摘 要

本文先介绍了我国冷链发展和高铁发展现状，高铁发展领先其他发达国家，冷链运输迅速发展，为了满足对运输速度和保鲜能力需求，急需发展保鲜集装器，来提高冷链运输能力。

本文以某公司提供的高铁保鲜集装器为研究对象，然后本文借助交互式CAD/CAM软件UG,首先针对该高铁保鲜集装器原始模型进行了简化，然后用ANSYS MSEH软件对简化后的模型进行了网格划分，紧接着用FLUENT软件对在使用恩布拉科NT2192GK型号压缩机的情况下集装器的制冷性能进行了分析，主要研究了使用恩布拉科NT2192GK型号压缩机时，保鲜集装器内部的降温效果。所得结果对于保鲜集装器制冷压缩机的选型具有重要的指导意义。

研究结果表明：在使用恩布拉科NT2192GK型号压缩机情况下，该集装器从40℃降温到0℃需约8.3分钟。本文的特色：具有较强的实践意义，与国内高铁发展接轨。

关键词：保鲜集装器；制冷；压缩机

Abstract

This paper first introduces the development of China's cold chain and the development of high-speed rail. The development of high-speed rail is ahead of other developed countries. The cold chain transportation develops rapidly. In order to meet the demand for transportation speed and fresh-keeping capacity, it is urgent to develop a fresh-keeping container to improve the cold chain transportation capacity.

This paper takes the high-speed rail fresh-keeping container provided by a company as the research object. Then, with the help of interactive CAD/CAM software UG, this paper first simplifies the original model of the high-speed rail fresh-keeping container, and then uses the ANSYS MSEH software to simplify the model. The meshing was carried out, and then the FLUENT software was used to analyze the cooling performance of the container under the condition of using the Embraco NT2192GK compressor. The main research was to use the Embraco NT2192GK compressor. The cooling effect inside the container. The results obtained have important guiding significance for the selection of the insurance container refrigeration compressor.

The results of the study show that in the case of the Embraco NT2192GK compressor, it takes about 8.3 minutes for the collector to cool from 40 °C to 0 °C. The characteristics of this paper: It has strong practical significance and is in line with the development of domestic high-speed rail.

Key Words：Preservative container, Refrigeration,compressor

目录

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.1.1选题背景及意义 1

1.1.2国内外现状分析 2

1.2研究的基本内容 3

1.2.1研究目标 4

1.2.2拟采用的技术方案及措施 4

第2章 保鲜集装器的模型简化和仿真模型建立 5

2.1前言 5

2.2对原始模型的UG简化 5

2.3对简化后模型的网格划分 7

2.4本章小结 8

第3章 保鲜集装器的工作原理及制冷计算 9

3.1保鲜集装器冷源和热源之间的关系及壁面材料 9

3.1.1保鲜集装器的冷源工作原理 9

3.1.2保鲜集装器的热源 9

3.1.3保鲜集装器的换热过程分析 9

3.1.4保鲜集装器壁面保温层介绍 10

3.2 FLUENT对保鲜集装器制冷时间的计算 10

3.2.1FLUENT简介 10

3.2.2FLUENT热分析的理论基础 10

3.2.3FLUENT计算参数设置 12

3.2.4FLUENT计算结果及分析 15

3.3本章小结 17

第4章 总结与展望 18

4.1总结 18

4.2展望 18

参考文献 20

致谢 21

第1章 绪论

1.1目的及意义

1.1.1选题背景及意义

2017年以来，国家层面频频出台政策支持我国冷链物流产业的发展，冷链物流产业在物流产业中的占比也不断增加，随着电子商务的发展，农产品、生鲜及乳制品对冷链物流的需求不断扩大，冷链物流产业的价值和地位愈发凸显^[1]。

中国综合冷链应用率仅为19%，很多产品在运输过程中会变质，仅水果、蔬菜等农产品在采摘、运输、储存等物流环节上损失率就达25%-30%；根据中物联冷链委的统计，2018年，我国冷库容量1.3亿立方米，位居世界第三，但是城市居民人均冷库容量仅0.156平方米/人，远远低于发达国家0.5平方米/人的水平。周成君对低温冷藏库进行了分析与实验研究，首先对制冷系统进行了理论分析，然后分析了制冷系统的设备，最后对制冷系统的稳定性和能耗以及库温的均匀性与波动度进行了实地测量^[2]。总体上看，我国冷链物流产业还处于发展期，在冷链应用率和人均冷库容量上远远低于发达国家^[3]。

把我们国家和西方发达国家对比，我国冷链物流行业发展空间还很大。在政府的推动、相关行业推动等因素的共同推动下，我国冷链物流行业的发展速度将会保持甚至加快，预计2024年，我国冷链物流行业市场规模将会达到5500亿。

2018年底，我国高铁营业里程达到2.9万公里，超过世界高铁总里程的2/3，成为世界上高铁里程最长、运输密度最高、成网运营场景最复杂的国家。中国高速铁路营业里程居全球第一（涵盖了200、250、300和350四种速度等级）。

未来几年，中国高铁建设将进入全而收获期。相邻的省会城市或者大城市将形成1-2小时交通圈，而省会城市与地级市之间将形成1小时甚至半小时交通圈，届时“人便其行，货畅其流”的目标将会成为现实。这是我们相对于发达国家的巨大优势，我国的高铁在速度方面远好于长途汽车运输，在准点率方面又优于空运，但是目前高铁限于客运，还有很大发展空间。任艳宏研究了航空冷链物流的优劣势：安全而且高速，但是成本太高是一个不可忽略的要素^[4]。高铁在货运方面有很大的潜力，杨佐华总结过高铁的几大优势：高铁物流的运力优势，高铁物流的速度优势，高铁物流的成本优势，高铁物流的网络覆盖优势和高铁物流的安全优势^[5].尤其高铁的高速性十分适合冷链运输，所以在非客运时间利用高铁进行冷链集装器运输是目前运输行业的未来发展方向之一。张银龙、张琨等人研究过一种运用在铁路上的冷链集装器，可以统一冷链条件需求的货物提供同样的冷链环境，并进行自我信息采集，将信息反馈到终端，实现对整个冷链物流环节的信息监控^[6]。

然而，高铁冷链集装器的材料与结构对于热量传递与制冷效果有极大影响，制约着整个行业的发展，因此急需开展相关设计工作准确预测冷链集装器制冷效率。

1.1.2国内外现状分析

目前为止，在国内的铁路集装器行业，基本没有先例，也就是说这是一个新领域新概念。现有的集装器是专为飞机设计的，轻便是其最主要的特点．规格包括集装板和集装箱，型号多种多样，常见的有AKE、ALF、DPE等；在保鲜集装器方面，只有厢式制冷货车及特种运输车辆^[7]。总而言之，目前在高铁冷链运输方面，集装器前景空白，因此有很大的发展空间。

我国目前的高铁，白天负责客运，然而到了晚上基本都处于闲置状态，这是一种资源的浪费，可以紧紧抓住这一点，让高铁晚上进行货运，充分利用资源。所以高铁集装器的发展是未来的趋势，而高铁的速度优势决定了其适合运输对保鲜时间有要求的货物，例如农产品、生鲜及乳制品，所以研究集装器制冷成为重中之重。

其次，随着互联网购物的发展，快递行业发展迅速，对现有的运输体系提出了严峻挑战。高铁的运输速度要远高于汽运，成本远低于空运，可以真正的实现快递低成本运输并且当日达，极大的满足了消费者的需求，具有广阔的发展前景。

所以，由于速度以及成本的优势，货运集装器必然有着大量的市场需求。

目前欧美是多式联运装备产品与运输模式，有厢式半挂车、汽车列车、侧帘半挂车，有集装箱铁路运输、交换箱体铁路运输和半挂车铁路运输等^[8]。此外在国外的机场，我们可以看到前有动力拖车，后面是装在带轮底盘上的托盘和金属集装器^[9]。可是在国内，专业货运的飞机是很少的，所以托盘及金属集装器品种比较少，规格单一，所以我们的发展要借鉴国外的现存集装器，结合自己的需求，制造适合自己的保鲜集装器。在公路运输中，有许多带保鲜或者制冷功能的运输车辆。其结构是内部层采用高等级不锈钢板，中间层采用PUR泡沫（隔热、减重），外部层采用金属板材，中间采用复合材料或者金属材料的型材作为骨架（保持强度）^[10]。在科技突飞猛进的前提下，制冷技术愈发成为现在冷链物流的核心，只有制冷技术过关，能保证冷链运输货物的质量，才能实现在冷链大发展背景下的高质量、高效率和低成本运输^[11]。

冷藏、冷凝、冷藏集装箱多式联运等较先进的制冷技术在国际上的应用已经较为普遍，国内一些走在前列的企业已经运用到一定程度^[12]。但是，对比欧美发达国家，我国运用在冷链物流运输上的制冷技术还有以下的进步空间：节能技术、自动控制技术、冰蓄冷技术、热回收技术、低温空调送风系统。我国已经初步建立了冷链运输制冷技术的体系，目前正处于培育上升期。冷链运输制冷技术在我国有着广阔的发展空间和光明的未来，伴随向国外制冷技术的学习、我国制冷技术的自主创新和国家相关法律法规和优惠政策的制定，冷链物流制冷技术体系在我国一定会更加完备^[13]。

王安冉的研究表明，对于运输中的冷藏车，外界环境透过冷藏车厢的壁面传导给内部的热量，占据了总的热负荷的八成以上。外界的热量通过壁面进入冷藏车厢内部，以及内部的货物呼吸作用产热，就出现了车厢中温度升高和温度分布不均匀这一现象，对制冷效果和货物的保鲜效果产生影响^[14]。为了优化车厢内部的温度情况，就需要建立模型模拟内部的温度的分布。然而内部温度场的分布受很多因素影响，空间结构、气体流动类型和流动速度等是主要的因素。弄清楚这些因素对制冷效果的影响，可以更好地保障货物保鲜效果及减少能源的消耗。

张翔基于CFD数值模拟技术对冷链运输下冷藏车厢体的不同辅助通风结构对于冷藏车厢内温度场变化、风速变化及堆码货物的冷却均匀程度影响情况进行了模拟仿真，以确定最佳的车厢结构设计；研究了当开门位置不同时，冷藏车厢内外的热交换和温度变化。利用了CFD技术模拟在风速条件相同时，制冷温度不同，车厢内物品温度的变化情况以及降温的均匀性，在此基础之上，制定出制冷温度的最佳的优化方案^[15]。

王家敏揭示了冷藏车厢壁面热流密度的变化的规律，研究了导流结构和环境对内部温度场分布的影响。结果表明车厢中上部为主流区域，中下部为回流区域，中部和拐角处为涡流和扰流区域^[16]。

把制冷机运用在保鲜集装器方面，在目前的现有产品中，是没有先例的，因此我们要进行高铁冷链集装器制冷效率的设计。

由于高铁集装器所处环境跟航空集装器和冷藏车厢体类似，所以在金属集装器结构方面、集装器各方向的承载能力方面和壁面所用材料方面，本文也以航空用集装器及冷藏车厢体的结构和标准作为参考，仿照其进行热分析，然后进行毕业设计。

1.2研究的基本内容

高铁冷链集装器的材料与结构对于热量传递与制冷效果有极大影响，所以需要开展相关设计工作来正确预测冷链集装器制冷效率。本毕业设计主要开展以下工作：

(1)熟悉国内外特种交通工具集装器结构，了解目前国内外集装器发展现状，并到江苏奥派交通装备股份有限公司进行实地考察，了解最前沿发展信息。

(2)熟练使用三维建模UG软件，掌握FLUENT MESH网格划分方法，完成保鲜集装器的有限元建模，并划分一定数量的网格。

(3)学习复杂构件热量传递与交换有限元理论与方法，进行冷链制冷效率设计，以流体力学、传热学和工程热力学等学科作为理论基础建立保鲜集装器的数学模型，并设定其模型的边界条件。利用ANSYS FLUENT软件对保鲜集装器内空气的温度变化和流动情况进行模拟，进而得出整个集装器内部的温度场及温度变化情况。计算使用恩布拉科NT2192GK型号压缩机条件下，保鲜集装器空箱从40摄氏度降温到0摄氏度所需时间，从而对压缩机的选型提供指导意义。

1.2.1研究目标

运用ANSYS FLUENT软件对保鲜集装器内部空气在制冷过程中与外界的热交换进行分析，得到内部温度场，以及内部空气的降温情况。设计工作初步预测冷链集装器制冷效率，计算出使用恩布拉科NT2192GK型号压缩机条件下，保鲜集装器空箱从40摄氏度降温到0摄氏度所需时间，进而对保鲜集装器压缩机的选型提供参考。

1.2.2拟采用的技术方案及措施

(1)查阅有限元分析软件在集装器建模与仿真中的应用、冷链制冷效率方面的文献资料，参考冷藏车和航空集装器制冷仿真分析，并了解国内外相关研究现状，对该项目有一个宏观的了解。

(2)将公司提供的复杂模型简化，完成第一步任务。

(3)将简化后的模型进行网格划分同时优化网格。

(4)了解恩布拉科NT2192GK型号压缩机的各项参数的意义，通过实验测出保鲜集装器空箱从40摄氏度降温到0摄氏度所需时间，得到温度场分布。

(5)总结与整理研究结果，进行绘图，编写毕业设计说明书。

第2章 保鲜集装器的模型简化和仿真模型建立

2.1前言

UG（Unigraphics NX）是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。本设计主要通过UG对模型进行简化，将复杂的难以计算的模型简化为具有一定精度，而且易于计算的模型。

ANSYS MESH是一种专业的CAE前处理软件。是一款具有智能化、自动化和高性能的通用产品。它能够为高精度、高效率多物理场解决方案提供最适用的网格。可为模型中的所有部件生成良好适用于专门分析的网格，并行处理能力可自动缩短用户等待网格生成所需的时间。它还是ANSYS的一个模块，可以集成于ANSYS Workbench平台, 获得Workbench的所有优势。MESH强大的地方在于他的自动生成网格的拓扑算法，它会根据几何体的特点生成类似于“块”布局的网格，比较合理，也很方便。因此，本文主要通过MESH软件来进行保鲜集装器内外的网格划分，得到较高质量的网格。

同时MESH与FLUENT的适配性较好，这是为什么选择MESH不选择其他软件的原因。

2.2对原始模型的UG简化

原始模型如下图2.1所示：

图2.1 某公司提供的保鲜集装器的原始模型

本文研究的对象是某公司给出的保鲜集装器，保鲜集装器长约2.7m，宽约1.1m，高度约为2.3m^[17]。其壁面分为三层，总厚度为60mm，内侧和外侧壁面均为铝，中间的隔热材料为聚胺脂PU发泡板，内部压缩机和蒸发器结构如下图2.2所示。保鲜集装器内部为空气。采用恩布拉科NT2192GK压缩机组来调节箱体内的温度，因为原始模型极其复杂，无法直接进行网格划分与传热计算，所以要用UG对其进行简化，将三层的壁面简化为一个整体，其性能参数由实验测得，将蒸发器所在位置简化为入口和出口，简化后如下图2.3所示。其中：

(1)壁面的三层已经合为一个整体，由实验测定其参数为密度40kg/m3，比热1.38J /(kg℃)，我们用学校的实验室经过试验得到导热系数为0.022W/(m·K)。

(2)底部的托盘在不影响传热的情况下已经删去。

(3)壁面上的螺钉和各种复杂结构以及倒角都已经简化完毕，加强肋及保鲜集装器表面的钩子把手已经简化完毕。

(4)将蒸发器的风扇简化为同等进风面积的5个圆形入口，出风口设置为同等面积的矩形。压缩机等与制冷仿真无关的部件简化掉。

图2.2 保鲜集装器压缩机和蒸发器模型图

图2.3 保鲜集装器的简化后的模型

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