組合蓄冷板式醫(yī)藥冷藏箱的設(shè)計(jì)與性能實(shí)驗(yàn)

陳俊文 王 瑜 成 峰

(南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院 南京 211816)

隨著新冠疫情爆發(fā),我國(guó)多地醫(yī)藥物資緊缺,冷鏈運(yùn)輸藥物困難重重[1]。為了更好地發(fā)展醫(yī)藥冷鏈,需要認(rèn)清我國(guó)現(xiàn)階段醫(yī)藥冷鏈運(yùn)輸水平與國(guó)際的差距。一些學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)外醫(yī)藥冷鏈運(yùn)輸現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。李浩楠[2]研究了我國(guó)醫(yī)藥冷鏈物流技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程,調(diào)研了發(fā)展過(guò)程中運(yùn)輸設(shè)備、設(shè)施、技術(shù)存在的問(wèn)題。喜崇彬[3]認(rèn)為冷鏈運(yùn)輸是新冠疫苗分發(fā)和接種的重要保障,指出在運(yùn)輸疫苗過(guò)程中我國(guó)面臨的挑戰(zhàn),冷鏈運(yùn)輸設(shè)備、技術(shù)升級(jí)改造十分重要。陳寧[4]研究分析了美國(guó)、日本以及西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)代化醫(yī)藥冷鏈物流發(fā)展的模式,再結(jié)合我國(guó)醫(yī)藥冷鏈物流發(fā)展的現(xiàn)狀及制約因素,得出發(fā)展我國(guó)現(xiàn)代醫(yī)藥冷鏈物流模式的啟示。鄧振華[5]指出美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的醫(yī)藥冷鏈物流體系較為健全,我國(guó)可將現(xiàn)代化技術(shù)融入醫(yī)藥冷鏈物流體系,改造創(chuàng)新原有技術(shù),提升物流效率。

冷鏈運(yùn)輸設(shè)備和技術(shù)在冷鏈運(yùn)輸藥物過(guò)程中至關(guān)重要?，F(xiàn)階段,我國(guó)冷鏈運(yùn)輸設(shè)備主要是機(jī)械式冷藏車(chē)[6],對(duì)于運(yùn)量小的疫苗等藥物,易出現(xiàn)“大車(chē)送小貨”的現(xiàn)象。同時(shí),由于新冠疫苗2～8 ℃的儲(chǔ)存特性[7],常規(guī)蓄冷技術(shù)在醫(yī)藥冷鏈領(lǐng)域存在局限性。因此,蓄冷技術(shù)與保溫箱相結(jié)合的組合蓄冷板式冷藏箱備受關(guān)注。馮自平[8]詳細(xì)考察了國(guó)際現(xiàn)有冷藏配送技術(shù),總結(jié)了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有配送技術(shù)的缺點(diǎn),介紹了國(guó)際常用混裝配送設(shè)備(低溫蓄冷運(yùn)輸箱)的基本原理、使用方法以及配送流程。趙祎等[9]研究了冷鏈運(yùn)輸?shù)南嘧冃罾浼夹g(shù),相變機(jī)理、釋冷速率及冷鏈運(yùn)輸裝備內(nèi)的溫度場(chǎng)分布情況為冷鏈運(yùn)輸發(fā)展提供一定的研究思路。楊天潤(rùn)等[10]對(duì)比分析了不同種類(lèi)相變蓄冷材料的熱物性和化學(xué)性質(zhì),得出結(jié)論:相變蓄冷材料具有較高的儲(chǔ)能密度,多種相變材料組合在能源高效利用和節(jié)能等方面應(yīng)用前景廣闊。范中陽(yáng)等[11]對(duì)比研究了兩種組合蓄冷板擺放形式(即頂部擺放和四周擺放)對(duì)箱內(nèi)環(huán)境溫度和果蔬中心溫度的影響,以及果蔬品質(zhì)的變化情況,結(jié)果表明:組合蓄冷板四周擺放相比頂部擺放具有較大優(yōu)勢(shì),四周擺放時(shí)箱內(nèi)溫升較平緩,保持了果蔬較高的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和商品性。劉廣海等[12]研究發(fā)現(xiàn),組合式蓄冷板的相變蓄冷材料、放置位置以及保溫材料均對(duì)冷藏箱的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)產(chǎn)生影響。

由此可知,組合式蓄冷板是常規(guī)蓄冷技術(shù)改造創(chuàng)新的產(chǎn)物[13],但其在醫(yī)藥冷鏈領(lǐng)域的深入研究還存在空白,組合蓄冷板擺放位置的研究還不夠全面,組合蓄冷板式醫(yī)藥冷藏箱的發(fā)展?jié)摿^大。本文對(duì)醫(yī)藥冷藏箱和組合式蓄冷板進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì),以組合式相變蓄冷取代單一蓄冷劑制冷[14],對(duì)組合蓄冷板的性能和蓄冷板在醫(yī)藥冷藏箱中的擺放位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究醫(yī)藥冷藏箱在2～8 ℃條件下熱性能的影響,以此優(yōu)化醫(yī)藥冷藏箱的熱性能,促進(jìn)組合蓄冷板式冷藏箱在醫(yī)藥冷鏈領(lǐng)域的發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

組合式相變材料蓄冷原理[15]為:在同一相變蓄冷系統(tǒng)中應(yīng)用相變溫度不同的兩種或兩種以上相變材料,即選擇特定的相變材料進(jìn)行合理組合可提高相變蓄冷系統(tǒng)的效率。

C. Bellecci等[15]的研究表明:采用多種相變材料組合,對(duì)于顯熱蓄冷過(guò)程的傳熱速率無(wú)明顯改善,但潛熱蓄冷過(guò)程的傳熱速率可以提高15%。若采用純度更高、相變溫度恒定的相變材料,將進(jìn)一步提高潛熱蓄冷過(guò)程的效率[16]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 組合蓄冷板的設(shè)計(jì)

目前,我國(guó)冷鏈物流設(shè)備還未能標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)市面上常見(jiàn)的蓄冷板調(diào)查發(fā)現(xiàn):單個(gè)蓄冷板質(zhì)量多數(shù)約2 kg,容積適中。本設(shè)計(jì)的組合蓄冷板采取雙層結(jié)構(gòu),可以灌注兩種相變材料,外界環(huán)境的熱量經(jīng)過(guò)兩層蓄冷劑,實(shí)現(xiàn)冷量的梯級(jí)利用。

為達(dá)到兩種蓄冷劑充分換熱、確保組合蓄冷板整體強(qiáng)度的目的,蓄冷板中間薄層的厚度設(shè)為0.5 cm,組合蓄冷板如圖1所示。該組合蓄冷板的總質(zhì)量為1.98 kg,上側(cè)有兩種圓形開(kāi)孔。灌注入口直徑為0.8 cm,用于灌注相變材料;氣壓平衡孔直徑為0.3 cm,用于平衡設(shè)備內(nèi)外大氣壓,利于灌注相變材料。兩孔均使用螺紋擰緊密封,蓄冷板表面光滑。

圖1 組合蓄冷板

1.2.2 利用組合式蓄冷板的醫(yī)藥冷藏箱的設(shè)計(jì)

1)尺寸設(shè)計(jì)

市面上常見(jiàn)的組合蓄冷板長(zhǎng)度為37 cm,寬度為27 cm,厚度為5.5 cm。為了便于進(jìn)行冷藏箱內(nèi)組合蓄冷板擺放位置的實(shí)驗(yàn),設(shè)置箱體寬度為54 cm;為了呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性,箱體長(zhǎng)度和箱體高度也設(shè)計(jì)為54 cm。冷藏箱采取上開(kāi)口箱蓋嵌入式,箱蓋厚度為5 cm,箱蓋嵌入箱體1 cm,內(nèi)箱體高度為53 cm,蓋上箱蓋后,箱體整體高度為58 cm,內(nèi)外均呈白色,可降低輻射傳熱的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的冷藏箱如圖2所示。

圖2 冷藏箱

2)保溫材料選型

在冷藏箱運(yùn)輸過(guò)程中,當(dāng)箱內(nèi)溫度(2～8 ℃)低于外界環(huán)境時(shí),外界環(huán)境通過(guò)輻射和對(duì)流換熱向箱體外壁面?zhèn)鬟f熱量,熱量從箱體外壁面通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞至箱體內(nèi)壁面;當(dāng)箱內(nèi)溫度高于外界環(huán)境時(shí),箱體內(nèi)壁面的熱量通過(guò)冷藏箱各壁面以熱傳導(dǎo)的方式傳遞給箱體外壁面,最后散發(fā)至外界環(huán)境中[17]。由于箱蓋難以完全密封、箱體的保溫材料熱阻不能完全保持一致,因此箱體內(nèi)部熱量分布不均。無(wú)論箱內(nèi)溫度是否高于外界環(huán)境溫度,箱體保溫材料的選擇對(duì)于隔絕冷藏箱內(nèi)外環(huán)境的換熱至關(guān)重要。常見(jiàn)的保溫材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 不同保溫材料性能參數(shù)

醫(yī)藥冷藏箱應(yīng)更加注重箱體本身性能,經(jīng)濟(jì)性次之,因此本設(shè)計(jì)選用真空絕熱板作為箱體保溫材料[18]。真空絕熱板主要由芯部材料、表面隔膜材料和氣體吸附材料組成。芯部材料一方面起到板支撐結(jié)構(gòu)作用,另一方面降低真空下材料導(dǎo)熱和傳熱系數(shù),減少換熱。表面隔膜材料起到封裝和維持內(nèi)部真空的作用,可承擔(dān)的最大壓力為100 kPa。在內(nèi)部真空的情況下,為防止箱體內(nèi)外熱質(zhì)交換,隔膜材料中的鋁層還承擔(dān)著降低與外界輻射換熱強(qiáng)度的作用[19]。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備

實(shí)驗(yàn)儀器分別為:測(cè)量相變材料質(zhì)量的電子秤、測(cè)量組合蓄冷板表面溫度的熱電偶、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集儀、測(cè)量蓄冷板表面溫度的RAYTEK紅外測(cè)溫儀。各儀器參數(shù)如表2所示。

表2 儀器參數(shù)

2.2 組合蓄冷板式冷藏箱的熱性能實(shí)驗(yàn)

2.2.1 冷藏箱熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了研究醫(yī)藥冷藏箱的性能,客觀評(píng)價(jià)其熱性能,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了幾組參數(shù),各參數(shù)如下:

1)蓄冷時(shí)長(zhǎng)T(實(shí)驗(yàn)測(cè)得):冷藏箱中1～9個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度同時(shí)在2～8 ℃溫度區(qū)間內(nèi)的時(shí)長(zhǎng),h。

2)溫度平均值M(計(jì)算獲得):某時(shí)刻冷藏箱內(nèi)溫度平均值,℃。

(1)

式中:t1～t9分別為某一時(shí)刻測(cè)溫點(diǎn)溫度,℃。

3)不均勻系數(shù)S(計(jì)算獲得):測(cè)溫時(shí)刻冷藏箱內(nèi)全部/部分溫度波動(dòng)的大小,溫度場(chǎng)均勻性的表現(xiàn)。

(2)

式中:共設(shè)n個(gè)測(cè)溫點(diǎn),t1～tn為測(cè)溫時(shí)刻的溫度,℃;tm為上述所有測(cè)溫時(shí)刻的平均值,℃。

4)釋冷速率η(計(jì)算獲得):不同種類(lèi)蓄冷板給冷藏箱提供冷量的速率。

η=T2/T1

(3)

式中:T1為蓄冷板表面溫度達(dá)到其平均溫度的時(shí)長(zhǎng),h;T2為冷藏箱內(nèi)溫度達(dá)到其平均溫度的時(shí)長(zhǎng),h。

T較為直觀的表現(xiàn)了醫(yī)藥冷藏箱能夠使用的時(shí)間;M和S反映了冷藏箱內(nèi)的溫度分布情況,尤其S反映了箱內(nèi)溫度場(chǎng)分布是否均勻,為溫度場(chǎng)優(yōu)化提供參考;η為蓄冷板在冷藏箱內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間參數(shù)。

2.2.2 蓄冷板相變材料

為了滿(mǎn)足藥品在2～8 ℃下的儲(chǔ)存條件,實(shí)驗(yàn)選取了5種相變材料:兩種0 ℃以下、一種0 ℃、兩種0 ℃以上,分別為NaCl、正十四烷[20]、CaCl2·6H2O、Na2SO4·10H2O、水,相變材料的熱物性如表3所示。

表3 相變材料的熱物性

考慮到組合蓄冷板實(shí)驗(yàn)的相變材料應(yīng)價(jià)格適中、易獲得,且不同材料的相變溫度存在一定的差值,才能夠體現(xiàn)多層相變提高釋冷效率、延長(zhǎng)蓄冷時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)。其中,NaCl的相變潛熱值較小,蓄冷能力一般;Na2SO4·10H2O的相變溫度略高,需要與NaCl、KCl等無(wú)機(jī)材料融合才可降低相變溫度,但其他材料的加入易影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以后續(xù)實(shí)驗(yàn)將采用正十四烷、CaCl2·6H2O和水3種相變材料。

2.2.3 蓄冷板相變材料的組合方案

1)方案類(lèi)型

(1)等質(zhì)量組合方案

等質(zhì)量組合方案指在組合蓄冷板中灌注兩層蓄冷劑,將表3中的材料兩兩組合,每層灌注相同質(zhì)量(1.5 kg)的不同相變材料,在不同相變溫度下研究組合蓄冷板的蓄冷時(shí)長(zhǎng)和內(nèi)壁溫度變化。

(2)等相變潛熱值方案

等相變潛熱值方案指在組合蓄冷板中灌注兩層蓄冷劑,將表4中的材料兩兩組合,每層灌注相同相變潛熱值(340.5、427.5、502.5 kJ)的不同相變材料,在不同相變溫度下研究組合蓄冷板的蓄冷時(shí)長(zhǎng)和內(nèi)壁溫度變化。

表4 等質(zhì)量組合方案下蓄冷時(shí)長(zhǎng)

2)實(shí)驗(yàn)布置

組合蓄冷板為兩層結(jié)構(gòu),內(nèi)層為模擬儲(chǔ)藏層側(cè),其內(nèi)壁溫度決定著儲(chǔ)存物品的環(huán)境溫度;外層為相變材料與環(huán)境空氣接觸層。組合蓄冷板除37 cm×27 cm的一側(cè)與外界環(huán)境直接接觸外,其余面安裝2 cm的保溫棉,布置如圖3所示。內(nèi)層內(nèi)壁處有3根精度為±0.1 ℃的K型熱電偶等距布置,熱電偶均與安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集儀連接,記錄裝置內(nèi)壁面溫度的變化數(shù)據(jù)。

圖3 測(cè)溫點(diǎn)布置

3)實(shí)驗(yàn)步驟

(1)首先按照實(shí)驗(yàn)方案將相變材料灌注至組合蓄冷板中,再將蓄冷板放入設(shè)定好相變溫度的冰箱中凍結(jié)16 h,凍結(jié)完畢后取出蓄冷板,蓄冷板內(nèi)的相變材料處于過(guò)冷狀態(tài),待相變材料升溫達(dá)到相變溫度時(shí),進(jìn)行實(shí)驗(yàn);

(2)將蓄冷板37 cm×27 cm的一面與外界環(huán)境直接接觸,其他外表面安裝2 cm的保溫層,可以視作絕熱面,并在另一側(cè)面三點(diǎn)等距布置K型熱電偶的測(cè)溫點(diǎn),如圖4所示,放在12 ℃的環(huán)境下進(jìn)行釋冷;

圖4 灌注兩層相變材料的組合蓄冷板

(3)實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同組合模式下,蓄冷板內(nèi)壁溫度維持在相變溫度±1 ℃的時(shí)長(zhǎng)和溫度曲線(xiàn)的變化波動(dòng),每種組合模式的實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

4)組合蓄冷板與常規(guī)蓄冷板的對(duì)比

以市面上的常規(guī)蓄冷板作為對(duì)照組,對(duì)比等質(zhì)量組合方案和等相變潛熱值方案的蓄冷時(shí)長(zhǎng)和蓄冷板內(nèi)壁溫度變化情況,詳見(jiàn)表4～表7。

由表4可知,等質(zhì)量組合方案的蓄冷時(shí)長(zhǎng)最優(yōu)為:5 ℃ CaCl2·6H2O和-6 ℃ 正十四烷(簡(jiǎn)稱(chēng):方案一)的組合蓄冷板,蓄冷時(shí)長(zhǎng)為277 min;由表5可知,等相變潛熱值組合方案的蓄冷時(shí)長(zhǎng)最優(yōu)為:5 ℃ CaCl2·6H2O和-6 ℃ 正十四烷(簡(jiǎn)稱(chēng):方案二)的組合蓄冷板,蓄冷時(shí)長(zhǎng)為249 min。總體上,等質(zhì)量組合方案的蓄冷時(shí)長(zhǎng)優(yōu)于等相變潛熱值組合方案的蓄冷時(shí)長(zhǎng),相差約10%。

表5 等相變潛熱值組合方案下蓄冷時(shí)長(zhǎng)

由表6可知,等質(zhì)量組合方案的溫度變化率最優(yōu)為:5 ℃ CaCl2·6H2O和0 ℃水(簡(jiǎn)稱(chēng):方案三)的組合蓄冷板,溫度變化率為0.002 9;由表7可知,等相變潛熱值組合方案的溫度變化率最優(yōu)的為:0 ℃水和5 ℃ CaCl2·6H2O(簡(jiǎn)稱(chēng):方案四)的組合蓄冷板,溫度變化率為0.004 6?？傮w上,等質(zhì)量組合方案的溫度變化率小于等相變潛熱值組合方案的溫度變化率,相差約一倍。

表6 等質(zhì)量組合方案下溫度變化率

表7 等相變潛熱值組合方案下溫度變化率

分別從上述兩種等質(zhì)量和兩種等相變潛熱值的方案中,各選擇一種方案,再與常規(guī)蓄冷板進(jìn)行對(duì)比。4種組合方案的溫度變化如圖5所示。

圖5 四種方案的溫度變化

等質(zhì)量組合方案:方案一的蓄冷時(shí)長(zhǎng)為277 min,溫度變化率為0.003 5;方案三的蓄冷時(shí)長(zhǎng)為198 min,溫度變化率為0.002 9?？紤]到兩者溫度變化率僅相差0.000 6,雖然方案二的溫度變化曲線(xiàn)略平穩(wěn),但蓄冷時(shí)長(zhǎng)相差79 min,蓄冷時(shí)長(zhǎng)過(guò)短會(huì)影響2.3節(jié)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,因此方案三更優(yōu)。

等相變潛熱值組合方案:方案二的蓄冷時(shí)長(zhǎng)為249 min,溫度變化率為0.005 8;方案四的蓄冷時(shí)長(zhǎng)為200 min,溫度變化率為0.004 6。考慮到溫度均勻優(yōu)先原則,因此方案四更優(yōu)。

將兩種最優(yōu)方案(方案二和方案四)的組合蓄冷板與常規(guī)蓄冷方案對(duì)組合蓄冷板效果的影響對(duì)比如表8所示。

表8 不同蓄冷方案對(duì)組合蓄冷板效果的影響對(duì)比

考慮到溫度均勻優(yōu)先原則,本設(shè)計(jì)不使用常規(guī)蓄冷方案。等質(zhì)量組合方案與等相變潛熱值方案相比,蓄冷時(shí)長(zhǎng)和蓄冷板內(nèi)壁溫度變化情況更優(yōu),因此2.3節(jié)實(shí)驗(yàn)將采用等質(zhì)量組合方案的5 ℃ CaCl2·6H2O和-6 ℃正十四烷的組合蓄冷板。

2.3 不同蓄冷板擺放位置對(duì)冷藏箱熱性能的影響實(shí)驗(yàn)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)布置

蓄冷板性能和蓄冷板在冷藏箱內(nèi)擺放位置是影響冷藏箱蓄冷效果的重要因素。本實(shí)驗(yàn)將等質(zhì)量組合蓄冷板按照4種方式擺放于冷藏箱中,蓄冷板中間位置布置K型熱電偶,測(cè)量蓄冷板表面溫度;冷藏箱內(nèi)根據(jù)對(duì)稱(chēng)性,布置9個(gè)測(cè)溫點(diǎn),如圖6所示,以此反映箱內(nèi)的溫度變化情況。

圖6 冷藏箱內(nèi)9個(gè)測(cè)溫點(diǎn)位置

測(cè)溫點(diǎn)1、2、3分別在冷藏箱兩壁面交際處的上、中、下等距布置,測(cè)溫點(diǎn)4、5、6分別在冷藏箱一壁面中間位置上、中、下等距布置,測(cè)溫點(diǎn)7、8、9分別在冷藏箱正中間位置上、中、下等距布置。熱電偶的探頭懸于空氣中,便于準(zhǔn)確測(cè)量冷藏箱內(nèi)空氣溫度。測(cè)溫點(diǎn)1、4、7用于測(cè)量冷藏箱的上層空間溫度,測(cè)溫點(diǎn)2、5、8用于測(cè)量冷藏箱的中層空間溫度,測(cè)溫點(diǎn)3、6、9用于測(cè)量冷藏箱的下層空間溫度。

2.3.2 不同蓄冷板擺放位置類(lèi)型

為研究等質(zhì)量組合方案的組合蓄冷板擺放方式對(duì)冷藏箱蓄冷時(shí)長(zhǎng)和溫度分布的影響,將對(duì)兩側(cè)平放、兩側(cè)疊放、對(duì)角擺放及四周擺放4種方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖7所示。

圖7 蓄冷板擺放方式

2.3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)在電腦上使用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀,配置采集儀的參數(shù),設(shè)定9個(gè)測(cè)溫點(diǎn),設(shè)定每3 min記錄一次數(shù)據(jù),溫度上下限設(shè)置為2～8 ℃。

2)將蓄冷板放入冰箱中冷凍,設(shè)定冷凍溫度,當(dāng)蓄冷板完全凍結(jié)后取出分別按照?qǐng)D7中4種方式布置于冷藏箱中,注意蓄冷板應(yīng)緊貼冷藏箱的壁面,充分利用箱內(nèi)空間。

3)將9個(gè)K型熱電偶探頭布置在相應(yīng)位置,注意探頭應(yīng)置于冷藏箱空氣中,不能貼近箱壁面,蓋上冷藏箱的箱蓋。

4)當(dāng)安捷倫數(shù)據(jù)采集儀讀取的數(shù)據(jù)顯示9個(gè)測(cè)溫點(diǎn)任何一點(diǎn)超過(guò)8 ℃,則停止記錄數(shù)據(jù),此次實(shí)驗(yàn)完成,生成所有溫度變化的表格,將每個(gè)小時(shí)的各點(diǎn)溫度制成點(diǎn)線(xiàn)圖。

5)根據(jù)步驟1)～4),實(shí)驗(yàn)記錄不同的蓄冷板和蓄冷板不同的擺放位置下的冷藏箱溫度時(shí)長(zhǎng)和溫度場(chǎng)分布,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,減小誤差。

3 組合蓄冷板擺放位置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 組合蓄冷板擺放位置對(duì)冷藏箱的影響

本節(jié)實(shí)驗(yàn)以等質(zhì)量組合方案的組合蓄冷板(5 ℃ CaCl2·6H2O和-6 ℃正十四烷)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)蓄冷時(shí)長(zhǎng)T、溫度平均值M、不均勻系數(shù)S和釋冷速率η四個(gè)參數(shù),研究組合蓄冷板在4種擺放位置下的冷藏箱熱性能。

3.1.1 冷藏箱蓄冷時(shí)長(zhǎng)的對(duì)比

不同擺放位置下冷藏箱各點(diǎn)蓄冷時(shí)長(zhǎng)T及對(duì)比如表9所示。箱內(nèi)各點(diǎn)溫度中,最晚達(dá)到2 ℃的測(cè)溫點(diǎn)為3、6、9,這三個(gè)點(diǎn)均位于箱內(nèi)的下層空間,箱內(nèi)最先達(dá)到8 ℃的測(cè)溫點(diǎn)為4和7,可知箱內(nèi)上層空間的溫度最先不滿(mǎn)足預(yù)期。這是因?yàn)槔洳叵涞纳蠈涌臻g靠近箱蓋,由于箱蓋處不可能完全密閉,上層也是最易受到外界環(huán)境影響的區(qū)域。

表9 不同擺放位置下冷藏箱各點(diǎn)蓄冷時(shí)長(zhǎng)及對(duì)比

對(duì)角擺放的組合蓄冷板蓄冷時(shí)長(zhǎng)最大,達(dá)到21.80 h;兩側(cè)疊放的組合蓄冷板蓄冷時(shí)長(zhǎng)最短,僅為9.35 h。這是因?yàn)楣腆w的導(dǎo)熱性能一般強(qiáng)于氣體的導(dǎo)熱性能。在組合蓄冷板對(duì)角擺放時(shí),內(nèi)外側(cè)介質(zhì)均為空氣;兩側(cè)疊放時(shí),內(nèi)側(cè)為箱內(nèi)空氣,外側(cè)為箱體壁面。所以?xún)蓚?cè)疊放蓄冷時(shí)長(zhǎng)最短,對(duì)角擺放蓄冷時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)。

3.1.2 冷藏箱內(nèi)溫度平均值及蓄冷板表面溫度平均值的對(duì)比

2～8 ℃工況下組合蓄冷板表面溫度平均值M1和冷藏箱內(nèi)溫度平均值M2如表10所示。對(duì)角擺放的M1最低,兩側(cè)疊放的M1最高;對(duì)角擺放的M2最高,兩側(cè)平放的M2最低。造成該現(xiàn)象的原因一般為對(duì)角擺放時(shí)空氣傳熱面積大,冷量流失快,溫度平均值相差大,而其它擺放方式傳熱面積較小。

表10 組合蓄冷板表面溫度平均值及冷藏箱溫度平均值

3.1.3 冷藏箱內(nèi)溫度不均勻系數(shù)的對(duì)比

2～8 ℃工況下冷藏箱內(nèi)溫度不均勻系數(shù)S的對(duì)比如表11所示。兩側(cè)疊放時(shí)S最小,為19.90 ℃;對(duì)角疊放時(shí)S最大,為34.55 ℃。造成該現(xiàn)象主要是因內(nèi)部高溫組合蓄冷板與外部低溫組合蓄冷板側(cè)表面接觸,兩塊組合蓄冷板之間相互影響,使箱內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性被改變。同時(shí),由于對(duì)角擺放時(shí)蓄冷板空氣傳熱面積大,在對(duì)角擺放時(shí)箱內(nèi)溫度波動(dòng)最大、溫度場(chǎng)最不均勻,在兩側(cè)疊放時(shí)箱內(nèi)溫度波動(dòng)最小、溫度場(chǎng)最均勻。

表11 冷藏箱內(nèi)不均勻系數(shù)

3.1.4 蓄冷板釋冷速率的對(duì)比

組合蓄冷板在冷藏箱內(nèi)釋冷速率η的對(duì)比如表12所示。兩側(cè)疊放的箱內(nèi)η最大,達(dá)到1.20;兩側(cè)平放的箱內(nèi)η最小,僅為0.78。造成該現(xiàn)象的主要原因是蓄冷劑的相變溫度不同[21],相變溫度較高的蓄冷劑吸收箱內(nèi)熱量,溫度升高后又被相變溫度較低的蓄冷劑冷卻降溫,再繼續(xù)吸收箱內(nèi)冷負(fù)荷;同時(shí)相變溫度較低的蓄冷劑也在吸收冷藏箱內(nèi)的冷負(fù)荷,從而提高了η。兩側(cè)疊放時(shí)的蓄冷板傳熱介質(zhì)厚度[22]大于其他擺放方式,導(dǎo)致相變溫差大,因此在兩側(cè)疊放時(shí)箱內(nèi)蓄冷板釋放溫度最快,而在兩側(cè)平放時(shí)箱內(nèi)蓄冷板釋放溫度最慢。

表12 冷藏箱內(nèi)釋冷速率

3.2 組合蓄冷板式冷藏箱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本節(jié)分析組合蓄冷板構(gòu)造的冷藏箱熱性能,最終將在對(duì)角擺放(蓄冷時(shí)長(zhǎng)優(yōu))和兩側(cè)疊放(溫度場(chǎng)分布優(yōu))中選取適合本實(shí)驗(yàn)的組合蓄冷板擺放位置,兩種擺放方式的熱性能對(duì)比如表13所示。

表13 兩側(cè)疊放和對(duì)角擺放的熱性能對(duì)比

考慮到疫苗等藥品的活性對(duì)溫度的要求較高,為防止藥品失效,本實(shí)驗(yàn)以溫度均勻優(yōu)先為原則,則兩側(cè)疊放的等質(zhì)量組合蓄冷板效果最好。

4 結(jié)論

組合蓄冷板提高了醫(yī)藥冷藏箱的釋冷速率,優(yōu)化了其溫度場(chǎng)的分布,促進(jìn)了我國(guó)醫(yī)藥冷鏈的發(fā)展。本文針對(duì)醫(yī)藥冷藏箱內(nèi)的組合蓄冷板搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái),研究組合蓄冷板的性能及蓄冷板在醫(yī)藥冷藏箱中的擺放位置對(duì)冷藏箱在2～8 ℃工況下熱性能的影響,得到如下結(jié)論:

1)總體上,等質(zhì)量組合方案與等相變潛熱值方案相比,蓄冷時(shí)長(zhǎng)和蓄冷板內(nèi)壁溫度變化情況更優(yōu)。等質(zhì)量組合方案的蓄冷時(shí)長(zhǎng)比等相變潛熱值組合方案下的蓄冷時(shí)長(zhǎng)高10%,溫度變化率小近一倍,溫度變化曲線(xiàn)更加平穩(wěn)。

2)考慮到溫度均勻優(yōu)先原則,兩側(cè)疊放的組合蓄冷板蓄冷效果最好。但該種擺放方式存在明顯缺陷,等質(zhì)量5 ℃和-6 ℃組合蓄冷板在兩側(cè)疊放時(shí)的蓄冷時(shí)長(zhǎng)僅為9.35 h,在所有蓄冷方案中時(shí)長(zhǎng)最短。因此,由兩側(cè)疊放的等質(zhì)量組合蓄冷板構(gòu)成的醫(yī)藥冷藏箱適合短途高質(zhì)量藥品的運(yùn)輸。后續(xù)的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)可以考慮采用其他相變蓄冷材料,使溫度均勻性和蓄冷時(shí)長(zhǎng)更加優(yōu)化。

3)本文設(shè)置的4種指標(biāo)對(duì)冷藏箱熱性能評(píng)價(jià)具有重要的作用,有利于醫(yī)藥冷藏箱的創(chuàng)新和發(fā)展。其中,不均勻系數(shù)(在空間角度上反映醫(yī)藥冷藏箱內(nèi)的溫度分布情況的參數(shù))及釋冷速率(在時(shí)間角度上體現(xiàn)醫(yī)藥冷藏箱內(nèi)的平均溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)的參數(shù))最為重要。鑒于4種擺放方式的蓄冷時(shí)長(zhǎng)在9～22 h之間、溫度平均值在2～8 ℃工況內(nèi),兩項(xiàng)參數(shù)均在合理范圍內(nèi)。當(dāng)?shù)荣|(zhì)量組合方案的蓄冷板兩側(cè)疊放時(shí),冷藏箱內(nèi)不均勻系數(shù)最小,僅為19.90 ℃,箱內(nèi)溫度分布最均勻;同時(shí)冷藏箱內(nèi)釋冷速率最大,可達(dá)1.20,箱內(nèi)蓄冷板釋放溫度最快。