一種新型冷藏車箱體模型的設計與實驗驗證

夏全剛 劉寶林 宋曉燕

(上海理工大學 生物系統(tǒng)熱科學研究所 上海 200093)

近年來，我國的農產品尤其是果蔬占據了巨大的物流市場，因為果蔬含水量高，保護組織差，易腐爛，為保證果疏的品質，需在貯藏、運輸和銷售過程中確保處于適當的低溫環(huán)境，尤其在運輸環(huán)節(jié)。公路冷藏運輸具有機動靈活，適應性強的特點，可減少中間環(huán)節(jié)能量的浪費。

目前國內公路運輸使用最廣泛的是機械式制冷冷藏汽車，但是無法解決頻繁的裝卸貨期間制冷量保存的問題。在這種情況下，具有蓄冷功能的相變材料冷藏汽車就出現了?，F有的蓄冷冷藏汽車是通過在箱體內部空間放置冰塊的方式蓄冷，一方面增加了車體的承重，另一方面裝卸貨期間冰水的來回搬運及溢出會造成果蔬的污染。新型復合相變材料冷藏汽車將相變材料密封在箱體的保溫層內部，一方面阻止外界的熱量進入箱體，與箱體內熱量自然對流換熱，內部溫度場相對恒定，另一方面利用自身的潛熱存儲制冷系統(tǒng)過剩的冷量，彌補了冰塊蓄冷的不足[1-10]。冷藏車箱體內溫度分布是保持果蔬新鮮品質的重要因素之一，通過對冷藏車內溫度場分布的模擬分析，能夠為實時監(jiān)測并控制箱體內部溫度提供一定的理論依據。本文基于蓄冷材料的上述特性，對冷藏車箱體模型進行了模擬分析與實驗驗證。

1 模型系統(tǒng)結構與工作原理

如圖1所示，因冷藏車體積較大，本實驗根據1DX型號集裝箱按照一定比例模型化設計。該系統(tǒng)包括12V直流電源、半導體制冷系統(tǒng)、保溫箱體、薄壁銅管、工字鋼、室內機風扇等。箱體內壁面中加入了具有蓄冷功能的復合相變材料，半導體制冷系統(tǒng)使箱體內溫度達到某一值后，通過溫度傳感器感應的信號傳給單片機，控制制冷系統(tǒng)的關閉，依靠復合相變材料的相變潛熱自動釋放冷量；當箱體中的相變材料蓄冷能力不足時，溫度傳感器采集到的溫度信號再次傳給單片機，讓制冷系統(tǒng)再次啟動，如此反復進行。本實驗選用各項性能穩(wěn)定的復合固液相變材料，同時采用導熱系數較高的薄壁銅管作為存儲管，避免了相變材料的泄漏；底部的工字鋼結構增加了其底部的承載能力[11-12]，保證其容納貨物的強度性能。

1金屬外殼 2 12V直流電源及單片機控制系統(tǒng)3半導體制冷系統(tǒng)4箱體外殼及低熱導率陶瓷纖維紙5高密度聚乙烯薄板6薄壁銅管及復合相變材料7箱體內壁8中空層

2 箱體傳熱模擬分析

2.1 箱體的傳熱計算分析

假設可以用0.8 mm的相變材料層代替薄壁銅管相變材料層；相變墻體與外界隔熱；固體結構是均質的和各項同性的；物性參數為常數；內熱源是均勻分布的；不考慮輻射的影響；滿足Boussinesq假設，即：流體中的黏性耗散忽略不計；除密度外，其他物性為常數[13-16]。

其控制方程為：

初始條件：t(x，y，z)=φ(x，y，z)

邊界條件：t(0，y，z，τ)=t(L1，y，z，τ)=t(x，0，z，τ)=t(x，L2，z，τ)=t(x，y，0，τ)=t(x，y，L3，τ)=t1

2.2 箱體的傳熱模擬分析

圖2為箱體在制冷系統(tǒng)關閉后，ansys軟件對箱體在0 ℃～20 ℃復溫模擬分析對照圖，由圖2(a)與圖2(b)對比及圖2(c)可知，具有較高潛熱的復合相變材料(混合烷烴)在升溫過程中能夠釋放自身的相變冷量，升溫緩慢，溫度分布相對比較均勻。經過40 min箱體壁面中蘊含的相變材料依靠自身相變釋放的冷量依然存儲在箱體內的大部分空間，表明復合相變材料的運用，不僅增強了箱體內部的蓄冷能力，而且能夠保證冷藏車內部的適宜溫度。

圖2 箱體復溫對比圖

3 箱體實驗對比分析

圖3 箱體空載實驗對比變化曲線

實驗采用相同的環(huán)境溫度，制冷系統(tǒng)經歷相同的啟閉時間，采用DAM-3039F溫度采集模塊(北京阿爾泰科技有限公司)每隔一秒采集一次，圖3(a)、(b)為自行設計的實驗臺實驗數據處理圖，總共運行時間為3.15 h，其中制冷運行1 h，A是制冷系統(tǒng)運行與關閉的臨界點；從圖中可以看出箱體保溫層外壁溫度(b)與外界空間溫度(a)的溫度波動區(qū)間不大，說明箱體的高密度聚乙烯薄板夾中空設計能夠滿足保溫性能。

圖3(a)中A區(qū)域開始升溫時，由于降溫階段固液相變儲能的影響，經歷短暫的溫度調節(jié)后，d曲線的升溫速率低于c曲線，升溫溫差高達5.5 ℃，這是因為復合相變材料在降溫過程中發(fā)生相變存儲冷量，利用自身的固液相變儲能這一特性保證了箱體的冷量緩慢釋放，給箱體內冷藏保鮮的果蔬提供了絕佳的冷藏環(huán)境；升溫階段，f曲線與e曲線相比，能夠延緩升溫速率，升溫溫差達到4.5 ℃，這是因為相變材料的蓄冷性能隨著溫度的升高開始發(fā)揮作用，能夠給壁面提供一定的冷量供應，阻滯了箱體內壁面的快速升溫。

通過圖3(b)中曲線(g)與曲線(h)對比發(fā)現：相同的時間內曲線(g)在降溫過程中能夠降到更低的溫度，在升溫過程中同樣具有更高的升溫速率，曲線(h)可延緩升溫，最大溫差可達5 ℃，這是由于在降溫階段，復合相變材料需要吸收一定的能量實現相變過程；在升溫階段，室內溫度升高到一定值時，利用自身相變冷量與箱體內部的溫升形成一定的自然對流，使箱體內部溫升達到一定均衡性與延緩性；通過曲線(g)與曲線(h)對比可知，A區(qū)域開始升溫8 min時，含有復合相變材料箱體內部冷量的存儲優(yōu)勢明顯。綜上所述，實驗箱體壁面升溫曲線與圖2(c)模擬結果比較的一致。

4 實驗驗證

4.1 實驗基本條件

實驗材料選用上海市南匯區(qū)的上海青(上海白菜)；將上海青分成3份,每份2顆，在是否添加相變材料并保證上海青不被凍傷的前提下，經歷相同的降溫、升溫過程；選取其中一片平整的葉子，將事先標記好的3根熱電偶(No.1、No.2、No.3)的測溫端用膠帶依次粘在其葉幫附近、葉脈附近、葉片處，標記如圖1所示；01、02號熱電偶測量箱體銅管壁的溫度變化，03、04、05號熱電偶采集箱體內部空間的冷熱溫度變化，06、07號熱電偶用于測量箱體外壁面及外界環(huán)境的溫度變化，如圖4所示。

圖4 熱電偶標記圖

4.2 實驗結果分析

圖5 不同部位溫度對比變化曲線

在保證葉幫處降溫相同的前提下，從圖5中可以看出，降溫過程差別不大，最終未添加相變材料的葉柄及葉片附近能夠降到更低的溫度；在升溫階段，由于復合相變材料的加入，葉幫附近，葉柄及葉片處能夠與箱體的冷量存儲形成自然對流及一定的輻射傳熱，阻滯了上海青的快速溫升過程，可能原因是相變材料的固液相變能夠吸收或釋放制冷系統(tǒng)的一部分冷量，延緩箱體內溫度的變化，有利于葉幫處的水分通過導管的運輸作用及時的送到葉柄及葉片處，減小了葉幫與葉柄及葉片處的溫差[17-18]；以圖5(b)葉柄處溫度變化為例來分析，可以看出在制冷系統(tǒng)關閉后，添加相變材料的箱體能夠延緩上海青3 ℃的溫升，這是由于在復溫過程中所吸收的熱量使分子有規(guī)則排列發(fā)生變化，導致分子結構渙散而呈現液態(tài)，從而延緩上海青表面自由水的蒸發(fā)。

5 結論

本文對冷藏車的箱體壁面的空間模型進行了理論計算、模擬及實驗驗證。通過分析可知：將一定量復合相變材料添加到冷藏車的箱體中能夠利用自身的固液相變性能增加箱體的蓄冷特性。實驗證明了外壁面溫度與外部空間環(huán)境溫度波動不大，說明保溫箱體的設計滿足實驗的要求。箱體內部空間及上海青的溫度變化曲線表明：將復合相變材料添加到冷藏車的箱體中，在升溫過程中使得空間環(huán)境升溫速率低于一般冷藏車箱體；葉幫附近，葉柄及葉片處能夠與箱體的冷量存儲形成自然對流及一定的輻射傳熱，阻滯了上海青的溫升過程；相變材料添加到箱體的壁面更加適合食品的冷藏保鮮功能。但是本文設計實驗中僅僅考慮了冷藏車的靜態(tài)模型，實驗研究跟實際的冷藏車箱體的冷藏保鮮研究還具有一定的差異，同時未考慮相變材料的重量對冷藏車的影響，實驗有待于進一步的改進。

本文受上海市東方學者跟蹤計劃項目資助。(The project was supported by Shanghai Oriental Scholar Tracking Plan.)

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