冷藏车车厢内温度场均匀问题的分析与解决

闫帅帅，傅 星

（柳州五菱汽车工业有限公司，广西 柳州545007）



经验与创新

冷藏车车厢内温度场均匀问题的分析与解决

闫帅帅，傅 星

（柳州五菱汽车工业有限公司，广西 柳州545007）

摘 要：分析了目前国内冷藏车车厢内普遍存在的温度分布不平均、空间利用不充分的问题，从冷藏机组安装、冷藏机组控制策略及冷藏车厢内流场分析等方面分析，进而给出了切实可行的解决措施。并经过试验验证，取得了良好的效果。

关键词：冷藏车；冷藏机组；温度分布

随着国民经济及人民生产水平的提高，电商配送食品、药品的领域快速发展，居民对食品、药品安全要求不断提高，冷藏车的使用越来越广泛。如何达到既保证食品品质安全要求，又实现节能环保己成为冷藏运输行业发展的核心问题。冷藏车厢中的温度控制是整个食品冷链运输系统的关键，也是保证食品质量和安全的主要条件。以果蔬为例，温度过高会加快果蔬呼吸，过低会对果蔬产生冷害，都不利于运输［1］。同时，温度也是影响微生物在食品中生存和增长的关键因素，如果食品没有被存储在适当的温度下，那么食品腐蚀就会开始因此，冷藏车厢内的温度分布尤为重要。

1　技术现状

1.1冷藏车结构与原理

目前国内冷藏车采用的制冷方式可分为机械制冷、液氮制冷、干冰制冷及蓄冷板制冷等几种，本文以目前最为常用的机械式制冷为例进行分析。图1及图2分别为某中小型机械式冷藏车的结构示意图和制冷系统原理图。该冷藏车采用前置冷凝器的制冷机组布置方式，制冷系统原理为逆卡诺循环，常用制冷剂有R134a、R404A等［2］。

图1　机械式冷藏车结构简图

图2　机械式制冷系统原理图

1.2车厢内温度控制方式

目前，国内外很多专家对冷藏机组的控制系统进行了深入的研究，如模糊控制方法等，但较少的运用到冷藏机组的控制中。目前，国内冷藏机组制造商多根据蒸发箱进风口与出风口的温度差和蒸发器的进风风温度控制电子膨胀阀和压缩机，但该方式控制下的车内温度波动很大。

图3为某种制冷+制热功能机组温度控制示意图，T表示设定温度，当温度达到T+Δ时，压缩机停止工作，当温度低于T时，压缩机开始工作。此种控制方式在机组压缩机启动和停止工作瞬间，会因风机启停的延迟或出风口温的急剧变化而引起厢体内各区域温差较大，导致车内各点温度分布不够均匀，从而影响车厢内存放货物的品质。

图3　温度控制示意图

图4为某中小型冷藏车厢体内各厢板内表面处温度监控，从数据可以看出，厢体内各区域的温差较大，为合理的利用冷藏车厢内部有效温度空间，需要对冷藏车厢进行流场分析。

图4　冷藏车厢内部温度点

2　研究现状及研究方法

2.1影响冷藏车车厢内部热环境的因素

（1）冷藏车厢内部设备的影响。冷藏车厢内部主要设备为制冷系统，制冷系统主要通过强制对流换热将车厢内部的热量通过蒸发器内制冷剂的蒸发释放到外部环境中去。制冷系统的工作主要影响到内部环境介质的参数发生变化，同时，蒸发风机的电机运转也会产生一定的热量，影响到车厢内部热环境。

（2）冷藏车厢内部货物本身的特性。货物可以与周围环境介质发生热交换，形式包括热传导、热辐射和对流换热。热交换的速度与食品的导热率、形状、散热面积、食品和介质之间的温度差，介质的特性、流动速度有关［3］。

2.2国内外的研究方法

关于冷藏车厢内温度场的研究，目前大多数通过建立传热模型，将车厢内货物看做是一个整体，对模型进行简化和边界条件设定，进行网格划分，采用固、流体区域整体式求解的通度系数来计算温度场。

3　FLUENT三维分析

3.1模型的建立

以一种短距离运输冷藏车研究为例，细化仿真冷藏车各部件的结构和参数。厢体结构，比如厢体厚度、尺寸规格、保温材料；厢体内部配置相关部件，如进风口和出风口不同尺寸、位置和开口方向；厢体内货物的堆放形等。将上述三维几何模型导入Hyper－Mesh中。用HyperMesh软件清理CAD几何，生成流场表面网格，具体过程为：

（1）针对冷藏舱内不同结构和要求，绘制不同尺寸的网格，对冷气进风口和出风口网格化时要局部加密。

（2）鉴于货物外包装形状复杂，并且货物之间以及货物与壁面之间间隙很小。考虑到实际计算机的性能，在不影响计算结果的前提下，计算模型细化为：将货物数量、尺寸、外包装形状以及货物间隙都做相应的简化，简化为相同大小的规则立方体，在生成体网格时做成货物空腔，赋边界条件。货物堆码方式根据实际情况进行排列组合。具体的货物结构，引入多孔介质模型，利用多孔介质模型参数设定来模拟货物堆放模型。厢体结构如图5所示，网格模型如图6所示。

图5　厢体外形图　6网格模型

3.2数学模型

在两方程湍流模型中，κ-ε模型称为高Reynolds模型，适用于远离壁面充分发展的湍流区域，κ-ω模型属于低Reynolds模型，广泛应用于墙壁束缚流动、自由剪切流动以及各种压力梯度下的边界层问题。针对冷藏车厢，为更好的模拟预测流体与壁面的分离、低雷诺数近壁面流动以及高雷诺数远壁面流动，本文结合以上模型各自优点，利用SSTκ-ω输运模型进行求解［4］。建立数学模型是为求解由于流动换热车厢内降温期间的温度分布规律。为简化计算，对模型做如下假设：

（1）忽略车厢内为搭建试验平台所用设备、铁丝等对气流的影响；

（2）车厢密闭性良好，不存在漏气现象；

（3）厢体内部空气为辐射透明介质，为不可压缩气体，符合Boussinesq假设；

（4）厢体内气体为牛顿流体，货物区视为各向同性的多孔介质；

（5）不考虑货物区水分损失和汽化潜热对货物温度的影响，忽略温度变化空气和货物物性参数的影响。

在计算时，采用SST κ-ω方程模型，基于压力的分离式求解器，动量、能量、湍动能、扩散率的离散格式为一阶迎风格式，压力速度耦合方法采用SIMPLE算法。

3.3计算结果

计算时，选取冷藏车运行相对稳定的时段模拟。冷藏车的入口温度如图7所示。将入口温度与时间的对应关系用profile导入fluent中，作为瞬态计算时入口的温度条件。

图7　入口温度

初始边界条件：

（1）入口采用速度入口边界条件。根据实际情况，左侧入口速度为3.95 m/s，右侧入口速度为5.08 m/s.

（2）出口边界。定义离心式循环风机面为outflow（出口流动边界）。

由图8-9表可以看出，瞬态的数值模拟误差基本都在±1 k之内，误差比较小，且整体的变化曲线与实验值比较接近，可以认为瞬态数值模拟可以比较准确的模拟冷藏车的三维流动。

图8　温度模拟值与实验值

图9　整体的温度误差分布

车厢内区域温度则取车厢垂直于地面的两个截面，通过仿真结果绘制温度分布图，具体如图10-11所示。

图10　X截面温度分布

图11　Y截面温度分布

4　结束语

制冷机组、厢体结构、货物等因素对冷藏车厢内的温度分布影响较大，通过仿真计算模拟出冷藏车厢内的温度分布，通过调整冷藏机组布置、厢体结构、以及货物堆放结构，可以更加合理有效地利用冷藏车厢的空间。

参考文献：

［1］赵晨霞.果蔬产品储藏保鲜技术［M］．北京：中国农业科学技术出版社，2007.

［2］王如竹，丁国良，吴静怡，等.制冷原理与技术［M］.北京：科学出版社，2003.

［3］张娅妮，陈洁，陈蕴光，等.机械式冷藏车中货物装载间隙对厢内温度场的影响［J］.制冷与空调，2007，7（4）:101-104.

［4］杨磊，汪小昆.冷藏库预冷降温过程中温度场的数值模拟与试验研究［J］.西北农林科技大学学报，2008，36（9）：219-223.

Analysis and Solve the Problem of Uniform Temperature Field in the Refrigerator Van

YAN Shuai-shuai，FU Xing
（Liuzhou Wuling Motors Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Abstract：The problems of temperature distribution and space utilization in domestic refrigerated truck are analyzed.This article from the refrigeration unit installation，refrigeration unit control strategy and refrigerated compartment flow analysis and other aspects of analysis，and the feasible solutions are given.Through experimental verification，it has achieved good results.

Key words：refrigerator car；refrigerating unit；temperature distribution

中图分类号：TS205.7

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0122-04

收稿日期：2015-12-23

作者简介：闫帅帅（1991-），男，河南人，本科，助理工程师，主要研究方向为制冷工程；傅星（1990-），男，江西人，本科，助理工程师，主要研究方向为流体分析。