基于COMSOL的冷板式物流箱的溫度場分析

□ 李瑞陽，陳 騰，胡劍飛，蒙煒健，鄒 敏

(廣州城市理工學(xué)院,廣東 廣州 510800)

1 研究背景和意義

冷鏈物流的快速發(fā)展對末端配送提出了更多更高的要求。目前，我國冷鏈物流在末端配送上多采用的是一次性泡沫箱加內(nèi)置冰袋的方式，此種方式很難在保溫冷藏效果和體積輕便間取得平衡，在復(fù)雜多變的運輸環(huán)境中也較容易碰撞損壞從而失去保溫效果，無法保障生鮮食品的品質(zhì)。損壞的泡沫因不能重復(fù)利用而被丟棄，導(dǎo)致白色污染的產(chǎn)生，帶來十分嚴重的損失和浪費。冷板式物流箱的冷藏效果優(yōu)良，可以在多場合使用，且可重復(fù)利用，能提高冷鏈運輸過程中的保溫冷藏效果。研究冷板式物流箱的溫度場，對其進行各方面的優(yōu)化配置，可以為冷鏈物流的末端配送創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 模型構(gòu)建及參數(shù)設(shè)定

三維模型冷板式物流箱的結(jié)構(gòu)分為箱體外殼、箱蓋、保溫材料層、可拆卸冷板和內(nèi)含物，其他結(jié)構(gòu)對于COMSOL仿真沒有影響或影響不大，為了簡化模型，其他結(jié)果在模型中不予體現(xiàn)，箱體尺寸為0.4m×0.4m×0.3m，全局定義參數(shù)如表1所示，三維模型如圖1所示。

圖1 冷板式物流箱的三維模型

將內(nèi)含物定義為薄空氣電阻層；設(shè)置域探針，分別為內(nèi)含物最大值、內(nèi)含物最小值、內(nèi)含物平均值、冰平均值，以測量相關(guān)溫度；設(shè)置固體傳熱：冷板的域選擇為流體，冷板內(nèi)的蓄冷劑為冰到水的相變；設(shè)置剩余空間為等溫域，塑料外殼與外界的傳熱為對流熱通量，傳熱系數(shù)為5W/(m2·K)；設(shè)置內(nèi)含物的材料，分別設(shè)置冷板蓄冷劑的狀態(tài)為冰和水，設(shè)置保溫層材料以及設(shè)置冷板外殼材料；設(shè)置環(huán)境溫度為中國廣州白云國際機場的氣象數(shù)據(jù)，時間為2017年7月10日；設(shè)置內(nèi)含物初始溫度為5[degC]、冷板的初始溫度為-5[degC]、塑料外殼及保溫層初始溫度為20[degC]；研究時間為96小時，每3個小時記錄一次溫度，即步長為3h，相對容差為1e-3；剖析網(wǎng)格為超細化，進行研究。

表1 冷板式物流箱參數(shù)

3 溫度場分析

物流箱的溫度場分析主要是物流箱在一定條件下的保溫效果，物流箱的使用效果受到冷源、隔熱材料、保溫層厚度和周圍環(huán)境四個要素的影響，其中冷源受到冷源初始溫度和蓄冷劑影響，所以通過改變變量，得出其分別對物流箱的保溫效果的影響。由于周圍環(huán)境涉及的情況復(fù)雜多樣，也涉及外界環(huán)境中空氣對流因素對保溫效果的影響，而蓄冷劑的研究涉及材料化學(xué)的內(nèi)容，比較復(fù)雜，本文對物流箱的溫度場研究采用控制變量的方法，分別研究在溫度變化時長為96小時下：

①在隔熱材料為泡沫的情況下放置1塊冷板、2塊冷板、3塊冷板和4塊冷板的物流箱溫度變化情況及溫度線分布；

②在放置4塊冷板的情況下改變保溫材料為泡沫、擠出聚苯乙烯、發(fā)泡聚氨酯和真空隔熱板的物流箱溫度變化情況及溫度線分布，綜合考慮成本、對環(huán)境的影響以及貨物對保溫能力的要求等因素，得出較為合理的冷源和隔熱材料配置及適用情況；

③改變保溫層厚度，利用COMSOL分析這個過程對保溫效果的影響；

④改變冷板的初始溫度，分析保溫箱內(nèi)部的溫度影響。

通過上述研究得出的結(jié)果，用于分析物流箱在實際使用中的問題，包括物流箱的配置以及其他使用情況，理論結(jié)合實際，在物流箱的實際使用及針對具體貨物的保冷預(yù)測方面有一定的意義。

3.1 冷板放置數(shù)量

條件：冷板溫度為-5℃，保溫材料為聚苯乙烯泡沫，保溫層厚度為0.04m(定量),分別放置1、2、3和4塊冷板(變量)，分析結(jié)果如圖2所示。

3.2 保溫層隔熱材料

條件：冷板溫度為-5℃，保溫層厚度為0.04m，放置4塊冷板(定量),保溫材料分別為聚苯乙烯泡沫、擠出聚苯乙烯、聚氨酯硬泡和真空隔熱板(變量)；保溫材料參數(shù)如表2所示，分析結(jié)果如圖3所示。

表2 保溫材料參數(shù)

圖2 不同數(shù)量冷板的內(nèi)含物溫度分布圖

圖3 不同保溫材料的內(nèi)含物溫度分布圖

3.3 保溫層厚度

條件：冷板溫度為-5℃，放置4塊冷板，保溫材料為聚苯乙烯泡沫(定量)，保溫層厚度分別為0.02m、0.04m和0.08m(變量)，物流箱三維結(jié)構(gòu)如圖4所示，分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 保溫層不同厚度的物流箱三維結(jié)構(gòu)圖

圖5 不同保溫層厚度的內(nèi)含物溫度分布圖

3.4 冷源初始溫度

條件：放置4塊冷板，保溫材料為聚苯乙烯泡沫，保溫層厚度為0.04m(定量)，冷板初始溫度為0℃、-5℃，-10℃(變量)，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同冷源溫度的內(nèi)含物溫度分布圖

4 結(jié)論

本文通過在COMSOL上建立物流箱的三維模型及仿真溫度場，對放置不同數(shù)量的冷板，改變保溫材料、保溫層的厚度及冷板的初始溫度，采用控制變量的方法，來對保溫箱的保溫性能進行研究，將內(nèi)含物的平均值作為參考，整合各個對照組的溫度數(shù)據(jù)，得出以下主要結(jié)論：由圖2可知，通過放置不同數(shù)量的冷板，仿真結(jié)果與理論相符，即冷板的放置數(shù)量與保溫效果成正相關(guān)關(guān)系；由圖3可知，通過改變保溫層材料，觀察內(nèi)含物平均溫度分布圖，可以得出保溫性能EPS=XPS