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通过仿真保持恒温箱中的低温
一架空中救护飞机从头顶飞过，急速驶向一家医院，它正在将一个器官运送到需要它的病人那里，对其进行抢救治疗。为了使器官在运输过程中保持适当的温度，它被放在一个特殊的容器里，这个容器被称为冷箱或恒温箱。通过仿真，您可以分析这些箱子的设计，以确保它们对于挽救生命是可靠的。 通过冷藏链运输易腐物品 恒温箱用于保存各种产品，包括： 器官和组织 药品 易腐食品（如烘焙食品） 疫苗 试剂 例如，当准备好器官准备捐献时，这些容器（以及保存液）是运输过程（通常称为冷藏链）的重要组成部分，因为器官可能在捐赠过程中从一个箱子转移到另一个箱子。当医疗专业人员努力寻找器官并将其传递给合适的配对者时，这个箱子可以保护器官免受高温和低温的影响。理想情况下，器官应保持在 2°C（4°C）至8°C 的特定温度范围内。当恒温箱内温度高于或低于这个温度范围时，器官就会受到损坏。 根据使用目的的不同，恒温箱可能需要持续几个小时到几天的时间。回到我们的器官的例子，许多器官最多可以保存几个小时（例如，肺大约只能保存6个小时）。疫苗没有时间限制，但是与器官一样，疫苗从制造到使用期间都需要保持在 2至8°C 的温度范围内。对于偏远地区的患者而言，此过程可能需要数周时间，并且涉及多种类型的恒温设备，例如冷藏车。 像这样的冷藏车被用来运输易腐物品，例如烘焙食品。 为了使冷藏链中没有断开的环节，每个恒温容器都必须非常好地维持其所需的温度范围。同样也需要了解箱子可以使用的有效时间。为了预测这一时间，工程师可以使用传热仿真软件来分析设计。在下一部分中，我们将看到一个使用传热模块（COMSOL Multiphysics®软件的附加产品）创建的示例。 通过传热模块对恒温箱建模 在此示例中，让我们来看一个恒温箱，它的设计是让放在其中的物体可以在2-8°C的温度下保持至少24小时。这个箱子包含三个主要组件部分： 放于箱子里的物品（例如药物） 冷源（-5°C的冰） 一种绝缘材料（泡沫），它可将冰与周围环境以及箱子中的物品分隔开 在这里，冰实际上是水和增稠剂的低共熔混合物。较高的粘度意味着当冰开始融化时，由于对流运动较少，因此升温速度较慢。另外，您可以通过假设箱子完全装满来简化模型。（如果你在运输过程中使用过度包装来保护产品免受冲击，可能会出现这种情况。) 恒温箱的3D模型。 通过在 COMSOL Multiphysics 中直接输入来自美国供热，制冷和空调工程师协会（ASHRAE）的历史气候数据，就可以轻松计算出箱子周围的温度。这里的天气数据来自西班牙塞维利亚的一个气象站。从6月1日上午6点开始，该模型将包含接下来72小时内变化的温度，温度随时间变化曲线如下图所示。通过应用对流冷却边界条件，可以看到温度是如何影响箱子的。 西班牙塞维利亚6月1日上午6时至6月4日上午6时的气温历史气象数据。 该模型的一个重要方面是冰到水的相变过程。在箱子中，共熔混合物作为一种能量存储设备，被放置在盒子的四面。当冰达到约0°C时，它就开始融化，从周围吸收能量并帮助医疗物品保持冷藏状态。因此，只要箱子中仍然有冰，它就可以防止里面的物品超过8°C这一临界温度。 既然您知道如何将温度保持在理想范围内，那么下一个问题是：这个箱子能保持低温多长时间呢？您可以在下一部分中得到解答。 恒温箱可以让放置其中的物品保持多长冷却时间？ 使用这样的模型，您可以看到箱子中的温度如何随时间变化（本例中为72小时）。如下图所示，冰的温度一开始迅速上升了约4度。 该图显示了在72小时的时间内，最高和最低临界温度（虚线）与箱子内物品的温度以及融化冰的比例关系。 在接下来的24小时内，温度保持平稳状态。在随后的48小时内，温度也保持在正常范围内。但是，在此之后不久，冰就完全融化了，此时温度开始接近临界温度，之后超过了临界温度。你可以由下图看到温度随时间的推移而升高。 箱子温度的动画图。 通过这个例子可以看出，工程师可以使用仿真来分析恒温容器的设计，预测放于箱子内的物品在临界温度范围内可以停留多长时间。然后，他们可以优化设计，确保医疗产品和其他易腐物品在整个旅程中都能得到保护 下一步 单击下面的按钮，就会进入案例库中，在那里可以查看该模型的 PDF 以及 MPH 文件（需要有效的软件许可证的）。 恒温箱示例 进一步阅读 在下列博客文章中了解有关仿真的更多信息： 研究相变材料的热性能 模拟热虹吸管中的相变 具有迟滞的相变材料的热建模
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