纳米流体蓄冷材料对冬枣温度的影响

闫志浩，邸倩倩，刘 斌，王瑞星( 天津市制冷技术重点实验室，天津商业大学，天津 300134 )

纳米流体蓄冷材料对冬枣温度的影响

闫志浩，邸倩倩，刘 斌，王瑞星
( 天津市制冷技术重点实验室，天津商业大学，天津 300134 )

采用对照试验，冬枣为试验对象，分析在保温箱中水蓄冷材料与Al2O3-H2O纳米蓄冷材料对冬枣温度的影响。研究结果表明：纳米流体蓄冷材料具有较好的释冷性能，能使冬枣温度降低，并保持低温一段时间，有利于冬枣的保鲜及储藏运输。

蓄冷运输箱；蓄冷材料；Al2O3-H2O纳米流体；冬枣温度

0 前言

蓄冷运输箱作为运输蓄冷装置，是冷链物流的一环，具有机动灵活、保温性能好、经济性好等优点[1]。蓄冷运输箱中使用蓄冷材料可使产品长时间保持低温，满足高质量、低成本的冷藏运输和冷链配送要求。水是一种常用的相变蓄冷材料，但其蓄冷量小[2]，冻结之前具有较大的过冷现象，且水的相变温度为0℃，仅适用于要求温度在0℃以上的场合。而纳米流体蓄冷材料克服了水蓄冷材料的众多缺点。

1995年，Choi[3]提出了“纳米流体”这个崭新的概念，为世界学者研究相变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纳米粒子，实验结果表明其导热系数比水提高了30%。朱冬生等[5-7]对Al2O3-H2O纳米流体相变蓄冷和释冷特性的研究，表明纳米流体具有较大的蓄/释冷量和蓄/释冷率。降低了基液的过冷度，增大结冰速率，明显缩短结冰时间。相同时间内的蓄冷量比水多，且质量分数越大，结冰量越多。其他学者关于纳米流体的研究表明其具有良好的热物性[8-17]。本试验利用Al2O3-H2O纳米流体的良好的释冷特性，制成Al2O3-H2O纳米流体蓄冷材料。采用对照试验法，以冬枣为试验对象，分别将冰蓄冷材料、Al2O3-H2O纳米流体蓄冷材料与冬枣一起放在保温箱里使冬枣温度降低，研究纳米流体畜冷材料对冬枣温度的影响。

1 材料与方法

1.1 设备与材料

试验所用试验设备有超声波振荡仪、磁力加热搅拌器、电子天平、封口机、冰点仪、电子秤和T型热电偶(测量精度0.2℃)。

试验所用材料为：Al2O3-H2O纳米流体(平均粒径为20mm，形状基本为球形或类球形，呈较好单分散性)，十二烷基苯磺酸钠(SDBS，化学纯，阴离子型表面活性剂)，海绵，去离子水，包装袋，保温箱，冬枣等。

1.2 试验材料的制备

参照王瑞星[18]等所提出的方法制备纳米流体和蓄冷包装箱。纳米流体蓄冷袋如图1所示，用电子天平称取Al2O3纳米粉体，用电子秤称取去离子水，然后配备成质量分数为0.1%的悬浮液，加入一定量的分散剂SDBS，用强力搅拌器搅拌20min，超声波震荡2h，获得粒度均匀分散性好的Al2O3-H2O纳米流体。倒入装有厚度为20mm的海绵的袋子里，1号袋质量为0.3kg，2号袋同比例放大为0.48kg，用封口机封口。同样的制取水做成蓄冷材料。

图1 纳米流体蓄冷袋Fig.1 The nanofluids cold storage bag

实验初，冬枣为室温13℃。两种蓄冷材料放在-10℃的冷库中10h。1、2号两种蓄冷材料的长×宽×厚=250×200×20(mm)和400×200×20(mm)。保温箱尺寸：长×宽×高×厚=440×320×230×15(mm)。实验装置图如图2，在箱体上下各放置两块1号蓄冷材料(中侧、上侧未示出，且顶部有箱盖)，左中右侧面各放置一块1号蓄冷材料，前后各放置一块2号蓄冷材料，质量共3.06kg。冬枣排布密实缝隙少，质量为8.5kg。

图2 实验装置图Fig.2 The equipment schematic figure of experimentation

天商冰点仪测得冬枣冰点为-3.5℃。

1.3 实验方案

本次实验共两组，分组如表1，温度测量均采用经过标定的T型热电偶，数据采集点布置为：对于箱体内枣的空隙，上下层中心各布置两根共4根，上下层周边每个角各两根，共16根；对于蓄冷材料，每个面布置一根，共7根。用无纸记录仪GP20采集数据，数据采集时间间隔10s，两组实验同步进行，历时78h约3.25d。实验数据进行对比，以分析纳米流体蓄冷材料的作用。为了减小误差，曲线图中每条曲线的数据均为同系列各布点的平均值。

表1 冬枣实验

Tab.1 Winter jujube experiment

实验分组实验工况1组常温冬枣水蓄冷材料保温箱体2组常温冬枣纳米流体蓄冷材料保温箱体

图3 水蓄冷材料箱体内温度—时间变化曲线Fig.3 Temperature vs time curve of water cold storage material

2 结果与分析

2.1 水蓄冷材料实验

由图3可知，水作为蓄冷材料的实验中，实验的各个测点的温度变化有差异，但是趋势相同，温度先降低，然后有短暂的平稳保持段，之后逐渐上升直至环境温度。水蓄冷材料从冷冻状态温度开始，之后逐渐升高，达到相变点，由于相变潜热有恒温保持段，然后温度逐渐升高。

在1区，由于蓄冷材料与冬枣的温度差较大，由Φ=hAΔt，Δt较大，传热作用强烈，使得冬枣温度很快达到恒温段。在2区，由于蓄冷材料的相变潜热作用，使得材料和果蔬温度达到恒定，此时冬枣的温度低，呼吸作用弱，放热量较少，蓄冷材料的冷量得以中和冬枣的放热以及外界环境的放热，此时即为冷藏的最佳状态。该阶段温度范围保持在0～2℃，保持时间约为30761.6s，即8.5h左右。当蓄冷材料的冷量较少，不足以维持冬枣的放热和外界环境的放热，冬枣和材料的温度开始回升，实验结束时，直至环境温度15℃。

冬枣温度高低的差异主要由于测点不同，例如下层的温度要比上层的温度低一些，这是因为下层接触桌面，桌面的传热系数小，此时没有与环境的对流换热以及辐射传热的影响，受环境温度变化影响小，从而吸收的热量少，因此温度偏低。上层由于箱盖上部接触环境，从环境吸热多，因此温度偏高。在果蔬运输过程中，蓄冷箱体是有序堆放的，只有最外侧各个面与空气接触，其他都与箱体接触，与空气环境接触面少，受环境影响小一些，保温蓄冷效果会更好。

图4 纳米流体蓄冷材料箱体内温度—时间变化曲线Fig.4 Temperature vs time curve of nanofluids cold storage material

2.2 纳米流体蓄冷材料实验

图4为运用Al2O3-H2O纳米流体蓄冷材料蓄冷时，各测点的温度变化图。由图4可知，在1区，冬枣和蓄冷材料的温度急剧变化，冬枣温度降低，蓄冷材料温度升高，二者的温差大，由Φ=hAΔt，Δt较大，传热快且传热量大。在2区，达到了平稳恒温段，且各温度均保持在0℃上下。此时为蓄冷保鲜时段，温度低，且并没有达到冰点温度，不会冻坏蔬菜。该阶段时间越长，说明蓄冷时间越长，从而保鲜效果越好。该阶段保持时间是69128.7s即为19.2h左右。在3区，各指标温度逐渐回升，在实验结束时达到12℃。

由图3与图4对比可得，蓄冷材料的导热系数较大，可以迅速的将果蔬的温度降低，即1区降温速率大，且没有达到果蔬的冰点，不会造成冻伤腐烂，这样可以急剧的降低果蔬的生化反应。温度越快达到低温，果蔬营养损失越少，果蔬的品质就越好。

3 结论

1)纳米流体包装箱内的温度能够快速达到平稳段。当水为蓄冷材料时，温度达到平稳段用时6h左右。当Al2O3-H2O纳米流体为蓄冷材料时，温度达到平稳段用时4.1h左右。

2)纳米流体包装箱内的温度能够保持低温的时间较长。当水为蓄冷材料时，保持温度在0～2℃，低温时间为8.5h左右。当Al2O3-H2O纳米流体为蓄冷材料时，保持温度前期为0℃左右，然后在0～2℃浮动，低温时间为19.2h左右。

综上所述，相对于冰蓄冷材料，Al2O3-H2O纳米流体蓄冷材料能够快速降低冬枣的温度，且能够保持较长的低温时间，减少冬枣营养损失，便于冬枣的保鲜及运输。可见放有Al2O3-H2O纳米流体蓄冷材料的运输包装箱有利于保鲜运输。实现了蓄冷保鲜功能，同时降低物流成本，可实现循环利用，在不减少包装箱有效容积下能延长储存时间，提高运输距离。

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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

闫志浩(1992-)，男，硕士研究生，研究方向：制冷装置节能及优化。Email：yanzhihao92@126.com

ISSN1005-9180(2016)04-029-04

TB64文献标示码：A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.04.005