基于COMSOL的冷板式物流箱的温度场分析

□ 李瑞阳，陈 腾，胡剑飞，蒙炜健，邹 敏

(广州城市理工学院,广东 广州 510800)

1 研究背景和意义

冷链物流的快速发展对末端配送提出了更多更高的要求。目前，我国冷链物流在末端配送上多采用的是一次性泡沫箱加内置冰袋的方式，此种方式很难在保温冷藏效果和体积轻便间取得平衡，在复杂多变的运输环境中也较容易碰撞损坏从而失去保温效果，无法保障生鲜食品的品质。损坏的泡沫因不能重复利用而被丢弃，导致白色污染的产生，带来十分严重的损失和浪费。冷板式物流箱的冷藏效果优良，可以在多场合使用，且可重复利用，能提高冷链运输过程中的保温冷藏效果。研究冷板式物流箱的温度场，对其进行各方面的优化配置，可以为冷链物流的末端配送创造更高的经济效益和社会效益。

2 模型构建及参数设定

三维模型冷板式物流箱的结构分为箱体外壳、箱盖、保温材料层、可拆卸冷板和内含物，其他结构对于COMSOL仿真没有影响或影响不大，为了简化模型，其他结果在模型中不予体现，箱体尺寸为0.4m×0.4m×0.3m，全局定义参数如表1所示，三维模型如图1所示。

图1 冷板式物流箱的三维模型

将内含物定义为薄空气电阻层；设置域探针，分别为内含物最大值、内含物最小值、内含物平均值、冰平均值，以测量相关温度；设置固体传热：冷板的域选择为流体，冷板内的蓄冷剂为冰到水的相变；设置剩余空间为等温域，塑料外壳与外界的传热为对流热通量，传热系数为5W/(m2·K)；设置内含物的材料，分别设置冷板蓄冷剂的状态为冰和水，设置保温层材料以及设置冷板外壳材料；设置环境温度为中国广州白云国际机场的气象数据，时间为2017年7月10日；设置内含物初始温度为5[degC]、冷板的初始温度为-5[degC]、塑料外壳及保温层初始温度为20[degC]；研究时间为96小时，每3个小时记录一次温度，即步长为3h，相对容差为1e-3；剖析网格为超细化，进行研究。

表1 冷板式物流箱参数

3 温度场分析

物流箱的温度场分析主要是物流箱在一定条件下的保温效果，物流箱的使用效果受到冷源、隔热材料、保温层厚度和周围环境四个要素的影响，其中冷源受到冷源初始温度和蓄冷剂影响，所以通过改变变量，得出其分别对物流箱的保温效果的影响。由于周围环境涉及的情况复杂多样，也涉及外界环境中空气对流因素对保温效果的影响，而蓄冷剂的研究涉及材料化学的内容，比较复杂，本文对物流箱的温度场研究采用控制变量的方法，分别研究在温度变化时长为96小时下：

①在隔热材料为泡沫的情况下放置1块冷板、2块冷板、3块冷板和4块冷板的物流箱温度变化情况及温度线分布；

②在放置4块冷板的情况下改变保温材料为泡沫、挤出聚苯乙烯、发泡聚氨酯和真空隔热板的物流箱温度变化情况及温度线分布，综合考虑成本、对环境的影响以及货物对保温能力的要求等因素，得出较为合理的冷源和隔热材料配置及适用情况；

③改变保温层厚度，利用COMSOL分析这个过程对保温效果的影响；

④改变冷板的初始温度，分析保温箱内部的温度影响。

通过上述研究得出的结果，用于分析物流箱在实际使用中的问题，包括物流箱的配置以及其他使用情况，理论结合实际，在物流箱的实际使用及针对具体货物的保冷预测方面有一定的意义。

3.1 冷板放置数量

条件：冷板温度为-5℃，保温材料为聚苯乙烯泡沫，保温层厚度为0.04m(定量),分别放置1、2、3和4块冷板(变量)，分析结果如图2所示。

3.2 保温层隔热材料

条件：冷板温度为-5℃，保温层厚度为0.04m，放置4块冷板(定量),保温材料分别为聚苯乙烯泡沫、挤出聚苯乙烯、聚氨酯硬泡和真空隔热板(变量)；保温材料参数如表2所示，分析结果如图3所示。

表2 保温材料参数

图2 不同数量冷板的内含物温度分布图

图3 不同保温材料的内含物温度分布图

3.3 保温层厚度

条件：冷板温度为-5℃，放置4块冷板，保温材料为聚苯乙烯泡沫(定量)，保温层厚度分别为0.02m、0.04m和0.08m(变量)，物流箱三维结构如图4所示，分析结果如图5所示。

图4 保温层不同厚度的物流箱三维结构图

图5 不同保温层厚度的内含物温度分布图

3.4 冷源初始温度

条件：放置4块冷板，保温材料为聚苯乙烯泡沫，保温层厚度为0.04m(定量)，冷板初始温度为0℃、-5℃，-10℃(变量)，分析结果如图6所示。

图6 不同冷源温度的内含物温度分布图

4 结论

本文通过在COMSOL上建立物流箱的三维模型及仿真温度场，对放置不同数量的冷板，改变保温材料、保温层的厚度及冷板的初始温度，采用控制变量的方法，来对保温箱的保温性能进行研究，将内含物的平均值作为参考，整合各个对照组的温度数据，得出以下主要结论：由图2可知，通过放置不同数量的冷板，仿真结果与理论相符，即冷板的放置数量与保温效果成正相关关系；由图3可知，通过改变保温层材料，观察内含物平均温度分布图，可以得出保温性能EPS=XPS