蓄冷保溫箱漏熱性能實(shí)驗(yàn)研究

陳若峰， 章學(xué)來(lái)（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海200135）

蓄冷保溫箱漏熱性能實(shí)驗(yàn)研究

陳若峰， 章學(xué)來(lái)
（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海200135）

本文對(duì)現(xiàn)有的兩個(gè)保溫層分別為真空絕熱板和聚氨酯的蓄冷保溫箱進(jìn)行漏熱測(cè)試，根據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算真空絕熱板和聚氨酯用于蓄冷保溫箱的漏熱率，為之后對(duì)帶真空絕熱板的蓄冷保溫箱的實(shí)際保溫性能展開實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

蓄冷保溫箱； 真空絕熱板； 漏熱測(cè)試

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.012

0　引言

傳統(tǒng)的蓄冷保溫箱多采用聚氨酯作為隔熱保溫材料［1］，而性能更好、技術(shù)日趨成熟的真空絕熱板雖在冰箱上有所應(yīng)用［2］，但目前看來(lái)，將真空絕熱板用在蓄冷保溫箱上的研究尚不多見。本文通過(guò)對(duì)兩臺(tái)尺寸相同、分別采用聚氨酯和真空絕熱板作為保溫材料的蓄冷保溫箱進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，確定二者的漏熱系數(shù)，以對(duì)箱體結(jié)構(gòu)和保溫材料的絕熱保溫性能進(jìn)行研究分析。箱體保溫性能越好，則因箱體傳熱造成的冷量損失越少，保溫箱在要求的溫度范圍內(nèi)可維持更長(zhǎng)的時(shí)間，保證貨物的品質(zhì)。

目前我國(guó)尚無(wú)對(duì)蓄冷型保溫箱正式的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)規(guī)范只有《藥品冷鏈保溫箱通用規(guī)范》尚在制定中，故本實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法參考GB/T 7392-1998中對(duì)保溫集裝箱的漏熱試驗(yàn)方法。

1　實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

1.1蓄冷保溫箱

本試驗(yàn)共制作兩個(gè)相同尺寸的保溫箱，一臺(tái)以真空絕熱板與聚氨酯發(fā)泡結(jié)合作為保溫層，另一臺(tái)全部以聚氨酯發(fā)泡作為保溫層用于對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

參考市場(chǎng)上已有的保溫箱規(guī)格，并結(jié)合市場(chǎng)上現(xiàn)有的蓄冷板尺寸，保溫箱外尺寸定為860×760×1560mm（不包含底部滾輪高度），內(nèi)尺寸為750×650× 1450mm，壁厚55mm，使用2.5mm厚鍍鋅板作為箱體外殼；全部以聚氨酯為保溫層的保溫箱聚氨酯厚度為50mm，有真空絕熱板的保溫箱真空絕熱板厚35mm，聚氨酯厚15mm；箱體六個(gè)面的真空絕熱板尺寸分別是720×580mm、720×1420mm、580×1420mm，導(dǎo)熱系數(shù)約0.004W/m·K，密度約300kg/m3，因有研究表明真空絕熱板靠高溫側(cè)放置效果更好［3］，故真空絕熱板靠外側(cè)放置。箱體成品如圖1所示。

圖1　箱體外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2恒溫室

按照要求［4］，漏熱實(shí)驗(yàn)須在可控環(huán)境下進(jìn)行，故本實(shí)驗(yàn)將把兩個(gè)保溫箱放入實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的恒溫室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該恒溫室是由一臺(tái)三工況風(fēng)冷熱泵主機(jī)和一套內(nèi)融冰式蓄冰裝置聯(lián)合帶動(dòng)乙二醇做一次側(cè)循環(huán)、與水換熱做二次側(cè)循環(huán)進(jìn)入空氣處理機(jī)組對(duì)恒溫室控溫的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)獨(dú)立供冷供暖，蓄冰槽獨(dú)立供冷以及主機(jī)與蓄冰槽聯(lián)合供冷，恒溫室溫控范圍為-25～55℃。為保證室內(nèi)溫度分布均勻、不產(chǎn)生回旋氣流，恒溫室內(nèi)采用全面孔板單向流的方式進(jìn)行送風(fēng)。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)需求，使用主機(jī)獨(dú)立供暖模式。

1.3測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)部加熱法，即建立起一個(gè)熱平衡狀態(tài)，置加熱器于箱內(nèi)，使其本身和所配風(fēng)扇的功率與通過(guò)箱體隔熱層所漏出的熱量達(dá)到平衡。

保溫箱的漏熱以總漏熱率來(lái)表示，由下式算出：

式中 Uθ—總漏熱率，W/K；

Q—箱內(nèi)加熱器和風(fēng)扇所耗功率之和，W；

θi—箱內(nèi)平均溫度，K；

θe—箱外平局溫度，K；

θ—平均壁面溫度，K，通常：

θi、θe為每個(gè)測(cè)試記錄間隔末了測(cè)得的各個(gè)溫度測(cè)值的算術(shù)平均值，箱內(nèi)外測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，分上中下三層布置，每層4個(gè)，編號(hào)h1-h4、m1-m4、l1-l4。

圖2　箱內(nèi)外測(cè)點(diǎn)布置

保溫集裝箱漏熱試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，應(yīng)連續(xù)進(jìn)行8h以上的試驗(yàn)中測(cè)得，這時(shí)的試驗(yàn)條件應(yīng)滿足：

1）箱體平均壁面溫度介于293～315K，箱內(nèi)、外溫差還應(yīng)不少于20K；

2）在任一時(shí)間內(nèi)，箱內(nèi)最熱和最冷點(diǎn)的最大溫差可為3K；

3）在任一時(shí)間內(nèi)，箱外最熱和最冷點(diǎn)的最大溫差可為3 K；

4）任意兩次箱內(nèi)平均溫度的最大差值可為1.5K；

5）任意兩次箱外平均溫度的最大差值可為1.5K；

6）最高和最低功率的最大差值不應(yīng)超過(guò)最低功率的3%。

漏熱率U應(yīng)從進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，持續(xù)時(shí)間不少于8h中所測(cè)得的17次或更多次的測(cè)值按下式算出：

1.4測(cè)試步驟

1）關(guān)閉保溫箱和恒溫室的門；

2）開啟三工況主機(jī)、一次側(cè)、二次側(cè)循環(huán)泵、空氣處理機(jī)組，設(shè)定恒溫室溫度；

3）開啟保溫箱內(nèi)集熱器和風(fēng)扇，設(shè)定箱內(nèi)溫度；

4）開始記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

5）從工況穩(wěn)定后開始維持至少8h；

6）根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)算出漏熱率。

用4個(gè)120W的帶鋁合金散熱板加熱器和一臺(tái)40W的風(fēng)扇作為內(nèi)熱源；兩臺(tái)保溫箱按先后次序分兩天進(jìn)行測(cè)試環(huán)境溫度約6℃，先測(cè)試帶真空絕熱板的保溫箱，恒溫室溫度設(shè)定為10℃，箱內(nèi)控制溫度設(shè)定值為40℃，測(cè)試時(shí)間從10：00～18：30，約10：31開始進(jìn)入穩(wěn)定工況；后測(cè)試全聚氨酯保溫箱，環(huán)境溫度不變，箱內(nèi)控制溫度設(shè)定為35℃，測(cè)試時(shí)間從9：30～18：00，約9：37開始進(jìn)入穩(wěn)定工況。

1.5測(cè)得數(shù)據(jù)

通過(guò)觀察功率表，發(fā)現(xiàn)帶真空絕熱板的保溫箱內(nèi)的加熱器在達(dá)到穩(wěn)定工況后約每19分鐘啟動(dòng)一次，全聚氨酯保溫箱內(nèi)的加熱器在達(dá)到穩(wěn)定工況后約每9分鐘啟動(dòng)一次，故在達(dá)到穩(wěn)定工況后分別間隔19和18分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，見表1、表2。

由表1、表2可計(jì)算出，帶真空絕熱板的保溫箱漏熱率UVIP=17.83W/K，全聚氨酯保溫箱漏熱率UPU=20.91W/K。

箱體的整體傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中 K—保溫箱整體傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

表1　帶真空板保溫箱漏熱測(cè)試數(shù)據(jù)

表2　全聚氨酯保溫箱漏熱測(cè)試數(shù)據(jù)

λ—箱體尾部結(jié)構(gòu)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)［6］，W（/m·K）；

δ—箱體圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度，m。

由此可得箱體的整體傳熱系數(shù)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)：kVIP=3.15W/（m2·K），kPU=3.69W/（m2·K），λVIP=0.173W（/m·K），λPU=0.203W（/m·K）。

2　數(shù)據(jù)分析

由圖3、圖4可以看到，進(jìn)入穩(wěn)定工況后，兩個(gè)保溫箱的箱內(nèi)溫度都呈周期性波動(dòng)，在一個(gè)升降溫周期內(nèi)，溫度先快速上升至設(shè)定溫度以上，之后緩慢下降至設(shè)定溫度以下，這主要是因?yàn)樯郎亻_始后箱內(nèi)電加熱器即滿負(fù)荷工作，到達(dá)設(shè)定溫度后電加熱器雖然停止工作，但仍在散發(fā)熱量，使得箱內(nèi)溫度繼續(xù)升高，約升至設(shè)定溫度以上1～2℃后才降溫，待降到設(shè)定溫度之下電波動(dòng)，原因與之前箱內(nèi)墊加熱溫度波動(dòng)相似，這說(shuō)明恒溫室的溫度控制能力還有待加強(qiáng)。

根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，計(jì)算得出了兩臺(tái)蓄冷保溫箱的漏熱率，如圖7所示。通過(guò)比較可以明顯看出，保溫層含真空絕熱板的蓄冷保溫箱具有更低的漏熱率。

要進(jìn)一步減小漏熱可以從以下兩方面著手：

（1）由于為了避免不慎破壞真空絕熱板，保溫箱在制作時(shí)并未開測(cè)試孔，所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通入箱體內(nèi)部的測(cè)溫探頭、電加熱器的線纜均直接由保溫箱門接入，這會(huì)導(dǎo)致保溫箱密封不嚴(yán)，造成額外的漏熱。在之后的測(cè)試中，應(yīng)采取措施避免因測(cè)試方法導(dǎo)致的漏熱，若要開測(cè)試孔應(yīng)注意選擇箱體未覆蓋真空絕熱板的部位，并用密封膠妥善密封孔口，避免漏熱。

（2）箱門使用的是普通的橡膠圈進(jìn)行密封，效果有限，若采用冰箱用磁性門封條應(yīng)可進(jìn)一步減小漏熱，提升保溫效果。加熱器重新開始工作，如此反復(fù)運(yùn)行既導(dǎo)致了箱內(nèi)溫度的波動(dòng)，根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)，波動(dòng)范圍基本都保持在GB所要求的3K范圍之內(nèi)，但帶有真空絕熱板的保溫箱在相對(duì)更大的溫差下降溫速率仍低于全聚氨酯保溫箱，表明前者的保溫性能要明顯優(yōu)于后者。

由圖5、圖6可以看出，本實(shí)驗(yàn)中恒溫室的溫度波動(dòng)雖基本滿足GB所要求的不大于3K，但仍存在較大的

圖3　帶真空板的保溫箱到達(dá)穩(wěn)定工況后箱內(nèi)溫度曲線

圖4　全聚氨酯保溫箱到達(dá)穩(wěn)定工況后箱內(nèi)溫度曲線

圖5　帶真空板的保溫箱到達(dá)穩(wěn)定工況后箱外溫度曲線

圖6　全聚氨酯保溫箱到達(dá)穩(wěn)定工況后箱外溫度曲線

圖7　兩個(gè)保溫箱漏熱率比較

3　結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)在參考GB的測(cè)試要求和方法下，測(cè)得的數(shù)據(jù)基本符合GB要求，最后得出了兩臺(tái)采用不同保溫層的蓄冷保溫箱的漏熱率，通過(guò)比較可知，相比于聚氨酯，真空絕熱板在蓄冷保溫箱上可以起到更好的保溫效果，對(duì)接下來(lái)蓄冷保溫箱的性能測(cè)試提供了依據(jù)。

另外，本次試驗(yàn)中也存在了一些問(wèn)題，需要在將來(lái)的實(shí)驗(yàn)中注意：

（1）本次試驗(yàn)參照的是保溫集裝箱的國(guó)家規(guī)范，對(duì)于蓄冷保溫箱不完全適用，實(shí)際使用效果有待接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

（2）恒溫室的溫度控制不夠精準(zhǔn)，有較明顯的溫度波動(dòng)，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差，在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)調(diào)整好恒溫室的溫控功能，減小溫度波動(dòng)。

［1］陳海洋，張建一.蓄冷型運(yùn)輸保溫箱在冷鏈中的應(yīng)用［J］.冷藏技術(shù)，2010，（03）：12～16.

［2］崔金菊.真空絕熱冰箱的性能及實(shí)驗(yàn)研究［D］.北京工業(yè)大學(xué).2013.

［3］闞安康，康麗云，水超，等.大溫差下真空絕熱板復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能數(shù)值分析［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（2）：68～73.

［4］GB/T7392-1998.中華人民共和國(guó)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］操雙五.冷藏集裝箱熱工性能理論與實(shí)驗(yàn)研究［D］.上海海事大學(xué). 2002.

［6］孫永才.冷藏車熱工性能分析及其真空隔熱材料研制［D］.廣州大學(xué). 2011.

Experimental Research of Heat Loss on a Cold Storage Transportation Container

CHEN Ruo-feng， ZHANG Xue-lai
（College of Merchant Marine，Shanghai Maritime University，Shanghai 200135，China）

Heat loss experiment is performed on two cold storage transportation containers.Vacuum insulation panel （VIP）is applied in one of the container as insulation while the other use polyurethane.According to the result of the comparative test of the two container，calculation of the heat loss on these two container is performed.Foundation is built for further performance experiments of the cold storage transportation container with VIP.

cold storage container； vacuum insulation panel； heat loss

TK124

B

2095-3429（2015）02-0043-05

陳若峰（1989-），男，江西南昌人，在讀研究生，主要從事制冷與空調(diào)、相變蓄冷材料方面研究；

章學(xué)來(lái)（1964-），男，上海人，教授，主要從事輪機(jī)工程、制冷與低溫工程等方面研究。

2015-03-26

2015-04-27