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公路冷藏车技术的研究进展

发表日期:2018/5/7 11:02:57 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

随着我国经济的迅速发展,国民生活水平也不断提高,再加上交通的便利,不同地区之间的物资流通正变得越来越频繁。近年来电商行业的迅速发展,据中国电子商务研究中心(100EC.CN)监测数据,生鲜电商的交易规模在2015年就达到560亿元,并预计在2017年突破千亿元。生鲜食品属于易腐货物,其品质在一般的运输过程中很容易受到外界环境的影响,同时人们对食品的安全和质量提出了更高的要求,因此,冷藏车的发展也重新引起了人们的广泛关注。

1 冷藏车发展历程

世界上最早的冷藏车由苏联于19世纪60年代发明,但是早期的冷藏车并没有制取冷量的能力。到1938年,美国的弗莱德·金斯设计并制造了世界上第一台机械式运输制冷机组。我国在上世纪50年代后期,为了出口冷藏肉类、禽蛋等易腐食品,才始使用保温汽车加冰运输。此后至上世纪70年代,我国陆续进口了各种冷藏汽车。直至上世纪70年代中后期,我国才涉足冷藏车生产,并诞生了第一代冷藏车,这标志着我国冷藏车行业发展历程的开端。在上世纪90年代初期,以吸收引进欧洲技术和设备为代表的第二代冷藏车诞生,使我国冷藏车行业实现了一次飞跃式的发展。进入21世纪初期,我国冷藏车行业竞争愈加激烈,旺盛的需求推动了第三代冷藏车的诞生,其结构如图1所示。

图1  冷藏车结构


2 冷藏车应用现状

冷藏车作为一种冷藏运输工具,在国民经济以及人民生活中发挥着重要的作用,其主要使用范围包括冷饮、禽蛋和水产等副食产品生产输送营销企业,以及部队、工矿和医药卫生部门等。据国家发展和改革委员会的相关统计信息,我国冷藏车的保有量增长较快:1980年只有约3 500辆,截止到2016年4月份已接近6万辆。而国内生鲜产品的销售总额约2.5万亿元,其中电商交易占据重要的比重。因此,与庞大的市场需求相比,近6万辆冷藏车无疑是杯水车薪。我国的冷藏运输率仍不足20%,与冷藏运输率高达80%~90%的美国、日本等发达国家还相去甚远。

由此可见,我国冷链的发展速度还远跟不上市场扩展的脚步,因此,政府对于冷链物流的发展高度重视,近年来支持力度不断加大。2010年,发改委制定了《农产品冷链物流发展规划》,要求到2015年,果蔬、肉类、水产品的冷链流通率分别要提高到20%、30%、36%以上,流通环节产品腐损率分别要降至15%、8%、10%以下。2016年,中央出台了一号文件《关于落实发展新理念加快农业现代化建设实现全面小康目标的意见》,强调要加快构建跨区域冷链物流体系的建设。在相关政策的大力推进下,我国冷链物流行业有广阔的发展前景,2015年,冷链物流市场规模约1 509亿元,预计2020年可达4 700亿元(图2),年复合增速超过20%。


图2  冷链物流市场规模趋势图(E为预测值)

3 冷藏车研究现状

在冷藏车的发展新浪潮下,我国要进一步开展更加深入和广泛的冷藏车研究工作,大力发展冷藏车运输,以满足进一步扩大冷链的需求。新一代冷藏车的研究工作大致可归结为以下几个方面:制冷机组动力来源、制冷机组制冷方式、厢体温度场分布以及其他方面的研究。

3.1 制冷机组的动力来源

冷藏车按制冷机组动力来源的不同,可分为独立式和非独立式。非独立式机组依靠汽车底盘的发动机来带动,最大的限制就是当冷藏车在停车熄火或者故障时制冷机组失去动力支持,厢体温度难以维持。最为有效的解决办法即是在冷藏车上添加一个备电装置,如Venkataraman研制了用于冷藏车制冷系统的固体氧化物燃料电池辅助动力单元,总效率高达80%,同时也为柴油发动机去除了很大一部分负载,且燃料电池的过剩电能也可用于车辆电池充电。部分学者考虑用太阳能作为制冷机组的备用电源,既满足了连续制冷的要求,也不会增加化石能源的消耗,清洁且可持续。江苏大学的杨柳等人通过冷藏箱内热负荷和制冷系统的热力计算,确定了与冷藏箱匹配的太阳能光伏发电辅助能源系统的参数,以及太阳能电池组件、蓄电池、逆变器、控制器的参数及选型。

图3  带有太阳能板的冷藏车

相较于非独立式机组,独立式机组由相对独立的电源供应系统来为其提供动力,保证了厢体制冷的需求,但是无疑增加了能源的消耗,对环境不友好。因此,叶剑锋等针对一种轻型箱式冷藏车设计了一套太阳能供电系统,该系统由发电部分、输出部分和控制部分组成(图4),不仅为制冷机组提供动力,还有部分辅助输出,减少化石燃料的消耗,清洁且具可持续性,缺点是此设计仅针对轻型冷藏车,且受天气及环境影响大,难以满足实际运输的需求。

图4  太阳能供电系统设计图

无论是非独立式机组还是独立式机组,太阳能都是更加符合时代要求的动力来源,但是太阳能的应用由于很多方面的限制仍需要更深入的研究:

1) 一天当中太阳高度角的改变和天气阴晴变化对太阳能电池板能量采集的影响一直制约着太阳能系统的发展;

2) 最大的限制是其转换效率,单晶硅电池是使用最广泛的太阳能电池,且在硅系列电池中转换效率最高,一般为15%,最高可达25.0%;

3) 太阳能电池对光照强度非常敏感,而不同地区之间由于气候、纬度等因素的不同太阳光照差距较大,所以地域性也限制着太阳能在冷藏车上的应用。

3.2 制冷机组的制冷方式

冷藏车制冷机组按照制冷方式(冷量来源)的不同分为机械式、蓄冷板和液体气化制冷3种。机械式制冷是通过消耗机械功来得到冷量的一种方式,其中最常见的是蒸汽压缩制冷循环。郑州大学的王中华等设计并研究了一种新型双温压缩/喷射制冷循环,其主要特点是将喷射器引入冷藏车蒸汽压缩制冷循环,研究结果表明:考察工况内新型循环较传统压缩制冷循环的COP最大提升率为24.6%。上海交通大学的高鹏等设计加工了一套利用汽车尾气驱动的MnCl2/CaCl2-NH3两级固体吸附式冷藏车制冷系统,该系统由冷凝器、蒸发器和高、中温吸附床构成,优点是提高了冷却吸附温度,降低了驱动热源温度,能够适应比较恶劣的工况。DN Mukhopadhyay把电驱动的蒸汽压缩制冷系统和太阳能驱动的蒸汽吸收制冷系统串联起来,在室外空气温度和冷冻水供水温度分别为35 ℃和7 ℃,太阳能强度为700 W/m2时,COP可达6.1,比传统的蒸气压缩制冷系统要高,且该制冷系统的COP随着太阳光强度的增加而增加。

除机械式制冷系统以外,蓄冷板式制冷系统在我国也有较为广泛的应用。顾名思义,蓄冷板是蓄冷板制冷系统的核心,所以,研究大多集中在蓄冷材料上。重庆大学的杨颖等制备了一种新型复合相变蓄冷材料,该材料在辛酸与十四醇的低共熔的基础上加入了6%的石墨,相变潜热为151 kJ/kg,起始融化温度为6.9 ℃,导热性能有了很大的提高,适合用于高温季节中冷藏温度在10 ℃以上的高端果蔬运输中。M Liu将一种低成本的新型PCM相变材料应用在冷藏车制冷系统上,该PCM的适用温度为-18 ℃,熔化温度为-26.7 ℃,潜热为154.4 kJ/kg,优势在于系统的能耗少,并且排放气体(GHG)产生的温室效应低,其成本不到传统蓄冷板式制冷系统的一半。

以液氮、液态CO2、LNG等工质为第三代冷源的冷藏车制冷系统,具有制冷温度低、结构简单、操控方便、运行可靠、环保并且有气调功能等优点。2016年在美国加利福尼亚,全新的玻瑞阿斯氮气制冷系统(Boreas Nitrogen Cooling Systems)已经研发成功,并具有温度控制精确、制冷效果良好、经济性高、维护成本低、碳排放为零及运行平稳无声的优点,可以替代传统的机械式制冷系统。国内天津商业大学的李晓宇等以液氮雾化理论为理论基础,采用数值模拟与实验相结合的方法对液氮雾化喷淋技术做出了趋势性探索。西安交通大学的厉彦忠等建立了直冷式低温LNG冷藏车自制冷样机,并以液氮为替代工质开展了冷量回收稳态试验,研究结果表明:该系统运行稳定,冷量充足;保持冷藏厢内-20 ℃的温度需要消耗大约5.607 kg/h的LNG,该系统完全可以取代传统的机械式制冷机组。

.3.3 厢体的温度场分布

保证厢体内部相对均匀、稳定分布的温度,是保持运输货物品质的关键问题,而车厢内部温度场和流场的分布直接受气流组织的影响,因此了解厢体内部的气流组织也相当重要。

冷藏车制冷机组在工作状态下厢体通常满载货物,而货物对于厢体气流的流通性影响较大。常用的测试手段是在空厢体中布置热电偶或其他测温装置,从而得到整个厢体的温度分布情况,但是测试精度受测试点数量的限制较大。J Moureh等人在冷藏车厢中装载货架并配置通风托盘,使用位于通风托盘内的球形热探头和激光多普勒测速仪测量厢体各部位的温度和风速,用以评估通风水平,并改善车厢的通风均匀性。还有学者通过模拟仿真的方法得到更复杂、更精确的结果,比如,实际中由于制冷机组的启停、冷藏产品的温度变化等常常是动态的情况。因此,Matko Bupic提出了基于质量和能量守恒等多因素影响下的冷藏产品温湿度动态变化的数学模型,来模拟0 ℃以上温度范围内冷藏产品之间的动态行为。

为了满足不同储藏温度货物联合运输的要求,常会将冷藏车厢分为多个温区。广州大学的刘广海等从渗风机理出发,构建了多温区冷藏车的渗风气流模型,对载荷系数、热轧差、内部隔断系数、内部流场扰动系数等影响参数展开了理论分析和试验研究,认为多温区冷藏车渗风量是车辆本身气密性能、车速、内部隔断情况、装载状况和气流扰动等因素共同作用的结果。多温区冷藏车厢各温区内部都存在中心回流区,因此,常使用带风道的冷藏车厢来合理利用冷量和空间。山东大学的赵鑫鑫等以计算流体力学为理论基础,研究了回风导轨对厢体内温度场分布均匀性的影响规律,结果表明:回风导轨对常温区温度分布均匀性的影响较小,而对冷藏区影响较大;与X方向导轨相比,Y方向导轨可以更有效地改善车厢温度分布均匀性。

在冷藏车的实际运行过程中,常需要频繁装卸货物,而在厢体后门打开时,贴上壁的冷气流会直冲向厢体外部,由此形成的负压导致厢体下侧吸进大量热空气,厢体内的温度会急剧上升。相关企业采取安装门帘、关停蒸发器风扇、配置风幕、设置挡流装置等措施来应对,但是相应的气流组织还缺乏研究。以及采取多制冷温区来运送不同货物的气流组织与分配问题也需要更多研究。

3.4 其他方面的研究

变频制冷技术在冷藏车上的应用是大势所趋,国内相关学者采用蓄电池和双电源直流发电机构成驱动直流变频压缩机的两种电源。当车辆发动机在低速运转时,电量不足,因此功率控制器可以把供电源切换到蓄电池;当汽车发动机以正常速度运行时,直流变频压缩机由双电源直流发电机供电,这个系统很好地解决了冷藏车在启停阶段不连续、不均匀供电的问题。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分,所以,冷链纳入物联网受到了人们的广泛关注。基于物联网技术的智能监控系统,可对冷藏车厢内的温湿度进行监控以及所运货物的智能化识别,实时对冷藏车的定位跟踪,达到对整个运输过程的智能化监控。江杰等设计了一种基于ARM的多温区冷藏车厢环境监测控制系统,通过Zigbee技术构建的无线传感器网络对环境参数进行采集,并采用GPRS技术完成远程监控中心与冷藏车的通讯,该系统数据传输稳定,性能可靠。

4 结束语

从我国冷藏车行业的发展现状来看,近年来的研究热点集中在节能高效、清洁可持续、信息化等新理念上,相关专家学者开展了大量的研究工作,并且实现了跨越式的发展。但是冷藏车的发展依然有很大的空间,在如下几个方面还需开展更加深入的研究:

1) 太阳能发电系统已经成功在部分轻型冷藏车上应用,其节能效应可观且清洁可持续,符合当今时代绿色低碳的发展理念。而天气变化对太阳能采集率的影响还比较大,太阳能转化效率也需要进一步提高,所以还需要更多研究来扩大太阳能发电系统在冷藏车领域的应用范围;

2) 我国冷藏车厢体研究虽然已经取得一定进展,但是在保温性能、气密性和轻量化等方面难以比肩国际顶尖水平。这些关键技术的缺失使得厢体冷负荷居高不下,也是对能源的浪费,所以需要开展更多的研究来提高厢体的性能;

3) 变频制冷系统在空调等其他行业中已经相对成熟,且具有高效节能、调控范围广的优点。而在冷藏车上应用变频技术还不成熟,所以相应的性能评估和能耗分析,稳定性和节能性还需要更多地研究。

本文选自《制冷与空调》2018年3月刊 ,作者:任政  张蓓乐 陈小砖 赖天伟 张兴群;未经许可,不得转载



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