Al2O3-H2O納米蓄冷箱堆碼試驗的研究

王亞會，邸倩倩，劉 斌，王瑞星

( 天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津商業(yè)大學，天津 300134 )

Al2O3-H2O納米蓄冷箱堆碼試驗的研究

王亞會，邸倩倩，劉 斌，王瑞星

( 天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津商業(yè)大學，天津 300134 )

隨著人們生活水平的提高，對食品品質(zhì)的要求也不斷的提高，尤其是果蔬的新鮮度。蓄冷運輸是解決冷鏈斷鏈的有效措施。Al2O3-H2O納米流體蓄冷材料制備時采用低密度海綿來吸附納米流體中的納米顆粒，抵御重力作用造成納米顆粒的沉淀，以達到較長時間的穩(wěn)定。采用堆碼實驗，以胡蘿卜為實驗對象，分析Al2O3-H2O納米流體蓄冷材料堆碼方式(五種)，蔬菜預冷溫度(-1℃、4℃、13℃)，蓄冷材料的質(zhì)量(5.1kg、4.6kg、3.0kg、2.4kg、1.5kg)，三種因素對Al2O3-H2O納米蓄冷包裝箱蓄冷效果的影響。研究結(jié)果表明：果蔬不同預冷溫度使蓄冷箱中恒溫區(qū)域明顯不同，其中恒溫區(qū)域Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ；對于同一預冷溫度下五種堆碼方式下的果蔬溫度趨勢基本一致，且保鮮時間堆碼方式1>2>3>4>5；對于存放相同質(zhì)量胡蘿卜的蓄冷箱中蓄冷材料質(zhì)量越大保溫效果越好，在實際中可根據(jù)保溫時間選擇合適的預冷溫度。該實驗方法及結(jié)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(chǔ)。

Al2O3-H2O納米流體；蓄冷包裝箱；堆碼試驗

果蔬對均衡人體營養(yǎng)及保證身體健康起著至關(guān)重要的作用[1]，因此果蔬的品質(zhì)一直是人們關(guān)注的問題。王秀松等[2]實驗研究得出呼吸強度在(4±1)℃呼吸強度最低，為了保證果蔬的新鮮度，需要在果蔬冷藏運輸、貯藏過程中保持較長時間的低溫，并減少運輸期間的溫度波動。要達到此標準對蓄冷材料的要求就不斷提高。水是一種重要的蓄冷材料，相變潛熱大、且無毒無味、價格低廉，但水的相變溫度為0℃，因此僅適用于溫度為0℃以上的場合。

隨著納米流體技術(shù)的發(fā)展，為研究相變蓄冷材料提供了新的方向。納米蓄冷材料在冷鏈運輸中受到了人們的高度重視[3-5]。朱冬生等[6-8]對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冷量、釋冷量、蓄冷率、釋冷率。降低了基液的過冷度，增大結(jié)冰速率，明顯縮短結(jié)冰時間，相同時間內(nèi)的蓄冷量比水多，且質(zhì)量分數(shù)越大，結(jié)冰量越多。蔡敏等[9]對冷藏板車中牛肉的溫度場分布研究發(fā)現(xiàn)貨物不同的堆碼方式對貨物溫度場有較大的影響。郭嘉明、呂恩利等[10]以差壓原理對保鮮運輸車中的不同堆碼方式下的果蔬溫度場的分布進行數(shù)值模擬，并得出貨物堆碼方式影響箱體內(nèi)的溫度分布。但是對于蓄冷運輸箱中蓄冷材料的堆碼方式對果蔬溫度的影響研究較少。

我們課題組近兩年在Al2O3-H2O納米流體蓄冷方面做了一些研究，如王瑞星等[11]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(tǒng)保溫箱的情況進行了對比，結(jié)果表明蓄冷包裝箱能有效延長貯藏時間和運輸距離。但對于納米流體蓄冷材料的堆碼方式對蓄冷箱中溫度的影響仍需進一步研究。實驗首先制備Al2O3-H2O納米流體，我們課題組采用多孔介質(zhì)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的沉淀，并產(chǎn)生固化作用，進而使蓄冷過程更穩(wěn)定[11]。實驗主要是研究蓄冷材料與果蔬之間不同的堆碼方式(本實驗為胡蘿卜)對果蔬溫度分布的影響。研究結(jié)果對實際冷藏運輸過程中選擇合適的蓄冷材料堆碼方式具有一定的指導作用。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

Al2O3超聲波震蕩儀；磁力加熱攪拌器；電子天平；封口機；電子稱；T型熱電偶(測量精度±0.2℃)。

納米粉體：杭州萬景新材料有限公司生產(chǎn)，顆粒平均粒徑為20nm，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：天津市致遠化學試劑有限公司生產(chǎn)，SDBS，化學純，陰離子型表面活性劑；海綿，去離子水，包裝袋，滴管，冷庫，胡蘿卜(來自天津市韓家墅海吉星批發(fā)市場)等。

1.2 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[8]方法制備納米蓄冷箱和蓄冷材料。用電子天平(精度0.1mg)按比例稱取Al2O3納米粉體和去離子水，配備成質(zhì)量分數(shù)為0.2%懸浮液，加入適量的分散劑SDBS，用磁力加熱攪拌器攪拌20min，超聲波震蕩2h。將對應的納米流體分別倒入裝有厚度為20mm的塊狀海綿的袋子里，用封口機封住，作為蓄冷材料。

蓄冷材料的質(zhì)量：1號袋質(zhì)量為500g，2號袋質(zhì)量為800g。

實驗前將蓄冷材料放入-10℃的冷庫中進行完全冷凍10h。納米流體蓄冷袋如圖1所示，箱體前后面均放置2號蓄冷材料，其它面放置1號材料。

1.3 實驗方案

實驗采用5種堆碼方式，每組實驗重復5次取平均值。堆碼方式及堆碼圖形分別如表1和圖3所示。

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

圖2 EPS保溫包裝箱 Fig.2 EPS Heat preservation box

圖3 蓄冷材料布置圖Fig.3 Cold storage material layout

表1 堆碼實驗工況

Table 1 stacking test conditions

堆碼方式編號實驗工況-1℃4℃13℃(未預冷)蓄冷材料質(zhì)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

胡蘿卜緊密布置，各箱內(nèi)胡蘿卜裝載量相同，為7kg，經(jīng)過5天后該組試驗結(jié)束。預冷終溫為-1℃，4℃和室溫(13℃)，預冷時間為10min。試驗測得所用胡蘿卜點約為-2.5℃。熱電偶布置方式為箱體內(nèi)空氣的上、下層四個邊角加中心以及蓄冷材料。

2 數(shù)據(jù)處理

采用Excell計算各時刻下測點的平均值，并采用Origin軟件對試驗結(jié)果進行畫圖分析。

3 實驗結(jié)果及分析

圖4 Ⅰ組箱體內(nèi)溫度—時間變化曲線Fig.4 The inside temperature vs time curve in groupⅠ

圖5 Ⅱ組箱體內(nèi)溫度—時間變化曲線Fig.5 The inside temperature vs time curve in group Ⅱ

圖6 Ⅲ組箱體內(nèi)溫度—時間變化曲線Fig.6 The inside temperature vs time curve in group Ⅲ

圖4～圖6為蓄冷材料不同堆碼方式下的胡蘿卜的溫度隨時間變化的曲線圖。對于各組實驗，材料的質(zhì)量分數(shù)均為0.2%，從圖中可以明顯看出恒溫區(qū)域不同，可見對于不同的堆碼方式及不同的蓄冷材料質(zhì)量，胡蘿卜的溫度有所差別。由圖中曲線可知，幾組實驗中，隨著時間的延長，胡蘿卜的溫度均呈上升趨勢，只是維持低溫的時間不同，保溫時間基本為堆碼方式1>2>3>4>5(1與2基本接近)，這是因為當堆碼方式為1、2時每個面均有蓄冷材料(蓄冷材料質(zhì)量較大)，蓄冷量大，蓄冷材料的冷量向內(nèi)部傳輸較多，胡蘿卜從外界吸收熱量較少，可以使胡蘿卜在較長時間內(nèi)維持較低溫度(此時胡蘿卜呼吸作用最弱)。當堆碼方式為3、4、5(蓄冷材料質(zhì)量小，需冷量少)時胡蘿卜直接與保溫箱體接觸和環(huán)境換熱，蓄冷材料釋放的冷量用于克服環(huán)境向胡蘿卜傳輸?shù)臒崃亢秃}卜自身新陳代謝釋放的熱，所以保溫時間短且溫度高。在實際應用中可根據(jù)不同的保溫時間和溫度選擇堆碼方式和預冷溫度。且-1℃和4℃實驗結(jié)果相差不大，當考慮節(jié)能因素時可以以4℃代替-1℃。

4 實驗結(jié)論

(1)在每一預冷溫度下，五種堆碼方式實驗所得果蔬溫度趨勢基本一致，但保溫時間不同。

(2)同一堆碼方式下果蔬的預冷溫度為-1 ℃、4℃時較(未經(jīng)預冷處理)室溫下果蔬保溫時間較長對運輸有利。且預冷溫度為-1℃、4℃時對于相同的堆碼方式果蔬保溫時間和溫度均相差不多，在實際應用中可根據(jù)實際情況進行選擇。

(3)同一預冷溫度下蓄冷材料不同的堆碼方式對果蔬保溫時間有較大影響，基本保鮮時間趨勢為堆碼方式1>2>3>4>5。

(4)當堆碼方式為1、2時蓄冷材料質(zhì)量較大，蓄冷量較大對于相同質(zhì)量的果蔬能夠維持在較低溫度且時間較長。

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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

四川省科技支撐項目(2015N20071)；天津市科技支撐項目(142CZDNC00016)

王亞會(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：熱質(zhì)傳遞與強化傳熱。Email：1510133100@qq.com

ISSN1005-9180(2017)02-016-05

U492.3+36.4 文獻標示碼：A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.004