充冷式冷板冷藏車廂體設(shè)計及保鮮效果分析

肖 穎，徐添樺，葉 曄，李長玉

（廣州城市理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

我國電子商務(wù)行業(yè)發(fā)展迅速，冷鏈物流在整個物流行業(yè)中占比越來越大［1-2］。冷藏車、冷凍車作為冷鏈物流公路運輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，越來越受人們的廣泛關(guān)注。冷板冷藏車具有運輸成本低、效果穩(wěn)定等特點，經(jīng)常被用在蔬菜、冷肉等運輸過程中的保鮮［3］。根據(jù)冷藏車車廂設(shè)計及溫度場分析，工程技術(shù)人員進行了大量的研究。

張哲等［4］建立了空載、不同貨物堆碼的冷藏車模型。建議車廂頂部安裝適量冷板，并對貨物堆碼的影響進行了論述。劉壽春等［5］運用試驗材料和SPA控制圖的設(shè)計，對冷卻豬肉進行微生物的分析，發(fā)現(xiàn)冷卻豬肉運輸過程中微生物的分布特征。李立民等［6］研究了冷藏車廂內(nèi)部的溫度場，對3種不同貨物進行比較，得出了最佳保鮮效果所需要的條件。王延覺等［7］利用多孔介質(zhì)原理設(shè)計了規(guī)則幾何形狀的冷卻番茄模型，發(fā)現(xiàn)了堆碼方式對果蔬貨物的運輸質(zhì)量的影響。李錦等［8］利用Matlab軟件對冷藏車廂進行參數(shù)優(yōu)化，分析了不同參數(shù)條件下最佳廂體傳熱系數(shù)。劉廣海等［9］構(gòu)建了滲風(fēng)冷藏車模型，認(rèn)為多溫區(qū)冷藏車滲風(fēng)量是車輛本身氣密性能、車速、內(nèi)部隔斷情況、裝載狀況和氣流擾動等因素共同作用的結(jié)果。謝如鶴等［10］用CFD軟件模擬冷藏車的動態(tài)溫度場，研究冷板冷藏車的對流換熱現(xiàn)象。謝如鶴等［11］以冷卻肉為裝載貨物，建立了冷板冷藏車與貨物的數(shù)理模型。呂東霖等［12］設(shè)計了一種三層復(fù)合板結(jié)構(gòu)的冷藏汽車車廂和廂內(nèi)冷空氣導(dǎo)流機構(gòu)，研究了不同的隔熱層厚度對漏熱速率的影響。李細霞等［13］設(shè)計了一種分體式冷板冷藏汽車，研究了冷板冷藏汽車各關(guān)鍵參數(shù)的確定方法。沈向陽等［14］設(shè)計了蓄冷罐式冷板冷藏車廂，研究了不同車廂底板厚度的情況下車廂底面貨物溫度變化過程。

本文根據(jù)冷肉運輸過程中保鮮需要，設(shè)計了冷板冷藏車的車廂結(jié)構(gòu)，建立了其三維幾何模型和熱物理模型，通過有限元計算和仿真的方法得到了該冷藏車在冷肉運輸過程中溫度場變化情況，分析了室外空氣溫度、堆碼方式等參數(shù)對保冷效果的影響。

1 車廂各參數(shù)設(shè)計及確定

1.1 設(shè)計要求

要求設(shè)計的冷板冷藏車額定載質(zhì)量在3～5 t，在運輸過程中具有冷藏保鮮功能。在我國夏季正常溫度下運輸冷肉超過18 h，并保證貨物在1～4 ℃之內(nèi)。車廂板應(yīng)具有足夠的耐磨性，且具有足夠的強度和剛度。運輸過程中需保證食品類貨物的安全性。

1.2 設(shè)計的車廂結(jié)構(gòu)和具體參數(shù)確定

通過計算及后續(xù)的仿真分析，設(shè)計的車廂結(jié)構(gòu)如圖1所示。車廂的寬度為1 900 mm，車廂深度為4 000 mm，車廂高度為1 900 mm，內(nèi)裝貨物寬度為1 500 mm，內(nèi)裝貨物高度為1 500 mm，內(nèi)裝貨物深度為3 200 mm，冷板厚度為50 mm，保溫層厚度為100 mm，車廂底座厚度為120 mm。冷板采用兩塊側(cè)置和單塊前置的方式布置。

圖1 設(shè)計的冷藏車車廂結(jié)構(gòu)Fig.1 Compartment structure of refrigerator truck designed

設(shè)計的冷板冷藏汽車方式采用分體式充冷，制冷機組和冷板分開布置，制冷機組置于充冷站內(nèi)。制冷機組主要包括壓縮機、冷凝器、儲液罐、冷卻風(fēng)扇等主要結(jié)構(gòu)，如圖2所示。制冷機組壓縮機依靠電力驅(qū)動。冷板和制冷機組可分離，充冷時將制冷機組和冷板通過充冷接頭連接，制冷機組內(nèi)液態(tài)制冷劑進入冷板內(nèi)蒸發(fā)盤，蒸發(fā)吸熱對冷板內(nèi)蓄冷劑充冷。

圖2 充冷原理Fig.2 Principle diagram of cooling

2 運輸過程中保鮮效果分析

2.1 數(shù)理模型的簡化及建立

在分析時需要將實際模型進行簡化處理，主要從以下方面進行：①不考慮因溫度變化引起的材料熱物理參數(shù)產(chǎn)生的非線性變化；②貨物和冷板間的空氣假設(shè)為薄空氣電阻層；③將車廂壁簡化為單層結(jié)構(gòu)；④假設(shè)運輸過程中車廂門全程關(guān)閉，車廂密封良好，無漏氣現(xiàn)象。取車廂右前下方邊角為坐標(biāo)原點，建立笛卡爾坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)系設(shè)定Fig.3 Coordinate system setting

相應(yīng)的控制方程表示為［15］

式中：ρ為車廂各部件的密度；CP為車廂各部件的比熱容；U為部件相對運動速度；K為車廂貨物及空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Qted為熱彈性阻尼；?為微分算子。

相應(yīng)的邊界條件為

式中：q0為車廂表面對流換熱熱流量；h為對流換熱系數(shù)；Text為外界環(huán)境溫度。

2.2 初始條件及熱物理參數(shù)

按照要求，在冷藏車運輸冷肉過程中，需要先將肉和車廂內(nèi)部進行預(yù)冷。假設(shè)預(yù)冷溫度為0 ℃，冷板內(nèi)水和冰按照相變材料處理，各參數(shù)見表1［11］。

表1 熱物理參數(shù)Tab.1 Thermophysical parameters

為了分析不同環(huán)境溫度下冷肉的有效保鮮時長，環(huán)境溫度取2種情況，分別為恒定20 ℃和我國南方某地夏季某天的實際溫度。具體的環(huán)境溫度設(shè)定情況如圖4所示。

圖4 環(huán)境溫度設(shè)定Fig.4 Ambient temperature setting

2.3 分析和討論

在環(huán)境溫度為20 ℃時貨物邊緣a不同時刻溫度分布情況如圖5所示。由圖5中可知，隨著時間的增加，貨物的溫度逐漸增高，在t=72 h 時貨物靠近后廂門部分溫度超過4 ℃，在36 h 內(nèi)貨物溫度均不超過4 ℃。從圖中還可以看出，因車廂前置冷板，靠近車廂前部的貨物溫度比車廂后部低。

圖5 貨物邊緣a不同時刻溫度Fig.5 Temperature of cargo edge a at different times

在環(huán)境溫度為20 ℃時，貨物中心軸線d不同時刻溫度分布情況如圖6所示。由圖6可知，貨物中心軸線較邊緣線溫度上升緩慢，在72 h之內(nèi)溫度均未超過4 ℃，同樣，貨物越靠近后廂門位置溫度越高，越靠近貨物中心溫度越低。

圖6 貨物中心線d不同時刻溫度分布情況Fig.6 Temperature distribution of cargo centerline d at different times

貨物邊緣b和貨物邊緣c不同時刻溫度分布情況如圖7所示。其中，A、B、C、D線分別表示在t=0、12、36、72 h 時貨物邊緣b溫度分布情況。E、F、G、H線分別表示在t=0、12、36、72 h時貨物邊緣c溫度分布情況。由圖7可知，因為邊緣c位置放置了冷板，溫度明顯低于邊緣b位置的溫度，此外，越靠近邊緣中間位置溫度越低。

圖7 貨物邊緣b和貨物邊緣c不同時刻溫度分布Fig.7 Temperature distribution of cargo edge b and cargo edge c at different times

貨物中軸線上各點溫度隨時間變化的情況如圖8所示。由圖8可知，貨物在實際環(huán)境溫度條件下較恒定溫度條件下其溫度上升快。因為M點最靠近車廂后廂門，所以溫度上升最快，O點處于貨物中心位置，溫度上升最慢。環(huán)境溫度波動可以引起靠近后廂門位置M點溫度波動上升，但是貨物內(nèi)部或靠近前冷板位置貨物溫度基本沿著直線上升的狀態(tài)。

圖8 貨物中軸線上各點溫度隨時間變化Fig.8 Variation of temperature at each point on the central axis of goods with temperature

圖9表示了當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時，不同堆碼方式下截面A（x=0.575 m）所切貨物斷面的溫度分布情況。從圖中可以看出，各位置的溫度均未超過4 ℃。一塊堆碼時貨物中心至邊沿溫度逐漸增高，越趨向Z方向溫度越高。兩塊堆碼或四塊堆碼時前部貨物中心至邊沿溫度逐漸增高，前部邊角處溫度最高，達到2 ℃。從圖中還可以看出，分4塊堆碼時溫度分布更均勻，冷板冷卻效果更好。

圖9 t=24 h不同時刻貨物溫度分布Fig.9 Cloud diagram of cargo temperature distribution at t=24 h

恒定溫度和實際溫度邊界條件下，貨物的最大值、最小值及平均值隨時間變化的情況如圖10所示。其中，A、C、E線表示環(huán)境溫度為恒定時貨物最大值、最小值和平均值隨時間變化情況，B、D、F線表示環(huán)境溫度為實際氣溫情況下貨物溫度最大值、最小值和平均值隨時間變化情況。從圖中可以看出，在實際溫度邊界條件下貨物的溫度最大值、最小值和平均值均上升較快。因為貨物溫度的最大值上升過程會隨著氣溫變化波動，所以貨物的有效保鮮時間為22.3 h。在恒定溫度情況下貨物溫度最大值、最小值和平均值均上升較慢，貨物的有效保鮮時間為28.8 h。

圖10 貨物溫度最大值、最小值及平均值隨時間變化情況Fig.10 Variation of maximum，minimum and average values of cargo temperature with time

3 結(jié)語

本文根據(jù)冷肉運輸保質(zhì)保鮮的要求，設(shè)計了一種冷板冷藏汽車廂體結(jié)構(gòu)，并建立了車廂的三維幾何模型和熱物理模型，通過有限元分析方法分析了運輸過程中貨物的溫度場分布，同時分析了環(huán)境溫度、堆碼方式等參數(shù)對貨物溫度變化的影響。預(yù)測了該冷藏車廂有效保鮮時長為22.3 h。該方法可在車廂設(shè)計階段預(yù)測運輸過程中貨物溫度的變化情況，對冷藏汽車車廂設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。后續(xù)的研究中可通過比對實驗的方法不斷優(yōu)化車廂的熱物理模型，提高計算精度。