陳建國　王帷穎　丘婷婷　陳燕良　黃恒　何清林

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)　數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣州　510642)

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基于相變材料辛酸-軟脂酸的冷藏保鮮研究

陳建國王帷穎丘婷婷陳燕良黃恒何清林

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣州510642)

摘要：利用不同數(shù)量相變材料辛酸-軟脂酸(質(zhì)量比9 ∶1)在時鮮農(nóng)產(chǎn)品冷藏適宜溫度區(qū)間-2 ～ 8 ℃冷藏保鮮中產(chǎn)生的作用進(jìn)行試驗(yàn)。通過相變蓄冷，辛酸—軟脂酸能夠在其相變溫度5 ℃下保持穩(wěn)定的冷藏環(huán)境，提供冷間更長的有效冷藏時間。該試驗(yàn)結(jié)果證明辛酸—軟脂酸為農(nóng)產(chǎn)品的冷藏保鮮提供了必要條件，使得能量的損失更少，而且通過適當(dāng)用量和合理布局能更好延長保溫效果，可以作為時鮮農(nóng)產(chǎn)品在冷鏈物流運(yùn)輸中的無動力的冷藏保鮮材料。

關(guān)鍵詞：相變材料；無動力蓄冷；農(nóng)產(chǎn)品保鮮；溫度試驗(yàn)

家庭農(nóng)場概念的提出為農(nóng)業(yè)的規(guī)?；蛯I(yè)化發(fā)展注入了新的動力。然而，時鮮農(nóng)產(chǎn)品易腐爛的特點(diǎn)始終是其保鮮以及應(yīng)對市場和氣候變化風(fēng)險(xiǎn)的一大制約因素[1]?，F(xiàn)在無論是冷庫還是冷鏈物流，更多使用無機(jī)材料對時鮮產(chǎn)品進(jìn)行保鮮。 高凱[2]等以4 % 氯化鈉水溶液和蒸餾水作為蓄冷介質(zhì)，利用蓄冷劑的相變潛熱來維持低溫，探討其在油麥菜貯藏保鮮中的應(yīng)用效果。相變蓄能材料一般可分為有機(jī)蓄能材料和無機(jī)蓄能材料兩類，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于太陽能、余熱回收、建筑材料以及空調(diào)蓄冷等領(lǐng)域[3-6]。把相變蓄冷材料應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品冷藏保鮮方面[7-8]，國內(nèi)外學(xué)者也有所涉獵。其中肖瑩等人[9]分析了目前農(nóng)產(chǎn)品冷藏保溫技術(shù)中制冷方式的選擇問題，指出蓄冷板制冷因?yàn)槠涑掷m(xù)工作時間短而較常用于中輕型冷藏汽車的中短途運(yùn)輸。劉升等人[10]公開了一種蓄冷型運(yùn)輸保溫箱，在箱體和箱蓋內(nèi)壁的聚氨酯泡沫塑料層中加入了一層真空絕熱板組成復(fù)合隔熱結(jié)構(gòu)，以達(dá)到降低聚氨酯泡沫層厚度，減輕保溫箱重量的目的。王曉霖[11]對幾種傳統(tǒng)的太陽能空調(diào)蓄冷材料，蓄冷器進(jìn)行了歸納總結(jié)。但是研究中極少對蓄冷材料的用量進(jìn)行定量的分析，對蓄冷材料在蓄冷空間中的布局細(xì)節(jié)研究也較少。

本文利用不同數(shù)量相變材料辛酸-軟脂酸(質(zhì)量比9 ∶1)在時鮮農(nóng)產(chǎn)品冷藏溫度適宜區(qū)間-2～8℃冷藏保鮮中產(chǎn)生的作用進(jìn)行研究。通過適當(dāng)用量和合理布局改進(jìn)其保溫效果，對今后時鮮農(nóng)產(chǎn)品的無動力冷藏保鮮技術(shù)改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義，為進(jìn)一步提升時鮮農(nóng)產(chǎn)品冷藏保鮮技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)環(huán)境

以家庭農(nóng)場興起和新能源利用為研究背景，以冷柜模擬實(shí)際的時鮮農(nóng)產(chǎn)品保鮮冷庫。試驗(yàn)地點(diǎn)在廣州市天河，平均溫度達(dá)20 ℃條件下進(jìn)行比對試驗(yàn)。所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺主要應(yīng)用于一般時鮮農(nóng)產(chǎn)品的儲藏。

1.2試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)備

選取質(zhì)量比為9 ∶1相變材料辛酸—軟脂酸。相變材料是隨溫度變化而改變物理性質(zhì)并能提供潛熱的物質(zhì)，相變過程中，相變材料的物理性質(zhì)發(fā)生變化，并伴隨吸收或釋放大量的潛熱。本文試驗(yàn)中，最低溫度限制為-2 ℃，最高溫度限制為8 ℃，試驗(yàn)選用的儀器如下：

1)辛酸-軟脂酸蓄冷板：(280 mm*420 mm*30 mm)；2 L；相變溫度5 ℃。

2)美菱冷柜BC/BD-100DT：595 mm*515 mm*865 mm；100 L；控制溫度在-2～8 ℃。

3)溫度監(jiān)控儀。

4)GM86電量計(jì)。

5)監(jiān)控電腦。

1.3試驗(yàn)方案

先進(jìn)行無相變材料試驗(yàn)，直接把溫度測試儀熱電偶放置于冷柜內(nèi)部中間，以其感知的溫度作為冰箱內(nèi)部的平均溫度。

然后進(jìn)行對比試驗(yàn)。試驗(yàn)采取對不同數(shù)量的蓄冷板在冷柜內(nèi)部排列成不同布局的情況進(jìn)行比對試驗(yàn)，共進(jìn)行了15種不同的布局試驗(yàn)，并對每種布局下冷柜將所有蓄冷板冷卻至完全相變時所需的耗電量，時間和冷柜停止制冷后的保溫時間進(jìn)行測量。

2比對試驗(yàn)

2.1無相變材料冷柜制冷及保溫試驗(yàn)

測定冷柜在環(huán)境溫度(20 ℃)降至設(shè)定溫度范圍(-2～8 ℃)的制冷/保溫時間和耗電量，檢驗(yàn)冷柜在不使用相變材料，只依靠自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況下的效果。

試驗(yàn)結(jié)果見表1，整個實(shí)驗(yàn)過程分為4個制冷保溫周期(AB，BC，CD，DE)，在每個周期內(nèi)，冷柜從內(nèi)部溫度為8 ℃左右時開始制冷，到內(nèi)部溫度降至-2 ℃左右時停止制冷，讓冷柜內(nèi)部溫度自然回升到8 ℃左右重新開始制冷。表中“制冷時刻”是指冷柜壓縮機(jī)啟動開始制冷的時刻點(diǎn)，“低溫時刻”是指冷柜內(nèi)部溫度達(dá)到最低的時刻點(diǎn)，“高溫時刻”是指冷柜內(nèi)部溫度回升至達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度極限的時刻點(diǎn)。

表1　無相變材料試驗(yàn)結(jié)果

2.2相變材料冷柜制冷及保溫對比試驗(yàn)

在無相變材料的情況下冷柜的制冷和保溫周期僅為3 h，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的13 h內(nèi)壓縮機(jī)啟動4次。在冷柜內(nèi)部加入相變蓄冷板可以有效延長冷柜的保溫時間，同時降低壓縮機(jī)啟動頻率。不同數(shù)量不同布局的蓄冷板給冷柜增加的制冷負(fù)荷不同，引起的制冷耗電量和制冷/保溫時間也有所差異，布局結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1　試驗(yàn)布局結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。該結(jié)果為1塊蓄冷板在冷柜內(nèi)部完全冷卻后又升溫到8 ℃的T-t曲線，圖中ABCD共4條分界線，4條分界線所在橫軸坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)過程中4個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

圖2　相變蓄冷實(shí)驗(yàn)T-t曲線

分界線A代表正式開始實(shí)驗(yàn)(8 ℃)的時間點(diǎn)，從分界線A到分界線B是冷柜內(nèi)部蓄冷板逐漸冷卻至完全發(fā)生相變的過程。分界線B之后，溫度下降速率明顯加快，即分界線B所在橫軸坐標(biāo)的時間點(diǎn)正是蓄冷板完全完成蓄冷相變過程的時間點(diǎn)。記錄此時的耗電量，并使之與分界線A時刻的耗電量相減，可得到冷柜制冷使得蓄冷板完全發(fā)生相變過程中真實(shí)的耗電量。把兩者對應(yīng)時刻相減，可得蓄冷板蓄冷相變過程時間。冷柜在蓄冷板完全發(fā)生相變后會繼續(xù)制冷至過冷狀態(tài)，因此T-t曲線在分界線B后仍然繼續(xù)下降，在T-t曲線的最低點(diǎn)對應(yīng)橫軸坐標(biāo)即冷柜斷電停止制冷的時間點(diǎn)。冷柜停止制冷后內(nèi)部溫度緩慢上升，到分界線C處溫度回升到-2 ℃。從分界線C處開始算冷柜的保溫時間，直到分界線D處1# 熱電偶所測溫度回升到8℃，達(dá)到了本文實(shí)驗(yàn)的最高溫度限制，實(shí)驗(yàn)周期結(jié)束。把分界線D和分界線C對應(yīng)的時刻相減，可得冷柜的保溫時間。

進(jìn)行15次實(shí)驗(yàn)，得到表2數(shù)據(jù)，放入蓄冷板后冷柜單個制冷保溫周期明顯延長，且隨著蓄冷板的數(shù)量增加而明顯變長，不同數(shù)量相變材料布局結(jié)構(gòu)對試驗(yàn)結(jié)果也有著明顯差異。

表2　相變蓄冷實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3 試驗(yàn)結(jié)果處理

3.1實(shí)驗(yàn)方案之間的數(shù)據(jù)處理

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)無法保持外界溫度恒定。為了增加各個方案之間的可比性，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作了相關(guān)處理以抵消外界溫度變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，統(tǒng)一把不同室溫條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換到室溫為22 ℃條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在這種情況下，數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是把在不同外界溫度情況下有相同蓄冷板數(shù)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換成為相同外界溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

忽略空氣的升溫和降溫對冷量的消耗，方案f在室溫22 ℃條件下制冷時間仍然為4.17 h保持不變，則耗電量保持不變。則有以下等式成立：

其中η為壓縮機(jī)的效率，取值80 %，冷柜導(dǎo)熱熱阻R為5.2 K/W。將各試驗(yàn)方案的數(shù)據(jù)代入上式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所有方案數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換到了室溫為22℃的情況，結(jié)果見表2。

3.2試驗(yàn)結(jié)果篩選

試驗(yàn)設(shè)定4個指標(biāo)以描述一次實(shí)驗(yàn)方案的效果：蓄冷板數(shù)、制冷時間、耗電量、保溫時間。采用變異系數(shù)法和加權(quán)平均法對各個實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評價。

3.2.1變異系數(shù)法確定指標(biāo)權(quán)重

變異系數(shù)法是一種客觀賦權(quán)法，在現(xiàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上為數(shù)據(jù)取值差異較大的指標(biāo)賦予較大的權(quán)重。試驗(yàn)方案篩選使用較為常用的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)，即每項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)(Cv)為該項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差(Sd)和平均數(shù)(Av)之比。每項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重(Wt)為該項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)與所有指標(biāo)變異系數(shù)總和之比。由表2試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出的各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差、平均數(shù)、變異系數(shù)以及權(quán)重，如表3所示。

表3　實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重

3.2.2加權(quán)平均法確定最優(yōu)方案

確定某個特定的實(shí)驗(yàn)方案X的某項(xiàng)特定指標(biāo)IX的得分SIX的評分方法公式為：

按照以上的評分方法分別對15個實(shí)驗(yàn)方案的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評分并計(jì)算出各個方案的總得分，結(jié)果見表4。從表中結(jié)果可知，在15次實(shí)驗(yàn)中，方案b，方案h，方案l，方案n的得分分別在對應(yīng)蓄冷板數(shù)相同的實(shí)驗(yàn)方案中最高，即以上4種方案為對應(yīng)不同蓄冷板數(shù)的情況下效果最優(yōu)的候選實(shí)驗(yàn)方案。

因此，通過適當(dāng)用量和合理布局能更好延長保溫效果。方案b將一塊蓄冷材料板緊貼于模擬冷柜II面，在室溫17 ℃下，實(shí)際消耗電量為0.15 kW·h，制冷時間為2.73 h，保溫時間為9.33 h；方案h將兩塊蓄冷材料板分別緊貼于模擬冷柜III面，垂直III面，在室溫22 ℃下，實(shí)際消耗電量為0.24 kW·h，制冷時間為4.08 h，保溫時間為32.30 h；方案l將三塊蓄冷材料板分別緊貼I，III面，垂直II，在室溫22 ℃下，實(shí)際消耗電量為0.31 kW·h，制冷時間為4.83 h，保溫時間為41.50 h；方案n將四塊蓄冷材料板分別緊貼I，II，III，IV面，在室溫22 ℃下，實(shí)際消耗電量為0.31 kW·h，制冷時間為4.83 h，保溫時間為41.50 h。

表4　各相變蓄冷實(shí)驗(yàn)打分表

4結(jié)語

實(shí)驗(yàn)研究了在冷柜內(nèi)部放置不同數(shù)量不同布局形式的蓄冷板對冷柜制冷保溫效果的影響，一共進(jìn)行了15次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)記錄參數(shù)包括：蓄冷板數(shù)、制冷時間、耗電量、保溫時間，并且對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，最大程度消除了外界環(huán)境溫度變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)表明：對相變材料辛酸—軟脂酸(質(zhì)量比9 ∶1)進(jìn)行適當(dāng)用量和合理布局，能使其更好地減緩溫度上升趨勢，保證有效的保溫效果，減少了能量的損失，其溫度控制符合部分農(nóng)產(chǎn)品的保鮮溫度需求。另一方面，其保溫期為冷鏈物流提供了途中不耗能環(huán)保的可能，相變材料的合理應(yīng)用對于冷庫和農(nóng)產(chǎn)品保存技術(shù)的發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義[12-15]。

參 考 文 獻(xiàn)

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Refrigeration Storage Experiment Analysis of Octanoic-Palmitic Acid

CHEN JianguoWANG WeiyingQIU TingtingCHEN YanliangHUANG HengHE Qinglin

(College of Maths and Informatics，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

AbstractTake use of phase change material, Octanoic-Palmitic Acid (mass ratio: 9 ∶1) to carry out experiments which apply to fresh agricultural product refrigeration storage between -2 to 8 ℃. Through accumulation of cold, Octanoic-Palmitic Acid can keep stable refrigeration environment under the 5 phase change temperature, and offer effective time for the refrigerator. Meanwhile, different quantities and structure layout of the phase change material have different effect for refrigeration storage. The result shows that Octanoic-Palmitic Acid provides necessary condition for refrigeration storage of agricultural product. Its phase change regrigeration storage characterstic can be applied to cold chain logistics.

Key wordsphase change material; refrigeration storage; agricultural product freshness; temperature comparative test

文章編號：1009-0312(2016)01-0053-06

中圖分類號：S229+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：陳建國(1963—)，男，湖南沅江人，教授，博士，主要從事家庭農(nóng)場冷鏈配送一體化研究。

基金項(xiàng)目：基于相變蓄能的農(nóng)鮮冷藏箱設(shè)計(jì)，廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201410564288)。

收稿日期：2015-11-06