李細(xì)霞,呂東霖,李長玉

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院,廣州 510800)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,生鮮貨物的長距離運輸需求越來越大,冷鏈物流越來越普及[1-3].冷藏汽車因為其具有靈活方便的特點,在冷鏈物流中占據(jù)越來越重要的地位[4-5].越來越多的研究人員對冷藏汽車進(jìn)行了設(shè)計和研究:韓佳偉等[6]研究了一種短距離土豆運輸車工作時溫度場分布情況,得到了最佳的制冷機冷卻溫度和制冷時間;夏全剛等[7]設(shè)計了一種具有蓄冷功能的冷藏車,以儲運蔬菜上海青為例對其保溫特性進(jìn)行了分析,并且進(jìn)行了實驗驗證;袁亮等[8]針對冷藏車常用的保溫隔熱材料聚氨酯硬泡復(fù)合板進(jìn)行了研究,分析了其組成和特點,研究了其工藝流程;齊馨[9]對我國冷藏汽車的結(jié)構(gòu)分類及發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了分析研究;張超等[10]針對荷蘭芹冷藏運輸車進(jìn)行了研究,分析了荷蘭芹菜堆放位置對運輸品質(zhì)的影響.

從文獻(xiàn)分析可發(fā)現(xiàn),對冷藏汽車車廂的研究主要集中在車廂保冷隔熱性能及其對貨物品質(zhì)的影響.本文設(shè)計了一種輕型的冷藏汽車車廂,采用三明治夾層結(jié)構(gòu),在減輕車廂整體質(zhì)量同時增強其保冷隔熱性能.同時還設(shè)計了車廂內(nèi)冷空氣導(dǎo)流結(jié)構(gòu),使制冷過程中車廂內(nèi)溫度能夠迅速均勻分布.建立了該冷藏車車廂傳熱瞬態(tài)模型,分析了保溫隔熱材料厚度、車速、冷藏溫度、空氣溫度等幾個關(guān)鍵參數(shù)對車廂漏熱速率的影響.

1 車廂的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

1.1 設(shè)計要求

所設(shè)計的冷藏汽車要求額定載質(zhì)量1 t左右.采用的底盤型號為CGC1040HDD33E1,要求車廂四壁具有足夠的強度剛度以抗擊沖擊變形;具有較好的保冷隔熱功能;車廂用材料要求密度小,質(zhì)量輕以增加整車的質(zhì)量利用系數(shù).車廂具有保鮮和冷凍兩個功能,保鮮功能要求箱內(nèi)溫度為-5 ℃.冷凍功能要求箱內(nèi)溫度為-15 ℃.冷藏車使用制冷機組進(jìn)行制冷,要求制冷時整個車廂內(nèi)溫度場分布較均勻.

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

為滿足以上要求,設(shè)計的車廂總大小為4 000 mm×1 800 mm×1 800 mm,車廂各壁板、車門等都為玻璃鋼板夾硬質(zhì)聚氨酯的3層結(jié)構(gòu).為保證車廂的保溫隔熱性、耐用性、抗沖擊振動性等自裝卸要求,其中，選擇玻璃鋼厚度為3 mm；硬質(zhì)聚氨酯板厚度暫定為80 mm(將在第3小節(jié)討論選擇合適的厚度)；車廂整體由車廂前板、底板、側(cè)板、車門、蒸發(fā)器、導(dǎo)風(fēng)板、微孔薄膜1、微孔薄膜2組成.車廂組成及各部分在車廂的裝配關(guān)系如圖1所示.

為實現(xiàn)底板、頂板、側(cè)板和前板之間裝配配合,在板邊緣部分均設(shè)置了45°的波模斜度,為增強車廂整體的強度剛度,同時使車廂各層間的黏合緊密,在玻璃鋼與聚氨酯夾層間增加了加強肋,即分別在內(nèi)外玻璃鋼板上的一側(cè)加工若干條類似U型的薄板.為了保證保溫隔熱效果,兩U型薄板應(yīng)錯落布置并且高度設(shè)置為30 mm,保證兩薄板的總高度小于聚氨酯層的厚度,以防止接觸,從而使導(dǎo)熱系數(shù)增大影響保溫隔熱效果,具體剖面如圖2所示.

圖1 車廂組成及各部分裝配關(guān)系圖Fig.1 The composition and the assembly relationship of the trucks

圖2 車廂各板3層結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 The sectional view of the three-tier structure of trucks boards

為使用制冷機組在制冷時均勻制冷,設(shè)計時通過導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)引導(dǎo)冷風(fēng)的流向,具體的結(jié)構(gòu)如圖3所示.其中,導(dǎo)流板作用在于將蒸發(fā)器出風(fēng)口處窄范圍高速的冷風(fēng)加以引流至邊緣部分風(fēng)量少的區(qū)域,擴(kuò)大受風(fēng)面積,并適當(dāng)降低風(fēng)速.導(dǎo)風(fēng)擋板主要作用是將出風(fēng)口的冷風(fēng)引導(dǎo)一部分到車廂的邊緣部分,而弧形導(dǎo)風(fēng)板主要作用是將冷風(fēng)集中引到車廂上方,弧形導(dǎo)風(fēng)板后是微孔薄膜,由微孔薄膜上均勻的微孔實現(xiàn)對冷風(fēng)的均勻分配.該情況適用于生鮮運輸狀況,此時風(fēng)量無須太大,車廂頂板可看作是一塊冷板,但因有蒸發(fā)器和風(fēng)機的作用,效率比冷板更高.微孔薄膜材料為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)均勻的聚乙烯,導(dǎo)熱率極低而不易形成冷凝水.在制造工藝要求允許的情況下，可針對實際運輸狀況做進(jìn)一步調(diào)整.如在車廂較長時,分布均勻的微孔薄膜依舊會因為近出風(fēng)口處風(fēng)量大而透過冷氣多,遠(yuǎn)出風(fēng)口處風(fēng)量小所獲得的冷量小甚至沒有,這時可通過控制薄膜或低導(dǎo)熱率透氣介質(zhì)的孔徑和密度使溫度的分布均勻.考慮到不同的運送貨物及運輸狀態(tài)(如需迅速降低車廂內(nèi)部溫度),在設(shè)計中將微孔薄膜設(shè)計為兩段式,在需要迅速制冷或運送凍肉等情況時,可將弧形導(dǎo)風(fēng)板拆下或接在導(dǎo)風(fēng)板后的微孔薄膜卸下,調(diào)大風(fēng)機風(fēng)量以加快制冷效率,該情況和帶制冷機組的冷藏車內(nèi)部情況一致.

圖3 蒸發(fā)器與導(dǎo)風(fēng)板的配合關(guān)系Fig.3 The relationship of the evaporator and the baffle

2 關(guān)鍵參數(shù)分析

2.1 物理模型

在冷藏車運送貨物過程中,保冷隔熱層厚度、材料的選擇直接影響到車廂的保冷效果.針對不同的厚度、材料、車速、保冷溫度、車外溫度等,可建立物理模型.通過理論計算模擬,分析各個參數(shù)對保冷效果的影響,為冷藏車各參數(shù)的選擇,提供一定依據(jù).因車廂壁厚度遠(yuǎn)小于其長度和寬度,故可將其簡化為無限大平壁傳熱情況,只分析其沿著車廂壁厚度方向的一維傳熱.冷藏車外板、隔熱保溫層、內(nèi)板經(jīng)簡化后如圖4所示.為方便計算作如下假設(shè):① 車廂密封良好,無漏氣現(xiàn)象;② 車箱溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，車廂各處溫度分布均勻,溫度處處相等;③ 忽略各地、各季節(jié)變動較大的太陽輻射影響.

圖4 物理模型示意圖Fig.4 Physical model diagram

此時相應(yīng)的控制方程為

(1)

相應(yīng)的邊界條件為

相應(yīng)的初始條件為

(4)

式中：n為1，2，3；ρn為第n層密度；cn為第n層比熱容；x為位置變量；Tina為初始溫度；hout為外板換熱系數(shù)；t為時間變量；kn為第n層導(dǎo)熱系數(shù)；Tn為第n層溫度分布；Tair為外界空氣溫度；Tset為車廂內(nèi)部溫度；hin為內(nèi)板換熱系數(shù).

設(shè)l1=x1,l2=x2-x1,l3=x3-x2,即l1為外板厚度,l2為保溫隔熱層厚度,l3為內(nèi)板厚度.并查閱資料得到各層結(jié)構(gòu)物理參數(shù),如表1所示[11-12].

表1 各層物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of each layer

模擬分析：除分析保溫隔熱層厚度對保冷效果影響外,其余分析以厚度為30 mm為例,即l1=3 mm,l2=30 mm,l3=3 mm.

在考慮車速、車廂外界溫度、車廂內(nèi)部溫度差異對功率參數(shù)的選擇時,根據(jù)文獻(xiàn)[6]查得求解車廂內(nèi)部換熱系數(shù)hin公式為

(5)

求解外板表面的換熱系數(shù)hout公式為

(6)

式中:Δt為內(nèi)板表面與車廂內(nèi)溫度的溫度差;b為常數(shù)取3;v為車速，m/s.

2.2 分析討論

通過觀察可發(fā)現(xiàn)上述問題為多層結(jié)構(gòu)傳熱問題,一般采用數(shù)值方法進(jìn)行求解[13-15],本文利用有限元方法和Matlab軟件編程實現(xiàn).

圖5表示了聚氨酯保溫隔熱層為30 mm、車廂外溫度為25 ℃、車廂內(nèi)溫度為-10 ℃、車速為50 km/h時,廂體在各時間段沿x軸的溫度分布及達(dá)到穩(wěn)態(tài)時所需的時間.圖5中A,B,C,D,E分別代表在60,600,1 800,3 600,7 200 s時沿x方向上的溫度分布.可看出因為各層導(dǎo)熱系數(shù)存在差別,各線條均可分為斜率不同的3段.線條總體都為下降趨勢.當(dāng)時間達(dá)到3 600和7 200 s時,線條幾乎重疊,溫度基本不變化,即認(rèn)為此時熱量流動已達(dá)到平衡狀態(tài),此時外板表面的溫度保持在24.55 ℃不再變化.

圖5 不同時刻x方向上的溫度分布Fig.5 Temperature distribution in the direction of x at different time

分析圖5可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過一定時間瞬態(tài)傳熱之后,車廂壁溫度趨于恒定,此時熱量經(jīng)車廂外進(jìn)入車廂內(nèi)部,此時引入漏熱速率參數(shù),定義漏熱速率為車廂壁外表面熱流密度,可用下式計算:

(7)

圖6～圖8分析了幾個關(guān)鍵參數(shù)對漏熱速率的影響.其中，圖6分析了所要求的冷藏溫度和車廂外空氣溫度對漏熱速率的影響.左側(cè)為車廂內(nèi)部溫度變化對外板表面漏熱速率的影響,分析時設(shè)外部空氣溫度為25 ℃;右側(cè)為車廂外部空氣溫度變化對外板表面漏熱速率的影響,分析時設(shè)內(nèi)部保冷溫度為-10 ℃.由線條A可看出,隨著車廂內(nèi)部保冷溫度的逐漸升高,穩(wěn)態(tài)時外板溫度與外部空氣之間的溫差逐漸減小,即車廂外板的溫度更趨近外部空氣溫度25 ℃.線條B為對應(yīng)線條A溫差下的漏熱速率,可見當(dāng)內(nèi)部保冷溫度升高趨近外部時,外板表面漏熱速率降低,冷量損耗減少.由線條C則可看出,隨著外界空氣溫度升高,穩(wěn)態(tài)時外板溫度與外部空氣之間的溫差也逐漸增大,對應(yīng)表示外界熱流密度的線條D也呈上升趨勢.綜合分析則可知道,車廂外部空氣與內(nèi)部保冷溫度之間的差值越大,車廂外表面的漏熱速率越大.

圖6 不同車內(nèi)溫度與車外溫度對漏熱速率的影響Fig.6 Effect of different interior temperature and exterior temperature on heat flux density

圖7分析了不同保溫隔熱層對車廂外表面溫度與漏熱速率的影響.線條A,B分別對應(yīng)25 ℃和15 ℃下的車廂外表面溫度,可見隨著保溫隔熱層的逐漸變厚,外表面的溫度逐漸接近與外界空氣溫度,對應(yīng)的熱流密度散點C,D也逐漸降低,即耗冷量逐漸減少.25 ℃時,漏熱速率在保溫隔熱層厚度為80 mm時比30 mm時降低了6.79 W/m2,在15 ℃則降低了3.22 W/m2.在厚度為30 mm時,25 ℃與15 ℃兩組之間熱流密度差值為5.95 W/m,而在80 mm時,25 ℃與15 ℃兩組之間熱流密度差值為1.58 W/m,說明保溫隔熱層越厚,不僅有利于降低車廂外表面的熱流密度從而降低耗冷量,外界溫度變化所引起的熱流密度變化范圍會進(jìn)一步縮小,即保冷效果更高效穩(wěn)定.

圖7 保溫隔熱層厚度對外板表面溫度及熱流密度的影響Fig.7 Effect of thermal insulation layer thickness on surface temperature and heat flux of exterior panels

為進(jìn)一步了解厚度對車廂外表面熱流密度的影響,為設(shè)計制造保冷隔熱層厚度的選取提供一定依據(jù),對C,D散點進(jìn)行了多項式擬合得到線條E,F,對應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為

圖8分析了不同車速對車廂外板表面熱流密度的影響.圖中A線和B線分別表示車廂外部溫度為15 ℃和25 ℃時熱流密度隨車速變化情況.可看出，車廂內(nèi)外溫差越大，車廂外板熱流密度值相應(yīng)越大，與圖6分析結(jié)論相同.C線表示車速和車廂外板對流換熱系數(shù)的關(guān)系(式(6)).從圖中可以看出:當(dāng)車速較小時，車速的變化引起的車廂外板對流換熱系數(shù)變化較大，從而導(dǎo)致車廂外板的熱流密度變化較大.車速較大時，車速的變化引起的車廂外板的對流換熱系數(shù)變化較小，從而導(dǎo)致車廂外板的熱流密度變化較小(當(dāng)車速大于10 km/h時趨于恒定不變).

圖8 不同車速對熱流密度的影響Fig.8 Effect of different speed on heat flux density

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種冷藏汽車車廂結(jié)構(gòu),并對其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析,主要結(jié)論:① 設(shè)計了3層結(jié)構(gòu)式的車廂壁,在減輕車廂質(zhì)量同時增強保冷隔熱效果;② 設(shè)計的冷空氣導(dǎo)流裝置能夠使車廂溫度迅速均勻分布,達(dá)到較好的制冷效果;③ 建立了車廂傳熱模型,通過分析發(fā)現(xiàn)隔熱層厚度、冷藏溫度與空氣溫度差值對車廂漏熱速率影響較大,車速增加,車廂漏熱速率有所增加,但并不明顯.