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(yè)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(nèi)，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(fā)揮著極其重要的作用。近年來，國內(nèi)外學者對無源保溫包裝保溫材料、環(huán)境溫度、蓄冷劑物性參數(shù)、無源保溫包裝數(shù)學模型和數(shù)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(fā)泡塑料(EPE)、發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)、擠塑聚苯乙烯(XPS)、真空隔熱板( VIP)、發(fā)泡聚氨酯(EPU)等。冷鏈運輸中，需根據(jù)商品性質(zhì)制造特殊的保溫材料，以達到運送要求[1-3]。不同環(huán)境溫度下，無源保溫包裝內(nèi)的溫度變化速率不同[4]。相變材料具有儲能密度大、溫度穩(wěn)定等優(yōu)點，發(fā)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(yè)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(shù)和比熱容等[6]，因此國內(nèi)外學者針對蓄冷劑物性參數(shù)進行了大量研究[7-9]。數(shù)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(huán)節(jié)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(fā)，分析溫度波動對保溫包裝內(nèi)溫度分布的影響，利用ANSYS軟件建立保溫包裝傳熱數(shù)學模型，對保溫包裝內(nèi)溫度場進行數(shù)值模擬并實驗驗證，采集不同環(huán)境溫度、不同保溫材料狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)，分析蓄冷劑的導熱系數(shù)、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(guī)范》，具體實驗步驟如下：一是調(diào)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(tài)，每30 s記錄1次數(shù)據(jù)。設置完成后，數(shù)據(jù)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(nèi)預冷5 h，使保溫包裝內(nèi)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(nèi)溫度穩(wěn)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(shù)據(jù)。五是改變外界環(huán)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(nèi)溫度的影響

不同外界環(huán)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(yōu)于EPE保溫包裝。30 min后，由于保溫箱溫度接近環(huán)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(huán)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(huán)境溫度對保溫包裝內(nèi)溫度的影響

EPS、EPE保溫包裝在不同環(huán)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(huán)境溫度下的溫度變化規(guī)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(huán)境溫差較大，保溫箱內(nèi)溫度迅速升高；10～30 min 時，隨著溫差逐漸減小，保溫包裝內(nèi)溫度隨時間上升趨勢逐漸減緩；30～90 min時，保溫包裝內(nèi)的溫度以極微小的幅度上升，曲線基本接近水平狀態(tài)。30℃時曲線斜率最大，20℃時曲線斜率最小。當外界環(huán)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(nèi)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(huán)境溫度接近，溫差較小，溫度變化緩慢。根據(jù)以上分析可知，保溫箱與環(huán)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(shù)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(nèi)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(shù)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(chǎn)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(shù)變化，認為箱體內(nèi)部的空氣熱物性參數(shù)及保溫箱箱體材料的各項參數(shù)不變，均采用常物性參數(shù)值，具體參數(shù)見表1；由于內(nèi)部空氣流速低，假設保溫箱內(nèi)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(nèi)溫度變化幅度較小，輻射處于平衡狀態(tài)，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(xiàn)象。

表1 蓄冷劑1材料系數(shù)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(nèi)外溫差，A為保溫箱的表面積，h1為外部氣體對流換熱系數(shù)，h2為內(nèi)部氣體對流換熱系數(shù)，λ1為保溫箱導熱系數(shù)，λ2為蓄冷劑導熱系數(shù)，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(nèi)表面表面積。

2.3 初始邊界條件

將劃分好的網(wǎng)格導入Fluent軟件中進行模擬。打開能量方程，由于保溫箱內(nèi)空氣流速較低，流動類型為層流，對其進行瞬態(tài)計算，選擇LES模型?？紤]到浮力的影響，設置環(huán)境重力加速度為9.8 m/s。設置初始條件，外界環(huán)境溫度設置為20℃，設置蓄冷劑初始溫度為3.5℃，箱體及內(nèi)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(nèi)壁面的接觸熱傳導系數(shù)為0.8 W/(m·K)。

2.4 數(shù)值模擬結果與分析

2.4.1 數(shù)值模擬結果

根據(jù)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(wěn)態(tài)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(huán)境條件下，通過蓄冷劑的制冷效果，保溫箱可以在70 min內(nèi)維持在8℃以內(nèi)。70 min時，保溫箱內(nèi)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(jīng)常使用冰作為蓄冷劑，具體參數(shù)見表2。在冰的基礎上，對蓄冷劑1改變參數(shù)進行研究，對影響蓄冷劑冷卻性能的3個因素，即導熱系數(shù)、比熱容和密度進行單因素分析，具體參數(shù)見表2。

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

蓄冷劑導熱系數(shù)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(nèi)溫度分布更為均勻，制冷效果較好。說明在蓄冷劑其他參數(shù)相同的條件下，導熱系數(shù)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(nèi)溫度分布更不均勻，制冷效果較差。說明在蓄冷劑其他參數(shù)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(nèi)溫度梯度大、溫度分布更不均勻。說明在蓄冷劑的其他參數(shù)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(huán)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(shù)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(shù)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(nèi)溫度與環(huán)境溫度溫差越大溫度變化越明顯。在相同環(huán)境條件下，EPS保溫箱保溫性能優(yōu)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(nèi)，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(nèi)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(shù)越大比熱容及密度越大，溫度分布越均勻，蓄冷效果越好。