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運(yùn)輸包裝箱被動(dòng)保溫特性的研究

文/張?jiān)鼋?/p>

為研究運(yùn)輸包裝箱在運(yùn)輸過(guò)程中箱內(nèi)溫度隨室外天氣的相應(yīng)變化，本文首先建立模型，利用數(shù)值模擬方法，求解天津地區(qū)夏季極端天氣下包裝箱的被動(dòng)保溫性能，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證模擬。結(jié)論表明：太陽(yáng)輻射對(duì)包裝箱的影響最為強(qiáng)烈，其次是箱體外表面對(duì)流換熱性能。同時(shí)在箱體材料平均導(dǎo)熱系數(shù)為0．47 w/(m·K)的情況下，其內(nèi)部溫度變化相對(duì)箱體外壁滯后110 m in，箱體內(nèi)平均溫度最高將會(huì)達(dá)到60．5 ℃。

包裝箱；數(shù)值模型；被動(dòng)保溫；試驗(yàn)驗(yàn)證

包裝箱在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，比如機(jī)械、建筑、化工、基建、軍工、物流等領(lǐng)域。其中一些重要的精密儀器或航天軍工設(shè)備在運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)包裝箱內(nèi)的溫度環(huán)境有很高的要求，溫度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)造成設(shè)備精度、材料質(zhì)量的損傷，嚴(yán)重時(shí)造成設(shè)備損壞，甚至報(bào)廢，給社會(huì)和國(guó)家?guī)?lái)巨大損失。因此有必要針對(duì)包裝箱在運(yùn)輸過(guò)程中，箱體內(nèi)部溫度變化特性進(jìn)行研究?，F(xiàn)在對(duì)運(yùn)輸箱內(nèi)溫度控制的措施有主動(dòng)溫控和被動(dòng)溫控兩個(gè)方面。前者主要是采用空氣調(diào)節(jié)設(shè)備對(duì)包裝箱內(nèi)部的溫度進(jìn)行控制，使其能夠保持在一個(gè)相對(duì)溫度的范圍內(nèi)；后者則主要針對(duì)包裝箱自身的材料屬性、結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，比如采取保溫、隔熱等措施，以使箱體內(nèi)溫度變化不超過(guò)規(guī)定要求。

對(duì)于包裝箱被動(dòng)保溫措施的研究工作，國(guó)內(nèi)外均有很多相關(guān)研究。比如Cesini[1]等人通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試的方法，對(duì)一個(gè)封閉包裝箱體的溫度和換熱條件進(jìn)行研究。Lin[2]等對(duì)GM-10汽車乘艙模型在空調(diào)制冷階段車內(nèi)溫度進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析。Chien[3]等分析汽車乘坐空間內(nèi)部氣流與車身壁面的動(dòng)態(tài)共扼傳熱特性。而國(guó)內(nèi)的申江[4]等學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)冷藏鏈現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)、研究方法進(jìn)行了總結(jié)。蔡新梅[5]等學(xué)者對(duì)基于冰漿蓄冷的集中冷藏陳列柜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

包裝箱自身及其內(nèi)部空氣的熱狀態(tài)對(duì)運(yùn)輸目標(biāo)設(shè)備有著重要影響，但綜合國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)包裝箱自身的熱特性分析，特別是在被動(dòng)保溫的情況下的研究還鮮有報(bào)道。本文以某航天設(shè)備的包裝箱被動(dòng)保溫?zé)崽匦詾檠芯磕繕?biāo)，主要分析包裝箱天津地區(qū)夏季極端天氣狀態(tài)下，包裝箱體不同時(shí)刻壁面和內(nèi)部的溫度范圍，使得包裝箱體內(nèi)的溫度能夠滿足運(yùn)輸設(shè)備對(duì)溫度環(huán)境的要求。

1.包裝箱體

本文以某航天設(shè)備在天津地區(qū)的運(yùn)輸過(guò)程為研究背景，包裝箱有龍骨支撐罩體，龍骨之間填充保溫材料，罩體是由內(nèi)蒙皮、骨架、外蒙皮組成，骨架采用槽鋼方管組焊而成。

2.理論分析

根據(jù)所提供資料和對(duì)模型進(jìn)行深入分析，將其進(jìn)行簡(jiǎn)化[6]：1.箱體外風(fēng)為梯度風(fēng)；2.室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度取晴天狀態(tài)值；3.材料為各向同性材料；4.壁面為混合換熱邊界。

包裝箱在實(shí)際運(yùn)輸途中可能遇到許多極端工況，在此分析天津地區(qū)夏季極端天氣狀況。外環(huán)境溫度為50℃，風(fēng)速約5.5～9.8m/s，除底面外，其他外表面所受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1200 w/m 2。包裝箱內(nèi)部原始溫度為倉(cāng)庫(kù)內(nèi)平均溫度28℃，箱體材料平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.47w/（m·K）。

根據(jù)模型實(shí)際尺寸，合理選擇箱體外流場(chǎng)，為減少對(duì)模擬的影響，外流場(chǎng)區(qū)域分別取前后2倍長(zhǎng)度，左右3倍寬度，上部2倍高度的計(jì)算區(qū)域。使用Gam bit軟件建立3d模型。采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行劃分網(wǎng)格，并對(duì)劃分后的網(wǎng)格進(jìn)行檢驗(yàn)。使用有限體積法，離散數(shù)值模型方程，在不同邊界條件下，求解納維斯托克斯方程、能量方程，獲得計(jì)算域內(nèi)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)與溫度場(chǎng)。

模型網(wǎng)格劃分后，需對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行檢驗(yàn)。箱體尺寸：5200×3400×10900（mm），外壁厚為120mm，為更好顯示出箱體表面及內(nèi)部溫度變化，首先將壁面劃分別分為20mm、30mm、40mm、50mm、60mm每單位網(wǎng)格，箱體內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域均采用漸變網(wǎng)格，漸變率為1.2，流場(chǎng)外邊緣網(wǎng)格尺寸分別為200mm、300mm、400mm、500mm、 600mm，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行五種工況的網(wǎng)格劃分，并分別記為1、2、3、4、5。結(jié)果，在此模型中第三種網(wǎng)格模式即箱體壁面40mm，以1.2的速率遞增到流場(chǎng)外400mm的模式，網(wǎng)格精度的變化對(duì)模擬結(jié)果的影響最小，即可滿足工程需要，也節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間。

3.結(jié)果分析

太陽(yáng)輻射作為包裝箱的主要熱量來(lái)源，當(dāng)它作用于包裝箱體外表面時(shí)，部分被外表面直接吸后通過(guò)壁面以導(dǎo)熱的方式傳到箱體的內(nèi)表面，再以對(duì)流和輻射傳到箱體內(nèi)的空氣，使箱體內(nèi)的空氣溫度升高。

在模擬過(guò)程中，利用太陽(yáng)射線追蹤法加載太陽(yáng)模型，設(shè)置了天津地區(qū)的地理位置（經(jīng)度、緯度、時(shí)區(qū)）、物理模型的具體方位（箱體南北朝向放置）。箱體在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)遇到各種情況的氣象條件，在此按照瞬態(tài)工況進(jìn)行模擬，以典型年夏至日的8：00、12：00、14：00、18：00時(shí)四種工況為例。

3.1箱體外風(fēng)速場(chǎng)

不同的箱體外風(fēng)速場(chǎng)對(duì)外壁面的對(duì)流換熱影響較大。梯度風(fēng)的設(shè)置根據(jù)天津市氣象條件進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)考慮運(yùn)輸速度。在不同時(shí)刻，風(fēng)在箱體周圍形成的速度場(chǎng)大致相同，迎風(fēng)面處風(fēng)速較大，在5.0m/s左右，箱體兩側(cè)形成羽翼形狀流，同時(shí)箱體后側(cè)形成了明顯的渦流。此時(shí)由于箱體壁面周圍風(fēng)速不同，將會(huì)導(dǎo)致箱體外壁面的換熱系數(shù)變化，進(jìn)而會(huì)影響到箱體壁面和內(nèi)部的溫度分布。

3.2箱體外溫度場(chǎng)

在運(yùn)輸過(guò)程中，箱體不僅受到太陽(yáng)輻射的作用，還有周圍地面環(huán)境輻射的影響，使箱體周圍的環(huán)境溫度不僅隨時(shí)間發(fā)生變化，而且也會(huì)隨箱體方位的變化而變化。在不同時(shí)刻，箱體相對(duì)太陽(yáng)射線的位置不同，在箱體周圍形成了不同的溫度場(chǎng)分布。在8：00時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較弱，箱體的東側(cè)面溫度較高，在西側(cè)面形成明顯的陰影低溫區(qū)，并且箱體自身對(duì)周圍環(huán)境的影響還不明顯。12：00時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度增加，箱體外表面溫度急劇升高，但因風(fēng)環(huán)境對(duì)箱體外表面換熱的影響，箱體外壁面前端處溫度明顯低于后端，同時(shí)箱體周圍環(huán)境溫度也受到箱體輻射影響，表現(xiàn)出不同的溫度梯度。14：00和18：00時(shí)，上述現(xiàn)象則更為明顯，箱體迎風(fēng)面溫度由于對(duì)流換熱的影響，左右兩側(cè)表現(xiàn)出更大的溫差，箱體周圍的環(huán)境溫度也顯示出更大溫度梯度。

3.3箱體外表面溫度場(chǎng)

太陽(yáng)輻射和箱體自身外壁面的換熱特性對(duì)箱體外壁面溫度的影響很大。在12：00和14：00時(shí)，箱體壁面前后端溫度均相差近15℃，說(shuō)明外壁面對(duì)流換熱系數(shù)是影響外壁面溫度分布的另一個(gè)重要因素。14：00的箱體外壁面平均溫度為75.8℃，比12：00時(shí)高出7.9℃，比18：00時(shí)高出34.5℃。

箱體外壁面的溫度經(jīng)過(guò)箱體自身的導(dǎo)熱特性將進(jìn)一步影響到箱體內(nèi)的空氣溫度分布。由于運(yùn)輸目標(biāo)設(shè)備主要位于箱體內(nèi)部區(qū)域，有必要重點(diǎn)分析箱體內(nèi)部空間的溫度分布特性。

3.4箱體內(nèi)溫度場(chǎng)

箱體外壁面溫度對(duì)內(nèi)部空氣溫度有很大影響，在垂直于與箱體外壁方向上，存在著較為突出的溫度梯度。在箱體內(nèi)部環(huán)境溫度分布中，14：00時(shí)溫度最高，平均溫度值在60.5℃左右，比12：00時(shí)高出5.8℃。箱體壁面周圍存在很大的溫度梯度，箱體內(nèi)外兩側(cè)壁面處空氣溫度均有較大幅度下降，外側(cè)溫度由于受對(duì)流換熱的影響，很快下降至31℃。而箱體內(nèi)部由于對(duì)流換熱系數(shù)較小，且存在較大的輻射換熱，內(nèi)部空氣平均溫度為63.4℃。

3.5試驗(yàn)驗(yàn)證

箱體在一天內(nèi)，隨外部環(huán)境的變化，內(nèi)部溫度也隨之發(fā)生變化。為此在箱體內(nèi)設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和B。用試驗(yàn)的方法對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻的溫度進(jìn)行測(cè)試，A點(diǎn)采用熱線風(fēng)速儀，B處采用熱敏電阻，結(jié)果如圖1。

從圖1中看出，A和B兩點(diǎn)均呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，8：00～14：00時(shí)，箱體外壁面溫度逐步升高至74.8℃，而箱體內(nèi)在經(jīng)過(guò)近8h后升高至最高點(diǎn)63.4℃，兩者之間存在110m in的滯后性。隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的下降，兩處溫度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因箱體自身的材料屬性和外壁面的對(duì)流換熱特性，使得箱體表面溫度升高的速率高于內(nèi)部環(huán)境空氣。監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和B處的試驗(yàn)和模擬的誤差分別為3.4%和4.1%，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果滿足了工程要求，可將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于后續(xù)研究中。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溫度變化趨勢(shì)

4.結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)運(yùn)輸包裝箱在天津地區(qū)夏季極端工況下，不同時(shí)刻被動(dòng)溫控條件下的箱體內(nèi)外溫度環(huán)境的分析，得到以下結(jié)論：

1.在天津地區(qū)室外晴朗天氣狀態(tài)下，箱體材料平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.47w/（m· K）時(shí)，包裝箱在運(yùn)輸過(guò)程中，內(nèi)部平均溫度將會(huì)達(dá)到60.5℃，此時(shí)應(yīng)根據(jù)運(yùn)輸目標(biāo)設(shè)備的溫度要求進(jìn)行主動(dòng)溫控。

2.包裝箱體內(nèi)溫度環(huán)境主要受到太陽(yáng)輻射和外壁面對(duì)流換熱系數(shù)的影響，為此，在后續(xù)研究工作中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這兩個(gè)因素的重點(diǎn)研究。

3.經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和模擬的對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和B處的誤差分別為3.4%和4.1%，說(shuō)明該數(shù)值研究方法能夠很好滿足包裝箱體溫度特性研究的需要，這也為該研究方法的進(jìn)一步的推廣應(yīng)用提供了參考。

（作者單位：濱海投資（天津）有限公司）

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