環形熱管蓄冷保溫箱空載均溫性能研究

摘 要：針對傳統蓄冷箱箱內溫度均勻性差的問題，提出環形熱管結構蓄冷保溫箱的設計，建立了空載均溫性能的三維數值仿真模型，并進行了試驗驗證，對比分析了環形熱管保溫箱與常規結構蓄冷保溫箱蓄冷板不同布置方式（四周布置、側面+頂部+底部布置、中間布置）保溫時間和溫度均勻性的差異。結果發現，與常規結構蓄冷箱相比，環形熱管結構的蓄冷保溫箱的溫度場、速度場均表現出較好的均勻性，其溫度不均勻度為1.13，保冷時間為23 h。內部的環形熱管在箱內形成環形流場，加強了對流換熱，使整體溫度均勻性更好。

關鍵詞：環形熱管;蓄冷保溫箱;保溫時間;溫度均勻性

中圖分類號：TS206.5 文獻標志碼：A 文章編號：1008-1038（2024）03-0017-07

DOI：10.19590/j.cnki.1008-1038.2024.03.003

Research on No-load Temperature Equalization Performance"of Annular Heat Pipe Cold Storage Incubator

TIAN Jinjin1， YAO Chaoyang1，2， WANG Da2， XU Shuangxi1，2

（1. Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology， Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China;

2. Jinan Fruit Research Institute， All China Federation of Supply amp; Marketing Cooperatives， Jinan 250220， China）

Abstract： Aiming at the problem of poor temperature uniformity in traditional storage box， a cold storage box with annular heat pipe structure was proposed， and a three-dimensional numerical simulation model of no-load temperature equalization performance was established and verified by experiments. The differences of holding time and temperature uniformity between annular heat pipe insulation box and conventional structure cold storage box were compared and analyzed in different arrangements （around arrangement， side+top+bottom arrangement， middle arrangement）. The results showed that compared with the conventional storage box， the temperature field and velocity field of the annular heat pipe storage box showed better uniformity. The temperature non-uniformity was 1.13， and the cooling time was 23 h. Because the internal annular heat pipe forms a circular flow field in the box， the convective heat transfer was strengthened and the overall temperature uniformity was better.

Keywords： Annular heat pipe; cold storage incubator; holding time; temperature uniformity

隨著經濟的發展和生活水平的提高，現代人越來越關注食品的品質問題[1-2]。我國作為農業生產大國，果蔬產量常年居于世界前列[3]。冷鏈物流技術是維持果蔬高品質的重要手段，與發達國家的果蔬冷鏈的流通率（95%以上）相比，我國冷鏈物流還有很大的發展空間[4-6]。蓄冷保溫箱具有成本低和無污染等特點，在冷鏈物流運輸和配送中占有重要地位，目前主要發展方向是研發低熱阻的保溫材料、穩定高潛熱的蓄冷相變材料和高效的保溫箱結構[7-10]，對于傳統蓄冷保溫箱溫度不均勻問題的研究較少，因此亟需研發新的蓄冷保溫箱來減少此類弊端。

王達等[11]提出了真空絕熱板和聚氨酯復合結構的蓄冷保溫箱，通過和同樣厚度聚氨酯和聚苯乙烯蓄冷箱的對比，發現其保冷時間分別提高了3倍和5.7倍。余永濤等[12]研究了不同結構尺寸的EPP保溫箱的保溫性能，在保溫箱內容積、箱體厚度和箱蓋厚度相同的條件下，內外表面積幾何平均值越小，保溫時間越長。范中陽等[13]研究蓄冷板擺放形式對奶白菜中心溫度的影響，得出在25 ℃室內環境下，蓄冷板采用四周擺放比頂部擺放方式保溫時長提高30%。楊坤等[14]研究了保溫材料等因素對無源蓄冷保溫包裝溫度場的影響。謝如鶴等[15]從結構設計、溫區分配、箱體材料以及蓄冷劑選擇等方面設計研發了一款蓄冷式多溫共配箱，其保溫結構性能穩定，冷板更換靈活。翟紀強等[16]也設計一種多溫區的保溫箱，得出了冷板擺放位置、外界環境、蓄冷劑等最佳溫控條件，使保溫箱能夠達到短途冷鮮產品的運輸要求。

目前上述針對蓄冷保溫箱內的均溫設計，主要集中在蓄冷板結構及擺放方式的優化上，關于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。鑒于此，本文提出了一種新型蓄冷保溫箱，保溫結構采用真空絕熱板和聚氨酯復合而成，內部用薄鋁板將空間分成兩個腔體，每個腔體外壁裝有4條環形熱管，然后建立了環形熱管保溫蓄冷箱和常規蓄冷箱的數值仿真模型，并對模擬和實驗結果進行驗證，比較了環形熱管蓄冷箱和常規蓄冷箱的空載均溫，為蓄冷箱的均溫設計提供參考。

1 數值模擬

1.1 物理模型

使用三維軟件solidworks對環形熱管蓄冷保溫箱進行1∶1比例建模，其結構如圖1所示。蓄冷保溫箱由內部腔體、隔板和導熱管組成，外部尺寸為710 mm×650 mm×480 mm，保溫結構采用厚度50 mm、導熱系數0.009 W/（m·K）的保溫復合板，內部腔體有效容積為0.216 m3。蓄冷板尺寸為480 mm×350 mm×20 mm，相變溫度3.5 ℃，相變潛熱204.1 kJ/kg，由于蓄冷箱為對稱結構，把蓄冷箱分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個區域，為了節省計算時間，選擇Ⅰ區作為計算對象。

為客觀評價新型蓄冷箱的保溫性能，本文對環形熱管蓄冷箱與常規蓄冷箱的保溫性能進行了比較。常規蓄冷箱蓄冷板采用了三種不同擺放方式，其具體方案如圖2所示，對照1為四周布置，對照2為側面+頂部+底部布置，對照3使用中間布置，方案4為中間布置帶環形熱管結構的蓄冷保溫箱。對照組1、2相對于對照3、方案4來說，蓄冷板在箱體內空間分布更均勻，而方案4與對照3相比，只是外部加了4條環形熱管。

1.2 數學模型

對建立的數學模型做以下假設：（1）箱體密閉，忽略漏氣;（2）蓄冷板采用等效熱容法，忽略相變材料融化后固-液之間的自然對流;（3）忽略環境與蓄冷箱之間的輻射換熱;（4）絕熱材料和PCM的物理性質均勻、各向同性。對于非穩態過程，可采用Navier-Stokes方程進行求解，其連續方程、動量方程、能量方程見式（1）（2）（3）[17]。

+=0（1）

（ρaui）+（ρauiuj）=-+[μa（+）]-（ρa -ρa（2）

（ρacp，aT）+（ρaCp，aujT）=（λa）-（ρacp，a" ）（3）

式中，t為時間，s;P為壓強，Pa;ui、uj為時均速度，m/s;ρa為空氣密度，kg/m3;μa為空氣動力黏度，Pa·s; 為雷諾應力分量;u'i、u'j為空氣脈動速度，m/s;Ta箱體內部空氣溫度，K;T0為參考溫度，K;g重力加速度，m/s2;cp，a為空氣比熱容，J/（kg·K）;T為空氣溫度，K;λa為空氣導熱率，W/（m·K）; 為Reynolds通量項;T'為空氣脈動溫度，K。

為了研究不同擺放方式對蓄冷箱內部溫度均勻性的影響，使用絕對不均勻度S來描述蓄冷箱內溫度均勻性，其值越大溫度場的不均勻程度也越大[18-19]，具體計算公式見式（4）。

S=（）（4）

式中，Ti為第i個測點的溫度，℃;n為n個測點的平均溫度，℃。

1.3 網格劃分

將幾何模型導入ansys mesh中，使用sweep方法對幾何進行網格劃分。在固體域和流體域交界面還設置了3層邊界層，用aspect-ratio方式對邊界層加密，網格劃分如圖3所示，網格類型以六面體網格為主，網格總數量為2 179 184，最小正交質量為0.278，滿足fluent計算要求。

1.4 初始和邊界條件

蓄冷箱釋冷過程為瞬態模型，選用laminar層流模型，考慮重力和浮升力的影響，其中Y= -325 mm和X=0 mm兩個面為symmetry邊界類型，Z=0 mm、Z=480 mm、X= -355 mm、Y=0 mm四個面為wall邊界類型，箱外環境溫度為22 ℃，空氣對流換熱系數h取15 W/（m2·K）。箱體和箱內初始溫度為22 ℃，PCM初始溫度為0 ℃，各材料物性參數見表1。

1.5 網格和時間步長無關性驗證

為消除實驗偶然性，對蓄冷箱進行了多組空載釋冷實驗，箱內平均溫度變化如圖4（a）所示，從圖中可以看出，每組實驗的平均溫度基本重合，溫度升到15 ℃時所用時間均在24 h左右，證明空載蓄冷箱的釋冷實驗是穩定的。對于數值模擬來說，網格數量和時間步長對模擬結果有重要的影響，網格數量越多以及時間步長越小，都會使計算時間過長。圖4（b）為6、8、10、12 mm網格下模擬的結果統計，相較于6 mm網格尺寸下的模擬結構，8、10、12 mm下的模擬結果相對偏差分別為2.8%、7.2%、11.8%，考慮到準確性和計算時間，選擇8 mm的網格尺寸進行網格劃分。圖4（c）為步長5、10、15、20 s模擬結果統計，相較于5 s，步長10、15、20 s相對偏差分別為0.91%、0.93%、0.96%，考慮到計算速度和準確性，選擇步長20 s作為模擬的時間步長。

2 環形熱管和常規蓄冷箱釋冷過程的數值模擬比較

2.1 模擬結果與實驗結果比較與驗證

為驗證數值模型的準確性，將模擬結果和實驗結果進行了對比，結果如圖5所示。經過比較，模擬值整體平均誤差小于6.82%，說明構建的數學模型比較可靠，可以作為優化蓄冷保溫箱的有效方法。

2.2 溫度場分析

截面位置和溫度場變化情況如圖6所示，截面3和截面4互為對稱面且溫度場分布完全相同，因此只給出了一個溫度云圖。通過截面1、2可以發現，靠近蓄冷板的位置溫度較低，因為靠近蓄冷板的位置與箱內空氣首先進行熱量交換，使臨近冷板的空氣溫度降低，而較遠的空氣需要箱內低溫空氣對流傳熱，過程較慢。截面3、4可以看到，溫度出現了分層現象，這是由于冷板釋放的冷量與箱內空氣換熱，換熱后溫度低的空氣密度較大，會積聚在蓄冷箱下部，溫度高密度小的氣體積聚在上部，造成了分層現象。

對照組1冷板采用四周布置方式，冷板會首先使周圍空氣降溫，由于有四面冷板，使靠近冷板的四面空氣同時降溫，由于空氣重力會造成溫度分層現象。對照組2冷板采用側面+頂部+底部布置，由于有頂部、底部冷板存在，頂部的冷板使頂部空氣溫度均勻降低，但隨著時間推移，頂部冷板先融化完，也會造成箱內空氣存在明顯的溫度分層現象。對照3的蓄冷板放置在箱內中間位置，由于冷板距離蓄冷箱底部和頂部位置較遠，在低溫空氣重力作用下導致箱體上部和下部溫度差異，溫度分布明顯不均勻。方案4與對照組相比，由于導熱管具有良好的導熱性，可以削弱上部溫度和下部溫度的差異，使整個釋冷過程中的溫度均勻性明顯改善。

2.3 速度場分析

圖7為四種方案下的蓄冷箱內部流場速度云圖，從圖中可以發現，蓄冷箱內速度場分布存在差異。對照1、2、3中，在蓄冷板處的速度值較高，在未放置蓄冷板的地方速度值較小。而方案4的環形熱管蓄冷箱不僅在蓄冷板附近出現高速度值，而且由于環形熱管的存在，還在箱體四周速度值也較高。速度場和溫度場的均勻性結果是一致的，這也反映速度場分布對于蓄冷箱內溫度場分布有重要的影響，導熱管可以使溫度均勻性得到改善。

2.4 蓄冷保溫時長

蓄冷保溫時長是蓄冷箱性能的重要考察依據，本研究將箱內平均溫度小于15 ℃定義為有效保冷時間，圖8為四種方案的蓄冷箱有效保溫時長柱形圖統計結果。有效保溫時長分別是對照組3gt;方案組4gt;對照組1gt;對照組2。對照組1和對照組2有效保溫時較短，原因是對照1和對照2的蓄冷板緊靠熱壁面放置，蓄冷板與周圍環境換熱較強烈[20]，從而使總有效保溫時間較短。對照組3和方案4采用了中間布置方式，有效保溫時長較長，方案4由于環形熱管換熱，較方案3保溫時間較短。

2.5 溫度均勻性

四種蓄冷箱保溫箱的溫度均勻性，由圖9所示，四種方案不均勻度的平均值分別為1.54、1.34、1.71、1.13。對照組1由于四面都是冷板，箱內空氣降溫速率較快，冷空氣大量在底部聚集，造成溫度均勻性較差。對照組2的溫度均勻性良好，這是由于采用側面+頂部+底部布置方式，蓄冷板在整個箱體空間分布比較平均，但由于蓄冷板距離壁面比較近和垂直方向上重力的作用，上部的蓄冷板融化速度快于下部蓄冷板，待上部蓄冷板完全融化后下部蓄冷板還未融化結束，使溫度不均勻性增加。對照組3由于冷板在箱內分布不均勻使溫度均勻性較差，而方案4新型蓄冷箱加入了環形熱管，在蓄冷箱內箱內形成環形流場，平衡了箱內溫差，使得整個過程中溫度均勻性好于其他三組。

3 結論

本文針對傳統蓄冷箱箱內溫度均勻性差的問題，提出研發環形熱管結構的蓄冷保溫箱，并對比分析了環形熱管保溫箱與常規結構蓄冷保溫箱蓄冷板不同布置方式保溫時間和溫度均勻性的差異。本文建立了蓄冷箱數學模型，并對模型進行實驗驗證，整體誤差小于6.82%，說明所建立的模型適用于此類蓄冷保溫箱的數值模擬，為今后研究和優化蓄冷箱提供了基礎。其次相比于改變蓄冷板擺放方式，通過箱體結構的優化設計可實現更好的均溫效果。環形熱管保溫箱的均勻性優于常規結構的任何一種擺放方式，不均勻度最小，為1.13，后續可以將蓄冷箱體結構設計作為改善均勻性的重點。最后比較四個方案的有效保冷時間，采用中間布置蓄冷板方式的對照組3和方案4比在箱壁面布置方式的方案1和方案2維持低溫時間更長，方案4保冷時間為23 h，保溫效果較好。

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基金項目：山東省重點研發計劃項目（2022TZXD0022）

第一作者簡介：田津津（1978—），女，高級實驗師，碩士，主要從事食品冷鏈的研究工作