一种新型冷藏车箱体模型的设计与实验验证

夏全刚 刘宝林 宋晓燕

(上海理工大学 生物系统热科学研究所 上海 200093)

近年来，我国的农产品尤其是果蔬占据了巨大的物流市场，因为果蔬含水量高，保护组织差，易腐烂，为保证果疏的品质，需在贮藏、运输和销售过程中确保处于适当的低温环境，尤其在运输环节。公路冷藏运输具有机动灵活，适应性强的特点，可减少中间环节能量的浪费。

目前国内公路运输使用最广泛的是机械式制冷冷藏汽车，但是无法解决频繁的装卸货期间制冷量保存的问题。在这种情况下，具有蓄冷功能的相变材料冷藏汽车就出现了。现有的蓄冷冷藏汽车是通过在箱体内部空间放置冰块的方式蓄冷，一方面增加了车体的承重，另一方面装卸货期间冰水的来回搬运及溢出会造成果蔬的污染。新型复合相变材料冷藏汽车将相变材料密封在箱体的保温层内部，一方面阻止外界的热量进入箱体，与箱体内热量自然对流换热，内部温度场相对恒定，另一方面利用自身的潜热存储制冷系统过剩的冷量，弥补了冰块蓄冷的不足[1-10]。冷藏车箱体内温度分布是保持果蔬新鲜品质的重要因素之一，通过对冷藏车内温度场分布的模拟分析，能够为实时监测并控制箱体内部温度提供一定的理论依据。本文基于蓄冷材料的上述特性，对冷藏车箱体模型进行了模拟分析与实验验证。

1 模型系统结构与工作原理

如图1所示，因冷藏车体积较大，本实验根据1DX型号集装箱按照一定比例模型化设计。该系统包括12V直流电源、半导体制冷系统、保温箱体、薄壁铜管、工字钢、室内机风扇等。箱体内壁面中加入了具有蓄冷功能的复合相变材料，半导体制冷系统使箱体内温度达到某一值后，通过温度传感器感应的信号传给单片机，控制制冷系统的关闭，依靠复合相变材料的相变潜热自动释放冷量；当箱体中的相变材料蓄冷能力不足时，温度传感器采集到的温度信号再次传给单片机，让制冷系统再次启动，如此反复进行。本实验选用各项性能稳定的复合固液相变材料，同时采用导热系数较高的薄壁铜管作为存储管，避免了相变材料的泄漏；底部的工字钢结构增加了其底部的承载能力[11-12]，保证其容纳货物的强度性能。

1金属外壳 2 12V直流电源及单片机控制系统3半导体制冷系统4箱体外壳及低热导率陶瓷纤维纸5高密度聚乙烯薄板6薄壁铜管及复合相变材料7箱体内壁8中空层

2 箱体传热模拟分析

2.1 箱体的传热计算分析

假设可以用0.8 mm的相变材料层代替薄壁铜管相变材料层；相变墙体与外界隔热；固体结构是均质的和各项同性的；物性参数为常数；内热源是均匀分布的；不考虑辐射的影响；满足Boussinesq假设，即：流体中的黏性耗散忽略不计；除密度外，其他物性为常数[13-16]。

其控制方程为：

初始条件：t(x，y，z)=φ(x，y，z)

边界条件：t(0，y，z，τ)=t(L1，y，z，τ)=t(x，0，z，τ)=t(x，L2，z，τ)=t(x，y，0，τ)=t(x，y，L3，τ)=t1

2.2 箱体的传热模拟分析

图2为箱体在制冷系统关闭后，ansys软件对箱体在0 ℃～20 ℃复温模拟分析对照图，由图2(a)与图2(b)对比及图2(c)可知，具有较高潜热的复合相变材料(混合烷烃)在升温过程中能够释放自身的相变冷量，升温缓慢，温度分布相对比较均匀。经过40 min箱体壁面中蕴含的相变材料依靠自身相变释放的冷量依然存储在箱体内的大部分空间，表明复合相变材料的运用，不仅增强了箱体内部的蓄冷能力，而且能够保证冷藏车内部的适宜温度。

图2 箱体复温对比图

3 箱体实验对比分析

图3 箱体空载实验对比变化曲线

实验采用相同的环境温度，制冷系统经历相同的启闭时间，采用DAM-3039F温度采集模块(北京阿尔泰科技有限公司)每隔一秒采集一次，图3(a)、(b)为自行设计的实验台实验数据处理图，总共运行时间为3.15 h，其中制冷运行1 h，A是制冷系统运行与关闭的临界点；从图中可以看出箱体保温层外壁温度(b)与外界空间温度(a)的温度波动区间不大，说明箱体的高密度聚乙烯薄板夹中空设计能够满足保温性能。

图3(a)中A区域开始升温时，由于降温阶段固液相变储能的影响，经历短暂的温度调节后，d曲线的升温速率低于c曲线，升温温差高达5.5 ℃，这是因为复合相变材料在降温过程中发生相变存储冷量，利用自身的固液相变储能这一特性保证了箱体的冷量缓慢释放，给箱体内冷藏保鲜的果蔬提供了绝佳的冷藏环境；升温阶段，f曲线与e曲线相比，能够延缓升温速率，升温温差达到4.5 ℃，这是因为相变材料的蓄冷性能随着温度的升高开始发挥作用，能够给壁面提供一定的冷量供应，阻滞了箱体内壁面的快速升温。

通过图3(b)中曲线(g)与曲线(h)对比发现：相同的时间内曲线(g)在降温过程中能够降到更低的温度，在升温过程中同样具有更高的升温速率，曲线(h)可延缓升温，最大温差可达5 ℃，这是由于在降温阶段，复合相变材料需要吸收一定的能量实现相变过程；在升温阶段，室内温度升高到一定值时，利用自身相变冷量与箱体内部的温升形成一定的自然对流，使箱体内部温升达到一定均衡性与延缓性；通过曲线(g)与曲线(h)对比可知，A区域开始升温8 min时，含有复合相变材料箱体内部冷量的存储优势明显。综上所述，实验箱体壁面升温曲线与图2(c)模拟结果比较的一致。

4 实验验证

4.1 实验基本条件

实验材料选用上海市南汇区的上海青(上海白菜)；将上海青分成3份,每份2颗，在是否添加相变材料并保证上海青不被冻伤的前提下，经历相同的降温、升温过程；选取其中一片平整的叶子，将事先标记好的3根热电偶(No.1、No.2、No.3)的测温端用胶带依次粘在其叶帮附近、叶脉附近、叶片处，标记如图1所示；01、02号热电偶测量箱体铜管壁的温度变化，03、04、05号热电偶采集箱体内部空间的冷热温度变化，06、07号热电偶用于测量箱体外壁面及外界环境的温度变化，如图4所示。

图4 热电偶标记图

4.2 实验结果分析

图5 不同部位温度对比变化曲线

在保证叶帮处降温相同的前提下，从图5中可以看出，降温过程差别不大，最终未添加相变材料的叶柄及叶片附近能够降到更低的温度；在升温阶段，由于复合相变材料的加入，叶帮附近，叶柄及叶片处能够与箱体的冷量存储形成自然对流及一定的辐射传热，阻滞了上海青的快速温升过程，可能原因是相变材料的固液相变能够吸收或释放制冷系统的一部分冷量，延缓箱体内温度的变化，有利于叶帮处的水分通过导管的运输作用及时的送到叶柄及叶片处，减小了叶帮与叶柄及叶片处的温差[17-18]；以图5(b)叶柄处温度变化为例来分析，可以看出在制冷系统关闭后，添加相变材料的箱体能够延缓上海青3 ℃的温升，这是由于在复温过程中所吸收的热量使分子有规则排列发生变化，导致分子结构涣散而呈现液态，从而延缓上海青表面自由水的蒸发。

5 结论

本文对冷藏车的箱体壁面的空间模型进行了理论计算、模拟及实验验证。通过分析可知：将一定量复合相变材料添加到冷藏车的箱体中能够利用自身的固液相变性能增加箱体的蓄冷特性。实验证明了外壁面温度与外部空间环境温度波动不大，说明保温箱体的设计满足实验的要求。箱体内部空间及上海青的温度变化曲线表明：将复合相变材料添加到冷藏车的箱体中，在升温过程中使得空间环境升温速率低于一般冷藏车箱体；叶帮附近，叶柄及叶片处能够与箱体的冷量存储形成自然对流及一定的辐射传热，阻滞了上海青的温升过程；相变材料添加到箱体的壁面更加适合食品的冷藏保鲜功能。但是本文设计实验中仅仅考虑了冷藏车的静态模型，实验研究跟实际的冷藏车箱体的冷藏保鲜研究还具有一定的差异，同时未考虑相变材料的重量对冷藏车的影响，实验有待于进一步的改进。

本文受上海市东方学者跟踪计划项目资助。(The project was supported by Shanghai Oriental Scholar Tracking Plan.)

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