冷链无源蓄冷保温包装温度场研究

杨 坤，张翔戈，何镕波 ，李 洋

(东北林业大学工程技术学院，哈尔滨 150040)

0 引言

冷藏效果与食品安全密切相关，如果冷藏条件不足，易腐食品则无法保持在所需的温度范围内，会因“断链”失温而刺激食品病原体和腐败微生物的生长，导致商品失去食用价值。保温箱在冷链物流运输和配送过程中发挥着极其重要的作用。近年来，国内外学者对无源保温包装保温材料、环境温度、蓄冷剂物性参数、无源保温包装数学模型和数值模拟技术在冷链中的应用进行了深入研究，常用的保温材料有聚乙烯发泡塑料(EPE)、发泡聚苯乙烯(EPS)、挤塑聚苯乙烯(XPS)、真空隔热板( VIP)、发泡聚氨酯(EPU)等。冷链运输中，需根据商品性质制造特殊的保温材料，以达到运送要求[1-3]。不同环境温度下，无源保温包装内的温度变化速率不同[4]。相变材料具有储能密度大、温度稳定等优点，发生相变过程时会释放潜热，达到制冷效果，因此相变蓄冷材料逐渐应用于冷链行业中[5]。影响蓄冷剂制冷效果的主要因素包括蓄冷剂密度、导热系数和比热容等[6]，因此国内外学者针对蓄冷剂物性参数进行了大量研究[7-9]。数值模拟技术无需耗费大量的人力物力就可快速得到较为精确的结果，故被广泛用于冷链各环节中的温度场及流场分布情况研究中[10-11]。

从冷链 “断链”角度出发，分析温度波动对保温包装内温度分布的影响，利用ANSYS软件建立保温包装传热数学模型，对保温包装内温度场进行数值模拟并实验验证，采集不同环境温度、不同保温材料状态下的温度数据，分析蓄冷剂的导热系数、比热容、密度对蓄冷效果的影响，为蓄冷剂的选择提供参考。

1 无蓄冷保温包装传热实验

1.1 实验材料与仪器

材料：EPS保温箱和无纺布+珍珠棉与铝箔复合的铝塑复合(以下简称 EPE)便携式保温袋。EPS保温箱尺寸为300 mm×230 mm×200 mm，EPE保温袋尺寸为330 mm×210 mm×230 mm。

仪器：ZXJD-B1430真彩触摸屏恒温箱，BCD-230HE冷柜，Rc-5系列温度记录仪。保温箱的温度分辨精度为0.1℃，冷柜的冷冻温度和冷藏温度分别为-18℃～0℃和-9℃～9℃。

1.2 实验方法

参考我国《药品冷链保温箱通用规范》，具体实验步骤如下：一是调试温度传感器。将温度传感器与计算机相连，通过计算机设置传感器处于启动状态，每30 s记录1次数据。设置完成后，数据记录仪脱离计算机独立工作。启动温度传感器，将温度传感器放置在保温包装底部中心点，作为测点位置。二是保温包装预冷。将两种材料的保温包装放置在冷柜中的冷藏箱内预冷5 h，使保温包装内部中心点温度维持在3.5℃。三是打开恒温箱电源，设定恒温箱温度为20℃，待恒温箱内温度稳定后，将预冷的保温包装放置在恒温箱中2 h。四是取出保温箱，温度传感器按下停止按钮。将温度传感器通过USB接口连接到计算机上，读取温度记录数据。五是改变外界环境温度。将恒温箱温度分别设置为25℃和30℃，将步骤1～4重复2次。

1.3 实验结果与分析

1.3.1 保温材料对保温包装内温度的影响

不同外界环境温度下，保温箱底部中心点温度变化如图1所示，在前30 min，EPS保温箱曲线的斜率小于EPE保温包装，由此可见，EPS保温包装的保温性能优于EPE保温包装。30 min后，由于保温箱温度接近环境温度，两条曲线都趋于水平，温度波动不明显。

图1 不同外界环境温度下保温箱温度变化Fig.1 Temperature change of incubator under different ambient temperatures

1.3.2 环境温度对保温包装内温度的影响

EPS、EPE保温包装在不同环境下温度随时间变化曲线如图2和图3所示。

图3 EPE保温箱温度变化Fig.3 Temperature change of EPE incubator

由图2和图3可知，EPS、EPE 保温包装在不同环境温度下的温度变化规律基本一致，30℃时温度变化速率最快，20℃时温度变化速率最慢。保温包装在0～10 min时，由于保温包装与外界环境温差较大，保温箱内温度迅速升高；10～30 min 时，随着温差逐渐减小，保温包装内温度随时间上升趋势逐渐减缓；30～90 min时，保温包装内的温度以极微小的幅度上升，曲线基本接近水平状态。30℃时曲线斜率最大，20℃时曲线斜率最小。当外界环境温度不同时，保温箱底部中心点温度值有所不同。温度变化曲线图的后半段在很长时间内都趋近于水平直线，温度值随着时间的增加波动较小。这是由于保温箱温度与环境温度接近，温差较小，温度变化缓慢。根据以上分析可知，保温箱与环境温度温差越大，传热越快，温度变化越显著。

2 蓄冷保温包装温度场数值模拟

2.1 物理模型

以装有蓄冷剂的保温箱为研究对象，蓄冷剂侧面摆放时，保温包装温度场分布最均匀。保温箱尺寸为 300 mm×230 mm×200 mm，厚度为15 mm。蓄冷剂外壳为聚乙烯塑料，内部成分为固体凝胶状水合物，具体尺寸为170 mm×90 mm×30 mm。

2.2 数学模型

对模型进行如下假设：假设保温箱气密性良好，不考虑保温过程中漏气产生的影响；假设保温材料各向同性，忽略保温材料因温度、湿度改变引起的导热系数变化，认为箱体内部的空气热物性参数及保温箱箱体材料的各项参数不变，均采用常物性参数值，具体参数见表1；由于内部空气流速低，假设保温箱内气体为不可压缩流体，符合Boussinesq假设，箱外空气自然对流；由于保温箱内温度变化幅度较小，辐射处于平衡状态，保温箱体吸收的辐射能远远小于对流换热吸收的能量，忽略保温箱的辐射现象。

表1 蓄冷剂1材料系数Tab.1 Material parameters of cold storage agent 1

保温箱的总传热量，见式(1)：

(1)

式中，Ri为总热组，ΔT为保温箱内外温差，A为保温箱的表面积，h1为外部气体对流换热系数，h2为内部气体对流换热系数，λ1为保温箱导热系数，λ2为蓄冷剂导热系数，δ1为保温箱壁厚，δ2为蓄冷剂厚度。

其中，保温箱表面积公式为：

(2)

式中，A0为保温箱外表面表面积，Ai为保温箱内表面表面积。

2.3 初始边界条件

将划分好的网格导入Fluent软件中进行模拟。打开能量方程，由于保温箱内空气流速较低，流动类型为层流，对其进行瞬态计算，选择LES模型。考虑到浮力的影响，设置环境重力加速度为9.8 m/s。设置初始条件，外界环境温度设置为20℃，设置蓄冷剂初始温度为3.5℃，箱体及内部空气初始温度也为3.5℃。设置边界条件，将保温箱体及蓄冷剂壁面近似地认为是无滑移的壁面，各方向速度矢量均为0。壁面之间的传热方式为对流换热，空气层与保温箱内壁面的接触热传导系数为0.8 W/(m·K)。

2.4 数值模拟结果与分析

2.4.1 数值模拟结果

根据设定的边界条件，对求解器进行初始化。选择求解模型为非稳态压力基模型，选定耦合求解器，设定步长为300 s，进行迭代计算。计算结果显示，当3.5℃的保温箱放置在20℃的环境条件下，通过蓄冷剂的制冷效果，保温箱可以在70 min内维持在8℃以内。70 min时，保温箱内温度分布云图如图4(a)所示。

在无机相变蓄冷材料中，冰的相变潜热最大，因此在冷链中经常使用冰作为蓄冷剂，具体参数见表2。在冰的基础上，对蓄冷剂1改变参数进行研究，对影响蓄冷剂冷却性能的3个因素，即导热系数、比热容和密度进行单因素分析，具体参数见表2。

表2 蓄冷剂材料参数Tab.2 Material parameters of cold storage agents

蓄冷剂导热系数对温度场的影响如图4(b)所示。由图4(a)和图5(b)可知，保温箱的最低温度略有降低，装有蓄冷剂2的保温箱内温度分布更为均匀，制冷效果较好。说明在蓄冷剂其他参数相同的条件下，导热系数大的蓄冷剂制冷效果更好。

蓄冷剂比热容对温度场的影响如图4(c)所示。由图4(a)和图5(c)可知，保温箱的最低温度略有升高，装有蓄冷剂3的保温箱内温度分布更不均匀，制冷效果较差。说明在蓄冷剂其他参数相同的条件下，比热容大的蓄冷剂制冷效果更好。

蓄冷剂密度对温度场的影响如图4(d)所示。由图4(a)和图5(d)可知，保温箱的最低温都略有升高，装有蓄冷剂4的保温箱内温度梯度大、温度分布更不均匀。说明在蓄冷剂的其他参数相同的条件下，密度大的蓄冷剂制冷效果更好。

2.4.2 误差分析

选择的蓄冷剂的蓄冷时间较短，仅适用于短途运输、配送，环境温度变化不大，因此设为恒定温度。王雪松[6]在蓄冷保温箱的研究中，选择高比热容、高导热系数和高密度的蓄冷剂，与本研究的结论一致，具有可信度。

蓄冷剂的摆放位置在保温箱4个侧壁紧贴底部的中心，尚未考虑放在保温箱顶部和侧壁面紧贴棱的位置，因此对于蓄冷剂摆放位置的研究有待完善。

3 结语

以保温箱为研究对象，通过实验测量和数值模拟方法，对温度波动对保温箱温度场的影响进行分析，得到如下结论：保温箱内温度与环境温度温差越大温度变化越明显。在相同环境条件下，EPS保温箱保温性能优于EPE保温包装。无蓄冷剂情况下，仅凭保温箱的隔热效果，5 min后温度就会超过8℃，不能满足冷链的温度要求。装有蓄冷剂的保温箱内，温度场能够满足短途运输及配送的基本要求。蓄冷保温箱内温差较大，温度分布不均匀，蓄冷剂位置附近的温度较低，而保温箱上方由于距离蓄冷剂较远，温度较高。在相同条件下，蓄冷剂的导热系数越大比热容及密度越大，温度分布越均匀，蓄冷效果越好。