相變儲能在冷鏈物流中的應(yīng)用與研究進展

章學(xué)來，張時華，徐笑鋒，劉 升

（1.上海海事大學(xué)蓄冷技術(shù)研究所，上海 201306；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心，北京 100097）

運輸途中精準(zhǔn)的溫度管理對于保持高品質(zhì)新鮮水果和蔬菜至關(guān)重要，由于缺少冷鏈的保障，我國每年都會有大量果蔬在運輸途中失去商品價值，損失率多達(dá)20%以上[1-3]。食品處于所需求的冷鏈物流溫度區(qū)間內(nèi)可以有效地延緩其品質(zhì)的下降速率[4]。蓄冷技術(shù)是指在用電低谷時期，將制冷機組產(chǎn)生的冷量儲存在相變材料中，并且在用電高峰期時釋放冷量滿足冷負(fù)荷的需求[5-6]，其在預(yù)冷、蓄冷包裝、低溫運輸配送、低溫貯藏等冷鏈的各環(huán)節(jié)中都具有廣泛的應(yīng)用[7-10]。相變蓄冷材料的潛熱較高，導(dǎo)熱性能較好，穩(wěn)定性較強[11-14]，利用相變蓄冷原理[15-17]，將不同溫度區(qū)間的相變材料填充至冷鏈運輸裝置中，達(dá)到果蔬冷鏈物流的溫控要求[18-21]。

1 冷鏈物流中相變材料的研究

能源供求在時間、地點及強度上一直存在不均衡的問題，相變儲能技術(shù)能夠有效改善這一問題[22-24]。相變材料的潛熱是指在材料相變過程中吸收或釋放的能量。相變的發(fā)生由相變材料所處環(huán)境溫度決定，可廣泛應(yīng)用于控溫領(lǐng)域[25-27]。

相變儲能在冷鏈物流中應(yīng)用的關(guān)鍵問題是相變材料的選擇。相變材料常分為有機、無機和復(fù)合相變材料三大類。有機相變材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、相變潛熱值高、無相分離和低過冷度，但相變潛熱逐漸退化和導(dǎo)熱系數(shù)較低（0.1～0.7 W·m-1·K-1）是有機相變材料今后需要解決的問題[28-30]。無機相變材料成本低、相變潛熱穩(wěn)定、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，但過冷度較高、相分離嚴(yán)重以及腐蝕性強等特性制約其廣泛應(yīng)用[31]。復(fù)合相變材料由混合兩種或多種相變材料組成，通過調(diào)節(jié)混合物中各組分的比例來滿足溫度的需求[32-33]，具有相變潛熱高、導(dǎo)熱率高以及無明顯相分離、過冷度低的特點[34]。Chen 等[35]制備了用于低溫儲能的穩(wěn)定十二烷/二氧化硅復(fù)合相變材料，通過試驗驗證了該復(fù)合相變材料具有良好的冷儲性能。徐婷[36]模擬分析了復(fù)合相變材料對儲能系統(tǒng)傳熱性能的影響，驗證了片狀石墨微粉加入相變材料使其熱物理性質(zhì)有很大的提升。表1 總結(jié)了常用相變蓄冷材料的相變潛熱和相變溫度。

表1 相變蓄冷材料的熱物性參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of phase change materials for cold storge

2 蓄冷技術(shù)在運輸配送中的應(yīng)用

2.1 預(yù)冷

常用的預(yù)冷方法有空氣預(yù)冷、流化冰預(yù)冷和真空預(yù)冷等[41-43]?？諝忸A(yù)冷存在冷卻速度慢、冷卻不均勻、干耗大等缺點。真空預(yù)冷技術(shù)可以快速去除果蔬的田間熱，在短時間內(nèi)迅速均勻冷卻，保證果蔬的商品價值和營養(yǎng)成分，但設(shè)備造價較高昂[44]。

魚類主要是利用流化冰進行預(yù)冷，即將魚類完全浸泡在流化冰中，降低魚體溫度，進而可以防止魚類表面氧化，抑制細(xì)菌繁殖，在降低酶活性的同時可減少對魚體表面的損傷[45-48]。胡瀟予等[49]研究了流化冰預(yù)冷對鱸魚運輸期間儲藏品質(zhì)變化的影響，通過對鱸魚的感官品質(zhì)、理化指標(biāo)（pH、鹽度、質(zhì)構(gòu)與TBARS值）和微生物（菌落總數(shù)）指標(biāo)進行測定，同時結(jié)合掃描電鏡與聚丙烯酰胺凝膠電泳分析，綜合評價其鮮度變化情況，結(jié)果表明流化冰預(yù)冷配以合適的冰溫冷鏈，可以滿足鱸魚的長距離運輸和銷售。

2.2 蓄冷包裝

復(fù)合纖維素相變材料是一種新型活性包裝材料。相變材料可通過微膠囊化實現(xiàn)形狀穩(wěn)定?；谖⒛z囊化，相變材料（PCM）與不同的支撐材料混合后可制備出形狀穩(wěn)定的相變材料。該方法可以同時解決液態(tài)相變材料的封裝漏液和有機相變材料的低導(dǎo)熱問題。

Melone 等[50]研制了在7～13 ℃溫度區(qū)間的冷藏包裝，對比不同相變潛熱值的復(fù)合相變材料。通過負(fù)壓過濾技術(shù)將微膠囊化石蠟均勻地分散在紙基質(zhì)中，測試微膠囊相變材料在紙基質(zhì)中的傳熱速率。結(jié)果表明：溫度從0 ℃升至10 ℃純紙張大約需要8 min，含有25%相變材料的紙張需要33 min，含有50%相變材料的紙張溫度上升需要87 min。紙張中有相變材料存在時溫度的傳熱時間明顯延長，同時整體材料的密度和比熱的增加也發(fā)揮了保溫作用。

Leducq 等[51]利用蓄冷材料使冰淇淋在運輸和儲存過程中保持恒溫，并將其性能與絕熱材料（聚苯乙烯）進行了比較。結(jié)果表明：存放65 d 后，兩種包裝對產(chǎn)品的最終質(zhì)量沒有顯著差異；蓄冷材料包裝的溫度波動較聚苯乙烯包裝小，且相同的保冷效果下蓄冷包裝更薄。

Oró 等[52]設(shè)計了新型冰淇淋蓄冷容器，同時建立數(shù)學(xué)模型，分析不同的包裝案例，量化新型容器參數(shù)，達(dá)到最佳經(jīng)濟效益。通過案例對比分析，最終選擇在原有容器的底部外擴10 mm、兩側(cè)外擴20 mm，同時填充相變材料，與原有設(shè)計相比，該設(shè)計所占的額外體積僅為7%，但容器熱防護性提升30%。

2.3 蓄冷式冷藏車

隨著冷鏈物流行業(yè)的高速發(fā)展，冷藏車作為冷鏈物流運輸配送中主要的交通工具，其需求量年均增長率約在8%～12%[53]。廂體內(nèi)部溫度場分布的均勻性和穩(wěn)定性是檢驗冷藏車運輸物品質(zhì)的主要標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)機械式冷藏車不同，蓄冷式冷藏車的冷源是蓄冷板。蓄冷板在輸出冷量時較為平穩(wěn)，可以根據(jù)果蔬冷負(fù)荷來調(diào)整蓄冷板的數(shù)量，并且選擇用電低峰期進行蓄冷板蓄冷。

蓄冷式冷藏車的穩(wěn)定性與可靠性需要通過大量的試驗研究與模擬驗證。李靖等[54]利用凝固點降低理論得出20%氯化鈉溶液和50%丙三醇溶液為熱力學(xué)性能最優(yōu)復(fù)合相變材料，反復(fù)相變后發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性較好，屬于基本無腐蝕范疇。與機械式冷藏車相比，蓄冷式冷藏車初期投資較大，但運行費用、穩(wěn)定性和環(huán)保節(jié)能方面具有較明顯的優(yōu)勢。謝如鶴等[55]對冷板頂置、冷板側(cè)置、冷板部分頂置部分側(cè)置三種冷板布置方式進行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計算，模擬與實測的誤差在絕對誤差±20%之內(nèi)，證明了模型的可行性。綜合考慮布置方式、車廂內(nèi)可用容積、重心高度等因素，空載試驗結(jié)果表明部分頂置部分側(cè)置的方式更利于車廂內(nèi)溫度場的溫度均勻分布和延長保溫時間?？紤]到車廂內(nèi)自然對流對溫度場均勻性的影響，提出在車廂內(nèi)進行合理的送風(fēng)，提高蓄冷板的冷藏效率。同時，王安冉[56]分析了加裝蓄冷板后車廂內(nèi)氣流場和溫度場的分布特征。試驗發(fā)現(xiàn)：廂內(nèi)貨物與頂部的間隙對整體溫度分布的均勻性不會產(chǎn)生明顯影響，但對貨物本身的降溫速度有影響，隨著預(yù)留貨物與車頂間的距離變小，貨物周圍的換熱系數(shù)增大，進而整體貨物區(qū)溫度降溫速率增大；廂內(nèi)降低相同的溫度，貨物預(yù)留與廂頂?shù)木嚯x越短，整體貨物降溫時間越長，降溫溫差越大，不同預(yù)留距離對貨物降溫時間的影響較大。Saif等[57]提出：在肉制品運輸系統(tǒng)和疫苗冷供應(yīng)鏈中建立相應(yīng)的儲能系統(tǒng)，通過對倉儲容量和成本進行混合整數(shù)最小化模型分析，建立儲能系統(tǒng)會小幅增加成本，但能降低貨物腐損率，并大幅降低冷供應(yīng)鏈對全球變暖的影響。

李錦等[58]建立了車廂內(nèi)的降溫模型，通過驗證試驗分析出運輸中車速、廂體導(dǎo)熱率等對廂內(nèi)降溫速率的影響。韓佳偉等[59]建立了基于短距離冷藏運輸車廂內(nèi)溫度場模型，針對0 ℃和3 ℃的制冷工況，同時考慮制冷機組功率和貨物最佳冷藏溫度，得到運輸途中開、關(guān)冷風(fēng)機的最佳間隔時間。李君等[60]應(yīng)用計算流體力學(xué)分析了在不同的真空絕熱板（VIP）覆蓋率下冷藏車內(nèi)的溫度分布情況，結(jié)果表明在冷藏車廂體嵌入真空絕熱板可以改善箱體內(nèi)部溫度場的穩(wěn)定性。

3 蓄冷技術(shù)在低溫倉儲中的應(yīng)用研究

將蓄冷技術(shù)應(yīng)用于低溫倉儲系統(tǒng)中是冷鏈物流行業(yè)發(fā)展的趨勢[61]。蓄冷技術(shù)應(yīng)用于保鮮系統(tǒng)中，具有節(jié)能環(huán)保、冷庫溫濕度穩(wěn)定等特點。江燕濤[62]將動態(tài)冰漿蓄冷濕冷保鮮技術(shù)應(yīng)用在傳統(tǒng)冷庫中，通過對比發(fā)現(xiàn)動態(tài)冰漿蓄冷濕冷冷庫具有能效比高、初期投資少、冷庫內(nèi)溫濕度穩(wěn)定等優(yōu)點。孫靜等[63]設(shè)計了以乙二醇為蓄冷液的冷庫，該冷庫的平均溫度穩(wěn)定在0.18～0.32 ℃，最大溫差0.8 ℃。由于峰谷電價的政策，乙二醇蓄冷庫運行電費僅是傳統(tǒng)冷庫的75%。結(jié)果表明，將相變材料乙二醇引入到傳統(tǒng)冷庫系統(tǒng)中，使得冷庫內(nèi)溫度分布均勻且穩(wěn)定，并且運行成本大幅度降低。

4 結(jié)論與展望

我國食物年產(chǎn)值約3 000 多億美元，由于缺少對冷鏈物流的標(biāo)準(zhǔn)化管理，導(dǎo)致每年約700 億美元的浪費，占年產(chǎn)總值的20%。低溫運輸體系的完善可以保證易腐及保鮮要求高的食品的品質(zhì)。我國冷鏈物流市場潛力巨大，冷鏈物流蓄冷技術(shù)今后的研究可關(guān)注以下幾個方面：

（1）針對不同溫度區(qū)間的冷鏈物流，研制對應(yīng)溫區(qū)高性能相變蓄冷材料仍然是研究重點。

（2）模型模擬計算可以反映冷鏈物流中運輸裝備的溫度場分布。冷藏運輸裝備為復(fù)雜的傳質(zhì)換熱系統(tǒng)，受多個因素影響，溫度場的時滯性和非線性對溫度精準(zhǔn)控制的影響需要進一步的研究。

（3）將流化冰預(yù)冷和蓄冷板應(yīng)用于運輸配送、低溫倉儲和銷售各環(huán)節(jié)中，滿足冷鏈物流溫度需求的同時，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

（4）開發(fā)應(yīng)用相變材料的紙板包裝技術(shù)，研制滿足易腐食品要求的微膠囊化纖維素復(fù)合相變材料，以開辟易腐產(chǎn)品物流運輸?shù)男碌缆贰?/p>