運輸包裝箱被動保溫特性的研究

文/張增杰

運輸包裝箱被動保溫特性的研究

文/張增杰

為研究運輸包裝箱在運輸過程中箱內溫度隨室外天氣的相應變化，本文首先建立模型，利用數值模擬方法，求解天津地區夏季極端天氣下包裝箱的被動保溫性能，最后通過試驗驗證模擬。結論表明：太陽輻射對包裝箱的影響最為強烈，其次是箱體外表面對流換熱性能。同時在箱體材料平均導熱系數為0．47 w/(m·K)的情況下，其內部溫度變化相對箱體外壁滯后110 m in，箱體內平均溫度最高將會達到60．5 ℃。

包裝箱；數值模型；被動保溫；試驗驗證

包裝箱在現代社會中的應用越來越廣泛，比如機械、建筑、化工、基建、軍工、物流等領域。其中一些重要的精密儀器或航天軍工設備在運輸過程中對包裝箱內的溫度環境有很高的要求，溫度過高或過低均會造成設備精度、材料質量的損傷，嚴重時造成設備損壞，甚至報廢，給社會和國家帶來巨大損失。因此有必要針對包裝箱在運輸過程中，箱體內部溫度變化特性進行研究。現在對運輸箱內溫度控制的措施有主動溫控和被動溫控兩個方面。前者主要是采用空氣調節設備對包裝箱內部的溫度進行控制，使其能夠保持在一個相對溫度的范圍內；后者則主要針對包裝箱自身的材料屬性、結構進行調節，比如采取保溫、隔熱等措施，以使箱體內溫度變化不超過規定要求。

對于包裝箱被動保溫措施的研究工作，國內外均有很多相關研究。比如Cesini[1]等人通過數值模擬和試驗測試的方法，對一個封閉包裝箱體的溫度和換熱條件進行研究。Lin[2]等對GM-10汽車乘艙模型在空調制冷階段車內溫度進行了試驗和數值模擬分析。Chien[3]等分析汽車乘坐空間內部氣流與車身壁面的動態共扼傳熱特性。而國內的申江[4]等學者對國內冷藏鏈現狀以及未來的發展趨勢、研究方法進行了總結。蔡新梅[5]等學者對基于冰漿蓄冷的集中冷藏陳列柜進行實驗研究。

包裝箱自身及其內部空氣的熱狀態對運輸目標設備有著重要影響，但綜合國內外的研究發現，針對包裝箱自身的熱特性分析，特別是在被動保溫的情況下的研究還鮮有報道。本文以某航天設備的包裝箱被動保溫熱特性為研究目標，主要分析包裝箱天津地區夏季極端天氣狀態下，包裝箱體不同時刻壁面和內部的溫度范圍，使得包裝箱體內的溫度能夠滿足運輸設備對溫度環境的要求。

1.包裝箱體

本文以某航天設備在天津地區的運輸過程為研究背景，包裝箱有龍骨支撐罩體，龍骨之間填充保溫材料，罩體是由內蒙皮、骨架、外蒙皮組成，骨架采用槽鋼方管組焊而成。

2.理論分析

根據所提供資料和對模型進行深入分析，將其進行簡化[6]：1.箱體外風為梯度風；2.室外太陽輻射強度取晴天狀態值；3.材料為各向同性材料；4.壁面為混合換熱邊界。

包裝箱在實際運輸途中可能遇到許多極端工況，在此分析天津地區夏季極端天氣狀況。外環境溫度為50℃，風速約5.5～9.8m/s，除底面外，其他外表面所受太陽輻射強度為1200 w/m 2。包裝箱內部原始溫度為倉庫內平均溫度28℃，箱體材料平均導熱系數為0.47w/（m·K）。

根據模型實際尺寸，合理選擇箱體外流場，為減少對模擬的影響，外流場區域分別取前后2倍長度，左右3倍寬度，上部2倍高度的計算區域。使用Gam bit軟件建立3d模型。采用非結構性網格進行劃分網格，并對劃分后的網格進行檢驗。使用有限體積法，離散數值模型方程，在不同邊界條件下，求解納維斯托克斯方程、能量方程，獲得計算域內的速度場、壓力場與溫度場。

模型網格劃分后，需對網格獨立性進行檢驗。箱體尺寸：5200×3400×10900（mm），外壁厚為120mm，為更好顯示出箱體表面及內部溫度變化，首先將壁面劃分別分為20mm、30mm、40mm、50mm、60mm每單位網格，箱體內部區域和外部區域均采用漸變網格，漸變率為1.2，流場外邊緣網格尺寸分別為200mm、300mm、400mm、500mm、 600mm，在此基礎上進行五種工況的網格劃分，并分別記為1、2、3、4、5。結果，在此模型中第三種網格模式即箱體壁面40mm，以1.2的速率遞增到流場外400mm的模式，網格精度的變化對模擬結果的影響最小，即可滿足工程需要，也節省大量計算時間。

3.結果分析

太陽輻射作為包裝箱的主要熱量來源，當它作用于包裝箱體外表面時，部分被外表面直接吸后通過壁面以導熱的方式傳到箱體的內表面，再以對流和輻射傳到箱體內的空氣，使箱體內的空氣溫度升高。

在模擬過程中，利用太陽射線追蹤法加載太陽模型，設置了天津地區的地理位置（經度、緯度、時區）、物理模型的具體方位（箱體南北朝向放置）。箱體在運輸過程中會遇到各種情況的氣象條件，在此按照瞬態工況進行模擬，以典型年夏至日的8：00、12：00、14：00、18：00時四種工況為例。

3.1箱體外風速場

不同的箱體外風速場對外壁面的對流換熱影響較大。梯度風的設置根據天津市氣象條件進行設置，同時考慮運輸速度。在不同時刻，風在箱體周圍形成的速度場大致相同，迎風面處風速較大，在5.0m/s左右，箱體兩側形成羽翼形狀流，同時箱體后側形成了明顯的渦流。此時由于箱體壁面周圍風速不同，將會導致箱體外壁面的換熱系數變化，進而會影響到箱體壁面和內部的溫度分布。

3.2箱體外溫度場

在運輸過程中，箱體不僅受到太陽輻射的作用，還有周圍地面環境輻射的影響，使箱體周圍的環境溫度不僅隨時間發生變化，而且也會隨箱體方位的變化而變化。在不同時刻，箱體相對太陽射線的位置不同，在箱體周圍形成了不同的溫度場分布。在8：00時，太陽輻射強度較弱，箱體的東側面溫度較高，在西側面形成明顯的陰影低溫區，并且箱體自身對周圍環境的影響還不明顯。12：00時，太陽輻射強度增加，箱體外表面溫度急劇升高，但因風環境對箱體外表面換熱的影響，箱體外壁面前端處溫度明顯低于后端，同時箱體周圍環境溫度也受到箱體輻射影響，表現出不同的溫度梯度。14：00和18：00時，上述現象則更為明顯，箱體迎風面溫度由于對流換熱的影響，左右兩側表現出更大的溫差，箱體周圍的環境溫度也顯示出更大溫度梯度。

3.3箱體外表面溫度場

太陽輻射和箱體自身外壁面的換熱特性對箱體外壁面溫度的影響很大。在12：00和14：00時，箱體壁面前后端溫度均相差近15℃，說明外壁面對流換熱系數是影響外壁面溫度分布的另一個重要因素。14：00的箱體外壁面平均溫度為75.8℃，比12：00時高出7.9℃，比18：00時高出34.5℃。

箱體外壁面的溫度經過箱體自身的導熱特性將進一步影響到箱體內的空氣溫度分布。由于運輸目標設備主要位于箱體內部區域，有必要重點分析箱體內部空間的溫度分布特性。

3.4箱體內溫度場

箱體外壁面溫度對內部空氣溫度有很大影響，在垂直于與箱體外壁方向上，存在著較為突出的溫度梯度。在箱體內部環境溫度分布中，14：00時溫度最高，平均溫度值在60.5℃左右，比12：00時高出5.8℃。箱體壁面周圍存在很大的溫度梯度，箱體內外兩側壁面處空氣溫度均有較大幅度下降，外側溫度由于受對流換熱的影響，很快下降至31℃。而箱體內部由于對流換熱系數較小，且存在較大的輻射換熱，內部空氣平均溫度為63.4℃。

3.5試驗驗證

箱體在一天內，隨外部環境的變化，內部溫度也隨之發生變化。為此在箱體內設置溫度監測點A和B。用試驗的方法對監測點不同時刻的溫度進行測試，A點采用熱線風速儀，B處采用熱敏電阻，結果如圖1。

從圖1中看出，A和B兩點均呈現出相似的變化趨勢，8：00～14：00時，箱體外壁面溫度逐步升高至74.8℃，而箱體內在經過近8h后升高至最高點63.4℃，兩者之間存在110m in的滯后性。隨著太陽輻射強度的下降，兩處溫度均呈現下降趨勢。因箱體自身的材料屬性和外壁面的對流換熱特性，使得箱體表面溫度升高的速率高于內部環境空氣。監測點A和B處的試驗和模擬的誤差分別為3.4%和4.1%，說明數值模擬結果滿足了工程要求，可將數值模擬技術應用于后續研究中。

圖1 監測點處溫度變化趨勢

4.結論

本文利用數值模擬軟件，對運輸包裝箱在天津地區夏季極端工況下，不同時刻被動溫控條件下的箱體內外溫度環境的分析，得到以下結論：

1.在天津地區室外晴朗天氣狀態下，箱體材料平均導熱系數為0.47w/（m· K）時，包裝箱在運輸過程中，內部平均溫度將會達到60.5℃，此時應根據運輸目標設備的溫度要求進行主動溫控。

2.包裝箱體內溫度環境主要受到太陽輻射和外壁面對流換熱系數的影響，為此，在后續研究工作中，應加強對這兩個因素的重點研究。

3.經過試驗和模擬的對比分析，監測點A和B處的誤差分別為3.4%和4.1%，說明該數值研究方法能夠很好滿足包裝箱體溫度特性研究的需要，這也為該研究方法的進一步的推廣應用提供了參考。

（作者單位：濱海投資（天津）有限公司）

[1]Cesini G, Paroncini M, Cortella G, M anzan M （1999） Natural convection from a horizontal cylinder in a rectangular cavity． Int J Heat M ass Transf 42：1801～1811

[2]Lin C．H．, Lelli M．A．, Han． T． A experimental and Com putational Study of Cooling in a simplified GM-10 Passenger Com partment [C] SAE paper, 1991, No 910216

[3]Ingersoll, J． G, et al, Autom obile passenger com partm ent therm al com fort equation, Com partment coo-down/warmup calculation, SAE paper 920265, 1992：232～242；SAE paper 920266： 24-253

[4]申江，劉斌．冷藏鏈現狀及進展［J］．制冷學報，2009，30（6）：20～25．

[5]蔡新梅，宋文吉，馮自平．基于冰漿蓄冷的集中制冷冷藏陳列柜的實驗研究［J］．制冷學報，2011，32．（4）：63～66．

[6]曹為學．高大空間工業廠房自然通風效果優化研究［J］．潔凈與空調技術，2016，（01）： 5～8