堆碼方式對冷板冷藏車內(nèi)運輸過程中溫度分布的影響※

周麗 劉佳霓 劉楊

(武漢商業(yè)服務(wù)學院，湖北武漢430056)

堆碼方式對冷板冷藏車內(nèi)運輸過程中溫度分布的影響※

周麗 劉佳霓 劉楊

(武漢商業(yè)服務(wù)學院，湖北武漢430056)

冷板冷藏車在運輸過程中,車內(nèi)貨物溫度場是影響其運輸質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。本文通過對運輸過程中，貨物傳熱過程的分析，建立了車廂內(nèi)復雜耦合傳熱的k-ε數(shù)學模型；采用數(shù)值模擬的方法，計算了四種不同堆碼方式貨物動態(tài)溫度場，指出采用貨物中間留有一定間隙的堆碼方式，能有效改善冷藏貨物的運輸質(zhì)量。

冷板冷藏車;堆碼方式;動態(tài)溫度場;數(shù)值模擬

一、前言

目前，冷板冷藏車在運行過程中，車體內(nèi)貨物由于受到熱環(huán)境的影響及貨物本身的呼吸作用，使得貨物溫度場分布不均勻，微生物的生長和大量繁殖，導致運輸貨物的大量腐爛，嚴重影響冷藏貨物的質(zhì)量。因此，研究車內(nèi)的溫度場分布和貨物的堆碼方式，保持貨物處于溫度均勻分布、氣流組織合理的車內(nèi)環(huán)境下，是保證貨物質(zhì)量的關(guān)鍵。本文通過對運輸過程中，貨物傳熱過程的分析，建立了車廂內(nèi)復雜耦合傳熱的k-ε數(shù)學模型；采用數(shù)值模擬的方法，計算了四種不同堆碼方式貨物動態(tài)溫度場，指出采用貨物中間留有一定間隙的堆碼方式，能有效改善冷藏貨物的運輸質(zhì)量。

二、冷板冷藏車中不同堆碼方式下溫度場數(shù)值計算

為了提高運輸貨物的質(zhì)量，關(guān)鍵是能準確了解和控制車內(nèi)貨物的溫度場。本文根據(jù)實際情況建立冷板冷藏車的物理模型，對冷卻番茄采用多孔介質(zhì)模型，運用fluent軟件對其進行數(shù)值計算，氣體流動模型采用k-ε湍流模型，氣體為理想氣體[1]。

（一）物理模型

冷板冷藏車頂為弧形結(jié)構(gòu)，冷板置于車內(nèi)頂部，物理模型見圖1。由圖1可以看出，車廂之間的熱過程包括：番茄的導熱、空氣的導熱、番茄與空氣之間的自然對流換熱、空氣與冷板之間的自然對流換熱以及空氣與車廂之間的對流換熱。番茄的熱過程與車廂內(nèi)其它熱過程相互耦合，構(gòu)成車廂內(nèi)復雜熱環(huán)境。

圖1 冷板冷藏車的物理模型

本文以冷卻番茄為研究對象，冷板冷藏車從漢口出發(fā)至北京，發(fā)車時間為14：25，車速度120km/h，運輸時間約為20h。在運輸過程中，貨物堆碼在冷藏車廂的裝貨區(qū)內(nèi)，起貨物的堆碼方式如圖2所示。

圖2 貨物堆碼示意圖

（二）數(shù)學模型

采用廣泛應(yīng)用于工程中的帶浮升力k-ε方程[2]，為計算方便對模型做如下的假設(shè)：

1.考慮車體及貨物壁面與車內(nèi)空氣溫度差很小，視車內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)，忽略固體面間的熱輻射；

2.車廂內(nèi)空氣符合Boussinesq假定，浮力驅(qū)動流動考慮重力加速度的作用，定義貨物區(qū)初溫為274.15K，車廂氣密性良好，不考慮漏風影響；

3.空氣和貨物采用常物性參數(shù)，忽略溫度化對物性參數(shù)的影響，且不考慮運輸過程中貨水分蒸發(fā)等傳質(zhì)因素的影響。

（三）邊界及初始條件

運輸過程中的冷卻番茄緊密堆碼在車廂貨物區(qū)。其邊界及初始條件為：

1.冷板處：運輸過程中，在研究的時間段內(nèi)，冷凍板內(nèi)共晶液不斷液化，放出潛熱，溫度幾乎不變，依據(jù)某廠提供的冷板車實驗資料，可假設(shè)冷板溫度恒定為T=-10.5℃；

2.車體壁面處:車體壁面的傳熱系數(shù)K=0.22W/（m2·C），室外溫度設(shè)置為

3.其他固體壁面處：近壁面速度U=V=W=0，假設(shè)冷板區(qū)域面取絕熱邊界條件；

4.從冷庫內(nèi)取出的成熟番茄是有呼吸熱的，初溫設(shè)置為T=2℃；

5.調(diào)溫隔板全部關(guān)閉，調(diào)溫隔板處按照定熱流計算[3]。

（四）網(wǎng)格的劃分及數(shù)值求解

針對上述模型，對其進行三維數(shù)值計算，文中在笛卡爾直角坐標系下劃分計算網(wǎng)格，采用有限單元法和交錯網(wǎng)格對控制方程進行離散，應(yīng)用fluent軟件求解離散控制方程，時間步長取60s。

計算區(qū)域內(nèi)貨物為固體，空氣為流體，將冷空氣在貨物區(qū)內(nèi)的流動看做流體在多孔介質(zhì)中的流動,番茄則為多孔介質(zhì)中的固體顆粒。本文對番茄在貨物區(qū)內(nèi)的間隔排列堆碼方式進行了數(shù)值計算，其方式所對應(yīng)的滲透率c、內(nèi)部阻力系數(shù)β、空隙率ε值為:ε=48.8%,c=6.45×105,β=132。

（五）計算結(jié)果

1.根據(jù)冷板冷藏車運輸過程的特點，對車廂內(nèi)的三維流場進行了非穩(wěn)態(tài)的數(shù)值計算。為了清晰看出堆碼方式對貨物溫度場的影響，本文只截得三種不同堆碼方式間隙為0mm、100mm、200mm及300mm，且x=8m處貨物區(qū)溫度截面圖，其示意圖如圖3所示；僅選取5h、10h、15h、20h后的溫度分布進行比較，其溫度場分別為圖3～圖11。

圖3 x＝8m處截圖示意圖

圖4 a=0mm t=10h溫度場

圖5 a=100mm t=10h溫度場

圖6 a=200mm t=10h溫度場

圖7 a=300mm t=10h溫度場

圖8 a=0mm t=20h溫度場

圖9 a=100mm t=20h溫度場

圖10 a=200mm t=20h溫度場

圖11 a=300mm t=20h溫度場

①從圖4～圖11可見：四種不同堆碼方式下，冷卻番茄受到外界的熱環(huán)境影響，致使貨物區(qū)溫度升高；但由于冷板的冷卻能力較強，貨物區(qū)的溫度得到了控制；

②從圖中明顯看出：貨物中間的間隙對貨物溫度分布的影響較大，可以改善y截面方向的溫度分布，使得原來的高溫區(qū)域面積得到減少，在20h整個車廂內(nèi)的貨物最高溫度平均降低了1℃左右。這是由于貨物中間有了一定的間隙，冷空氣能通過間隙吸收和轉(zhuǎn)移大量冷卻番茄的呼吸熱，使得貨物區(qū)高溫峰值削減，受冷空氣波及范圍擴大；

③由圖5、圖7及圖9、11看到：貨物區(qū)間隙為100mm及300mm時，其溫度場分布相似，無論在分布及溫度值上。而貨物區(qū)間隙為200mm時，由圖6及圖10得到，溫度場分布與間隙為100mm及300mm時的分布相差甚大，且此時貨物區(qū)的溫度分布較均勻，溫差可以控制在0.2℃內(nèi)；

④根據(jù)圖4、圖5及圖8、圖9得出：貨物中間的間隙越大，貨物溫升越小，冷空氣波及范圍越大，但間隙大到某一定值后，冷空氣波及范圍并不大，間隙為200mm時的范圍大于間隙為300mm時的波及范圍?？赏茢?，間隙100mm～300mm之間存在某一定值使得番茄受冷空氣影響最大，同時考慮到增大間隙將導致貨物區(qū)的裝載量減少，貨物裝載的穩(wěn)定性下降，因此，采用間隙200mm左右即可，若再增大間隙則貨物溫升減小程度不明顯。

2.選取溫度場中的A、B、C三點，做進一步分析。所取三點在貨物區(qū)中的示意圖如圖12所示。三點在四種不同堆碼方式下隨時間變化的溫度變化情況如圖13、圖14、圖15所示。

圖12 A、B、C點在貨物區(qū)中的示意圖（單位：mm）

圖13 四種堆碼方式下A點處的溫度變化

圖14 四種堆碼方式下B點處的溫度變化

圖15 四種堆碼方式下C點處的溫度變化

①從圖13～圖15看出：A點、B點、C點三點間隙為0時貨物區(qū)的溫度變化值明顯大于有間隙時，且間隙為200mm時的溫度變化值最小，曲線比較平滑；

②由圖13～圖15明顯得出：間隙為200mm時的貨物堆碼的溫度場分布最均勻，隨時間變化最??；而間隙若增大到300mm以后或減小到100mm以內(nèi)，溫度場分布效果都將變差，所以推測間隙在間隙100mm～300mm之間存在某一定值使得番茄受冷空氣影響最大，溫度場分布最均勻，效果最好。

三、小結(jié)

（一）當冷卻番茄緊密堆碼時，由于番茄的導熱系數(shù)小，內(nèi)部呼吸熱不能及時帶走，造成內(nèi)部溫度高，溫度分布很不均勻；

（二）通過四種不同堆碼方式模擬分析可得到，可以通過改變貨物的堆碼方式來改善貨物的溫度場；

（三）為了保證冷板冷藏車運輸冷卻貨物的質(zhì)量，同時考慮冷板冷藏車貨物運載量的要求，建議帶有呼吸熱的貨物堆碼時中間留一定間隙裝載。

[1]王延覺、周麗,陳煥新等.番茄在冷板冷藏車運輸過程中的溫度分布[J].制冷學報,2007（6）.

[2]Guceri S I,Farouk B.Natural Convection Fundamentals and Applications.Washington DC:Hemisphere,1985.615～654.

[3]歐陽仲志.鐵路冷凍板冷藏車放冷時間的分析[J].制冷,1997(3).

Influence of Stack Method to Temperature Distribution in Hold-over Plate Refrigerated Vehicle during Transporting Period

ZHOU LiLIU Jia-niLIU Yang
(Wuhan Commercial Service Collegy,Wuhan,Hubei,430056,China)

During transit of the hold-over plate refrigerated vehicles,the temperature field of cargoes is one of the key factors affecting its transportation quality.Based on analysis of the goods in heat transfer during transporting period,we established a mathematical k-ε model of the complex conjugate heat transfer inside.Using umerical simulation method，we calculated the stacking of four different dynamic temperature field of goods means and pointed out that the stacking method of leaving some gap between the goods can effectively improve the quality of refrigerated cargo transport.

hold-over plate refrigerated vehicle;stack method;dynamic temperature field;numerical simulation

TB6

A

1009-2277（2011）02-0090-04

本文系湖南省科技計劃項目（項目編號：05GK3051)的階段性研究成果。

2011-01-18

周麗（1982-）,女，武漢商業(yè)服務(wù)學院機電工程系教師，碩士，主要從事冷藏運輸研究。

責任編校：鄧小妮