运输包装箱被动保温特性的研究

文/张增杰

运输包装箱被动保温特性的研究

文/张增杰

为研究运输包装箱在运输过程中箱内温度随室外天气的相应变化，本文首先建立模型，利用数值模拟方法，求解天津地区夏季极端天气下包装箱的被动保温性能，最后通过试验验证模拟。结论表明：太阳辐射对包装箱的影响最为强烈，其次是箱体外表面对流换热性能。同时在箱体材料平均导热系数为0．47 w/(m·K)的情况下，其内部温度变化相对箱体外壁滞后110 m in，箱体内平均温度最高将会达到60．5 ℃。

包装箱；数值模型；被动保温；试验验证

包装箱在现代社会中的应用越来越广泛，比如机械、建筑、化工、基建、军工、物流等领域。其中一些重要的精密仪器或航天军工设备在运输过程中对包装箱内的温度环境有很高的要求，温度过高或过低均会造成设备精度、材料质量的损伤，严重时造成设备损坏，甚至报废，给社会和国家带来巨大损失。因此有必要针对包装箱在运输过程中，箱体内部温度变化特性进行研究。现在对运输箱内温度控制的措施有主动温控和被动温控两个方面。前者主要是采用空气调节设备对包装箱内部的温度进行控制，使其能够保持在一个相对温度的范围内；后者则主要针对包装箱自身的材料属性、结构进行调节，比如采取保温、隔热等措施，以使箱体内温度变化不超过规定要求。

对于包装箱被动保温措施的研究工作，国内外均有很多相关研究。比如Cesini[1]等人通过数值模拟和试验测试的方法，对一个封闭包装箱体的温度和换热条件进行研究。Lin[2]等对GM-10汽车乘舱模型在空调制冷阶段车内温度进行了试验和数值模拟分析。Chien[3]等分析汽车乘坐空间内部气流与车身壁面的动态共扼传热特性。而国内的申江[4]等学者对国内冷藏链现状以及未来的发展趋势、研究方法进行了总结。蔡新梅[5]等学者对基于冰浆蓄冷的集中冷藏陈列柜进行实验研究。

包装箱自身及其内部空气的热状态对运输目标设备有着重要影响，但综合国内外的研究发现，针对包装箱自身的热特性分析，特别是在被动保温的情况下的研究还鲜有报道。本文以某航天设备的包装箱被动保温热特性为研究目标，主要分析包装箱天津地区夏季极端天气状态下，包装箱体不同时刻壁面和内部的温度范围，使得包装箱体内的温度能够满足运输设备对温度环境的要求。

1.包装箱体

本文以某航天设备在天津地区的运输过程为研究背景，包装箱有龙骨支撑罩体，龙骨之间填充保温材料，罩体是由内蒙皮、骨架、外蒙皮组成，骨架采用槽钢方管组焊而成。

2.理论分析

根据所提供资料和对模型进行深入分析，将其进行简化[6]：1.箱体外风为梯度风；2.室外太阳辐射强度取晴天状态值；3.材料为各向同性材料；4.壁面为混合换热边界。

包装箱在实际运输途中可能遇到许多极端工况，在此分析天津地区夏季极端天气状况。外环境温度为50℃，风速约5.5～9.8m/s，除底面外，其他外表面所受太阳辐射强度为1200 w/m 2。包装箱内部原始温度为仓库内平均温度28℃，箱体材料平均导热系数为0.47w/（m·K）。

根据模型实际尺寸，合理选择箱体外流场，为减少对模拟的影响，外流场区域分别取前后2倍长度，左右3倍宽度，上部2倍高度的计算区域。使用Gam bit软件建立3d模型。采用非结构性网格进行划分网格，并对划分后的网格进行检验。使用有限体积法，离散数值模型方程，在不同边界条件下，求解纳维斯托克斯方程、能量方程，获得计算域内的速度场、压力场与温度场。

模型网格划分后，需对网格独立性进行检验。箱体尺寸：5200×3400×10900（mm），外壁厚为120mm，为更好显示出箱体表面及内部温度变化，首先将壁面划分别分为20mm、30mm、40mm、50mm、60mm每单位网格，箱体内部区域和外部区域均采用渐变网格，渐变率为1.2，流场外边缘网格尺寸分别为200mm、300mm、400mm、500mm、 600mm，在此基础上进行五种工况的网格划分，并分别记为1、2、3、4、5。结果，在此模型中第三种网格模式即箱体壁面40mm，以1.2的速率递增到流场外400mm的模式，网格精度的变化对模拟结果的影响最小，即可满足工程需要，也节省大量计算时间。

3.结果分析

太阳辐射作为包装箱的主要热量来源，当它作用于包装箱体外表面时，部分被外表面直接吸后通过壁面以导热的方式传到箱体的内表面，再以对流和辐射传到箱体内的空气，使箱体内的空气温度升高。

在模拟过程中，利用太阳射线追踪法加载太阳模型，设置了天津地区的地理位置（经度、纬度、时区）、物理模型的具体方位（箱体南北朝向放置）。箱体在运输过程中会遇到各种情况的气象条件，在此按照瞬态工况进行模拟，以典型年夏至日的8：00、12：00、14：00、18：00时四种工况为例。

3.1箱体外风速场

不同的箱体外风速场对外壁面的对流换热影响较大。梯度风的设置根据天津市气象条件进行设置，同时考虑运输速度。在不同时刻，风在箱体周围形成的速度场大致相同，迎风面处风速较大，在5.0m/s左右，箱体两侧形成羽翼形状流，同时箱体后侧形成了明显的涡流。此时由于箱体壁面周围风速不同，将会导致箱体外壁面的换热系数变化，进而会影响到箱体壁面和内部的温度分布。

3.2箱体外温度场

在运输过程中，箱体不仅受到太阳辐射的作用，还有周围地面环境辐射的影响，使箱体周围的环境温度不仅随时间发生变化，而且也会随箱体方位的变化而变化。在不同时刻，箱体相对太阳射线的位置不同，在箱体周围形成了不同的温度场分布。在8：00时，太阳辐射强度较弱，箱体的东侧面温度较高，在西侧面形成明显的阴影低温区，并且箱体自身对周围环境的影响还不明显。12：00时，太阳辐射强度增加，箱体外表面温度急剧升高，但因风环境对箱体外表面换热的影响，箱体外壁面前端处温度明显低于后端，同时箱体周围环境温度也受到箱体辐射影响，表现出不同的温度梯度。14：00和18：00时，上述现象则更为明显，箱体迎风面温度由于对流换热的影响，左右两侧表现出更大的温差，箱体周围的环境温度也显示出更大温度梯度。

3.3箱体外表面温度场

太阳辐射和箱体自身外壁面的换热特性对箱体外壁面温度的影响很大。在12：00和14：00时，箱体壁面前后端温度均相差近15℃，说明外壁面对流换热系数是影响外壁面温度分布的另一个重要因素。14：00的箱体外壁面平均温度为75.8℃，比12：00时高出7.9℃，比18：00时高出34.5℃。

箱体外壁面的温度经过箱体自身的导热特性将进一步影响到箱体内的空气温度分布。由于运输目标设备主要位于箱体内部区域，有必要重点分析箱体内部空间的温度分布特性。

3.4箱体内温度场

箱体外壁面温度对内部空气温度有很大影响，在垂直于与箱体外壁方向上，存在着较为突出的温度梯度。在箱体内部环境温度分布中，14：00时温度最高，平均温度值在60.5℃左右，比12：00时高出5.8℃。箱体壁面周围存在很大的温度梯度，箱体内外两侧壁面处空气温度均有较大幅度下降，外侧温度由于受对流换热的影响，很快下降至31℃。而箱体内部由于对流换热系数较小，且存在较大的辐射换热，内部空气平均温度为63.4℃。

3.5试验验证

箱体在一天内，随外部环境的变化，内部温度也随之发生变化。为此在箱体内设置温度监测点A和B。用试验的方法对监测点不同时刻的温度进行测试，A点采用热线风速仪，B处采用热敏电阻，结果如图1。

从图1中看出，A和B两点均呈现出相似的变化趋势，8：00～14：00时，箱体外壁面温度逐步升高至74.8℃，而箱体内在经过近8h后升高至最高点63.4℃，两者之间存在110m in的滞后性。随着太阳辐射强度的下降，两处温度均呈现下降趋势。因箱体自身的材料属性和外壁面的对流换热特性，使得箱体表面温度升高的速率高于内部环境空气。监测点A和B处的试验和模拟的误差分别为3.4%和4.1%，说明数值模拟结果满足了工程要求，可将数值模拟技术应用于后续研究中。

图1 监测点处温度变化趋势

4.结论

本文利用数值模拟软件，对运输包装箱在天津地区夏季极端工况下，不同时刻被动温控条件下的箱体内外温度环境的分析，得到以下结论：

1.在天津地区室外晴朗天气状态下，箱体材料平均导热系数为0.47w/（m· K）时，包装箱在运输过程中，内部平均温度将会达到60.5℃，此时应根据运输目标设备的温度要求进行主动温控。

2.包装箱体内温度环境主要受到太阳辐射和外壁面对流换热系数的影响，为此，在后续研究工作中，应加强对这两个因素的重点研究。

3.经过试验和模拟的对比分析，监测点A和B处的误差分别为3.4%和4.1%，说明该数值研究方法能够很好满足包装箱体温度特性研究的需要，这也为该研究方法的进一步的推广应用提供了参考。

（作者单位：滨海投资（天津）有限公司）

[1]Cesini G, Paroncini M, Cortella G, M anzan M （1999） Natural convection from a horizontal cylinder in a rectangular cavity． Int J Heat M ass Transf 42：1801～1811

[2]Lin C．H．, Lelli M．A．, Han． T． A experimental and Com putational Study of Cooling in a simplified GM-10 Passenger Com partment [C] SAE paper, 1991, No 910216

[3]Ingersoll, J． G, et al, Autom obile passenger com partm ent therm al com fort equation, Com partment coo-down/warmup calculation, SAE paper 920265, 1992：232～242；SAE paper 920266： 24-253

[4]申江，刘斌．冷藏链现状及进展［J］．制冷学报，2009，30（6）：20～25．

[5]蔡新梅，宋文吉，冯自平．基于冰浆蓄冷的集中制冷冷藏陈列柜的实验研究［J］．制冷学报，2011，32．（4）：63～66．

[6]曹为学．高大空间工业厂房自然通风效果优化研究［J］．洁净与空调技术，2016，（01）： 5～8