肖 穎，徐添樺，葉 曄，李長玉

（廣州城市理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

我國電子商務(wù)行業(yè)發(fā)展迅速，冷鏈物流在整個(gè)物流行業(yè)中占比越來越大［1-2］。冷藏車、冷凍車作為冷鏈物流公路運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，越來越受人們的廣泛關(guān)注。冷板冷藏車具有運(yùn)輸成本低、效果穩(wěn)定等特點(diǎn)，經(jīng)常被用在蔬菜、冷肉等運(yùn)輸過程中的保鮮［3］。根據(jù)冷藏車車廂設(shè)計(jì)及溫度場分析，工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究。

張哲等［4］建立了空載、不同貨物堆碼的冷藏車模型。建議車廂頂部安裝適量冷板，并對貨物堆碼的影響進(jìn)行了論述。劉壽春等［5］運(yùn)用試驗(yàn)材料和SPA控制圖的設(shè)計(jì)，對冷卻豬肉進(jìn)行微生物的分析，發(fā)現(xiàn)冷卻豬肉運(yùn)輸過程中微生物的分布特征。李立民等［6］研究了冷藏車廂內(nèi)部的溫度場，對3種不同貨物進(jìn)行比較，得出了最佳保鮮效果所需要的條件。王延覺等［7］利用多孔介質(zhì)原理設(shè)計(jì)了規(guī)則幾何形狀的冷卻番茄模型，發(fā)現(xiàn)了堆碼方式對果蔬貨物的運(yùn)輸質(zhì)量的影響。李錦等［8］利用Matlab軟件對冷藏車廂進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，分析了不同參數(shù)條件下最佳廂體傳熱系數(shù)。劉廣海等［9］構(gòu)建了滲風(fēng)冷藏車模型，認(rèn)為多溫區(qū)冷藏車滲風(fēng)量是車輛本身氣密性能、車速、內(nèi)部隔斷情況、裝載狀況和氣流擾動(dòng)等因素共同作用的結(jié)果。謝如鶴等［10］用CFD軟件模擬冷藏車的動(dòng)態(tài)溫度場，研究冷板冷藏車的對流換熱現(xiàn)象。謝如鶴等［11］以冷卻肉為裝載貨物，建立了冷板冷藏車與貨物的數(shù)理模型。呂東霖等［12］設(shè)計(jì)了一種三層復(fù)合板結(jié)構(gòu)的冷藏汽車車廂和廂內(nèi)冷空氣導(dǎo)流機(jī)構(gòu)，研究了不同的隔熱層厚度對漏熱速率的影響。李細(xì)霞等［13］設(shè)計(jì)了一種分體式冷板冷藏汽車，研究了冷板冷藏汽車各關(guān)鍵參數(shù)的確定方法。沈向陽等［14］設(shè)計(jì)了蓄冷罐式冷板冷藏車廂，研究了不同車廂底板厚度的情況下車廂底面貨物溫度變化過程。

本文根據(jù)冷肉運(yùn)輸過程中保鮮需要，設(shè)計(jì)了冷板冷藏車的車廂結(jié)構(gòu)，建立了其三維幾何模型和熱物理模型，通過有限元計(jì)算和仿真的方法得到了該冷藏車在冷肉運(yùn)輸過程中溫度場變化情況，分析了室外空氣溫度、堆碼方式等參數(shù)對保冷效果的影響。

1 車廂各參數(shù)設(shè)計(jì)及確定

1.1 設(shè)計(jì)要求

要求設(shè)計(jì)的冷板冷藏車額定載質(zhì)量在3～5 t，在運(yùn)輸過程中具有冷藏保鮮功能。在我國夏季正常溫度下運(yùn)輸冷肉超過18 h，并保證貨物在1～4 ℃之內(nèi)。車廂板應(yīng)具有足夠的耐磨性，且具有足夠的強(qiáng)度和剛度。運(yùn)輸過程中需保證食品類貨物的安全性。

1.2 設(shè)計(jì)的車廂結(jié)構(gòu)和具體參數(shù)確定

通過計(jì)算及后續(xù)的仿真分析，設(shè)計(jì)的車廂結(jié)構(gòu)如圖1所示。車廂的寬度為1 900 mm，車廂深度為4 000 mm，車廂高度為1 900 mm，內(nèi)裝貨物寬度為1 500 mm，內(nèi)裝貨物高度為1 500 mm，內(nèi)裝貨物深度為3 200 mm，冷板厚度為50 mm，保溫層厚度為100 mm，車廂底座厚度為120 mm。冷板采用兩塊側(cè)置和單塊前置的方式布置。

圖1 設(shè)計(jì)的冷藏車車廂結(jié)構(gòu)Fig.1 Compartment structure of refrigerator truck designed

設(shè)計(jì)的冷板冷藏汽車方式采用分體式充冷，制冷機(jī)組和冷板分開布置，制冷機(jī)組置于充冷站內(nèi)。制冷機(jī)組主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、儲液罐、冷卻風(fēng)扇等主要結(jié)構(gòu)，如圖2所示。制冷機(jī)組壓縮機(jī)依靠電力驅(qū)動(dòng)。冷板和制冷機(jī)組可分離，充冷時(shí)將制冷機(jī)組和冷板通過充冷接頭連接，制冷機(jī)組內(nèi)液態(tài)制冷劑進(jìn)入冷板內(nèi)蒸發(fā)盤，蒸發(fā)吸熱對冷板內(nèi)蓄冷劑充冷。

圖2 充冷原理Fig.2 Principle diagram of cooling

2 運(yùn)輸過程中保鮮效果分析

2.1 數(shù)理模型的簡化及建立

在分析時(shí)需要將實(shí)際模型進(jìn)行簡化處理，主要從以下方面進(jìn)行：①不考慮因溫度變化引起的材料熱物理參數(shù)產(chǎn)生的非線性變化；②貨物和冷板間的空氣假設(shè)為薄空氣電阻層；③將車廂壁簡化為單層結(jié)構(gòu)；④假設(shè)運(yùn)輸過程中車廂門全程關(guān)閉，車廂密封良好，無漏氣現(xiàn)象。取車廂右前下方邊角為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立笛卡爾坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)系設(shè)定Fig.3 Coordinate system setting

相應(yīng)的控制方程表示為［15］

式中：ρ為車廂各部件的密度；CP為車廂各部件的比熱容；U為部件相對運(yùn)動(dòng)速度；K為車廂貨物及空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Qted為熱彈性阻尼；?為微分算子。

相應(yīng)的邊界條件為

式中：q0為車廂表面對流換熱熱流量；h為對流換熱系數(shù)；Text為外界環(huán)境溫度。

2.2 初始條件及熱物理參數(shù)

按照要求，在冷藏車運(yùn)輸冷肉過程中，需要先將肉和車廂內(nèi)部進(jìn)行預(yù)冷。假設(shè)預(yù)冷溫度為0 ℃，冷板內(nèi)水和冰按照相變材料處理，各參數(shù)見表1［11］。

表1 熱物理參數(shù)Tab.1 Thermophysical parameters

為了分析不同環(huán)境溫度下冷肉的有效保鮮時(shí)長，環(huán)境溫度取2種情況，分別為恒定20 ℃和我國南方某地夏季某天的實(shí)際溫度。具體的環(huán)境溫度設(shè)定情況如圖4所示。

圖4 環(huán)境溫度設(shè)定Fig.4 Ambient temperature setting

2.3 分析和討論

在環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)貨物邊緣a不同時(shí)刻溫度分布情況如圖5所示。由圖5中可知，隨著時(shí)間的增加，貨物的溫度逐漸增高，在t=72 h 時(shí)貨物靠近后廂門部分溫度超過4 ℃，在36 h 內(nèi)貨物溫度均不超過4 ℃。從圖中還可以看出，因車廂前置冷板，靠近車廂前部的貨物溫度比車廂后部低。

圖5 貨物邊緣a不同時(shí)刻溫度Fig.5 Temperature of cargo edge a at different times

在環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，貨物中心軸線d不同時(shí)刻溫度分布情況如圖6所示。由圖6可知，貨物中心軸線較邊緣線溫度上升緩慢，在72 h之內(nèi)溫度均未超過4 ℃，同樣，貨物越靠近后廂門位置溫度越高，越靠近貨物中心溫度越低。

圖6 貨物中心線d不同時(shí)刻溫度分布情況Fig.6 Temperature distribution of cargo centerline d at different times

貨物邊緣b和貨物邊緣c不同時(shí)刻溫度分布情況如圖7所示。其中，A、B、C、D線分別表示在t=0、12、36、72 h 時(shí)貨物邊緣b溫度分布情況。E、F、G、H線分別表示在t=0、12、36、72 h時(shí)貨物邊緣c溫度分布情況。由圖7可知，因?yàn)檫吘塩位置放置了冷板，溫度明顯低于邊緣b位置的溫度，此外，越靠近邊緣中間位置溫度越低。

圖7 貨物邊緣b和貨物邊緣c不同時(shí)刻溫度分布Fig.7 Temperature distribution of cargo edge b and cargo edge c at different times

貨物中軸線上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的情況如圖8所示。由圖8可知，貨物在實(shí)際環(huán)境溫度條件下較恒定溫度條件下其溫度上升快。因?yàn)镸點(diǎn)最靠近車廂后廂門，所以溫度上升最快，O點(diǎn)處于貨物中心位置，溫度上升最慢。環(huán)境溫度波動(dòng)可以引起靠近后廂門位置M點(diǎn)溫度波動(dòng)上升，但是貨物內(nèi)部或靠近前冷板位置貨物溫度基本沿著直線上升的狀態(tài)。

圖8 貨物中軸線上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化Fig.8 Variation of temperature at each point on the central axis of goods with temperature

圖9表示了當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，不同堆碼方式下截面A（x=0.575 m）所切貨物斷面的溫度分布情況。從圖中可以看出，各位置的溫度均未超過4 ℃。一塊堆碼時(shí)貨物中心至邊沿溫度逐漸增高，越趨向Z方向溫度越高。兩塊堆碼或四塊堆碼時(shí)前部貨物中心至邊沿溫度逐漸增高，前部邊角處溫度最高，達(dá)到2 ℃。從圖中還可以看出，分4塊堆碼時(shí)溫度分布更均勻，冷板冷卻效果更好。

圖9 t=24 h不同時(shí)刻貨物溫度分布Fig.9 Cloud diagram of cargo temperature distribution at t=24 h

恒定溫度和實(shí)際溫度邊界條件下，貨物的最大值、最小值及平均值隨時(shí)間變化的情況如圖10所示。其中，A、C、E線表示環(huán)境溫度為恒定時(shí)貨物最大值、最小值和平均值隨時(shí)間變化情況，B、D、F線表示環(huán)境溫度為實(shí)際氣溫情況下貨物溫度最大值、最小值和平均值隨時(shí)間變化情況。從圖中可以看出，在實(shí)際溫度邊界條件下貨物的溫度最大值、最小值和平均值均上升較快。因?yàn)樨浳餃囟鹊淖畲笾瞪仙^程會隨著氣溫變化波動(dòng)，所以貨物的有效保鮮時(shí)間為22.3 h。在恒定溫度情況下貨物溫度最大值、最小值和平均值均上升較慢，貨物的有效保鮮時(shí)間為28.8 h。

圖10 貨物溫度最大值、最小值及平均值隨時(shí)間變化情況Fig.10 Variation of maximum，minimum and average values of cargo temperature with time

3 結(jié)語

本文根據(jù)冷肉運(yùn)輸保質(zhì)保鮮的要求，設(shè)計(jì)了一種冷板冷藏汽車廂體結(jié)構(gòu)，并建立了車廂的三維幾何模型和熱物理模型，通過有限元分析方法分析了運(yùn)輸過程中貨物的溫度場分布，同時(shí)分析了環(huán)境溫度、堆碼方式等參數(shù)對貨物溫度變化的影響。預(yù)測了該冷藏車廂有效保鮮時(shí)長為22.3 h。該方法可在車廂設(shè)計(jì)階段預(yù)測運(yùn)輸過程中貨物溫度的變化情況，對冷藏汽車車廂設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。后續(xù)的研究中可通過比對實(shí)驗(yàn)的方法不斷優(yōu)化車廂的熱物理模型，提高計(jì)算精度。