冷鏈蓄冷保溫箱性能優(yōu)化數(shù)值模擬研究

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(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150028)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的崛起，冷鏈物流行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對性能優(yōu)異的蓄冷保溫箱的研制也提出更高的要求[1-2]。蓄冷保溫箱通過相變材料[3]儲存冷量，可以較好的適用于中短途冷鏈運輸[4]。現(xiàn)在對蓄冷保溫箱的研究已有很多[5-8]，范中陽[9]等人通過實驗研究了蓄冷板兩種擺放形式對箱內(nèi)環(huán)境溫度和奶白菜中心溫度的影響。田津津[10]等人對蓄冷板內(nèi)共晶液的熱力學(xué)特性進(jìn)行了分析,并且建立了蓄冷板釋冷的數(shù)學(xué)模型，模擬了NaCl蓄冷板在不同外界溫度條件下的釋冷過程,并且通過相關(guān)實驗進(jìn)行了驗證。

本文利用Fluent軟件對蓄冷保溫箱的充冷、保冷過程進(jìn)行了模擬。提出了一種鋸齒形新型蓄冷板，并研究了不同尺寸新型蓄冷板的蓄釋冷性能。同時模擬對比了蓄冷板的不同布置方式對箱內(nèi)溫度場均勻性的影響。對蓄冷保溫箱的進(jìn)一步優(yōu)化與應(yīng)用提供了一定的理論支持。

1 物理模型的建立

采用273 K溫度段蓄冷劑，相變潛熱為335 kJ/kg。平板蓄冷板尺寸為300 mm×300 mm×20 mm，蓄冷板材料為聚乙烯，壁厚為1 mm。在同等質(zhì)量的蓄冷劑下，本文設(shè)計了一種鋸齒狀的新型蓄冷板，現(xiàn)對平板蓄冷板以及三種不同尺寸的新型蓄冷板的蓄釋冷性能進(jìn)行模擬，蓄冷板模型如圖1所示，單位 mm。

保溫箱尺寸為560 mm×460 mm×410 mm，其中保溫材料厚度為30 mm，材料為聚氨酯。本文模擬了蓄冷保溫箱在空載狀態(tài)下不同的蓄冷板布置方式對箱體保冷性能影響，四種布置方式如圖2所示。

為了便于分析，本文對物理模型作了如下假設(shè)：

(1)外界環(huán)境溫度恒定且與保溫箱之間換熱系數(shù)為常數(shù)；

(2)相變過程中相變材料的密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度保持不變；

(3)保溫材料各向同性；

(4)忽略相變材料相變時因密度差產(chǎn)生的浮動；

(5)忽略各接觸面的接觸熱阻。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

數(shù)學(xué)模型可描述為:

質(zhì)量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

式中ρ——密度/kg·m-3；

t——時間/s;

U——速度矢量；

μ——動力粘度/(kg·s)·m-2；

Su，Sv，Sw——源項；

ΔH——相變材料的潛熱/J；

h——相變材料的顯熱/J；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·K)-1。

在數(shù)值計算過程中，通過液相體積分?jǐn)?shù)來表示單位容積內(nèi)液相組分的含量。液相體積分?jǐn)?shù)β定義為

式中Tsolid——PCM凝固溫度；

Tliquid——PCM融化溫度。

3 初始條件和邊界條件

模擬各蓄冷板蓄釋冷性能時：(1)蓄冷時，蓄冷板初始溫度為278 K，外界溫度為263 K。(2)釋冷時，蓄冷板初始溫度為268 K，外界溫度為303 K。

模擬不同蓄冷板擺放方式下箱內(nèi)溫度場時：箱體初始溫度為273 K，外界環(huán)境溫度為303 K。在配送過程中，外界環(huán)境的熱量通過保溫層進(jìn)入箱體內(nèi)部，相變蓄冷材料開始融化，吸收熱量，維持箱內(nèi)溫度。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 蓄冷板蓄釋冷

圖3為各蓄冷板蓄冷量與時間的關(guān)系，相同蓄冷量下蓄冷板蓄冷完成時間越短蓄冷速率越大。平板蓄冷板、新型蓄冷板1、新型蓄冷板2、新型蓄冷板3的蓄冷完成時間分別為9 245 s、6 390 s、5 949 s、5 629 s。與平板蓄冷板相比新型蓄冷板1、新型蓄冷板2、新型蓄冷板3的蓄冷時間分別減少了30.8%、35.7%及39.1%。新型蓄冷板的與平板蓄冷板相比蓄冷速率都有明顯的提升，其中新型蓄冷板3蓄冷速率最大。

圖4為各蓄冷板釋冷過程中釋冷量與時間的關(guān)系。同理，相同釋冷量下釋冷完成時間越小釋冷速率越大。平板蓄冷板、新型蓄冷板1、新型蓄冷板2、新型蓄冷板3的釋冷完成時間分別為3 135 s、2 162 s、2 003 s、1 903 s。與平板蓄冷板相比，新型蓄冷板1、新型蓄冷板2、新型蓄冷板3的釋冷完成時間分別減少了31%、36.1%及39.3%。新型蓄冷板與平板蓄冷板相比釋冷速率都有明顯提升，釋冷速率越快表明換熱能力越強，其中新型蓄冷板3換熱能力最好，有利于維持箱內(nèi)溫度。

綜上所述，新型蓄冷板3擁有著最快的蓄釋冷速率，充冷最快，與箱體內(nèi)部換熱效果最好，故本文蓄冷保溫箱采用新型蓄冷板3。

4.2 不同蓄冷板布置方式下箱體內(nèi)溫度場

圖5是10 h時蓄冷保溫箱內(nèi)部溫分布圖。由圖中可以看出，蓄冷板的擺放方式對保溫箱內(nèi)溫度場的分布有著很大的影響。此時頂部布置、四周布置、重合布置、并列布置下蓄冷保溫箱內(nèi)平均溫度分別為284.3 K、283.3 K、291.1 K、281.6 K。較低的平均溫度表明蓄冷板所帶走的從外界進(jìn)入箱體內(nèi)部的熱量更多。同時從溫度云圖上可以看出并列擺放時箱體內(nèi)部溫度場最為均勻，溫度梯度最小，其余布置方式次之。

綜上所述，四種蓄冷板布置方式中并列布置時箱內(nèi)的平均溫度最低，溫度場最為均勻，性能最好。其原因在于較好的保冷效果需要蓄冷板與箱內(nèi)空氣有較大的接觸面積，同時蓄冷板在箱內(nèi)分布均勻，這樣蓄冷板可以最快也最均勻的吸收進(jìn)入箱內(nèi)的熱量。

5 結(jié)語

本文在蓄冷板結(jié)構(gòu)及蓄冷板布置方式兩個方面

對蓄冷保溫箱的性能進(jìn)行優(yōu)化，綜合上述研究成果得出：

(1)在相同蓄冷量下,本文所設(shè)計的新型蓄冷板與平板蓄冷板相比，有著更好的蓄釋冷性能，其中新型蓄冷板3性能最好。

(2)研究發(fā)現(xiàn)蓄冷保溫箱內(nèi)蓄冷板的布置方式對箱體保冷性能有著很大的影響，蓄冷板在箱內(nèi)分布越均勻,與箱體內(nèi)部換熱面積越大，保冷性能越強。在本文的四種蓄冷板布置方式中，并列布置最優(yōu)。