閆帥帥，傅 星

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

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經(jīng)驗(yàn)與創(chuàng)新

冷藏車車廂內(nèi)溫度場均勻問題的分析與解決

閆帥帥，傅 星

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

摘 要：分析了目前國內(nèi)冷藏車車廂內(nèi)普遍存在的溫度分布不平均、空間利用不充分的問題，從冷藏機(jī)組安裝、冷藏機(jī)組控制策略及冷藏車廂內(nèi)流場分析等方面分析，進(jìn)而給出了切實(shí)可行的解決措施。并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：冷藏車；冷藏機(jī)組；溫度分布

隨著國民經(jīng)濟(jì)及人民生產(chǎn)水平的提高，電商配送食品、藥品的領(lǐng)域快速發(fā)展，居民對食品、藥品安全要求不斷提高，冷藏車的使用越來越廣泛。如何達(dá)到既保證食品品質(zhì)安全要求，又實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保己成為冷藏運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展的核心問題。冷藏車廂中的溫度控制是整個(gè)食品冷鏈運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是保證食品質(zhì)量和安全的主要條件。以果蔬為例，溫度過高會(huì)加快果蔬呼吸，過低會(huì)對果蔬產(chǎn)生冷害，都不利于運(yùn)輸［1］。同時(shí)，溫度也是影響微生物在食品中生存和增長的關(guān)鍵因素，如果食品沒有被存儲(chǔ)在適當(dāng)?shù)臏囟认?，那么食品腐蝕就會(huì)開始因此，冷藏車廂內(nèi)的溫度分布尤為重要。

1　技術(shù)現(xiàn)狀

1.1冷藏車結(jié)構(gòu)與原理

目前國內(nèi)冷藏車采用的制冷方式可分為機(jī)械制冷、液氮制冷、干冰制冷及蓄冷板制冷等幾種，本文以目前最為常用的機(jī)械式制冷為例進(jìn)行分析。圖1及圖2分別為某中小型機(jī)械式冷藏車的結(jié)構(gòu)示意圖和制冷系統(tǒng)原理圖。該冷藏車采用前置冷凝器的制冷機(jī)組布置方式，制冷系統(tǒng)原理為逆卡諾循環(huán)，常用制冷劑有R134a、R404A等［2］。

圖1　機(jī)械式冷藏車結(jié)構(gòu)簡圖

圖2　機(jī)械式制冷系統(tǒng)原理圖

1.2車廂內(nèi)溫度控制方式

目前，國內(nèi)外很多專家對冷藏機(jī)組的控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，如模糊控制方法等，但較少的運(yùn)用到冷藏機(jī)組的控制中。目前，國內(nèi)冷藏機(jī)組制造商多根據(jù)蒸發(fā)箱進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的溫度差和蒸發(fā)器的進(jìn)風(fēng)風(fēng)溫度控制電子膨脹閥和壓縮機(jī)，但該方式控制下的車內(nèi)溫度波動(dòng)很大。

圖3為某種制冷+制熱功能機(jī)組溫度控制示意圖，T表示設(shè)定溫度，當(dāng)溫度達(dá)到T+Δ時(shí)，壓縮機(jī)停止工作，當(dāng)溫度低于T時(shí)，壓縮機(jī)開始工作。此種控制方式在機(jī)組壓縮機(jī)啟動(dòng)和停止工作瞬間，會(huì)因風(fēng)機(jī)啟停的延遲或出風(fēng)口溫的急劇變化而引起廂體內(nèi)各區(qū)域溫差較大，導(dǎo)致車內(nèi)各點(diǎn)溫度分布不夠均勻，從而影響車廂內(nèi)存放貨物的品質(zhì)。

圖3　溫度控制示意圖

圖4為某中小型冷藏車廂體內(nèi)各廂板內(nèi)表面處溫度監(jiān)控，從數(shù)據(jù)可以看出，廂體內(nèi)各區(qū)域的溫差較大，為合理的利用冷藏車廂內(nèi)部有效溫度空間，需要對冷藏車廂進(jìn)行流場分析。

圖4　冷藏車廂內(nèi)部溫度點(diǎn)

2　研究現(xiàn)狀及研究方法

2.1影響冷藏車車廂內(nèi)部熱環(huán)境的因素

（1）冷藏車廂內(nèi)部設(shè)備的影響。冷藏車廂內(nèi)部主要設(shè)備為制冷系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)主要通過強(qiáng)制對流換熱將車廂內(nèi)部的熱量通過蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)釋放到外部環(huán)境中去。制冷系統(tǒng)的工作主要影響到內(nèi)部環(huán)境介質(zhì)的參數(shù)發(fā)生變化，同時(shí)，蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)也會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，影響到車廂內(nèi)部熱環(huán)境。

（2）冷藏車廂內(nèi)部貨物本身的特性。貨物可以與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生熱交換，形式包括熱傳導(dǎo)、熱輻射和對流換熱。熱交換的速度與食品的導(dǎo)熱率、形狀、散熱面積、食品和介質(zhì)之間的溫度差，介質(zhì)的特性、流動(dòng)速度有關(guān)［3］。

2.2國內(nèi)外的研究方法

關(guān)于冷藏車廂內(nèi)溫度場的研究，目前大多數(shù)通過建立傳熱模型，將車廂內(nèi)貨物看做是一個(gè)整體，對模型進(jìn)行簡化和邊界條件設(shè)定，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用固、流體區(qū)域整體式求解的通度系數(shù)來計(jì)算溫度場。

3　FLUENT三維分析

3.1模型的建立

以一種短距離運(yùn)輸冷藏車研究為例，細(xì)化仿真冷藏車各部件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。廂體結(jié)構(gòu)，比如廂體厚度、尺寸規(guī)格、保溫材料；廂體內(nèi)部配置相關(guān)部件，如進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口不同尺寸、位置和開口方向；廂體內(nèi)貨物的堆放形等。將上述三維幾何模型導(dǎo)入Hyper－Mesh中。用HyperMesh軟件清理CAD幾何，生成流場表面網(wǎng)格，具體過程為：

（1）針對冷藏艙內(nèi)不同結(jié)構(gòu)和要求，繪制不同尺寸的網(wǎng)格，對冷氣進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口網(wǎng)格化時(shí)要局部加密。

（2）鑒于貨物外包裝形狀復(fù)雜，并且貨物之間以及貨物與壁面之間間隙很小?？紤]到實(shí)際計(jì)算機(jī)的性能，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，計(jì)算模型細(xì)化為：將貨物數(shù)量、尺寸、外包裝形狀以及貨物間隙都做相應(yīng)的簡化，簡化為相同大小的規(guī)則立方體，在生成體網(wǎng)格時(shí)做成貨物空腔，賦邊界條件。貨物堆碼方式根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行排列組合。具體的貨物結(jié)構(gòu)，引入多孔介質(zhì)模型，利用多孔介質(zhì)模型參數(shù)設(shè)定來模擬貨物堆放模型。廂體結(jié)構(gòu)如圖5所示，網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖5　廂體外形圖　6網(wǎng)格模型

3.2數(shù)學(xué)模型

在兩方程湍流模型中，κ-ε模型稱為高Reynolds模型，適用于遠(yuǎn)離壁面充分發(fā)展的湍流區(qū)域，κ-ω模型屬于低Reynolds模型，廣泛應(yīng)用于墻壁束縛流動(dòng)、自由剪切流動(dòng)以及各種壓力梯度下的邊界層問題。針對冷藏車廂，為更好的模擬預(yù)測流體與壁面的分離、低雷諾數(shù)近壁面流動(dòng)以及高雷諾數(shù)遠(yuǎn)壁面流動(dòng)，本文結(jié)合以上模型各自優(yōu)點(diǎn)，利用SSTκ-ω輸運(yùn)模型進(jìn)行求解［4］。建立數(shù)學(xué)模型是為求解由于流動(dòng)換熱車廂內(nèi)降溫期間的溫度分布規(guī)律。為簡化計(jì)算，對模型做如下假設(shè)：

（1）忽略車廂內(nèi)為搭建試驗(yàn)平臺所用設(shè)備、鐵絲等對氣流的影響；

（2）車廂密閉性良好，不存在漏氣現(xiàn)象；

（3）廂體內(nèi)部空氣為輻射透明介質(zhì)，為不可壓縮氣體，符合Boussinesq假設(shè)；

（4）廂體內(nèi)氣體為牛頓流體，貨物區(qū)視為各向同性的多孔介質(zhì)；

（5）不考慮貨物區(qū)水分損失和汽化潛熱對貨物溫度的影響，忽略溫度變化空氣和貨物物性參數(shù)的影響。

在計(jì)算時(shí)，采用SST κ-ω方程模型，基于壓力的分離式求解器，動(dòng)量、能量、湍動(dòng)能、擴(kuò)散率的離散格式為一階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合方法采用SIMPLE算法。

3.3計(jì)算結(jié)果

計(jì)算時(shí)，選取冷藏車運(yùn)行相對穩(wěn)定的時(shí)段模擬。冷藏車的入口溫度如圖7所示。將入口溫度與時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系用profile導(dǎo)入fluent中，作為瞬態(tài)計(jì)算時(shí)入口的溫度條件。

圖7　入口溫度

初始邊界條件：

（1）入口采用速度入口邊界條件。根據(jù)實(shí)際情況，左側(cè)入口速度為3.95 m/s，右側(cè)入口速度為5.08 m/s.

（2）出口邊界。定義離心式循環(huán)風(fēng)機(jī)面為outflow（出口流動(dòng)邊界）。

由圖8-9表可以看出，瞬態(tài)的數(shù)值模擬誤差基本都在±1 k之內(nèi)，誤差比較小，且整體的變化曲線與實(shí)驗(yàn)值比較接近，可以認(rèn)為瞬態(tài)數(shù)值模擬可以比較準(zhǔn)確的模擬冷藏車的三維流動(dòng)。

圖8　溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值

圖9　整體的溫度誤差分布

車廂內(nèi)區(qū)域溫度則取車廂垂直于地面的兩個(gè)截面，通過仿真結(jié)果繪制溫度分布圖，具體如圖10-11所示。

圖10　X截面溫度分布

圖11　Y截面溫度分布

4　結(jié)束語

制冷機(jī)組、廂體結(jié)構(gòu)、貨物等因素對冷藏車廂內(nèi)的溫度分布影響較大，通過仿真計(jì)算模擬出冷藏車廂內(nèi)的溫度分布，通過調(diào)整冷藏機(jī)組布置、廂體結(jié)構(gòu)、以及貨物堆放結(jié)構(gòu)，可以更加合理有效地利用冷藏車廂的空間。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙晨霞.果蔬產(chǎn)品儲(chǔ)藏保鮮技術(shù)［M］．北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［2］王如竹，丁國良，吳靜怡，等.制冷原理與技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［3］張婭妮，陳潔，陳蘊(yùn)光，等.機(jī)械式冷藏車中貨物裝載間隙對廂內(nèi)溫度場的影響［J］.制冷與空調(diào)，2007，7（4）:101-104.

［4］楊磊，汪小昆.冷藏庫預(yù)冷降溫過程中溫度場的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36（9）：219-223.

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

YAN Shuai-shuai，F(xiàn)U 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

中圖分類號：TS205.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0122-04

收稿日期：2015-12-23

作者簡介：閆帥帥（1991-），男，河南人，本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)橹评涔こ?；傅星?990-），男，江西人，本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)榱黧w分析。