邸倩倩 楊兆丹 劉斌 王瑞星

（天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhì)，以強(qiáng)化蓄冷箱的蓄冷效果。采用正交實(shí)驗(yàn)法，以胡蘿卜為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，箱內(nèi)空氣平均溫度對(duì)時(shí)間的積分值為對(duì)比指標(biāo)，分析海綿厚度（8 mm、16 mm、20 mm）、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.1%、0.15%、0.2%）、每千克蔬菜對(duì)應(yīng)的蓄冷材料質(zhì)量（0.429 kg、0.5 kg、0.571 kg）、蔬菜預(yù)冷溫度（－1℃、4℃、12℃）對(duì)蓄冷效果的影響。研究結(jié)果表明：影響蓄冷效果的主次因素為蔬菜預(yù)冷溫度、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、蓄冷材料質(zhì)量、海綿厚度；蓄冷效果隨著海綿厚度、PCM質(zhì)量分?jǐn)?shù)和PCM質(zhì)量的增大而增強(qiáng)，預(yù)冷溫度在4℃時(shí)較佳；由極差值可知，各因素的最優(yōu)水平為海綿厚度20 mm、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%、蓄冷材料質(zhì)量0.571 kg、預(yù)冷溫度4℃，但是從經(jīng)濟(jì)角度考慮，海綿厚度可以用16 mm代替20 mm，納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以用0.15%代替0.2%。該實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果具有指導(dǎo)借鑒作用，可以為后期的實(shí)驗(yàn)及分析提供理論基礎(chǔ)。

蓄冷包裝箱；正交實(shí)驗(yàn)；影響因素

冷鏈物流是食品冷鏈中的重要環(huán)節(jié)，而在運(yùn)輸過(guò)程中的主要任務(wù)之一就是使運(yùn)輸箱內(nèi)保持較長(zhǎng)時(shí)間的低溫，并減少運(yùn)輸期間的溫度波動(dòng)［1－2］。蓄冷運(yùn)輸箱能夠直接冷藏產(chǎn)品，無(wú)需在冷藏車上安裝制冷設(shè)備，并且可以根據(jù)不同的蓄冷材料選擇不同的溫度貯藏區(qū)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(dǎo)熱系數(shù)大，固體導(dǎo)熱系數(shù)小。水是最常用的一種蓄冷材料，但其過(guò)冷度大，充冷過(guò)程制冷系統(tǒng)能耗大，釋冷時(shí)間短［5］，并且僅適用于溫度在0℃以上的場(chǎng)合。有研究發(fā)現(xiàn)納米材料有效減弱了水蓄冷相變材料的過(guò)冷度大、釋冷時(shí)間短和釋冷量少等缺點(diǎn)［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(guān)注［11－16］。研究表明［17－18］，在水中添加一定量的納米顆?？梢杂行г黾尤芤旱膶?dǎo)熱系數(shù)和對(duì)流換熱系數(shù)。同時(shí)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(dǎo)熱系數(shù)、粘度和內(nèi)部溫度分布。Y.M.Xuan等［22］通過(guò)研究表明，通過(guò)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(wěn)定地分散在基液中；何欽波等［8］通過(guò)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(guò)冷度，減少凍結(jié)時(shí)間，增大單位時(shí)間釋冷量，且溶液具有優(yōu)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(cè)量了納米蓄冷包裝箱中菜花的溫度，并與常溫和預(yù)冷菜花在傳統(tǒng)保溫箱的情況進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，蓄冷包裝箱能有效延長(zhǎng)貯藏時(shí)間和運(yùn)輸距離。本文采用多孔介質(zhì)材料（海綿）來(lái)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(chǎn)生固化作用，進(jìn)而使蓄冷過(guò)程更穩(wěn)定［23］。但是對(duì)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(jìn)行具體的分析，進(jìn)而確定蓄冷箱蓄冷效果影響因素的主次順序和最優(yōu)水平對(duì)后期的實(shí)驗(yàn)、分析以及果蔬的貯藏運(yùn)輸有著重要的理論及實(shí)驗(yàn)意義。因此，為了研究海綿厚度、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、蓄冷材料質(zhì)量和果蔬預(yù)冷溫度這4種因素對(duì)納米蓄冷包裝箱的影響，本文采用正交實(shí)驗(yàn)，以胡蘿卜為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究以上4種因素對(duì)箱體內(nèi)溫度的影響。為后期的實(shí)驗(yàn)及分析提供理論基礎(chǔ)，并且為果蔬的貯藏運(yùn)輸提供理論參考。

1 蓄冷運(yùn)輸過(guò)程的能量分析

蓄冷箱的蓄冷量主要用來(lái)抵消蓄冷箱與環(huán)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(nèi)空氣的換熱量。

以蓄冷箱內(nèi)空氣為研究對(duì)象，箱內(nèi)溫度取10個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值，所以假設(shè)蓄冷箱內(nèi)部在同一瞬間均處于同一溫度；因?yàn)榭諝饬魉俚陀?／4音速，所以假定空氣為不可壓縮理想氣體；為了簡(jiǎn)化方程，采用綜合換熱系數(shù)h（W／（m2·℃））表示蓄冷箱與環(huán)境的總換熱系數(shù)。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(zhì)量，kg；ρ為箱內(nèi)空氣密度，kg／m3；c為空氣比熱容，J／（kg·℃）；τ為時(shí)間，s；A、Af分別為蓄冷箱換熱面積、果蔬與箱內(nèi)空氣接觸面積，m2；V為箱內(nèi)空氣所占體積，m3；th、t、tx、tf分別為環(huán)境溫度、箱內(nèi)空氣溫度、蓄冷材料溫度和箱內(nèi)果蔬溫度，℃；h1為蓄冷材料與箱內(nèi)空氣換熱系數(shù)，W／（m2·℃）；h2為蓄冷箱內(nèi)空氣與箱內(nèi)果蔬換熱系數(shù)，W／（m2·℃）；f（tf）為某溫度下實(shí)驗(yàn)果蔬的呼吸熱及溫度降低時(shí)所放出的熱量，J／s。

由公式（1）可知，右式各項(xiàng)對(duì)左項(xiàng)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持低溫。已知Al2O3?H2O納米材料隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，q減?。?4］，h1增大［25］；納米材料的質(zhì)量增大，即m增大，進(jìn)而使蓄冷箱蓄冷量增大，蓄冷時(shí)間增長(zhǎng)；果蔬的呼吸作用與預(yù)冷溫度有關(guān)，預(yù)冷可以明顯降低f（t），但是不同預(yù)冷溫度的影響大小不確定，并且果蔬吸熱量隨著預(yù)冷溫度的降低而升高；納米顆粒以及空隙的體積分?jǐn)?shù)影響溫度分布［26］，所以本實(shí)驗(yàn)采用低密度海綿對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有不可預(yù)估的影響，且海綿厚度增大，導(dǎo)熱熱阻增大，h減小；以上4種因素皆對(duì)蓄冷箱內(nèi)溫度有影響，并且蓄冷箱內(nèi)溫度變化進(jìn)一步改變公式（1）中右式各項(xiàng)的值，所以選取以上4種因素，以蓄冷箱內(nèi)溫度對(duì)時(shí)間的積分值為指標(biāo)，測(cè)量并比較它們對(duì)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(shè)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(jī)（SM?500B）；冰點(diǎn)儀；Hot Disk熱常數(shù)分析儀；電子天平（FA114）；T型熱電偶（測(cè)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(xué)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇為0.1% ～0.2%；海綿厚度較薄時(shí)，溶液不易分散，較厚時(shí)占箱體體積大，所以綜合考慮海綿厚度選擇8～20 mm；實(shí)驗(yàn)測(cè)得胡蘿卜冰點(diǎn)約為－2.5℃，所以預(yù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)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(shù)分析儀測(cè)量物性，物性參數(shù)如表1所示。2）按表3的實(shí)驗(yàn)方案，將對(duì)應(yīng)的納米流體分別倒入裝有相應(yīng)厚度塊狀海綿的袋子里，用封口機(jī)封住，作為蓄冷材料（PCM）。蓄冷袋的質(zhì)量與表3中實(shí)驗(yàn)方案相對(duì)應(yīng)，分別為0.3 kg、0.35 kg和0.4 kg（實(shí)驗(yàn)果蔬裝載量為7 kg，因此單位質(zhì)量蔬菜對(duì)應(yīng)的蓄冷材料質(zhì)量為0.429 kg、0.500 kg、0.571 kg）。實(shí)驗(yàn)前將蓄冷材料放入－10℃的冷庫(kù)中進(jìn)行完全冷凍10 h，此時(shí)蓄冷材料為－10℃。保溫箱尺寸：長(zhǎng)×寬×高＝440 mm×320 mm×230 mm，厚度為15 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.033～0.044 W／（m·℃），在箱體上下前后各個(gè)面均放置兩塊蓄冷材料，左右側(cè)面各放置一塊，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

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

測(cè)定實(shí)驗(yàn)所用納米流體和胡蘿卜的冰點(diǎn)分別約為0℃和－2.5℃，所以在常壓（0.1 MPa），預(yù)冷終溫分別為－1℃、4℃和室溫（12℃）下預(yù)冷12 min。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

為了選出最佳參數(shù)配比，選取海綿厚度（A）、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（B）、每千克蔬菜對(duì)應(yīng)的蓄冷材料質(zhì)量（C）和預(yù)冷溫度（D）四種因素，每種因素三個(gè)水平，按L9（34）正交實(shí)驗(yàn)表安排實(shí)驗(yàn)。所選因素及水平如表2。

胡蘿卜緊密錯(cuò)落布置，堆碼方式為：上下前后左右；實(shí)驗(yàn)熱電偶布置為下層5個(gè)，上層5個(gè)，分別為邊角和中心空氣中，如圖1所示。各個(gè)箱體果蔬裝載量相同，約為7 kg。經(jīng)過(guò)475 200 s，即5.5 d后，停止實(shí)驗(yàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)處理

用excel軟件計(jì)算各時(shí)刻10個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的平均值，origin軟件畫(huà)圖，并計(jì)算從初始到各時(shí)刻溫度與時(shí)間的積分值。

3 結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)積分值的分析

由于蓄冷箱運(yùn)輸過(guò)程中各傳熱系數(shù)和果蔬實(shí)際放熱量無(wú)法確定，所以無(wú)法計(jì)算蓄冷箱的實(shí)際放熱量，因此選取蓄冷箱外部環(huán)境溫度 th為對(duì)比溫度。假設(shè)蓄冷材料與果蔬為蓄冷箱內(nèi)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(shí)間內(nèi)蓄冷箱內(nèi)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(nèi)空氣的質(zhì)量（kg）和蓄冷箱內(nèi)空氣溫度（℃）。所以從初始時(shí)刻到時(shí)刻x，蓄冷箱內(nèi)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(nèi)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(nèi)空氣的初始內(nèi)能和x時(shí)刻內(nèi)能，J。

因?yàn)樾罾湎鋬?nèi)溫度在－1.7～12℃，所以假定空氣比熱容c為定值，且質(zhì)量m1不變，th為定值，則Uh為定值，故各工況在相同時(shí)刻下只有溫度th不同，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，直接選取溫度t部分作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，即公式（3）：

式中：積分值為從初始時(shí)刻到時(shí)刻x，蓄冷箱內(nèi)空氣各時(shí)刻的內(nèi)能之和與常數(shù)（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(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2所示為不同工況下蓄冷箱內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化，實(shí)驗(yàn)工況如表3所示。由圖2可知，蓄冷箱內(nèi)溫度分為三個(gè)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(shì)。恒溫階段保持約2.5×105s（69.4 h）。這是因?yàn)?，貯藏初期，蓄冷袋溫度較低，與蓄冷箱內(nèi)空氣和蔬菜進(jìn)行換熱（顯熱），此時(shí)箱內(nèi)溫度迅速降低，當(dāng)PCM溫度到達(dá)冰點(diǎn)溫度時(shí)，開(kāi)始吸收潛熱，此時(shí)PCM溫度保持恒定，箱內(nèi)溫度波動(dòng)較小，當(dāng)PCM全部融化后，溫度開(kāi)始上升。

圖2 不同工況下蓄冷箱內(nèi)溫度?時(shí)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(nèi)部溫度對(duì)時(shí)間的積分值曲線。由圖3可知，曲線保持前期平穩(wěn)后期升高的趨勢(shì)。這是因?yàn)橄鋬?nèi)溫度處于前兩個(gè)階段時(shí)溫度較低，且恒溫區(qū)溫度在0℃左右，所以積分值基本不變，當(dāng)箱內(nèi)溫度處于上升階段時(shí)，溫度升高，積分值迅速增大。同時(shí)由圖3可知，實(shí)驗(yàn)工況的優(yōu)劣依次是：8 ＞2＞6＞3＞4＞9＞7＞5＞1。

圖3 不同工況下箱體內(nèi)部的溫度對(duì)時(shí)間的積分值Fig.3 The inside temperature integral value in different working conditions

3.3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用極差法對(duì)正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及所得結(jié)果如表3所示。由表3中的極差值R可知，各因素對(duì)積分值影響的顯著性水平由大到小為：預(yù)冷溫度（D）＞納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（B）＞單位質(zhì)量蔬菜對(duì)應(yīng)的蓄冷材料質(zhì)量（C）＞海綿厚度（A）。其中，D、B變化時(shí)，指標(biāo)波動(dòng)較大，A、C變化時(shí)，指標(biāo)波動(dòng)較小，B、D指標(biāo)變化比A、C大一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)由表3可知，最優(yōu)水平為海綿厚度20 mm、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、單位質(zhì)量蔬菜對(duì)應(yīng)的蓄冷材料質(zhì)量0.571 kg、預(yù)冷溫度4℃，在此條件下蓄冷效果最好。

3.4 各因素水平對(duì)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(qiáng)。同時(shí)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(jīng)濟(jì)角度考慮，海綿厚度可以用16 mm代替20 mm。這是因?yàn)楹＞d厚度增加，增大了納米顆粒在海綿中的空隙，且導(dǎo)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增強(qiáng)。同時(shí)，納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)的積分值和0.15%的積分值相差不大。由文獻(xiàn)［27］可知，納米材料在凍融循環(huán)過(guò)程中容易產(chǎn)生納米顆粒的團(tuán)聚沉淀，所以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，有部分納米粉體凝聚成團(tuán)，沒(méi)有發(fā)揮較大作用，所以從經(jīng)濟(jì)角度考慮，納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以用0.15%代替0.2%。

由K值可知，蓄冷效果隨著PCM質(zhì)量與蔬菜質(zhì)量比值的增加而增強(qiáng)。這是因?yàn)镻CM質(zhì)量增加，蓄冷量增加。但質(zhì)量過(guò)大，會(huì)增加蓄冷箱體的質(zhì)量，造成箱體過(guò)重，增加搬運(yùn)和運(yùn)輸過(guò)程中的人力物力，并且當(dāng)箱體裝載量一定時(shí)，果蔬的裝載量減少。

表3正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab.3 Orthogonal experimental table and results

由K值可知，在－1℃、4℃和12℃之間，預(yù)冷溫度為4℃時(shí)最佳。預(yù)冷溫度4℃優(yōu)于－1℃的主要原因有兩點(diǎn)：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(guān)，但是當(dāng)溫度足夠低時(shí)，各種散熱較低，溫度波動(dòng)較小時(shí)，不會(huì)隨著溫度降低產(chǎn)生劇烈變化。王秀松等［28］研究表明，蔬菜的呼吸強(qiáng)度與溫度不呈正相關(guān)的關(guān)系，測(cè)定7種果蔬中，溫度在4～36℃時(shí)，果蔬在（4±1）℃呼吸強(qiáng)度最低。2）當(dāng)預(yù)冷溫度為－1℃時(shí)，果蔬溫度與外界的溫差增大，換熱量增加，且與其它預(yù)冷溫度組相比，－1℃預(yù)冷組箱內(nèi)溫度波動(dòng)較大，進(jìn)而增大了樣品的呼吸作用。以上原因?qū)е鹿叩姆艧崃亢铜h(huán)境的換熱量之和增加，進(jìn)而使得預(yù)冷溫度為－1℃的果蔬貯藏失去優(yōu)勢(shì)，蓄冷效果不一定好。

4 最優(yōu)水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

采用正交實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最優(yōu)水平，即海綿厚度20 mm、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、單位質(zhì)量蔬菜對(duì)應(yīng)的蓄冷材料質(zhì)量0.571 kg、預(yù)冷溫度4℃為第10組，以及海綿厚度16 mm、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%、單位質(zhì)量蔬菜對(duì)應(yīng)的蓄冷材料質(zhì)量0.571 kg、預(yù)冷溫度4℃為第11組，其它條件與另外9組相同，測(cè)量貯藏期間的溫度，并計(jì)算積分值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同工況下溫度及積分值隨時(shí)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(shí)間明顯優(yōu)于其它組，約3.35×105s（93 h）時(shí)，進(jìn)入升溫階段。貯藏結(jié)束時(shí)，積分值也較其它9組小。因此，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最優(yōu)水平為海綿厚度20 mm、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、單位質(zhì)量蔬菜對(duì)應(yīng)的蓄冷材料質(zhì)量0.571 kg、預(yù)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)兩組積分值差約為1×105J。所以兩組實(shí)驗(yàn)保溫效果相差不大，因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮，可以用海綿厚度16 mm代替20 mm，納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%代替0.2%。

5 結(jié)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(zhì)，并將蓄冷袋在－10℃下冷凍10 h，此時(shí)溫度為－10℃，對(duì)海綿厚度（8 mm、16 mm、20 mm）、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.1%、0.15%、0.2%）、每千克蔬菜對(duì)應(yīng)的蓄冷材料質(zhì)量（0.429 kg、0.5 kg、0.571 kg）、蔬菜預(yù)冷溫度（－1℃、4℃、12℃）4種因素采用正交實(shí)驗(yàn)法，以胡蘿卜為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在12℃左右的室溫下，測(cè)量不同條件下蓄冷箱內(nèi)的溫度。定義了以蓄冷箱內(nèi)溫度對(duì)時(shí)間的積分值，并以此為蓄冷箱影響因素的對(duì)比指標(biāo)。根據(jù)指標(biāo)值的對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1）影響蓄冷效果的主次因素依次為蔬菜預(yù)冷溫度（D）、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（B）、每千克蔬菜對(duì)應(yīng)的蓄冷材料質(zhì)量（C）、海綿厚度（A）。

2）各個(gè)因素的最優(yōu)水平為海綿厚度20 mm、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、每千克蔬菜對(duì)應(yīng)的蓄冷材料質(zhì)量0.571 kg、預(yù)冷溫度4℃。

3）蓄冷效果隨著海綿厚度、納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和每千克蔬菜對(duì)應(yīng)的蓄冷材料質(zhì)量的增大而增強(qiáng)，預(yù)冷溫度在－1～12℃，較佳為4℃。蔬菜預(yù)冷溫度和納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變動(dòng)時(shí)，指標(biāo)波動(dòng)較大，每千克蔬菜對(duì)應(yīng)的蓄冷材料質(zhì)量和海綿厚度波動(dòng)時(shí)，指標(biāo)波動(dòng)較小。所以從經(jīng)濟(jì)角度考慮，海綿厚度以16 mm代替20 mm，納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)以0.15%代替0.2%。

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

［1］ 楊勝平，謝晶，高志立，等.冷鏈物流過(guò)程中溫度和時(shí)間對(duì)冰鮮帶魚(yú)品質(zhì)的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29 （24）：302?310.（YANG Shengping，XIE Jing，GAO Zhili，et al.Effect of temperature and time fluctuations on quality changes of iced Trichiurus haumela in cold chain logistics process［J］.Transactions of the Chinese Society of Agri?cultural Engineering，2013，29（24）：302?310.）

［2］ Oró E，Miró L，F(xiàn)arid M M，et al.Thermal analysis of a low temperature storage unit using phase change materials without refrigeration system［J］.International Journal of Refrigeration，2012，35（6）：1709?1714.

［3］ 楊松夏，呂恩利，陸華忠，等.不同保鮮運(yùn)輸方式對(duì)荔枝果實(shí)品質(zhì)的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（10）：225?232.（YANG Songxia，LYU Enli，LU Huazhong，et al. Effects of different fresh?keeping transportation modes on quality of litchi fruit［J］.Transactions of the Chinese Soci?ety of Agricultural Engineering，2014，30（10）：225?232.

［4］ Oró E，Gracia A D，Castell A，et al.Review on phase change materials（PCMs）for cold thermal energy storage applications［J］.Applied Energy，2012，99：513?533.）

［5］ 朱志強(qiáng)，張小栓，于晉澤.我國(guó)鮮活農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流與納米蓄冷材料的應(yīng)用［J］.中國(guó)果菜，2014，34（6）：14?18. （ZHU Zhiqiang，ZHANG Xiaoshuan，YU Jinze.Nano cool?storage material and cold?chain logistics of fresh agri?culture products［J］.China Fruit Vegetable，2014，34 （6）：14?18.）

［6］ 楊碩，朱冬生，吳淑英，等.Al2O3?H2O納米流體相變蓄冷特性研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2010，31（1）：23?26.（YANG Shuo，ZHU Dongsheng，WU Shuying，et al.Study on phase?change cold storage characteristics of Al2O3?H2O nanofluids［J］.Journal of Refrigeration，2010，31（1）：23?26.）

［7］ 趙聰穎，閆素英，田瑞，等.SiO2納米流體在太陽(yáng)能集熱管中的傳熱特性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（20）：236?243.（ZHAO Congying，YAN Suying，TIAN Rui，et al. Heat transfer characteristics of SiO2nanofluid flow inside solar?collector vacuum tubes［J］.Transactions of the Chi?nese Society of Agricultural Engineering，2014，30（20）：236?243.）

［8］ 何欽波，童明偉，劉玉東.低溫相變蓄冷納米流體成核過(guò)冷度的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2007，28（4）：33?36.（HE Qinbo，TONG Mingwei，LIU Yudong.Experi?mental study on super?cooling degree of nanofluids for cryo?genic cool storage［J］.Journal of Refrigeration，2007，28 （4）：33?36.）

［9］ 章學(xué)來(lái)，丁錦宏，羅孝學(xué)，等.納米二氧化鈦—赤藻糖醇儲(chǔ)能體系實(shí)驗(yàn)研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2016，37（1）：70?76. （ZHANG Xuelai，DING Jinhong，LUO Xiaoxue，et al. Experimental research on nanotitanium?erythritol energy storage system ［J］.Journal of Refrigeration，2016，37（1）：70?76.）

［10］Harikrishnan S，Kalaiselvam S.Preparation and thermal characteristics of CuO?oleic acid nanofluids as a phase change material［J］.Thermochimica Acta，2012，533：46?55.

［11］Wang X Q，Mujumdar A S.Heat transfer characteristics of nanofluids：a review［J］.International Journal of Thermal Sciences，2007，46（1）：1?19.

［12］Das S K，Choi S U S，Patel H E.Heat transfer in nanoflu?ids—a review［J］.Heat Transfer Engineering，2006，27 （10）：3?19.

［13］Chein R，Chuang J.Experimental microchannel heat sink performance studies using nanofluids［J］.International Journal of Thermal Sciences，2007，46（1）：57?66.

［14］Tzeng S C，Lin C W，Huang K D.Heat transfer enhance?ment of nanofluids in rotary blade coupling of four?wheel?drive vehicles［J］.Acta Mechanica，2005，179（1／2）：11?23.

［15］Altohamy A A，Rabbo M F A，Sakr R Y，et al.Effect of water based Al2O3nanoparticle PCM on cool storage per?formance［J］.Applied Thermal Engineering，2015，84：331?338.

［16］何欽波，汪雙鳳，曾社銓，等.直接吸收式太陽(yáng)能集熱納米流體輻射特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2014，35（1）：109?113.（HE Qinbo，WANG Shuangfeng，ZENG Shequan，et al.Experimental investigation on radiation characteristic of nanofluids for direct absorption solar thermal energy sys?tems［J］.Journal of Refrigeration，2014，35（1）：109?113.）

［17］Masuda H，Ebata A，Teramae K，et al.Alteration of ther?mal conductivity and viscosity of liquid by dispersing ultra?fine particles（dispersion of Al2O3，SiO2and TiO2ultra?fine particles［J］.Netsu Bussei，1993，7（4）：227?233.

［18］李強(qiáng)，宣益民.銅?水納米流體流動(dòng)與對(duì)流換熱特性［J］.中國(guó)科學(xué)E輯：技術(shù)科學(xué)，2002，32（3）：331?337.（LI Qiang，XUAN Yimin.The flow and convective characteris?tics and heat transfer of Cu?water nano fluid［J］.Science in China，Ser.E，2002，32（3）：331?337.）

［19］彭小飛，俞小莉，夏立峰，等.低濃度納米流體粘度變化規(guī)律試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（4）：138?141. （PENG Xiaofei，YU Xiaoli，XIA Lifeng，et al.Viscosity of low concentration nanofluids［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2007，38（4）：138?141.）

［20］Sun Bin，Peng Cheng，Zuo Ruiliang，et al.Investigation on the flow and convective heat transfer characteristics of nanofluids in the plate heat exchanger［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2016，76：75?86.

［21］Motahar S，Nikkam N，Alemrajabi A A，et al.A novel phase change material containing mesoporous silica nanop?articles for thermal storage：a study on thermal conductivity and viscosity［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer，2014，56：114?120.

［22］Xuan Y M，Li Q.Heat transfer enhancement of nanofluids ［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2000，21（1）：58?64.

［23］王瑞星，劉斌，邸倩倩，等.菜花在納米蓄冷運(yùn)輸包裝箱里的溫度變化研究［J］.食品工業(yè)，2014，35（11）：110?113.（WANG Ruixing，LIU Bin，DI Qianqian，et al. Study on cauliflowers′temperature change in nano cold storage shipping container［J］.The Food Industry，2014，35（11）：110?113.）

［24］高丕英，李江波.物理化學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007：345?357.（GAO Piying，LI Jiangbo.Physical and chemistry［M］.Beijing：Science Press，2007：345?357.）

［25］Heris S Z，Etemad S G，Esfahany M N.Experimental in?vestigation of oxide nanofluids in flow convective heat trans?fer［J］.International Communications in Heat Transfer，2006，33（4）：529?535.

［26］Hossain R，Mahmud S，Dutta A，et al.Energy storage system based on nanoparticle?enhanced phase change mate?rial inside porous medium［J］.International Journal of Thermal Sciences，2015，91：49?58.

［27］Tseng W J，Chen C N.Dispersion and rheology of nickel nanoparticle inks［J］.Journal of Materials Science，2006，41（4）：1213?1219.

［28］王秀松，張玉敏.鮮貯蔬菜最佳溫度的探討［J］.食品科學(xué)，1990（6）：56?59.（WANG Xiusong，ZHANG Yumin. The discussion on the optimum temperature of fresh vegeta?bles［J］.Food Science，1990（6）：56?59.）

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(yè)大學(xué)，（022）26667502，E?mail：lbtjcu＠tjcu.edu.cn。研究方向：低溫物流相關(guān)的生物傳熱傳質(zhì)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.