冷鏈蓄冷保溫箱性能優化數值模擬研究

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(哈爾濱商業大學 能源與建筑工程學院,黑龍江 哈爾濱 150028)

隨著我國經濟的崛起，冷鏈物流行業的蓬勃發展，對性能優異的蓄冷保溫箱的研制也提出更高的要求[1-2]。蓄冷保溫箱通過相變材料[3]儲存冷量，可以較好的適用于中短途冷鏈運輸[4]。現在對蓄冷保溫箱的研究已有很多[5-8]，范中陽[9]等人通過實驗研究了蓄冷板兩種擺放形式對箱內環境溫度和奶白菜中心溫度的影響。田津津[10]等人對蓄冷板內共晶液的熱力學特性進行了分析,并且建立了蓄冷板釋冷的數學模型，模擬了NaCl蓄冷板在不同外界溫度條件下的釋冷過程,并且通過相關實驗進行了驗證。

本文利用Fluent軟件對蓄冷保溫箱的充冷、保冷過程進行了模擬。提出了一種鋸齒形新型蓄冷板，并研究了不同尺寸新型蓄冷板的蓄釋冷性能。同時模擬對比了蓄冷板的不同布置方式對箱內溫度場均勻性的影響。對蓄冷保溫箱的進一步優化與應用提供了一定的理論支持。

1 物理模型的建立

采用273 K溫度段蓄冷劑，相變潛熱為335 kJ/kg。平板蓄冷板尺寸為300 mm×300 mm×20 mm，蓄冷板材料為聚乙烯，壁厚為1 mm。在同等質量的蓄冷劑下，本文設計了一種鋸齒狀的新型蓄冷板，現對平板蓄冷板以及三種不同尺寸的新型蓄冷板的蓄釋冷性能進行模擬，蓄冷板模型如圖1所示，單位 mm。

保溫箱尺寸為560 mm×460 mm×410 mm，其中保溫材料厚度為30 mm，材料為聚氨酯。本文模擬了蓄冷保溫箱在空載狀態下不同的蓄冷板布置方式對箱體保冷性能影響，四種布置方式如圖2所示。

為了便于分析，本文對物理模型作了如下假設：

(1)外界環境溫度恒定且與保溫箱之間換熱系數為常數；

(2)相變過程中相變材料的密度、比熱、導熱系數、粘度保持不變；

(3)保溫材料各向同性；

(4)忽略相變材料相變時因密度差產生的浮動；

(5)忽略各接觸面的接觸熱阻。

2 數學模型的建立

數學模型可描述為:

質量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

式中ρ——密度/kg·m-3；

t——時間/s;

U——速度矢量；

μ——動力粘度/(kg·s)·m-2；

Su，Sv，Sw——源項；

ΔH——相變材料的潛熱/J；

h——相變材料的顯熱/J；

λ——導熱系數/W·(m·K)-1。

在數值計算過程中，通過液相體積分數來表示單位容積內液相組分的含量。液相體積分數β定義為

式中Tsolid——PCM凝固溫度；

Tliquid——PCM融化溫度。

3 初始條件和邊界條件

模擬各蓄冷板蓄釋冷性能時：(1)蓄冷時，蓄冷板初始溫度為278 K，外界溫度為263 K。(2)釋冷時，蓄冷板初始溫度為268 K，外界溫度為303 K。

模擬不同蓄冷板擺放方式下箱內溫度場時：箱體初始溫度為273 K，外界環境溫度為303 K。在配送過程中，外界環境的熱量通過保溫層進入箱體內部，相變蓄冷材料開始融化，吸收熱量，維持箱內溫度。

4 模擬結果與分析

4.1 蓄冷板蓄釋冷

圖3為各蓄冷板蓄冷量與時間的關系，相同蓄冷量下蓄冷板蓄冷完成時間越短蓄冷速率越大。平板蓄冷板、新型蓄冷板1、新型蓄冷板2、新型蓄冷板3的蓄冷完成時間分別為9 245 s、6 390 s、5 949 s、5 629 s。與平板蓄冷板相比新型蓄冷板1、新型蓄冷板2、新型蓄冷板3的蓄冷時間分別減少了30.8%、35.7%及39.1%。新型蓄冷板的與平板蓄冷板相比蓄冷速率都有明顯的提升，其中新型蓄冷板3蓄冷速率最大。

圖4為各蓄冷板釋冷過程中釋冷量與時間的關系。同理，相同釋冷量下釋冷完成時間越小釋冷速率越大。平板蓄冷板、新型蓄冷板1、新型蓄冷板2、新型蓄冷板3的釋冷完成時間分別為3 135 s、2 162 s、2 003 s、1 903 s。與平板蓄冷板相比，新型蓄冷板1、新型蓄冷板2、新型蓄冷板3的釋冷完成時間分別減少了31%、36.1%及39.3%。新型蓄冷板與平板蓄冷板相比釋冷速率都有明顯提升，釋冷速率越快表明換熱能力越強，其中新型蓄冷板3換熱能力最好，有利于維持箱內溫度。

綜上所述，新型蓄冷板3擁有著最快的蓄釋冷速率，充冷最快，與箱體內部換熱效果最好，故本文蓄冷保溫箱采用新型蓄冷板3。

4.2 不同蓄冷板布置方式下箱體內溫度場

圖5是10 h時蓄冷保溫箱內部溫分布圖。由圖中可以看出，蓄冷板的擺放方式對保溫箱內溫度場的分布有著很大的影響。此時頂部布置、四周布置、重合布置、并列布置下蓄冷保溫箱內平均溫度分別為284.3 K、283.3 K、291.1 K、281.6 K。較低的平均溫度表明蓄冷板所帶走的從外界進入箱體內部的熱量更多。同時從溫度云圖上可以看出并列擺放時箱體內部溫度場最為均勻，溫度梯度最小，其余布置方式次之。

綜上所述，四種蓄冷板布置方式中并列布置時箱內的平均溫度最低，溫度場最為均勻，性能最好。其原因在于較好的保冷效果需要蓄冷板與箱內空氣有較大的接觸面積，同時蓄冷板在箱內分布均勻，這樣蓄冷板可以最快也最均勻的吸收進入箱內的熱量。

5 結語

本文在蓄冷板結構及蓄冷板布置方式兩個方面

對蓄冷保溫箱的性能進行優化，綜合上述研究成果得出：

(1)在相同蓄冷量下,本文所設計的新型蓄冷板與平板蓄冷板相比，有著更好的蓄釋冷性能，其中新型蓄冷板3性能最好。

(2)研究發現蓄冷保溫箱內蓄冷板的布置方式對箱體保冷性能有著很大的影響，蓄冷板在箱內分布越均勻,與箱體內部換熱面積越大，保冷性能越強。在本文的四種蓄冷板布置方式中，并列布置最優。