基于参数化建模的控温包装传热仿真系统开发

目的开发控温包装传热仿真系统Tpackage,通过参数化建模和传热仿真,对控温包装的保温效果进行有效分析。方法以典型控温包装为研究对象,基于OpenCASCADE、QT与VTK设计控温包装参数化建模模块;分析包装内外热量传递规律,开发控温包装传热求解器模块。集成2个模块实现控温包装的参数化建模和传热过程的数值模拟。结果使用Tpakcage在30、40℃2个环境温度下对2套控温包装系统(TC1、TC2)进行传热仿真,并采用Comsol进行同条件模拟,产品测温点到达8℃所经过时间的最大误差分别为7.04%(TC1-30℃)、9.87%(TC1-40℃)、8.82%(TC2-30℃)、9.73%(TC2-40℃);在30℃条件下进行实际验证实验,通过Tpackage进行同条件对比验证,产品测温点到达8℃所用时间的最大误差为9.47%。结论Tpackage能够实现典型控温包装的参数化建模,并有效评估控温包装的温度场分布。该研究可为控温包装优化设计提供参考,提高控温包装设计效率。

智能控温包装纳米材料的制备与表征

低维VO_2(B)纳米材料分别通过水热法和溶剂法热制备出来,然后将VO_2(B)在N_2氛围中经过623K热处理得到蓝黑色粉末。通过X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)、透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等测试发现:水热法所制备的VO_2(B)经热处理后得到VO_2(M)纳米带,该纳米带有数微米长,100-150 nm宽,约20-30 nm厚,是典型的纳米带状结构;溶剂热法所制备的VO_2(B)经热处理后得到花瓣状纳米团簇的VO_2(M),该花瓣状团簇纳米材料由超薄的薄片组装而成,长短不均,宽约数10nm。将VO_2(M)纳米粉体、高分子分散剂和硅树脂混合制备成智能控温包装材料(ITCP),通过变温红外测试,发现以水热法和溶剂热法所制备的VO_2(M)为基础的包装材料的相变温度为341K,这一结果为VO_2(M)在智能控温包装中的应用奠定了基础。

纳米VO_2的制备及在智能控温包装材料中的应用

本文分别采用水热法和溶剂热法制备低维VO_2(B)纳米材料,然后在N_2(99.999%)氛围中将VO_2(B)进行623K热处理,得到VO_2(M)蓝黑色粉末。利用X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)、透射电子显微镜(T。EM)和高分辨力透射电子显微镜(HRTEM)等测试样品的成分及形貌特征。结果发现:水热法制得的VO_2(B)经热处理后得到VO_2(M)纳米带,该纳米带有数微米长,宽100～150nm,厚20～30nm,是典型的纳米带状结构;溶剂热法制得的VO_2(B)经热处理后得到花瓣状纳米团簇的VO_2(M),该花瓣状团簇纳米材料由超薄薄片组装而成,长短不均,宽约数10nm。将VO_2(M)纳米粉体、高分子分散剂和硅树脂混合制备得到智能控温包装材料(ICTPM);通过变温红外测试,发现以水热法和溶剂热法所制备的VO_2(M)为基础的包装材料的相变温度为341K,这一结果为VO_2(M)在智能控温包装中的应用奠定了基础。

生鲜食品冷链控温包装设计方法研究

控温包装能有效保护生鲜食品在物流过程中不受外界温度变化的影响,防止生鲜食品腐败变质。本文作者基于控温包装控温时间预测模型,建立了控温包装设计模型,得到了控温包装可靠性边界,并提出一套用于冷链物流的控温包装设计方法。同时,以小件类产品为例,设计了一套控温包装,并进行试验验证。结果表明,设计的控温包装能够保持产品物流过程中处于临界温度以下,该控温包装设计方法能够快速有效的设计合理的包装方案,该研究成果为生鲜食品在物流过程中的保鲜提供了技术方法。

控温包装控温时间预测模型研究

目的建立控温包装控温时间预测模型,保护温度敏感产品在一定时间内不受外界温度变化的影响。方法以典型长方体产品的控温包装为研究对象,通过计算控温包装系统热阻及控温包装内蓄冷剂的吸热量,建立控温包装控温时间预测模型。同时,基于2种典型控温包装产品在296,308,318 K等3个温度环境中的储藏试验,进行理论与实验验证。结果实际控温时间比模型预测时间长,但偏差均小于10%。结论该理论模型能准确地预测控温包装控温时间,研究成果为控温包装设计提供了理论依据。

掺杂钨VO_2微胶囊智能控温包装纸的制备及性能

为了改善传统型隔热控温材料在控温性及防水性等方面存在的不足,以及不能精确控制温度范围而用于化学药品、精密仪器等物品保护的缺陷。以水性丙烯酸树脂为主要成膜物,掺杂钨二氧化钒微胶囊(PCMs/WVO_2)为填料,辅以流平剂、防水剂等制备出PCMs/W-VO_2智能控温水性涂料,涂布于白卡纸,制成PCMs/W-VO_2智能控温包装纸,通过SEM、FTIR、EDS、DSC对样品形貌、结构、相变性能进行了分析,并测试了其隔热温差、接触角及机械性能。结果表明:制得的包装纸相变温度为45℃,包装原纸近红外透射率为78%,而智能控温包装纸的透射率只有46%,隔热温差可达10.7℃,具有优异的隔热控温性能;EDS结果表明,智能控温包装纸表面含有PCMs/W-VO_2微胶囊和适量防水剂;SEM结果表明,微胶囊均匀分布在纸页表面,接触角明显增大,说明纸页具有较好的疏水性;纸页物理性能有所提高,考虑到涂料成本,其抗张指数和撕裂指数的最佳值分别为6.84 kN/m和22.69 (mN·m^2)/g。

一种典型潜热型控温包装的有限元分析

目的研究保温材料厚度、保温材料导热系数、对流系数、温差对一种典型潜热性控温包装保温效果的影响。方法对该种典型控温包装系统进行计算机建模,将建好的模型导入Ansys中,通过分别改变模型中的保温材料厚度、保温材料导热系数、对流系数、温差等参数,以模拟物最先达到临界温度所经历的时间作为保温有效时间,并研究其影响。结果厚度对保温时间影响明显,成正比例关系,在较低的对流系数,较低的温差以及较小的导热系数下它们的变化对保温时间影响明显。结论此种典型控温包装系统在蓄冷剂量一定时,保温容器厚度对其影响明显,温差、对流系数、导热系数在很小的范围内对其影响明显。

VO_2(M)控温包装薄膜制备的研究进展

二氧化钒(VO_2)纳米颗粒具有多种晶型结构,其单斜型半导体M相(VO_2(M))在接近室温时具有完全可逆的相转变性质,相变为四方金红石金属R相,从而引起光学性能的急剧变化,因而VO_2(M)可作为良好的阻热材料应用于控温包装薄膜领域。综述了VO_2(M)纳米颗粒和控温包装薄膜的制备方法,展望了VO_2(M)控温包装薄膜的研究方向。VO_2(M)纳米颗粒的传统制备方法有一步水热法和热分解法等,近年来也出现了新型制备方法,如籽晶诱导法和火焰燃烧法等;控温包装薄膜主要的制备方法为气相法和液相法。根据不同产品的温度需求,通过改变原料种类、温度及掺杂元素等工艺参数调节VO_2(M)纳米颗粒的相变温度,可制备出不同相变温度的VO_2控温包装薄膜。VO_2(M)控温包装薄膜作为一种高新科技产物,可以有效调控商品运输和储藏过程中包装内氛围,具有广阔的应用前景。

石墨烯改性相变聚氨酯发泡材料传热特性研究及仿真

目的提升无源冷链物流中保温容器的保温性能,减少或取消短途冷链运输中蓄冷剂的使用量。方法将石墨烯改性相变大胶囊与聚氨酯发泡材料共混,制备石墨烯改性相变聚氨酯发泡材料,研究石墨烯的添加对其导热系数和保温性能的影响,并基于COMSOL Multiphysics对石墨烯改性相变大胶囊和石墨烯改性相变聚氨酯发泡材料的传热过程进行有限元模拟。结果在常温状态下,石墨烯的添加会增加石墨烯改性相变聚氨酯发泡材料的导热系数;在冷藏工况下,石墨烯改性相变聚氨酯发泡材料的导热系数随石墨烯添加量的增加而降低,石墨烯改性相变聚氨酯发泡材料制备的保温容器的系统热阻随石墨烯的增加而升高。通过有限元模拟可发现,石墨烯的加入能够提升相变大胶囊的导热系数,同时能够减缓升温平台阶段的升温速率;在跨越平台区后,即内部相变大胶囊完全融化后,石墨烯会提升保温材料的导热系数,从而降低保温容器的保温效果。结论制备的石墨烯改性相变聚氨酯发泡材料能够在设计使用时间内提升保温容器的保温性能,该材料在需要冷藏的生鲜果蔬短途无源冷链物流领域具有广阔的应用前景。