不同结构尺寸对EPP保温箱保温性能产生的影响

　　下面文章主要采用有限元软件构建EPP保温箱热传导模型和相变材料的相变传热模型，将相变材料完全融化所经历的时间作为有效保温时间，并以有效保温时间的长短评价保温箱的保温性能，主要是为了研究传热过程中不同结构尺寸EPP保温箱的保温性能，以及EPP保温箱内相变材料的相变过程及融化时间。

　　关键词：EPP,有限元分析,保温箱,保温时间

　　温度敏感性产品需要冷链物流来运输，其中的各环节均需满足一定的温度要求，相变材料具有储能密度大、温度稳定等优点[1]，因此相变储能技术被广泛运用到冷链物流中[2]。冷链物流控温箱常用的保温材料为EPS，PU和EPP，其中EPP具有良好的热稳定性，优异的抗震性能、抗冲击强度和韧性，适宜、柔顺的表面，是高质量保温箱的理想材料[3]，但EPP保温箱没有统一的标准，而且保温箱理论模型的预测时间一般小于实际保温时间[4]，即蓄冷剂的实际使用量一般大于理论值，故对基于保温箱的保温理论进行研究显得尤为迫切。

　　我国冷链物流行业正在快速发展[5]，但还存在着很多的问题，例如“最后一公里”的冷链脱节现象、包装难度大等[6]，这些都制约着冷链物流业的进一步发展。目前一些国内外学者通过模型与实验相结合的方法对控温包装系统进行了研究。Qian提出了将长方体模型转换成球壳模型的转换公式[7];郭晓娟进一步研究得出转换公式的适用范围为长宽比值小于2的长方体模型[8];赵艳冰指出可将长宽比值大于2的长方体模型转换成圆柱体模型[9]。

　　Burgess利用融冰法测得恒温环境下系统热阻与壁厚等结构的关系[10];Matsunaga等进一步研究得出保温箱在循环温度下的保温性能[11]。这些研究中均得到了相应的模型计算式，但均未涉及保温箱结构设计的几何参数。这里在保温箱内容积和厚度一定的条件下，基于模拟分析研究内外表面积几何平均值与保温时间、表面积几何平均值与长宽比之间的关系，为保温箱结构设计提供直接的依据。

　　1EPP保温箱热分析模型

　　保温箱的融冰实验属于多因素实验，周期长，成本较高。计算机模拟技术成本较低，模拟时间较短，且随着计算机技术的快速发展和普及，传热学领域已广泛地使用有限元模拟软件。

　　1.1EPP保温箱有限元模型

　　由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元分析不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段[12]。有限元分析的基本思路是把求解域离散成有限个单元，从而求得总刚矩阵，然后通过适当的数值方法进行求解[13]。传统的有限元软件Ansys适用于单物理场分析[14]，而Comsol较适用于包含相变传热的多物理场分析[15]，因此这里选用Comsol作为建模软件。研究模型尺寸为260mm×165mm×190mm(外尺寸)，220mm×125mm×145mm(内尺寸)，壁厚为20mm，盖厚为25mm。

　　1.2有限元模型传热参数设置

　　为有效开展分析，对该模型进行如下假设：保温材料各向同性;冰块与保温箱之间紧密贴合;外界通过热传导进入保温箱内的热量全部被冰吸收;不考虑材料属性随温度的变化。在Comsol中添加固体传热物理场节点，并添加相变材料子节点;冰的相变温度为0℃，相变潜热为333kJ/kg。模型初始温度为−2℃，外界环境温度为42℃。

　　2EPP保温箱热分析实验验证

　　2.1材料与仪器

　　主要材料：EPP保温箱(尺寸与有限元模型相同)，选取的蓄冷剂(相变材料)为冰，其蓄冷密度高，相变温度稳定且易获得，是理想的试验材料[16]。主要仪器：热特性分析仪，KD2Pro，量程为0.02~2.00W/(m·K)，精度为±0.01W/(m·K)，美国DECAGON;恒温恒湿箱，THS-D7C-100AS，控温范围为203～423K，温度精度为±0.2K，控湿范围为10%～98%，相对湿度精度为±2%。

　　台湾KSON;温度记录仪，Agilent-34972数据采集器搭载34901A模块(2块)并与K型热电偶相连接，测温范围为263～473K，测量精度为±0.5K，分辨率为0.1K，美国安捷伦;冰柜，DW-25W198，控温范围为248～278K，中国海尔;雪花制冰机，IMS-30-180W，制冰速度为30kg/d，常熟雪科电器。EPP导热系数通过热特性分析仪测得，称量可得EPP保温箱的质量，然后运用排水法测得EPP保温箱的体积，最后即可求得EPP的密度。

　　2.2方法

　　1)取8个温度记录仪K型热电偶探头，均匀分布在保温箱内，用以测量保温箱内碎冰的温度场。

　　2)添加碎冰到保温箱内并压实，当碎冰高度是保温箱内壁高度一半时停止添加碎冰，然后将用支架固定好的一个温度记录仪探头放置到碎冰表面，用以测定碎冰中温度的变化。支架为细铁丝制作成的十字架，长短边分别为保温箱内径长宽，探头固定在十字架中心。

　　3)继续添加碎冰到保温箱内并压实，当碎冰充满保温箱时停止添加碎冰，然后添加适量的水填充碎冰之间的间隙。

　　4)将上述的保温箱放置到−20℃的恒温恒湿箱中，然后打开温度记录仪记录碎冰温度，初始时9个测点的温度在−0.5~1℃之间，当9个测点的温度均低于−2℃时，将恒温恒湿箱的温度调到−2℃，并将保温箱箱盖盖上，另将一探头贴置在控温包装箱外壁上，用于监测碎冰外箱壁温度。5)当所有温度记录仪探头记录的数据大小在−2℃左右，且误差不超过±0.5℃时，将恒温箱温度设定为42℃进行实验。

　　3结果与讨论

　　3.1EPP保温箱实测与Comsol模拟结果比较

　　有限元模拟的EPP保温箱的保温时间为22h，实验实测的保温时间为22.8h，模型预测的时间要比实测时间早0.8h，即模型较安全且误差为3.5%，故文中建立的分析模型能有效预测EPP保温箱的保温性能。

　　3.2箱型结构对EPP保温箱保温性能的影响

　　冷链物流中常用的EPP保温箱有2种：内容积为35L，壁厚为30mm，长度(内尺寸)为500mm;内容积为45L，壁厚为35mm，长度(内尺寸)为550mm。不同箱型结构的保温箱保温时间不同，表面积越大越易吸热;体积越大蓄冷剂越多，可吸收更多热量;厚度越大，热量越难进入保温箱。由此，保温时间是一个综合影响因素[18]。

　　文中在验证有限元模拟分析有效的基础上，进一步研究在相同内容积、箱体厚度和箱盖厚度条件下，EPP保温箱长宽比对其保温性能的影响。分析选择的EPP保温箱基本几何参数见表2。基于Comsol模型分别对不同长宽比下35和45L的保温箱施加热载荷，并求得冰块中心点的温度，以冰块中心点的温度超过相变温度的时间为有效保温时间。内外表面积几何平均值不同时。

　　结果表明，随着内外表面积几何平均值的增加，保温时间逐渐减小，故设计EPP保温箱结构时，在不影响其他功能的前提下，应尽量减小EPP保温箱内外表面积的几何平均值。在保温箱内容积、箱体厚度和箱盖厚度相同的情况下，长宽比和内外表面积几何平均值为非独立变量;长宽比增大时，内外表面积几何平均值先减小后增大，且长宽比在1.8～2.0之间时，内外表面积几何平均值最小。

　　进一步分析不同长宽比对保温时间的影响，随着长宽比的增大，2种型号EPP保温箱保温时间呈先增大后减小的趋势;长宽比在1.8～2.0之间时，保温时间最长。在设计EPP保温箱结构时，当内容积在35～45L之间，且箱体厚度和箱盖厚度相同的情况下，应尽量将长宽比控制在1.8～2.0之间。

　　4结语

　　冷链物流EPP保温箱的实际箱型较为复杂，当内容积在35～45L之间，且箱体厚度和箱盖厚度相同时，把长宽比控制在1.8～2.0之间可有效减小内外表面积几何平均值，从而提高保温箱保温性能。由此在设计EPP保温箱结构时可适当控制长宽比以减小表面积，并由此确定EPP保温箱的最优化结构，从而延长保温时间。

　　参考文献：

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　　[3]刘本刚,张玉霞,王向东,等.聚丙烯发泡材料的应用及研究进展[J].塑料制造,2006(6):82—86.LIUBen-gang,ZHANGYu-xia,WANGXiang-dong,etal.ApplicationandResearchProgressofPolypropyleneFoamingMaterial[J].PlasticManufacturing,2006(6):82—86.

　　[4]潘嘹,卢立新,王军.控温包装控温时间预测模型研究[J].包装工程,2014,35(5):27—30.PANLiao,LULi-xin,WANGJun.StudyonTemperaturePredictingModelofTemperatureControlPackage[J].PackagingEngineering,2014,35(5):27—30.

　　[5]董鹏,陈继展.冷链物流:困局与走向[J].进出口经理人,2015(7):80—82.DONGPeng,CHENJi-zhan.ColdChainLogistics:DilemmaandTrend[J].ImportandExportManager,2015(7):80—82.

　　[6]孙统超.浅谈我国冷链物流存在的问题以及对策[J].价值工程,2014,33(31):22—23.SUNTong-chao.DiscussionontheProblemsandCountermeasuresofColdChainLogisticsinChina[J].ValueEngineering,2014,33(31):22—23.

　　[7]QIANJing.MathematicalModelsforInsulatingPackagesandInsulatingPackagingSolutions[D].Memphis:TheUniversityofMemphis,2010.

　　[8]郭晓娟,钱静.基于ANSYS保温包装球壳模型的建立[J].包装工程,2011,32(5):43—48.

　　推荐期刊：包装工程简介，创刊于1972年，由中国兵器装备集团公司主管，中国兵器工业第五九研究所主办。杂志内容主要分为专论和信息两大部分。