充冷式冷板冷藏车厢体设计及保鲜效果分析
时间：2023-06-10 09:40:19 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
肖 颖，徐添桦，叶 晔，李长玉
（广州城市理工学院汽车与交通工程学院，广东 广州 510800）
我国电子商务行业发展迅速，冷链物流在整个物流行业中占比越来越大［1-2］。冷藏车、冷冻车作为冷链物流公路运输的重要环节，越来越受人们的广泛关注。冷板冷藏车具有运输成本低、效果稳定等特点，经常被用在蔬菜、冷肉等运输过程中的保鲜［3］。根据冷藏车车厢设计及温度场分析，工程技术人员进行了大量的研究。
张哲等［4］建立了空载、不同货物堆码的冷藏车模型。建议车厢顶部安装适量冷板，并对货物堆码的影响进行了论述。刘寿春等［5］运用试验材料和SPA控制图的设计，对冷却猪肉进行微生物的分析，发现冷却猪肉运输过程中微生物的分布特征。李立民等［6］研究了冷藏车厢内部的温度场，对3种不同货物进行比较，得出了最佳保鲜效果所需要的条件。王延觉等［7］利用多孔介质原理设计了规则几何形状的冷却番茄模型，发现了堆码方式对果蔬货物的运输质量的影响。李锦等［8］利用Matlab软件对冷藏车厢进行参数优化，分析了不同参数条件下最佳厢体传热系数。刘广海等［9］构建了渗风冷藏车模型，认为多温区冷藏车渗风量是车辆本身气密性能、车速、内部隔断情况、装载状况和气流扰动等因素共同作用的结果。谢如鹤等［10］用CFD软件模拟冷藏车的动态温度场，研究冷板冷藏车的对流换热现象。谢如鹤等［11］以冷却肉为装载货物，建立了冷板冷藏车与货物的数理模型。吕东霖等［12］设计了一种三层复合板结构的冷藏汽车车厢和厢内冷空气导流机构，研究了不同的隔热层厚度对漏热速率的影响。李细霞等［13］设计了一种分体式冷板冷藏汽车，研究了冷板冷藏汽车各关键参数的确定方法。沈向阳等［14］设计了蓄冷罐式冷板冷藏车厢，研究了不同车厢底板厚度的情况下车厢底面货物温度变化过程。
本文根据冷肉运输过程中保鲜需要，设计了冷板冷藏车的车厢结构，建立了其三维几何模型和热物理模型，通过有限元计算和仿真的方法得到了该冷藏车在冷肉运输过程中温度场变化情况，分析了室外空气温度、堆码方式等参数对保冷效果的影响。
1.1 设计要求
要求设计的冷板冷藏车额定载质量在3～5 t，在运输过程中具有冷藏保鲜功能。在我国夏季正常温度下运输冷肉超过18 h，并保证货物在1～4 ℃之内。车厢板应具有足够的耐磨性，且具有足够的强度和刚度。运输过程中需保证食品类货物的安全性。
1.2 设计的车厢结构和具体参数确定
通过计算及后续的仿真分析，设计的车厢结构如图1所示。车厢的宽度为1 900 mm，车厢深度为4 000 mm，车厢高度为1 900 mm，内装货物宽度为1 500 mm，内装货物高度为1 500 mm，内装货物深度为3 200 mm，冷板厚度为50 mm，保温层厚度为100 mm，车厢底座厚度为120 mm。冷板采用两块侧置和单块前置的方式布置。
图1 设计的冷藏车车厢结构Fig.1 Compartment structure of refrigerator truck designed
设计的冷板冷藏汽车方式采用分体式充冷，制冷机组和冷板分开布置，制冷机组置于充冷站内。制冷机组主要包括压缩机、冷凝器、储液罐、冷却风扇等主要结构，如图2所示。制冷机组压缩机依靠电力驱动。冷板和制冷机组可分离，充冷时将制冷机组和冷板通过充冷接头连接，制冷机组内液态制冷剂进入冷板内蒸发盘，蒸发吸热对冷板内蓄冷剂充冷。
图2 充冷原理Fig.2 Principle diagram of cooling
2.1 数理模型的简化及建立
在分析时需要将实际模型进行简化处理，主要从以下方面进行：①不考虑因温度变化引起的材料热物理参数产生的非线性变化；
②货物和冷板间的空气假设为薄空气电阻层；
③将车厢壁简化为单层结构；
④假设运输过程中车厢门全程关闭，车厢密封良好，无漏气现象。取车厢右前下方边角为坐标原点，建立笛卡尔坐标系，如图3所示。
图3 坐标系设定Fig.3 Coordinate system setting
相应的控制方程表示为［15］
式中：ρ为车厢各部件的密度；
CP为车厢各部件的比热容；
U为部件相对运动速度；
K为车厢货物及空气的热传导系数；
Qted为热弹性阻尼；
∇为微分算子。
相应的边界条件为
式中：q0为车厢表面对流换热热流量；
h为对流换热系数；
Text为外界环境温度。
2.2 初始条件及热物理参数
按照要求，在冷藏车运输冷肉过程中，需要先将肉和车厢内部进行预冷。假设预冷温度为0 ℃，冷板内水和冰按照相变材料处理，各参数见表1［11］。
表1 热物理参数Tab.1 Thermophysical parameters
为了分析不同环境温度下冷肉的有效保鲜时长，环境温度取2种情况，分别为恒定20 ℃和我国南方某地夏季某天的实际温度。具体的环境温度设定情况如图4所示。
图4 环境温度设定Fig.4 Ambient temperature setting
2.3 分析和讨论
在环境温度为20 ℃时货物边缘a不同时刻温度分布情况如图5所示。由图5中可知，随着时间的增加，货物的温度逐渐增高，在t=72 h 时货物靠近后厢门部分温度超过4 ℃，在36 h 内货物温度均不超过4 ℃。从图中还可以看出，因车厢前置冷板，靠近车厢前部的货物温度比车厢后部低。
图5 货物边缘a不同时刻温度Fig.5 Temperature of cargo edge a at different times
在环境温度为20 ℃时，货物中心轴线d不同时刻温度分布情况如图6所示。由图6可知，货物中心轴线较边缘线温度上升缓慢，在72 h之内温度均未超过4 ℃，同样，货物越靠近后厢门位置温度越高，越靠近货物中心温度越低。
图6 货物中心线d不同时刻温度分布情况Fig.6 Temperature distribution of cargo centerline d at different times
货物边缘b和货物边缘c不同时刻温度分布情况如图7所示。其中，A、B、C、D线分别表示在t=0、12、36、72 h 时货物边缘b温度分布情况。E、F、G、H线分别表示在t=0、12、36、72 h时货物边缘c温度分布情况。由图7可知，因为边缘c位置放置了冷板，温度明显低于边缘b位置的温度，此外，越靠近边缘中间位置温度越低。
图7 货物边缘b和货物边缘c不同时刻温度分布Fig.7 Temperature distribution of cargo edge b and cargo edge c at different times
货物中轴线上各点温度随时间变化的情况如图8所示。由图8可知，货物在实际环境温度条件下较恒定温度条件下其温度上升快。因为M点最靠近车厢后厢门，所以温度上升最快，O点处于货物中心位置，温度上升最慢。环境温度波动可以引起靠近后厢门位置M点温度波动上升，但是货物内部或靠近前冷板位置货物温度基本沿着直线上升的状态。
图8 货物中轴线上各点温度随时间变化Fig.8 Variation of temperature at each point on the central axis of goods with temperature
图9表示了当环境温度为20 ℃时，不同堆码方式下截面A（x=0.575 m）所切货物断面的温度分布情况。从图中可以看出，各位置的温度均未超过4 ℃。一块堆码时货物中心至边沿温度逐渐增高，越趋向Z方向温度越高。两块堆码或四块堆码时前部货物中心至边沿温度逐渐增高，前部边角处温度最高，达到2 ℃。从图中还可以看出，分4块堆码时温度分布更均匀，冷板冷却效果更好。
图9 t=24 h不同时刻货物温度分布Fig.9 Cloud diagram of cargo temperature distribution at t=24 h
恒定温度和实际温度边界条件下，货物的最大值、最小值及平均值随时间变化的情况如图10所示。其中，A、C、E线表示环境温度为恒定时货物最大值、最小值和平均值随时间变化情况，B、D、F线表示环境温度为实际气温情况下货物温度最大值、最小值和平均值随时间变化情况。从图中可以看出，在实际温度边界条件下货物的温度最大值、最小值和平均值均上升较快。因为货物温度的最大值上升过程会随着气温变化波动，所以货物的有效保鲜时间为22.3 h。在恒定温度情况下货物温度最大值、最小值和平均值均上升较慢，货物的有效保鲜时间为28.8 h。
图10 货物温度最大值、最小值及平均值随时间变化情况Fig.10 Variation of maximum，minimum and average values of cargo temperature with time
本文根据冷肉运输保质保鲜的要求，设计了一种冷板冷藏汽车厢体结构，并建立了车厢的三维几何模型和热物理模型，通过有限元分析方法分析了运输过程中货物的温度场分布，同时分析了环境温度、堆码方式等参数对货物温度变化的影响。预测了该冷藏车厢有效保鲜时长为22.3 h。该方法可在车厢设计阶段预测运输过程中货物温度的变化情况，对冷藏汽车车厢设计具有一定的指导意义。后续的研究中可通过比对实验的方法不断优化车厢的热物理模型，提高计算精度。
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