蓄冷式多溫保溫箱的模擬研究

王建軍吳彥生徐笑鋒

1.河南新泓光谷新能源有限公司；2.鄭州市科技工業(yè)學校；3.上海海事大學蓄冷技術研究所

0 引言

蔬菜水果，肉制品，海鮮，包括疫苗等附加值較高的食品藥品從生產(chǎn)加工到使用者往往需要很遠的距離。例如，冬季在中國的北京吃到海南省的水果，需要運輸約2 700km，這是我們常說的“冷鏈物流”。在冷鏈物流中，食品、藥品的質(zhì)量和數(shù)量將會受到損耗。一些易腐食品往往會腐敗變質(zhì)[1,2]。在中國，新鮮食品在運輸中的損失率高達20%～25%，遠遠高于發(fā)達國家的運輸損失率5%[3,4]。然而，我國是目前世界上最大的易腐食品生產(chǎn)國，冷鏈行業(yè)也在過去的15年為中國的經(jīng)濟發(fā)展帶來巨大的效益。因此，建立完善的物流體系制度，精確控制運輸中的溫度是解決該問題的關鍵[5]。冷鏈運輸主要分為航空運輸與地面運輸。航空運輸效率高、可靠性高，但是成本較高，適合運送高附加值產(chǎn)品。地面運輸可分為鐵路運輸和公路運輸。鐵路運輸調(diào)度較復雜，公路運輸以其方便快捷、靈活性高、成本低占據(jù)了大部分市場。從2010年至2015年，中國注冊冷藏運輸卡車從26 000輛增長至81 000輛[6]。根據(jù)制冷方式的不同，冷藏車可分為：（1）機械壓縮制冷方式，采用獨立或獨立的蓄冷單元提供制冷量；（2）冷板型，采用相變材料儲存冷能；（3）液氮源型或者干冰型，利用液氮源型或者干冰的汽化作用對食品進行冷卻；（4）LNG（液化天然氣）型，以LNG為驅(qū)動燃料，回收其冷能。目前市場主要的冷藏車運輸方式為機械壓縮式制冷，但其存在機組維護復雜、制冷劑污染等缺點[7]。而蓄冷式冷藏運輸主要是利用相變材料充冷放冷對食品藥品進行保溫，該方式方便靈活、精確控溫，運輸中無需制冷機組，蓄冷技術可以利用峰谷電價差達到提高經(jīng)濟性的目的。機械壓縮式制冷運輸，蓄冷式冷鏈運輸與干冰式冷鏈運輸?shù)男阅軐Ρ纫姳?。

許多學者進行了大量研究[8-15]，利用相變材料存儲大量潛熱在運輸中釋放。其中利用最多的蓄冷式物流運輸裝備為蓄冷保溫箱，它具有環(huán)保密封、尺寸靈活、保溫性能優(yōu)良以及配載形式靈活等特點，是短途運送和保鮮果蔬的有效工具[16]。但是，目前研發(fā)的相變材料中，無機材料存在過冷、相分離等問題；有機材料存在導熱系數(shù)較低等缺點[17]。避免這些缺點，合理利用相變材料是現(xiàn)今一個研究熱點。Yoram Kozak研發(fā)一種相變材料與保溫材料結(jié)合的運輸裝備，并對其熱物性進行了分析，優(yōu)化結(jié)構與尺寸[18]。Yu-Chu M制備了三種相變材料，并利用冷鏈運輸裝備分析了不同熔點對食品的影響規(guī)律[19]。Xu將納米相變材料和真空絕熱板保溫技術結(jié)合，研制的冷鏈物流運輸裝備可有效保冷87h[20]。同時，我們也注意到傳統(tǒng)的聚氨酯保溫材料具有導熱系數(shù)大、污染嚴重的缺點。新型的真空絕熱板技術可大幅降低導熱系數(shù)，提高保冷時間[21]。

表1 不同冷鏈運輸方式的性能比較

蓄冷式冷鏈物流運輸裝備另一個研究方向是多溫共配模式。在實際冷鏈物流運輸中，存在很多零擔物流造成資源浪費，大幅降低其經(jīng)濟性。為了彌補傳統(tǒng)冷鏈物流不能“混裝”的缺陷，多溫區(qū)運輸設備成為當今研究熱點[22]。劉廣海等[23]構建了多溫區(qū)冷藏車模型，并分析了滲風對內(nèi)部溫度場的影響。趙秀紅等[24]設計了一種機械壓縮式多溫區(qū)恒溫箱，并利用FLUENT對其溫度場進行了模擬計算。

根據(jù)不同的物流配送溫區(qū)，將自主研發(fā)蓄冷材料與真空絕熱板技術耦合，組成多溫區(qū)冷鏈物流運輸裝備。建立三維非穩(wěn)態(tài)模型，對不同區(qū)域的溫度場進行分析。冷藏裝備帶有GPRS無線遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可通過手機端遠程實時了解運輸產(chǎn)品的溫度變化情況。利用產(chǎn)品供應規(guī)范驗證設備（good supply practice，GSP）建立保溫箱溫度實驗系統(tǒng)，驗證該蓄冷保溫箱的可行性。研究成果解決了零擔物流與多溫共配的問題，降低物流成本并精確控溫，保證果蔬品質(zhì)，為蓄冷保溫箱的進一步優(yōu)化和設計，以及蓄冷技術在果蔬冷鏈物流中的深入研究和應用提供參考。

1 模型的建立

1.1 模型簡化及計算區(qū)域選取

本研究以三溫區(qū)冷鏈運輸裝備為研究對象。外部尺寸為1 560×860×760mm，內(nèi)部尺寸為1 450×750×650mm，儲存容積為680L。維護結(jié)構的保溫材料主要為聚氨酯和真空絕熱板。設3個溫區(qū)，不同溫區(qū)之間用厚度為30mm的真空絕熱板隔開，真空絕熱板與滑槽之間設有滾輪，實現(xiàn)不同溫區(qū)的空間大小自由變換。溫區(qū)1為常溫區(qū)，用于運輸不需要冷藏的干燥食品；溫區(qū)2的冷藏溫度為7℃～10℃，可用于冷藏苦瓜、冬瓜、南瓜、山藥等蔬菜；溫區(qū)3的冷藏溫度為-3℃～-1℃，可用于冷藏菠菜、芹菜、蘋果、椰子等果蔬。為實現(xiàn)各溫區(qū)保持不同的溫度，溫區(qū)1不放相變材料，為常溫區(qū)；溫區(qū)2采用正辛酸-肉豆蔻酸復合相變材料，相變溫度為7.1℃；溫區(qū)3采用山梨酸鉀-水復合相變材料，相變溫度為-2.5℃。蓄冷材料填充在蓄冷板內(nèi)部，蓄冷板安裝于溫區(qū)2、3壁（保溫箱蓋除外）。為簡化研究，計算區(qū)域中的保溫材料物性均勻，通過聚氨酯和真空絕熱板物性和尺寸求得。蓄冷材料均勻地附著在溫區(qū)2、溫區(qū)3的前、后、左、右、下的表面上，計算幾何模型及計算區(qū)域如圖1所示。

圖1 計算幾何模型及區(qū)域

溫區(qū)1無蓄冷材料；溫區(qū)2采用正辛酸-肉豆蔻酸復合相變材料，充注量為13.8kg；溫區(qū)3采用山梨酸鉀-水復合相變材料，充注量為12.1kg。各材料物性見表2。

表2 材料的物理性能

1.2 數(shù)學模型

假設條件：

1）空氣、蓄冷材料和保溫材料各向同性；

2）空氣及蓄冷材料滿足Boussinesq假設；

3）不考慮接觸熱阻；

4）蓄冷材料熔化過程發(fā)生在一個溫度區(qū)間內(nèi)，在固液共存區(qū)的物性為溫度的線性函數(shù)；

控制方程及邊界條件

控制方程如下：

在計算中，當t=0s時，保溫箱外壁溫度為25℃，保溫箱內(nèi)空氣溫度為25℃，正辛酸-肉豆蔻酸復合相變材料溫度為-20℃；山梨酸鉀-水復合相變材料溫度為-20℃。

1.3 計算方法及網(wǎng)格無關性考察

通過Ansys自帶前處理軟件ICEM構建結(jié)構化網(wǎng)格。為得到與網(wǎng)格獨立性無關的解，分別采用35萬、50萬和55萬三種網(wǎng)格尺寸仿真，結(jié)果表明50萬和55萬兩種網(wǎng)格劃分方法的仿真中，蓄冷材料開始熔化時間基本不變，綜合考慮計算成本和計算精度，模型采用50萬網(wǎng)格進行計算。當時間步長為2s時，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。

仿真使用Solidification&Melting模型，壓力和速度耦合采用SIMPLEC算法進行求解。求解為非穩(wěn)態(tài)過程,當單位時間步長迭代的殘差小于1.0E-04認為模型收斂。

2 結(jié)果與分析

2.1 相變材料融化分析

相變材料液相質(zhì)量分數(shù)變化如圖2所示，溫度變化如圖3所示。相變材料2由于相變溫度較低，在40分鐘開始融化，但此時溫度為267K并未達到相變溫度。因為模型設置采集單位體積平均溫度，部分靠近空氣側(cè)相變材料可能首先融化。從分子晶體動力學角度看，一部分晶核首先破裂，帶動相變材料進行融化。相變材料1在80min左右開始融化，此刻相變材料溫度為278K。達到相變溫度后，相變材料勻速融化，液相質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)與時間的線性關系。在11h左右，相變材料2的融化速率超過相變材料1的融化速率。從傳熱學角度分析，相變材料2相變溫度較低，與空氣溫差較大，融化速率前期較快。11h后相變材料1融化80%左右，由于潛熱較小，融化速度加快。分別在14.53h與15.4h左右，相變材料完全融化并釋放潛熱開始升溫。相變材料潛熱供冷階段結(jié)束。

圖2 液相質(zhì)量分數(shù)變化

圖3 相變材料溫度變化

2.2 箱內(nèi)速度與溫度場分布

保溫箱不同溫度區(qū)間溫度變化如圖4所示。明顯發(fā)現(xiàn)由于真空絕熱板導熱系數(shù)較低，相變材料顯熱釋放后，箱體內(nèi)空氣溫度迅速下降至相變溫度以下。但是在運輸過程中要避免此類狀況出現(xiàn)，因為溫度的不穩(wěn)定與浮動會造成食品藥品的凍傷與變質(zhì)。T1為常溫區(qū)，未布置相變材料。但是由于溫區(qū)二的相變材料釋冷熱傳導，溫度有所下降。常溫區(qū)溫度下降至287K左右開始升溫，后穩(wěn)定在291K左右，仍低于室溫298K。T2為中溫區(qū)，布置相變材料1，經(jīng)過初期波動后溫度穩(wěn)定在相變溫度280K左右。T3為低溫區(qū)，布置相變材料2，經(jīng)過初期波動后溫度穩(wěn)定在相變溫度270K左右。相變材料分別在14.5h與15.4h完全融化，但是箱內(nèi)溫度并未上升。中溫區(qū)有效保冷15h左右，低溫區(qū)有效保冷16h左右。這是由于相變材料顯熱釋放，維持30min左右箱內(nèi)溫度恒定。

圖4箱體內(nèi)溫度變化圖

圖5 和圖6展示了箱體內(nèi)部在相變材料開始融化時的速度云圖和溫度云圖。圖中從左至右依次是常溫區(qū)、中溫區(qū)和低溫區(qū)。從圖中可以明顯看到，常溫區(qū)由于中溫區(qū)傳遞冷量，并未布置蓄冷材料，空氣流動較弱，沒有渦旋。而中溫區(qū)和低溫區(qū)明顯存在渦旋，底部空氣自然對流十分明顯。根據(jù)傳熱學與流體力學分析，渦旋的存在能夠增加流體流動的紊亂程度，故當蓄冷材料溫度較低時空氣的分散程度較高。模型采取自然對流，而底部出現(xiàn)明顯空氣流速，是因為溫差導致空氣流動。低溫區(qū)空氣流動活躍，溫度場分布最為均勻。各溫區(qū)頂部溫度最高，這是由于冷量下降并且頂部未布置冷板的緣故。在實際應用中必須避免上部的食品藥品因為溫度不均勻而變質(zhì)。減少開門次數(shù)，在上部布置冷板并加大蓄冷材料的用量是有效可行的方法。

圖5 箱體內(nèi)部速度云圖

圖6 箱體內(nèi)部溫度云圖

不同溫區(qū)隔板處可以明顯看到溫度較低，證明不同溫區(qū)有傳熱現(xiàn)象。保溫材料的溫度云圖如圖7所示。從左至右依次為常溫區(qū)，中溫區(qū)和低溫區(qū)。可以明顯看到保溫材料與隔板的溫度變化。最左側(cè)隔板由于無蓄冷材料，與室溫保持一致。中間隔板由于蓄冷材料冷量傳遞有明顯降溫。特別是中溫區(qū)與低溫區(qū)隔板溫度達到了258K，與相變材料開始融化時的溫度一致。在實際應用中，保溫材料的耐低溫性能也需重點關注。

圖7 保溫材料溫度云圖

3 結(jié)論

將真空絕熱板技術與蓄冷技術結(jié)合，首次設計一種蓄冷式多溫區(qū)冷鏈運輸裝備。通過建立三維三溫區(qū)保溫箱模型，模擬研究了在使用不同蓄冷材料的情況下，各溫區(qū)的溫度分布和蓄冷板釋冷過程，得出以下結(jié)論：

1）數(shù)值仿真結(jié)果較好，溫度誤差不超過1℃，兩種蓄冷材料的完全熔化時間誤差不超過20min。

2）在溫區(qū)一無蓄冷板，溫區(qū)二正辛酸-肉豆蔻酸復合相變材料相變溫度為7.1℃，溫區(qū)三山梨酸鉀-水復合相變材料相變溫度為-2.5℃時，在穩(wěn)定狀態(tài)下，溫區(qū)一的溫度為9℃，溫區(qū)二的溫度為3℃，溫區(qū)三的溫度為-1℃。

3）在溫區(qū)二正辛酸-肉豆蔻酸復合相變材料充注量為13.8kg，溫區(qū)三山梨酸鉀-水復合相變材料充注量為12.1kg時，各溫區(qū)可保存15h低溫狀態(tài)。