大型包裝箱氮?dú)獬錃夥抡嫜芯?/h1>
2021-04-29 11:58:40
包裝學(xué)報(bào) 2021年1期
山西汾西重工有限責(zé)任公司
山西 太原 030027
1 研究背景
包裝箱常用于產(chǎn)品的包裝、運(yùn)輸和貯存。工業(yè)生產(chǎn)中，部分產(chǎn)品需要在特定的氣氛環(huán)境中工作及儲(chǔ)運(yùn)，因此，需要對(duì)包裝箱內(nèi)的氣體進(jìn)行置換處理，使氣氛環(huán)境滿足產(chǎn)品的工作和存儲(chǔ)需求。置換氣體通常采用的氣體有二氧化碳、水蒸氣和氮?dú)?，其中氮?dú)鈶?yīng)用廣泛，適用于各種溫度，且對(duì)管道與裝置的要求也沒(méi)有二氧化碳、水蒸氣苛刻，是工業(yè)生產(chǎn)中較為理想的置換氣體[1-2]。
在進(jìn)行氣體置換過(guò)程中，常需要根據(jù)包裝箱和產(chǎn)品的尺寸大小、耐壓能力以及抽充氣設(shè)備性能等條件，選擇適當(dāng)?shù)闹脫Q方式。目前，大型包裝箱氣體置換方式主要有兩種，即先抽真空后充氣和邊抽氣邊充氣。其中，邊抽氣邊充氣的氣體置換方式由于其工作速度相對(duì)較高而得到普遍應(yīng)用，其工作原理如圖1所示。邊抽氣邊充氣的氣體置換方式能夠調(diào)整充氣速度，快速排除空氣，但也存在氮?dú)饫速M(fèi)較大的問(wèn)題。
圖1 包裝箱氮?dú)庵脫Q過(guò)程模擬Fig.1 Nitrogen displacement process simulation of box
氮?dú)庵脫Q的關(guān)鍵是怎樣科學(xué)有效、經(jīng)濟(jì)安全地將包裝箱內(nèi)的空氣置換完全。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)氮?dú)庵脫Q規(guī)律的研究較少，有關(guān)行業(yè)對(duì)其也沒(méi)有明確的規(guī)范要求，置換的操作過(guò)程多憑經(jīng)驗(yàn)，存在很大的盲目性，易造成人力、物力及成本的浪費(fèi)。因此，有必要對(duì)氮?dú)庵脫Q過(guò)程中的充氣速度、進(jìn)氣排氣口直徑以及充氣排氣口位置等影響因素進(jìn)行研究，以得到較為經(jīng)濟(jì)的充氮?dú)夥绞絒3]。
Cui M.L.等[4]結(jié)合多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)天然氣輸送管道投產(chǎn)置換過(guò)程進(jìn)行了創(chuàng)新，包括自創(chuàng)了輸氣管道投產(chǎn)所需注氮量的計(jì)算公式，將輸氣站場(chǎng)的并列管道由依次氮?dú)庵脫Q方式改為同時(shí)置換方式，取消了站場(chǎng)放空和排污管線的氮?dú)庵脫Q等。這些創(chuàng)新既有科學(xué)依據(jù)又有以往投產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的支持，使輸氣站場(chǎng)氮?dú)庵脫Q的效率顯著提升，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。鄭震宇等[5]基于CFD（computational fluid dynamics）數(shù)值仿真方法，對(duì)氮?dú)庵脫Q有限空間內(nèi)空氣的過(guò)程進(jìn)行仿真和分析，并研究進(jìn)口面積、形狀和流速對(duì)置換過(guò)程的影響。張繼兵等[6]針對(duì)氣體置換煤層氣的方式進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理，提高了煤層氣的采收率，保證了現(xiàn)場(chǎng)的安全性。柴多等[7]采用Fluent模擬軟件對(duì)氮?dú)庵脫Q過(guò)程中的混氣段進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)氣體混合長(zhǎng)度與管徑、管長(zhǎng)間的關(guān)系進(jìn)行研究。張杰[8]針對(duì)采空區(qū)有害氣體處理難點(diǎn)，介紹了氮?dú)庵脫Q處理采空區(qū)的有害氣體技術(shù)。以上研究和分析多應(yīng)用于天燃?xì)獾拈L(zhǎng)輸管道[9]，對(duì)密封包裝箱氣體置換的研究報(bào)道相對(duì)較少[10]。
包裝箱的特征與管道不同，一方面其尺寸較大，存在充氣口、排氣口；另一方面需長(zhǎng)時(shí)間密封存儲(chǔ)、定期檢查箱內(nèi)氣壓。盧立新等[11]分析了盒式氣調(diào)包裝的氣管置入位置與氣管數(shù)量對(duì)氣體置換性能的影響，優(yōu)化了抽氣孔的布置方式，但其僅應(yīng)用于小產(chǎn)品包裝，不適用于大尺寸產(chǎn)品的氣體置換。李芳等[12-13]采用數(shù)值模擬和理論計(jì)算兩種方法分別對(duì)“充放同時(shí)進(jìn)行”和“抽氣+保壓+充氣+保壓”兩種氣體置換方式進(jìn)行研究，但未考慮充氣速度、充氣口直徑、排氣口等因素對(duì)氣體置換的影響。
本研究基于Fluent組分運(yùn)輸模型，對(duì)二維包裝箱模型氮?dú)庵脫Q氣體的影響因素進(jìn)行分析，包括充氣速度、排氣口直徑、排氣口位置等，進(jìn)而推廣到三維模型，并與實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比研究。
2 計(jì)算模型
包裝箱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后，采用二維模型進(jìn)行仿真計(jì)算，尺寸為632 mm×3500 mm。采用ICEM軟件對(duì)包裝箱模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義邊界條件，得到的計(jì)算模型如圖2所示。
圖2 計(jì)算域模型Fig.2 Computational domain model
計(jì)算域模型邊界條件設(shè)置如下：充氣入口為pressure-inlet類(lèi)型，放氣出口為pressure-outlet類(lèi)型，包裝箱壁面為wall類(lèi)型，操作壓力為1.013 25×105Pa，在豎直方向上考慮重力及浮力的影響，將Viscous Model控制面板下的Full Buoyancy Effects選項(xiàng)打開(kāi)。本研究忽略空氣中二氧化碳、水蒸氣等影響，只考慮氧氣、氮?dú)獾拇嬖?，假設(shè)氧氣與氮?dú)怏w積比為0.23：0.77。初始化流場(chǎng)后如圖3所示。
圖3 初始化氧氣、氮?dú)夥植糉ig.3 Initializing oxygen and nitrogen distribution
3 影響因素分析
包裝箱充氣置換過(guò)程中，主要影響因素為充氣速度（即充氣壓力）、充氣排氣口直徑及其位置?？紤]到研究中采用標(biāo)準(zhǔn)氣壓表充氣、包裝箱設(shè)計(jì)時(shí)充氣口位置已定，因此，本研究中只對(duì)充氣速度、排氣口直徑、排氣口位置進(jìn)行分析，研究其影響規(guī)律。
3.1 充氣速度
在包裝箱充氣過(guò)程的實(shí)際操作中，充氣壓力一般不會(huì)過(guò)大，這是因?yàn)閴毫^(guò)大會(huì)造成氣泵或氣瓶處充氣壓力表出現(xiàn)反映過(guò)慢、壓力值不準(zhǔn)確的情況。因此，充氣速度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，本研究取3種不同速度（1, 5, 10 m/s）進(jìn)行研究。表1反映了在不同時(shí)間和充氣速度下包裝箱內(nèi)充入的氮?dú)饬俊?/p>
表1 不同充氣速度下氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)對(duì)照表Table 1 Comparison of nitrogen volume fraction at different inflation rates %
由表1可知，氮?dú)夂侩S充氣時(shí)間、充氣速度增大而增大。充氣速度較小時(shí)，充氣耗時(shí)長(zhǎng)，且不能完全置換氣體；充氣速度較大時(shí)，能在短時(shí)間內(nèi)完成氣體置換。
為進(jìn)一步探究不同充氣速度、不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)充入氮?dú)獾那闆r，本研究在二維模型下，相同計(jì)算域、不同充氣速度時(shí)進(jìn)行充氣模擬，獲得氮?dú)夥植记闆r。
3.1.1 充氣速度為1 m/s
當(dāng)充氣速度為1 m/s時(shí)，不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)部氮?dú)?、氧氣分布如圖4所示。
圖4 充氣速度為1 m/s時(shí)氮?dú)狻⒀鯕夥植紙DFig.4 Nitrogen and oxygen distribution when charging speed is 1 m/s
由圖4可知，考慮到氮?dú)饷芏嚷孕∮谘鯕饷芏龋约爸亓?、浮力影響，?dāng)充氣速度較小時(shí)，充入的氮?dú)馍细。缮贤屡懦霭b箱內(nèi)的氧氣，此時(shí)應(yīng)盡可能降低排氣口在包裝箱端面處的位置。同時(shí)，由圖4c～d可以看出，緩慢充氣時(shí)，包裝箱充氣口下方位置處的氧氣含量一直較大，氧氣較難排除，故考慮在充氣口下方增加排氣口。
3.1.2 充氣速度為5 m/s
當(dāng)充氣速度為5 m/s時(shí)，不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)部氮?dú)狻⒀鯕夥植既鐖D5所示。
圖5 充氣速度為5 m/s時(shí)氮?dú)?、氧氣分布圖Fig.5 Nitrogen and oxygen distribution when charging speed is 5 m/s
由圖5可知，當(dāng)充氣速度增大時(shí)，包裝箱內(nèi)部氣壓快速增加，氮?dú)庵脫Q速度也相應(yīng)加快，能夠較短時(shí)間內(nèi)完成充氣置換。氮?dú)鈴某錃饪谝粋?cè)將空氣擠壓出排氣口，氮?dú)鉂舛戎饾u增大（氧氣含量減少）。
3.1.3 充氣速度為10 m/s
當(dāng)充氣速度為10 m/s時(shí)，不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)部氮?dú)?、氧氣分布如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)充氣速度較大時(shí)，氧氣快速排出，包裝箱充氣口上部氣壓較大，使得充氣氣流向下發(fā)生彎曲。同時(shí)對(duì)比圖4d,5d, 6d可知，在充氣氣流下方（或者上方位置）出現(xiàn)回流，能夠?qū)⒃撎幯鯕馀懦?，但相反部位處氧氣集中難于排出。
圖6 充氣速度為10 m/s時(shí)氮?dú)?、氧氣分布圖Fig.6 Nitrogen and oxygen distribution when charging speed is 10 m/s
因此，在實(shí)際充氣過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)避免充氣速度過(guò)快，過(guò)快會(huì)導(dǎo)致氮?dú)膺M(jìn)入包裝箱后對(duì)內(nèi)部氣體擾動(dòng)較大、氣流紊亂，氣壓快速升高，不利于氣體均衡排出，且存在一定的安全隱患；充氣速度過(guò)小，氣流平穩(wěn)但耗時(shí)較長(zhǎng)；均衡考慮充氣速度選擇5 m/s為宜，內(nèi)部空氣能夠緩慢排出，同時(shí)在氧氣堆積難排出的位置適當(dāng)增加排氣口，有效排出氧氣。
3.2 排氣口直徑
通常認(rèn)為，當(dāng)充氣速度一定時(shí)，相同內(nèi)壓下，充氣口直徑越大空氣排出越快，氣體能夠快速置換。因此，本研究在充氣速度（5 m/s）不變的情況下，通過(guò)增大排氣口直徑進(jìn)行模擬對(duì)比，結(jié)果如表2～3所示。
表2 不同直徑排氣口質(zhì)量流速率對(duì)比Table 2 Comparison of mass flow rate of exhaust ports with different diameters
表3 不同直徑排氣口氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)對(duì)照表Table 3 Comparison of nitrogen volume fraction of different exhaust port diameters %
表2反映了不同尺寸的排氣口充氣與排氣質(zhì)量流速率的變化。通過(guò)對(duì)比兩種排氣口直徑的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，單位時(shí)間內(nèi)充氣、排氣近似持平，氣體通量一致，達(dá)到了穩(wěn)態(tài)氣體置換。
表3反映了排氣口直徑變化對(duì)氮?dú)庵脫Q的影響。通過(guò)對(duì)比兩種排氣口直徑的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，同一時(shí)間充入氮?dú)饬看笾孪嗤淖兣艢饪谥睆酱笮?duì)提高氮?dú)庵脫Q率影響不大。
進(jìn)一步分析排氣口直徑增大后，包裝箱內(nèi)部氮?dú)?、氧氣分布模擬如圖7所示。
圖7 排氣口增大后氮?dú)狻⒀鯕夥植紙DFig.7 Nitrogen and oxygen distribution after enlarging exhaust port
對(duì)比圖5與圖7可知，同一充氣速度下，改變排氣口尺寸大小對(duì)氮?dú)庵脫Q影響不大。定性分析可知，進(jìn)氣與排氣氣體通量相等，排氣口尺寸大則相應(yīng)的排氣速度小，排氣口尺寸小則相應(yīng)的排氣速度大。考慮到實(shí)際生產(chǎn)加工排氣閥等結(jié)構(gòu)件，對(duì)其尺寸也有嚴(yán)格的約束限制，不會(huì)發(fā)生較大的變化，因此，可以忽略排氣口尺寸對(duì)氮?dú)庵脫Q的影響，但其位置對(duì)充分排出氧氣影響較大。
3.3 排氣口位置
在前面研究充氣速度和排氣口直徑的基礎(chǔ)上，對(duì)圖2的計(jì)算域模型進(jìn)行調(diào)整，降低右端面排氣口位置、并在左端面增加排氣口，結(jié)果如圖8所示。
圖8 排氣口改變后計(jì)算域模型Fig.8 Computational domain model after changing exhaust port
根據(jù)調(diào)整的計(jì)算域模型，在相同的充氣速度（5 m/s）下，分析降低排氣口位置和增加排氣口對(duì)充入氮?dú)獾挠绊?，?jì)算結(jié)果如表4所示。
表4 排氣口情況對(duì)氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)的影響Table 4 Influence of exhaust port position on nitrogen volume fraction %
由表4可知，排氣口的位置降低，氮?dú)庵脫Q率基本不變；但在充氣口附近增加排氣口則不利于氮?dú)庵脫Q率的提高，這是因?yàn)楫?dāng)?shù)獨(dú)膺M(jìn)入包裝箱內(nèi)部時(shí)，部分氮?dú)鈴某錃饪诟浇呐艢饪谂懦?，反而降低了氮?dú)庵脫Q效率。
進(jìn)一步研究二維模型充氣模擬情況。只降低排氣口位置，在充氣速度為5 m/s的條件下，不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)氮?dú)獬淙肭闆r模擬如圖9所示。
圖9 排氣口位置降低后氮?dú)?、氧氣分布圖Fig.9 Nitrogen and oxygen distribution after lowering exhaust port position
對(duì)比圖5與圖9可知，排氣口位置降低后，排氣更均勻，箱內(nèi)氧氣緩慢從箱體下方排出，且排出較充分。綜合考慮，排氣口位置設(shè)在包裝箱右端面下方是比較理想的置換方式。
降低排氣口位置、并在充氣口下方增加一處排氣口，在充氣速度為5 m/s的條件下，不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)氮?dú)獬淙肭闆r模擬如圖10所示。對(duì)比圖9～10可知，雖然增加排氣口使充氣口下方的氧氣能順利排出，但氮?dú)膺€未充滿包裝箱，部分氮?dú)獗銖某錃饪谙路降呐艢饪谥苯优懦?，反而降低了氣體置換效率。因此，通過(guò)在充氣口下方增加排氣口不利于提高氮?dú)獾闹脫Q率。
圖10 排氣口降低并增加后氮?dú)狻⒀鯕夥植紙DFig.10 Nitrogen and oxygen distribution after lowering and adding exhaust port
綜上，通過(guò)在二維模型下對(duì)包裝箱內(nèi)氮?dú)庵脫Q率影響因素的計(jì)算模擬分析，得到如下結(jié)論：1）氮?dú)庵脫Q速度隨著充氣速度增大而增大，但速度過(guò)大會(huì)造成包裝箱內(nèi)部氣體紊亂，氣壓快速提高，存在一定安全隱患；2）排氣口直徑對(duì)提高氮?dú)庵脫Q速度影響較小；3）排氣口位置對(duì)提高置換速度影響較小，但降低其位置有利于平穩(wěn)均勻地排氣。
4 三維包裝箱的充氣模擬及實(shí)踐
基于前面對(duì)二維模型的研究，三維包裝箱的計(jì)算域模型如圖11所示。包裝箱尺寸為3500 mm×632 mm×632 mm，充氣口直徑為32 mm，位于前端蓋中心處，排氣口直徑為32 mm，位于后端蓋底部，距底面100 mm。本研究對(duì)三維包裝箱進(jìn)行氮?dú)庵脫Q模擬試驗(yàn)（充氣速度5 m/s），不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)充入氮?dú)饬咳鐖D12所示。
圖11 三維包裝箱計(jì)算域模型Fig.11 Computational domain model for three-dimensional packaging box
圖12 氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化圖Fig.12 Diagram of nitrogen volume fraction changing
圖12中曲線的斜率可以直觀表明氮?dú)庠黾拥目炻ｋS著充氣時(shí)間的延長(zhǎng)，氮?dú)庠黾铀俾手饾u減小，包裝箱內(nèi)部氣體增多，壓力逐漸增大，從而導(dǎo)致氮?dú)獬淙肓繙p緩，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。
三維包裝箱在不同時(shí)刻的充氣模擬情況如圖13所示，可以直觀反映箱體內(nèi)氮?dú)獾姆植肌?/p>
圖13 三維包裝箱的氮?dú)狻⒀鯕夥植紙DFig.13 Nitrogen and oxygen distribution of three-dimensional packaging box
由圖13可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，箱體內(nèi)氮?dú)鉂舛戎饾u增大。由于充氣口雷諾數(shù)已經(jīng)超過(guò)層流范圍且氮?dú)饷芏嚷孕∮谘鯕?，在紊流擴(kuò)散和浮力作用下，氮?dú)庀蛏蠑U(kuò)散，箱體上部首先充滿氮?dú)猓焕^續(xù)充氣氣體逐漸下壓擴(kuò)散，充滿箱體。
根據(jù)三維包裝箱的尺寸定制包裝箱進(jìn)行實(shí)踐操作。在氮?dú)庵脫Q氣體過(guò)程的實(shí)際操作中，通過(guò)調(diào)整氮?dú)馄康某錃鈮毫Λ@得合適的充氣速度，并用壓力計(jì)檢測(cè)包裝箱內(nèi)的充氣壓力，采用邊抽氣邊充氣的方式進(jìn)行實(shí)踐測(cè)試。當(dāng)包裝箱內(nèi)氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)達(dá)到98.5%時(shí)，充氣時(shí)間約為15 min，這與三維包裝箱模擬值較為接近。因此，本研究的包裝箱氮?dú)獬錃夥抡婺M對(duì)實(shí)際操作具有一定的理論參考作用。
5 結(jié)論
本研究對(duì)包裝箱氮?dú)庵脫Q氣體的影響因素進(jìn)行分析，包括充氣速度、排氣口直徑以及排氣口位置，通過(guò)Fluent軟件進(jìn)行了二維及三維模型充氣模擬，得到以下結(jié)論。
1）氮?dú)庵脫Q速度隨充氣速度增大而加快，但速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致氣流紊亂，氣壓快速升高，不利于氣體均勻排出，且存在一定的安全隱患；充氣速度過(guò)小，氣流平穩(wěn)，但耗時(shí)較長(zhǎng)；均衡考慮充氣速度選擇5 m/s為宜。
2）在充氣速度一定的條件下，排氣口直徑大小對(duì)氮?dú)庵脫Q速度的提高影響較小，但降低排氣口位置有利于均勻排氣。
3）在三維包裝箱體氮?dú)庵脫Q氣體的仿真分析中，氮?dú)馐紫瘸錆M箱體上部，再逐漸下移排出空氣；氮?dú)庵脫Q速率隨時(shí)間增加逐漸減小，氮?dú)獬淙肓恐饾u趨于平穩(wěn)。
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在進(jìn)行氣體置換過(guò)程中，常需要根據(jù)包裝箱和產(chǎn)品的尺寸大小、耐壓能力以及抽充氣設(shè)備性能等條件，選擇適當(dāng)?shù)闹脫Q方式。目前，大型包裝箱氣體置換方式主要有兩種，即先抽真空后充氣和邊抽氣邊充氣。其中，邊抽氣邊充氣的氣體置換方式由于其工作速度相對(duì)較高而得到普遍應(yīng)用，其工作原理如圖1所示。邊抽氣邊充氣的氣體置換方式能夠調(diào)整充氣速度，快速排除空氣，但也存在氮?dú)饫速M(fèi)較大的問(wèn)題。
圖1 包裝箱氮?dú)庵脫Q過(guò)程模擬Fig.1 Nitrogen displacement process simulation of box
氮?dú)庵脫Q的關(guān)鍵是怎樣科學(xué)有效、經(jīng)濟(jì)安全地將包裝箱內(nèi)的空氣置換完全。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)氮?dú)庵脫Q規(guī)律的研究較少，有關(guān)行業(yè)對(duì)其也沒(méi)有明確的規(guī)范要求，置換的操作過(guò)程多憑經(jīng)驗(yàn)，存在很大的盲目性，易造成人力、物力及成本的浪費(fèi)。因此，有必要對(duì)氮?dú)庵脫Q過(guò)程中的充氣速度、進(jìn)氣排氣口直徑以及充氣排氣口位置等影響因素進(jìn)行研究，以得到較為經(jīng)濟(jì)的充氮?dú)夥绞絒3]。
Cui M.L.等[4]結(jié)合多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)天然氣輸送管道投產(chǎn)置換過(guò)程進(jìn)行了創(chuàng)新，包括自創(chuàng)了輸氣管道投產(chǎn)所需注氮量的計(jì)算公式，將輸氣站場(chǎng)的并列管道由依次氮?dú)庵脫Q方式改為同時(shí)置換方式，取消了站場(chǎng)放空和排污管線的氮?dú)庵脫Q等。這些創(chuàng)新既有科學(xué)依據(jù)又有以往投產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的支持，使輸氣站場(chǎng)氮?dú)庵脫Q的效率顯著提升，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。鄭震宇等[5]基于CFD（computational fluid dynamics）數(shù)值仿真方法，對(duì)氮?dú)庵脫Q有限空間內(nèi)空氣的過(guò)程進(jìn)行仿真和分析，并研究進(jìn)口面積、形狀和流速對(duì)置換過(guò)程的影響。張繼兵等[6]針對(duì)氣體置換煤層氣的方式進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理，提高了煤層氣的采收率，保證了現(xiàn)場(chǎng)的安全性。柴多等[7]采用Fluent模擬軟件對(duì)氮?dú)庵脫Q過(guò)程中的混氣段進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)氣體混合長(zhǎng)度與管徑、管長(zhǎng)間的關(guān)系進(jìn)行研究。張杰[8]針對(duì)采空區(qū)有害氣體處理難點(diǎn)，介紹了氮?dú)庵脫Q處理采空區(qū)的有害氣體技術(shù)。以上研究和分析多應(yīng)用于天燃?xì)獾拈L(zhǎng)輸管道[9]，對(duì)密封包裝箱氣體置換的研究報(bào)道相對(duì)較少[10]。
包裝箱的特征與管道不同，一方面其尺寸較大，存在充氣口、排氣口；另一方面需長(zhǎng)時(shí)間密封存儲(chǔ)、定期檢查箱內(nèi)氣壓。盧立新等[11]分析了盒式氣調(diào)包裝的氣管置入位置與氣管數(shù)量對(duì)氣體置換性能的影響，優(yōu)化了抽氣孔的布置方式，但其僅應(yīng)用于小產(chǎn)品包裝，不適用于大尺寸產(chǎn)品的氣體置換。李芳等[12-13]采用數(shù)值模擬和理論計(jì)算兩種方法分別對(duì)“充放同時(shí)進(jìn)行”和“抽氣+保壓+充氣+保壓”兩種氣體置換方式進(jìn)行研究，但未考慮充氣速度、充氣口直徑、排氣口等因素對(duì)氣體置換的影響。
本研究基于Fluent組分運(yùn)輸模型，對(duì)二維包裝箱模型氮?dú)庵脫Q氣體的影響因素進(jìn)行分析，包括充氣速度、排氣口直徑、排氣口位置等，進(jìn)而推廣到三維模型，并與實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比研究。
2 計(jì)算模型
包裝箱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后，采用二維模型進(jìn)行仿真計(jì)算，尺寸為632 mm×3500 mm。采用ICEM軟件對(duì)包裝箱模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義邊界條件，得到的計(jì)算模型如圖2所示。
圖2 計(jì)算域模型Fig.2 Computational domain model
計(jì)算域模型邊界條件設(shè)置如下：充氣入口為pressure-inlet類(lèi)型，放氣出口為pressure-outlet類(lèi)型，包裝箱壁面為wall類(lèi)型，操作壓力為1.013 25×105Pa，在豎直方向上考慮重力及浮力的影響，將Viscous Model控制面板下的Full Buoyancy Effects選項(xiàng)打開(kāi)。本研究忽略空氣中二氧化碳、水蒸氣等影響，只考慮氧氣、氮?dú)獾拇嬖?，假設(shè)氧氣與氮?dú)怏w積比為0.23：0.77。初始化流場(chǎng)后如圖3所示。
圖3 初始化氧氣、氮?dú)夥植糉ig.3 Initializing oxygen and nitrogen distribution
3 影響因素分析
包裝箱充氣置換過(guò)程中，主要影響因素為充氣速度（即充氣壓力）、充氣排氣口直徑及其位置?？紤]到研究中采用標(biāo)準(zhǔn)氣壓表充氣、包裝箱設(shè)計(jì)時(shí)充氣口位置已定，因此，本研究中只對(duì)充氣速度、排氣口直徑、排氣口位置進(jìn)行分析，研究其影響規(guī)律。
3.1 充氣速度
在包裝箱充氣過(guò)程的實(shí)際操作中，充氣壓力一般不會(huì)過(guò)大，這是因?yàn)閴毫^(guò)大會(huì)造成氣泵或氣瓶處充氣壓力表出現(xiàn)反映過(guò)慢、壓力值不準(zhǔn)確的情況。因此，充氣速度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，本研究取3種不同速度（1, 5, 10 m/s）進(jìn)行研究。表1反映了在不同時(shí)間和充氣速度下包裝箱內(nèi)充入的氮?dú)饬俊?/p>
表1 不同充氣速度下氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)對(duì)照表Table 1 Comparison of nitrogen volume fraction at different inflation rates %
由表1可知，氮?dú)夂侩S充氣時(shí)間、充氣速度增大而增大。充氣速度較小時(shí)，充氣耗時(shí)長(zhǎng)，且不能完全置換氣體；充氣速度較大時(shí)，能在短時(shí)間內(nèi)完成氣體置換。
為進(jìn)一步探究不同充氣速度、不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)充入氮?dú)獾那闆r，本研究在二維模型下，相同計(jì)算域、不同充氣速度時(shí)進(jìn)行充氣模擬，獲得氮?dú)夥植记闆r。
3.1.1 充氣速度為1 m/s
當(dāng)充氣速度為1 m/s時(shí)，不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)部氮?dú)?、氧氣分布如圖4所示。
圖4 充氣速度為1 m/s時(shí)氮?dú)狻⒀鯕夥植紙DFig.4 Nitrogen and oxygen distribution when charging speed is 1 m/s
由圖4可知，考慮到氮?dú)饷芏嚷孕∮谘鯕饷芏龋约爸亓?、浮力影響，?dāng)充氣速度較小時(shí)，充入的氮?dú)馍细。缮贤屡懦霭b箱內(nèi)的氧氣，此時(shí)應(yīng)盡可能降低排氣口在包裝箱端面處的位置。同時(shí)，由圖4c～d可以看出，緩慢充氣時(shí)，包裝箱充氣口下方位置處的氧氣含量一直較大，氧氣較難排除，故考慮在充氣口下方增加排氣口。
3.1.2 充氣速度為5 m/s
當(dāng)充氣速度為5 m/s時(shí)，不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)部氮?dú)狻⒀鯕夥植既鐖D5所示。
圖5 充氣速度為5 m/s時(shí)氮?dú)?、氧氣分布圖Fig.5 Nitrogen and oxygen distribution when charging speed is 5 m/s
由圖5可知，當(dāng)充氣速度增大時(shí)，包裝箱內(nèi)部氣壓快速增加，氮?dú)庵脫Q速度也相應(yīng)加快，能夠較短時(shí)間內(nèi)完成充氣置換。氮?dú)鈴某錃饪谝粋?cè)將空氣擠壓出排氣口，氮?dú)鉂舛戎饾u增大（氧氣含量減少）。
3.1.3 充氣速度為10 m/s
當(dāng)充氣速度為10 m/s時(shí)，不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)部氮?dú)?、氧氣分布如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)充氣速度較大時(shí)，氧氣快速排出，包裝箱充氣口上部氣壓較大，使得充氣氣流向下發(fā)生彎曲。同時(shí)對(duì)比圖4d,5d, 6d可知，在充氣氣流下方（或者上方位置）出現(xiàn)回流，能夠?qū)⒃撎幯鯕馀懦?，但相反部位處氧氣集中難于排出。
圖6 充氣速度為10 m/s時(shí)氮?dú)?、氧氣分布圖Fig.6 Nitrogen and oxygen distribution when charging speed is 10 m/s
因此，在實(shí)際充氣過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)避免充氣速度過(guò)快，過(guò)快會(huì)導(dǎo)致氮?dú)膺M(jìn)入包裝箱后對(duì)內(nèi)部氣體擾動(dòng)較大、氣流紊亂，氣壓快速升高，不利于氣體均衡排出，且存在一定的安全隱患；充氣速度過(guò)小，氣流平穩(wěn)但耗時(shí)較長(zhǎng)；均衡考慮充氣速度選擇5 m/s為宜，內(nèi)部空氣能夠緩慢排出，同時(shí)在氧氣堆積難排出的位置適當(dāng)增加排氣口，有效排出氧氣。
3.2 排氣口直徑
通常認(rèn)為，當(dāng)充氣速度一定時(shí)，相同內(nèi)壓下，充氣口直徑越大空氣排出越快，氣體能夠快速置換。因此，本研究在充氣速度（5 m/s）不變的情況下，通過(guò)增大排氣口直徑進(jìn)行模擬對(duì)比，結(jié)果如表2～3所示。
表2 不同直徑排氣口質(zhì)量流速率對(duì)比Table 2 Comparison of mass flow rate of exhaust ports with different diameters
表3 不同直徑排氣口氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)對(duì)照表Table 3 Comparison of nitrogen volume fraction of different exhaust port diameters %
表2反映了不同尺寸的排氣口充氣與排氣質(zhì)量流速率的變化。通過(guò)對(duì)比兩種排氣口直徑的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，單位時(shí)間內(nèi)充氣、排氣近似持平，氣體通量一致，達(dá)到了穩(wěn)態(tài)氣體置換。
表3反映了排氣口直徑變化對(duì)氮?dú)庵脫Q的影響。通過(guò)對(duì)比兩種排氣口直徑的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，同一時(shí)間充入氮?dú)饬看笾孪嗤淖兣艢饪谥睆酱笮?duì)提高氮?dú)庵脫Q率影響不大。
進(jìn)一步分析排氣口直徑增大后，包裝箱內(nèi)部氮?dú)?、氧氣分布模擬如圖7所示。
圖7 排氣口增大后氮?dú)狻⒀鯕夥植紙DFig.7 Nitrogen and oxygen distribution after enlarging exhaust port
對(duì)比圖5與圖7可知，同一充氣速度下，改變排氣口尺寸大小對(duì)氮?dú)庵脫Q影響不大。定性分析可知，進(jìn)氣與排氣氣體通量相等，排氣口尺寸大則相應(yīng)的排氣速度小，排氣口尺寸小則相應(yīng)的排氣速度大。考慮到實(shí)際生產(chǎn)加工排氣閥等結(jié)構(gòu)件，對(duì)其尺寸也有嚴(yán)格的約束限制，不會(huì)發(fā)生較大的變化，因此，可以忽略排氣口尺寸對(duì)氮?dú)庵脫Q的影響，但其位置對(duì)充分排出氧氣影響較大。
3.3 排氣口位置
在前面研究充氣速度和排氣口直徑的基礎(chǔ)上，對(duì)圖2的計(jì)算域模型進(jìn)行調(diào)整，降低右端面排氣口位置、并在左端面增加排氣口，結(jié)果如圖8所示。
圖8 排氣口改變后計(jì)算域模型Fig.8 Computational domain model after changing exhaust port
根據(jù)調(diào)整的計(jì)算域模型，在相同的充氣速度（5 m/s）下，分析降低排氣口位置和增加排氣口對(duì)充入氮?dú)獾挠绊?，?jì)算結(jié)果如表4所示。
表4 排氣口情況對(duì)氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)的影響Table 4 Influence of exhaust port position on nitrogen volume fraction %
由表4可知，排氣口的位置降低，氮?dú)庵脫Q率基本不變；但在充氣口附近增加排氣口則不利于氮?dú)庵脫Q率的提高，這是因?yàn)楫?dāng)?shù)獨(dú)膺M(jìn)入包裝箱內(nèi)部時(shí)，部分氮?dú)鈴某錃饪诟浇呐艢饪谂懦?，反而降低了氮?dú)庵脫Q效率。
進(jìn)一步研究二維模型充氣模擬情況。只降低排氣口位置，在充氣速度為5 m/s的條件下，不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)氮?dú)獬淙肭闆r模擬如圖9所示。
圖9 排氣口位置降低后氮?dú)?、氧氣分布圖Fig.9 Nitrogen and oxygen distribution after lowering exhaust port position
對(duì)比圖5與圖9可知，排氣口位置降低后，排氣更均勻，箱內(nèi)氧氣緩慢從箱體下方排出，且排出較充分。綜合考慮，排氣口位置設(shè)在包裝箱右端面下方是比較理想的置換方式。
降低排氣口位置、并在充氣口下方增加一處排氣口，在充氣速度為5 m/s的條件下，不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)氮?dú)獬淙肭闆r模擬如圖10所示。對(duì)比圖9～10可知，雖然增加排氣口使充氣口下方的氧氣能順利排出，但氮?dú)膺€未充滿包裝箱，部分氮?dú)獗銖某錃饪谙路降呐艢饪谥苯优懦?，反而降低了氣體置換效率。因此，通過(guò)在充氣口下方增加排氣口不利于提高氮?dú)獾闹脫Q率。
圖10 排氣口降低并增加后氮?dú)狻⒀鯕夥植紙DFig.10 Nitrogen and oxygen distribution after lowering and adding exhaust port
綜上，通過(guò)在二維模型下對(duì)包裝箱內(nèi)氮?dú)庵脫Q率影響因素的計(jì)算模擬分析，得到如下結(jié)論：1）氮?dú)庵脫Q速度隨著充氣速度增大而增大，但速度過(guò)大會(huì)造成包裝箱內(nèi)部氣體紊亂，氣壓快速提高，存在一定安全隱患；2）排氣口直徑對(duì)提高氮?dú)庵脫Q速度影響較小；3）排氣口位置對(duì)提高置換速度影響較小，但降低其位置有利于平穩(wěn)均勻地排氣。
4 三維包裝箱的充氣模擬及實(shí)踐
基于前面對(duì)二維模型的研究，三維包裝箱的計(jì)算域模型如圖11所示。包裝箱尺寸為3500 mm×632 mm×632 mm，充氣口直徑為32 mm，位于前端蓋中心處，排氣口直徑為32 mm，位于后端蓋底部，距底面100 mm。本研究對(duì)三維包裝箱進(jìn)行氮?dú)庵脫Q模擬試驗(yàn)（充氣速度5 m/s），不同時(shí)刻包裝箱內(nèi)充入氮?dú)饬咳鐖D12所示。
圖11 三維包裝箱計(jì)算域模型Fig.11 Computational domain model for three-dimensional packaging box
圖12 氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化圖Fig.12 Diagram of nitrogen volume fraction changing
圖12中曲線的斜率可以直觀表明氮?dú)庠黾拥目炻ｋS著充氣時(shí)間的延長(zhǎng)，氮?dú)庠黾铀俾手饾u減小，包裝箱內(nèi)部氣體增多，壓力逐漸增大，從而導(dǎo)致氮?dú)獬淙肓繙p緩，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。
三維包裝箱在不同時(shí)刻的充氣模擬情況如圖13所示，可以直觀反映箱體內(nèi)氮?dú)獾姆植肌?/p>
圖13 三維包裝箱的氮?dú)狻⒀鯕夥植紙DFig.13 Nitrogen and oxygen distribution of three-dimensional packaging box
由圖13可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，箱體內(nèi)氮?dú)鉂舛戎饾u增大。由于充氣口雷諾數(shù)已經(jīng)超過(guò)層流范圍且氮?dú)饷芏嚷孕∮谘鯕?，在紊流擴(kuò)散和浮力作用下，氮?dú)庀蛏蠑U(kuò)散，箱體上部首先充滿氮?dú)猓焕^續(xù)充氣氣體逐漸下壓擴(kuò)散，充滿箱體。
根據(jù)三維包裝箱的尺寸定制包裝箱進(jìn)行實(shí)踐操作。在氮?dú)庵脫Q氣體過(guò)程的實(shí)際操作中，通過(guò)調(diào)整氮?dú)馄康某錃鈮毫Λ@得合適的充氣速度，并用壓力計(jì)檢測(cè)包裝箱內(nèi)的充氣壓力，采用邊抽氣邊充氣的方式進(jìn)行實(shí)踐測(cè)試。當(dāng)包裝箱內(nèi)氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)達(dá)到98.5%時(shí)，充氣時(shí)間約為15 min，這與三維包裝箱模擬值較為接近。因此，本研究的包裝箱氮?dú)獬錃夥抡婺M對(duì)實(shí)際操作具有一定的理論參考作用。
5 結(jié)論
本研究對(duì)包裝箱氮?dú)庵脫Q氣體的影響因素進(jìn)行分析，包括充氣速度、排氣口直徑以及排氣口位置，通過(guò)Fluent軟件進(jìn)行了二維及三維模型充氣模擬，得到以下結(jié)論。
1）氮?dú)庵脫Q速度隨充氣速度增大而加快，但速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致氣流紊亂，氣壓快速升高，不利于氣體均勻排出，且存在一定的安全隱患；充氣速度過(guò)小，氣流平穩(wěn)，但耗時(shí)較長(zhǎng)；均衡考慮充氣速度選擇5 m/s為宜。
2）在充氣速度一定的條件下，排氣口直徑大小對(duì)氮?dú)庵脫Q速度的提高影響較小，但降低排氣口位置有利于均勻排氣。
3）在三維包裝箱體氮?dú)庵脫Q氣體的仿真分析中，氮?dú)馐紫瘸錆M箱體上部，再逐漸下移排出空氣；氮?dú)庵脫Q速率隨時(shí)間增加逐漸減小，氮?dú)獬淙肓恐饾u趨于平穩(wěn)。
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