環形熱管蓄冷保溫箱的模擬優化與實驗研究

胡時發，王達，楊相政，賈連文，徐雙喜

環形熱管蓄冷保溫箱的模擬優化與實驗研究

胡時發1,2，王達1，楊相政1，賈連文1，徐雙喜1,2

（1.中華全國供銷合作總社濟南果品研究院，濟南 250204；2.天津商業大學，天津 300134）

解決蓄冷冷鏈運輸中存在的溫度波動大、均勻性差等問題。文中提出通過環形熱管來優化箱內溫度場均勻性的方案，以檸檬為實驗材料，采用FLUENT數值模擬軟件對不同環形熱管結構下檸檬保溫過程進行仿真，并對4層環形熱管模型進行實驗驗證，確定箱內溫度分布規律。環形熱管均對保溫箱溫度場均勻性有明顯改善作用，4層環形熱管與無環形熱管的蓄冷保溫箱相比，蓄冷保溫過程結束時，不均勻度由1.71減少為0.83，降低幅度為51.46%，溫度極差可由8.32 ℃減小為3.24 ℃，降低幅度為61.06%。頂部留出的空隙會出現環流現象，能一定幅度地減少有效蓄冷保溫時間，增大溫度極差和溫度不均勻度。驗證實驗和模擬結果的溫度偏差在1.25 ℃以內，說明建立的模型適用于該蓄冷保溫箱的數值模擬。針對文中箱體結構，最佳熱管環數為4層左右；其結果可為優化蓄冷保溫箱的溫度分布提供參考依據。

蓄冷保溫箱；溫度均勻性；環形熱管；數值模擬

蓄冷保溫箱為無源冷鏈運輸設備[1]，多用于易腐貨物的短途運輸，由保溫箱體內置蓄冷材料進行控溫[2]。在果蔬冷鏈運輸中，箱體內溫度場的均勻程度與果蔬保鮮效果成正比[3]；根據相關標準[4]，對易腐貨物的控溫要求有明確的溫度范圍，因此對冷鏈運輸過程中保溫設備溫度場均勻性的研究具有重要意義[5-7]。近年來有不少學者在這方面做了相關的研究，李君等[8]、潘欣藝等[9]均研究了保溫材料對箱體內溫度場均勻性的影響，發現真空絕熱板的使用明顯可以改善溫度場的均勻性。潘欣藝等[10]通過有限元法得出蓄冷劑擺放位置為頂擺方式時為溫度場最均勻的擺放位置。李曉燕等[11]研究冷板的布置方式時得出并列擺放時溫度場均勻，且平均溫度最低。羅大偉等[12]采用有限元的數值模擬得出了不同的環境溫度下蓄冷劑的最佳預冷溫度。以上學者的研究都是基于空載的情況下進行的，不能完全反映運輸過程中箱體內的溫度分布，對溫度場的優化具有一定的參考依據。朱文嫻等[13]采用實驗和模擬的方式研究了食品冷藏保溫過程中的溫度分布。方舒超等[14]針對疫苗冷鏈領域提出了一種蓄冷板楔形布置的蓄冷保溫箱，并通過實驗和模擬確定了最佳箱體邊長比。由于冷板冷藏箱內的溫度分布僅靠溫差產生的自然對流難以形成均勻的溫度場[15-16]，目前溫度場的主要優化方向大多為改變蓄冷板的布置方式，對通過蓄冷保溫箱體結構優化改善箱內氣流組織的研究較少。

文中提出一種環形熱管結構的新型蓄冷保溫箱，主要是利用熱管的強導熱特性在箱內貨物與箱體之間形成低溫隔層以減小箱內貨物的溫差，從而改善箱內貨物溫度場均勻性；通過數值模擬和實驗驗證相結合的方法確定不同環形熱管結構下箱內氣流組織和溫度分布規律，為蓄冷保溫箱的均溫設計提供理論依據。

1 模型建立與網格劃分

1.1 物理模型

環形熱管蓄冷保溫結構為對稱模型，1/2三維結構見圖1，從外向內分別為保溫箱體、環形熱管、環形隔板；保溫箱體的長×寬×高為：620 mm×365 mm×480 mm，厚度為50 mm；外徑為8 mm的環形熱管，垂直分布于隔板和箱體之間的空隙，第1層環管與箱內底層的距離為，相鄰環管的距離分別為，環形隔板采用1 mm鋁板，長×寬×高為490 mm×280 mm×380 mm；蓄冷板尺寸根據實驗所用確定，該模型長×寬×高為480 mm×20 mm×350 mm。

文中根據圖1所示結構，分別以0環管、2環管（=80 mm，=160 mm）、4環管（=30 mm，===90 mm）、6環管（=20 mm，=====60 mm）不同的環管層數為變量，箱內運輸貨物以檸檬為例，檸檬平均直徑為54 mm，每層43個，共6層，按圖1排列分布。

1.2 數學模型

為方便數學模型的建立和計算，對蓄冷保溫過程進行了必要的假設：空氣為不可壓縮流體，采用boussinesq假設，空氣熱膨脹系數取0.003 67；檸檬物性參數為常數；忽略檸檬單體之間和檸檬與箱體之間的接觸、輻射傳熱；箱體完全密閉，無漏氣現象。同時做了以下簡化：對蓄冷劑相變過程采用等效熱容法[17]；對環形熱管視為固體域采用當量導熱系數代替[18]。相關物性參數見表1。

1蓄冷板；2保溫箱體；3箱蓋；4隔板；5環形熱管。

1）對于瞬態、不可壓縮流體的空氣區域，利用平均雷諾數納維–斯托克斯方程[19]進行求解，連續性方程、動量方程、能量方程分別為：

2）對于固體計算區域，控制方程為：

由于檸檬內部熱源有自身呼吸熱和蒸騰熱，源項e不為0，需將其作為內部熱源加載到檸檬區域導熱微分方程中：

1.3 網格劃分

采用fluent meshing對環形熱管蓄冷保溫箱劃分網格，圖2所示是以4環管模型為例的網格劃分結果。模型計算域從外向內分為box、air1、heat pipe、ice gel、air2和lemon，模型采用poly類型網格自動劃分方式，檸檬和邊界之間、檸檬單體之間留有空隙以保證網格的質量可以用于計算[20]，空氣域用aspect–ratio方式對邊界層加密。通過對4種模型的網格進行獨立性檢驗，最終確定4種模型網格數量分別為55.8萬、171.5萬、202.3萬、283.1萬，且Orthogonal Quality網格質量檢查最小值均為0.3，滿足fluent計算的網格質量要求。

圖2 模型網格示意圖

1.4 求解設置及邊界條件

根據蓄冷保溫實驗條件設置邊界條件：=0平面上的邊界為對稱邊界，邊界溫度根據實驗測得環境平均溫度為20.5 ℃，包裝箱外邊界條件為自然對流換熱邊界，根據自然對流強度范圍[21]取為15 W/(m2·K)；其他內部邊界均為耦合邊界條件；模擬方法采用壓力與速度耦合方法中的simple算法；動量、能量、湍動能、擴散率的離散格式為二階迎風格式；松弛因子調小為0.2，其余保持默認設置進行計算。初始條件根據實驗條件設定。相關材料的物性參數見表1。

表1 物性參數

Tab.1 Physical parameters

2 驗證實驗

檸檬采摘后在冷鏈條件下運送至實驗室,對檸檬預冷處理至5℃準備蓄冷保溫實驗。以聚氨酯真空絕熱復合板為材料的保溫箱體為基礎，搭建了蓄冷保溫試驗平臺（見圖3a）。將完全凍結的4塊相變蓄冷板（單塊蓄冷板含蓄冷劑1 kg）放入環形熱管蓄冷保溫箱；取40 kg檸檬均分為2份別放入蓄冷保溫箱的2個腔，同時對保溫箱內的檸檬布置溫度傳感器，由于模型關于、軸對稱，則只需對1/4模型布置測點，其中檸檬果心溫度9個測點是根據如圖3d所示的位置進行布置的，測點布置按照近蓄冷板的檸檬取3個測點，同理遠蓄冷板及中間各取3個測點，由于實際的檸檬排布是無規則，以臨近位置進行表示。

圖3 實驗臺及溫度測點示意圖

實驗儀器如下。

1）溫度傳感器：采用日本千野公司生產的MR5300防水型溫度傳感器，精度為±1 ℃±1 digit（?5～50 ℃范圍之間內：±0.5 ℃±1 digit）。

2）電子稱：分辨率為0.001 kg。

3 結果分析

3.1 實驗驗證

圖4所示為4環管蓄冷保溫箱內實驗和模擬的果心溫度–時間變化曲線，由于實際蓄冷箱中保溫過程的檸檬初始溫度不均勻、箱體氣密性、保溫過程出現冷凝現象等因素會嚴重影響潛熱釋冷階段，文中將實驗和模擬的平均溫度–時間曲線的拐點作為基點進行數據處理，因此檸檬的保溫過程大致可以分為2個階段，以潛熱為主的釋冷階段和顯熱釋冷階段；這樣處理的原因是：一是保溫釋冷階段因蓄冷劑溫度低，上述影響因素都存在且較為嚴重；二是蓄冷劑釋冷過程的潛熱釋冷結束點是很明顯的，從而使檸檬的溫升曲線也存在較為明顯的拐點，如圖4中的EX–1，臨近蓄冷劑的檸檬溫度測點曲線。圖4中平均數據為對應9個測點的平均值，實驗環境溫度平均氣溫為20.5 ℃。

圖4 實驗和模擬果心溫度隨時間的變化曲線

從圖4中可以看到潛熱釋冷階段中，模擬結果比實驗結果的保溫時間更長（即0 h前），這是由于模擬中忽略了上述相關影響因素而造成的，也能反映出這些因素對實驗結果的影響程度。根據相關標準[4]規定檸檬運輸過程的控溫要求應低于15 ℃，圖中以15 ℃為標準判斷蓄冷結束時間，由圖可知，溫升曲線整體趨勢都是一致的，剛開始出現的溫度先降后升是因為蓄冷劑與檸檬的溫差較大，傳熱較快。隨后果心溫度曲線在39 h左右的時候出現拐點，39 h之后溫升斜率開始增大，是蓄冷劑相變結束，釋冷量突減所致，后溫升斜率隨溫差逐漸減小。由于測點位置1靠近蓄冷劑，39 h到48 h的這段時間出現的拐點較為明顯。

圖5所示是模擬相對實驗的絕對溫度誤差隨時間變化曲線，雖然前期的模擬過程在時間上有差異，但其模擬和實驗的最大誤差值為1.22 ℃，而在潛熱釋冷結束以后最大誤差值為0.8 ℃，由此說明數值模擬的結果具有較高的可靠性。

圖5 絕對溫度誤差隨時間的變化曲線

3.2 溫度場及其均勻性分析

文中根據驗證后的模型探究了0、2、4、6層環形熱管對保溫箱溫度分布的影響。圖6給出了不同環形熱管檸檬的平均溫度隨時間的變化，由圖可知，所有曲線的整體趨勢均符合以上討論的2個階段，不同的是：隨著環管層數的增加，蓄冷板熱量傳遞速度加快，曲線拐點出現時間提前，同時到達15 ℃所用的時間也相應略有減少。測點中溫度達到15 ℃所用的時間（即有效保溫時間）分別為66、66、64、62 h。隨著管層數的增加潛熱釋冷階段的時間逐漸減小，0、2、4、6層環管蓄冷保溫箱相變結束的時間分別70、48、39、26 h。

為了分析蓄冷箱中檸檬的溫度分布特性，引入絕對不均勻度和溫度極差，和的大小表示測點溫度的不均勻程度，其值越大溫度場的不均勻程度也越大[1]，計算式為：

圖6 4種保溫箱中檸檬平均溫度隨時間變化曲線

式中：max、min分別為同一時刻、檸檬的最高溫度與最低溫度，℃。

根據以上分析，分別選取潛熱穩定釋冷階段的12 h時刻以及顯熱釋冷階段的60 h時刻的斷面進行溫度場分析。圖7給出了12 h和60 h時4種環形熱管蓄冷箱內檸檬三個斷面的檸檬溫度分布情況。在12 h時，每一斷面的溫度分布趨勢基本一致：水平方向，斷面1、2的溫度沿蓄冷板位置至箱體方向梯度增大；圖7中12–0中斷面3主要受模型空隙自然對流和鋁隔板強化換熱的影響，與加環管的溫度分布大致相同，溫度呈現四周低，中間較高的分布；垂直方向，溫度從底部到頂部梯度增加分布；在60 h時，加環管與無環管的溫度分布區別較大，無環管的溫度分布與第一階段基本保持一致；2、4、6環管的各斷面溫度分布受熱管的影響，溫度呈現中間向四周梯度增加的環形分布。但隨著環管層數的增加，水平方向和垂直方向上的溫度最大值與溫度梯度值逐漸減小。

表2所示為圖7各斷面的溫度范圍以及溫度極差。結合溫度分布可以得到各斷面內的溫差較小，而斷面之間的溫差較大；環形熱管數量越多，箱體內溫度梯度越小，溫度分布越均勻；12 h，0環管的溫度極差為5.55 ℃，6環管的溫度極差為3.12 ℃；60 h，0環管的溫度極差為8.32 ℃，6環管的溫度極差為2.98 ℃；且溫度極大值點出現在頂部和遠蓄冷板側的底部。

圖7 4種保溫箱12 h和60 h的溫度分布

注：圖號及下標表示，例12–0，12表示時間為12 h，0表示模型環形熱管數，下同。

表2 不同斷面檸檬的溫度范圍/℃

Tab.2 Temperature range of different sections of lemon ℃

圖8給出了不同環管數量不均勻度隨時間的變化情況。不均勻度總體呈現先上升再趨于平緩后下降的趨勢，隨著環管層數的增加絕對不均勻度逐漸減小，12–0為2.02，12–2為1.77，12–4為1.50，12–6為1.48；60–0為1.71，60–2為1.13，60–4為0.83，60–6為0.63；數據表明仿真結果的不均勻度整體要大于實驗值，這是由于在實驗中，初始溫度極差較大，釋冷過程正好起到減小初始不均勻度的作用；其次蓄冷劑釋冷的過程中蓄冷板之間、熱管與蓄冷板之間、箱體保溫板之間存在縫隙，有利于對流換熱。

圖8 不均勻度隨時間的變化

以上結果匯總得到表3，數據表明環形熱管對于改善保溫箱內溫度分布有著明顯的效果，當環形熱管超過4層時，箱體內的最大溫差以及不均勻度變化不大，因此可以認為較優的熱管數量為4層左右；其相對無環形熱管，有效保溫時間減少3.03%，12、60 h的不均勻度分別減小25.74%、51.46%，溫度極差分別減小33.69%、61.06%。

3.3 流場分析

蓄冷保溫箱的溫度分布與流場分布密切相關，圖9a、b分別給出了12 h，無環管與4層環管的局部氣流分布圖。從圖9中可以看到加不加環形熱管，air1區域都會出現環流現象，加熱管之后會將環流分成幾個部分，最大的區別在于環流中最大氣流速度的位置和大小不同，無環管模型的最大氣流速度在箱體壁面側底部，為0.026 m/s左右；而4環管模型的最大氣流速度出現在環管下部隔板側，約為0.02 m/s。其主要原因是加環形熱管之后，最大溫差的位置從箱體避面附近轉到環形熱管附近，因此自然對流最大速度的位置為這兩處。

文中在最優環管數量的基礎上，探究未滿載時頂層空隙對蓄冷箱內部氣流分布和溫度特性的影響。圖10給出了12 h，蓄冷箱體斷面4的氣流分布圖。圖10a是未滿載情況，在保溫過程中，頂層留出的空隙出現環流現象，圖10b表明滿載情況，與圖10a相比，除頂部環流外，其他氣流分布大致相同。數據結果顯示頂層空隙模型的有效蓄冷保溫時間為63 h比不留空隙的情況縮短1個小時左右；極差60為3.34，不均勻度60為1.55，較前者分別增大3.09%和3.33%。

表3 4種保溫箱的指標參數匯總

Tab.3 Summary of indicators in 4 incubators

圖9 無環管和4層環管的局部氣流速度分布對比

圖10 4層環管保溫箱滿載與未滿載的氣流速度分布圖

根據以上分析及數據，頂部空隙出現的環流現象使得溫度極大值點的出現提前，從而減少了有效保溫時間，也一定幅度地增大了溫度極差和溫度不均勻度。

4 結語

文中對提出的環形熱管蓄冷保溫箱4層模型進行了數值模擬和實驗驗證，兩者偏差在1.25 ℃左右，說明所建立的模型適用于該蓄冷保溫箱的數值計算；當環形熱管層數超過4層時，不均勻度和溫度極差變化不大，故最佳環形熱管數量在4層左右；根據研究結果，建議蓄冷保溫箱滿載運輸，或增加墊紙填充上部空間。

文中的研究還存在一定的局限性，所得結論只針對所研究的保溫箱體，對箱體結構變化（尺寸、形狀等因素）的影響沒有深入探究，對某些現象的研究深度與廣度還存在不足。在下一步的研究中，需考慮環管層數與箱體結構的綜合影響，以得出普適性的結論；從理論上分析局部環流的影響，細化蓄冷板側和空氣測環管的間距，考慮環管非水平放置或者頂部增加蓄冷板等措施進一步優化溫度分布。

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Simulation Optimization and Experimental Study on Cold Storage Incubator with Annular Heat Pipe

HU Shi-fa1,2,WANG Da1,YANG Xiang-zheng1,JIA Lian-wen1,XU Shuang-xi1,2

(1. Jinan Fruit Research Institute, All China Federation of Supply & Marketing Cooperatives, Jinan 250204, China; 2. Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

The work aims to solve the problems of large temperature fluctuation and poor uniformity in the cold storage chain transportation. A scheme of optimizing the uniformity of temperature field in the incubator through annular heat pipe was proposed. With lemon as experimental material, FLUENT simulation software was used to stimulate the heat preservation process of lemon with annular heat pipes of different structures, and the model of 4-layer annular heat pipe was verified experimentally to determine the temperature distribution in the incubator. The annular heat pipe obviously improved the uniformity of temperature field. Compared with the cold storage incubator without annular heat pipe, at the end of the cold storage insulation process, the non-uniformity of incubator with 4-layer annular heat pipe was reduced from 1.71 to 0.83, decreasing by 51.46%, and the temperature range was reduced from 8.32 ℃ to 3.24 ℃, decreasing by 61.06%. In addition, there would be circulation in the gap at the top of incubator, reducing the incubator holding time and increasing the temperature range and temperature non-uniformity to a certain extent. The temperature deviation between experimental and simulation results is within 1.25 ℃, indicating that the model is suitable for the numerical simulation of the cold storage incubator. For the proposed incubator structure, the optimal layer of annular heat pipes is about 4. The results provide a reference for optimizing the temperature distribution of cold storage incubator.

cold storage incubator; temperature uniformity; annular heat pipe; numerical simulation

TS206.5

A

1001-3563(2022)23-0216-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.23.026

2022?01?05

廣東省重點領域研發計劃項目（2019B020222001）

胡時發（1995—），男，碩士生，主攻食品冷鏈技術。

王達（1991—），男，博士，副研究員，主要研究農產品采后保鮮貯藏技術與冷鏈裝備開發。

責任編輯：曾鈺嬋