冷鏈無源蓄冷保溫包裝溫度場研究

楊 坤，張翔戈，何镕波 ，李 洋

(東北林業大學工程技術學院，哈爾濱 150040)

0 引言

冷藏效果與食品安全密切相關，如果冷藏條件不足，易腐食品則無法保持在所需的溫度范圍內，會因“斷鏈”失溫而刺激食品病原體和腐敗微生物的生長，導致商品失去食用價值。保溫箱在冷鏈物流運輸和配送過程中發揮著極其重要的作用。近年來，國內外學者對無源保溫包裝保溫材料、環境溫度、蓄冷劑物性參數、無源保溫包裝數學模型和數值模擬技術在冷鏈中的應用進行了深入研究，常用的保溫材料有聚乙烯發泡塑料(EPE)、發泡聚苯乙烯(EPS)、擠塑聚苯乙烯(XPS)、真空隔熱板( VIP)、發泡聚氨酯(EPU)等。冷鏈運輸中，需根據商品性質制造特殊的保溫材料，以達到運送要求[1-3]。不同環境溫度下，無源保溫包裝內的溫度變化速率不同[4]。相變材料具有儲能密度大、溫度穩定等優點，發生相變過程時會釋放潛熱，達到制冷效果，因此相變蓄冷材料逐漸應用于冷鏈行業中[5]。影響蓄冷劑制冷效果的主要因素包括蓄冷劑密度、導熱系數和比熱容等[6]，因此國內外學者針對蓄冷劑物性參數進行了大量研究[7-9]。數值模擬技術無需耗費大量的人力物力就可快速得到較為精確的結果，故被廣泛用于冷鏈各環節中的溫度場及流場分布情況研究中[10-11]。

從冷鏈 “斷鏈”角度出發，分析溫度波動對保溫包裝內溫度分布的影響，利用ANSYS軟件建立保溫包裝傳熱數學模型，對保溫包裝內溫度場進行數值模擬并實驗驗證，采集不同環境溫度、不同保溫材料狀態下的溫度數據，分析蓄冷劑的導熱系數、比熱容、密度對蓄冷效果的影響，為蓄冷劑的選擇提供參考。

1 無蓄冷保溫包裝傳熱實驗

1.1 實驗材料與儀器

材料：EPS保溫箱和無紡布+珍珠棉與鋁箔復合的鋁塑復合(以下簡稱 EPE)便攜式保溫袋。EPS保溫箱尺寸為300 mm×230 mm×200 mm，EPE保溫袋尺寸為330 mm×210 mm×230 mm。

儀器：ZXJD-B1430真彩觸摸屏恒溫箱，BCD-230HE冷柜，Rc-5系列溫度記錄儀。保溫箱的溫度分辨精度為0.1℃，冷柜的冷凍溫度和冷藏溫度分別為-18℃～0℃和-9℃～9℃。

1.2 實驗方法

參考我國《藥品冷鏈保溫箱通用規范》，具體實驗步驟如下：一是調試溫度傳感器。將溫度傳感器與計算機相連，通過計算機設置傳感器處于啟動狀態，每30 s記錄1次數據。設置完成后，數據記錄儀脫離計算機獨立工作。啟動溫度傳感器，將溫度傳感器放置在保溫包裝底部中心點，作為測點位置。二是保溫包裝預冷。將兩種材料的保溫包裝放置在冷柜中的冷藏箱內預冷5 h，使保溫包裝內部中心點溫度維持在3.5℃。三是打開恒溫箱電源，設定恒溫箱溫度為20℃，待恒溫箱內溫度穩定后，將預冷的保溫包裝放置在恒溫箱中2 h。四是取出保溫箱，溫度傳感器按下停止按鈕。將溫度傳感器通過USB接口連接到計算機上，讀取溫度記錄數據。五是改變外界環境溫度。將恒溫箱溫度分別設置為25℃和30℃，將步驟1～4重復2次。

1.3 實驗結果與分析

1.3.1 保溫材料對保溫包裝內溫度的影響

不同外界環境溫度下，保溫箱底部中心點溫度變化如圖1所示，在前30 min，EPS保溫箱曲線的斜率小于EPE保溫包裝，由此可見，EPS保溫包裝的保溫性能優于EPE保溫包裝。30 min后，由于保溫箱溫度接近環境溫度，兩條曲線都趨于水平，溫度波動不明顯。

圖1 不同外界環境溫度下保溫箱溫度變化Fig.1 Temperature change of incubator under different ambient temperatures

1.3.2 環境溫度對保溫包裝內溫度的影響

EPS、EPE保溫包裝在不同環境下溫度隨時間變化曲線如圖2和圖3所示。

圖3 EPE保溫箱溫度變化Fig.3 Temperature change of EPE incubator

由圖2和圖3可知，EPS、EPE 保溫包裝在不同環境溫度下的溫度變化規律基本一致，30℃時溫度變化速率最快，20℃時溫度變化速率最慢。保溫包裝在0～10 min時，由于保溫包裝與外界環境溫差較大，保溫箱內溫度迅速升高；10～30 min 時，隨著溫差逐漸減小，保溫包裝內溫度隨時間上升趨勢逐漸減緩；30～90 min時，保溫包裝內的溫度以極微小的幅度上升，曲線基本接近水平狀態。30℃時曲線斜率最大，20℃時曲線斜率最小。當外界環境溫度不同時，保溫箱底部中心點溫度值有所不同。溫度變化曲線圖的后半段在很長時間內都趨近于水平直線，溫度值隨著時間的增加波動較小。這是由于保溫箱溫度與環境溫度接近，溫差較小，溫度變化緩慢。根據以上分析可知，保溫箱與環境溫度溫差越大，傳熱越快，溫度變化越顯著。

2 蓄冷保溫包裝溫度場數值模擬

2.1 物理模型

以裝有蓄冷劑的保溫箱為研究對象，蓄冷劑側面擺放時，保溫包裝溫度場分布最均勻。保溫箱尺寸為 300 mm×230 mm×200 mm，厚度為15 mm。蓄冷劑外殼為聚乙烯塑料，內部成分為固體凝膠狀水合物，具體尺寸為170 mm×90 mm×30 mm。

2.2 數學模型

對模型進行如下假設：假設保溫箱氣密性良好，不考慮保溫過程中漏氣產生的影響；假設保溫材料各向同性，忽略保溫材料因溫度、濕度改變引起的導熱系數變化，認為箱體內部的空氣熱物性參數及保溫箱箱體材料的各項參數不變，均采用常物性參數值，具體參數見表1；由于內部空氣流速低，假設保溫箱內氣體為不可壓縮流體，符合Boussinesq假設，箱外空氣自然對流；由于保溫箱內溫度變化幅度較小，輻射處于平衡狀態，保溫箱體吸收的輻射能遠遠小于對流換熱吸收的能量，忽略保溫箱的輻射現象。

表1 蓄冷劑1材料系數Tab.1 Material parameters of cold storage agent 1

保溫箱的總傳熱量，見式(1)：

(1)

式中，Ri為總熱組，ΔT為保溫箱內外溫差，A為保溫箱的表面積，h1為外部氣體對流換熱系數，h2為內部氣體對流換熱系數，λ1為保溫箱導熱系數，λ2為蓄冷劑導熱系數，δ1為保溫箱壁厚，δ2為蓄冷劑厚度。

其中，保溫箱表面積公式為：

(2)

式中，A0為保溫箱外表面表面積，Ai為保溫箱內表面表面積。

2.3 初始邊界條件

將劃分好的網格導入Fluent軟件中進行模擬。打開能量方程，由于保溫箱內空氣流速較低，流動類型為層流，對其進行瞬態計算，選擇LES模型。考慮到浮力的影響，設置環境重力加速度為9.8 m/s。設置初始條件，外界環境溫度設置為20℃，設置蓄冷劑初始溫度為3.5℃，箱體及內部空氣初始溫度也為3.5℃。設置邊界條件，將保溫箱體及蓄冷劑壁面近似地認為是無滑移的壁面，各方向速度矢量均為0。壁面之間的傳熱方式為對流換熱，空氣層與保溫箱內壁面的接觸熱傳導系數為0.8 W/(m·K)。

2.4 數值模擬結果與分析

2.4.1 數值模擬結果

根據設定的邊界條件，對求解器進行初始化。選擇求解模型為非穩態壓力基模型，選定耦合求解器，設定步長為300 s，進行迭代計算。計算結果顯示，當3.5℃的保溫箱放置在20℃的環境條件下，通過蓄冷劑的制冷效果，保溫箱可以在70 min內維持在8℃以內。70 min時，保溫箱內溫度分布云圖如圖4(a)所示。

在無機相變蓄冷材料中，冰的相變潛熱最大，因此在冷鏈中經常使用冰作為蓄冷劑，具體參數見表2。在冰的基礎上，對蓄冷劑1改變參數進行研究，對影響蓄冷劑冷卻性能的3個因素，即導熱系數、比熱容和密度進行單因素分析，具體參數見表2。

表2 蓄冷劑材料參數Tab.2 Material parameters of cold storage agents

蓄冷劑導熱系數對溫度場的影響如圖4(b)所示。由圖4(a)和圖5(b)可知，保溫箱的最低溫度略有降低，裝有蓄冷劑2的保溫箱內溫度分布更為均勻，制冷效果較好。說明在蓄冷劑其他參數相同的條件下，導熱系數大的蓄冷劑制冷效果更好。

蓄冷劑比熱容對溫度場的影響如圖4(c)所示。由圖4(a)和圖5(c)可知，保溫箱的最低溫度略有升高，裝有蓄冷劑3的保溫箱內溫度分布更不均勻，制冷效果較差。說明在蓄冷劑其他參數相同的條件下，比熱容大的蓄冷劑制冷效果更好。

蓄冷劑密度對溫度場的影響如圖4(d)所示。由圖4(a)和圖5(d)可知，保溫箱的最低溫都略有升高，裝有蓄冷劑4的保溫箱內溫度梯度大、溫度分布更不均勻。說明在蓄冷劑的其他參數相同的條件下，密度大的蓄冷劑制冷效果更好。

2.4.2 誤差分析

選擇的蓄冷劑的蓄冷時間較短，僅適用于短途運輸、配送，環境溫度變化不大，因此設為恒定溫度。王雪松[6]在蓄冷保溫箱的研究中，選擇高比熱容、高導熱系數和高密度的蓄冷劑，與本研究的結論一致，具有可信度。

蓄冷劑的擺放位置在保溫箱4個側壁緊貼底部的中心，尚未考慮放在保溫箱頂部和側壁面緊貼棱的位置，因此對于蓄冷劑擺放位置的研究有待完善。

3 結語

以保溫箱為研究對象，通過實驗測量和數值模擬方法，對溫度波動對保溫箱溫度場的影響進行分析，得到如下結論：保溫箱內溫度與環境溫度溫差越大溫度變化越明顯。在相同環境條件下，EPS保溫箱保溫性能優于EPE保溫包裝。無蓄冷劑情況下，僅憑保溫箱的隔熱效果，5 min后溫度就會超過8℃，不能滿足冷鏈的溫度要求。裝有蓄冷劑的保溫箱內，溫度場能夠滿足短途運輸及配送的基本要求。蓄冷保溫箱內溫差較大，溫度分布不均勻，蓄冷劑位置附近的溫度較低，而保溫箱上方由于距離蓄冷劑較遠，溫度較高。在相同條件下，蓄冷劑的導熱系數越大比熱容及密度越大，溫度分布越均勻，蓄冷效果越好。