果蔬用冷庫相變材料研制及其系統(tǒng)應(yīng)用

摘要

相變蓄冷技術(shù)應(yīng)用于冷庫中，不僅可以利用谷電蓄冷產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可以有效控制冷庫溫度，減少溫度波動(dòng)對(duì)果蔬造成的損失。本工作研制了一種相變溫度可調(diào)、安全無害的麥芽糖醇/水低溫相變材料。該材料根據(jù)麥芽糖醇配比的不同(質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～5%)，可實(shí)現(xiàn)相變溫度和相變潛熱在0.73～1.62℃和281.43～325.82J/g的范圍可調(diào)。鑒于該材料存在的過冷問題，通過添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的四硼酸鈉作為成核劑，可將過冷度緩解至1.09℃。通過數(shù)值模擬研究蓄冷板的布置形式對(duì)冷庫內(nèi)溫度分布和蓄冷時(shí)長的影響，發(fā)現(xiàn)頂置+側(cè)置的蓄冷板布置形式相比頂置式和側(cè)置式具有更好的儲(chǔ)冷保鮮效果。此外，底部架空的貨物布置方式可進(jìn)一步延長對(duì)果蔬的保鮮時(shí)間。本工作結(jié)合材料研發(fā)和模擬研究表明，相變蓄冷技術(shù)可有效轉(zhuǎn)移峰電時(shí)期的用能負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)16h的離網(wǎng)保鮮運(yùn)行。關(guān)鍵詞

相變蓄冷；冷庫；無電力運(yùn)行近年來，隨著我國人民生活水平的提高，我國冷鏈物流行業(yè)發(fā)展迅速。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布的2015—2019年數(shù)據(jù)，我國易腐食品總產(chǎn)量巨大且逐年增加，2019年我國易腐食品總產(chǎn)量已超過12億噸，這直接導(dǎo)致我國食品冷鏈需求總量急劇增大。據(jù)中國物流與采購聯(lián)合會(huì)冷鏈物流專業(yè)委員會(huì)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，全國公共型食品冷庫容量達(dá)到1.77億立方米，相比2019年新增庫容2568萬立方米，同比增長16.98%，且從趨勢來看，自2015年以來，全國公共型食品冷庫容量年增長率始終保持在10%～20%。巨大的用電量使得食品生鮮保存成本大大提高，降低冷庫運(yùn)行成本成為廣大科研學(xué)者的研究重點(diǎn)。而將蓄冷技術(shù)應(yīng)用于冷庫運(yùn)行中，通過利用谷時(shí)低價(jià)電力對(duì)蓄冷材料進(jìn)行充冷，以實(shí)現(xiàn)冷庫在峰時(shí)的無電力運(yùn)行，可以極大地降低冷庫運(yùn)行時(shí)的成本。目前蓄冷技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)、冰箱冰柜、冷藏車、建筑節(jié)能等諸多方面。而根據(jù)蓄冷方式的不同又可以分為熱化學(xué)蓄冷、顯熱蓄冷和潛熱蓄冷三種方式。熱化學(xué)制冷技術(shù)是利用特定物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)會(huì)吸放熱的特性的蓄冷技術(shù)，該技術(shù)目前仍在研究當(dāng)中，距離實(shí)際的工程應(yīng)用還有一定距離。顯熱蓄冷是利用在物質(zhì)未發(fā)生相變的條件下，物質(zhì)熱容隨溫度升高或降低所吸收或釋放出來的能量，顯熱蓄冷有著使用簡單、使用成本小等優(yōu)點(diǎn)，但顯熱蓄冷的物質(zhì)一般熱容較小，因此為滿足蓄冷要求，一般使用的蓄冷劑量大且占空間，限制了顯熱蓄冷的應(yīng)用。潛熱蓄冷是利用物質(zhì)在發(fā)生相態(tài)改變時(shí)吸收或釋放出的能量，其儲(chǔ)能密度雖低于熱化學(xué)蓄冷，但遠(yuǎn)高于顯熱蓄冷，同時(shí)具有相變過程溫度近似恒定的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的研究與關(guān)注。在相變蓄冷材料中又分為無機(jī)相變蓄冷材料和有機(jī)相變蓄冷材料。無機(jī)相變材料，例如鹽水化合物和金屬，具有相變潛熱大以及導(dǎo)熱系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在著過冷度大且易相分離的缺陷。有機(jī)相變材料，例如石蠟及脂肪酸，其過冷度一般較低，但目前主要問題在于成本較高、具有一定可燃性等。在果蔬類生鮮存儲(chǔ)過程中所應(yīng)用的相變材料，除考慮相變材料的熱性能外，其本身的毒理性、安全性、腐蝕性等顯得更為重要，以不能影響人類健康為首選要求。部分糖醇就是制備低溫相變蓄冷材料的最佳選擇。研制了以谷氨酸、丙三醇、苯甲酸鈉水溶液為低溫相變蓄冷材料，可實(shí)現(xiàn)-7.3～-5℃的相變溫度。Xu等人研制了相變溫度7.1℃的正辛酸-肉豆蔻酸水溶液以及相變溫度-2.5℃的山梨酸鉀水溶液。果蔬用冷庫常用存儲(chǔ)溫度一般在0～8℃，過低的溫度會(huì)導(dǎo)致果蔬凍壞，過高的溫度則會(huì)導(dǎo)致果蔬的變質(zhì)，而在0～8℃溫度區(qū)間的蓄冷材料較少，因此尋找合適相變溫度的低溫蓄冷材料至關(guān)重要。麥芽糖醇廣泛用于甜味食品加工中，對(duì)人體無毒無害，安全性好，特別適合作為農(nóng)產(chǎn)品保鮮的蓄冷劑，利用麥芽糖醇可以有效提高水的相變溫度。本工作以麥芽糖醇為研究對(duì)象，探究了不同配比下麥芽糖醇水溶液的相變溫度及相變潛熱。并對(duì)其添加不同的成核劑，以配置出過冷度最小，性能最佳的果蔬用低溫相變蓄冷材料。同時(shí)，本工作中還建立了果蔬用冷庫的數(shù)學(xué)模型，研究不同蓄冷板布置形式對(duì)冷庫內(nèi)溫度分布的影響，同時(shí)優(yōu)化內(nèi)部貨物擺放形式以實(shí)現(xiàn)冷庫峰時(shí)完全無電力運(yùn)行。1低溫相變蓄冷材料制備1.1材料與試劑本工作所使用到的主儲(chǔ)能材料為麥芽糖醇，十水合四硼酸鈉、硫酸鉀、三水合乙酸鈉為備選成核劑；實(shí)驗(yàn)所用溶劑均為去離子水。實(shí)驗(yàn)材料清單見表1。表1

實(shí)驗(yàn)材料清單1.2儀器設(shè)備本工作在實(shí)驗(yàn)過程中用到的主要儀器包括數(shù)據(jù)采集儀、電子天平、磁力攪拌器、差示掃描量熱儀、低溫恒溫液浴槽、瞬態(tài)熱線法導(dǎo)熱系數(shù)儀、超聲波分散儀等，除此之外還有燒杯、玻璃棒、試管等實(shí)驗(yàn)用具。儀器的各項(xiàng)參數(shù)見表2。表2

主要實(shí)驗(yàn)儀器清單1.3實(shí)驗(yàn)1.3.1相變材料制備按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%、5%的比例將赤蘚糖醇及去離子水添加入燒杯中，置于磁力攪拌器上攪拌30min至材料充分溶解，無晶體或者沉淀現(xiàn)象。在確定配比的蓄冷材料基礎(chǔ)上按照一定質(zhì)量比例(0.4%、0.8%、1.2%、1.6%)添加不同種類的成核劑(四硼酸鈉、硫酸鉀、三水合乙酸鈉)。1.3.2DSC測試打開測量軟件，輸入坩堝內(nèi)樣品的質(zhì)量，設(shè)置好溫度程序，將升降溫速率設(shè)置為1.2℃/min，測試溫區(qū)為-25～20℃，為了消除熱歷史，樣品測試重復(fù)三次。使用分析軟件得到相變材料樣品的凝固曲線和熔化曲線，并得到對(duì)應(yīng)的相變溫度及相變潛熱。1.3.3步冷測試實(shí)驗(yàn)將制備的相變材料溶液裝入試管中，將熱電偶插入試管的中心位置來監(jiān)測相變材料的溫度變化，將試管豎直浸入液浴槽中并固定，液浴槽中冷卻液液面要高過試管中相變材料液面，然后設(shè)置液浴槽的溫度為-20℃，降溫速率為0.5℃/min，讓樣品與冷卻液一起降溫。1.3.4導(dǎo)熱系數(shù)測試將所制備好的樣品放入夾套燒杯中，并將導(dǎo)熱系數(shù)儀探頭垂直插入夾套燒杯中心位置，控制水浴溫度恒定。為了保證測試精確度，測試前開啟探頭的溫度監(jiān)測，當(dāng)探頭溫度在5min內(nèi)的波動(dòng)小于0.05K時(shí)可認(rèn)為探頭與樣品之間達(dá)到了熱平衡。設(shè)置采集時(shí)間為1s、采集電壓為1.5V、采集模式為快速、采集間隔時(shí)間為3min、采集次數(shù)為10次，開始測量。測量后取10次結(jié)果平均值為樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。1.3.5循環(huán)穩(wěn)定性測試由于相變蓄冷材料在實(shí)際使用中需要頻繁地充冷與釋冷，即凝固與熔化的反復(fù)循環(huán)，因此循環(huán)穩(wěn)定性也是相變材料的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。穩(wěn)定性測試使用兩臺(tái)低溫恒溫液浴槽，一臺(tái)溫度設(shè)定為10℃，進(jìn)行相變材料的熔化過程；一臺(tái)溫度設(shè)定為-20℃，進(jìn)行相變材料的凝固過程。使用K型熱電偶監(jiān)控相變材料的溫度變化，首先將相變材料放入凝固恒溫槽中，當(dāng)相變材料完全凝固后取出放入熔化恒溫槽中，待相變材料完全熔化后再放入凝固恒溫槽中，如此反復(fù)循環(huán)完成相變材料的穩(wěn)定性測試。取循環(huán)30次、60次、90次的樣品做DSC實(shí)驗(yàn)。2相變蓄冷材料性能分析2.1相變溫度及相變潛熱分析本工作將麥芽糖醇分別與水混合制備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～5%的水溶液。經(jīng)DSC的表征測試，得到了不同濃度麥芽糖醇水溶液的相變溫度及相變潛熱，如圖1所示。麥芽糖醇水溶液相變溫度的變化范圍為0.73～1.62℃，相變潛熱的變化范圍為281.43～325.82J/g，均隨著麥芽糖醇濃度的增大而逐漸減小。其中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%的麥芽糖醇水溶液的相變潛熱值均大于310J/g。麥芽糖醇溶液體系有著高于0℃的相變溫度，適用于果蔬類生鮮的存儲(chǔ)，且可以根據(jù)實(shí)際保存的生鮮種類進(jìn)行相變溫度的調(diào)整，使得果蔬的保存品質(zhì)最佳。圖1

麥芽糖醇水溶液相變溫度及相變潛熱隨麥芽糖醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化2.2相變蓄冷材料過冷度分析在DSC測試時(shí)，所測樣品質(zhì)量極小，在30mg左右，樣品內(nèi)部的對(duì)流擾動(dòng)極小，環(huán)境溫度降低速率極小，同時(shí)也不存在外部的震動(dòng)等促進(jìn)結(jié)晶的因素，可近似認(rèn)為溫度差是促進(jìn)結(jié)晶的唯一因素，因此DSC測試將樣品的過冷度放大到了最大。例如質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的麥芽糖醇溶液在DSC測試中測得的過冷度高達(dá)20.01℃，在-18.58℃才會(huì)發(fā)生相變。但在冷庫的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，蓄冷板中相變材料的用量遠(yuǎn)大于DSC實(shí)驗(yàn)中的樣品質(zhì)量，且應(yīng)用過程中內(nèi)部的自然對(duì)流等都可以加速成核，故采用步冷測試實(shí)驗(yàn)更能反映相變材料在實(shí)際應(yīng)用中的過冷度。如圖2所示為麥芽糖醇體系溶液的步冷曲線圖，從圖中可知，過冷度隨著麥芽糖醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大先減小后增大，1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液有最大的過冷度，為4.68℃；4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液過冷度最小，為3.80℃。圖2

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)麥芽糖醇溶液步冷曲線圖

在實(shí)際應(yīng)用過程中，降低相變蓄冷材料的過冷度可以降低充冷過程中所需要的冷能品位，從而提高能源利用效率。在相變材料中添加成核劑，有助于觸發(fā)非均勻成核，可使晶體在成核劑表面生長，降低結(jié)晶所需要的表面能，從而降低過冷度并加速結(jié)晶過程。本工作選用四硼酸鈉、三水合乙酸鈉、硫酸鉀作為成核劑，分別取不同質(zhì)量的各種成核劑與3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的麥芽糖醇溶液混合，探究不同種類和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的成核劑對(duì)麥芽糖醇溶液過冷度抑制的效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，特定濃度的三種成核劑對(duì)麥芽糖醇溶液的過冷度均有抑制效果，隨著成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，溶液的過冷度有著先減小后增大的趨勢。從圖中可以看出，四硼酸鈉成核劑對(duì)3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的麥芽糖醇溶液過冷度有著最好的抑制效果，當(dāng)添加1.2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的四硼酸鈉時(shí)，過冷度最小，為1.09℃，比未添加成核劑時(shí)過冷度降低了3.21℃。硫酸鉀和三水合乙酸鈉對(duì)溶液的過冷度也有抑制作用，但效果不如四硼酸鈉。圖3

添加不同成核劑對(duì)麥芽糖醇水溶液過冷度的影響2.3相變蓄冷材料導(dǎo)熱性能分析導(dǎo)熱性能是相變蓄冷材料重要的性能指標(biāo)，本工作根據(jù)前文的分析選擇了添加1.2%四硼酸鈉的3%的麥芽糖水溶液進(jìn)行了表征測試，分別測試了材料固態(tài)和液態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，忽略了同相態(tài)下溫度對(duì)于材料導(dǎo)熱性能的影響。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所選用的相變蓄冷材料液態(tài)時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.6072W/(m·K)，固態(tài)時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為2.241W/(m·K)(圖4)。圖4

麥芽糖醇復(fù)合相變蓄冷材料導(dǎo)熱系數(shù)2.4相變蓄冷材料循環(huán)穩(wěn)定性分析根據(jù)以上分析，選擇添加1.2%四硼酸鈉的3%的麥芽糖水溶液進(jìn)行了循環(huán)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。穩(wěn)定性測試使用兩臺(tái)低溫恒溫液浴槽，一臺(tái)溫度設(shè)定為10℃，進(jìn)行相變材料的熔化過程；另一臺(tái)溫度設(shè)定為-20℃，進(jìn)行相變材料的凝固過程。首先將相變材料放入凝固恒溫槽中，當(dāng)相變材料完全凝固后取出放入熔化恒溫槽中，待相變材料完全熔化后再放入凝固恒溫槽中，如此反復(fù)循環(huán)完成相變材料的穩(wěn)定性測試。取循環(huán)30次、60次、90次的樣品做DSC實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。根據(jù)結(jié)果可知，循環(huán)后相變材料的相變溫度和相變潛熱有輕微下降，并且下降幅度逐漸減小，說明材料的穩(wěn)定性較好，并且未出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，適合作為小型保鮮冷庫相變蓄冷材料。圖5

相變蓄冷材料循環(huán)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)3冷庫內(nèi)蓄冷板布置形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1小型果蔬用保鮮冷庫設(shè)計(jì)根據(jù)果蔬儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)運(yùn)銷售的實(shí)際需求，本工作所設(shè)計(jì)的小型保鮮冷庫為可移動(dòng)式，設(shè)計(jì)的保鮮冷庫的外部幾何尺寸為3.7m×1.71m×1.9m。采用聚氨酯發(fā)泡材料作為保溫材料，聚氨酯保溫層厚度為100mm，冷庫的工作溫度設(shè)定為1.5～5℃。保鮮冷庫峰時(shí)(08∶00—24∶00)無電力運(yùn)行，利用相變材料蓄得的冷能維持庫溫恒定，谷時(shí)(24∶00—次日08∶00)制冷機(jī)組開啟，保持冷庫溫度穩(wěn)定同時(shí)為蓄冷材料充冷，所以冷庫依靠蓄冷材料的最短保冷時(shí)間為16h。經(jīng)過初步計(jì)算靜置狀態(tài)冷庫的熱負(fù)荷，預(yù)計(jì)冷庫用相變蓄冷材料需90.1kg。3.2小型果蔬用保鮮冷庫模型建立本節(jié)研究冷庫中蓄冷板布置方式對(duì)冷庫內(nèi)溫度的影響，分為三種布置形式，頂置式(蓄冷板尺寸為3500mm×1510mm×20mm)，側(cè)置式(蓄冷板尺寸為3500mm×1700mm×7.6mm)，頂置+側(cè)置式(3500mm×1510mm×6.7mm和3500mm×1700mm×5mm)。圖6為所建立的頂置+側(cè)置式冷庫數(shù)學(xué)模型，貨物放置在庫內(nèi)正中央，容積系數(shù)為0.5。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并為簡化運(yùn)算采用其1/4進(jìn)行建模。圖6

冷庫模型示意圖

根據(jù)以上假設(shè)，小型相變蓄冷保鮮冷庫模型的控制方程如下：（1）連續(xù)性方程由于流體是連續(xù)介質(zhì)，故而單位時(shí)間內(nèi)控制體的流體質(zhì)量差與控制體內(nèi)的質(zhì)量變化量之和為零，可表示為：(1)式中，τ為流動(dòng)時(shí)間，單位為s；ρ為庫內(nèi)空氣密度，單位為kg/m3；u、v、w分別為流體速度在x、y、z方向上的分量，單位為m/s。（2）動(dòng)量方程動(dòng)量方程是動(dòng)量守恒定律在流場中的表達(dá)，可由牛頓第二定律推導(dǎo)出，動(dòng)力黏度為常數(shù)的不可壓縮流體的動(dòng)量方程為：(2)(3)(4)式中，P為流體靜壓，單位為Pa；μ為流體動(dòng)力黏度，單位為(N·s)/m2；Fx、Fy、Fz分別是單位體積流體的體積力在x、y、z方向上的分量，單位為kg/(m2·s2)。（3）能量方程能量方程是能量守恒定律在流場中的表達(dá)，表明了單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入控制體的凈熱流量、外界對(duì)控制體所做的功、控制體內(nèi)熱源所發(fā)出的熱三者之和與控制體內(nèi)部能量變化率相等。導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)、無內(nèi)熱源、無黏性耗散的不可壓縮流體的能量方程為：(5)式中，c為流體比熱容，單位為J/(kg·K)；T為流體溫度，單位為K；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·K)。本工作使用Fluent進(jìn)行模擬計(jì)算，采用Solidification&Melting相變模型。為了計(jì)算相變蓄冷冷庫在使用相變材料釋冷階段的溫度分布和相變材料的熔化情況，進(jìn)行瞬態(tài)分析。假設(shè)相變材料蓄冷板充冷結(jié)束，相變材料、庫內(nèi)空氣、貨物溫度均為273K。冷庫的底部因?yàn)檫M(jìn)行了升高架空處理，所以冷庫的六個(gè)外壁面的換熱邊界條件均為第三類邊界條件，環(huán)境溫度設(shè)置為30℃，六個(gè)外壁面均為自然對(duì)流換熱。相變蓄冷材料、貨物、聚氨酯保溫板熱物性參數(shù)總結(jié)在表3中。表3

各材料熱物性參數(shù)3.3模型驗(yàn)證及無關(guān)性驗(yàn)證為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性，本工作選取Yang等的冷庫釋冷實(shí)驗(yàn)為對(duì)象，進(jìn)行模擬與其實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。Yang等在研究中進(jìn)行了空冷庫的釋冷實(shí)驗(yàn)，并得到空冷庫庫內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線。其冷庫外型尺寸為2.2m×1.6m×1.4m，保溫層厚度為98mm，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)環(huán)境溫度為25℃，庫內(nèi)溫度為0℃，記錄庫內(nèi)溫度隨時(shí)間變化情況。本工作建立了與其相同的冷庫模型，模擬結(jié)果和Yang等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7所示?？梢钥闯?，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，可以認(rèn)為本工作所建立的冷庫模型是正確的。圖7

保鮮冷庫模型驗(yàn)證

本工作選取頂置+側(cè)置式布置形式進(jìn)行模型的網(wǎng)格無關(guān)性和時(shí)間無關(guān)性驗(yàn)證，如圖8(a)所示。網(wǎng)格數(shù)量為150萬、210萬、350萬、470萬、650萬時(shí)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)量為150萬時(shí)液相率相對(duì)于更密的網(wǎng)格液相率較低，網(wǎng)格數(shù)量在大于210萬時(shí)液相率差別較小，均在0.2左右，上下誤差在0.57%以內(nèi)，說明網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好，模型的網(wǎng)格無關(guān)性較強(qiáng)，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，取網(wǎng)格數(shù)量為210萬進(jìn)行模擬計(jì)算。由于設(shè)計(jì)的冷庫相變材料保冷時(shí)間為16h，模擬時(shí)間相對(duì)較長，因此選取時(shí)間步長為300s、600s、1200s、2400s進(jìn)行時(shí)間步長無關(guān)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)參數(shù)為前60000s內(nèi)蓄冷板的液相率隨時(shí)間變化情況，如圖8(b)所示。可以看出，不同時(shí)間步長的液相率變化曲線幾乎完全重合，說明改變時(shí)間步長對(duì)液相率幾乎無影響，模型的時(shí)間步長無關(guān)性也較強(qiáng)，選取時(shí)間步長為2400s進(jìn)行模擬計(jì)算。圖8

無關(guān)性驗(yàn)證3.4不同蓄冷板布置方式對(duì)庫溫的影響研究蓄冷板布置方式的不同會(huì)影響到庫內(nèi)的溫度場分布，進(jìn)而影響到貨物的儲(chǔ)存品質(zhì)，所以應(yīng)選擇合理的相變材料布置方式。本節(jié)對(duì)所提出的三種蓄冷板布置方式分別進(jìn)行了16h的模擬計(jì)算，以大蒜為例(儲(chǔ)存溫度要求-2.5～3℃)，分別研究每種布置方式能否滿足農(nóng)產(chǎn)品貨物的儲(chǔ)存溫度要求。3.4.1頂置式如圖9所示為16h時(shí)刻頂置式相變蓄冷材料冷庫的XZ截面庫內(nèi)空氣和貨物的溫度分布云圖。從圖中可以看出，這種布置方式的庫內(nèi)空氣溫度要顯著高于第一種和第二種布置方式，庫內(nèi)空氣平均溫度277.3K，最高溫度為280.9K，平均溫度已經(jīng)不滿足貨物的儲(chǔ)存條件。平均溫度過高是因?yàn)閹靸?nèi)只有頂部一個(gè)蓄冷板，蓄冷板和庫內(nèi)的空氣熱交換面積小，導(dǎo)致冷量釋放過慢，無法維持庫內(nèi)溫度穩(wěn)定。圖9

頂置式庫內(nèi)溫度分布云圖圖10(a)顯示了頂置式冷庫內(nèi)貨物的溫度分布，貨物平均溫度為275.6K，已超過了最佳保溫溫度276.15K的閾值，由于庫內(nèi)空氣溫度過高，貨物的溫度較高，超過儲(chǔ)存溫度上限的貨物部分如圖10(b)所示。從圖中可以看出，貨物靠近外表面位置已經(jīng)有相當(dāng)一部分體積溫度超過了儲(chǔ)存溫度上限，其中最高溫度為279.8K，嚴(yán)重影響了貨物的保鮮，超過溫度限制的貨物形狀為一個(gè)“殼”，因此這種蓄冷板布置方式并不適合存儲(chǔ)貨物。圖10

頂置式冷庫內(nèi)部貨物溫度分布云圖

3.4.2側(cè)置式如圖11所示為16h時(shí)刻側(cè)置式庫內(nèi)溫度分布云圖。從圖中可以看出，側(cè)置式的庫內(nèi)空氣溫度分布均勻性較差，庫內(nèi)空氣平均溫度為274.9K，最高溫度為278.4K，由于相變材料蓄冷板全部布置在左右兩個(gè)側(cè)面，頂部的熱流量可以直接進(jìn)入冷庫內(nèi)部，而熱空氣在冷庫上方聚集，導(dǎo)致了庫內(nèi)空氣溫度分布較不均勻。圖11

側(cè)置式庫內(nèi)溫度分布云圖由于庫內(nèi)頂部熱空氣的影響，導(dǎo)致貨物上部靠左右兩側(cè)的溫度也偏高，同樣由于貨物緊貼底部壁面的原因，導(dǎo)致貨物底部溫度明顯偏高，貨物的平均溫度為274.5K，尚未超過內(nèi)部貨物保鮮所需的最低溫度276.15K。超過儲(chǔ)存溫度上限的貨物部分如圖12(b)所示，側(cè)置式的貨物平均溫度、最高溫度相比于頂置式有所改善，但底部有部分貨物的溫度仍然超過了儲(chǔ)存溫度限制，最大溫度為278.6K。圖12

頂置式冷庫內(nèi)貨物溫度分布云圖3.4.3頂置+側(cè)置式如圖13所示為16h時(shí)刻頂置+側(cè)置式冷庫內(nèi)部溫度分布云圖?？諝獾臏囟确植驾^為均勻，總體呈現(xiàn)上低下高、兩邊高中間低的趨勢，這是因?yàn)轫敳亢蛡?cè)面布置有蓄冷板，同時(shí)貨物的冷量也可以維持庫內(nèi)溫度穩(wěn)定。左上角和左下角分別有一小塊區(qū)域空氣溫度較高，庫內(nèi)空氣平均溫度為274.5K，最高溫度為278.1K，這是因?yàn)閮蓧K庫板外側(cè)傳入的熱流量會(huì)在拐角處匯集，導(dǎo)致拐角處溫度較高。圖13

頂置+側(cè)置式冷庫內(nèi)部溫度分布云圖貨物的溫度分布呈上低下高的趨勢，由于底面未布置保溫板，同時(shí)貨物緊貼底面，所以底面的熱流量可直接傳遞給貨物，導(dǎo)致底部部分貨物溫度較高，貨物平均溫度為274.3K，滿足了貨物的存儲(chǔ)溫度，但底部仍有極少部分貨物超過儲(chǔ)存溫度上限，如圖14(b)所示，其中最高溫度為278.5K，這略微超過了貨物的儲(chǔ)存溫度上限(276.15K)。由圖可知大部分貨物的溫度都滿足儲(chǔ)存要求，平均溫度要低于側(cè)置式冷庫，但底部仍有小部分貨物溫度偏高，超出了溫度限制，不滿足所有貨物的16h蓄冷儲(chǔ)存要求，應(yīng)針對(duì)這一問題進(jìn)行改進(jìn)。圖14

頂置+側(cè)置式冷庫內(nèi)貨物溫度分布圖3.5小型保鮮冷庫貨物堆放方式優(yōu)化為解決貨物底部溫度超過上限，本工作采用貨物托盤將貨物托高，使得貨物底部與冷庫地板隔離開來，避免了底部熱流直接傳遞給貨物。如圖15(a)所示為16h時(shí)架高貨物后XZ截面庫內(nèi)空氣和貨物的溫度分布云圖。