閆志浩，邸倩倩，劉 斌，王瑞星( 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134 )

納米流體蓄冷材料對(duì)冬棗溫度的影響

閆志浩，邸倩倩，劉 斌，王瑞星
( 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134 )

采用對(duì)照試驗(yàn)，冬棗為試驗(yàn)對(duì)象，分析在保溫箱中水蓄冷材料與Al2O3-H2O納米蓄冷材料對(duì)冬棗溫度的影響。研究結(jié)果表明：納米流體蓄冷材料具有較好的釋冷性能，能使冬棗溫度降低，并保持低溫一段時(shí)間，有利于冬棗的保鮮及儲(chǔ)藏運(yùn)輸。

蓄冷運(yùn)輸箱；蓄冷材料；Al2O3-H2O納米流體；冬棗溫度

0 前言

蓄冷運(yùn)輸箱作為運(yùn)輸蓄冷裝置，是冷鏈物流的一環(huán)，具有機(jī)動(dòng)靈活、保溫性能好、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。蓄冷運(yùn)輸箱中使用蓄冷材料可使產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間保持低溫，滿足高質(zhì)量、低成本的冷藏運(yùn)輸和冷鏈配送要求。水是一種常用的相變蓄冷材料，但其蓄冷量小[2]，凍結(jié)之前具有較大的過(guò)冷現(xiàn)象，且水的相變溫度為0℃，僅適用于要求溫度在0℃以上的場(chǎng)合。而納米流體蓄冷材料克服了水蓄冷材料的眾多缺點(diǎn)。

1995年，Choi[3]提出了“納米流體”這個(gè)嶄新的概念，為世界學(xué)者研究相變蓄冷材料提供了新的思路和新的方向。Masuda[4]等研究了在水中添加4.3vol%的Al2O3納米粒子，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其導(dǎo)熱系數(shù)比水提高了30%。朱冬生等[5-7]對(duì)Al2O3-H2O納米流體相變蓄冷和釋冷特性的研究，表明納米流體具有較大的蓄/釋冷量和蓄/釋冷率。降低了基液的過(guò)冷度，增大結(jié)冰速率，明顯縮短結(jié)冰時(shí)間。相同時(shí)間內(nèi)的蓄冷量比水多，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，結(jié)冰量越多。其他學(xué)者關(guān)于納米流體的研究表明其具有良好的熱物性[8-17]。本試驗(yàn)利用Al2O3-H2O納米流體的良好的釋冷特性，制成Al2O3-H2O納米流體蓄冷材料。采用對(duì)照試驗(yàn)法，以冬棗為試驗(yàn)對(duì)象，分別將冰蓄冷材料、Al2O3-H2O納米流體蓄冷材料與冬棗一起放在保溫箱里使冬棗溫度降低，研究納米流體畜冷材料對(duì)冬棗溫度的影響。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備與材料

試驗(yàn)所用試驗(yàn)設(shè)備有超聲波振蕩儀、磁力加熱攪拌器、電子天平、封口機(jī)、冰點(diǎn)儀、電子秤和T型熱電偶(測(cè)量精度0.2℃)。

試驗(yàn)所用材料為：Al2O3-H2O納米流體(平均粒徑為20mm，形狀基本為球形或類(lèi)球形，呈較好單分散性)，十二烷基苯磺酸鈉(SDBS，化學(xué)純，陰離子型表面活性劑)，海綿，去離子水，包裝袋，保溫箱，冬棗等。

1.2 試驗(yàn)材料的制備

參照王瑞星[18]等所提出的方法制備納米流體和蓄冷包裝箱。納米流體蓄冷袋如圖1所示，用電子天平稱(chēng)取Al2O3納米粉體，用電子秤稱(chēng)取去離子水，然后配備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的懸浮液，加入一定量的分散劑SDBS，用強(qiáng)力攪拌器攪拌20min，超聲波震蕩2h，獲得粒度均勻分散性好的Al2O3-H2O納米流體。倒入裝有厚度為20mm的海綿的袋子里，1號(hào)袋質(zhì)量為0.3kg，2號(hào)袋同比例放大為0.48kg，用封口機(jī)封口。同樣的制取水做成蓄冷材料。

圖1 納米流體蓄冷袋Fig.1 The nanofluids cold storage bag

實(shí)驗(yàn)初，冬棗為室溫13℃。兩種蓄冷材料放在-10℃的冷庫(kù)中10h。1、2號(hào)兩種蓄冷材料的長(zhǎng)×寬×厚=250×200×20(mm)和400×200×20(mm)。保溫箱尺寸：長(zhǎng)×寬×高×厚=440×320×230×15(mm)。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2，在箱體上下各放置兩塊1號(hào)蓄冷材料(中側(cè)、上側(cè)未示出，且頂部有箱蓋)，左中右側(cè)面各放置一塊1號(hào)蓄冷材料，前后各放置一塊2號(hào)蓄冷材料，質(zhì)量共3.06kg。冬棗排布密實(shí)縫隙少，質(zhì)量為8.5kg。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 The equipment schematic figure of experimentation

天商冰點(diǎn)儀測(cè)得冬棗冰點(diǎn)為-3.5℃。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)共兩組，分組如表1，溫度測(cè)量均采用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的T型熱電偶，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)布置為：對(duì)于箱體內(nèi)棗的空隙，上下層中心各布置兩根共4根，上下層周邊每個(gè)角各兩根，共16根；對(duì)于蓄冷材料，每個(gè)面布置一根，共7根。用無(wú)紙記錄儀GP20采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔10s，兩組實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行，歷時(shí)78h約3.25d。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以分析納米流體蓄冷材料的作用。為了減小誤差，曲線圖中每條曲線的數(shù)據(jù)均為同系列各布點(diǎn)的平均值。

表1 冬棗實(shí)驗(yàn)

Tab.1 Winter jujube experiment

實(shí)驗(yàn)分組實(shí)驗(yàn)工況1組常溫冬棗水蓄冷材料保溫箱體2組常溫冬棗納米流體蓄冷材料保溫箱體

圖3 水蓄冷材料箱體內(nèi)溫度—時(shí)間變化曲線Fig.3 Temperature vs time curve of water cold storage material

2 結(jié)果與分析

2.1 水蓄冷材料實(shí)驗(yàn)

由圖3可知，水作為蓄冷材料的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化有差異，但是趨勢(shì)相同，溫度先降低，然后有短暫的平穩(wěn)保持段，之后逐漸上升直至環(huán)境溫度。水蓄冷材料從冷凍狀態(tài)溫度開(kāi)始，之后逐漸升高，達(dá)到相變點(diǎn)，由于相變潛熱有恒溫保持段，然后溫度逐漸升高。

在1區(qū)，由于蓄冷材料與冬棗的溫度差較大，由Φ=hAΔt，Δt較大，傳熱作用強(qiáng)烈，使得冬棗溫度很快達(dá)到恒溫段。在2區(qū)，由于蓄冷材料的相變潛熱作用，使得材料和果蔬溫度達(dá)到恒定，此時(shí)冬棗的溫度低，呼吸作用弱，放熱量較少，蓄冷材料的冷量得以中和冬棗的放熱以及外界環(huán)境的放熱，此時(shí)即為冷藏的最佳狀態(tài)。該階段溫度范圍保持在0～2℃，保持時(shí)間約為30761.6s，即8.5h左右。當(dāng)蓄冷材料的冷量較少，不足以維持冬棗的放熱和外界環(huán)境的放熱，冬棗和材料的溫度開(kāi)始回升，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，直至環(huán)境溫度15℃。

冬棗溫度高低的差異主要由于測(cè)點(diǎn)不同，例如下層的溫度要比上層的溫度低一些，這是因?yàn)橄聦咏佑|桌面，桌面的傳熱系數(shù)小，此時(shí)沒(méi)有與環(huán)境的對(duì)流換熱以及輻射傳熱的影響，受環(huán)境溫度變化影響小，從而吸收的熱量少，因此溫度偏低。上層由于箱蓋上部接觸環(huán)境，從環(huán)境吸熱多，因此溫度偏高。在果蔬運(yùn)輸過(guò)程中，蓄冷箱體是有序堆放的，只有最外側(cè)各個(gè)面與空氣接觸，其他都與箱體接觸，與空氣環(huán)境接觸面少，受環(huán)境影響小一些，保溫蓄冷效果會(huì)更好。

圖4 納米流體蓄冷材料箱體內(nèi)溫度—時(shí)間變化曲線Fig.4 Temperature vs time curve of nanofluids cold storage material

2.2 納米流體蓄冷材料實(shí)驗(yàn)

圖4為運(yùn)用Al2O3-H2O納米流體蓄冷材料蓄冷時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的溫度變化圖。由圖4可知，在1區(qū)，冬棗和蓄冷材料的溫度急劇變化，冬棗溫度降低，蓄冷材料溫度升高，二者的溫差大，由Φ=hAΔt，Δt較大，傳熱快且傳熱量大。在2區(qū)，達(dá)到了平穩(wěn)恒溫段，且各溫度均保持在0℃上下。此時(shí)為蓄冷保鮮時(shí)段，溫度低，且并沒(méi)有達(dá)到冰點(diǎn)溫度，不會(huì)凍壞蔬菜。該階段時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明蓄冷時(shí)間越長(zhǎng)，從而保鮮效果越好。該階段保持時(shí)間是69128.7s即為19.2h左右。在3區(qū)，各指標(biāo)溫度逐漸回升，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到12℃。

由圖3與圖4對(duì)比可得，蓄冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)較大，可以迅速的將果蔬的溫度降低，即1區(qū)降溫速率大，且沒(méi)有達(dá)到果蔬的冰點(diǎn)，不會(huì)造成凍傷腐爛，這樣可以急劇的降低果蔬的生化反應(yīng)。溫度越快達(dá)到低溫，果蔬營(yíng)養(yǎng)損失越少，果蔬的品質(zhì)就越好。

3 結(jié)論

1)納米流體包裝箱內(nèi)的溫度能夠快速達(dá)到平穩(wěn)段。當(dāng)水為蓄冷材料時(shí)，溫度達(dá)到平穩(wěn)段用時(shí)6h左右。當(dāng)Al2O3-H2O納米流體為蓄冷材料時(shí)，溫度達(dá)到平穩(wěn)段用時(shí)4.1h左右。

2)納米流體包裝箱內(nèi)的溫度能夠保持低溫的時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)水為蓄冷材料時(shí)，保持溫度在0～2℃，低溫時(shí)間為8.5h左右。當(dāng)Al2O3-H2O納米流體為蓄冷材料時(shí)，保持溫度前期為0℃左右，然后在0～2℃浮動(dòng)，低溫時(shí)間為19.2h左右。

綜上所述，相對(duì)于冰蓄冷材料，Al2O3-H2O納米流體蓄冷材料能夠快速降低冬棗的溫度，且能夠保持較長(zhǎng)的低溫時(shí)間，減少冬棗營(yíng)養(yǎng)損失，便于冬棗的保鮮及運(yùn)輸?？梢?jiàn)放有Al2O3-H2O納米流體蓄冷材料的運(yùn)輸包裝箱有利于保鮮運(yùn)輸。實(shí)現(xiàn)了蓄冷保鮮功能，同時(shí)降低物流成本，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，在不減少包裝箱有效容積下能延長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間，提高運(yùn)輸距離。

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Effects of Nanofluidscooling Storage Materials Onwinter Jujubes′Temperature

YAN Zhihao，DI Qianqian，LIU Bin，WANG Ruixing

( Tianjin Key Lab of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134 )

The winter jujubes are usedthe experimental objects in comparison experiment.Analysis the effects of nanofluids cooling storage materials on winter jujubes′temperature in cold storage incubator.The experiments studied the effects of nanofluids cool storage materials on winter jujubes′temperature，so the simulation is.The results show that the materials can discharge much cold to reduce the temperature of winter jujubes，keep it cold for a period of time，so it is helpful for preservation，storage and transportation.

Cold storage incubator；Coldstoragematerial；Al2O3-H2O nanofluids；Winter jujubes′temperature

2016-9-24

閆志浩(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：制冷裝置節(jié)能及優(yōu)化。Email：yanzhihao92@126.com

ISSN1005-9180(2016)04-029-04

TB64文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.04.005