Al2O3-H2O纳米蓄冷箱堆码试验的研究

王亚会，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 )

Al2O3-H2O纳米蓄冷箱堆码试验的研究

王亚会，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 )

随着人们生活水平的提高，对食品品质的要求也不断的提高，尤其是果蔬的新鲜度。蓄冷运输是解决冷链断链的有效措施。Al2O3-H2O纳米流体蓄冷材料制备时采用低密度海绵来吸附纳米流体中的纳米颗粒，抵御重力作用造成纳米颗粒的沉淀，以达到较长时间的稳定。采用堆码实验，以胡萝卜为实验对象，分析Al2O3-H2O纳米流体蓄冷材料堆码方式(五种)，蔬菜预冷温度(-1℃、4℃、13℃)，蓄冷材料的质量(5.1kg、4.6kg、3.0kg、2.4kg、1.5kg)，三种因素对Al2O3-H2O纳米蓄冷包装箱蓄冷效果的影响。研究结果表明：果蔬不同预冷温度使蓄冷箱中恒温区域明显不同，其中恒温区域Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ；对于同一预冷温度下五种堆码方式下的果蔬温度趋势基本一致，且保鲜时间堆码方式1>2>3>4>5；对于存放相同质量胡萝卜的蓄冷箱中蓄冷材料质量越大保温效果越好，在实际中可根据保温时间选择合适的预冷温度。该实验方法及结果具有指导借鉴作用，可以为后期的实验及分析提供理论基础。

Al2O3-H2O纳米流体；蓄冷包装箱；堆码试验

果蔬对均衡人体营养及保证身体健康起着至关重要的作用[1]，因此果蔬的品质一直是人们关注的问题。王秀松等[2]实验研究得出呼吸强度在(4±1)℃呼吸强度最低，为了保证果蔬的新鲜度，需要在果蔬冷藏运输、贮藏过程中保持较长时间的低温，并减少运输期间的温度波动。要达到此标准对蓄冷材料的要求就不断提高。水是一种重要的蓄冷材料，相变潜热大、且无毒无味、价格低廉，但水的相变温度为0℃，因此仅适用于温度为0℃以上的场合。

随着纳米流体技术的发展，为研究相变蓄冷材料提供了新的方向。纳米蓄冷材料在冷链运输中受到了人们的高度重视[3-5]。朱冬生等[6-8]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冷量、释冷量、蓄冷率、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。蔡敏等[9]对冷藏板车中牛肉的温度场分布研究发现货物不同的堆码方式对货物温度场有较大的影响。郭嘉明、吕恩利等[10]以差压原理对保鲜运输车中的不同堆码方式下的果蔬温度场的分布进行数值模拟，并得出货物堆码方式影响箱体内的温度分布。但是对于蓄冷运输箱中蓄冷材料的堆码方式对果蔬温度的影响研究较少。

我们课题组近两年在Al2O3-H2O纳米流体蓄冷方面做了一些研究，如王瑞星等[11]测量了纳米蓄冷包装箱中菜花的温度，并与常温和预冷菜花在传统保温箱的情况进行了对比，结果表明蓄冷包装箱能有效延长贮藏时间和运输距离。但对于纳米流体蓄冷材料的堆码方式对蓄冷箱中温度的影响仍需进一步研究。实验首先制备Al2O3-H2O纳米流体，我们课题组采用多孔介质材料(海绵)来吸附纳米流体中的纳米颗粒，以抵御重力作用造成的纳米颗粒的沉淀，并产生固化作用，进而使蓄冷过程更稳定[11]。实验主要是研究蓄冷材料与果蔬之间不同的堆码方式(本实验为胡萝卜)对果蔬温度分布的影响。研究结果对实际冷藏运输过程中选择合适的蓄冷材料堆码方式具有一定的指导作用。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

Al2O3超声波震荡仪；磁力加热搅拌器；电子天平；封口机；电子称；T型热电偶(测量精度±0.2℃)。

纳米粉体：杭州万景新材料有限公司生产，颗粒平均粒径为20nm，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：天津市致远化学试剂有限公司生产，SDBS，化学纯，阴离子型表面活性剂；海绵，去离子水，包装袋，滴管，冷库，胡萝卜(来自天津市韩家墅海吉星批发市场)等。

1.2 实验材料的制备

为了降低纳米颗粒的沉降作用，采用王瑞星等[8]方法制备纳米蓄冷箱和蓄冷材料。用电子天平(精度0.1mg)按比例称取Al2O3纳米粉体和去离子水，配备成质量分数为0.2%悬浮液，加入适量的分散剂SDBS，用磁力加热搅拌器搅拌20min，超声波震荡2h。将对应的纳米流体分别倒入装有厚度为20mm的块状海绵的袋子里，用封口机封住，作为蓄冷材料。

蓄冷材料的质量：1号袋质量为500g，2号袋质量为800g。

实验前将蓄冷材料放入-10℃的冷库中进行完全冷冻10h。纳米流体蓄冷袋如图1所示，箱体前后面均放置2号蓄冷材料，其它面放置1号材料。

1.3 实验方案

实验采用5种堆码方式，每组实验重复5次取平均值。堆码方式及堆码图形分别如表1和图3所示。

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

图2 EPS保温包装箱 Fig.2 EPS Heat preservation box

图3 蓄冷材料布置图Fig.3 Cold storage material layout

表1 堆码实验工况

Table 1 stacking test conditions

堆码方式编号实验工况-1℃4℃13℃(未预冷)蓄冷材料质量/kg1(上下前后左中右)ⅠⅡⅢ5.12(上下前后左右)ⅠⅡⅢ4.63(上中下)ⅠⅡⅢ3.04(前中后)ⅠⅡⅢ2.45(左中右)ⅠⅡⅢ1.5

胡萝卜紧密布置，各箱内胡萝卜装载量相同，为7kg，经过5天后该组试验结束。预冷终温为-1℃，4℃和室温(13℃)，预冷时间为10min。试验测得所用胡萝卜点约为-2.5℃。热电偶布置方式为箱体内空气的上、下层四个边角加中心以及蓄冷材料。

2 数据处理

采用Excell计算各时刻下测点的平均值，并采用Origin软件对试验结果进行画图分析。

3 实验结果及分析

图4 Ⅰ组箱体内温度—时间变化曲线Fig.4 The inside temperature vs time curve in groupⅠ

图5 Ⅱ组箱体内温度—时间变化曲线Fig.5 The inside temperature vs time curve in group Ⅱ

图6 Ⅲ组箱体内温度—时间变化曲线Fig.6 The inside temperature vs time curve in group Ⅲ

图4～图6为蓄冷材料不同堆码方式下的胡萝卜的温度随时间变化的曲线图。对于各组实验，材料的质量分数均为0.2%，从图中可以明显看出恒温区域不同，可见对于不同的堆码方式及不同的蓄冷材料质量，胡萝卜的温度有所差别。由图中曲线可知，几组实验中，随着时间的延长，胡萝卜的温度均呈上升趋势，只是维持低温的时间不同，保温时间基本为堆码方式1>2>3>4>5(1与2基本接近)，这是因为当堆码方式为1、2时每个面均有蓄冷材料(蓄冷材料质量较大)，蓄冷量大，蓄冷材料的冷量向内部传输较多，胡萝卜从外界吸收热量较少，可以使胡萝卜在较长时间内维持较低温度(此时胡萝卜呼吸作用最弱)。当堆码方式为3、4、5(蓄冷材料质量小，需冷量少)时胡萝卜直接与保温箱体接触和环境换热，蓄冷材料释放的冷量用于克服环境向胡萝卜传输的热量和胡萝卜自身新陈代谢释放的热，所以保温时间短且温度高。在实际应用中可根据不同的保温时间和温度选择堆码方式和预冷温度。且-1℃和4℃实验结果相差不大，当考虑节能因素时可以以4℃代替-1℃。

4 实验结论

(1)在每一预冷温度下，五种堆码方式实验所得果蔬温度趋势基本一致，但保温时间不同。

(2)同一堆码方式下果蔬的预冷温度为-1 ℃、4℃时较(未经预冷处理)室温下果蔬保温时间较长对运输有利。且预冷温度为-1℃、4℃时对于相同的堆码方式果蔬保温时间和温度均相差不多，在实际应用中可根据实际情况进行选择。

(3)同一预冷温度下蓄冷材料不同的堆码方式对果蔬保温时间有较大影响，基本保鲜时间趋势为堆码方式1>2>3>4>5。

(4)当堆码方式为1、2时蓄冷材料质量较大，蓄冷量较大对于相同质量的果蔬能够维持在较低温度且时间较长。

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The Study on Cold Storage Incubator with Al2O3-H2O Nanofluids by Stacking Method

WANG Yahui，DI Qianqian，LIU Bin，WANG Ruixing

( Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134，China )

With the improvement of people′s living standard，the demand for food quality has been continuously improved，In particular，the freshness of fruits and vegetables.Cold storage transportation is an effective measure to solve the cold chain broken chain.Low density sponge is used to adsorb nanoparticles in the Al2O3-H2O nanofluids cool storage material，which can resist the precipitation of nanoparticles due to gravity，so as to achieve the stability of the longer time.The carrots are used as the experimental object in the experiments by stacking test.Analysis of Al2O3-H2O nanofluids storage material stacking method(five methods)，pre-cooling temperature of vegetables(-1℃、4℃、13℃)，and the quality of cold storage materials(5.1kg、4.6kg、3.0kg、2.4kg、1.5kg)，the effects of these factors on the refrigeration effect in the Al2O3-H2O nano incubator were explored.The study show that:The different pre-cooling temperature of fruits and vegetables makes the temperature zone of the cold storage tank is obviously different，and the constant temperature zone Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ；For fruits and vegetables temperature trends of five kinds of stacking the same pre-cooling temperature under the basic agreement，and the preservation time 1>2>3>4>5；For the cold storage tank for storing the same quality of carrot in cold storage material quality is better insulation effect in practice，according to the time to choose suitable pre-cooling temperature.This is helpful to the experimental methods and results can provide a theoretical basis for the later experiments and analysis.Key words：Al2O3-H2O nanofluids；Cold storage incubator；Stacking test

2016-11-17

四川省科技支撑项目(2015N20071)；天津市科技支撑项目(142CZDNC00016)

王亚会(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：热质传递与强化传热。Email：1510133100@qq.com

ISSN1005-9180(2017)02-016-05

U492.3+36.4 文献标示码：A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.004