謝如鶴，唐海洋，陶文博，劉廣海，劉康佳，吳俊章

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基于空載溫度場(chǎng)模擬與試驗(yàn)的冷藏車(chē)?yán)浒宀贾梅绞絻?yōu)選

謝如鶴，唐海洋，陶文博，劉廣海，劉康佳，吳俊章

（廣州大學(xué)物流與運(yùn)輸研究所，廣州 510006）

該文通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）對(duì)常見(jiàn)的3種不同冷板布置方式（冷板頂置、冷板側(cè)置、冷板部分頂置部分側(cè)置）下的空載冷藏車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行了10 h的非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：在10 h的非穩(wěn)態(tài)模擬研究中，在車(chē)廂高度方向上由上往下，空氣溫度都呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)；在車(chē)廂長(zhǎng)度方向上，靠近車(chē)廂中心的區(qū)域空氣溫度更低。壁面附近空氣溫度較高，溫度梯度較大。其中，在冷板側(cè)置的方式下，廂內(nèi)整體溫度較低，各測(cè)點(diǎn)溫度在-9.5～-7 ℃范圍內(nèi)，且溫度均勻性較好；在冷板部分頂置部分側(cè)置的方式中，各測(cè)點(diǎn)溫度在起始階段溫差較大，在末段溫差有所縮小，最終各測(cè)點(diǎn)溫度為-9～-7.2 ℃，測(cè)點(diǎn)整體溫度與溫差稍好于冷板頂置的方式。同時(shí)，冷板側(cè)置的方式下，車(chē)廂的可用空間較?。焕浒屙斨玫姆绞降目捎萌莘e較大，但是冷板布置于車(chē)廂頂部，充注共晶液后會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛重心的上升，降低了冷藏車(chē)在運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性；冷板部分頂置部分側(cè)置的方式可用空間及重心介于冷板側(cè)置的方式與冷板頂置的方式之間。綜上所述，考慮到冷板側(cè)置的冷板布置方式對(duì)貨物的影響，優(yōu)先選用冷板部分頂置部分側(cè)置、冷板頂置的方式。綜合考慮冷板布置方式對(duì)貨物的影響，冷藏車(chē)廂內(nèi)可用容積、冷藏車(chē)廂的重心高度等因素，研制了2種不同冷板布置方式的冷板冷藏車(chē)廂，對(duì)車(chē)內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行空載試驗(yàn)，結(jié)果表明冷板部分側(cè)置、部分頂置的方式較為合理。同時(shí)經(jīng)過(guò)10 h的試驗(yàn)，實(shí)測(cè)溫度與模擬仿真溫度的平均偏差為0.9 ℃，絕對(duì)誤差在2.5 ℃以內(nèi)，說(shuō)明計(jì)算模型可以用于冷藏車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)的模擬。研究結(jié)果可為優(yōu)化冷板冷藏車(chē)的冷板布置方式提供依據(jù)。

冷藏；數(shù)值模擬；溫度分布；冷板冷藏車(chē)；布置方式

0 引 言

冷板冷藏車(chē)?yán)眯罾鋭┠毯笏鶅?chǔ)存的相變潛熱來(lái)為冷藏車(chē)廂降溫，維持貨物儲(chǔ)運(yùn)所需溫度。冷板可以在充冷站預(yù)先凍結(jié)后移至冷藏車(chē)廂中，也可以在冷藏車(chē)使用前直接將制冷機(jī)組與外接電源接通，對(duì)安裝在冷藏車(chē)廂內(nèi)的冷板充冷。常用的蓄冷劑均為低融點(diǎn)的無(wú)機(jī)鹽混合溶液，與機(jī)械式冷藏運(yùn)輸車(chē)廂比具有如下優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行可靠、車(chē)廂內(nèi)溫度穩(wěn)定、冷板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造、經(jīng)濟(jì)性好、無(wú)噪聲污染。在越來(lái)越倡導(dǎo)可持續(xù)化發(fā)展的今天，針對(duì)冷板冷藏車(chē)的研究顯得十分必要[1]。

針對(duì)冷藏車(chē)的研究，在車(chē)內(nèi)氣流組織方面，Moureh等[2]利用CFD軟件和雷諾應(yīng)力湍流模型對(duì)冷藏車(chē)中氣流進(jìn)行了數(shù)值模擬。Wang等[3]模擬了帶有側(cè)壁風(fēng)道和底部導(dǎo)流槽的多溫區(qū)冷藏卡車(chē)車(chē)廂內(nèi)流場(chǎng)，探究了回風(fēng)口位置和風(fēng)速對(duì)流場(chǎng)的影響。在熱工特性方面，劉廣海等[4]在熱平衡法的基礎(chǔ)上，建立了冷藏車(chē)熱狀況分析體系。謝如鶴等[5]通過(guò)因素分析，建立了鐵路冷藏車(chē)傳熱系數(shù)與隔熱層厚度的優(yōu)化模型。李錦等[6]建立了冷藏車(chē)廂內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的降溫?cái)?shù)學(xué)模型，并對(duì)影響因素進(jìn)行了分析。在堆棧方式方面，趙春江等[7]模擬了不同邊界條件和貨物不同堆棧方式車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況。張哲等[8]采用數(shù)值模擬方法，分析了不同堆碼方式對(duì)貨物區(qū)溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的影響。在冷板冷藏車(chē)的研究方面，王延覺(jué)等[9]運(yùn)用多孔介質(zhì)理論建立番茄在冷板冷藏車(chē)內(nèi)及貨物的數(shù)學(xué)模型模擬了2種不同堆碼方式的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)，并對(duì)其變化及分布的特點(diǎn)進(jìn)行分析討論。張杰等[10]建立了冷板放冷的數(shù)學(xué)模型，采用顯熱容法對(duì)冷板放冷的過(guò)程進(jìn)行了分析。王奕明等[11]介紹了冷板冷藏車(chē)運(yùn)行熱負(fù)荷的計(jì)算方法,并對(duì)運(yùn)輸冷凍和冷卻貨物時(shí)的熱負(fù)荷進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算。陳煥新等[12]采用數(shù)值模擬方法,計(jì)算了運(yùn)輸過(guò)程中冷凍貨物的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)。蔡敏等[13]通過(guò)對(duì)運(yùn)輸中貨物傳熱過(guò)程的分析，建立了車(chē)廂內(nèi)復(fù)雜耦合傳熱的-數(shù)學(xué)模型；采用數(shù)值模擬的方法，計(jì)算了3種不同堆碼方式貨物動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)。目前，無(wú)論是常規(guī)冷藏車(chē)還是冷板冷藏車(chē)，研究重點(diǎn)都集中在氣流組織、保溫材料、貨物堆碼方式等因素對(duì)溫度場(chǎng)的影響這一塊[14-21]，而沒(méi)能將冷板冷藏車(chē)相對(duì)常規(guī)冷藏車(chē)的優(yōu)勢(shì)最大化，針對(duì)于冷板布置方式這一塊的研究還顯得很匱乏。

近年來(lái)，詹耀立等[22]應(yīng)用有限元法，對(duì)冷板側(cè)置及在不同冷板凍結(jié)溫度和儲(chǔ)藏食品溫度下的車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行了三維模擬計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)了車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布和變化的規(guī)律及影響因素，并提出在車(chē)門(mén)附近的頂部增加兩塊頂置式冷板的建議，說(shuō)明了單一的冷板布置方式并不能滿足對(duì)車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布的要求，針對(duì)不同冷板的布置方式的研究具有一定的研究?jī)r(jià)值。之后，詹耀立等[23]又應(yīng)用有限元法，對(duì)冷板側(cè)置、頂置及在不同冷板凍結(jié)溫度和儲(chǔ)藏食品溫度下的鐵路冷板車(chē)車(chē)內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示冷板頂置時(shí)在相同條件下總比冷板側(cè)置時(shí)溫升高，因此，可以通過(guò)改變冷板布置方式來(lái)提升車(chē)內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性。然而，詹耀立等使用的是純模擬的方式，并沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，而且研究方式單一，僅有冷板頂置與側(cè)置2種方式，另外，其研究對(duì)象是鐵路冷板冷藏車(chē)，它與冷板冷藏汽車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同。特別是二者頂部結(jié)構(gòu)差異明顯：鐵路冷板冷藏車(chē)的頂部為圓弧棚頂結(jié)構(gòu)，而冷板冷藏汽車(chē)為平頂結(jié)構(gòu)。因此，需要針對(duì)冷板冷藏汽車(chē)進(jìn)行研究，來(lái)填補(bǔ)這一方面資料的空白。在現(xiàn)用的冷板冷藏汽車(chē)中，常見(jiàn)的冷板布置方式有冷板頂置以及冷板側(cè)置2種方式，本文在2種方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合考慮，以可用容積的大小作為依據(jù)，增加了將2塊冷板側(cè)置、8塊冷板頂置的第3種冷板布置方式，以期能夠更合理（仔細(xì)）的觀察到冷板布置方式的改變對(duì)溫度場(chǎng)所造成的影響，并利用CFD建立了冷板冷藏車(chē)廂的傳熱模型，通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)這3種方式進(jìn)行了比較，希望能為改善冷板的布局方式，優(yōu)化冷板冷藏車(chē)的冷板布置方式提供依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本文以自行研制的冷板冷藏車(chē)作為研究對(duì)象，該冷板冷藏車(chē)通過(guò)制冷機(jī)組對(duì)冷板內(nèi)的蓄冷劑（氯化鈉15～16.5%，丙三醇12.5%，水余量）充冷，使蓄冷劑完全凝固后關(guān)閉制冷機(jī)組，再通過(guò)冷板與周?chē)諝鈸Q熱制冷，它的基本資料如下：

1）車(chē)廂外尺寸為長(zhǎng)×寬×高=6 240 mm× 2 370 mm× 2 440 mm，車(chē)廂壁厚均為120 mm，車(chē)廂內(nèi)尺寸為長(zhǎng)×寬×高=6 000 mm×2 130 mm×2 200 mm，內(nèi)部容積28.12 m3；

2）雙開(kāi)后門(mén)，開(kāi)右側(cè)門(mén)一扇，后門(mén)和側(cè)門(mén)均使用耐低溫密封膠條進(jìn)行密封，所有門(mén)均采用了不銹鋼板鎖，并采用不銹鋼鉸鏈鏈接車(chē)廂門(mén)與車(chē)壁。

3）單塊冷板外尺寸為長(zhǎng)×寬×高=5 600×180×68 mm，板厚均為3 mm，采用鋁板制作。

圖1 冷板冷藏車(chē)實(shí)物圖

冷藏車(chē)箱裝配10塊冷板，在現(xiàn)用的冷板冷藏車(chē)中，常見(jiàn)的冷板布置方式有冷板頂置以及冷板側(cè)置2種方式，本文在綜合考慮這2種方式的基礎(chǔ)上，以可用容積的大小作為依據(jù)，增加了將2塊冷板側(cè)置、8塊冷板頂置的第3種冷板布置方式，以期能夠更全面的觀察到冷板布置方式的改變對(duì)溫度場(chǎng)所造成的影響：1）方式1，將10塊冷板2塊一組均勻放置于車(chē)廂的頂部；2）方式2，將頂置時(shí)外側(cè)的冷板取下，分別放置在車(chē)廂的兩側(cè)；3）方式3，分別在車(chē)廂兩側(cè)放置5塊冷板。

圖2 冷藏車(chē)結(jié)構(gòu)圖

為了便于觀察冷藏車(chē)廂內(nèi)各處的溫度隨時(shí)間的變化情況，沿車(chē)廂長(zhǎng)度方向選定3個(gè)縱斷面，截點(diǎn)分別為=100 mm、=1 500 mm、=3 000 mm，沿車(chē)并在每個(gè)縱斷面上選出5個(gè)代表點(diǎn)作為數(shù)值模擬研究點(diǎn)，選出的5個(gè)代表點(diǎn)位置如圖3所示。

本文選取溫度不均勻系數(shù)作為車(chē)廂氣流組織的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析各溫區(qū)在不同因素水平下的溫度場(chǎng)分布差異。不均勻系數(shù)越小說(shuō)明冷藏車(chē)廂內(nèi)氣流分布越均勻，均勻的氣流分布有利于避免出現(xiàn)氣流死角、局部溫度過(guò)高現(xiàn)象。不均勻系數(shù)計(jì)算方法較為統(tǒng)一，需要在車(chē)廂載貨區(qū)選取個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果測(cè)得各點(diǎn)的溫度值，計(jì)算其算術(shù)平均值。為了研究冷藏車(chē)溫度場(chǎng)的不均勻度對(duì)蔬菜保鮮的影響，引入絕對(duì)不均勻度，的大小代表在相同測(cè)點(diǎn)數(shù)量情況下，冷藏車(chē)溫度場(chǎng)的不均勻程度，其值越大溫度場(chǎng)的不均勻程度也越大，表示為：

式中t為第個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度，℃；t為個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度，℃。

為保障冷板冷藏車(chē)內(nèi)氣流組織的均勻性，在車(chē)廂載貨區(qū)選擇3個(gè)斷面，每個(gè)斷面布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，其布點(diǎn)位置如圖2所示。共計(jì)15個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，各檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)位置如圖3所示。

注：×為溫度測(cè)點(diǎn)。

冷藏車(chē)廂利用Gambit軟件進(jìn)行建模，對(duì)于冷板采用六面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)冷板局部進(jìn)行網(wǎng)格加密，對(duì)于廂內(nèi)流場(chǎng)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，以上3個(gè)模型的網(wǎng)格單元數(shù)量維持在25萬(wàn)個(gè)左右，最大長(zhǎng)寬比在3.5左右，網(wǎng)格質(zhì)量良好，而且節(jié)約計(jì)算時(shí)間[24-26]。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文建模不考慮運(yùn)輸過(guò)程中貨物水分蒸發(fā)等傳質(zhì)因素的影響；車(chē)廂內(nèi)空氣為低速不可壓縮流體；不考慮車(chē)廂內(nèi)的熱輻射；不考慮溫度變化對(duì)空氣物性參數(shù)的影響。經(jīng)計(jì)算瑞利數(shù)Ra=1.092×1012，屬于湍流，在此采用了Boussinesq假設(shè)[27-29]。

綜合考慮以上的各影響因素，在直角坐標(biāo)系中，計(jì)算所需的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程及-方程的通用形式如下：

對(duì)應(yīng)于不同的通用變量，式（2）中各項(xiàng)參數(shù)及?模型中的系數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[30-31]。

1.3 冷藏車(chē)邊界條件的設(shè)定

影響冷藏車(chē)運(yùn)行時(shí)的熱負(fù)荷的因素有很多，具體可以分為以下幾類(lèi)：車(chē)體傳熱的冷消耗、漏氣的冷消耗、太陽(yáng)輻射的冷消耗、通風(fēng)的冷消耗、貨物降溫的冷消耗、車(chē)體降溫的冷消耗、貨物呼吸的冷消耗[32]。由于研究空載情況，且無(wú)需對(duì)車(chē)廂進(jìn)行通風(fēng)，在模擬時(shí)只考慮車(chē)體傳熱的冷消耗、太陽(yáng)輻射的冷消耗、漏氣的冷消耗、車(chē)體降溫的冷消耗。經(jīng)計(jì)算冷藏車(chē)箱的面熱流密度=29.28 W/m3。

冷板中蓄冷劑的比熱容為4.74 kJ/(kg·K)，融解熱為175.3 kJ/kg，融點(diǎn)為?30 ℃。蓄冷劑在冷板冷藏車(chē)運(yùn)行過(guò)程中不斷吸熱，由凝固狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。車(chē)廂隔熱所采用的聚氨酯密度為45 kg/m3，導(dǎo)熱率為0.026 W/(m·K)，比熱容為1.8 kJ/(kg·K)。假定冷板初始溫度為?34 ℃，冷板冷藏車(chē)車(chē)廂外部環(huán)境溫度設(shè)置為35 ℃，冷藏車(chē)廂內(nèi)空氣初溫及廂體初溫均為35 ℃。

本研究在模擬計(jì)算時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)-模型[33]，開(kāi)啟凝固/融化模塊，采用非穩(wěn)態(tài)的求解方法計(jì)算冷藏車(chē)廂的溫度變化情況，控制微分方程的離散均采用一階迎風(fēng)格式，同時(shí)采用SIMPLE算法對(duì)計(jì)算域的速度和壓力進(jìn)行耦合。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1 s，總步數(shù)為36 000。

2 冷板冷藏車(chē)空載數(shù)值模擬仿真

2.1 仿真結(jié)果

本文所研究的冷藏汽車(chē)主要是用于城市之間的配送，所以運(yùn)行時(shí)間一般不超過(guò)10 h，故本文對(duì)3種不同冷板布置形式下的冷藏車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)模擬10 h。冷藏汽車(chē)空載時(shí)，主要是外界熱空氣通過(guò)與車(chē)廂外壁的對(duì)流換熱、保溫層內(nèi)的熱傳導(dǎo)以及內(nèi)部空氣的自然對(duì)流將熱量傳入[12-13]，從而影響車(chē)廂內(nèi)的溫度分布。

圖4是3種冷板布置方式的冷藏車(chē)在車(chē)廂空載條件下，經(jīng)過(guò)10 h后，不同位置截面的溫度分布云圖。

圖4a～圖4c為空載車(chē)廂長(zhǎng)度方向（=0.1 m）距車(chē)門(mén)處0.1 m的溫度分布云圖，由結(jié)果顯示，方式1中，中間部分的溫度較均勻，從?8.5 ℃升至?8 ℃，但是在靠近壁面的區(qū)域空氣的溫度梯度較大，迅速由?8 ℃升至?6 ℃左右；方式2中，中間空氣的溫度均勻性也比較好，絕大部分空氣的溫度由上至下從?9 ℃升至?8.5 ℃，同時(shí)平均溫度要比方式1中低，靠近壁面附近溫度梯度略?。环绞?中空氣在該截面中部及上部保持在?8.5 ℃左右，在截面下方及靠近壁面位置的空氣溫度較高，最高溫度為?7.5 ℃左右。這是由于縱斷面1的位置靠近車(chē)廂端部，距離冷板較遠(yuǎn)，特別是下方兩側(cè)的角落，因此這部分區(qū)域的空氣溫度較高；此外，由于車(chē)廂壁面不斷與外界換熱，導(dǎo)致靠近廂壁的空氣溫度梯度變大，溫度均勻性都較差。

圖4d～圖4f為空載車(chē)廂長(zhǎng)度方向（=1.5 m）距車(chē)門(mén)處1.5 m處的溫度分布云圖，方式1中，空氣溫度維持在?8.5～?8 ℃的范圍內(nèi)，均勻性較好，但是同樣的在靠近車(chē)廂下面的區(qū)域空氣的溫度梯度較大；方式2中，該斷面內(nèi)大部分區(qū)域的空氣溫度在?9～?8.5 ℃左右，由于車(chē)廂下面的區(qū)域空氣的溫度梯度較方式1要小一些，使得整體的均勻性要相比方式1較好，同時(shí)平均溫度要比方式1中低0.5 ℃左右；在方式3中可以看出，空氣溫度在?9.5～?8.5 ℃，雖然平均溫度要比其他方式要低，這是由于在車(chē)廂兩側(cè)都放置了冷板，能同時(shí)降低兩邊壁面進(jìn)入車(chē)廂內(nèi)的熱量，但是其均勻性要差些。3種方式中冷板附近區(qū)域的流場(chǎng)溫度均最低，較高的溫度分布在距離冷板較遠(yuǎn)的地方，中部區(qū)域以及車(chē)廂底部。冷板以及壁面附近的溫度梯度較大，這是因?yàn)榭諝馐艿嚼浒謇鋮s作用最強(qiáng)，冷板與周?chē)臒峥諝獯嬖谳^大溫差，不斷進(jìn)行換熱，且由于流速相對(duì)較大，換熱劇烈，因而形成較大的溫度梯度；壁面溫度梯度較大，是外界熱空氣通過(guò)與車(chē)廂外壁、保溫車(chē)的熱傳導(dǎo)以及內(nèi)部空氣的自然對(duì)流造成的。

圖g～i為空載車(chē)廂長(zhǎng)度方向（=3 m）中間截面處的溫度分布云圖，方式1中，截面中空氣溫度維持在?9.5～?8.5 ℃的范圍內(nèi)；方式2中，大部分區(qū)域空氣溫度低于?9.5 ℃；方式3中，空氣溫度在?10.5～?9.5 ℃左右。3種方式在中間截面處的平均溫度要比前2個(gè)截面處要低一些，這說(shuō)明車(chē)廂中間區(qū)域的空氣與冷板換熱效果要更好，保溫效果也更好一些。在冷板以及壁面也都存在這較大的溫度梯度。

縱斷面3（=3 m）作為車(chē)廂長(zhǎng)度方向的中心斷面，相比于縱斷面1（=0.1 m）、縱斷面2（=1.5 m），縱斷面3中各方式截面的共晶液溫度基本一致，但截面中空氣溫度比縱斷面1和2都有所下降，這是因?yàn)橛捎谑艿娇諝饧袄浒逯g的自然對(duì)流換熱影響，空氣在密度差的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生擾動(dòng)，而車(chē)廂中心位置的擾動(dòng)較為強(qiáng)烈，所以該區(qū)域的空氣溫度更低。

注：T=t+273.15，T指開(kāi)爾文溫度，t指攝氏溫度。

在3種冷板布置方式中，冷板側(cè)置時(shí)的車(chē)廂內(nèi)的溫度場(chǎng)相對(duì)均勻一些，這是由于冷板冷藏車(chē)內(nèi)的空氣靠自然對(duì)流進(jìn)行換熱，引起流體這種運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在力量是溫度差。流體內(nèi)部存在著溫度差，使得各部分流體的密度不同，溫度高的流體密度小，必然上升；溫度低的流體密度大，必然下降。當(dāng)冷板全部頂置時(shí)，頂部的溫度最低，密度最大，使得低溫的頂部空氣會(huì)全部向下流動(dòng)，而底部離冷板距離最遠(yuǎn)，因此溫度最高。頂部空氣下沉的過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)比較明顯的溫度分層情況。冷板部分頂置部分側(cè)置時(shí)，由于冷板也主要集中于頂部，因此車(chē)內(nèi)溫度分布也具有從上到下的分層情況，不過(guò)由于在側(cè)面各放置了一塊冷板，因此相對(duì)頂置時(shí)，溫度分布相對(duì)好一些，但是側(cè)置冷板也接近頂部，所以不是很明顯。而冷板全部側(cè)置時(shí)，靠近兩側(cè)的溫度低，密度大，氣體主要是在靠著車(chē)廂壁的區(qū)域向下流動(dòng)，向中部空氣換熱速度較慢，所以會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于拋物線的溫度層界線。相對(duì)于上下分層的冷板頂置以及部分頂置部分側(cè)置的方式，在中部區(qū)域，冷板側(cè)置時(shí)車(chē)廂內(nèi)的溫度分布均勻性較好。

盡管3種冷板布置方式下的冷板數(shù)量是一定的，但是在不同的冷板布置方式下，冷藏車(chē)廂內(nèi)的可用空間是不同的，所能裝載的貨物量也將受到影響。根據(jù)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《易腐食品冷藏鏈操作規(guī)范禽肉類(lèi)》[34]中的規(guī)定，貨物裝載時(shí)，貨物與廂壁應(yīng)留有縫隙，貨物與后門(mén)之間宜保留至少10 cm距離，天花板和貨物之間宜留出至少25 cm距離，使用固定裝置防止貨物移動(dòng)。本次研究的對(duì)象為冷板冷藏車(chē)，貨物距放置于側(cè)壁頂部的冷板的距離都設(shè)定為25 cm。

按上述條件計(jì)算出冷板頂置時(shí)的可用容積為18.37 m3，冷板部分頂置部分側(cè)置時(shí)的可用容積為18.21 m3，冷板側(cè)置時(shí)的可用容積為17.43 m3。

表1 各冷板布置方式的參數(shù)

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)以本單位自行研制的冷板冷藏車(chē)作為測(cè)試對(duì)象。由于考慮到方式3的冷板布置方式對(duì)貨物安全的影響以及可用容積的大小，優(yōu)先選用方式1、2的冷板布置形式。

對(duì)2種方式的空載冷板冷藏車(chē)內(nèi)的溫度場(chǎng)模擬10 h后的結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬和實(shí)測(cè)溫度的平均誤差為0.9 ℃，絕對(duì)誤差在2.5 ℃以內(nèi)，這是由于本文中數(shù)值模擬的是非穩(wěn)態(tài)情況下冷板冷藏車(chē)廂內(nèi)溫度分布情況，冷藏車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中外界熱環(huán)境包括空氣溫度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速等影響參數(shù)是不斷變化的，而在模擬過(guò)程中未考慮廂外環(huán)境的變化。模擬值與實(shí)測(cè)值偏差不大，說(shuō)明所建立的模型可以用于模擬冷板冷藏車(chē)廂體內(nèi)的溫度場(chǎng)。

圖5 試驗(yàn)驗(yàn)證

3 2種冷板冷藏車(chē)的試驗(yàn)對(duì)比

試驗(yàn)儀器和材料包括：德國(guó)德圖Testo926T型熱電偶，測(cè)溫范圍為?180～350 ℃；安捷倫34972A溫度采集器（美國(guó)安捷倫科技有限公司）；德國(guó)德圖Testo174溫度記錄儀，測(cè)溫范圍為?30.0～70.0 ℃，分辨率為±0.1 ℃，最大儲(chǔ)存3900個(gè)數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)布置方式如圖3所示。通過(guò)制冷機(jī)組對(duì)冷板內(nèi)的蓄冷劑充冷，使蓄冷劑完全凝固后關(guān)閉制冷機(jī)組，通過(guò)溫度記錄儀與熱電偶記錄車(chē)廂內(nèi)的空間溫度與車(chē)廂內(nèi)壁溫度，并對(duì)該種冷板布置方式下的車(chē)廂溫度場(chǎng)的溫度以及溫度均勻性進(jìn)行評(píng)估；改變部分冷板布置位置后按照以上的試驗(yàn)內(nèi)容重新試驗(yàn)，將2種工況下的溫度不均勻度進(jìn)行對(duì)比。

3.1 方式1（冷板頂置）試驗(yàn)結(jié)果

方式1外環(huán)境在10 h內(nèi)的平均溫度為34.6 ℃，溫度在35 ℃以上的時(shí)間約為3 h。

圖6a，制冷機(jī)組在8：00時(shí)關(guān)閉，此時(shí)蓄冷劑溫度為?31.7 ℃，已全部凝固，此時(shí)斷面1的中心溫度為?12.2 ℃，斷面2的中心溫度為?12.7 ℃，斷面3的中心溫度為?13.8 ℃。隨著時(shí)間推移，廂內(nèi)空氣溫度繼續(xù)下降，至9:00時(shí)廂內(nèi)溫度達(dá)到最低值，然后不斷上升。至18:00時(shí)，斷面1的平均溫度為?8.5 ℃，斷面2的平均溫度為?8.8 ℃，斷面3的平均溫度為?9.3 ℃。

由圖6b可知，斷面1在開(kāi)始階段溫度均勻度較好，并保持平穩(wěn)不變，10:30之后勻速上升；斷面2、3的溫度不均勻度在制冷機(jī)組關(guān)機(jī)初始階段有略微上升，然后均勻下降，12:00之后逐漸上升；測(cè)試結(jié)束時(shí)，斷面2、3較斷面1具有更好的溫度均勻性，這是由于斷面1更為靠近冷藏車(chē)廂后門(mén)，此處的溫升較大。

3.2 方式2（冷板部分頂置部分側(cè)置）試驗(yàn)結(jié)果

圖7a中，制冷機(jī)組在8:00時(shí)關(guān)閉，此時(shí)蓄冷劑溫度為?31.8 ℃，蓄冷劑已全部凝固，此時(shí)斷面1的平均溫度為?13.2 ℃，斷面2的平均溫度為?14.3 ℃，斷面3的平均溫度為?14.7 ℃。停機(jī)后廂內(nèi)空氣溫度開(kāi)始穩(wěn)定上升。至18:00時(shí)，斷面1的中心為?10.2 ℃，斷面2的中心溫度為?11 ℃，斷面3的中心溫度為?11.4 ℃。

由圖7b可知，開(kāi)始階段（8:00～10:00之間）各斷面的溫度不均勻度大小為斷面1<斷面2<斷面3，在12:00之后溫度不均勻度大小為斷面3<斷面2<斷面1；測(cè)試結(jié)束時(shí)斷面1與斷面3的不均勻度相差0.6左右。

圖6 冷板頂置試驗(yàn)結(jié)果

圖7 冷板部分頂置部分側(cè)置試驗(yàn)結(jié)果

方式1與方式2中各斷面的溫度不均勻度的變化趨勢(shì)是一致的：斷面1在開(kāi)始階段較為平穩(wěn)，10:00之后勻速上升；斷面2、3在12:00之前先下降，之后逐漸上升。方式1在斷面1上各點(diǎn)的溫度不均勻度大小與方式2基本相同，方式1在斷面2、3上各點(diǎn)的溫度不均勻度比方式2稍大，因此方式2的冷板位置放置方式溫度均勻性更好。

3.3 2種方式冷板溫度變化曲線

由圖8可知，制冷機(jī)組停機(jī)時(shí)，冷板溫度基本接近；在8:00～11:00這段時(shí)間內(nèi)，2種布置方式的冷板溫度變化曲線比較一致，且在9:00～11:00中冷板的溫度變化較為平緩，這是由于蓄冷劑在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)處于融化階段，溫度維持恒定；12:00之后方式1的冷板溫度上升速度較方式2更快，測(cè)試結(jié)束時(shí)方式1冷板溫度比方式2溫度高1.5 ℃左右。這樣會(huì)使得在充冷過(guò)程中，冷板頂置的方式將耗費(fèi)更多的電量以及更多的時(shí)間，在節(jié)能與效率方面也不如部分頂置部分側(cè)置的方式。

圖8 2種方式冷板溫度變化曲線

4 結(jié) 論

1）對(duì)2種方式的空載冷板冷藏車(chē)內(nèi)的溫度場(chǎng)模擬10 h后的結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬和實(shí)測(cè)溫度的平均誤差為0.9 ℃，絕對(duì)誤差在2.5 ℃以內(nèi)，模擬值與實(shí)測(cè)值偏差不大，說(shuō)明所建立的模型可以用于模擬冷板冷藏車(chē)廂體內(nèi)的溫度場(chǎng)。

2）冷板部分頂置部分側(cè)置的冷板布置方式更利于車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)的溫度均勻分布，保溫時(shí)間也更長(zhǎng)，而且車(chē)輛重心要較全部頂置時(shí)更低，故冷板布置應(yīng)優(yōu)先選擇部分側(cè)置部分頂置的方式。

3）測(cè)試結(jié)束時(shí)冷板頂置的冷板溫度要比部分頂置部分側(cè)置時(shí)溫度高1.5 ℃左右。這樣會(huì)使得在充冷過(guò)程中，冷板頂置的方式將耗費(fèi)更多的電量以及更多的時(shí)間，在節(jié)能與效率方面也不如部分頂置部分側(cè)置的方式。

4）對(duì)于冷板冷藏車(chē)而言，僅靠溫差產(chǎn)生的自然對(duì)流難以形成均勻的溫度場(chǎng)及流場(chǎng)，建議采用合理的送風(fēng)形式，增強(qiáng)空氣對(duì)流，從而達(dá)到提高冷板冷藏車(chē)?yán)洳匦实哪康摹?/p>

5）本文中數(shù)值模擬的是非穩(wěn)態(tài)情況下冷板冷藏車(chē)廂內(nèi)溫度分布情況，冷藏車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中外界熱環(huán)境包括空氣溫度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速等影響參數(shù)是不斷變化的，因此為得到更為精確的數(shù)值模擬結(jié)果，應(yīng)當(dāng)綜合考慮上述因素的影響。此外，冷藏車(chē)自身的漏氣、漏熱等因素一定程度影響了空氣與冷板的換熱，還需進(jìn)行載貨試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證冷板冷藏車(chē)廂的蓄冷性能。

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Xie Ruhe,Tang Haiyang, Tao Wenbo, Liu Guanghai, Liu Kangjia, Wu Junzhang

(,,510006,)

In this paper, we studied the uniformity of temperature field distribution of different cold plate arrangement, and learned the influence of the arrangement of cold plate on the distribution uniformity of temperature field in the carriage, so as to provide basis for further research. In this paper, the unsteady numerical simulation of the temperature field in the no-load refrigerated compartment with three different cold plate arrangements ( cold plate set by top, by side,and partially by top partially by side) was carried for 10h by computing CFD (computational fluid dynamics ).It was found that the air temperature showed a rising trend from top to bottom in the height direction of the carriage. In the direction of the length of the car, the regional air temperature near the center of the car was lower. The air temperature near the wall was higher, and the temperature gradient was larger. When the cold plates were set on side, the whole compartment temperature was low after 10 hours, and the temperature of each measuring point was in the range of -9.5－-7 ℃. The temperature uniformity was good.When the cold plates were partially set by top and partially set on side, the temperatures of different measuring points were vastly different at the beginning, and the temperature difference was reduced at the end, with the final temperature of each measuring point in the range of -9－7.2 ℃. In this situation, the overall temperature and the temperature differences were slightly better than that with cold plate completely set on top. At the same time, when the cold plates were set on side, the available space of the compartment was small, and there was the risk that there might be collisions between the goods and the cold plate in the operation of the refrigerated vehicle, which might be a threat to the safe transportation of the goods. The available area of the cold plate was larger, but because the cold plates were arranged on the top of the vehicle, the Eutectic liquid will lead to the increase of the center of gravity of the vehicle, and the stability of the refrigerated vehicle in operation could be reduced. The available space and the height of the center of gravity of the compartment with cold plates partially set on top and partially set on side were between the two arrangements above. In view of the above, considering the effect of the arrangement of the cold plates on the goods, the cold plates partially set on top and partially set on side were selected as a priority. Considering the influence of the arrangement of the cold plate on the cargo, the available volume in refrigerated vehicles and the height of center of gravity of refrigerated vehicles, two kinds of cold plate refrigerated vehicles with different cold plates arrangements were prepared. At the same time, after 10 h, the deviation between the measured temperature and the simulated temperature was about 2.5 ℃, which showed that the calculation model can be used to simulate the temperature field in refrigerated compartment. The results provide a basis for improving the arrangement of the cold plate and optimizing the arrangement of the cold plate of the cold plate refrigerated vehicle.

cold storage; numerical simulation; temperature distribution; cold plate; arrangement form

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.038

U272.5

A

1002-6819(2017)-24-0290-09

2017-06-03

2017-12-11

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.2016B020205004，No.2017B090907028，No.611138153066）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃農(nóng)業(yè)領(lǐng)域項(xiàng)目（新型冷藏及保鮮運(yùn)輸技術(shù)與裝備/2013BAD19B01-1）

謝如鶴，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事冷鏈物流方面研究。Email：583385752@qq.com

謝如鶴，唐海洋，陶文博，劉廣海，劉康佳，吳俊章.基于空載溫度場(chǎng)模擬與試驗(yàn)的冷藏車(chē)?yán)浒宀贾梅绞絻?yōu)選[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(24)：290－298. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.038 http://www.tcsae.org

Xie Ruhe, Tang Haiyang, Tao Wenbo, Liu Guanghai, Liu Kangjia, Wu Junzhang. Optimization of cold-plate location in refrigerated vehicles based on simulation and test of no-load temperature field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 290－298. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.038 http://www.tcsae.org