移动式冷库性能及其冷却均匀性分析

朱鉴宇 ，盛 伟 ,※，陈金龙 ，司春强 ，麦尔祖克江 ，郑海坤

（1.河南理工大学机械与动力工程学院，焦作 454000；2.哈密豫新能源产业研究院，哈密 839000；3.华商国际工程有限公司，北京 100069；4.新疆天建冷链科技有限公司，哈密 839000）

0 引 言

水果和蔬菜是饮食的重要组成部分，为人们的健康提供必要的营养物质、植物营养素和纤维。据国家统计局数据，自2012年以来中国果蔬农产品产量呈逐年递增趋势，截止2021年底，水果及蔬菜产量分别达到29 970.2万t和77 548.78万t，较2012年分别提高了35.66%和28.54%[1]。然而果蔬收获后仍然存活，并具有生命体征，生物实体的呼吸、蒸发、乙烯释放和其他传播等重要过程持续不断地消耗其有机物质（如糖和淀粉），从而降低新鲜农产品的质量（如营养成分、功能成分、硬度），限制其货架寿命[2-4]。在果蔬产品供应链中采后损失在总损失中占到了相当大的比例，高达13%～38%[5]。对于新鲜的农产品，温度是影响其损腐率及贮藏寿命的重要参数[6-8]。因此，在整个供应链中，通过冷却和保持最佳产品温度快速消除收获后的田间热量至关重要[9-12]。

预冷的主要目的是在收获、采摘后迅速去除新鲜农产品的田间热量，这一步骤减缓了农产品采摘后的物理化学活动，并将感官特性和营养物质的破坏降至最低[13-16]。研究表明，在果蔬冷链运输过程中，经过预冷处理的果蔬损失率可以从25%～30%降低至5%～10%[17]。因此，对预冷过程进行系统的研究，优化预冷过程及预冷设备，是提高冷链物流的经济效益的有效途径。

移动式冷库是指采用一体式制冷装置对移动式保温舱体进行降温的一种冷藏设备，主要用于解决果蔬采后的最先一公里问题。移动式冷库较普通冷库具有建设周期短、灵活性高、可用于田间地头快速解决果蔬采后田间热的优点[18-19]，同时冷库预冷作为传统预冷方式，其具有适用范围广、成本低廉的优点[20]。在国内有少部分学者在移动式预冷设备开发[19]、冷库预冷冷却性能[21-22]以及应用[23-26]上进行研究，然而这部分研究缺少对移动式预冷设备的性能以及运行过程中温度均匀性的研究。

本文针对果蔬采后最先一公里问题，结合制冷技术以及保温集装箱技术，提出和开发了一种移动式冷库，并对其进行了性能研究试验。并以冷库的导热热阻以及制冷系数对设备的性能进行了评估，同时采用温度变异系数和温度异质性系数对运行过程中的冷却均匀性进行定量化分析，拟为解决果蔬采后最先一公里问题提供一定的解决方案。

1 移动式冷库开发

1.1 结构设计

冷库的整体结构是决定其移动性能的重要指标，移动式冷库的结构如图1所示，移动式冷库整体由制冷一体机以及冷库主体结构组成，其具有以下几点特点：

图1 移动式冷库装置图Fig.1 Schematic diagram of the mobile cold storage

1）相较于传统固定式冷库，本设备冷库主体结构采用集装箱框架作为骨骼构件，使得其建设周期短，结构紧凑，稳定性好。可由车载运输至田间地头对采后果蔬进行预冷；

2）相较于冷藏箱，本设备采用制冷一体机作为制冷设备，结构紧凑，安装、维修简单，且置于田间地头时重要部件不易被杂物损伤。在设计初期针对果蔬预冷增大了设备的设计余量，因此果蔬预冷周期相对较短，损腐率低；

3）冷风机安装在冷库内侧壁面天花板处，且出风口设置有导流格栅，使得设备运行过程中整体温度变异系数较低，具有较高的冷却均匀性。

1.2 循环参数计算

设备主要针对30 m3葡萄预冷设计，按照GB 50 072-2021《冷库设计规范》进行热力计算，并选用聚氨酯发泡板作为冷库板。依据葡萄冷藏最佳温度0 °C，设备采用R404A制冷剂，蒸发温度设定为0 °C，过热度为5 °C；冷凝温度设定为35 °C，过冷度为5 °C。将上述设计工况代入制冷剂物性参数软件Coolpack绘制压焓图，并由此查得各点的比焓分别为：蒸发器出口比焓h1= 372.825 kJ/kg，冷凝器进口比焓h2= 397.946 kJ/kg，蒸发器进口比焓h4= 245.624 kJ/kg。

以常规高性能压缩机等熵效率[27]作为设计工况下压缩机的等熵效率，其值为0.8，将其代入到式（1）计算其设计工况下的理论制冷系数。

式中εd为设计工况下的理论制冷系数；ηd为等熵效率；qde为设计工况下的理论制冷量，kJ/kg；wd为设计工况下的理论功率，kJ/kg。

式中qdc为设计工况下的理论冷凝热负荷（kJ/kg）。

将h1、h2、h4分别代入式（1）~式（4），可求得设计工况下的理论制冷系数为5.06，理论制冷量为127.20 kJ/kg，理论功率为25.12 kJ/kg，理论冷凝热负荷为152.322 kJ/kg。

由于本文设备主要针对果蔬预冷设计，因此在设备选型时适当放大了热负荷以减少预冷时间。通过放大所求的冷库热负荷（即制冷量Qde= 10.15 kW）并结合设计工况依据式（1）求得压缩机功率为1.6 kW，故选取压缩机型号为NTZ068A4 LR1A。将放大后的冷库热负荷（制冷量）代入式（5）~式（8），求得蒸发器以及冷凝器所需换热面积分别为25.36 和30.39 m2，故选取换热面积为25 m2，风量为2 670 m3/h的冷风机和换热面积为30 m2的冷凝器。

式中A dc为设计工况下的冷凝器换热面积，m2；Qdc为设计工况下的冷凝器热负荷，kW；Kdc为设计工况下的冷凝器传热系数，取40 W/(m2·K)；Δt为换热温差，取10 °C；qg为制冷剂质量流量，kg/s；Ade为设计工况下的蒸发器换热面积，m2；Qde为放大后设计工况下的冷库热负荷，kW；Kde为设计工况下的蒸发器传热系数，取40 W/(m2·K)。

1.3 试验装置及方法

1.3.1 试验装置

移动式冷库试验装置如图1a所示，设备主要由移动式冷库主体结构以及制冷一体机组成。其中制冷一体机（如图2）由压缩机、冷凝器、散热风机、储液器、干燥过滤器、四通阀、电子膨胀阀以及冷风机组成；冷库主体结构（如图1b）由集装箱框架、聚氨酯发泡板组成。主要试验装置和仪表型号及参数如表1所示。

表1 主要试验装置和仪器型号与参数Table 1 Models and parameters of main test equipments and instruments

图2 制冷一体机系统原理图Fig.2 Principle diagram of the integrated refrigeration machine

本文试验于2022年3月30日— 4月2日在新疆哈密某地区进行，试验过程当地白天温度为5～17 °C，夜间温度为1～8 °C。

1.3.2 试验方法

（1）移动式冷库传热系数检测

试验依据标准GB/T 30 103.3-2013 《冷库热工性能试验方法 第3部分：围护结构热流量检测》采用热平衡法进行传热系数测量。试验测点分布如图3a所示，试验过程中制冷一体机始终处于停机状态，为了使冷库内外温差保持在20 °C以上，在冷库底面几何中心处布置加热炉作为热源使用，轴流式风机则布置于加热炉同一轴线上用于加强冷库内部空气循环，加速温升；同时在冷库内外壁面距几何中心100 mm处设置温度测点实时监测冷库内部及外部温度变化情况，其中测点ta、tb、tc、td、te、tf设置于冷库内部，测点ta'、tb'、tc'、td'、te'、tf'设置于冷库外部。试验时长设置为24 h（3月30日10:25～3月31日10:25），数据采集仪每5s记录一次。

图3 移动式冷库试验测点分布Fig.3 Mobile cold storage test point distribution

（2）移动式冷库温度场检测

移动式冷库温度场检测试验测点分布如图3b所示，试验依据标准GB/T 30 103.1-2013 《冷库热工性能试验方法 第1部分：温度和湿度检测》进行测试。试验过程中制冷一体机处于正常运行状态，由于当地天气原因，为保持库体内外温差在20 °C以上将库温设定为-20 °C，并将除霜周期设置为4 h；同时在冷库底面几何中心处设置有加热炉，其目的是当制冷一体机检测到库温降至-20 °C时将会处于待机状态，此时若采用自然升温将会使得测试间隔较长，因此设置加热炉辅助升温。

由于冷库库体长宽高较短，冷风机安装于制冷机组侧壁面天花板处，此时风机射流将在Coanda效应的作用下贴附于冷库上壁面流动最终撞击冷库门侧壁面扩散回流。这将会导致冷库门侧壁面处温度显著低于制冷机组侧壁面，而冷库几何中心点处侧测点则接近整体平均温度，且试验为空库测试，冷库整体温差较小。因此在温度较高区域距离箱体顶角三面100 mm处布置有1、2、5、6号测点，在温度中等区域距离箱体顶角三面100 mm处布置有3、4、7、8号测点，而温度较低区域即冷库几何中心处布置有9号测点，以此反映冷库的温度场以及冷却均匀性。在冷风机的回风口以及出风口处设置有热电偶监测进风以及出风温度并计算冷风机制冷量。试验时长设置为12 h（4月1日22:00-4月2日10:00），数据采集仪每5 s记录一次。

1.4 移动式冷库的主要性能指标

（1）移动式冷库库板的热阻

移动式冷库库板的热阻R是反映冷库保温性能的重要指标，定义为试验过程中由冷库传热面积以及冷库内外温差与其内部热负荷的比值[27]。

式中R为移动式冷库库板的热阻，m2· °C/W；Q为试验过程中冷库内部设置的热负荷，W；A为传热面积，m2；Ta1库内平均温度， °C；Ta2库外平均温度， °C；Q1为加热器功率，W；Q2为轴流风机功率，W；A1为冷库外表面积，m2；A2为冷库内表面积，m2。

（2）制冷一体机的制冷系数

制冷一体机的制冷系数ε是评价制冷一体机的性能的参数，定义为制冷一体机的制冷量与其消耗功率的比值[28]。

式中Qe为制冷一体机的制冷量（其计算式如式（13）所示），kW；W为制冷一体机消耗的功率，kW；qv为冷风机风量，m3/h；ρ为空气密度，kg /m3；H1以及H2分别为冷风机出风口以及回风口空气的焓值，kJ/kg。

（3）移动式冷库温度场均匀性

温度异质性系数（CHT）[29]以及温度变异系数（CVT）[30]可以用于评价一组数据偏离平均值的程度，且其可以忽略不同时刻平均温度不同带来的影响。温度异质性系数以及温度变异系数越小，冷库内部温度场分布越均匀。因此本文采用CHT以及CVT分别评估冷库局部温度均匀性以及整体温度均匀性。

式中Ti表示该点处的温度，℃；表示该冷库温度的平均值，℃。

式中n为测点数量。

2 结果与分析

2.1 热阻检测试验结果分析

试验过程中各个测点的温度变化情况如图4所示。从图4a中可以观察到，位于冷库内部的测点ta～tf温度曲线基本一致，而位于冷库外部的测点ta'～tf'则存在一定偏差，这是由于布置于冷库外部的测点受环境因素影响较大，因此外部测点温度曲线存在偏差，区域A亦是由于天气的阴晴变化导致了温度波动；点B（17:25左右）处由于时间已接近黄昏，因此冷库内外测点温度均出现下降趋势；区域C（9:00左右）处由于时间已至早晨，阳光开始强烈，冷库外部测点受到不同程度的影响，因此此处温度曲线呈现递增趋势；同时通过计算可以得到冷库的平均内外温差为Ta1-Ta2=30.79°C>20°C，符合国标测试要求。冷库内部热负荷变化曲线如图4b所示，经过计算可得平均热负荷Q= 0.510 kW。将测得结果代入式（9）计算可得该移动式冷库库板的热阻为3.98 m2· °C/W，热阻值较高符合使用要求，且较高的热阻值将有效减少冷库漏热率减少能量消耗。

图4 传热系数检测试验结果Fig.4 Detection test results of heat transfer coefficient

2.2 温度场检测结果分析

试验过程中各个测点的温度变化情况如图5所示，图中依据初始设置的4 h除霜周期将整体分为三个部分，在0～4 h，4～8 h区间交界处由于此时机组开始除霜，因此温度曲线形成了两个较大的峰值；而在各个区间内分别由两个较小的峰值，其形成原因则是由于制冷一体机库温设置为-20 °C，冷库内部温度降至此温度时制冷一体机停机，此时冷库内部仅有加热炉在运行，使得库温快速升至设备运行温度从而开始下一次降温周期。同时可以观察到初次化霜后的首次降温周期要长于第二次化霜，这是由于初次化霜霜层化为液态水，在降温过程中此部分液态水的凝固潜热增大了冷库内部的热负荷使得降温周期增长；而第二次化霜后尽管增加了液态水的凝固潜热，但已经有一部分在初次化霜后的降温周期中消除，因此出现了初次化霜后的首次降温周期要长于第二次化霜。

图5 温度场检测测点温度变化曲线Fig.5 Temperature change curve at different temperature field detection points

2.2.1 制冷一体机性能分析

冷风机出风及回风温度变化曲线如图6a所示，经过计算可得回风口的平均温度为-18.4 °C，出风口的平均温度为-22.2 °C，通过Coolpack制冷剂物性软件查得其焓值分别为H2= 380.79 kJ/kg，H1= 376.97 kJ/kg，通过式（13）计算可得制冷量为Qe= 3.87 kW。制冷一体机功率变化曲线如图6b所示，经过计算可得制冷一体机的平均功率W= 1.873 kW，将所得代入式（12）可得制冷一体机的ε值为2.07，设备具有较高的ε值，较为节能。

图6 制冷一体机运行工况Fig.6 Operating condition of integrated refrigeration machine

2.2.2 移动式冷库温度场均匀性分析

移动式冷库运行过程中的冷却均匀性变化如图7所示，其中图7a为各个测点的CHT随时间变化的曲线，即移动式冷库的局部冷却均匀性，从图中可以看出在制冷一体机停机以及除霜时由于局部温升使得平均温度升高导致各个测点处的 CHT波动较大，但整体波动低于1%。经过计算可以得出各个测点的平均温度异质性系数（即）均低于0.5 %，移动式冷库的局部冷却均匀性较好。其中t3处的值最低，为0.08%，而t5处的值最高，为0.48%。结合图5分析可知，由于测点3位于冷库门侧壁面天花板附近，此处处于冷库内部温度中等区域，测点温度偏离整体平均温度较少，因此此处值低，冷却均匀性好；由于测点5处于冷库内部温度较高区域，测点温度偏离整体平均温度较高，因此此处值高，冷却均匀性差。图7b为移动式冷库整体温度变异系数随时间变化的曲线，即移动式冷库的整体冷却均匀性，从整体来看其变化规律与曲线相似，通过计算可以得到，在0.05 %以下，移动式冷库的整体冷却均匀性较好，且较好的冷却均匀性将有效减少果蔬在预冷过程中的损腐率。

图7 移动式冷库冷却均匀性Fig.7 Cooling uniform of mobile cold storage

3 结 论

本文针对果蔬采后最先一公里问题，提出和开发了一种移动式冷库，并对其进行了性能研究试验。结果如下：

1）在移动式冷库传热系数检测试验过程中，冷库内外平均温差为30.79 °C大于20 °C，冷库内部施加的平均热负荷为0.510 kW；最终通过试验和计算得到冷库库板的导热热阻为3.98 m2·°C/W，较高的导热热阻将降低冷库的漏热率，减少冷库能耗。

2）通过试验和理论计算相结合的方式对冷库制冷一体机的性能进行了研究，制冷一体机的制冷量为3.87 kW，功率为1.873 kW，制冷系数为2.07，设备具有较高的制冷系数，能够有效减少冷库能耗。

3）采用温度异质性系数以及温度变异系数对冷库运行过程的冷却均匀性进行了评价，冷库运行过程中测点冷库门侧左上角测点处的冷却均匀性最好，其平均温度异质性系数为0.08 %，制冷机组侧右上角测点处的冷却均匀性最差，其平均温度异质性系数为0.48 %，但其值低于0.5%，依旧具有较好的冷却均匀性；同时从整体来看，平均温度变异系数为0.034 %，在0.5 %以下，可见该移动式冷库具有较好的冷却均匀性，在果蔬预冷过程中将会在一定程度上降低损腐率。

本文对移动式冷库的开发以及性能进行了系统性的研究。但对于移动式冷库，其内部结构的变化将很大程度上改变冷库的冷却性能，如冷风机安装位置及其出风参数、果蔬堆垛排列方式、果蔬包装箱结构等因素。因此在进一步的研究中将结合所开发设备对此进行更加深入的研究。