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1、氯化镁蓄热体系实验研究第一章 绪 论1.1 引言 冷藏运输业作为近来新兴产业，与节能、食品安全、环保以及人民日常生活息息相关，因而其发展备受重视。本文从冷藏运输现状出发，旨在开发出一种廉价、高效、无污染、性能稳定、潜热量大的无机固-液相变材料，并通过一定的措施延长其寿命、维持其稳定的性能，以使其得到更广泛的实际应用，解决冷板冷藏车发展制约因素，提高其经济效益。1.2 相变材料概述1.2.1 相变材料的相变形式物质的存在通常认为有三态，物质从一种状态到另一种状态叫相变。相变是物质形态或组成的变化。相变过程一般是等温或近似等温过程。相变过程中伴有能量的吸收或释放，这部分能量称为相变潜热。相变材料（
2、phase change materials）的相变形式一般可分为下面四类：（1）Solid-Solid 固-固相变（2）Solid-Liquid 固-液相变（3）Liquid-Gas 液-汽相变（4）Solid-Gas 固-汽相变一般来说，从（1）到（4）相变潜热逐渐增大，由于第（3）、（4）类相变过程中伴有大量气体的生成，相变物质的体积变化很大。因此，尽管这两类相变过程中相变潜热很大，但在实际应用中很少被选用。1.2.2 相变材料的分类热能蓄存的方式主要有显热、潜热和化学反应热三种。显热蓄存时，蓄热材料在蓄存和释放热能时，只是材料本身发生温度的变化，而不发生任何其他变化。但在释放热能时其温
3、度发生持续变化，即不能维持在一定温度下释放所蓄热能。要克服这一缺点，可利用潜热蓄存。潜热蓄存是利用蓄热材料在发生相变时，吸收或放出热量来蓄能或释能。化学反应热蓄存则是利用蓄能材料相接触时发生可逆的化学反应来蓄、放热能。三种类型热能蓄存材料中以潜热型相变材料用的最多、最普遍，因而也最重要。在潜热蓄存中以固-液相变形式最为常见，本文主要对固-液蓄冷相变材料进行详细阐述。1.3 低温蓄冷材料存在的问题无机类相变蓄冷材料主要有两个常见的问题:冷现象和相分离现象。过冷是指液态物质冷却到“凝固点”时并不结晶，而需冷却到“凝固点”以下一定程度时才开始结晶的现象,在低温无机盐溶液相变材料中表现的尤为明显。不同
4、的水合盐类在不同的条件下具有不同的过冷度，如图1所示，其中Tm为材料的相变温度，T即为相变材料的过冷度。过冷度的存在对相变材料的性能影响很大，这往往给实际应用带来不良的，有时甚至是致命的影响。针对这一由于成核性能太差而导致的过冷现象，通常可以采用如下两种方法解决这一问题： （1）加成核剂：针对过冷现象产生的原因，可以想到消除的办法就是给相变材料添加结晶核。一种办法是加微粒结构与盐类结晶相类似的物质作为成核剂。这类添加的成核剂与盐类可以是在化学物质组成上相类似，也可以是在晶体结构上的相类似。（2）冷指法：另一种方法是保留一部分固态相变材料，即保持一部分冷区，使未融化的一部分晶体作为成核剂，这种方
5、法在文献上称为冷指法，非常简单，但行之有效。图1 相变材料凝固中的过冷现象示意图 此外，对于无机相变材料来讲，还存在相分离的问题，这主要存在于结晶水和盐的熔融蓄热过程，在本课题中影响不大。 第二章 实验原理及内容2.1材料热力学参数2.1.1相变潜热相变潜热就是物质发生相变时吸收（或放出）的热量。这些热量将用来反抗分子引力做功，增加分子的势能，即此时物质吸收的热量是破坏点阵结构所需的能量，使分子的运动状态起质的变化，从固态的分子热运动转变成液态的分子热运动，同时改变物质的状态。所以晶体不仅有固定的熔点，而且还需要吸收一定数量的热量来实现它的熔解。若物质的熔解热为 (单位J/g或J/kg)，则质
6、量为kg的物质在相变时吸收（或放出）的热量为 （2-1）相变潜热大小与相变材料和其相变状态有关。2.1.2导热系数导热系数是表征材料传导热量能力的物理量。其物理意义是：当材料两面温差为单位摄氏度时，在单位材料厚度，与热流方向垂直的单位面积上，每单位时间内所通过的热量。即（2-2）式中 导热系数，W/(m)； 材料两面温差，； 材料厚度，m； 与热流方向垂直的面积，m2； 时间，s影响相变蓄热材料导热性能的主要因素有气孔率、化学矿物组成和温度。由于相变蓄热材料导热系数随温度变化而变化，因此在实际应用中应注意给定值所对应的温度条件。此外，在采用导热系数进行传热计算时，应注意导热系数仅适用于稳态传导
7、传热。2.1.3比热容单位质量相变蓄热材料的温度在常压下升高1所需要的热量，称为相变蓄热材料的比热（容）。它是评价相变蓄热材料热性质的重要物理量，是对热工设备的热过程和热系统进行计算和设计的重要参数之一。比热（容）取决于材料的化学和化学矿物组成，同时又是温度的函数。工程上通常采用平均比热（容）来表示。2.1.4热膨胀性材料的长度和体积随温度升高而增大的性质，称为热膨胀性。材料的长度和体积的热膨胀表现出可逆性，即当温度回复至初始状态时，其长度和体积亦恢复至初始尺寸。相变蓄热材料的热膨胀性，多用平均线膨胀系数或线膨胀率表示。（2-3）式中 平均线膨胀系数，1/； 初始温度，； 终了温度，； 对应时
8、材料长度，mm； 对应时材料长度，mm（2-4）式中 线膨胀率，%相变蓄热材料的线膨胀系数和线膨胀率是温度的函数。因此，它总是对应于一定的温度范围。2.1.5温度传导性相变蓄热材料的温度传导性是指：在不稳定传热过程中，材料内的温度传递速度。即表示相变蓄热材料在加热或冷却过程中，各部分温度趋向一致的能力。温度传导性用导温系数表示。（2-5）式中 导温系数，m2/s； 比热，J/(kg)； 体积密度，kg/m32.2 蓄冷材料的筛选及确立作为冷藏运输蓄冷用的相变材料，应满足以下选用条件：（1） 热性能要求：合适的相变温度；较大的相变潜热；较大的密度以保证体积能量密度大；比热容较大；合适的导热性能；
9、熔化温度一致；相变过程中体积变化小。（2）化学性能要求：相变过程中不发生熔析现象，以免导致相变介质化学成分的变化；必须在恒定的温度下熔化及固化，即必须是可逆相变，不发生过冷现象（或过冷度较小）；无化学分解，性能稳定；无毒、无腐蚀性；不易燃、不爆炸、对环境无污染。（3）物理性能要求：相变过程前后的体积膨胀率较小；具有低蒸气压；蓄热材料本身的密度要大。（4）相变动力学方面的要求：凝固过程中过冷度要很小或几乎没有；要有很好的相平衡性质，不会产生相分离；较高的固化结晶速率。从热力学的角度：熔解热高的无机结晶水合盐是那些轻原子量元素如H、B、C、O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、
10、Fe等组成的硼酸盐、碳酸盐、硝酸盐、磷酸盐、硫酸盐、氯化物、氢氧化物、氟化物等的水合盐及它们的共晶盐。寻找经济实用、性能稳定、相容性好且无毒副作用的理想的相变材料，应该具有高密度、高比热、高热导率、相变温度恒定、较小的体积变化率、很小的过冷度等优点。本文选用六水氯化镁作为主要研究对象。氯化镁是盐酸盐中少数可作为主蓄热材料中的一种，为无色单斜晶系结晶或白色粉末，潜热与显热容量大，是较理想的蓄冷材料。国内外对以下几种蓄能体系的过冷情况进行了研究，见表1。表1 常用无机水合盐相变材料性能参数物质氯化钠氯化钙氯化铵氯化钾硝酸铵碳酸钠分子式NaClCaCl2NH4ClKClNH4NO3NaCO3融化温度
11、，-21.2-55.0-15.8-11.1-17.4-2.1溶液浓度，%23.129.918.719.341.25.8融化潜热，kJ/kg236.1212.6314.0298.1286.4323.22.3 热电阻的标定在开始进行实验前，要对制作好的热电阻进行标定。本实验共有3根热电阻，现将其中一根热电阻为例进行说明。将热电阻的测温点和温度计测温端放在同一个超精度恒温水浴槽内，放在同一处，数据采集仪读取热电阻测得的温度值，稳定后同时记录热电阻的温度值和温度计显示的读数。两者同一时刻的读数绘制成曲线如图2所示。图2 热电阻标定曲线由图2可得，热电阻与实际温度之间呈现一定的线性关系，两者相差的平均修
12、正值为-0.3。只要将热电阻读数值减去0.3，即为实际测得的温度。2.4 DSC图谱2.4.1 差示扫描量热法概述差示扫描量热仪（DSC）是准确测量相变温度，相变焓的一种精密仪器，它是在程序控制温度下，测量输出物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术。这些测量能提供关于物质的物理和化学的变化（包括吸热、放热、热容变化过程），以及物质相转变的定量或定性的信息。它分析速度快、样品用量少，且制作简便，对固体、液体皆适用，测温范围广，定量能力优良，在高分子方面已得到越来越广泛的应用，如，研究聚合物的相转变，测定结晶温度 、结晶度、熔点等结晶动力学参数，玻璃化转变温度，以及研究聚合、固化 交联、氧化、分
13、解等反应，并测定反应温度成反应温区、反应热、反应动力学参数等。按照测量方法，DSC可分为热流型和功率补偿型，常用的是功率补偿型。热流型，是在给定样品和参比物相同的功率下，测定样品和参比物两端的温差。然后根据热流方程，将（温差）换算成（热量差）作为信号的输出。功率补偿型则是在样品和参比物始终保持相同温度的条件下，测定为满足此条件样品和参比物两端所需的能量差，并直接作为信号（热量差）输出。其工作原理如图3所示。图3 功率补偿型DSC工作原理示意图差示扫描量热仪测定时记录的谱图称之为DSC曲线，其纵坐标是试样与参比物的功率差，也称作热流率，毫瓦；横坐标为温度或时间。一般在DSC谱图中，吸热（endo
14、thermic）效应用凸起的峰值来表征(热焓增加)，放热（exothermic）效应用反向的峰值表征(热焓减少)。2.4.2 DSC测定热物性参数DSC法测试相变材料的热物性参数主要有相变温度和相变潜热。在可控温程序下，连续测量和记录输入到试样和参比物之间的能量差随温度变化的函数关系，即为DSC曲线。根据DSC曲线上转折点的温度可确定试样的相变温度；根据DSC曲线的峰面积可确定试样的相变潜热。DSC曲线如图4所示。为固化反应初始温度，为终点温度，为峰值温度，、两点的连线为基线，DSC曲线上最大斜率点的切线与基线的交点为外推起始反应温度。图4 DSC图谱示意图固化反应热（）采用积分法测定DSC曲
15、线与基线之间的面积而求得，以单位J/g表示。由图4可知，固化反应热是由DSC曲线（由、组成）与基线之间的面积求得。2.5 实验内容本实验主要针对无机相变材料在相变过程中存在的过冷及相分离问题，寻找可以有效抑制过冷和相分离的添加剂，并通过实验确定添加剂的适当添加量，同时保证蓄热体系在反复的热循环后仍能保持较稳定的相变性能。实验的主要内容如下： （1）蓄冷性能测试。通过熔化凝固热循环实验测得其融点、凝固点和过冷度。 （2）选取合适的添加剂，改善其蓄热性能。在常用的蓄热材料成核剂以及可以尝试使用的添加剂中选取有效的成核剂，降低过冷度。 （3）DSC测定相变过程中潜热值。 第三章 蓄冷剂的分析计算3.
16、1 相变蓄冷原理物质从液相转变到气相状态时，要吸收大量的热量(放出冷量)，即物质的气化热；而物质从固相转变到液相状态时，也要吸收大量的热量(放出冷量)，即物质的融化热；物质从固相转变到气相状态时，也要吸收大量的热量(放出冷量)，即物质的升华热。在物质进行相变时所吸收的这三种热量，称作物质的潜热。这种在相变时将冷量储存起来，而在需要时又能将冷量释放出来的方法，就是相变蓄冷。 先通过某种办法将冷量传给某种物质，将其从气相变成液相进行冷凝，或将其从液相变成固相进行凝固，就可以说，已经将冷量储存到这种物质中了。待需要使用冷量时，就可以通过某种方式，将其从液相转变成气相，或者从固相转变成液相，或从固相直
17、接转变成气相(如干冰的升华)，在这个相变过程中，就可以把这种物质储存起来的冷量释放出来。此即相变蓄冷的应用过程。在理论上，同样条件下，同一物质的气化热与冷凝热，其数值相等，过程相反；而同一物质的融化热与凝固热，其数值相等，过程相反。3.2 蓄冷剂融点的确定蓄冷剂的融点通常受车厢内食品储存温度限制，融点TR的范围为T1TRT2之间。通常冷藏汽车运输冷冻食品（如冻肉、冻鱼等）可取车厢内上限贮存温度T1=-18,下限贮存温度T2=-25；而运输冷藏类食品（如水果、蔬菜、蛋类等）可取上限贮存温度T1=4、下限贮存温度T2=-1。考虑到吸放冷时的传热温差，通常取T=35，则运输冷冻食品的融点TR=-21
18、-23，冷藏食品的融点TR=1-2。表4列出了一些食品对车厢贮存温度的要求。表2 一些食品对车厢贮存温度的要求食品名称含水率%冰点贮存温度猪肉3542-2.2-1.701.2冻猪肉-25-18鲜鱼73-1-2-0.54火腿4754-2.2-1.701羊肉6070-1.70对虾76-7.0冻家禽74-1.70鲜蛋70-2.2-10.5西瓜92-1.6243.3实验3.3.1 实验仪器及试剂实验中所用到的实验仪器列于表3中，实验中所用到的化学试剂列于表4中。表3 实验仪器一览表实验仪器生产厂家/品牌DC4020低温恒温槽上海精密仪器科技有限公司MDSC-Q100差示扫描量热仪美国TA公司分析天平（
19、精度为0.00001g）瑞士梅特勒-托利多电子天平Pt100（0.5）热电阻上海凯旭仪器仪表有限公司I7033数据采集模块上海泓格科技100ml（1ml）烧杯上海玻璃仪器厂25150mm玻璃试管上海玻璃仪器厂试管架，搅拌棒，钥匙上海金恰贸易有限公司100ml（1ml）量筒上海南汇光芒玻璃仪器厂表4 实验试剂一览表 试剂规格生产厂家六水氯化镁分析纯上海埃彼化学试剂有限公司六水氯化钙分析纯上海凌峰化学试剂有限公司硼砂分析纯上海埃彼化学试剂有限公司硅酸钠分析纯上海凌峰化学试剂有限公司氯化钠分析纯上海埃彼化学试剂有限公司聚丙烯酰胺分析纯上海九邦化工有限公司尿素分析纯上海埃彼化学试剂有限公司玻璃粉分析纯
20、上海埃彼化学试剂有限公司3.3.2温度测试系统本文实验装置简图如图5所示，玻璃试管内盛装PCM，试管中心处插一根Pt100热电阻测蓄热体系的温度变化，并通过数据采集模块I-7033和数据传输模块将数据传至计算机，利用组态王软件记录熔化-凝固热循环的温度和时间数据，同时绘制出熔化-凝固曲线。从组态王软件采集的熔化-凝固数据曲线，可以直观的看出蓄热体系的成核性能和所对应的过冷度。本实验采用了两个I-7033热电阻模块，可同时进行三组平行实验，可提高实验的精确性和可信度。本文采用融化-凝固实验对蓄热体系进行温度测试。称取浓度19.27%氯化镁溶液样品放入试管中，用硅胶塞将试管封住。将热电阻插入玻璃试
21、管中，在-42的恒温水浴中冷却至样品全部凝固，观察并记录样品熔解过程的现象及相应的温度变化。在熔化完全后从恒温水浴槽中取出试管，放入20的水浴中加热融化，利用组态王软件及温度采集系统测定蓄热体系的相变温度、过冷度及相变持续时间。 1-计算机数据采集系统 2-试管及试管塞 3-试管架 4-恒温水浴槽 5-热电阻 6-数据采集模块图5 熔化-凝固曲线测定系统图3.3.3 测试结果在查询资料和实验对比测试的基础上，本课题选择氯化镁作为主要研究对象。通过多次重复实验，在不同浓度时，测定了氯化镁的凝固温度曲线图，如图6所示。 图6 不同配比氯化镁凝固温度曲线图图6中，曲线A19.5的氯化镁溶液，曲线B1
22、9.12的氯化镁溶液，曲线C19.27的氯化镁溶液。由图可看出，在浓度为19.27%时氯化镁的凝固温度为-30，而过冷度最小，只有0.42，符合对无机蓄冷材料的要求。图7 19.27%氯化镁溶液凝固融化曲线图 与曲线图相对应，通过分析多次试验后的数据，得出氯化镁的性能数据如表5。表5 19.27%MgCl2 溶液凝固点（）融点（）过冷度（）平均过冷度（ ）试验次数（次）相变潜热（J/g）-29.91-31.12-29.80-310.21.30.42122203.3.4 成核剂对蓄冷体系的影响在实验室级环境的实验条件下，通过一系列的测试研究发现，氯化镁溶液样品中的氯化镁浓度是材料热力学参数的主要
23、影响因素，浓度的不同使过冷度、相变温度出现较大的差异。此时，添加适量的成核剂便能起到有效的降低过冷度的作用。表6中是浓度为23.3% 的氯化镁溶液在不同添加剂是的实验记录情况。 表6 添加剂对蓄冷体系的影响添加剂比例浓度相变温度过冷度平均过冷度实验次数无-32-35.978.57.710玻璃粉0.5%-31.3-363.95.14.510硼砂1%-33-35.16.57.26.710 由上述实验可知，在氯化镁溶液中添加玻璃粉可以有效的降低其过冷度，控制其过冷度在小于6的范围内，添加硼砂对抑制其过冷的效果不是很好。3.3.5 DSC测试氯化镁蓄热体系的相变潜热测试采用了TA公司的MDSC-Q10
24、0型差示扫描量热仪。该仪器融合了T零（Tzero）技术和调制MDSC技术，提升了DSC的整体测量水平，使DSC获得了前所未有的稳定性和灵敏度。该仪器的其他性能如下所示：l 温度范围：-180500l 量热动态范围：+/- 500 mWl 量热精度（金属标样）： 0.05 l 灵敏度：0.2微瓦l 相对解析度：2.1该系统主要由铝制样品皿和参比皿、程序温度控制器、测温和温差热电偶以及DSC信号电路组成。如果待测样品不发生相变，那么待测样品与标准样品之间的温差将产生一条近似的水平线；如果待测样品发生相变，那么和样品之间的温差将产生一条偏离基线的曲线。直线和曲线之间的面积表示发生相变所消耗的能量。结
25、晶放出的焓值及熔化吸收的热量可由该系统配备的软件进行分析处理，该软件利用相变过程峰基线的解析式计算出基线，从而由曲线积分计算出峰面积，系统分析软件分析处理所测样品的相变潜热值准确可靠。MDSC-Q100型差示扫描量热仪的外形如图8所示。右图中所示是放置在测试室中的铝制样品皿和参比皿，红色箭头指示的为样品皿。 图8 MDSC-Q100型差示扫描量热仪氯化镁蓄热体系相变潜热测试实验具体步骤如下：（1）校准差示扫描量热系统。试验在流速为50ml/min的氮气气氛中进行，升温速率为5/min，用电子天平（精度为0.00001）称取5mg的铟作为标准样品进行基线校准。（2）取直径为5mm的铝盘一套称取测
26、试样品。用精度约为万分之一的电子天平称量34mg样品，放入铝盘中加盖后压紧。另一个铝盘作为参比，样品铝盘和参比铝盘同时放入测试室。（3）相变潜热测定。开启测试软件，设置升温区间为-3920，升温速率为10/min的升温速率。测试结束后，利用MDSC-Q100型差示扫描量热系统的软件进行数据分析，得出其相变潜热和融点，并对该数据加以分析研究。经过几次测试，得到了氯化镁溶液DSC值的平均值为220kJ/kg，每次测量结果上都有一定的差异，究其原因，从相平衡和结晶机理讲，经分析认为是转溶不完全，产生了包晶现象，影响了初始熔化热值。消除包晶现象，加速平衡结晶的进行，可以提高初始熔化热。本实验中影响DS
27、C实验测量结果的因素还有：1）升温速率一般主要影响DSC的峰值和峰形的大小和宽窄。DSC测试一般要进行两次升温，第一次升温消除热历史值后，再从非晶态按一定的程序进行第二次升温。升温速率越大，一般峰温越高，峰面积越大和峰形越尖锐。这种影响在很大程度上还与试样种类和受热转变的类型密切相关。升温速率对有些试样相变焓的测定值也有影响，同时还会影响相邻峰的分辨率。所以从提高分辨率角度考虑，采用低的升温速率更有利。2）测量室内气氛和气体性质不同气体导热性不同，会影响测量室壁和试样之间的热阻，而影响峰的起始温度和过程的热焓值，动态气氛优于静态气氛。采用动态气氛时，气体流量一般为20ml/min左右，流量太大
28、容易使仪器噪音增加。导热系数高的氮和氦有利于获得高的分辨率。而导热系数低的气氛，如真空，检测灵敏度高。3）试样用量和取样试样用量不可过多，以免使其内部传热慢、温度梯度大而使峰形扩大和分辨率下降，对于热效应小的过程或非均匀的试样，试样量可适当增加。试样量过大时，试样内传热较慢，形成的温度梯度变大，升温时试样吸收的热量不能使链段有足够的结晶热，使结晶不完善；而在熔融时因试样量较多，使得熔程变宽，熔点温度升高。试样量少，得到的峰尖锐，分辨率也好，所以试样量通常在5.0-10mg。DSC试样用量很少，所以在试管样品中取样时，取样位置的不同，测量潜热值也会存在差别。第四章 冷藏车设计4.1 冷板设计冷板
29、制冷原理是将共晶盐溶液装入特制的冷板中，通过蓄冷和放冷过程实现温度调节。冷板制冷装置的结构形式可分为整体式和分体式。整体式装有动力装置、制冷机组和冷板等，均置于车上；而分体式在车上仅装有制冷机组和冷板，停车时，利用地面动力装置驱动制冷机组对冷板充冷。本课题采用分体式，其制冷机组本身不带动力，需依靠汽车发动机来驱动压缩机。其制冷机组包括压缩机、蒸发器、冷凝共晶盐的成分要随运输货物适宜温度的改变而改变，其融点一般比厢内的温度低10左右。冷板装置在其长度和宽度一定的前提下，厚度越大，其内部的共晶冰越难融解；而冷板的厚度越小，则冷板的体积越小，整个冷板的蓄冷量就越少。冷板制冷适于中、轻型冷藏汽车的中、
30、短途运输。冷板冷藏车制冷费用低，节约能源，无盐水腐蚀，不会造成环境污染。 冷板冷藏汽车是利用冷板制冷。冷板结构如图9所示。冷板1为板状金属密封容器，用铝合金做成中空的壳体，内镀一层防腐蚀材料。蓄冷板内装有供蒸发用的金属盘管3，管内充有载冷剂乙二醇。盘管和板内壁之间充满了低融点共晶溶液（即蓄冷剂）。“充冷”时，制冷机压缩盘管内的制冷剂循环制冷，使蓄冷剂结成共晶冰而蓄存一定冷量，在运输途中依靠共晶冰的不断融化，释放“冷量”，以保持车厢内温度一定。1 蓄冷板外壳 2 蓄冷液3 蒸发器盘管4 制冷剂进口快速接头 5 制冷剂出口快速接头 图9 蓄冷板结构冷藏车中冷板长约1.5m，宽0.6m,厚0.2m，
31、其数量和布置主要由车厢容积和蓄冷要求决定。同时，冷板上部可安装风机，强制厢内空气流动，促使厢内温度趋于均匀。4.2 冷藏运输车隔热车厢的结构与设计4.2.1 隔热车厢的结构组成及形式隔热车厢由顶板、底板（地板）、左右侧壁、前壁、后壁（后门框）和门组成。通常它主要有主骨架、辅助骨架（俗称“断热桥”）、车厢的内外蒙皮等部分。隔热车厢的结构形式分为整体结构和分片拼装结构。现今多采用分片拼装结构。分片拼装隔热车厢特点是：将车厢的六大组成部分（顶板、底板、左右侧壁、前壁、后壁）和门分别采用聚氨酯或聚苯乙烯泡沫材料制成各自独立的厢壁隔热层，然后合适的连接方式（如铆接、粘接、螺纹连接或嵌合连接加铆接等）将各
32、片拼装成完整的车厢。据加工工艺不同，分片拼装隔热车厢可分为硬聚氨酯注入发泡式和“三明治”板预制粘接式两种。现国内外越来越多的冷藏保温车生产企业采用“三明治”板拼装结构。 “三明治”板又称复合板或夹层板。它是由上、下蒙皮和夹在中间的隔热材料板组成。蒙皮材料多为铝板、不锈钢板等金属板以及玻璃纤维类的工程塑料板。隔热材料选用性能优良的硬聚氨酯泡沫。 由于“三明治”板中没有骨架，因此要求隔热材料具有一定的强度。抗压强度要达400kPa,抗拉强度为600kPa,抗剪强度为300kPa。各片“三明治”板预制成形后，先用粘胶剂将其拼装成车厢，然后在车厢内外拼缝处采用铝型材将其铆接成整体。铆接前应将铝型材和铆
33、接的厢壁接合面处涂刷丁基橡胶密封。采用“三明治”板粘接拼装的隔热车厢有如下优点：1） 厢体外表平整、光滑，箱体质量轻；2） 厢体结构简单，工序简便，适合成批和多品种生产；3） 车厢断热桥设计更为合理；4） 车厢隔热、密封性能好，热工指标可达国家专业指标的A级标准。4.2.2 隔热车厢的结构设计一、隔热层1、隔热层的基本要求1） 发泡均匀、密度小；2） 热导率尽可能小，一般要求在0.045W/（mK）以下；3） 具有良好的热稳定性，在-4070的温度范围使用性能要满足规定的要求；4） 具有一定的机械强度，能承受恶劣道路条件下的振动、冲击而不受损或变形；5） 吸水性和吸湿性低，耐腐蚀，抗冻性能好；
34、6） 无毒无味，透气性小，隔热材料使用和燃烧时，不得分解出有毒和有害气体；7） 价格低、易成形，可采用充填、浇注、喷涂等工艺形成车厢隔热层。2、隔热层材料采用聚氨酯泡沫隔热材料，导热系数为0.03W/(mK)，抗拉强度2500MPa, 抗压强度2000MPa。日本研制的聚氨酯泡沫隔热材料的导热系数在0.015W/（mK）以下。影响聚氨酯隔热材料导热系数的因素有泡沫密度、气泡直径、气泡独立率、湿度、温度等。3、隔热层厚度隔热层厚度由车厢的使用要求和所选用的隔热材料而定。增加隔热层的厚度可以降低传热系数，但隔热层的厚度过厚会影响车厢的装载容积。选用聚氨酯泡沫隔热材料，厚度在50120mm之间，取1
35、00mm。在选择车厢隔热层厚度时，应尽量采用均匀隔热壁车厢。二、断热桥结构设计 有低热阻材料相连的车厢内外壁所构成的热流区称为“热桥”，它可以提高车厢的隔热性能。在“三明治”预制复合板式车厢断热桥结构中，采用内蒙皮与主骨架连接，外蒙皮与辅助骨架相连，而主、辅骨架采用双组分低泡聚氨酯胶粘接。三、车厢门隔热车厢根据装卸货物特点有后开门、侧开门或顶开门。门的结构形式有铰链式、折叠式、滑动式等。本课题中为了卸货方便共有9个门，其中8个侧开门，1个后开门，采用铰链式。门锁杆采用直径为2030mm的钢管或不锈钢管，两端焊有锁扣。锁扣座焊在车厢上下门框上，其形状与锁扣形状相适应，凸轮形和圆柱形锁扣座均铣有凸
36、轮或圆柱锁扣的滑槽，锁杆转动使锁扣在槽内移动而将门锁紧。车厢门边框与门框结合处或两扇门的结合处装有多层迷宫式橡胶密封条，保证车厢密封性，减少车厢漏热的重要措施。为提高密封效果，车厢门与门框的配合处设计成斜面或阶梯密封型，配合间隙为1020mm。4.3 隔热车厢热负荷计算车厢的尺寸：外尺寸4.1米1.7米1.7米内尺寸3.9米1.5米1.5米（1） 从车厢隔热壁传入车厢内的热量Q1(W)（4-1）式中：K隔热车厢的总传热系数，W/（m2K）；取0.35 W/（m2K）； F隔热车厢的传热面积，m2； Tw隔热车厢外的空气温度，； Tn隔热车厢内的空气温度，；隔热车厢壁的结构如图10所示。1.5m
37、m不锈钢外蒙皮皮=15.21.5mm不锈钢内蒙皮=15.2100mm聚氨酯泡沫隔热材料=0.029图10 隔热车厢壁的结构隔热壁的总传热面积 ：F=（4-2）式中：Fw车厢外表面的总面积 Fn车厢内表面的总面积F=(4.11.7+4.11.7+1.71.7) 2（3.91.5+3.91.5+1.51.5）21/2 =30.65m2（2） 车厢的漏热量实际计算中可用经验公式：Q2=（0.10.2）Q1（3）太阳辐射的热流量=KFy（Ty-Tw）T/24 （W）（4-3）式中：Fy车厢受太阳辐射的面积，一般取车厢传热面积的35%50%，m2； Ty车厢受太阳辐射表面的平均温度，取Ty=Tw+20，
38、； T车厢每天受太阳照射的时间，取T=1214h。=0.3540%30.652014/24=50.06W（4） 装卸货物时开门传入的热量=f（Q1+） (W)（4-4）式中：f开门频度系数。设途中开门30次，取f=1。每次取10分钟。（5） 车厢内装载货物的发热量=miqi (W)（4-5）式中：mi车厢内某种货物的质量，kg；取3吨。 qi车厢内某种货物的发热量，W/kg。鲜水果： Q5= miqi=3t50W/t=150W 新鲜蔬菜：Q5= miqi=3t40W/t=120W (6) 车厢厢体预冷时所消耗的热量 Q6Q6=mxcxT/2t (W)（4-6）式中：mx车厢需冷却部分的质量，k
39、g； cx车厢需冷却部分的平均比热，J/（kgK）；T厢外气温和厢内温度之差，K；t车厢预冷时间，h。（7）车厢内货物预冷时摄取的热流量=(mhch+mbcb)T/t (W)（4-7）式中：mh厢内货物的质量，kg； mb厢内包装容器的质量，kg； ch货物的比热，J/(kgK)； cb包装容器的比热，J/（kgK）,计算时取cb=2500J/（kgK）。总热负荷逐时负荷如下：表7 冻畜禽肉的逐时负荷时间6:007:008:009:0010:0011:0012:00温度27.628.529.630.631.532.433.2库温-20-20-20-20-20-20-20T（）47.648.54
40、9.650.651.552.453.2K(W/m2K）0.350.350.350.350.350.350.35F（m2）30.6530.6530.6530.6530.6530.6530.65Q1(W)510.63520.28532.08542.81552.47562.12570.70时间13:0014:0015:0016:0017:0018:0019:00温度33.73433.933.433.132.331.4库温-20-20-20-20-20-20-20T（）53.75453.953.453.152.351.4K(W/m2K）0.350.350.350.350.350.350.35F（m2）
41、30.6530.6530.6530.6530.6530.6530.65Q1(W)576.07579.29578.21572.85569.63561.05551.39维持十四个小时总负荷为Q1=7779.583600/1000=28006.488kJQ2=0.228006.488=5601.298kJQ3=50.063600/1000=180.216kJQ4=1（7779.58/14+50.06）1060=363.45kJQ6=27.90.001578500.4610355/2=4155.81kJQ7=（30003103+5002500）55=563750kJQ1+Q2+Q3+Q4+Q6+Q7=
42、602057.26kJ表8 冻鱼的逐时负荷时间6:007:008:009:0010:0011:0012:00温度27.628.529.630.631.532.433.2库温-15-15-15-15-15-15-15T（）42.643.544.645.646.547.448.2K(W/m2K）0.350.350.350.350.350.350.35F（m2）30.6530.6530.6530.6530.6530.6530.65Q1(W)456.99466.65478.45489.17498.83508.48517.07时间13:0014:0015:0016:0017:0018:0019:00温度
43、33.73433.933.433.132.331.4库温-15-15-15-15-15-15-15T（）48.74948.948.448.147.346.4K(W/m2K）0.350.350.350.350.350.350.35F（m2）30.6530.6530.6530.6530.6530.6530.65Q1(W)522.43525.65524.57519.21515.99507.41497.76维持十四个小时总负荷为Q1=7028.663600/1000=25303.176kJQ2=0.225303.176=5060.635kJQ4=1（7028.66/14+50.06）1060=331.26kJQ6=27.90.001578500.4610350/2=3778.01kJQ7=（30003.2103+5002500）50=542500kJQ1+Q2+Q3+Q4+Q6+Q7=576973.08kJ