保溫材料對保溫箱內(nèi)溫度場的影響

潘欣藝 王冬梅 朱 宏

(深圳職業(yè)技術學院傳播工程學院，廣東 深圳 518055)

中國每年有大量的食品在沒有冷鏈保障的情況下運輸銷售，造成變質(zhì)腐爛損失嚴重。中國綜合冷鏈年流通率僅為19%，每年僅果蔬腐爛就達到1.4×108t[1]。當前易腐食品冷藏運輸設備有冷藏車、冷藏集裝箱、冷藏船等，這些設備主要利用制冷機來維持內(nèi)部溫度場恒定，但該方法成本高、能耗大、經(jīng)濟效益差，制約了冷鏈物流的進一步發(fā)展。最近幾年，搬運及攜帶便捷的保溫箱作為一種食品冷鏈包裝裝置越來越受歡迎。保溫箱是采用絕熱或者導熱系數(shù)較低的材料做箱體，內(nèi)部放置蓄冷劑來保持箱內(nèi)的溫度，從而便捷地完成食品冷鏈運輸[2]。保溫箱與蓄冷劑相結(jié)合的包裝裝置不同于冷藏車等主動制冷設備，屬于一種無源冷鏈包裝方式，特別適合易腐食品多頻次、小批量的運輸要求，操作簡單靈活、成本低，如楊梅、荔枝等產(chǎn)品的快遞運輸包裝。保溫箱的保溫效果可通過保溫時效及箱內(nèi)溫度分布情況加以評價，國內(nèi)外都極為重視保溫箱保溫技術的研究及開發(fā)，主要包括對保溫材料的選擇[3-4]，對蓄冷劑自身物理特性和保冷性能的研究[5-7]，對保溫箱保溫過程進行模擬[8-10]，對保溫箱的結(jié)構(gòu)工藝設計[11-13]。然而上述研究大都針對保溫箱保溫時長進行改進，并未考慮保溫箱內(nèi)部溫度場的分布情況，而實際冷運過程中保溫箱內(nèi)部溫度的分布很不均勻，從而影響食品品質(zhì)。溫度場是評價冷藏運輸設備性能的重要指標，均勻、穩(wěn)定的溫度場有利于保溫箱內(nèi)食品的運輸安全。

目前國內(nèi)外對保溫材料的選擇以低導熱系數(shù)材料為基礎，綜合考慮材料及加工成本，其中擠塑聚苯乙烯(XPS)、發(fā)泡聚氨酯(EPU)與真空隔熱板(VIP)等典型保溫材料應用廣泛。對于冷鏈保溫箱而言，保溫材料的選用，一方面可以有效地維持內(nèi)部易腐食品處于所需的低溫環(huán)境中；另一方面，保溫材料的使用也對外界的物質(zhì)進行了阻隔，減少了外界因素對易腐食品的影響，提升了冷鏈運輸?shù)陌踩浴Ｓ纱丝梢?，保溫箱保溫材料的正確選擇，對于冷鏈運輸保溫包裝至關重要[14]。

本試驗擬以典型的冷鏈保溫箱為研究對象，建立其基本傳熱模型，利用專業(yè)流體仿真軟件Fluent求得保溫箱內(nèi)部溫度場分布，進一步研究保溫材料對保溫箱內(nèi)部溫度場的影響，得出不同材質(zhì)保溫箱的溫度場分布規(guī)律，為易腐食品的冷鏈包裝保溫箱選擇及包裝優(yōu)化設計提供參考依據(jù)。

1 試驗與仿真

1.1 測試試驗

以某款保溫箱為研究對象，其箱體材料為密度45 kg/m3、導熱系數(shù)0.026 W/(m·K)的聚氨酯泡沫，箱體外尺寸為600 mm×440 mm×500 mm(長×寬×高)，壁厚為60 mm。配置8塊相變溫度為5 ℃的蓄冷劑作為冷媒維持箱內(nèi)溫度，蓄冷劑尺寸為300 mm×160 mm×30 mm(長×寬×高)，保溫箱試驗裝置見圖1。保溫性能試驗參考ASTM D3103《運輸包裝件保溫性能標準測試方法》[15]，按照圖2所示布置溫度探頭測試點，將保溫箱放置于30 ℃的恒溫恒濕箱中進行保溫試驗，多探頭溫度記錄儀記錄不同測試點溫度，分析保溫箱保溫性能。

1.保溫產(chǎn)品 2. 蓄冷劑 3. 發(fā)泡聚氨酯保溫箱圖1 保溫箱試驗裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of incubator experiment

圖2 溫度測試點位置Figure 2 The distribution of temperature test points in the box

1.2 模擬仿真

采用有限元法對試驗保溫箱內(nèi)溫度場進行數(shù)值模擬，首先利用ICEMCFD程序按照保溫箱和蓄冷劑尺寸建立等比例模型，之后采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡，將模型分區(qū)劃分成六面體網(wǎng)格，見圖3。這種網(wǎng)格劃分方法既確保了計算精度，又減少了網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省了計算成本。

將網(wǎng)絡文件導入到Fluent程序中進行計算，除其他各項參數(shù)需要與實際試驗相同外，計算之前需要對保溫過程的實際情況進行一定的假設和簡化處理：

圖3 保溫箱網(wǎng)格圖Figure 3 Mash of incubator

① 由于溫差較小，輻射換熱處于平衡狀態(tài)，忽略內(nèi)外表面熱輻射的影響；

② 認為保溫箱箱體的氣密性很好，不考慮保溫過程中由于漏氣所產(chǎn)生的影響；

③ 內(nèi)部空氣流速較低，設為不可壓縮流體，滿足Boussinesq假設[16]；

④ 保溫箱保溫的整個過程中，由于溫度變化幅度較小，認為箱體內(nèi)部空氣的熱物性參數(shù)以及保溫箱材質(zhì)的各項參數(shù)是不發(fā)生改變的，因此均采用常物性參數(shù)值，具體參數(shù)見表1。

表1 保溫箱模型各部分材料參數(shù)Table 1 Material parameter of each part of the incubator

在純粹的自然對流問題中，當流體受熱并且其密度隨溫度變化時，密度變化引起的重力差異將會引發(fā)流體的流動，流動強弱可以用瑞利數(shù)Ra來衡量，如果Ra<108，自然對流屬于層流；如果1081010，自然對流屬于湍流[16]。

判別自然對流中流體狀態(tài)公式：

(5)

式中：

Pr——格拉曉夫數(shù)；

Gr——普朗特數(shù)；

g——重力加速度，m/s2；

L——定性長度，m；

β——流體的體積膨脹系數(shù)，℃-1；

ΔT——溫度差，℃；

ν——流體的運動黏度，m2/s；

α——流體的熱擴散系數(shù)，m2/s。

可見，本研究涉及的自然對流屬于湍流，即保溫箱內(nèi)部氣流的流動方式屬于三維空間的湍流流動方式，據(jù)此模擬方法采用Fluent中的標準k-ε模型對箱內(nèi)氣體進行仿真計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗與模擬仿真分析

根據(jù)蓄冷劑相變原理，蓄冷劑在保溫箱中經(jīng)歷2個階段：① 蓄冷劑相變釋冷階段：蓄冷劑發(fā)生相變，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，此階段蓄冷劑溫度始終維持在相變溫度5 ℃；② 蓄冷劑顯冷釋放階段：蓄冷劑融化完全，溫度開始大幅上升。圖4為保溫箱內(nèi)部各測點溫度變化曲線，可以明顯看出保溫過程經(jīng)歷了蓄冷劑相變釋冷(平臺區(qū)域)與顯冷釋放(快速上升區(qū)域)2個階段。由于實際保溫過程需要考慮到蓄冷劑內(nèi)部傳熱以及在蓄冷劑內(nèi)部存在著部分相變的情況，所以在蓄冷劑相變釋冷階段，保溫箱內(nèi)部的溫度會隨時間緩慢上升，但上升幅度很小。在蓄冷劑顯冷釋放階段，由于蓄冷劑潛熱已經(jīng)釋放完全，保溫箱內(nèi)部溫度迅速上升。本試驗結(jié)果顯示在前1 500 min內(nèi)保溫箱內(nèi)部溫度變化小，為蓄冷劑相變釋冷階段，并分別對保溫試驗前500，1 000，1 500 min的時間段取溫度平均值，將該3個時間段的保溫箱內(nèi)部溫度平均值與模擬仿真結(jié)果進行對比，見圖5。

圖4 溫度變化曲線Figure 4 Curve of changing temperature

圖5 測試溫度與模擬溫度比較Figure 5 Temperature comparison between test and simulation

由圖5可知，在前1 500 min蓄冷劑相變釋冷階段時，選取的3個時間段測試溫度與模擬溫度差距較小，且模擬得出的各個測點溫度分布與測試情況基本接近，同時考慮到箱體氣密性等不可預測因素對溫度場分布的影響，各測點模擬偏差在10%以內(nèi)，處于可接受范圍。因此，該計算模型可較為準確地預測保溫箱內(nèi)的溫度分布。下文采用該計算機模擬技術分析不同材質(zhì)保溫箱內(nèi)部溫度場情況，以降低試驗成本。

2.2 不同材質(zhì)保溫箱的溫度場分析

選擇保溫箱材料的重要參數(shù)指標是導熱系數(shù)及隔熱性能，依據(jù)上述計算機仿真模型，對目前使用最廣泛的3種保溫材料的保溫箱溫度場進行比較與探討，分別是擠塑聚苯乙烯(XPS)、發(fā)泡聚氨酯(EPU)和真空隔熱板(VIP)。XPS是聚苯乙烯經(jīng)加熱擠塑形成的一種發(fā)泡硬質(zhì)塑料板，不同于發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)，XPS的導熱系數(shù)小于EPS；EPU的導熱系數(shù)略小于XPS，環(huán)?？山到?，但相對于XPS，價格較高；VIP利用填充芯材與真空保護表層復合而成，制造出接近真空的環(huán)境，有著極低的導熱系數(shù)，是目前世界上最先進的高效保溫材料，一般不單獨使用，常與EPU配合使用，由于VIP制成箱體形狀粘接困難且生產(chǎn)技術高，導致VIP價格達到EPU的10倍甚至幾十倍。

本研究假設保溫箱尺寸以及各項參數(shù)和模型一致，XPS、EPU和VIP的導熱系數(shù)分別取0.036，0.026，0.004 W/(m·K)，將建立好的模型導入到Fluent進行計算。

為了分析保溫箱內(nèi)溫度場分布情況，選取x軸坐標分別為0.1，0.3，0.5 m時的3個yOz平面的溫度場截圖，見圖6。從圖6可以看出，由于有保溫層的原因，在靠近壁面處的溫度最大，遠離壁面越靠近蓄冷劑溫度越低。當保溫材料為XPS時，溫度變化的趨勢與EPU基本相似，溫度場截面圖看不出明顯的差別。與此形成鮮明對比的是VIP保溫箱的溫度場截面圖，可以看到保溫箱內(nèi)部相同區(qū)域溫度明顯低于XPS和EPU保溫箱，熱量傳遞到箱體中間時，溫度下降速度明顯，箱體部分的傳熱區(qū)域?qū)ν饨鐪囟茸韪粜@著，證明了VIP的優(yōu)良阻熱效果。EPU和XPS的導熱系數(shù)分別是VIP的6.5倍和9.0倍，VIP對保溫箱的阻熱保溫效果遠遠大于傳統(tǒng)發(fā)泡保溫材料，從而可以延長保溫時間。另外，對3種材料保溫箱內(nèi)部溫度場分布進行比較，VIP保溫箱內(nèi)部溫度場分布接近蓄冷劑相變溫度區(qū)域更加廣泛，溫度分布均勻性更好。

以保溫箱中心點分別做x軸、y軸和z軸方向的直線，得到3個方向的溫度曲線，見圖7?？梢钥闯?，隨著材料導熱系數(shù)的增大(導熱系數(shù)VIP

圖6 溫度場截面圖Figure 6 Section of temperature field

圖7 不同保溫材料在3個方向上的溫度分布

圖7 The temperature distribution of different Thermal insulation material in the three directions

3 結(jié)論

本試驗建立了保溫箱保溫基本模型，利用Fluent軟件模擬了保溫箱保溫過程中的溫度場分布情況，并用實驗驗證了模型的準確性。結(jié)果表明保溫箱保溫過程中內(nèi)部溫度場分布十分不均勻，對3種保溫材料進行模擬發(fā)現(xiàn)，保溫材料對內(nèi)部溫度場有較大的影響，其中VIP材料導熱系數(shù)最低，VIP保溫箱內(nèi)部內(nèi)部各個區(qū)域溫度最低，最接近蓄冷劑相變溫度值，且溫度場分布最均勻。XPS保溫箱內(nèi)部各個區(qū)域溫度最高，溫度場分布均勻性最差。相同區(qū)域VIP保溫箱并未比EPU保溫箱隔熱性能優(yōu)越很多，而VIP的價格遠遠高于EPU和XPS，故根據(jù)保溫產(chǎn)品的具體要求選擇合適的保溫材料。

易腐食品對溫度要求高，采用保溫箱包裝方式可以解決產(chǎn)品溫控需求，操作方便、成本可控。不同材質(zhì)保溫箱內(nèi)溫度場分析為易腐食品保溫包裝性能評價提供依據(jù)。由于蓄冷劑擺放位置因素也會影響保溫箱內(nèi)溫度場分布情況，可以進一步對保溫箱內(nèi)溫度場分布展開深入研究，為易腐食品保溫箱包裝優(yōu)化設計提供科學依據(jù)。