環(huán)形熱管蓄冷保溫箱空載均溫性能研究

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)蓄冷箱箱內(nèi)溫度均勻性差的問題，提出環(huán)形熱管結(jié)構(gòu)蓄冷保溫箱的設(shè)計(jì)，建立了空載均溫性能的三維數(shù)值仿真模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比分析了環(huán)形熱管保溫箱與常規(guī)結(jié)構(gòu)蓄冷保溫箱蓄冷板不同布置方式（四周布置、側(cè)面+頂部+底部布置、中間布置）保溫時(shí)間和溫度均勻性的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)結(jié)構(gòu)蓄冷箱相比，環(huán)形熱管結(jié)構(gòu)的蓄冷保溫箱的溫度場、速度場均表現(xiàn)出較好的均勻性，其溫度不均勻度為1.13，保冷時(shí)間為23 h。內(nèi)部的環(huán)形熱管在箱內(nèi)形成環(huán)形流場，加強(qiáng)了對(duì)流換熱，使整體溫度均勻性更好。

關(guān)鍵詞：環(huán)形熱管;蓄冷保溫箱;保溫時(shí)間;溫度均勻性

中圖分類號(hào)：TS206.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-1038（2024）03-0017-07

DOI：10.19590/j.cnki.1008-1038.2024.03.003

Research on No-load Temperature Equalization Performance"of Annular Heat Pipe Cold Storage Incubator

TIAN Jinjin1， YAO Chaoyang1，2， WANG Da2， XU Shuangxi1，2

（1. Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology， Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China;

2. Jinan Fruit Research Institute， All China Federation of Supply amp; Marketing Cooperatives， Jinan 250220， China）

Abstract： Aiming at the problem of poor temperature uniformity in traditional storage box， a cold storage box with annular heat pipe structure was proposed， and a three-dimensional numerical simulation model of no-load temperature equalization performance was established and verified by experiments. The differences of holding time and temperature uniformity between annular heat pipe insulation box and conventional structure cold storage box were compared and analyzed in different arrangements （around arrangement， side+top+bottom arrangement， middle arrangement）. The results showed that compared with the conventional storage box， the temperature field and velocity field of the annular heat pipe storage box showed better uniformity. The temperature non-uniformity was 1.13， and the cooling time was 23 h. Because the internal annular heat pipe forms a circular flow field in the box， the convective heat transfer was strengthened and the overall temperature uniformity was better.

Keywords： Annular heat pipe; cold storage incubator; holding time; temperature uniformity

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，現(xiàn)代人越來越關(guān)注食品的品質(zhì)問題[1-2]。我國作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，果蔬產(chǎn)量常年居于世界前列[3]。冷鏈物流技術(shù)是維持果蔬高品質(zhì)的重要手段，與發(fā)達(dá)國家的果蔬冷鏈的流通率（95%以上）相比，我國冷鏈物流還有很大的發(fā)展空間[4-6]。蓄冷保溫箱具有成本低和無污染等特點(diǎn)，在冷鏈物流運(yùn)輸和配送中占有重要地位，目前主要發(fā)展方向是研發(fā)低熱阻的保溫材料、穩(wěn)定高潛熱的蓄冷相變材料和高效的保溫箱結(jié)構(gòu)[7-10]，對(duì)于傳統(tǒng)蓄冷保溫箱溫度不均勻問題的研究較少，因此亟需研發(fā)新的蓄冷保溫箱來減少此類弊端。

王達(dá)等[11]提出了真空絕熱板和聚氨酯復(fù)合結(jié)構(gòu)的蓄冷保溫箱，通過和同樣厚度聚氨酯和聚苯乙烯蓄冷箱的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其保冷時(shí)間分別提高了3倍和5.7倍。余永濤等[12]研究了不同結(jié)構(gòu)尺寸的EPP保溫箱的保溫性能，在保溫箱內(nèi)容積、箱體厚度和箱蓋厚度相同的條件下，內(nèi)外表面積幾何平均值越小，保溫時(shí)間越長。范中陽等[13]研究蓄冷板擺放形式對(duì)奶白菜中心溫度的影響，得出在25 ℃室內(nèi)環(huán)境下，蓄冷板采用四周擺放比頂部擺放方式保溫時(shí)長提高30%。楊坤等[14]研究了保溫材料等因素對(duì)無源蓄冷保溫包裝溫度場的影響。謝如鶴等[15]從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、溫區(qū)分配、箱體材料以及蓄冷劑選擇等方面設(shè)計(jì)研發(fā)了一款蓄冷式多溫共配箱，其保溫結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，冷板更換靈活。翟紀(jì)強(qiáng)等[16]也設(shè)計(jì)一種多溫區(qū)的保溫箱，得出了冷板擺放位置、外界環(huán)境、蓄冷劑等最佳溫控條件，使保溫箱能夠達(dá)到短途冷鮮產(chǎn)品的運(yùn)輸要求。

目前上述針對(duì)蓄冷保溫箱內(nèi)的均溫設(shè)計(jì)，主要集中在蓄冷板結(jié)構(gòu)及擺放方式的優(yōu)化上，關(guān)于通過蓄冷保溫箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善箱內(nèi)氣流組織的研究較少。鑒于此，本文提出了一種新型蓄冷保溫箱，保溫結(jié)構(gòu)采用真空絕熱板和聚氨酯復(fù)合而成，內(nèi)部用薄鋁板將空間分成兩個(gè)腔體，每個(gè)腔體外壁裝有4條環(huán)形熱管，然后建立了環(huán)形熱管保溫蓄冷箱和常規(guī)蓄冷箱的數(shù)值仿真模型，并對(duì)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，比較了環(huán)形熱管蓄冷箱和常規(guī)蓄冷箱的空載均溫，為蓄冷箱的均溫設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

使用三維軟件solidworks對(duì)環(huán)形熱管蓄冷保溫箱進(jìn)行1∶1比例建模，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。蓄冷保溫箱由內(nèi)部腔體、隔板和導(dǎo)熱管組成，外部尺寸為710 mm×650 mm×480 mm，保溫結(jié)構(gòu)采用厚度50 mm、導(dǎo)熱系數(shù)0.009 W/（m·K）的保溫復(fù)合板，內(nèi)部腔體有效容積為0.216 m3。蓄冷板尺寸為480 mm×350 mm×20 mm，相變溫度3.5 ℃，相變潛熱204.1 kJ/kg，由于蓄冷箱為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，把蓄冷箱分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)區(qū)域，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，選擇Ⅰ區(qū)作為計(jì)算對(duì)象。

為客觀評(píng)價(jià)新型蓄冷箱的保溫性能，本文對(duì)環(huán)形熱管蓄冷箱與常規(guī)蓄冷箱的保溫性能進(jìn)行了比較。常規(guī)蓄冷箱蓄冷板采用了三種不同擺放方式，其具體方案如圖2所示，對(duì)照1為四周布置，對(duì)照2為側(cè)面+頂部+底部布置，對(duì)照3使用中間布置，方案4為中間布置帶環(huán)形熱管結(jié)構(gòu)的蓄冷保溫箱。對(duì)照組1、2相對(duì)于對(duì)照3、方案4來說，蓄冷板在箱體內(nèi)空間分布更均勻，而方案4與對(duì)照3相比，只是外部加了4條環(huán)形熱管。

1.2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型做以下假設(shè)：（1）箱體密閉，忽略漏氣;（2）蓄冷板采用等效熱容法，忽略相變材料融化后固-液之間的自然對(duì)流;（3）忽略環(huán)境與蓄冷箱之間的輻射換熱;（4）絕熱材料和PCM的物理性質(zhì)均勻、各向同性。對(duì)于非穩(wěn)態(tài)過程，可采用Navier-Stokes方程進(jìn)行求解，其連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程見式（1）（2）（3）[17]。

+=0（1）

（ρa(bǔ)ui）+（ρa(bǔ)uiuj）=-+[μa（+）]-（ρa(bǔ) -ρa(bǔ)（2）

（ρa(bǔ)cp，aT）+（ρa(bǔ)Cp，aujT）=（λa）-（ρa(bǔ)cp，a" ）（3）

式中，t為時(shí)間，s;P為壓強(qiáng)，Pa;ui、uj為時(shí)均速度，m/s;ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3;μa為空氣動(dòng)力黏度，Pa·s; 為雷諾應(yīng)力分量;u'i、u'j為空氣脈動(dòng)速度，m/s;Ta箱體內(nèi)部空氣溫度，K;T0為參考溫度，K;g重力加速度，m/s2;cp，a為空氣比熱容，J/（kg·K）;T為空氣溫度，K;λa為空氣導(dǎo)熱率，W/（m·K）; 為Reynolds通量項(xiàng);T'為空氣脈動(dòng)溫度，K。

為了研究不同擺放方式對(duì)蓄冷箱內(nèi)部溫度均勻性的影響，使用絕對(duì)不均勻度S來描述蓄冷箱內(nèi)溫度均勻性，其值越大溫度場的不均勻程度也越大[18-19]，具體計(jì)算公式見式（4）。

S=（）（4）

式中，Ti為第i個(gè)測點(diǎn)的溫度，℃;n為n個(gè)測點(diǎn)的平均溫度，℃。

1.3 網(wǎng)格劃分

將幾何模型導(dǎo)入ansys mesh中，使用sweep方法對(duì)幾何進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在固體域和流體域交界面還設(shè)置了3層邊界層，用aspect-ratio方式對(duì)邊界層加密，網(wǎng)格劃分如圖3所示，網(wǎng)格類型以六面體網(wǎng)格為主，網(wǎng)格總數(shù)量為2 179 184，最小正交質(zhì)量為0.278，滿足fluent計(jì)算要求。

1.4 初始和邊界條件

蓄冷箱釋冷過程為瞬態(tài)模型，選用laminar層流模型，考慮重力和浮升力的影響，其中Y= -325 mm和X=0 mm兩個(gè)面為symmetry邊界類型，Z=0 mm、Z=480 mm、X= -355 mm、Y=0 mm四個(gè)面為wall邊界類型，箱外環(huán)境溫度為22 ℃，空氣對(duì)流換熱系數(shù)h取15 W/（m2·K）。箱體和箱內(nèi)初始溫度為22 ℃，PCM初始溫度為0 ℃，各材料物性參數(shù)見表1。

1.5 網(wǎng)格和時(shí)間步長無關(guān)性驗(yàn)證

為消除實(shí)驗(yàn)偶然性，對(duì)蓄冷箱進(jìn)行了多組空載釋冷實(shí)驗(yàn)，箱內(nèi)平均溫度變化如圖4（a）所示，從圖中可以看出，每組實(shí)驗(yàn)的平均溫度基本重合，溫度升到15 ℃時(shí)所用時(shí)間均在24 h左右，證明空載蓄冷箱的釋冷實(shí)驗(yàn)是穩(wěn)定的。對(duì)于數(shù)值模擬來說，網(wǎng)格數(shù)量和時(shí)間步長對(duì)模擬結(jié)果有重要的影響，網(wǎng)格數(shù)量越多以及時(shí)間步長越小，都會(huì)使計(jì)算時(shí)間過長。圖4（b）為6、8、10、12 mm網(wǎng)格下模擬的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，相較于6 mm網(wǎng)格尺寸下的模擬結(jié)構(gòu)，8、10、12 mm下的模擬結(jié)果相對(duì)偏差分別為2.8%、7.2%、11.8%，考慮到準(zhǔn)確性和計(jì)算時(shí)間，選擇8 mm的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖4（c）為步長5、10、15、20 s模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)，相較于5 s，步長10、15、20 s相對(duì)偏差分別為0.91%、0.93%、0.96%，考慮到計(jì)算速度和準(zhǔn)確性，選擇步長20 s作為模擬的時(shí)間步長。

2 環(huán)形熱管和常規(guī)蓄冷箱釋冷過程的數(shù)值模擬比較

2.1 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較與驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。經(jīng)過比較，模擬值整體平均誤差小于6.82%，說明構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型比較可靠，可以作為優(yōu)化蓄冷保溫箱的有效方法。

2.2 溫度場分析

截面位置和溫度場變化情況如圖6所示，截面3和截面4互為對(duì)稱面且溫度場分布完全相同，因此只給出了一個(gè)溫度云圖。通過截面1、2可以發(fā)現(xiàn)，靠近蓄冷板的位置溫度較低，因?yàn)榭拷罾浒宓奈恢门c箱內(nèi)空氣首先進(jìn)行熱量交換，使臨近冷板的空氣溫度降低，而較遠(yuǎn)的空氣需要箱內(nèi)低溫空氣對(duì)流傳熱，過程較慢。截面3、4可以看到，溫度出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，這是由于冷板釋放的冷量與箱內(nèi)空氣換熱，換熱后溫度低的空氣密度較大，會(huì)積聚在蓄冷箱下部，溫度高密度小的氣體積聚在上部，造成了分層現(xiàn)象。

對(duì)照組1冷板采用四周布置方式，冷板會(huì)首先使周圍空氣降溫，由于有四面冷板，使靠近冷板的四面空氣同時(shí)降溫，由于空氣重力會(huì)造成溫度分層現(xiàn)象。對(duì)照組2冷板采用側(cè)面+頂部+底部布置，由于有頂部、底部冷板存在，頂部的冷板使頂部空氣溫度均勻降低，但隨著時(shí)間推移，頂部冷板先融化完，也會(huì)造成箱內(nèi)空氣存在明顯的溫度分層現(xiàn)象。對(duì)照3的蓄冷板放置在箱內(nèi)中間位置，由于冷板距離蓄冷箱底部和頂部位置較遠(yuǎn)，在低溫空氣重力作用下導(dǎo)致箱體上部和下部溫度差異，溫度分布明顯不均勻。方案4與對(duì)照組相比，由于導(dǎo)熱管具有良好的導(dǎo)熱性，可以削弱上部溫度和下部溫度的差異，使整個(gè)釋冷過程中的溫度均勻性明顯改善。

2.3 速度場分析

圖7為四種方案下的蓄冷箱內(nèi)部流場速度云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，蓄冷箱內(nèi)速度場分布存在差異。對(duì)照1、2、3中，在蓄冷板處的速度值較高，在未放置蓄冷板的地方速度值較小。而方案4的環(huán)形熱管蓄冷箱不僅在蓄冷板附近出現(xiàn)高速度值，而且由于環(huán)形熱管的存在，還在箱體四周速度值也較高。速度場和溫度場的均勻性結(jié)果是一致的，這也反映速度場分布對(duì)于蓄冷箱內(nèi)溫度場分布有重要的影響，導(dǎo)熱管可以使溫度均勻性得到改善。

2.4 蓄冷保溫時(shí)長

蓄冷保溫時(shí)長是蓄冷箱性能的重要考察依據(jù)，本研究將箱內(nèi)平均溫度小于15 ℃定義為有效保冷時(shí)間，圖8為四種方案的蓄冷箱有效保溫時(shí)長柱形圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果。有效保溫時(shí)長分別是對(duì)照組3gt;方案組4gt;對(duì)照組1gt;對(duì)照組2。對(duì)照組1和對(duì)照組2有效保溫時(shí)較短，原因是對(duì)照1和對(duì)照2的蓄冷板緊靠熱壁面放置，蓄冷板與周圍環(huán)境換熱較強(qiáng)烈[20]，從而使總有效保溫時(shí)間較短。對(duì)照組3和方案4采用了中間布置方式，有效保溫時(shí)長較長，方案4由于環(huán)形熱管換熱，較方案3保溫時(shí)間較短。

2.5 溫度均勻性

四種蓄冷箱保溫箱的溫度均勻性，由圖9所示，四種方案不均勻度的平均值分別為1.54、1.34、1.71、1.13。對(duì)照組1由于四面都是冷板，箱內(nèi)空氣降溫速率較快，冷空氣大量在底部聚集，造成溫度均勻性較差。對(duì)照組2的溫度均勻性良好，這是由于采用側(cè)面+頂部+底部布置方式，蓄冷板在整個(gè)箱體空間分布比較平均，但由于蓄冷板距離壁面比較近和垂直方向上重力的作用，上部的蓄冷板融化速度快于下部蓄冷板，待上部蓄冷板完全融化后下部蓄冷板還未融化結(jié)束，使溫度不均勻性增加。對(duì)照組3由于冷板在箱內(nèi)分布不均勻使溫度均勻性較差，而方案4新型蓄冷箱加入了環(huán)形熱管，在蓄冷箱內(nèi)箱內(nèi)形成環(huán)形流場，平衡了箱內(nèi)溫差，使得整個(gè)過程中溫度均勻性好于其他三組。

3 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)蓄冷箱箱內(nèi)溫度均勻性差的問題，提出研發(fā)環(huán)形熱管結(jié)構(gòu)的蓄冷保溫箱，并對(duì)比分析了環(huán)形熱管保溫箱與常規(guī)結(jié)構(gòu)蓄冷保溫箱蓄冷板不同布置方式保溫時(shí)間和溫度均勻性的差異。本文建立了蓄冷箱數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，整體誤差小于6.82%，說明所建立的模型適用于此類蓄冷保溫箱的數(shù)值模擬，為今后研究和優(yōu)化蓄冷箱提供了基礎(chǔ)。其次相比于改變蓄冷板擺放方式，通過箱體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)更好的均溫效果。環(huán)形熱管保溫箱的均勻性優(yōu)于常規(guī)結(jié)構(gòu)的任何一種擺放方式，不均勻度最小，為1.13，后續(xù)可以將蓄冷箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為改善均勻性的重點(diǎn)。最后比較四個(gè)方案的有效保冷時(shí)間，采用中間布置蓄冷板方式的對(duì)照組3和方案4比在箱壁面布置方式的方案1和方案2維持低溫時(shí)間更長，方案4保冷時(shí)間為23 h，保溫效果較好。

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基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022TZXD0022）

第一作者簡介：田津津（1978—），女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事食品冷鏈的研究工作