蓄冷式多温保温箱的模拟研究

王建军吴彦生徐笑锋

1.河南新泓光谷新能源有限公司；2.郑州市科技工业学校；3.上海海事大学蓄冷技术研究所

0 引言

蔬菜水果，肉制品，海鲜，包括疫苗等附加值较高的食品药品从生产加工到使用者往往需要很远的距离。例如，冬季在中国的北京吃到海南省的水果，需要运输约2 700km，这是我们常说的“冷链物流”。在冷链物流中，食品、药品的质量和数量将会受到损耗。一些易腐食品往往会腐败变质[1,2]。在中国，新鲜食品在运输中的损失率高达20%～25%，远远高于发达国家的运输损失率5%[3,4]。然而，我国是目前世界上最大的易腐食品生产国，冷链行业也在过去的15年为中国的经济发展带来巨大的效益。因此，建立完善的物流体系制度，精确控制运输中的温度是解决该问题的关键[5]。冷链运输主要分为航空运输与地面运输。航空运输效率高、可靠性高，但是成本较高，适合运送高附加值产品。地面运输可分为铁路运输和公路运输。铁路运输调度较复杂，公路运输以其方便快捷、灵活性高、成本低占据了大部分市场。从2010年至2015年，中国注册冷藏运输卡车从26 000辆增长至81 000辆[6]。根据制冷方式的不同，冷藏车可分为：（1）机械压缩制冷方式，采用独立或独立的蓄冷单元提供制冷量；（2）冷板型，采用相变材料储存冷能；（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对食品进行冷却；（4）LNG（液化天然气）型，以LNG为驱动燃料，回收其冷能。目前市场主要的冷藏车运输方式为机械压缩式制冷，但其存在机组维护复杂、制冷剂污染等缺点[7]。而蓄冷式冷藏运输主要是利用相变材料充冷放冷对食品药品进行保温，该方式方便灵活、精确控温，运输中无需制冷机组，蓄冷技术可以利用峰谷电价差达到提高经济性的目的。机械压缩式制冷运输，蓄冷式冷链运输与干冰式冷链运输的性能对比见表1。

许多学者进行了大量研究[8-15]，利用相变材料存储大量潜热在运输中释放。其中利用最多的蓄冷式物流运输装备为蓄冷保温箱，它具有环保密封、尺寸灵活、保温性能优良以及配载形式灵活等特点，是短途运送和保鲜果蔬的有效工具[16]。但是，目前研发的相变材料中，无机材料存在过冷、相分离等问题；有机材料存在导热系数较低等缺点[17]。避免这些缺点，合理利用相变材料是现今一个研究热点。Yoram Kozak研发一种相变材料与保温材料结合的运输装备，并对其热物性进行了分析，优化结构与尺寸[18]。Yu-Chu M制备了三种相变材料，并利用冷链运输装备分析了不同熔点对食品的影响规律[19]。Xu将纳米相变材料和真空绝热板保温技术结合，研制的冷链物流运输装备可有效保冷87h[20]。同时，我们也注意到传统的聚氨酯保温材料具有导热系数大、污染严重的缺点。新型的真空绝热板技术可大幅降低导热系数，提高保冷时间[21]。

表1 不同冷链运输方式的性能比较

蓄冷式冷链物流运输装备另一个研究方向是多温共配模式。在实际冷链物流运输中，存在很多零担物流造成资源浪费，大幅降低其经济性。为了弥补传统冷链物流不能“混装”的缺陷，多温区运输设备成为当今研究热点[22]。刘广海等[23]构建了多温区冷藏车模型，并分析了渗风对内部温度场的影响。赵秀红等[24]设计了一种机械压缩式多温区恒温箱，并利用FLUENT对其温度场进行了模拟计算。

根据不同的物流配送温区，将自主研发蓄冷材料与真空绝热板技术耦合，组成多温区冷链物流运输装备。建立三维非稳态模型，对不同区域的温度场进行分析。冷藏装备带有GPRS无线远程温度监控系统，用户可通过手机端远程实时了解运输产品的温度变化情况。利用产品供应规范验证设备（good supply practice，GSP）建立保温箱温度实验系统，验证该蓄冷保温箱的可行性。研究成果解决了零担物流与多温共配的问题，降低物流成本并精确控温，保证果蔬品质，为蓄冷保温箱的进一步优化和设计，以及蓄冷技术在果蔬冷链物流中的深入研究和应用提供参考。

1 模型的建立

1.1 模型简化及计算区域选取

本研究以三温区冷链运输装备为研究对象。外部尺寸为1 560×860×760mm，内部尺寸为1 450×750×650mm，储存容积为680L。维护结构的保温材料主要为聚氨酯和真空绝热板。设3个温区，不同温区之间用厚度为30mm的真空绝热板隔开，真空绝热板与滑槽之间设有滚轮，实现不同温区的空间大小自由变换。温区1为常温区，用于运输不需要冷藏的干燥食品；温区2的冷藏温度为7℃～10℃，可用于冷藏苦瓜、冬瓜、南瓜、山药等蔬菜；温区3的冷藏温度为-3℃～-1℃，可用于冷藏菠菜、芹菜、苹果、椰子等果蔬。为实现各温区保持不同的温度，温区1不放相变材料，为常温区；温区2采用正辛酸-肉豆蔻酸复合相变材料，相变温度为7.1℃；温区3采用山梨酸钾-水复合相变材料，相变温度为-2.5℃。蓄冷材料填充在蓄冷板内部，蓄冷板安装于温区2、3壁（保温箱盖除外）。为简化研究，计算区域中的保温材料物性均匀，通过聚氨酯和真空绝热板物性和尺寸求得。蓄冷材料均匀地附着在温区2、温区3的前、后、左、右、下的表面上，计算几何模型及计算区域如图1所示。

图1 计算几何模型及区域

温区1无蓄冷材料；温区2采用正辛酸-肉豆蔻酸复合相变材料，充注量为13.8kg；温区3采用山梨酸钾-水复合相变材料，充注量为12.1kg。各材料物性见表2。

表2 材料的物理性能

1.2 数学模型

假设条件：

1）空气、蓄冷材料和保温材料各向同性；

2）空气及蓄冷材料满足Boussinesq假设；

3）不考虑接触热阻；

4）蓄冷材料熔化过程发生在一个温度区间内，在固液共存区的物性为温度的线性函数；

控制方程及边界条件

控制方程如下：

在计算中，当t=0s时，保温箱外壁温度为25℃，保温箱内空气温度为25℃，正辛酸-肉豆蔻酸复合相变材料温度为-20℃；山梨酸钾-水复合相变材料温度为-20℃。

1.3 计算方法及网格无关性考察

通过Ansys自带前处理软件ICEM构建结构化网格。为得到与网格独立性无关的解，分别采用35万、50万和55万三种网格尺寸仿真，结果表明50万和55万两种网格划分方法的仿真中，蓄冷材料开始熔化时间基本不变，综合考虑计算成本和计算精度，模型采用50万网格进行计算。当时间步长为2s时，数值模拟结果与实验结果吻合较好。

仿真使用Solidification&Melting模型，压力和速度耦合采用SIMPLEC算法进行求解。求解为非稳态过程,当单位时间步长迭代的残差小于1.0E-04认为模型收敛。

2 结果与分析

2.1 相变材料融化分析

相变材料液相质量分数变化如图2所示，温度变化如图3所示。相变材料2由于相变温度较低，在40分钟开始融化，但此时温度为267K并未达到相变温度。因为模型设置采集单位体积平均温度，部分靠近空气侧相变材料可能首先融化。从分子晶体动力学角度看，一部分晶核首先破裂，带动相变材料进行融化。相变材料1在80min左右开始融化，此刻相变材料温度为278K。达到相变温度后，相变材料匀速融化，液相质量分数呈现与时间的线性关系。在11h左右，相变材料2的融化速率超过相变材料1的融化速率。从传热学角度分析，相变材料2相变温度较低，与空气温差较大，融化速率前期较快。11h后相变材料1融化80%左右，由于潜热较小，融化速度加快。分别在14.53h与15.4h左右，相变材料完全融化并释放潜热开始升温。相变材料潜热供冷阶段结束。

图2 液相质量分数变化

图3 相变材料温度变化

2.2 箱内速度与温度场分布

保温箱不同温度区间温度变化如图4所示。明显发现由于真空绝热板导热系数较低，相变材料显热释放后，箱体内空气温度迅速下降至相变温度以下。但是在运输过程中要避免此类状况出现，因为温度的不稳定与浮动会造成食品药品的冻伤与变质。T1为常温区，未布置相变材料。但是由于温区二的相变材料释冷热传导，温度有所下降。常温区温度下降至287K左右开始升温，后稳定在291K左右，仍低于室温298K。T2为中温区，布置相变材料1，经过初期波动后温度稳定在相变温度280K左右。T3为低温区，布置相变材料2，经过初期波动后温度稳定在相变温度270K左右。相变材料分别在14.5h与15.4h完全融化，但是箱内温度并未上升。中温区有效保冷15h左右，低温区有效保冷16h左右。这是由于相变材料显热释放，维持30min左右箱内温度恒定。

图4箱体内温度变化图

图5 和图6展示了箱体内部在相变材料开始融化时的速度云图和温度云图。图中从左至右依次是常温区、中温区和低温区。从图中可以明显看到，常温区由于中温区传递冷量，并未布置蓄冷材料，空气流动较弱，没有涡旋。而中温区和低温区明显存在涡旋，底部空气自然对流十分明显。根据传热学与流体力学分析，涡旋的存在能够增加流体流动的紊乱程度，故当蓄冷材料温度较低时空气的分散程度较高。模型采取自然对流，而底部出现明显空气流速，是因为温差导致空气流动。低温区空气流动活跃，温度场分布最为均匀。各温区顶部温度最高，这是由于冷量下降并且顶部未布置冷板的缘故。在实际应用中必须避免上部的食品药品因为温度不均匀而变质。减少开门次数，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。

图5 箱体内部速度云图

图6 箱体内部温度云图

不同温区隔板处可以明显看到温度较低，证明不同温区有传热现象。保温材料的温度云图如图7所示。从左至右依次为常温区，中温区和低温区。可以明显看到保温材料与隔板的温度变化。最左侧隔板由于无蓄冷材料，与室温保持一致。中间隔板由于蓄冷材料冷量传递有明显降温。特别是中温区与低温区隔板温度达到了258K，与相变材料开始融化时的温度一致。在实际应用中，保温材料的耐低温性能也需重点关注。

图7 保温材料温度云图

3 结论

将真空绝热板技术与蓄冷技术结合，首次设计一种蓄冷式多温区冷链运输装备。通过建立三维三温区保温箱模型，模拟研究了在使用不同蓄冷材料的情况下，各温区的温度分布和蓄冷板释冷过程，得出以下结论：

1）数值仿真结果较好，温度误差不超过1℃，两种蓄冷材料的完全熔化时间误差不超过20min。

2）在温区一无蓄冷板，温区二正辛酸-肉豆蔻酸复合相变材料相变温度为7.1℃，温区三山梨酸钾-水复合相变材料相变温度为-2.5℃时，在稳定状态下，温区一的温度为9℃，温区二的温度为3℃，温区三的温度为-1℃。

3）在温区二正辛酸-肉豆蔻酸复合相变材料充注量为13.8kg，温区三山梨酸钾-水复合相变材料充注量为12.1kg时，各温区可保存15h低温状态。