嵌套真空板冷藏箱体保温性能的建模分析

刘杰坤，陆华忠，李　君，吕盛坪，杨松夏，栗　栋，詹志勋

(1 华南农业大学 a 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，b 工程学院，广东 广州 510642)



嵌套真空板冷藏箱体保温性能的建模分析

刘杰坤，陆华忠，李君，吕盛坪，杨松夏，栗栋，詹志勋

(1 华南农业大学a南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，b工程学院，广东 广州 510642)

【目的】 研究嵌入真空隔热板(Vacuuminsulationpanel，VIP)冷藏箱体的热工性能。【方法】 采用圆热流法理论建立了箱体的传热系数计算模型，并对纯聚氨酯(Polyurethane，PU)箱体和不同VIP覆盖率箱体进行热箱法漏热试验，测定不同箱体的总传热系数并分析其保温性能的优劣。【结果】 嵌入VIP箱体总传热系数的理论计算与试验测试结果整体趋势基本保持一致,表明所建立的计算模型可用于分析冷藏运输箱体的保温性能。当VIP覆盖率为87.14%时，箱体总传热系数是纯PU箱体的68.57%，保温性能提高33%左右。VIP覆盖率从48.87%增加到87.14%，箱体总传热系数相应从0.445W/(m2·K)降低至0.336W/(m2·K)，间隙系数从1.23增大到1.36，箱体保温性能提高约25%。【结论】 嵌入VIP箱体的保温性能优于纯PU箱体，箱体间隙系数、保温性能与VIP的覆盖率成正比。采用VIP隔热材料能提高冷藏运输箱体的可利用容积率，降低运输能耗。

冷藏箱体；真空隔热板(VIP)；圆热流法；保温性能

South China Agricultural University,Guangzhou,Guangdong 510642,China)

冷藏运输箱是冷链运输中的主要工具，是保证运输低温环境的专用设备，其隔热性能的优劣直接影响到运输温度稳定性及能耗高低[1]。目前冷藏运输箱体普遍采用硬质聚氨酯泡沫(Polyurethane，PU)材料作为隔热材料，通常需要采用100～120mm厚的聚氨酯才能使箱体达到较好的隔热效果[2]。较厚的隔热材料不仅降低了箱体可利用容积率，而且增加了运输能耗。真空隔热板(Vacuuminsulationpanel，VIP)是一种新型绿色环保隔热材料，绝热保温性能优越[3]，欧美、日本、加拿大等国家已经将VIP材料应用于建筑、冰箱等领域中，表现出明显的节能优势，具有较好的潜在应用前景[4-5]。

开展真空隔热板在冷藏箱体上的应用探索研究，对提高冷藏运输箱体保温性能、实现节能减排目标具有重要的工程和科学意义[6]。阚安康[7]、刘喜城[8]提出在冷藏集装箱嵌入真空隔热板的2种方式以及在高端冷藏运输车嵌入真空隔热板的结构，这3种结构都是将真空隔热板一侧直接与内板接触，另一侧与聚氨酯接触。纪晴[9]指出真空隔热板应放在保温板中间，减轻外力冲击对真空隔热板造成损伤，并防止真空隔热板从内外壁板脱落，同时聚氨酯对真空隔热板形成良性包围，能充分发挥其隔热性能。文献[10-11]研究了真空板嵌入在冷藏车保温板中间的相关方法和集装箱复合保温层的结构设计。然而，目前有关真空隔热板在冷藏运输箱体中的研究主要偏向于结构设计，对真空隔热板嵌入在箱体内的热工性能研究较少。为此，本研究采用圆热流法理论分析真空隔热板在隔热壁结构中的传热过程，并对纯PU箱体和不同VIP覆盖率箱体进行热箱法漏热试验，旨在为真空隔热板在冷藏运输箱体上的应用研究提供相关技术参考。

1　材料与方法

1.1原料

试验箱体的流场结构采用“上出下进”方式，总尺寸(长×宽×高)为2.38m×1.28m×1.30m，箱体内部围护结构材料为12mm有机玻璃，其导热系数为0.213W/(m·K)。试验箱体所选风机型号为HYA250，额定功率0.25kW，最大静压860Pa，最大风量500m3/h，最大转速为2 800r/min，输入电压为380V(50Hz)。

试验过程中采用广州晖能环保材料有限公司生产的真空隔热板，芯材为二氧化硅，导热系数为 0.005W/(m·K)，厚度为25mm。硬质聚氨酯板采用广州耀光制冷设备公司生产的PU板，导热系数为0.04W/(m·K)，并利用硅胶将真空隔热板紧贴在硬质聚氨酯板上，嵌入到箱体隔热壁中间。整个试验箱体的结构如图1所示。

图 1　试验冷藏运输箱体结构示意图 1.回风口；2.风机；3.蒸发器室；4.进风口；5.T型槽；6.PU保温板；7.VIPFig.1　Schematic diagram of test refrigerated transport box1.Return air inlet;2.Fan;3.Evaporator chamber;4.Air intake;5.T-slot;6.Polyurethane;7.Vacuum insulation panel

1.2试验方法

试验材料为纯硬质聚氨酯板和不同覆盖率(覆盖率为48.87%，56.94%，66.23%，74.30%和 87.14%)真空板嵌套的保温材料冷藏箱体，比较这6种不同箱体的隔热保温性能。

漏热率采用热箱试验法[12]检测，将冷藏箱体置于无其他热源影响的室内，监控用的温度传感器(型号AQ3020，量程-20～80 ℃，精度±0.3 ℃)具有防热辐射保护，布置在距箱体内外表面0.1m处，箱体6个面的中心内、外各设1个，共12个。箱体内部采用电加热器为加热装置，避免加热元件直接辐射箱体内壁。为确保箱体内温度分布符合规定，通过1台电风扇使加热元件释放的热量可以在箱体内循环，并采用电功率表测试电加热器和风扇所消耗功率。箱体内的环境参数通过无纸记录仪(型号KH316G-NS2V3N)记录数据。

试验过程中箱体内空载，内部清洁、干燥，地板排水孔和蒸发器排水孔处于正常使用状态，门和通风装置按正常方式关闭。箱外空气保持流动，在箱体中部前方和后方距侧壁和箱顶100mm处所测风速不得超过2m/s，达到试验条件后稳定1h正式开始测量，每隔15min测量1次，连续测试时间不少于4h。

1.3漏热率计算

1.3.1理论计算对单纯隔热材料的箱体可采用多层均匀平壁导热稳定法计算箱体总传热系数。假设壁面很大，且温度只沿壁厚方向有变化，各层材质均匀，层间相互密接，则隔热壁的传热系数K[13-14]为：

(1)

式中：α1为隔热壁外侧面板的表面传热系数，W/(m2·K) ，计算时取α1=23.26W/(m2·K)；α2为隔热壁内侧面的表面传热系数，计算时取α2=17.45W/(m2·K)；δi为各层隔热材料的厚度，m；λi为各层隔热材料的导热系数，W/(m·K)。

对于复合隔热材料保温板的箱体，由于嵌入的真空板之间的接处存在一定的间隙，虽然该间隙有聚氨酯填充，但相对于左右两边的真空板其导热系数较大，在该间隙中易形成热桥，因此可采用圆热流法[15-16]进行计算，如图2所示，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分别为复合隔热材料保温板内部不同热流传递情况的区域。

图 2　复合隔热材料保温板传热示意图Fig.2　Diagram of heat transfer of insulating multilayer insulation panel

(2)

式中：Q1为温差1K时通过Ⅰ区的平均热流量，W/(m·K)；λ1为真空隔热板的导热系数，W/(m·K)；λ2为硬质聚氨酯板的导热系数，W/(m·K)；λ3为内壁板的导热系数，W/(m·K)；d为内壁板的厚度，m。

由于Ⅱ区和Ⅰ区是左右对称的，所以通过Ⅱ区的平均热流量Q2=Q1。

在Ⅲ区热流垂直于壁面呈直线流动，通过该区的平均热流量Q3为：

(3)

式中：l为真空隔热板的长度，m。

在Ⅳ区，即真空隔热板与真空隔热板形成的缝隙区间，通过该区的平均热流量Q4为：

(4)

一般真空隔热板的尺寸相对冷藏箱体隔热壁较小，其四周都被相邻的真空隔热板包围，即某一真空隔热板四周都存在间隙。因此，本研究引入间隙系数μ来反映真空隔热板四周存在缝隙的传热过程。整个隔热壁区间的传热系数K1可表示为：

(5)

式(5)为真空隔热板覆盖率达到100%时隔热壁的传热系数计算式。实际嵌套应用中，真空隔热板普遍非全覆盖衔接，此时可结合下式求解复合保温板隔热壁的传热系数，有：

(6)

式中：k1为复合保温板的传热系数，W/(m2·K)；k2为纯硬质聚氨酯板的传热系数，W/(m2·K)；s1为复合保温板的传热面积，m2；s2为硬质聚氨酯板的传热面积，m2。

根据计算所得各个隔热壁的传热系数，由式(6)可求出整个箱体的总平均传热系数。

1.3.2实际计算冷藏箱体的总漏热率U从箱体内外温度进入稳定状态后开始测试计算，并将持续时间不少于4h所测得的n次测量值代入下式计算：

(7)

式中：U为总漏热率，W/K；Ui为逐时漏热率，W/K；Qi为箱内电加热器逐时耗功，W；t1i为箱外空气逐时平均温度，℃；t2i为箱内空气逐时平均温度，℃。

箱体平均总传热系数的计算K2公式为：

(8)

2　结果与分析

2.1纯硬质聚氨酯箱体的传热系数与漏热率

试验箱体的隔热壁PU板是整体嵌入，块与块之间没有衔接缝隙。将各隔热壁的硬质聚氨酯厚度和传热面积按式(1)计算，可得各隔热壁理论传热系数如表1所示。

表 1　纯硬质聚氨酯箱体传热系数的计算值Table 1　Calculated heat transfer coefficients of pure PU box

如图3所示，试验每隔15min记录1次数据，箱体内加热功率为(329.19±4.39)W，箱体内外温度差为(38.94±1.99) ℃。结合式(7)和式(8)计算箱体总传热系数，可得该冷藏箱体实际平均总传热系数为(0.490±0.020)W/(m2·K)。

图 3　纯PU冷藏箱体漏热试验结果Fig.3　Heat leakage test for pure refrigerated box with PU

2.2不同覆盖率真空隔热板箱体的传热系数与漏热率

2.2.1覆盖率87.14%受试验箱体排气孔、接线等因素的限制，实际箱体VIP的最大平均覆盖率为87.14%。结合各隔热壁真空板覆盖分布，采用圆热流法计算得到各隔热壁理论传热系数如表2所示。相关参数取值为：真空板与真空板的缝隙c=5mm，真空隔热板长度l=800mm，真空隔热板厚度h=25mm，内壁板的厚度(有机玻璃厚度)d=12mm，间隙系数μ=1。

表 2　真空板覆盖率为87.14%时各隔热壁传热系数的计算Table 2　Calculated heat transfer coefficients of refrigerated box with VIPs coverage of 87.14%

漏热率稳态时的试验结果如图4所示，与纯硬质聚氨酯箱体相比，采用真空隔热板嵌套箱体内部的加热功率曲线变化平缓，可知其绝热性能有明显改善。箱体内总加热功率为(209.91±1.34)W，箱体内外温度差为(36.16±2.10) ℃。计算可知，该冷藏箱体实际平均总传热系数为(0.336 ±0.019)W/(m2·K)。

图 4　真空板覆盖率为87.14%时冷藏箱体的漏热试验结果Fig.4　Heat leakage test for refrigerated box with VIPs coverage of 87.14%

2.2.2覆盖率74.30%为避免破坏VIP且按VIP覆盖率最接近10%的递减规律，将前板的VIP换成PU板，使箱体VIP覆盖率由87.14%下降为74.30%。表3为真空板覆盖率为74.30%时箱体各隔热壁真空板的覆盖情况及根据圆热流法计算的理论传热系数。

表 3　真空板覆盖率为74.30%时各隔热壁传热系数的计算Table 3　Calculated heat transfer coefficients of refrigerated box with VIPs coverage of 74.3%

如图5所示，试验记录的箱体内总加热功率为(225.99±2.81)W，箱体内外温度差为(34.06±1.63) ℃。经过冷藏箱体整体总传热系数计算，可得箱体平均总传热系数为(0.383±0.018)W/(m2·K)。

图 5　真空板覆盖率为74.30%时冷藏箱体的漏热试验结果Fig.5　Heat leakage test of VIPs box with coverage of 74.30%

2.2.3覆盖率66.23%将门处的VIP换成PU板，使箱体VIP覆盖率由74.30%下降为66.23%。表4为真空板覆盖率为66.23%时各隔热壁中真空板的覆盖情况及理论传热系数的计算值。

表 4　真空板覆盖率为66.23%时各隔热壁传热系数的计算Table 4　Calculated heat transfer coefficients of refrigerated box with VIPs coverage of 66.23%

如图6所示，箱体内总加热功率为(256.06±1.71)W，箱体内外温度差为(36.32±1.96) ℃。计算可知该冷藏箱体平均总传热系数为(0.408±0.021)W/(m2·K)。

图 6　真空板覆盖率为66.23%时冷藏箱体的漏热试验结果Fig.6　Heat leakage test for refrigerated box with VIPs coverage of 66.23%

2.2.4覆盖率56.94%将VIP覆盖率为 87.14%箱体的右侧板和前板的VIP换成PU板，使冷藏箱体的VIP覆盖率为56.94%。各隔热壁真空板的覆盖情况及理论传热系数的计算值如表5所示。冷藏箱体的漏热试验结果如图7所示。

表 5　真空板覆盖率为56.94%时各隔热壁传热系数的计算Table 5　Calculated heat transfer coefficients of refrigerated box with VIPs coverage of 56.94%

由图7可知，试验测得箱体内总加热功率为(243.36±2.90)W，箱体内外温度差为(33.05±1.92) ℃，经过冷藏箱体整体总传热系数计算可知，该冷藏箱体平均总传热系数为(0.426±0.024)W/(m2·K)。

图 7　真空板覆盖率为56.94%时冷藏箱体的漏热试验结果Fig.7　Heat leakage test for refrigerated box with VIPs coverage of 56.94%

2.2.5覆盖率48.87%将VIP覆盖率为 87.14% 箱体的右侧板、门和前板的VIP换成PU板，此时箱体VIP覆盖率为48.87%。各隔热壁真空板的覆盖情况及根据圆热流法计算的理论传热系数如表6所示。冷藏箱体的漏热试验结果如图8所示。由图8可知，箱体内总加热功率为(252.59±6.97)W，箱体内外温度差为(32.81±1.83) ℃。计算可知该冷藏箱体平均总传热系数为(0.445±0.017)W/(m2·K) 。与VIP覆盖率87.14%，74.30%，66.23%，56.94%的箱体相比，覆盖率为48.87%时总加热功率的变异系数最大，为2.76%。

表 6　真空板覆盖率为48.87%时各隔热壁传热系数的计算Table 6　Calculated heat transfer coefficients of refrigerated box with VIPs coverage of 48.87%

2.3不同VIP覆盖率箱体总传热系数的比较

各种箱体总传热系数的理论值和实测值的对比曲线如图9所示。由图9可知，由于试验误差的影响，各种箱体的总传热系数的实测值均大于理论值，且整体趋势保持一致。由于VIP的传热系数小于硬质PU板的传热系数，因此纯PU箱体的总传热系数最大，保温性能最差，实测值是理论计算值的1.14倍。按实测值是理论值1.14倍的误差率计算不同VIP覆盖率箱体的总传热系数与间隙系数，得到不同箱体的间隙系数如表7所示。

图 8　真空板覆盖率为48.87%的漏热试验结果Fig.8　Heat leakage test for refrigerated box with VIPs coverage of 48.87%

图 9不同VIP覆盖率箱体总传热系数的

理论值与实测值比较

Fig.9Theoreticalandmeasuredvaluesof

transfercoefficients

由表7可知，不同箱体间隙系数与箱体的VIP覆盖率有关，箱体的VIP覆盖率越高，其间隙系数就越大。对同等规格VIP板材，箱体VIP的覆盖率越高，所需嵌入VIP板材的数目就越多，VIP与VIP之间的缝隙也越大，隔热壁中的热桥效应增加。箱体VIP覆盖率从48.87%增加到87.14%，其间隙系数相应从1.23增大到1.36。虽然间隙系数变大会导致热桥效应增加，但并未带来传热系数的增大，说明覆盖率是影响嵌套VIP箱体保温性能的决定性因素。

嵌有VIP箱体的保温性能与VIP的覆盖率成正比。VIP的覆盖率越高，箱体总传热系数越小，箱体保温性能越好。当箱体VIP覆盖率为87.14%时，箱体的总传热系数最小，为纯PU箱体实测值的68.57%，箱体保温性能提高33%左右；箱体VIP覆盖率为48.87%时，总传热系数为纯PU箱体实测值的90.8%，箱体保温性能提高约9%。不同真空板覆盖率箱体的总传热系数相比较，VIP覆盖率从48.87%提高到87.14%时，箱体保温性能提高了25%左右。

表 7　不同覆盖率箱体总传热系数与间隙系数Table 7　Transfer coefficients and gap coefficients of boxes with different coverages

3　结　论

1) 采用圆热流法理论进行嵌入真空隔热板隔热壁的传热系数建模，分析内部传热过程，并对纯PU箱体以及不同VIP覆盖率箱体进行漏热试验。结果表明，不同箱体总传热系数的理论计算值与实测值整体变化趋势保持一致。

2)VIP箱体的间隙系数与VIP的覆盖率有关。VIP箱体的覆盖率越高，所需VIP板材数目越多，隔热壁中的热桥效应增加，导致间隙系数变大。试验箱体的VIP覆盖率从48.87%增加到 87.14%，其间隙系数相应从1.23增大到1.36。

3) 嵌入VIP箱体的保温性能优于纯PU箱体的保温性能。在箱体底板和顶板厚度为100mm，其他隔热壁厚度为80mm、嵌入VIP板厚度为25mm的试验条件下，VIP覆盖率为87.14%时箱体的总传热系数是纯PU箱体的68.57%，保温性能可提高33%左右。箱体保温性能与VIP覆盖率成正比，即VIP覆盖率越大箱体保温性能越好，随着VIP的覆盖率从48.87%增加到87.14%，箱体的总传热系数从0.445W/(m2·K)降低到0.336W/(m2·K)，箱体保温性能提高约25%。

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Thermalinsulationmodelforrefrigeratedboxwithembeddedvacuuminsulationpanels

LIUJiekun,LUHuazhong,LIJun,LÜShengping,YANGSongxia,LIDong,ZHANZhixun

(aKey Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment,Ministry of Education;b College of Engineering,

【Objective】Thispaperstudiedthethermodynamicpropertyofarefrigeratedboxusingvacuuminsulationpanels(VIPs)asinsulatedsandwichelements. 【Method】Theheattransferprocessofinsulatingmultilayerpanelwasmodeledusingthecircularfluxmethod.Thenheatleakageexperimentwasconductedtoobtaintheglobalheattransfercoefficientsofthepanelwithpurepolyurethane(PU)orVIPscoveragetoanalyzethermalperformanceofdifferentboxes.【Result】Thecalculatedheattransfercoefficientsusingtheproposedmodelagreedwellwiththeexperimentaldata.Theproposedmodelingapproachcanbeappliedinthestudyofthermalconductivityandinsulationperformanceofanyrefrigeratedbox.Thetotalheattransfercoefficientoftherefrigeratedboxwith87.14%VIPscoveragewasreducedto68.57%comparedtothepurePUbox,a33%improvementwasobtained.Thetotalheattransfercoefficientwascorrespondinglyreducedfrom0.445W/(m2·K)to0.336W/(m2·K),thegapcoefficientwasincreasedfrom1.23to1.36,andtheinsulationefficiencywasincreasedby25%,asthecoverageofVIPsincreasedfrom48.87%to87.14%.【Conclusion】TheinsulationperformanceoftherefrigeratedboxwithVIPswasbetterthanthatwithpurePU.ThegapcoefficientandtheinsulationperformancewereproportionaltotheVIPscoveragerate.TherefrigeratedboxwithVIPsobtainedoptimalperformanceforspacesavingandenergyefficiency.

refrigeratedbox;vacuuminsulationpanel(VIP);circularfluxmethod;insulationperformance

网络出版时间:2016-07-1208:4510.13207/j.cnki.jnwafu.2016.08.033

2014-12-25

国家科技支撑计划项目(2013BAD19B01)；现代农业产业技术体系建设专项(CARS-33-13)

刘杰坤(1990-)，男，广东饶平人，在读硕士，主要从事农产品贮运与保鲜研究。E-mail：j2013307903@163.com

李君(1978-)，男，湖南祁阳人，副教授，硕士生导师，主要从事农业工程研究。E-mail：autojunli@scau.edu.cn

S229+.3

A

1671-9387(2016)08-0226-09

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160712.0845.066.html