冷链蓄冷保温箱性能优化数值模拟研究

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(哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院,黑龙江 哈尔滨 150028)

随着我国经济的崛起，冷链物流行业的蓬勃发展，对性能优异的蓄冷保温箱的研制也提出更高的要求[1-2]。蓄冷保温箱通过相变材料[3]储存冷量，可以较好的适用于中短途冷链运输[4]。现在对蓄冷保温箱的研究已有很多[5-8]，范中阳[9]等人通过实验研究了蓄冷板两种摆放形式对箱内环境温度和奶白菜中心温度的影响。田津津[10]等人对蓄冷板内共晶液的热力学特性进行了分析,并且建立了蓄冷板释冷的数学模型，模拟了NaCl蓄冷板在不同外界温度条件下的释冷过程,并且通过相关实验进行了验证。

本文利用Fluent软件对蓄冷保温箱的充冷、保冷过程进行了模拟。提出了一种锯齿形新型蓄冷板，并研究了不同尺寸新型蓄冷板的蓄释冷性能。同时模拟对比了蓄冷板的不同布置方式对箱内温度场均匀性的影响。对蓄冷保温箱的进一步优化与应用提供了一定的理论支持。

1 物理模型的建立

采用273 K温度段蓄冷剂，相变潜热为335 kJ/kg。平板蓄冷板尺寸为300 mm×300 mm×20 mm，蓄冷板材料为聚乙烯，壁厚为1 mm。在同等质量的蓄冷剂下，本文设计了一种锯齿状的新型蓄冷板，现对平板蓄冷板以及三种不同尺寸的新型蓄冷板的蓄释冷性能进行模拟，蓄冷板模型如图1所示，单位 mm。

保温箱尺寸为560 mm×460 mm×410 mm，其中保温材料厚度为30 mm，材料为聚氨酯。本文模拟了蓄冷保温箱在空载状态下不同的蓄冷板布置方式对箱体保冷性能影响，四种布置方式如图2所示。

为了便于分析，本文对物理模型作了如下假设：

(1)外界环境温度恒定且与保温箱之间换热系数为常数；

(2)相变过程中相变材料的密度、比热、导热系数、粘度保持不变；

(3)保温材料各向同性；

(4)忽略相变材料相变时因密度差产生的浮动；

(5)忽略各接触面的接触热阻。

2 数学模型的建立

数学模型可描述为:

质量守恒方程

动量守恒方程

能量守恒方程

式中ρ——密度/kg·m-3；

t——时间/s;

U——速度矢量；

μ——动力粘度/(kg·s)·m-2；

Su，Sv，Sw——源项；

ΔH——相变材料的潜热/J；

h——相变材料的显热/J；

λ——导热系数/W·(m·K)-1。

在数值计算过程中，通过液相体积分数来表示单位容积内液相组分的含量。液相体积分数β定义为

式中Tsolid——PCM凝固温度；

Tliquid——PCM融化温度。

3 初始条件和边界条件

模拟各蓄冷板蓄释冷性能时：(1)蓄冷时，蓄冷板初始温度为278 K，外界温度为263 K。(2)释冷时，蓄冷板初始温度为268 K，外界温度为303 K。

模拟不同蓄冷板摆放方式下箱内温度场时：箱体初始温度为273 K，外界环境温度为303 K。在配送过程中，外界环境的热量通过保温层进入箱体内部，相变蓄冷材料开始融化，吸收热量，维持箱内温度。

4 模拟结果与分析

4.1 蓄冷板蓄释冷

图3为各蓄冷板蓄冷量与时间的关系，相同蓄冷量下蓄冷板蓄冷完成时间越短蓄冷速率越大。平板蓄冷板、新型蓄冷板1、新型蓄冷板2、新型蓄冷板3的蓄冷完成时间分别为9 245 s、6 390 s、5 949 s、5 629 s。与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的蓄冷时间分别减少了30.8%、35.7%及39.1%。新型蓄冷板的与平板蓄冷板相比蓄冷速率都有明显的提升，其中新型蓄冷板3蓄冷速率最大。

图4为各蓄冷板释冷过程中释冷量与时间的关系。同理，相同释冷量下释冷完成时间越小释冷速率越大。平板蓄冷板、新型蓄冷板1、新型蓄冷板2、新型蓄冷板3的释冷完成时间分别为3 135 s、2 162 s、2 003 s、1 903 s。与平板蓄冷板相比，新型蓄冷板1、新型蓄冷板2、新型蓄冷板3的释冷完成时间分别减少了31%、36.1%及39.3%。新型蓄冷板与平板蓄冷板相比释冷速率都有明显提升，释冷速率越快表明换热能力越强，其中新型蓄冷板3换热能力最好，有利于维持箱内温度。

综上所述，新型蓄冷板3拥有着最快的蓄释冷速率，充冷最快，与箱体内部换热效果最好，故本文蓄冷保温箱采用新型蓄冷板3。

4.2 不同蓄冷板布置方式下箱体内温度场

图5是10 h时蓄冷保温箱内部温分布图。由图中可以看出，蓄冷板的摆放方式对保温箱内温度场的分布有着很大的影响。此时顶部布置、四周布置、重合布置、并列布置下蓄冷保温箱内平均温度分别为284.3 K、283.3 K、291.1 K、281.6 K。较低的平均温度表明蓄冷板所带走的从外界进入箱体内部的热量更多。同时从温度云图上可以看出并列摆放时箱体内部温度场最为均匀，温度梯度最小，其余布置方式次之。

综上所述，四种蓄冷板布置方式中并列布置时箱内的平均温度最低，温度场最为均匀，性能最好。其原因在于较好的保冷效果需要蓄冷板与箱内空气有较大的接触面积，同时蓄冷板在箱内分布均匀，这样蓄冷板可以最快也最均匀的吸收进入箱内的热量。

5 结语

本文在蓄冷板结构及蓄冷板布置方式两个方面

对蓄冷保温箱的性能进行优化，综合上述研究成果得出：

(1)在相同蓄冷量下,本文所设计的新型蓄冷板与平板蓄冷板相比，有着更好的蓄释冷性能，其中新型蓄冷板3性能最好。

(2)研究发现蓄冷保温箱内蓄冷板的布置方式对箱体保冷性能有着很大的影响，蓄冷板在箱内分布越均匀,与箱体内部换热面积越大，保冷性能越强。在本文的四种蓄冷板布置方式中，并列布置最优。