تحلیل حرارتی و جریان یک کامیون یخچال‌دار برای زنجیره‌های سرد تحت شرایط مختلف در کاربرد عملی

نفوذ گرما از باز شدن مکرر درب کامیون‌های یخچال‌دار در حین تحویل برای زنجیره‌های سرما، تأثیر قابل توجهی بر کیفیت غذا و مصرف انرژی دارد. این مطالعه به بررسی ویژگی‌های جریان و انتقال حرارت در داخل یک کامیون یخچال‌دار ۱۵ متر مکعبی می‌پردازد. تجزیه و تحلیل دقیق در حالت گذرا پس از باز شدن درب کامیون تحت چندین شرایط عملی مختلف انجام شد. روش عددی با استفاده از داده‌های تجربی اعتبارسنجی شد و تطابق قابل قبولی را نشان داد. در ابتدا، جریان درون بدنه یک کامیون یخچال‌دار بدون بار و فن خاموش پس از باز شدن دو درب بررسی شد. متعاقباً، اثرات تعداد درب‌های باز، عملکرد فن و میزان بارگیری بار مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. هنگامی که کامیون خالی بود و فن‌ها با تمام درهای باز کار می‌کردند، ناحیه جریان اجباری در بالا و ناحیه همرفت طبیعی در پایین قرار داشت. دما و گرمای نفوذ پس از مکش هوای بیرون توسط فن‌ها به طور قابل توجهی افزایش یافت. وقتی پنکه‌ها خاموش بودند، همرفت طبیعی غالب بود و با افزایش جریان هوای ورودی از بیرون، افزایش سریع دما رخ می‌داد. وقتی فقط یک در بسته بود، گردش هوای سرد حفظ می‌شد و جریان ورودی هوا را سرکوب می‌کرد و دمای هوا را به سرعت افزایش می‌داد. نرخ افزایش دما برای حالت نیمه‌بار تقریباً 23 درصد کندتر از حالت بدون بار بود. نتایج این مطالعه می‌تواند با بهینه‌سازی استراتژی عملیاتی و هندسه‌ای که می‌تواند اتلاف گرما را پس از باز کردن درها به حداقل برساند، به کاهش مصرف انرژی کمک کند.

مقدمه

نگهداری مواد غذایی فاسدشدنی در یخچال در طول حمل و نقل برای اطمینان از کیفیت و ایمنی غذا ضروری است [1]. اخیراً، بازار زنجیره سرد به طور قابل توجهی رشد کرده است تا تقاضای روزافزون برای مواد غذایی تازه را برآورده کند [2]، [3]. با این حال، افزایش حمل و نقل یخچالی همچنین باعث مشکلات زیست محیطی قابل توجهی می‌شود زیرا به مقادیر زیادی انرژی نیاز دارد و مقادیر زیادی گازهای گلخانه‌ای منتشر می‌کند. بخش حمل و نقل یخچالی تقریباً 15٪ از مصرف انرژی سوخت فسیلی جهان را تشکیل می‌دهد [4]. علاوه بر این، تخمین زده می‌شود که حمل و نقل مواد غذایی، از جمله انرژی محرک و یخچال، مسئول تقریباً 2٪ از کل انتشار گازهای گلخانه‌ای باشد [5]. با توجه به وضع مقررات متعدد آب و هوایی و انرژی، کاهش [6] مصرف انرژی در حمل و نقل یخچالی به یک مسئله مهم تبدیل شده است.

باز شدن مکرر درب در حین تحویل در کامیون‌های یخچال‌دار تأثیر قابل توجهی بر کیفیت غذا و مصرف انرژی دارد. هنگام باز شدن درب‌ها، نفوذ مقدار قابل توجهی گرما و رطوبت به دلیل ورود هوای اتمسفر اجتناب‌ناپذیر است [7]. این امر می‌تواند باعث فساد مواد غذایی شود، زیرا هوای ورودی، دمای یکنواخت را در طول نگهداری در یخچال مختل می‌کند [8]. علاوه بر این، نفوذ گرما از طریق درهای باز منجر به افزایش قابل توجه بار سرمایشی می‌شود. مطالعات موجود گزارش داده‌اند که نفوذ هوای گرم می‌تواند تقریباً 34٪ از کل بار برودتی کامیون‌های یخچال‌دار را در مطالعات موجود تشکیل دهد [9]، [10]. بنابراین، تجزیه و تحلیل حرارتی و جریان کامیون‌های یخچال‌دار در حین باز شدن درب بسیار مهم است [11].

مطالعات متعددی در مورد انتقال حرارت و جرم در داخل یک کامیون یخچال‌دار هنگام باز شدن درهای کامیون انجام شده است. سارابیا اسکریوا و همکارانش [12] یک مدل ریاضی برای تخمین گرمای اضافی ناشی از نفوذ هوای بیرون پیشنهاد کردند و تأثیر سرپناه بادی بر صرفه‌جویی در انرژی را بررسی کردند؛ با این حال، مطالعه گذرای فشرده‌ای انجام نشد. د میشو و همکارانش [13] یک مطالعه تجربی و محاسباتی در مورد بار حرارتی نفوذی در هنگام باز شدن درهای کامیون انجام دادند. مکانیسم جریان سیال در داخل کامیون پس از باز شدن درها در این مطالعه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

آنها گزارش دادند که جریان ناشی از نیروی شناوری به دلیل اختلاف چگالی بین هوای داخل و خارج، باعث می‌شود بار حرارتی در ابتدا به اوج خود برسد و به دنبال آن تبادل گرما بین هوای بیرون و دیواره‌های سرد کانتینر انجام شود. طاهر و همکاران [14] تجزیه و تحلیل حرارتی و جریان را در یک کامیون یخچال‌دار 8.2 متر مکعبی با شرایط مختلف باز شدن درب و بارگیری با استفاده از مدل‌های مختلف آشفتگی ناپایدار رینولدز-میانگین‌گیری شده‌ی ناویه-استوکس (URANS) (استاندارد k-ε، استاندارد k-ω، انتقال تنش برشی [SST] k-ω) انجام دادند. با مقایسه نتایج شبیه‌سازی از مدل‌های آشفتگی مختلف، آنها دریافتند که کدام مدل تطابق بهتری با نتایج تجربی نشان می‌دهد. آنها مشخص کردند که خطای جذر میانگین مربعات با استفاده از مدل SST k-ω بهترین تطابق را در بین مدل‌های آشفتگی URANS نشان می‌دهد. مطالعات متعددی راه‌حل‌هایی را برای نفوذ گرما پیشنهاد کرده‌اند. مورمن و همکاران [15] رفتار نفوذ هوای چندین نوع درب در تریلرهای کامیون را بررسی کردند. آنها روش‌های مطلوب عملکرد درب را برای هر نوع درب که می‌تواند نفوذ را به حداقل برساند، پیشنهاد کردند. چندین مطالعه تأثیر استفاده از پرده هوا بر جلوگیری از نشت هوای سرد را بررسی کرده و سهم آن را در صرفه‌جویی در مصرف انرژی تجزیه و تحلیل کردند. تسو و همکاران [16] به صورت تجربی نفوذ هوا از طریق درگاه‌های داخل یک کامیون یخچال‌دار 7.2 متر مکعبی را هنگامی که یک پرده هوا در سراسر درب بازشونده نصب شده بود، بررسی کردند. آنها گزارش دادند که استفاده از پرده هوا می‌تواند مصرف انرژی را به ترتیب تا 40٪ و 11٪ در مقایسه با موارد بدون پرده هوا و با پرده نواری پلاستیکی کاهش دهد. رای و همکاران [17] به صورت عددی رفتار جریان هوا و تغییرات دما را در یک کامیون یخچال‌دار 44 متر مکعبی در طول دوره‌های مختلف باز شدن درب تجزیه و تحلیل کردند تا اثر صرفه‌جویی در مصرف انرژی اضافه کردن پرده هوا را بررسی کنند. آنها نتیجه گرفتند که همرفت اجباری ایجاد شده توسط پرده هوا، همرفت طبیعی را مسدود کرده و افزایش دما را در بدنه کامیون یخچال‌دار کند می‌کند. آنها همچنین دریافتند که یک پرده هوا با سرعت هوای بهینه 3.1 متر بر ثانیه می‌تواند مصرف انرژی را تا 48 درصد کاهش دهد. برخی مطالعات، تأثیر استفاده از مواد تغییر فاز دهنده را در کاهش انرژی اضافی برای خنک‌سازی با جذب گرمای نفوذی بررسی کرده‌اند. طاهر و همکارانش [18] عملکرد حرارتی فرآیندهای باز و بسته شدن درب در یک کامیون یخچال‌دار را با استفاده از سه ماده تغییر فاز دهنده مختلف بررسی کردند. آنها گزارش دادند که استفاده از RT3 HC1، RT5 و RT8 HC به ترتیب 61، 57 و 35 درصد انرژی خنک‌سازی مورد نیاز برای باز کردن درب کامیون را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. جئونگ و همکارانش [19]، [20] یک شبیه‌سازی عددی از انتقال حرارت در طول دوره باز شدن درب در داخل یک تریلر کامیون یخچال‌دار 33 متر مکعبی با صفحات ماده تغییر فاز سرد انجام دادند. آنها نتیجه گرفتند که بار، گردش مجدد هوای سرد داخل را از بین می‌برد و نفوذ هوای اتمسفر را افزایش می‌دهد و حداکثر دمای هوا را در مقایسه با حالت بدون بار افزایش می‌دهد. با این حال، مطالعات فوق معمولاً بر روی اثر کلی پس از اضافه کردن قطعات اضافی تمرکز می‌کنند و جریان سیال و انتقال حرارت را در طول افزایش دمای بدنه کامیون تجزیه و تحلیل نمی‌کنند. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل فشرده‌ای که اثرات چندین متغیر را در عملیات عملی، مانند عملکرد فن، باز شدن درب و بارگیری بار بررسی کند، هنوز در ادبیات عمومی گزارش نشده است.

هدف اصلی این مطالعه، تجزیه و تحلیل ویژگی‌های جریان و انتقال حرارت یک کامیون یخچال‌دار ۱۵ متر مکعبی پس از باز شدن درها به مدت ۴۰ ثانیه بود. مطالعات موردی تحت شرایط مختلف استفاده عملی، از جمله عملکرد فن، باز شدن در و بارگیری بار انجام شد. شبیه‌سازی عددی با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری شده به صورت تجربی اعتبارسنجی شد و داده‌های پیش‌بینی‌شده تطابق خوبی با داده‌های تجربی نشان دادند.اگرچه مطالعات قبلی بر بهبود انتقال حرارت با استفاده از دستگاه‌های اضافی مانند پرده هوا و مواد تغییر فاز متمرکز بوده‌اند، اما اکثر آنها بر تفاوت کلی به جای تجزیه و تحلیل دقیق در هر گام زمانی در حالت گذرا تأکید دارند. این مطالعه بر ویژگی‌های دقیق نفوذ هوای بیرون و همچنین اثرات چندین متغیر در عملکرد عملی در حالت گذرا پس از باز شدن درها تمرکز دارد. رفتار جریان هوا و انتقال حرارت در چندین مکان در چندین گام زمانی در حالت گذرا تجزیه و تحلیل شد. نتایج این تحقیق می‌تواند برای تعیین شرایط بهینه عملکرد کامیون که می‌تواند اتلاف انرژی را بر اساس درک انتقال حرارت و جرم پس از باز شدن در تحت چندین شرایط مختلف به حداقل برساند، مورد استفاده قرار گیرد.(منبع).