我國鮮活農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流與納米蓄冷材料的應用

朱志強 張小栓 于晉澤

（1.國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術研究中心天津市農(nóng)產(chǎn)品采后生理與貯藏保鮮重點實驗室，天津300000；

2.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京100000)

冷鏈物流（Cold chain logistics）是指蔬菜、水果、肉禽、水產(chǎn)、蛋等生鮮農(nóng)產(chǎn)品從產(chǎn)地采收（或屠宰、捕撈）后，在產(chǎn)品加工、貯藏、運輸、分銷、零售等環(huán)節(jié)處于適宜的低溫環(huán)境下，最大程度地保證產(chǎn)品品質和質量安全、減少損耗、防止污染的特殊供應鏈系統(tǒng)。冷鏈物流是商貿(mào)物流的一種，是商品流通的重要組成部分。

我國是鮮活農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和消費大國，鮮活農(nóng)產(chǎn)品采后由于貯藏不善、運輸粗放或生理病害等原因，每年造成的損失巨大，蔬果類產(chǎn)品腐爛損失率25%～35%，水產(chǎn)品高達25%。近年來，鮮活農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流發(fā)展迅速，比例逐年增加，但較之于工業(yè)產(chǎn)品物流，其總量和效率都較低。因此，發(fā)展冷鏈物流已成為公認的解決鮮活農(nóng)產(chǎn)品采后物流的重要技術手段。

目前，冷鏈物流的能源消耗巨大。據(jù)統(tǒng)計，一臺30噸規(guī)格的貨車一個小時就要增加5到6升的油耗用于制冷；有些農(nóng)產(chǎn)品冷鏈公司扣除成本后，盈利不足4%。新世紀以來，世界各國經(jīng)濟的快速增長，能源出現(xiàn)嚴重不足，電網(wǎng)負荷過重。相變蓄冷可作為一種有效地緩解峰谷電負荷、提高能源利用效率的技術，在發(fā)達國家已得到應用[1-3]。

1 我國鮮活農(nóng)產(chǎn)品冷鏈流通的必要性和優(yōu)越性

鮮活農(nóng)產(chǎn)品是指與居民生活息息相關的新鮮蔬菜、水果、水產(chǎn)品、禽畜肉類產(chǎn)品，以及能及時到達餐桌上的農(nóng)副產(chǎn)品，是新鮮的食品。農(nóng)產(chǎn)品采后具有鮮活的生命特征，與其他工業(yè)產(chǎn)品等不同，不適宜的物流環(huán)境造成其外部特征和內(nèi)在品質的急劇變化，最終導致產(chǎn)品損失、品質下降、物流失敗。從植物類產(chǎn)品本身來看，其內(nèi)部組織細胞具有生命特征，離開母體后仍具有呼吸和蒸騰作用，脫離了營養(yǎng)物質供應體后，自身“庫源”關系發(fā)生改變，不再從植物根莖部吸收養(yǎng)分，靠消耗果實自身物質來維持生命。如果蔬產(chǎn)品，在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，呼吸強度增大，物質消耗增加，貯藏壽命縮短。且溫度升高，空氣的相對濕度減少，果蔬水分蒸發(fā)加快，容易發(fā)生失水萎蔫，降低耐貯運性。因此，降低貯藏環(huán)境的溫度有利于保持果蔬的品質；但溫度過低也容易造成果蔬果實的冷害和凍害；因此，溫度要適宜。對新鮮的動物產(chǎn)品來說，自身機體已失去對外界微生物侵染或其他因素負面影響的防御能力，由于環(huán)境條件的控制不當，造成微生物浸染，產(chǎn)品腐爛，最終品質敗壞，或組織凍結失去原有特征，失去食用價值。研究顯示，4℃時大多數(shù)病原菌都不能生長，-18℃或更低溫度下幾乎所有微生物都不能生長和繁殖，因此，低溫極大地抑制了微生物的生長與繁殖，也預防了微生物對農(nóng)產(chǎn)品的侵染。

對鮮活農(nóng)產(chǎn)品來說，冷鏈物流的應用，保證了鮮活農(nóng)產(chǎn)品在全物流過程的環(huán)境條件，結合其他保鮮輔助措施，可使物流產(chǎn)品的感官品質得到保持。與其它物流方式相比，冷鏈物流具有無法比擬的優(yōu)勢。

我國商務部等部委還指出，到2015年，將初步建立一套與商貿(mào)服務業(yè)發(fā)展相適應的高效通暢、協(xié)調(diào)配套、綠色環(huán)保的現(xiàn)代商貿(mào)物流服務體系，使果蔬、肉類、水產(chǎn)品冷鏈運輸率分別提高到20%、30%、36%，物流企業(yè)機械化、自動化、標準化、信息化水平顯著提高；商品庫存周轉速度明顯加快，流通環(huán)節(jié)物流費用占商品流通費用的比率顯著下降。我國農(nóng)業(yè)部和財政部在國內(nèi)多省市進行了產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品如馬鈴薯、蘋果等貯藏設施建設與技術培訓惠民工程項目建設，加大了對冷鏈物流的宏觀指導和政策扶持力度，為發(fā)展冷鏈物流設施設備、配套技術和開展相關材料研究明確了發(fā)展方向。

2 鮮活農(nóng)產(chǎn)品的冷藏運輸設施及方式

目前，國內(nèi)外鮮活農(nóng)產(chǎn)品的冷鏈運輸方式主要為機械式冷藏運輸、保冷式冷藏運輸和蓄冷式冷藏運輸3種。

2.1 機械式冷藏運輸

通常，機械式冷藏運輸有汽車冷藏車、鐵路冷藏車和冷藏集裝箱三種。汽車冷藏車利用汽車引擎的動力制冷，制冷能力一般為1～12kW。車廂溫度可在-20～15℃范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。隨著現(xiàn)代高速公路的快速建設發(fā)展，汽車冷藏車可將鮮活農(nóng)產(chǎn)品運輸?shù)奖姸嘞M地區(qū)，運作簡單、方便。鐵路冷藏車一般自帶動力制冷機組，具有統(tǒng)一的生產(chǎn)標準，制冷速度快、溫度調(diào)節(jié)范圍大，車內(nèi)溫度分布均勻，適應性強，制冷、加熱、通風換氣、融霜自動化程度高等特點；新型機械冷藏車還設有溫度自動檢測、記錄和安全報警裝置。冷藏集裝箱是一種具有良好隔熱性，且能維持一定低溫要求，適用于各類易腐食品的運送、貯存的特殊集裝箱，具有裝卸靈活、貨物運輸溫度穩(wěn)定，貨物污染、損失低，使用于多種運載工具，裝卸速度快，運輸時間短，運輸費用低等特點。冷藏集裝箱使用溫度范圍為-30～12℃，具有國際統(tǒng)一的標準尺寸、制造參數(shù)以及使用技術，可安置于汽車、火車和船舶甲板上。目前，使用最多的是長度尺寸為20英尺和40英尺的集裝箱。

2.2 保冷式冷藏運輸

保冷式冷藏運輸是利用保溫車廂或采用保溫覆蓋材料等保溫措施，將已預冷或冷藏狀態(tài)的產(chǎn)品保冷運輸?shù)姆绞健＠纾邗r活農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)地將鮮活農(nóng)產(chǎn)品快速預冷降低產(chǎn)品品溫后，或將冷藏的產(chǎn)品采用草席、棉被等保溫材料將產(chǎn)品貨物整車包裹嚴實，運送到批發(fā)市場，最終到消費者手中，實現(xiàn)運輸過程中的低溫保持。該方式在一些冷藏運輸車較少地區(qū)應用較多。

2.3 蓄冷式冷藏運輸

蓄冷式冷藏運輸，是在保溫車箱內(nèi)或保溫包裝內(nèi)放置利用相變潛熱進行冷量貯存的蓄冷劑，通過蓄冷劑攜帶的冷量對車箱內(nèi)的鮮活農(nóng)產(chǎn)品進行保冷，維持其貯藏溫度，可使用不同的蓄冷劑來滿足各種冷藏溫度，制冷能力應取決于放置的蓄冷劑量與冷卻溫度[4]。蓄冷介質應具有高效性、自重輕和所占體積小的特點。對蓄冷劑而言，雖然需要進行長時間的預冷，但可以集中充冷，如利用夜間低谷時段充冷，而不會影響第二天的日間運行，可以在貨品運到后直接拆箱上架，使用方便[5]。常用的蓄冷劑有冰、干冰等，使用冰時，可使車廂溫度保持5℃左右，使用范圍有限，而使用干冰溫度可達-20℃。但冰的相變潛熱小，充冷過程制冷系統(tǒng)能耗大，蓄冷時間短。納米蓄冷材料是一種新型、環(huán)保、優(yōu)質的蓄冷材料，它克服了冰蓄冷材料的眾多缺點，可作為冰蓄冷材料的替代品。其經(jīng)濟性、方便性決定了其必將成為冷鏈配送領域的最佳選擇。

蓄冷式冷藏運輸作為機械式冷藏運輸和保冷式冷藏運輸?shù)难a充方式，具有節(jié)能環(huán)保、體積緊湊、控制靈活的特點，但也存在蓄冷時間短、蓄冷結構與冷藏箱匹配的問題。

3 納米蓄冷材料在農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中的應用

3.1 我國鮮活農(nóng)產(chǎn)品采后蓄冷冷鏈物流存在的問題

我國采用蓄冷材料進行冷鏈物流運輸?shù)漠a(chǎn)品較少，造成這種現(xiàn)象的原因很多。一是，我國蓄冷保冷運輸車車少；二是，全國各產(chǎn)地蓄冷充冷系統(tǒng)不健全；三是，我國部分產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)營者對冷鏈物流技術應用的意識還比較薄弱。這種觀念導致我國蓄冷冷鏈運輸發(fā)展緩慢，技術應用水平也不高。四是，納米蓄冷材料及裝置研究與應用不足。納米流體作為一種新型技術材料，在我國蓄冷材料中的應用還比較少，對其蓄冷機理、蓄冷過程、充/放冷過程物質特性變化等的研究尚不成熟，尤其是其在生產(chǎn)實踐應用方面的研究鮮有報道。納米蓄冷材料對鮮活農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后物流過程中的產(chǎn)品蓄冷效果及對產(chǎn)品品質影響的研究較少。目前，在產(chǎn)地生產(chǎn)中，冰作為一種重要的蓄冷材料被廣泛應用，但由于其相變潛熱小，充冷過程制冷系統(tǒng)能耗大，蓄冷時間短，不能滿足生產(chǎn)的需求。納米蓄冷材料克服了冰蓄冷材料的眾多缺點，可作為冰蓄冷材料的替代品。目前，我國在納米蓄冷材料對鮮活農(nóng)產(chǎn)品蓄冷效果的研究及其對產(chǎn)品影響作用的研究尚處于起步階段。

3.2 納米蓄冷材料的研究

近年來，人們注意到將直徑在1～100nm尺度的顆粒懸置于一些傳熱普通流體如水、乙烯乙二醇或機油中時，液體的傳熱性能會得到增強，分析原因為大多數(shù)固體材料的熱導率均大于液體，而顆粒、流體組成的混合物熱導率又高于液體本身的熱導率，這就成為配制具有高熱導性的新型換熱工質工業(yè)流體，把由此制成的流體稱之為納米流體。目前研究表明，納米流體由于其高導熱系數(shù)及流體中納米粒子的特殊性質，預示著納米流體在強化換熱領域的廣闊應用前景[6]。

關于納米液體的首次報道源于1993年日本Tohoku大學的Masuda[7]的研究成果，即在水中分別添加了13nm的γ-A12O3和27nm的TiO2粒子，得到了不同體積濃度的納米材料懸浮液，測試其導熱系數(shù)。結果表明，水中加入4.5%體積比的γ-A12O3粒子的懸浮液的導熱系數(shù)比水大近30%。1997年，美國Argonne國家實驗室的Choi所首次提出了“納米流體”這一概念之后，納米技術日益深入人心，與此相關的各類研究逐漸成為熱點[8]。

目前許多研究集中在對納米流體導熱系數(shù)的測量和預示上，與此同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)了許多預測納米流體有效導熱系數(shù)的模型。在納米流體熱物理機制研究方面，研究人員在諸如納米流體的自然對流和強制對流，納米流體沸騰換熱等方面取得了進展；而模擬方法則包括分子動力學，蒙特卡羅方法，格子玻爾茲曼流動與傳熱分析方法等[9]納米流體研究的新動向。總體而言，納米流體被提出后，關于納米流體研究一直得到廣大科研人員的青睞。在納米流體的強化傳熱機理解釋方面，多項研究成果表明納米材料提高了其液體導熱系統(tǒng)，并用實際測試驗證了結論；在納米流體的制備及應用處理技術方面，科研人員研究制備了CuO、TiO2等材料的納米液體。隨著納米技術的飛速發(fā)展，越來越多的納米材料被應用到了相變蓄冷領域。

劉靜[10]認為由于納米流體的有效導熱系數(shù)高于相應純流體，使得液體傳熱性明顯增強，因而多用于芯片散熱的液冷系統(tǒng)中。Eastman等[11]在液體中加入了制備的CuO-水、Cu-機油、A12O3-水等幾種納米流體后，顯著增加了液體的導熱系數(shù)。Patel等[12]研究了將Au和Ag納米粒子添加到水和甲苯中的導熱性能，溫度變化為30～60℃；研究發(fā)現(xiàn)Au粒子體積比0.011%時，其納米流體的導熱系數(shù)提高了7%～14%；Ag粒子體積比0.26‰時，形成的納米流體的導熱系數(shù)提高了5%～21%。周樂平等[13]制備了粒徑為50nm的CuO納米顆粒懸浮液，常溫下2%的CuO納米顆粒懸浮液的有效導熱系數(shù)約為純水的1.08倍，比熱容約為純水的1.02倍。Wen等[14，15]研究了γ-Al2O3-水納米流體在層流狀態(tài)的對流換熱和池內(nèi)沸騰換熱，發(fā)現(xiàn)納米流體的對流換熱和沸騰換熱性能明顯高于純水。宣益民[16]和李強[17]利用瞬態(tài)熱線法測量了Cu-水、Cu-變壓器油納米流體的導熱系數(shù)，并測試了納米流體在不同狀態(tài)下的對流換熱系數(shù)，實驗結果顯示顆粒體積濃度是影響導熱系數(shù)增加的主要因素之一。謝華清等[18，19]研究了SiC-水納米流體的導熱系數(shù)，實驗結果表明，在水中添加5%的SiC納米粒子，形成納米流體的導熱系數(shù)比水提高了20%。何欽波[20]制作了TiO2-BaCl2-H2O納米流體相變蓄冷材料，研究了熱物性和蓄/釋冷特性，大大降低了過冷度，導熱系數(shù)顯著的增加，相變溫度在-8.5℃左右，相變潛熱約為254.2～279.5kJ/kg，大約相當于冰蓄冷的72%～80%；在經(jīng)過50次的蓄/釋冰實驗后，其相變潛熱和相變溫度基本都很穩(wěn)定，說明其蓄冷材料熱穩(wěn)定性很好。Choi[21]研究表明，納米流體換熱工質，可顯著提高熱交換系統(tǒng)的傳熱性能，減小熱交換設備的尺寸和質量，節(jié)約泵功率，降低運行成本，具有許多潛在的優(yōu)勢。

綜上所述，納米流體是一項新型的強化傳熱技術，已成為最有吸引力的傳熱介質[22]，其導熱系統(tǒng)的提高得到了眾多科研人員的證實，表現(xiàn)出了導熱系數(shù)與溫度的強烈依賴關系，在20～50℃范圍內(nèi)，導熱系數(shù)增加幅度在1～3倍之間變化。因此納米流體可以應用于相變儲能、食品冷鏈物流、空調(diào)蓄冷等領域，可成為理想的散熱劑或制冷劑，具有十分廣闊的前景。

3.3 納米流體相變蓄冷的特點

3.3.1 納米流體相變蓄冷技術優(yōu)勢

大量研究表明，在部分傳統(tǒng)介質中添加納米材料后，介質的蓄/釋冷特性和熱物性特性發(fā)生了較大的變化。具體表現(xiàn)為：相變潛熱和相變溫度基本穩(wěn)定，蓄冷和釋冷過程中流動性保持良好；納米流體中的粒子比表面積較大，促進相變材料的非均勻成核，可降低基液的過冷度；蓄/釋冷量和換熱系數(shù)比基液大，導熱系數(shù)得到提高，傳熱系統(tǒng)發(fā)生變化；蓄冷密度比較大，蓄冷溫度與空調(diào)工況基本吻合。可以說，這種潛在的新型相變蓄冷介質具有其他蓄冷方式所沒有的技術優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢。

鑒于以上特性，蓄冷材料的導熱速度增加，蓄冷過程時間縮短，即與基液相比，在單位時間內(nèi)單位體積蓄冷材料中的蓄冷量增加，攜帶更多的冷量可供冷鏈物流中釋冷。而蓄冷材料攜帶的冷量與釋放過程的特征與鮮活農(nóng)產(chǎn)品（食品）冷鏈物流運輸技術環(huán)節(jié)中的低溫需求相吻合，釋放的冷量可滿足鮮活農(nóng)產(chǎn)品保持低溫降低品溫需要的冷量，即將該介質應用于鮮活農(nóng)產(chǎn)品采后冷鏈物流過程中，為降低產(chǎn)品品溫、保持產(chǎn)品品質、延長產(chǎn)品貨架和儲藏期提供了技術基礎條件。

3.3.2 納米蓄冷材料的應用意義

納米蓄冷材料作為一種新型、環(huán)保、優(yōu)質的蓄冷材料具有重要的應用意義。該材料的應用降低了基液的冰點，改變了其導熱系數(shù)、過冷度等物理特性，使其具有較大的相變潛熱，釋放冷量時間延長，滿足了鮮活農(nóng)產(chǎn)品冷藏運輸時對溫度的需求。同時，制冷系統(tǒng)在制冷充冷過程中的蒸發(fā)溫度提高，提高了設備的運行效率，節(jié)約了能源。

4 結束語

鮮活農(nóng)產(chǎn)品一類具有鮮活生命的特殊產(chǎn)品，具有種類多、易腐爛、貯運條件難掌握、較難運輸?shù)忍攸c，尋求針對性強的物流貯運設施、材料和條件是解決其采后物流品質下降的重要技術手段。多項研究結果表明，選擇適宜的冷鏈物流方式、技術，可促進鮮活農(nóng)產(chǎn)品有效流通，改變我國鮮活農(nóng)產(chǎn)品貯運物流落后的局面。納米流體相變蓄冷材料是一種全新、環(huán)保、低碳、節(jié)能的新型能源利用材料，蓄冷系統(tǒng)結構簡單，具有優(yōu)異的蓄/釋冷特性和熱物性特性，相變潛熱大，釋放冷量時間延長，制作成蓄冷物流環(huán)節(jié)中的蓄冷介質，應用到鮮活農(nóng)產(chǎn)品采后的貯運物流過程中，具有巨大的應用價值。納米蓄冷材料配套蓄冷貯運技術是我國目前鮮活農(nóng)產(chǎn)品全程冷鏈物流的有效方法。

[1]Yimin Xuan,Qiang Li.Heat transfer enhancement of nanofluids[J].HeatFluid Flow,2000,21(1):58-64.

[2]Lee S,ChoiS,LiS,etal.Measuring thermal conductivity of fluids containingoxidenanoparticles[J].HeatTransfer,1999,121:280-289.

[3]劉玉東,童明偉,何欽波.相變蓄冷納米復合材料的熔解熱研究[J].材料導報,2005,19(8):111-113.

[4]朱冬生,吳淑英,李新芳,等.納米流體工質的基礎研究及其蓄冷應用前景[J].化工進展,2008,27(6):857-860,872.

[5]張君瑛,章學來.蓄冷式冷藏運輸[J].能源技術,2005,26(3):127-128,130.

[6]郭順松.納米流體的熱物理特性研究[D].杭州:浙江大學,2006.

[7]Masuda H,Ebata A,Teramae K,et al.Altemation of thermal conductivity and viseosity of liquid by disPersing ultra-fine Partieles(dispersion ofγ-A12O3,SiO2and TiO2ultra-fine Particles).Netsu Bussei(Japan),1993(4):227-233.

[8]Choi U S.Developments and Applications of Non-Newtonian Fluids.New York:ASME,1995,FED-Vo.l231/MD-Vo.l666.

[9]馬坤全,劉靜.納米流體研究的新動向[J].物理,2007(4):295-300.

[10]劉靜.微米納米尺度傳熱學[M].北京:科學出版社,2001:188.

[11]J A Eastman,U S Clloi,S Li,et al.Anolnalously increased effective thermal conductivity of ethylene glyeol-based nanofluids containing coppernanoparticles[J].Applied Physics Letter,2001,78(6):718-720.

[12]Hrishikesh EPatel,SaritK Das,TSundararajanl,etal.Thermal conductivities of naked and monolayer protected metal nanoparticle based nanofluids:manifestation of a nomalous enhancement and chemicaleffects[J].Applied Physics Letter,2003,83(14):2931-2933.

[13]周樂平,王補宣.準穩(wěn)態(tài)法測量納米顆粒懸浮液的熱物性[J].工程熱物理學報,2003,24(6):1037-1039.

[14]Wen D.S.,Ding Y.L..Experimental investigation into the pool boiling heat transfer of aqueous basedγ-alumina nanofluids.JournalofNanoparticle Research[J].2005,7:265-274.

[15]Wen D.S.,Ding Y.L..Experiment investigation into convective heat transfer of nanofluids at the entrance region under laminar flow conditions[J].Int.Journal of Heat and Mass Transfer,2004,47:5181-5188.

[16]宣益民,李強.納米流體強化傳熱研究[J].工程熱物理學報,2000,21(4):466-470.

[17]李強,宣益民.納米流體熱導率的測量 [J].化工學報,2003,54(1):42-46.

[18]XIE H Q,WANG J C,Xi T G,et al.Thermal conductivity enhancement of suspensions containing nanosized alumina particles[J].J.Appl.Phys.,2002,91:4586-4572.

[19]Xie H Q,Wang JC,Xi TG,et al.Dependence of the thermal conductivity of nanoparticle-fluid mixture on the base fluid[J].J.Mater.Sci.Lett.,2002,21(19):1469-1471.

[20]何欽波.納米流體相變蓄冷材料的熱物性及小型蓄冷系統(tǒng)特性研究[D].重慶:重慶大學,2005.

[21]Choi,U.S..Developments and Applications of Non-Newtonian Fluids.New York:ASME,1995.FED-Vo.l231/MD-Vo.l666.

[22]Li X F,Zhu D S,Wang X J,et al.Thermal conductivity enhancement dependent pH and chemical surfactant for Cu-H2O nanofluids.ThermochimiActa,2008,469(1-2):98-103.