù)為2.07，設(shè)備具有較高的制冷系數(shù)，能夠有效減少冷庫能耗。

3）采用溫度異質(zhì)性系數(shù)以及溫度變異系數(shù)對冷庫運行過程的冷卻均勻性進(jìn)行了評價，冷庫運行過程中測點冷庫門側(cè)左上角測點處的冷卻均勻性最好，其平均溫度異質(zhì)性系數(shù)為0.08 %，制冷機(jī)組側(cè)右上角測點處的冷卻均勻性最差，其平均溫度異質(zhì)性系數(shù)為0.48 %，但其值低于0.5%，依舊具有較好的冷卻均勻性；同時從整體來看，平均溫度變異系數(shù)為0.034 %，在0.5 %以下，可見該移動式冷庫具有較好的冷卻均勻性，在果蔬預(yù)冷過程中將會在一定程度上降低損腐率。

本文對移動式冷庫的開發(fā)以及性能進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。但對于移動式冷庫，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化將很大程度上改變冷庫的冷卻性能，如冷風(fēng)機(jī)安裝位置及其出風(fēng)參數(shù)、果蔬堆垛排列方式、果蔬包裝箱結(jié)構(gòu)等因素。因此在進(jìn)一步的研究中將結(jié)合所開發(fā)設(shè)備對此進(jìn)行更加深入的研究。