冷藏車車廂內溫度場均勻問題的分析與解決

閆帥帥，傅 星

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545007）

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經驗與創新

冷藏車車廂內溫度場均勻問題的分析與解決

閆帥帥，傅 星

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545007）

摘 要：分析了目前國內冷藏車車廂內普遍存在的溫度分布不平均、空間利用不充分的問題，從冷藏機組安裝、冷藏機組控制策略及冷藏車廂內流場分析等方面分析，進而給出了切實可行的解決措施。并經過試驗驗證，取得了良好的效果。

關鍵詞：冷藏車；冷藏機組；溫度分布

隨著國民經濟及人民生產水平的提高，電商配送食品、藥品的領域快速發展，居民對食品、藥品安全要求不斷提高，冷藏車的使用越來越廣泛。如何達到既保證食品品質安全要求，又實現節能環保己成為冷藏運輸行業發展的核心問題。冷藏車廂中的溫度控制是整個食品冷鏈運輸系統的關鍵，也是保證食品質量和安全的主要條件。以果蔬為例，溫度過高會加快果蔬呼吸，過低會對果蔬產生冷害，都不利于運輸［1］。同時，溫度也是影響微生物在食品中生存和增長的關鍵因素，如果食品沒有被存儲在適當的溫度下，那么食品腐蝕就會開始因此，冷藏車廂內的溫度分布尤為重要。

1　技術現狀

1.1冷藏車結構與原理

目前國內冷藏車采用的制冷方式可分為機械制冷、液氮制冷、干冰制冷及蓄冷板制冷等幾種，本文以目前最為常用的機械式制冷為例進行分析。圖1及圖2分別為某中小型機械式冷藏車的結構示意圖和制冷系統原理圖。該冷藏車采用前置冷凝器的制冷機組布置方式，制冷系統原理為逆卡諾循環，常用制冷劑有R134a、R404A等［2］。

圖1　機械式冷藏車結構簡圖

圖2　機械式制冷系統原理圖

1.2車廂內溫度控制方式

目前，國內外很多專家對冷藏機組的控制系統進行了深入的研究，如模糊控制方法等，但較少的運用到冷藏機組的控制中。目前，國內冷藏機組制造商多根據蒸發箱進風口與出風口的溫度差和蒸發器的進風風溫度控制電子膨脹閥和壓縮機，但該方式控制下的車內溫度波動很大。

圖3為某種制冷+制熱功能機組溫度控制示意圖，T表示設定溫度，當溫度達到T+Δ時，壓縮機停止工作，當溫度低于T時，壓縮機開始工作。此種控制方式在機組壓縮機啟動和停止工作瞬間，會因風機啟停的延遲或出風口溫的急劇變化而引起廂體內各區域溫差較大，導致車內各點溫度分布不夠均勻，從而影響車廂內存放貨物的品質。

圖3　溫度控制示意圖

圖4為某中小型冷藏車廂體內各廂板內表面處溫度監控，從數據可以看出，廂體內各區域的溫差較大，為合理的利用冷藏車廂內部有效溫度空間，需要對冷藏車廂進行流場分析。

圖4　冷藏車廂內部溫度點

2　研究現狀及研究方法

2.1影響冷藏車車廂內部熱環境的因素

（1）冷藏車廂內部設備的影響。冷藏車廂內部主要設備為制冷系統，制冷系統主要通過強制對流換熱將車廂內部的熱量通過蒸發器內制冷劑的蒸發釋放到外部環境中去。制冷系統的工作主要影響到內部環境介質的參數發生變化，同時，蒸發風機的電機運轉也會產生一定的熱量，影響到車廂內部熱環境。

（2）冷藏車廂內部貨物本身的特性。貨物可以與周圍環境介質發生熱交換，形式包括熱傳導、熱輻射和對流換熱。熱交換的速度與食品的導熱率、形狀、散熱面積、食品和介質之間的溫度差，介質的特性、流動速度有關［3］。

2.2國內外的研究方法

關于冷藏車廂內溫度場的研究，目前大多數通過建立傳熱模型，將車廂內貨物看做是一個整體，對模型進行簡化和邊界條件設定，進行網格劃分，采用固、流體區域整體式求解的通度系數來計算溫度場。

3　FLUENT三維分析

3.1模型的建立

以一種短距離運輸冷藏車研究為例，細化仿真冷藏車各部件的結構和參數。廂體結構，比如廂體厚度、尺寸規格、保溫材料；廂體內部配置相關部件，如進風口和出風口不同尺寸、位置和開口方向；廂體內貨物的堆放形等。將上述三維幾何模型導入Hyper－Mesh中。用HyperMesh軟件清理CAD幾何，生成流場表面網格，具體過程為：

（1）針對冷藏艙內不同結構和要求，繪制不同尺寸的網格，對冷氣進風口和出風口網格化時要局部加密。

（2）鑒于貨物外包裝形狀復雜，并且貨物之間以及貨物與壁面之間間隙很小。考慮到實際計算機的性能，在不影響計算結果的前提下，計算模型細化為：將貨物數量、尺寸、外包裝形狀以及貨物間隙都做相應的簡化，簡化為相同大小的規則立方體，在生成體網格時做成貨物空腔，賦邊界條件。貨物堆碼方式根據實際情況進行排列組合。具體的貨物結構，引入多孔介質模型，利用多孔介質模型參數設定來模擬貨物堆放模型。廂體結構如圖5所示，網格模型如圖6所示。

圖5　廂體外形圖　6網格模型

3.2數學模型

在兩方程湍流模型中，κ-ε模型稱為高Reynolds模型，適用于遠離壁面充分發展的湍流區域，κ-ω模型屬于低Reynolds模型，廣泛應用于墻壁束縛流動、自由剪切流動以及各種壓力梯度下的邊界層問題。針對冷藏車廂，為更好的模擬預測流體與壁面的分離、低雷諾數近壁面流動以及高雷諾數遠壁面流動，本文結合以上模型各自優點，利用SSTκ-ω輸運模型進行求解［4］。建立數學模型是為求解由于流動換熱車廂內降溫期間的溫度分布規律。為簡化計算，對模型做如下假設：

（1）忽略車廂內為搭建試驗平臺所用設備、鐵絲等對氣流的影響；

（2）車廂密閉性良好，不存在漏氣現象；

（3）廂體內部空氣為輻射透明介質，為不可壓縮氣體，符合Boussinesq假設；

（4）廂體內氣體為牛頓流體，貨物區視為各向同性的多孔介質；

（5）不考慮貨物區水分損失和汽化潛熱對貨物溫度的影響，忽略溫度變化空氣和貨物物性參數的影響。

在計算時，采用SST κ-ω方程模型，基于壓力的分離式求解器，動量、能量、湍動能、擴散率的離散格式為一階迎風格式，壓力速度耦合方法采用SIMPLE算法。

3.3計算結果

計算時，選取冷藏車運行相對穩定的時段模擬。冷藏車的入口溫度如圖7所示。將入口溫度與時間的對應關系用profile導入fluent中，作為瞬態計算時入口的溫度條件。

圖7　入口溫度

初始邊界條件：

（1）入口采用速度入口邊界條件。根據實際情況，左側入口速度為3.95 m/s，右側入口速度為5.08 m/s.

（2）出口邊界。定義離心式循環風機面為outflow（出口流動邊界）。

由圖8-9表可以看出，瞬態的數值模擬誤差基本都在±1 k之內，誤差比較小，且整體的變化曲線與實驗值比較接近，可以認為瞬態數值模擬可以比較準確的模擬冷藏車的三維流動。

圖8　溫度模擬值與實驗值

圖9　整體的溫度誤差分布

車廂內區域溫度則取車廂垂直于地面的兩個截面，通過仿真結果繪制溫度分布圖，具體如圖10-11所示。

圖10　X截面溫度分布

圖11　Y截面溫度分布

4　結束語

制冷機組、廂體結構、貨物等因素對冷藏車廂內的溫度分布影響較大，通過仿真計算模擬出冷藏車廂內的溫度分布，通過調整冷藏機組布置、廂體結構、以及貨物堆放結構，可以更加合理有效地利用冷藏車廂的空間。

參考文獻：

［1］趙晨霞.果蔬產品儲藏保鮮技術［M］．北京：中國農業科學技術出版社，2007.

［2］王如竹，丁國良，吳靜怡，等.制冷原理與技術［M］.北京：科學出版社，2003.

［3］張婭妮，陳潔，陳蘊光，等.機械式冷藏車中貨物裝載間隙對廂內溫度場的影響［J］.制冷與空調，2007，7（4）:101-104.

［4］楊磊，汪小昆.冷藏庫預冷降溫過程中溫度場的數值模擬與試驗研究［J］.西北農林科技大學學報，2008，36（9）：219-223.

Analysis and Solve the Problem of Uniform Temperature Field in the Refrigerator Van

YAN Shuai-shuai，FU Xing
（Liuzhou Wuling Motors Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Abstract：The problems of temperature distribution and space utilization in domestic refrigerated truck are analyzed.This article from the refrigeration unit installation，refrigeration unit control strategy and refrigerated compartment flow analysis and other aspects of analysis，and the feasible solutions are given.Through experimental verification，it has achieved good results.

Key words：refrigerator car；refrigerating unit；temperature distribution

中圖分類號：TS205.7

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0122-04

收稿日期：2015-12-23

作者簡介：閆帥帥（1991-），男，河南人，本科，助理工程師，主要研究方向為制冷工程；傅星（1990-），男，江西人，本科，助理工程師，主要研究方向為流體分析。