مطالعه تطبیقی تأثیر روش‌های چیدمان بار بر توزیع دمای جریان هوا در یک کانتینر کامیون یخچال‌دار

این کار توزیع دما در یک کانتینر کامیون یخچال‌دار را با استفاده از سه روش معمول چیدمان جعبه‌های بار، شامل خط مرکزی، جابجایی و چرخ‌دنده، بررسی می‌کند. اثرات پارامترهایی مانند فاصله بین جعبه‌های بار و کف کانتینر، فاصله جانبی بین جعبه‌های بار، فاصله طولی بین جعبه‌های بار و فاصله بین جعبه‌های بار و دیواره جانبی و دیواره جلویی، با رویکرد دینامیک سیالات محاسباتی در هر روش چیدمان بار تجزیه و تحلیل می‌شوند. نتایج نشان می‌دهد که پارامترهای چیدمان به طور قابل توجهی بر توزیع دما برای روش‌های خط مرکزی و جابجایی تأثیر می‌گذارند، در حالی که اثرات آنها برای روش‌های چرخ‌دنده ناچیز است. مجموعه پارامترهای چیدمان بهینه که اختلاف دمای 3.5، 6.5 و 1 کلوین را برای روش‌های چیدمان خط مرکزی، جابجایی و چرخ‌دنده کاهش می‌دهند، به ترتیب با بهبود یکنواختی دما تا 50، 65 و 12 درصد مطابقت دارند. روش خط مرکزی به دلیل افزایش جریان هوا در شکاف‌های بار، کاهش مناطق راکد و به حداقل رساندن اختلاف دما، بیشترین یکنواختی دما را به دست می‌آورد. رویکرد جبرانی، کاهش قابل توجه‌تر ناحیه راکد را، همانطور که در روش خط مرکزی نشان داده شد، نشان نمی‌دهد. روش چرخ‌دنده به دلیل جریان هوای محدود در پشت کانتینر، بهبود محدودی را نشان داد. این مطالعه یک استراتژی بهینه برای چیدمان بار ارائه می‌دهد تا یکنواختی دما را افزایش دهد، انرژی را در کانتینرهای یخچال‌دار حفظ کند و در نهایت کیفیت محصول را بهبود بخشد و در عین حال هزینه‌های عملیاتی و اثرات زیست‌محیطی را به حداقل برساند.

1. مقدمه

امروزه، کامیون‌های یخچال‌دار به طور گسترده در حمل و نقل در صنایع غذایی، شیمیایی و اکسپرس [1] استفاده می‌شوند که برای تضمین کیفیت، به یکنواختی دمای بالا برای همه کالاها نیاز دارند. این نیاز را می‌توان با استفاده از سیستم‌های تبرید و گردش هوا و کاهش انتقال حرارت از طریق دیوارها محقق کرد.

تحقیقات مختلفی برای کاهش گرمای عبوری از دیوارها انجام شده است. یلمز [2] فرمولی برای محاسبه ضخامت دیواره سیستم‌های تبرید متناسب با شرایط اقتصادی ساخت. جین و همکاران [3] بر اساس روش و آزمایش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) تعیین کردند که ضخامت دیواره و ماده مناسب برای اختلاف دما در طول بررسی 29 کلوین بود. گووزدناک [4] از یک روش حالت ناپایدار برای تعیین ضریب کلی انتقال حرارت پنل‌های عایق ساخته شده از تخته سه لا و پلی استایرن استفاده کردند. اووا و همکاران [5] سه ماده، از جمله نانورس و پلیمر، را برای ایجاد پنل‌های عایق کامپوزیتی برای جایگزینی ورق‌های معمولی ترکیب کردند. در نتیجه، ماده کامپوزیت جدید دارای چگالی سه برابر کمتر و رسانایی حرارتی 1000 برابر کوچکتر از آلیاژ آلومینیوم است. مسئله بازیافت نیز بسیار مورد توجه بود زیرا شاکر و همکارانش [6] از خوشه‌های میوه خالی و قارچ‌های خشک شده برای پنل‌های عایق با رسانایی حرارتی 0.246 W/m.K استفاده کردند.

همچنین عامل گردش هوا برای جذب گرمای منتقل شده از دیواره‌های کانتینر وجود دارد که بر یکنواختی دما تأثیر می‌گذارد. عواملی مانند چیدمان کالاها، محل ورودی تهویه مطبوع و میزان هوای گرم ورودی به وسیله نقلیه می‌تواند راندمان گردش جریان هوای سرد را کاهش دهد و باعث عدم تعادل دما در کانتینر یخچال‌دار شود [7]. روش‌های تجربی و شبیه‌سازی زیادی برای مطالعه گردش هوا در کانتینرهای یخچال‌دار پیشنهاد شده است. کاترین هوی و همکارانش [8] آزمایش‌ها را انجام دادند و ضریب پیرسون را برای یافتن وابستگی دمای بار به دمای جریان سرد محاسبه کردند. راندمان گردش جریان هوا برای سه روش چیدمان بار جعبه‌های بار در کانتینر تخمین زده شد: خط مرکزی، افست و چرخ‌دنده. این مطالعه نشان داد که روش‌های چیدمان بار فرفره‌ای و خط مرکزی گردش جریان هوای مؤثرتری نسبت به الگوی افست دارند. با این حال، برای ارزیابی توزیع دقیق جریان هوا به داده‌های تجربی بیشتری نیاز است. هوآنگ و همکارانش [9] یک مدل ساده بر اساس مفهوم “محفظه” و “منطقه” برای محاسبه دما در کانتینر ارائه داد. این مدل، انتقال حرارت بین هوای سرد و محموله و انتقال حرارت مستقیم بین جو اطراف و دیواره کانتینر را در نظر می‌گیرد. مدل پیشنهادی به زمان محاسبه کمتری نسبت به روش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در همان مدل نیاز دارد و در مقایسه با نتایج تجربی، باقیمانده کمی ارائه می‌دهد. این مدل می‌تواند به سرعت دمای محموله را تحت تأثیر دمای بیرون، گرمای تابش شده توسط محموله و فرکانس باز شدن در ارزیابی کند. با این حال، نمی‌تواند به طور دقیق ارزیابی کند که چگونه جریان همرفت، سرعت و تلاطم محلی مستقیماً بر تبادل گرما تأثیر می‌گذارند.

رویکرد دیگر برای بررسی ویژگی‌های جریان در یک کانتینر یخچال‌دار، استفاده از رویکرد CFD برای حل معادله حاکم متشکل از معادلات پایستگی جرم، مومنتوم و انرژی است. جارا و همکارانش [10] اختلاف دما در کانتینرهای یخچال‌دار خالی را با استفاده از مدل آشفتگی انتقال تنش برشی بررسی کردند. اختلاف بین شبیه‌سازی و آزمایش در دمای درب به مقدار 0.43 کلوین می‌رسد که بالاترین مقدار است. موره و فلیک [11] دمای وسایل نقلیه یخچال‌دار را در دو مدل یخچال‌دار، با و بدون سیستم‌های مجرای هوای ورودی، با استفاده از مدل آشفتگی تنش رینولدز بررسی کردند. این مطالعه نشان داد که دما عمدتاً به دلیل تقارن روش چیدمان بار، روی شکاف بین دیواره جانبی و جعبه‌های بار متمرکز است. این دو مدل یخچال‌دار اختلاف دمای 8 کلوین و 12 کلوین را به دست آوردند. هان و همکارانش [12] به صورت عددی مصرف انرژی یک واحد تبرید را در سه دمای خنک‌سازی مختلف بررسی کردند: 273، 275 و 277 کلوین. نتایج نشان داد که دمای خنک‌سازی 273 کلوین به دلیل افزایش زمان خنک‌سازی با جابجایی طبیعی هنگام خاموش شدن واحد تبرید، کمترین انرژی را مصرف می‌کند. سنگوتووان و همکارانش [13] با بررسی گردش‌های جریان هوای سرد، طراحی واحد تبرید یک کانتینر خالی یخچال‌دار را بهینه کردند. با افزودن هادی‌های جریان در خروجی واحد تبرید، به دلیل افزایش جریان جابجایی به سمت انتهای کانتینر، سرمایش و همگنی دما افزایش می‌یابد. سنگوتووان و همکارانش [14] تأثیر شرایط جهش فشار فن را بر توزیع دما در کانتینرهای یخچال‌دار بررسی کردند. تحقیقات نشان داد که وقتی فشار فن به 150 پاسکال افزایش می‌یابد، حداکثر دما 30 کلوین کاهش می‌یابد و سرعت خنک‌سازی در کانتینرها به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد، به خصوص در ناحیه آخرین جعبه بار که 10 درصد افزایش می‌یابد. گتاهون و همکارانش [14] [15] مدل‌های تجربی و عددی برای کانتینرهای یخچال‌دار ایجاد کردند تا تأثیر دو نوع کف T-bar و کف مسطح را بر الگوهای جریان هوا بررسی کنند. نتایج نشان می‌دهد که کانتینر با طراحی کف T-bar به طور قابل توجهی مناطق گردش مجدد هوا را کاهش داده و حرکت عمودی یکنواخت هوا را افزایش داده است. رونگ و همکاران [16] از CFD برای ارزیابی موقعیت خروجی تهویه مطبوع، سرعت خروجی و جهت آن بر آسایش حرارتی و کیفیت هوا در یک اتوبوس کاملاً اشغال شده استفاده کردند. نتایج نشان داد که سرعت و جهت خروجی به طور قابل توجهی بر آسایش حرارتی مسافران تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، سرعت هوای خروجی و موقعیت خروجی در درجه اول بر کیفیت هوا در کابین اتوبوس تأثیر می‌گذارد. چوی و همکاران [17] همچنین از CFD و مدل‌سازی ریاضی بر روی اتوبوس برقی برای اعتبارسنجی کارایی مدیریت حرارتی خودروهای برقی استفاده کردند که توسط یک سیستم جدید با استفاده از هوای گردش مجدد برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی سیستم پمپ حرارتی، کنترل دمای سیستم خنک‌کننده باتری و آسایش حرارتی داخلی از نظر توزیع دمای کابین و غلظت CO2 برای تابستان و زمستان پیشنهاد شده است. کان و همکاران [18] توزیع دما را هنگام تغییر روش چیدمان محموله در کانتینر بررسی کرد. این مطالعه نشان داد که برای روش چیدمان سه ردیفه، افزایش فاصله افقی بین ردیف‌های محموله باعث افزایش سطح مقطع جریان هوا از طریق کانتینرها می‌شود.

در نتیجه، اختلاف دما و غلظت دما در ظرف را کاهش می‌دهد. لیو و همکاران [19] دما و رطوبت گوجه‌فرنگی‌ها را در سه روش مختلف چیدن، با حداکثر خطایی در مقایسه با آزمایش تنها 2٪ پیش‌بینی کردند. بری و همکاران [20] با استفاده از دو روش اعتبارسنجی، اعتبارسنجی محفظه شیشه‌ای و اعتبارسنجی سیستم پردازش اتمسفر/دمای کنترل‌شده، رطوبت متغیر هوا و بسته‌های فیبر موج‌دار را هنگام حمل میوه پیش‌بینی کردند. نتایج تغییرات نسبتاً کمی (0.4 گرم در 100 گرم فیبر خشک) در رطوبت تحت شرایط استاندارد حمل و نقل در طول دوره شبیه‌سازی نشان داد. CFD همچنین برای بهینه‌سازی هندسه ظرف و بسته‌بندی محموله استفاده شده است. گتاهون و همکاران [21،22] تأثیر سوراخ‌های تهویه بر توزیع دما در ظروف یخچال‌دار را بررسی کردند. یافته‌ها نشان داد که اضافه کردن سوراخ‌های تهویه در پایین ظرف، مقاومت جریان عمودی و زمان خنک‌سازی را در مقایسه با ظرفی بدون سوراخ تهویه 37٪ کاهش می‌دهد. هان و همکاران [23] تأثیر ده نوع مختلف جعبه بسته‌بندی کارتن سیب با 1، 2 و 3 سینی در داخل را با استفاده از CFD و آزمایش بررسی کرد. نتایج نشان داد که چیدمان سوراخ‌ها به صورت متقارن با جهت هوای تزریقی، افزایش سطح مقطع سوراخ‌های تهویه و انتخاب شکل صحیح سینی در داخل جعبه بسته‌بندی به کاهش زمان خنک‌سازی و افزایش یکنواختی دمای بار کمک می‌کند. سنگوتووان و همکارانش [24] تأثیر مقاومت جریان هوای عمودی بار و چیدمان پالت را بر روی دو نوع مختلف کانتینر بررسی کردند. او نتیجه گرفت که افزایش فاصله بین کانتینرها، سرعت خنک‌سازی و یکنواختی دما را برای کانتینرهایی با مقاومت جریان عمودی کم کاهش می‌دهد.

اگرچه مطالعات قبلی زیادی برای بهبود یکنواختی دمای محموله در کانتینرهای کامیون یخچال‌دار انجام شده است، اما بررسی بسیاری از پارامترهای چیدمان جعبه‌های بار در کانتینرهای یخچال‌دار که بر سهم دمایی آنها تأثیر می‌گذارند، به طور کامل بررسی نشده است. چنین مطالعاتی برای روش‌های مختلف چیدمان بار نیز برای مقایسه در نظر گرفته نشده است. بنابراین، این مقاله با استفاده از رویکرد CFD، با سه روش چیدمان جعبه بار، شامل خط مرکزی، افست و پین‌ویل، به بررسی تأثیر پارامترهای چیدمان بار در داخل کانتینر کامیون، مانند فاصله بین جعبه‌های بار و کف کانتینر، فاصله‌های جانبی بین جعبه‌های بار و دیواره‌های جانبی کانتینر، و بین دو ردیف بار، فاصله‌های طولی بین جعبه‌های بار و دیواره‌های جلو و عقب، و بین دو ستون بار، بر یکنواختی دمای آن می‌پردازد. سپس مدل بهینه مربوط به هر روش چیدمان بار با ارزیابی اثربخشی گردش جریان هوا و میدان دمای کانتینر یخچال‌دار با یکدیگر مقایسه می‌شود تا یک روش چیدمان مناسب برای کامیون یخچال‌دار انتخاب شود.

هدف این مطالعه ارزیابی سطوح مختلف تأثیر پارامترهای چیدمان بار بر روش‌های مختلف چیدمان بار است. این امر مبنایی برای چیدمان محموله در کانتینرهای یخچال‌دار ارائه می‌دهد تا یکنواختی دما را افزایش داده و مدل بهینه را ارائه دهد، ثبات کیفیت محصول را تضمین کند، اتلاف حرارتی را به حداقل برساند و در نتیجه انرژی سیستم‌های تهویه مطبوع در وسایل نقلیه یخچال‌دار را حفظ کند (منبع).