基于COMSOL的冷板式物流箱的溫度場分析

□ 李瑞陽，陳 騰，胡劍飛，蒙煒健，鄒 敏

(廣州城市理工學院,廣東 廣州 510800)

1 研究背景和意義

冷鏈物流的快速發展對末端配送提出了更多更高的要求。目前，我國冷鏈物流在末端配送上多采用的是一次性泡沫箱加內置冰袋的方式，此種方式很難在保溫冷藏效果和體積輕便間取得平衡，在復雜多變的運輸環境中也較容易碰撞損壞從而失去保溫效果，無法保障生鮮食品的品質。損壞的泡沫因不能重復利用而被丟棄，導致白色污染的產生，帶來十分嚴重的損失和浪費。冷板式物流箱的冷藏效果優良，可以在多場合使用，且可重復利用，能提高冷鏈運輸過程中的保溫冷藏效果。研究冷板式物流箱的溫度場，對其進行各方面的優化配置，可以為冷鏈物流的末端配送創造更高的經濟效益和社會效益。

2 模型構建及參數設定

三維模型冷板式物流箱的結構分為箱體外殼、箱蓋、保溫材料層、可拆卸冷板和內含物，其他結構對于COMSOL仿真沒有影響或影響不大，為了簡化模型，其他結果在模型中不予體現，箱體尺寸為0.4m×0.4m×0.3m，全局定義參數如表1所示，三維模型如圖1所示。

圖1 冷板式物流箱的三維模型

將內含物定義為薄空氣電阻層；設置域探針，分別為內含物最大值、內含物最小值、內含物平均值、冰平均值，以測量相關溫度；設置固體傳熱：冷板的域選擇為流體，冷板內的蓄冷劑為冰到水的相變；設置剩余空間為等溫域，塑料外殼與外界的傳熱為對流熱通量，傳熱系數為5W/(m2·K)；設置內含物的材料，分別設置冷板蓄冷劑的狀態為冰和水，設置保溫層材料以及設置冷板外殼材料；設置環境溫度為中國廣州白云國際機場的氣象數據，時間為2017年7月10日；設置內含物初始溫度為5[degC]、冷板的初始溫度為-5[degC]、塑料外殼及保溫層初始溫度為20[degC]；研究時間為96小時，每3個小時記錄一次溫度，即步長為3h，相對容差為1e-3；剖析網格為超細化，進行研究。

表1 冷板式物流箱參數

3 溫度場分析

物流箱的溫度場分析主要是物流箱在一定條件下的保溫效果，物流箱的使用效果受到冷源、隔熱材料、保溫層厚度和周圍環境四個要素的影響，其中冷源受到冷源初始溫度和蓄冷劑影響，所以通過改變變量，得出其分別對物流箱的保溫效果的影響。由于周圍環境涉及的情況復雜多樣，也涉及外界環境中空氣對流因素對保溫效果的影響，而蓄冷劑的研究涉及材料化學的內容，比較復雜，本文對物流箱的溫度場研究采用控制變量的方法，分別研究在溫度變化時長為96小時下：

①在隔熱材料為泡沫的情況下放置1塊冷板、2塊冷板、3塊冷板和4塊冷板的物流箱溫度變化情況及溫度線分布；

②在放置4塊冷板的情況下改變保溫材料為泡沫、擠出聚苯乙烯、發泡聚氨酯和真空隔熱板的物流箱溫度變化情況及溫度線分布，綜合考慮成本、對環境的影響以及貨物對保溫能力的要求等因素，得出較為合理的冷源和隔熱材料配置及適用情況；

③改變保溫層厚度，利用COMSOL分析這個過程對保溫效果的影響；

④改變冷板的初始溫度，分析保溫箱內部的溫度影響。

通過上述研究得出的結果，用于分析物流箱在實際使用中的問題，包括物流箱的配置以及其他使用情況，理論結合實際，在物流箱的實際使用及針對具體貨物的保冷預測方面有一定的意義。

3.1 冷板放置數量

條件：冷板溫度為-5℃，保溫材料為聚苯乙烯泡沫，保溫層厚度為0.04m(定量),分別放置1、2、3和4塊冷板(變量)，分析結果如圖2所示。

3.2 保溫層隔熱材料

條件：冷板溫度為-5℃，保溫層厚度為0.04m，放置4塊冷板(定量),保溫材料分別為聚苯乙烯泡沫、擠出聚苯乙烯、聚氨酯硬泡和真空隔熱板(變量)；保溫材料參數如表2所示，分析結果如圖3所示。

表2 保溫材料參數

圖2 不同數量冷板的內含物溫度分布圖

圖3 不同保溫材料的內含物溫度分布圖

3.3 保溫層厚度

條件：冷板溫度為-5℃，放置4塊冷板，保溫材料為聚苯乙烯泡沫(定量)，保溫層厚度分別為0.02m、0.04m和0.08m(變量)，物流箱三維結構如圖4所示，分析結果如圖5所示。

圖4 保溫層不同厚度的物流箱三維結構圖

圖5 不同保溫層厚度的內含物溫度分布圖

3.4 冷源初始溫度

條件：放置4塊冷板，保溫材料為聚苯乙烯泡沫，保溫層厚度為0.04m(定量)，冷板初始溫度為0℃、-5℃，-10℃(變量)，分析結果如圖6所示。

圖6 不同冷源溫度的內含物溫度分布圖

4 結論

本文通過在COMSOL上建立物流箱的三維模型及仿真溫度場，對放置不同數量的冷板，改變保溫材料、保溫層的厚度及冷板的初始溫度，采用控制變量的方法，來對保溫箱的保溫性能進行研究，將內含物的平均值作為參考，整合各個對照組的溫度數據，得出以下主要結論：由圖2可知，通過放置不同數量的冷板，仿真結果與理論相符，即冷板的放置數量與保溫效果成正相關關系；由圖3可知，通過改變保溫層材料，觀察內含物平均溫度分布圖，可以得出保溫性能EPS=XPS