2017, Vol. 49
引用本文 | doi: 10.16356/j.1005-2615.2017.01.004 |
随着社会和科技的发展，人们对食品营养价值的需求不断提高，冷藏运输工具及技术也得以发展[1-2]。冷藏集装箱所运载的货物主要有冷冻货和冷却货。其中冷却货物 (指果蔬等鲜活易腐货物) 对温度较为敏感，温度过高会腐烂变质，温度过低会冻伤[3]，故而保证运输途中箱内温度分布均匀且维持在一定范围内相当重要。
国内外学者针对箱内温度分布问题进行了大量研究，发现货物堆码方式[4-7]、送风参数[8]以及送风回风方式[9-10]对箱内温度分布均匀性有很大影响。大部分已有研究是从箱内冷空气流动性质展开的，而关于壁面传热对箱内温度分布的影响研究甚少。事实上，外界环境通过箱壁不断向箱内输入热量，不仅不利于箱内温度控制，而且对箱内温度场分布有很大影响。
传统冷藏集装箱采用聚氨酯作为隔热材料，导热系数为0.03 W/(m·K) 左右。而真空绝热板 (Vacuum insulation panel，VIP) 作为一种新型隔热材料，采用玻璃纤维芯材作为芯材，导热系数极低，热传导效率仅为传统绝热材料的1/3甚至1/10[11]。同聚氨酯相比，还具有厚度薄、体积小及重量轻的优点，广泛应用于冰箱、冷库、医用保温箱、航空航天和建筑等领域。目前针对真空绝热板应用方面的研究，大多侧重于其热工性能以及保温特性方面[12-15]。本文将真空绝热板全覆盖于冷藏集装箱壁面，采用数值模拟方法，对负载下冷藏集装箱进行理论建模，研究布置真空绝热板对箱内温度场分布的影响，并与传统保温材料 (聚氨酯) 进行对比分析。
1 物理模型建立 1.1 冷藏集装箱示意图本文以标准20 ft机械制冷冷藏集装箱为研究对象。箱体内部尺寸 (长×宽×高) 为5 440 mm×2 280 mm×2 310 mm；送风口在机组端壁面下侧，尺寸为2 260 mm×30 mm；回风口在壁面上端，尺寸为1 840 mm×130 mm。货物在集装箱内前后、左右对称布置，货物到侧壁间的距离a=300 mm，货物前后之间的距离b=450，货物左右之间的距离c=300，如图 1所示。
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图 1 冷藏集装箱三维示意图 Figure 1 Three-dimensional schematic diagram of reefer container |
1.2 模型假设
建立冷藏集装箱1:1等比例数学模型之前，为了便于计算，须对模型作以下简化假设：(1) 车厢内空气为牛顿流体，满足Boussinesq假设；(2) 货物为固体，且无内热源；(3) 箱内密封性良好；(4) 对T形槽进行了简化，忽略T形槽的导流效果；(5) 冷藏集装箱的进、回风口上有格栅，在计算过程中，忽略格栅对送风、回风的影响，送风口尺寸按2 280 mm×30 mm、回风口按2 280 mm×130 mm来计算。
1.3 物理计算模型简化后的冷藏集装箱物理计算模型，如图 2所示。
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图 2 物理计算模型 Figure 2 Physical calculation model |
在已建立的模型中，单独分析各区域内部以及区域与区域之间换热方式。主要换热方式见表 1，各材料物理性质见表 2。
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表 1 各区域热量传递主要形式 Table 1 Main forms of heat transfer in each region |
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表 2 材料物理性质 Table 2 Physical properties of materials |
1.4 边界条件及数值求解
本文选用速度入口边界条件，送风口速度设定为V=6 m/s，送风温度设定值为273.0 K。出口采用Outflow边界条件。针对黏性流动，内壁面采用无滑移边界条件。外界环境温度为T∞=295 K。当制冷系统释放的冷量与环境温度达到平衡时，箱内环境达到稳定状态[16]。总的换热系数是基于提供的各种传热热阻, 根据式 (1) 计算。
| $ \frac{1}{K}=\frac{1}{{{\alpha _1}}}+\sum {\frac{{{\delta _i}}}{{{\lambda _i}}}}+\frac{1}{{{\alpha _2}}} $ | (1) |
式中：K为传热系数；α1为环境与外壁面自然对流换热系数；α2为箱体内表面与内部气流对流换热系数；λi为各边界层的导入系数；δi为各边界层的厚度。
求解方法采用有限容积法，温度、压力和标准k-ε方程对流项均选用二阶迎风离散格式。添加浮升力的影响，重力加速度g取9.81 m/s2。
2 数值模拟结果将FLUENT模拟结果导入TECPLOT进行可视化处理，采用聚氨酯、真空绝热板为隔热材料的冷藏集装箱整体温度等值线云图，如图 3所示。
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图 3 整体温度分布图 Figure 3 Whole temperature distribution diagrams |
从FLUENT的模拟数据可以获得：真空绝热板冷藏集装箱内温度波动范围为273.0~273.8 K，最大温差约为0.8 K；聚氨酯冷藏集装箱内温度波动范围为273.0~277.5 K，最大温差为4.5 K。通过对比可以发现，采用真空绝热板作为隔热材料，冷藏集装箱箱内温度场均匀性能够明显改善。这是因为环境通过外边界向箱内传热时，由于真空绝热板具有超高热阻，能够有效地阻止室外热量进入冷藏集装箱内部。聚氨酯隔热性能较低，当外界环境不断向内部输入热量时，对箱内温度场分布影响较大。
箱内横截面X=2.62，1.31，0，-1.31，-2.62 m处温度的模拟结果如图 4所示。
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图 4 切面温度图 Figure 4 Temperature distribution diagrams of section |
从图 4可以发现：受外界环境向箱体传热的影响，冷藏集装箱箱内近壁处的温度最高，依次向内部逐渐降低。真空绝热板冷藏集装箱近壁面温度约为273.4 K, 聚氨酯冷藏集装箱近壁面处温度约为274.5 K，两者温差为1.1 K，由此可见真空绝热板阻热效果明显优于聚氨酯，能够提高冷藏集装箱内温度分布均匀度。
选取Y=0~1.1 m (侧面到对称面) 方向上各纵截面的最大温差和平均温度值，对这两种材料进行了比较，结果如图 5，6所示。
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图 5 切面温差 Figure 5 Temperature difference of section |
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图 6 切面平均温度 Figure 6 Average temperature of section |
从图 5可以看出：真空绝热板冷藏集装箱沿Y轴方向纵截面的最大温差明显小于聚氨酯冷藏集装箱。聚氨酯集装箱内温差较大，不利于冷藏货物保鲜控制，进而影响货物运输质量。
从图 6可以看出：受壁面传热影响，靠近壁面处的平均温度最高，从壁面到对称面的平均温度逐渐降低。同时也可以看出：真空绝热板冷藏集装箱沿Y轴方向纵截面的平均温度明显低于聚氨酯冷藏集装箱，两者差值在0.8 K左右。这说明采用真空绝热板作为隔热材料在提高保温性能的同时，能够明显改善箱内的温度场分布。
3 实验方法为验证模拟结果，对聚氨酯冷藏集装箱内部温度场分布情况进行了测试实验。本实验选择的温度传感器为T形热电偶，热电偶测量精度为±0.1 ℃。本文在集装箱内布置了15个热电偶温度测点，通过测取测点温度来大致描述冷藏集装箱内温度场的分布情况。实验中温度测量系统采用安捷伦34970A数据采集仪，将热电偶均匀布置在箱体内，在箱体长度方向上均匀选取3个截面，每个截面上均匀布置5个点，实际布置情况如图 7所示。设置箱内送风温度为273.0 K，环境温度为295.0 K。冷藏机组运行2 h后进入稳定工况，然后每隔3 min采集一组实验数据。
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图 7 箱内温度测点布局图 Figure 7 Locations of thermocouples inside container |
实验中测点对应坐标为：测点1(262, 0, 105.5)；测点2(262, -104, 0)；测点3(262, 0, -105.5)；测点4(262, 104, 0)；测点5(262, 0, 0)；测点6(0, 0, 105.5)；测点7(0, -104, 0)；测点8(0, 0, -105.5)；测点9(0, 104, 0)；测点10(0, 0, 0)；测点11(-262, 0, 105.5)；测点12(-262, -104, 0)；测点13(-262, 0, -105.5)；测点14(-262, 104, 0)；测点15(-262, 0, 0)。
4 结果对比与分析考虑冷藏集装箱箱内的对称性，选取测点1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13及15的温度进行对比。在仿真计算区域内选取与实验截面相对应处的测量点与实验进行比较。冷藏集装箱内测点温度实验值 (实测值为安捷伦设备的显示值) 与模拟值如表 3所示。
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表 3 温度实验值与模拟值对比 Table 3 Comparison of temperature in experiments and simulation |
由模拟结果与实验结果对比分析可知，箱内中部及前端误差不大，模拟结果与实测结果基本相吻合。然而对比测点11，12，13，15的模拟温度值与实验值，发现门端区域出现较大误差，误差约为0.4 ℃。这主要是因为模拟仿真时忽略了T形地板槽 (属于半覆盖式) 导流的效果，致使部分冷空气未到达T形槽尾端就受热空气浮生力的影响而向上流动，造成门端区域的模拟值低于实验测量值。
5 结论为了研究布置有真空绝热板的冷藏集装箱内温度分布规律，本文综合考虑运输过程中空气对流换热和外界对箱体传热的影响，采用两方程标准紊流模型和CFD工具对加入货物的冷藏集装箱温度场分布进行模拟仿真，得到以下结论：
(1) 布置有真空绝热板的冷藏集装箱内温差为0.8 K，明显小于聚氨酯冷藏集装箱内温差4.5 K，说明采用真空绝热板作为隔热材料能够提高箱内温度分布均匀度。
(2) 真空绝热板冷藏集装箱内平均温度要比聚氨酯冷藏集装箱低0.8 K左右，有利于货物冷藏。
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