相变蓄冷技术在食品冷链中的应用与进展

马冰奇

( 哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028 )



相变蓄冷技术在食品冷链中的应用与进展

马冰奇

( 哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028 )

相变蓄冷技术在食品冷链领域应用中有着广泛的前景。本文综述了相变冷藏技术在食品冷链的近期发展现状，介绍了相变蓄冷技术应用于蓄冷板冷藏库、蓄冷板冷藏车、冷藏保温箱等冷链不同领域的研究进展。本文也呈现了使用计算应用流体动力学(CFD)数值模拟软件ANSYS描述蓄冷板和蓄冷板冷藏车蓄冷过程的温度分布。结果表明，当进口温度不变，蓄冷量随换热流体流速的增加而增加。相变蓄冷技术的应用，在冷藏运输设备领域有巨大的发展前景。根据国内外相变蓄冷技术的研究情况，本文提出了相变蓄冷技术需要解决的问题，为今后进一步研究提供了一定的参考依据。

相变蓄冷技术；冷藏车；蓄冷特性；数值模拟

引言

能源问题可以说是当今全球最值得关注的问题之一。节能减排已经成为我国经济发展之中最重要的议题。食品的冷藏冷冻由于量大范围广，一直是耗能较大的产业。要使食品冷链走可持续发展的道路，必须研究冷链物流节能降耗技术，而蓄冷式节能技术是一个很好的发展方向之一[1]。

蓄冷技术是指在夜间电力负荷低峰时使制冷机组运行,产生的冷量存储在蓄冷介质中,然后在电力负荷高峰期将冷量释放出来,满足高峰期冷负荷需求或生产工艺用冷的需求，最终达到移峰填谷,节省电费的目的。

相变蓄冷技术也非常适合在食品冷链中应用，例如：利用相变蓄能的原理，按冷链运输不同的温度需求将不同相变温度的材料进行合理配置达到相变蓄冷蓄热的效果。如蓄冷型运输保温箱，应用相变蓄冷技术制作的啤酒冰袋，用于啤酒运输和销售过程中的降温和冷藏，以保证啤酒凉爽新鲜的口感。因此相变蓄冷技术在食品低温加工、低温贮藏、低温运输及配送、低温销售等食品冷链的各环节中具有广泛的应用前景和节能潜力[2,3,4]。日本果蔬在流通中有98%采用了冷藏链[5]。

1　相变蓄冷技术在冷藏库中的应用

1.1冰蓄冷和湿空气保鲜果蔬冷库技术

它是基于蓄冷技术对蔬菜和瓜果进行保鲜的新技术，20世纪70年代在国外发展起来，美国、英国、加拿大等许多发达国家许多学者也曾对这个项目有广泛研究，如国外有将冰蓄冷和湿空气冷却进行花果蔬菜的保鲜冷库，郭康宁、苏文[6,7]等人都提出过夜间将冷凝水降温蓄冷，以降低冷凝温度，他们已基本上完成了湿冷系统的理论和实验模型。

与传统的冷库相比,该系统具有如下特点：

(1)采用蓄冷技术的冷库其制冷机组的容量比传统冷库小30%左右。减少环境污染，就电力系统而言，由于蓄冷技术的“移峰填谷”作用。使得电力负荷趋于平衡。

(2)显著增加业主的经济效益。实施电网峰谷差价政策后，对于业主来说,采用蓄冷方式将制冷负荷从高峰期转入低峰期可获得较大的经济效益。

(3)冷却速度加快，冷藏品质量提高。由于流经冷藏品的空气是湿空气，经过长时间储存的农产品水分损失少，也不会干缩、变形、变色，从而提高了冷藏品的品质,因此销路好，价格高。

1.2蓄冷板冷藏库

蓄冷板制冷技术是美国人在上个世纪四十年代发明的，在七十年代末，美国运输冷冻食品的冷板汽车拖车，冷板集装箱占专用冷冻车的70%。

20世纪60年代，国外在冷藏运输工具上开发蓄冷技术后，首先将其应用在恒温要求高的小型冰淇淋冷藏库上，而我国在20世纪90年代后才进行果蔬蓄冷式贮藏的研究，但目前蓄冷板式冷藏库却还未普及，只有上海、北京、广州等几个大城市采用[8]。

蓄冷板冷藏库是与冷藏车类似在顶棚下或库体两侧安装蓄冷板，将人工制取的冷量利用物质的显热或潜热蓄存起来，以备负荷高峰时使用。图2、图3分别为蓄冷板和制冷管道顶装和侧装的安装方式。

图1　顶装蓄冷板

图2　侧装蓄冷板

由于冷库用电的峰谷期与电价的峰谷期正好重合，采用单一的供冷方式并不节能。在蓄冷冷库中，蒸发端采用蓄冷板与冷风机联合运行的方式，会更节能。蓄冷冷库运行示意图[9]，如图3所示。

图3　蓄冷冷库运行示意图

2　相变蓄冷技术在低温运输中的应用

我国冷藏货运市场潜力巨大，但目前我国冷链物流基础比较薄弱[10]，在一段时期内还很难缩小与发达国家差距，蓄冷技术在国外20世纪60年代后已广泛应用于冷藏车和冷藏集装箱上，蓄冷板冷藏车是在隔热车体上安装蓄冷板，蓄冷板内充注一定量的低温共晶溶液作为冷源，当共晶溶液充冷冻结后贮存冷量，并在不断融化过程中吸收热量而实现制冷。由于冷板系统的控温困难，国外多用冷板汽车来运输冷冻货物，而果蔬运输仍使用常规的冷风机的机械冷藏车。2002年120 km/h快速新型机械冷板冷藏车通过铁道部鉴定,有2辆车已投入运用[11]。目前，我国也研制出第二代蓄冷板冷藏车(即机械冷板冷藏车，包括铁路和公路用)[12]，它克服了第一代冷板冷藏车需要地面充冷站进行充冷的缺点,在冷藏车上自带制冷机组，只要供电就可以进行充冷,在任何车站都可以进行，使其大范围的使用成为可能。

从冷却方式分类，冷藏运输可以分为加冰冷藏、机械冷藏、冷藏集装箱及冷板冷藏[13-15]，其中冷藏集装箱和冷板冷藏是发展的重点。冷板冷藏车具有很好的节能效果，例如我国第一代铁路冷板冷藏车，从1983年9月起至1984年8月止，共运行了12次，平均运距2120公里。

2.1蓄冷式冷藏车

蓄冷板式冷藏汽车车厢厢体系采用硬质聚氨酯泡沫塑料发泡成型，这样可以减少车厢内的冷量损失。蓄冷板一般对称安装在厢体的两侧或顶部，其厚度为50～100mm，用铝合金做成中空的壳体，内装蓄冷剂。图4所示为蓄冷板结构[16]，在蓄冷板中布置有制冷蒸发盘管，蓄冷液直接与盘管接触，使其传热能力大大提高。板内蓄冷液借助制冷盘管内的冷剂吸热而冻结以贮存冷量，其冻结成固体的方向是由盘管外缘逐渐成长到蓄冷板的内壁，释冷时则是由冻结固体的最外缘，即蓄冷板的内壁向盘管方向融化。

图4　蓄冷板结构1.蓄冷板外壳；2.蓄冷液；3.蒸发器盘；4.制冷剂进口快速接头；5.制冷剂出口快速接头

图5　蓄冷板的温度分布

图6　蓄冷板冷藏车的温度分布

李月明[17]应用ANSYS建立蓄冷板物理模型，模拟研究蓄冷板内相态分布、温度分布情况及多元共晶盐溶液的蓄冷特性。图5是蓄冷过程时间为3600s的蓄冷板整体的温度分布图。

刘家庆[18]建立蓄冷式冷藏车车厢的物理模型与数学模型，通过数值模拟研究蓄冷式冷藏车车厢内的温度分布，如图6所示，结果表明：车厢的温度适合冷藏车冷藏运输。

澳大利亚的Ming Liu，Wasim Saman研究了一种新的蓄冷式冷藏车，与常规系统相比，此系统噪音低，能耗少，适合用于小型和中型冷藏车的短途和本地运输使用[19]。美国的Mashud Ahmed对冷藏车厢体的隔热材料进行研究，厢体的隔热材料和结构直接影响着冷藏车的绝热性能、机械强度、环保性能和经济性[20]。

2.2蓄冷型运输保温箱

蓄冷型运输保温箱是20世纪80年代初期，从发达国家发展起来的一种非常高效的物流技术装备[21]。它是小批量、高品质货物运输的一个优质运输装备，具有集中供冷,箱容利用率高,自重轻,装卸效率高,周转速度快的特点[22]。主要由保温箱和蓄冷板组成，保温箱本身没有制冷功能，它的温度控制依靠配置不同温度的蓄冷板来实现，无需制冷就能实现长时间保冷。蓄冷板内装有高效蓄冷剂，可以反复多次使用。根据蓄冷板的数量和类型，不同的温度控制依靠不同规格的蓄冷板来实现。蓄冷板在箱内释放冷量使箱内温度保持恒定。冷冻货物和冷藏货物分别装于不同温度的保温箱中，之后就可以和常温货物一同装在普通货车中进行配送。与传统的冷藏车对照分析，蓄冷型运输保温箱具有灵活性、环保性、经济性、安全性、可控性等特点[23]。

3　食品冷链蓄冷技术的研究方向

冷链蓄冷技术的研究发展方向主要包括以下几个方面：

(1)研制温度可调的蓄冷材料或控温蓄冷系统。

(2)相变材料结构与潜热关系的研究，寻找提高相变材料潜热的途径。

(3)对冷链中蓄冷介质的蓄能机理进行研究，提高相变材料的蓄释冷特性，减少蓄冷板的充冷时间。

(4)提高蓄冷板性能的理论分析和试验研究。优化冷板车设计，改革现行的运营管理机制。

(5)新型便携式蓄冷保温配送箱的研究。

(6)新型蓄冷式冷藏库和冷藏柜的研究。

(7)冷链蓄冷技术经济分析及评价。

[1] 赵玉国．推广蓄冷模式运输，发展中国冷链物流[J].当代经济，2008，(9):67

[2] Xiaoyan Li，Kaidi Li，Jiaqing Liu，Research and progress of phase change storage technology application in the food cold chain，C.Wuhan，2013

[3] Yuan Chang，Zeqin Liu，The preliminary discussion on the development of refrigerated transport and refrigerated transport equipment，C.Qingdao，9(2010):164-167

[4] Zhiqiang Zhu，Xiaoshuan Zhang，J.China Fruit Vegetable，34(2014)：14-18

[5] 刘芬，张爱萍，刘东红.真空预冷处理对青花菜贮藏期间生理活性的影响[J].农业机械学报，2009,40(10):107-110

[6] 郭康宁.冷库蓄冷的应用研究[J].制冷，1997，(2):56-60

[7] 苏文，陈汝东.蓄冷技术在冷库中的应用[J].制冷技术，2002，(4):31-35

[8] 刘国丰.蓄冷式冷藏运输装备的应用研究[D].长沙:中南大学，2007

[9] 吴丽媛，宋文吉，肖睿.相变蓄冷技术在低温冷库系统的应用前景[C].第七届全国食品冷藏链大会论文集，青岛，2010，(9):120-125

[10] 谢晶．我国水产品冷藏链的现状和发展趋势[J].制冷技术，2010，(3):5-10

[11] 铁道部科技成果办公室.120 km/h快速机械冷板冷藏车[J].铁道运输与经济，2003，(5):62-65

[12] 刘国丰，谢东任，史蕾.新型机械冷板冷藏车简介[J].铁道车辆，1998，36(10):33-34

[13] 刘国丰，欧阳仲志.冷藏运输市场现状及发展[J].制冷，2007，26(2):27-30

[14] S.A.Tassou，G De-Lille，Y.T.Ge.Food transport refrigeration-approaches to reduce energy consumption and environmental impacts of road transport[J]. Applied Thermal Engineering，2008

[15] S.J.James，C James，J.A.Evans.Modelling of food transportation systems-a review[J]. International Journal of Refrigeration，2006，29(6):947-957

[16] 方贵银.蓄冷板式冷藏汽车的研究[A].“21世纪中国食品冷藏链大会暨速冻食品发展研讨会”论文集,148-151

[17] 李月明.冷藏运输设备用相变蓄冷介质及应用基础研究[D].哈尔滨商业大学，2015

[18] 刘家庆.蓄冷式冷藏车用蓄冷材料的研制及其热性能的研究[D].哈尔滨商业大学，2014

[19] Ming Liu，Wasim Saman．Development of a novel refrigeration system for refrigerated trucksincorporating phase change material[J]. Sustainable Energy Centre，Institute for Sustainable Systems and Technologies.Applied Energy 92 (2012):336-342

[20] Mashud Ahmed，Oliver Meade.Reducing heattransfer across the insulated walls of refrigerated truck trailers by the application of phase change materials[J].Energy Conversion and Management 51(2010):383-392

[21] 胡凡．冷链物流新宠儿-物流保温箱[J].物流设备，2008，(4):35

[22] 刘娥玉，臧润清，刘圣春．食品冷藏链中主要环节的认识与展望[J].制冷与空调，2009,9(6):6-12

[23] 房慧．伊藤松冷-蓄冷式运输模式始末[J].食品安全导刊，2009,(4)：86-87

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

马冰奇(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向：制冷空调系统传热传质研究。Email：754675333@qq.com

ISSN1005-9180(2016)03-079-05

TS205.7 文献标示码：B doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.015