Al2O3?H2O納米蓄冷箱蓄冷效果的影響因素

邸倩倩 楊兆丹 劉斌 王瑞星

（天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134）

Al2O3?H2O納米蓄冷箱蓄冷效果的影響因素

邸倩倩 楊兆丹 劉斌 王瑞星

（天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134）

本文采用低密度海綿吸附納米流體（相變蓄冷劑）中的納米顆粒，改變蓄冷劑（PCM）的熱物理性質，以強化蓄冷箱的蓄冷效果。采用正交實驗法，以胡蘿卜為實驗對象，箱內空氣平均溫度對時間的積分值為對比指標，分析海綿厚度（8 mm、16 mm、20 mm）、納米流體質量分數（0.1%、0.15%、0.2%）、每千克蔬菜對應的蓄冷材料質量（0.429 kg、0.5 kg、0.571 kg）、蔬菜預冷溫度（－1℃、4℃、12℃）對蓄冷效果的影響。研究結果表明：影響蓄冷效果的主次因素為蔬菜預冷溫度、納米流體質量分數、蓄冷材料質量、海綿厚度；蓄冷效果隨著海綿厚度、PCM質量分數和PCM質量的增大而增強，預冷溫度在4℃時較佳；由極差值可知，各因素的最優水平為海綿厚度20 mm、納米流體質量分數0.2%、蓄冷材料質量0.571 kg、預冷溫度4℃，但是從經濟角度考慮，海綿厚度可以用16 mm代替20 mm，納米流體質量分數可以用0.15%代替0.2%。該實驗方法及結果具有指導借鑒作用，可以為后期的實驗及分析提供理論基礎。

蓄冷包裝箱；正交實驗；影響因素

冷鏈物流是食品冷鏈中的重要環節，而在運輸過程中的主要任務之一就是使運輸箱內保持較長時間的低溫，并減少運輸期間的溫度波動［1－2］。蓄冷運輸箱能夠直接冷藏產品，無需在冷藏車上安裝制冷設備，并且可以根據不同的蓄冷材料選擇不同的溫度貯藏區間［3－4］。相變蓄冷材料（PCM）的主要要求是相變潛熱大，并且液體導熱系數大，固體導熱系數小。水是最常用的一種蓄冷材料，但其過冷度大，充冷過程制冷系統能耗大，釋冷時間短［5］，并且僅適用于溫度在0℃以上的場合。有研究發現納米材料有效減弱了水蓄冷相變材料的過冷度大、釋冷時間短和釋冷量少等缺點［6－10］。

隨著新型相變蓄冷材料（PCM）的研究，納米蓄冷材料引起了人們的廣泛關注［11－16］。研究表明［17－18］，在水中添加一定量的納米顆粒可以有效增加溶液的導熱系數和對流換熱系數。同時也有研究表明［19－21］，納米流體濃度及顆粒分布影響溶液的導熱系數、粘度和內部溫度分布。Y.M.Xuan等［22］通過研究表明，通過超聲波振蕩、添加分散劑和改變pH值的方法，可以使顆粒均勻穩定地分散在基液中；何欽波等［8］通過研究表明，在氯化鋇鹽溶液中添加TiO2納米顆粒能夠有效抑制溶液過冷度，減少凍結時間，增大單位時間釋冷量，且溶液具有優異的熱物性。本文課題組在Al2O3?H2O納米流體蓄冷方面做了部分研究，如王瑞星等［23］測量了納米蓄冷包裝箱中菜花的溫度，并與常溫和預冷菜花在傳統保溫箱的情況進行了對比，結果表明，蓄冷包裝箱能有效延長貯藏時間和運輸距離。本文采用多孔介質材料（海綿）來吸附納米流體中的納米顆粒，以抵御重力作用造成的納米顆粒沉淀，并產生固化作用，進而使蓄冷過程更穩定［23］。但是對采用低密度海綿吸附納米顆粒的方法所制成的蓄冷箱的影響因素還未進行具體的分析，進而確定蓄冷箱蓄冷效果影響因素的主次順序和最優水平對后期的實驗、分析以及果蔬的貯藏運輸有著重要的理論及實驗意義。因此，為了研究海綿厚度、納米流體質量分數、蓄冷材料質量和果蔬預冷溫度這4種因素對納米蓄冷包裝箱的影響，本文采用正交實驗，以胡蘿卜為實驗對象，研究以上4種因素對箱體內溫度的影響。為后期的實驗及分析提供理論基礎，并且為果蔬的貯藏運輸提供理論參考。

1 蓄冷運輸過程的能量分析

蓄冷箱的蓄冷量主要用來抵消蓄冷箱與環境的換熱量及果蔬的放熱量。其中果蔬的放熱量主要是果蔬的呼吸熱和果蔬與蓄冷箱內空氣的換熱量。

以蓄冷箱內空氣為研究對象，箱內溫度取10個測點的平均值，所以假設蓄冷箱內部在同一瞬間均處于同一溫度；因為空氣流速低于1／4音速，所以假定空氣為不可壓縮理想氣體；為了簡化方程，采用綜合換熱系數h（W／（m2·℃））表示蓄冷箱與環境的總換熱系數。蓄冷箱的能量方程如公式（1）所示：

式中：q為蓄冷材料相變潛熱，J／kg；m為蓄冷材料相變質量，kg；ρ為箱內空氣密度，kg／m3；c為空氣比熱容，J／（kg·℃）；τ為時間，s；A、Af分別為蓄冷箱換熱面積、果蔬與箱內空氣接觸面積，m2；V為箱內空氣所占體積，m3；th、t、tx、tf分別為環境溫度、箱內空氣溫度、蓄冷材料溫度和箱內果蔬溫度，℃；h1為蓄冷材料與箱內空氣換熱系數，W／（m2·℃）；h2為蓄冷箱內空氣與箱內果蔬換熱系數，W／（m2·℃）；f（tf）為某溫度下實驗果蔬的呼吸熱及溫度降低時所放出的熱量，J／s。

由公式（1）可知，右式各項對左項溫度有著不可忽略的影響，而蓄冷箱的作用就是使蓄冷箱在較長時間內保持低溫。已知Al2O3?H2O納米材料隨著質量分數的增大，q減小［24］，h1增大［25］；納米材料的質量增大，即m增大，進而使蓄冷箱蓄冷量增大，蓄冷時間增長；果蔬的呼吸作用與預冷溫度有關，預冷可以明顯降低f（t），但是不同預冷溫度的影響大小不確定，并且果蔬吸熱量隨著預冷溫度的降低而升高；納米顆粒以及空隙的體積分數影響溫度分布［26］，所以本實驗采用低密度海綿對實驗結果有不可預估的影響，且海綿厚度增大，導熱熱阻增大，h減小；以上4種因素皆對蓄冷箱內溫度有影響，并且蓄冷箱內溫度變化進一步改變公式（1）中右式各項的值，所以選取以上4種因素，以蓄冷箱內溫度對時間的積分值為指標，測量并比較它們對蓄冷箱貯藏效果的影響，并且判斷各因素影響的主次順序。

2 材料與方法

2.1 材料與設備

超聲波震蕩儀（KQ?200VDE）；磁力加熱攪拌器（78?1）；電子天平（FA114）；封口機（SM?500B）；冰點儀；Hot Disk熱常數分析儀；電子天平（FA114）；T型熱電偶（測量精度0.2℃）。

Al2O3納米粉體（顆粒平均粒徑為20 nm，形狀基本為球形或類球形，呈較好單分散性）；十二烷基苯磺酸鈉（SDBS，化學純，陰離子型表面活性劑）；海綿、去離子水、包裝袋、保溫箱、胡蘿卜等。

2.2 實驗材料的制備

為了降低納米顆粒的沉降作用，采用王瑞星等［23］的實驗方法制備蓄冷箱和蓄冷材料。為使納米顆粒分散處于溶液中并減少沉淀，納米流體質量分數選擇為0.1% ～0.2%；海綿厚度較薄時，溶液不易分散，較厚時占箱體體積大，所以綜合考慮海綿厚度選擇8～20 mm；實驗測得胡蘿卜冰點約為－2.5℃，所以預冷溫度選擇－1～12℃，其中室溫約為12℃。

采用兩步法：1）按比例稱取Al2O3納米粉體和去離子水，分別配備成質量分數為0.1%、0.15%和0.2%懸浮液，加入一定量的分散劑SDBS（約為制備溶液質量的0.1%），用磁力加熱攪拌器攪拌20 min，超聲波震蕩1 h，制備足夠量的納米流體，然后用Hot Disk熱常數分析儀測量物性，物性參數如表1所示。2）按表3的實驗方案，將對應的納米流體分別倒入裝有相應厚度塊狀海綿的袋子里，用封口機封住，作為蓄冷材料（PCM）。蓄冷袋的質量與表3中實驗方案相對應，分別為0.3 kg、0.35 kg和0.4 kg（實驗果蔬裝載量為7 kg，因此單位質量蔬菜對應的蓄冷材料質量為0.429 kg、0.500 kg、0.571 kg）。實驗前將蓄冷材料放入－10℃的冷庫中進行完全冷凍10 h，此時蓄冷材料為－10℃。保溫箱尺寸：長×寬×高＝440 mm×320 mm×230 mm，厚度為15 mm，導熱系數為0.033～0.044 W／（m·℃），在箱體上下前后各個面均放置兩塊蓄冷材料，左右側面各放置一塊，實驗裝置如圖1所示。

表1 蓄冷材料物性參數Tab.1 Physical parameters of cool storage material

測定實驗所用納米流體和胡蘿卜的冰點分別約為0℃和－2.5℃，所以在常壓（0.1 MPa），預冷終溫分別為－1℃、4℃和室溫（12℃）下預冷12 min。

2.3 實驗方案

為了選出最佳參數配比，選取海綿厚度（A）、納米流體質量分數（B）、每千克蔬菜對應的蓄冷材料質量（C）和預冷溫度（D）四種因素，每種因素三個水平，按L9（34）正交實驗表安排實驗。所選因素及水平如表2。

胡蘿卜緊密錯落布置，堆碼方式為：上下前后左右；實驗熱電偶布置為下層5個，上層5個，分別為邊角和中心空氣中，如圖1所示。各個箱體果蔬裝載量相同，約為7 kg。經過475 200 s，即5.5 d后，停止實驗。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 The figure of experimental apparatus

表2因素水平表Tab.2 Factors and levels

2.4 數據處理

用excel軟件計算各時刻10個測點溫度的平均值，origin軟件畫圖，并計算從初始到各時刻溫度與時間的積分值。

3 結果與分析

3.1 實驗指標積分值的分析

由于蓄冷箱運輸過程中各傳熱系數和果蔬實際放熱量無法確定，所以無法計算蓄冷箱的實際放熱量，因此選取蓄冷箱外部環境溫度 th為對比溫度。假設蓄冷材料與果蔬為蓄冷箱內部空氣的冷源（冷源的釋冷量為蓄冷材料釋冷量與果蔬放熱量之差），則在Δx（s）時間內蓄冷箱內部空氣的放熱量dQ＝cm1（th－t）。其中，c、m1和 t分別為空氣比熱容（J／（kg·℃））、蓄冷箱內空氣的質量（kg）和蓄冷箱內空氣溫度（℃）。所以從初始時刻到時刻x，蓄冷箱內空氣總放熱量Q（J）如公式（2）所示：

由公式（2）可知，t越小，蓄冷箱內空氣放熱量Q越大，蓄冷箱蓄冷效果越好。其中：Uh、U分別為蓄冷箱內空氣的初始內能和x時刻內能，J。

因為蓄冷箱內溫度在－1.7～12℃，所以假定空氣比熱容c為定值，且質量m1不變，th為定值，則Uh為定值，故各工況在相同時刻下只有溫度th不同，為了簡化計算，直接選取溫度t部分作為實驗指標，即公式（3）：

式中：積分值為從初始時刻到時刻x，蓄冷箱內空氣各時刻的內能之和與常數（cm1）的比值Qx，J。所以積分值越小，蓄冷箱的蓄冷效果越好。

3.2 實驗結果

圖2所示為不同工況下蓄冷箱內溫度隨時間的變化，實驗工況如表3所示。由圖2可知，蓄冷箱內溫度分為三個階段：快速下降（上升）階段、恒溫階段和上升階段，且后期曲線呈向下凹的趨勢。恒溫階段保持約2.5×105s（69.4 h）。這是因為，貯藏初期，蓄冷袋溫度較低，與蓄冷箱內空氣和蔬菜進行換熱（顯熱），此時箱內溫度迅速降低，當PCM溫度到達冰點溫度時，開始吸收潛熱，此時PCM溫度保持恒定，箱內溫度波動較小，當PCM全部融化后，溫度開始上升。

圖2 不同工況下蓄冷箱內溫度?時間變化曲線Fig.2 The inside temperature vs time curve in different working conditions

圖3所示為圖2中蓄冷箱內部溫度對時間的積分值曲線。由圖3可知，曲線保持前期平穩后期升高的趨勢。這是因為箱內溫度處于前兩個階段時溫度較低，且恒溫區溫度在0℃左右，所以積分值基本不變，當箱內溫度處于上升階段時，溫度升高，積分值迅速增大。同時由圖3可知，實驗工況的優劣依次是：8 ＞2＞6＞3＞4＞9＞7＞5＞1。

圖3 不同工況下箱體內部的溫度對時間的積分值Fig.3 The inside temperature integral value in different working conditions

3.3 正交實驗結果與分析

采用極差法對正交實驗數據進行統計分析。正交實驗設計及所得結果如表3所示。由表3中的極差值R可知，各因素對積分值影響的顯著性水平由大到小為：預冷溫度（D）＞納米流體質量分數（B）＞單位質量蔬菜對應的蓄冷材料質量（C）＞海綿厚度（A）。其中，D、B變化時，指標波動較大，A、C變化時，指標波動較小，B、D指標變化比A、C大一個數量級。同時由表3可知，最優水平為海綿厚度20 mm、納米流體質量分數為0.2%、單位質量蔬菜對應的蓄冷材料質量0.571 kg、預冷溫度4℃，在此條件下蓄冷效果最好。

3.4 各因素水平對積分值的影響

由K值可知，蓄冷效果隨著海綿厚度的增加而增強。同時可知，海綿厚度為20 mm的積分值與16 mm的積分值接近，所以從經濟角度考慮，海綿厚度可以用16 mm代替20 mm。這是因為海綿厚度增加，增大了納米顆粒在海綿中的空隙，且導熱熱阻隨著海綿厚度的增加而增大。

由K值可知，蓄冷效果隨著納米流體質量分數的增加而增強。同時，納米流體質量分數為0.2%時的積分值和0.15%的積分值相差不大。由文獻［27］可知，納米材料在凍融循環過程中容易產生納米顆粒的團聚沉淀，所以質量分數為0.2%時，有部分納米粉體凝聚成團，沒有發揮較大作用，所以從經濟角度考慮，納米流體質量分數可以用0.15%代替0.2%。

由K值可知，蓄冷效果隨著PCM質量與蔬菜質量比值的增加而增強。這是因為PCM質量增加，蓄冷量增加。但質量過大，會增加蓄冷箱體的質量，造成箱體過重，增加搬運和運輸過程中的人力物力，并且當箱體裝載量一定時，果蔬的裝載量減少。

表3正交實驗設計及結果Tab.3 Orthogonal experimental table and results

由K值可知，在－1℃、4℃和12℃之間，預冷溫度為4℃時最佳。預冷溫度4℃優于－1℃的主要原因有兩點：1）果蔬的新陳代謝熱、呼吸熱以及各種散熱雖然與溫度有關，但是當溫度足夠低時，各種散熱較低，溫度波動較小時，不會隨著溫度降低產生劇烈變化。王秀松等［28］研究表明，蔬菜的呼吸強度與溫度不呈正相關的關系，測定7種果蔬中，溫度在4～36℃時，果蔬在（4±1）℃呼吸強度最低。2）當預冷溫度為－1℃時，果蔬溫度與外界的溫差增大，換熱量增加，且與其它預冷溫度組相比，－1℃預冷組箱內溫度波動較大，進而增大了樣品的呼吸作用。以上原因導致果蔬的放熱量和環境的換熱量之和增加，進而使得預冷溫度為－1℃的果蔬貯藏失去優勢，蓄冷效果不一定好。

4 最優水平實驗結果驗證

采用正交實驗測得的最優水平，即海綿厚度20 mm、納米流體質量分數為0.2%、單位質量蔬菜對應的蓄冷材料質量0.571 kg、預冷溫度4℃為第10組，以及海綿厚度16 mm、納米流體質量分數為0.15%、單位質量蔬菜對應的蓄冷材料質量0.571 kg、預冷溫度4℃為第11組，其它條件與另外9組相同，測量貯藏期間的溫度，并計算積分值。實驗結果如圖4所示。

圖4 不同工況下溫度及積分值隨時間的變化Fig.4 The inside temperature and integral value change with time in different working conditions

由圖4可知，第10組和第11組恒溫階段保持時間明顯優于其它組，約3.35×105s（93 h）時，進入升溫階段。貯藏結束時，積分值也較其它9組小。因此，經實驗驗證最優水平為海綿厚度20 mm、納米流體質量分數為0.2%、單位質量蔬菜對應的蓄冷材料質量0.571 kg、預冷溫度4℃。

由圖4（a）可知，第10組和第11組恒溫段溫度（0～2℃）及恒溫段時間相差不大，并且升溫階段兩組溫差在0～0.6℃之間。由圖4（b）可知，實驗結束時兩組積分值差約為1×105J。所以兩組實驗保溫效果相差不大，因此從經濟角度考慮，可以用海綿厚度16 mm代替20 mm，納米流體質量分數0.15%代替0.2%。

5 結論

本文采用低密度海綿吸附納米流體中納米顆粒的方法，改變蓄冷劑（PCM）的熱物理性質，并將蓄冷袋在－10℃下冷凍10 h，此時溫度為－10℃，對海綿厚度（8 mm、16 mm、20 mm）、納米流體質量分數（0.1%、0.15%、0.2%）、每千克蔬菜對應的蓄冷材料質量（0.429 kg、0.5 kg、0.571 kg）、蔬菜預冷溫度（－1℃、4℃、12℃）4種因素采用正交實驗法，以胡蘿卜為實驗對象，在12℃左右的室溫下，測量不同條件下蓄冷箱內的溫度。定義了以蓄冷箱內溫度對時間的積分值，并以此為蓄冷箱影響因素的對比指標。根據指標值的對比，得出以下結論：

1）影響蓄冷效果的主次因素依次為蔬菜預冷溫度（D）、納米流體質量分數（B）、每千克蔬菜對應的蓄冷材料質量（C）、海綿厚度（A）。

2）各個因素的最優水平為海綿厚度20 mm、納米流體質量分數為0.2%、每千克蔬菜對應的蓄冷材料質量0.571 kg、預冷溫度4℃。

3）蓄冷效果隨著海綿厚度、納米流體質量分數和每千克蔬菜對應的蓄冷材料質量的增大而增強，預冷溫度在－1～12℃，較佳為4℃。蔬菜預冷溫度和納米流體質量分數變動時，指標波動較大，每千克蔬菜對應的蓄冷材料質量和海綿厚度波動時，指標波動較小。所以從經濟角度考慮，海綿厚度以16 mm代替20 mm，納米流體質量分數以0.15%代替0.2%。

本文受天津市科委基金項目（15JCTPJC64300）資助。（The project was supported by the Science and Technology Foun?dation of Tianjin Municipal（No.15JCTPJC64300）.）

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The Influencing Factors of Cold Storage Incubator with Al2O3?H2O Nanofluids by Orthogonal Method

Di Qianqian Yang Zhaodan Liu Bin Wang Ruixing

（Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134，China）

In order to improve the effect of cold storage in box with nano fluid，the low density sponge is used to adsorb nano particles and the thermophysical properties of the coolant is changed.The carrots are used as the experimental object in the experiments by orthogonal method.And the integral value of average temperature of the air in the box is taken as the index to compare the effect of cool storage.The influence of thickness of porous sponge（8 mm，16 mm，20 mm），mass fraction of nanofluids（0.1%，0.15%，0.2%），quality of cold storage materials for per kilogram of vegetables（0.429 kg，0.5 kg，0.571 kg），and pre?cooling temperature of vegetables（－1℃，4℃，12℃）on the refrigeration effect in the incubator were explored.The results of the study are as follows：（1）the importance sequences of factors are pre?cooling temperature of vegetables，mass fraction of nanofluids，the quality of cold storage materials for per kilogram of vegetables，and the thickness of porous sponge；（2）with the increasing of the thickness of porous sponge，the mass fraction of nanoflu?ids，and the quality of cold storage materials for per kilogram of vegetable，the effect of cooling storage will be better.The optimal pre?cooling temperature is 4℃ out of 12℃，4℃，－1℃；（3）the optimal combination of all the factors for the effect of cool storage is as following：the thickness of porous sponge of 20 mm，the mass fraction of 0.2%，the quality of cold storage materials for per kilogram of vegetable of 0.571 kg，and vegetables pre?cooling temperature of 4℃.But the porous sponge of 16 mm instead of 20 mm，and the mass fraction of nanofluids of 0.15%instead of 0.2%are suggested for economical reason.This experiment method and results provide a theo?retical basis for further experiments and analysis.

cold storage incubator；orthogonal test；influencing factors

TB657；TB383；TS255.5

A

0253－4339（2017）01－0073－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.073

2016年5月5日

劉斌，男，教授，博士，天津商業大學，（022）26667502，E?mail：lbtjcu＠tjcu.edu.cn。研究方向：低溫物流相關的生物傳熱傳質及能耗分析。

About the corresponding author

Liu Bin，male，professor，Ph.D.，Tianjin University of Com?merce，＋86 22?26667502，E?mail：lbtjcu＠tjcu.edu.cn.Re?search fields：analysis of heat and mass transfer and energy con?sumption in low temperature logistics.