相变储能在冷链物流中的应用与研究进展

2021-03-01章学来张时华徐笑锋

保鲜与加工 2021年2期

章学来，张时华，徐笑锋，刘升

（1.上海海事大学蓄冷技术研究所，上海 201306；2.北京市农林科学院蔬菜研究中心，北京 100097）

运输途中精准的温度管理对于保持高品质新鲜水果和蔬菜至关重要，由于缺少冷链的保障，我国每年都会有大量果蔬在运输途中失去商品价值，损失率多达20%以上[1-3]。食品处于所需求的冷链物流温度区间内可以有效地延缓其品质的下降速率[4]。蓄冷技术是指在用电低谷时期，将制冷机组产生的冷量储存在相变材料中，并且在用电高峰期时释放冷量满足冷负荷的需求[5-6]，其在预冷、蓄冷包装、低温运输配送、低温贮藏等冷链的各环节中都具有广泛的应用[7-10]。相变蓄冷材料的潜热较高，导热性能较好，稳定性较强[11-14]，利用相变蓄冷原理[15-17]，将不同温度区间的相变材料填充至冷链运输装置中，达到果蔬冷链物流的温控要求[18-21]。

1 冷链物流中相变材料的研究

能源供求在时间、地点及强度上一直存在不均衡的问题，相变储能技术能够有效改善这一问题[22-24]。相变材料的潜热是指在材料相变过程中吸收或释放的能量。相变的发生由相变材料所处环境温度决定，可广泛应用于控温领域[25-27]。

相变储能在冷链物流中应用的关键问题是相变材料的选择。相变材料常分为有机、无机和复合相变材料三大类。有机相变材料化学性质稳定、相变潜热值高、无相分离和低过冷度，但相变潜热逐渐退化和导热系数较低（0.1～0.7 W·m-1·K-1）是有机相变材料今后需要解决的问题[28-30]。无机相变材料成本低、相变潜热稳定、导热性能优良，但过冷度较高、相分离严重以及腐蚀性强等特性制约其广泛应用[31]。复合相变材料由混合两种或多种相变材料组成，通过调节混合物中各组分的比例来满足温度的需求[32-33]，具有相变潜热高、导热率高以及无明显相分离、过冷度低的特点[34]。Chen 等[35]制备了用于低温储能的稳定十二烷/二氧化硅复合相变材料，通过试验验证了该复合相变材料具有良好的冷储性能。徐婷[36]模拟分析了复合相变材料对储能系统传热性能的影响，验证了片状石墨微粉加入相变材料使其热物理性质有很大的提升。表1 总结了常用相变蓄冷材料的相变潜热和相变温度。

表1 相变蓄冷材料的热物性参数Table 1 Thermophysical parameters of phase change materials for cold storge

2 蓄冷技术在运输配送中的应用

2.1 预冷

常用的预冷方法有空气预冷、流化冰预冷和真空预冷等[41-43]。空气预冷存在冷却速度慢、冷却不均匀、干耗大等缺点。真空预冷技术可以快速去除果蔬的田间热，在短时间内迅速均匀冷却，保证果蔬的商品价值和营养成分，但设备造价较高昂[44]。

鱼类主要是利用流化冰进行预冷，即将鱼类完全浸泡在流化冰中，降低鱼体温度，进而可以防止鱼类表面氧化，抑制细菌繁殖，在降低酶活性的同时可减少对鱼体表面的损伤[45-48]。胡潇予等[49]研究了流化冰预冷对鲈鱼运输期间储藏品质变化的影响，通过对鲈鱼的感官品质、理化指标（pH、盐度、质构与TBARS值）和微生物（菌落总数）指标进行测定，同时结合扫描电镜与聚丙烯酰胺凝胶电泳分析，综合评价其鲜度变化情况，结果表明流化冰预冷配以合适的冰温冷链，可以满足鲈鱼的长距离运输和销售。

2.2 蓄冷包装

复合纤维素相变材料是一种新型活性包装材料。相变材料可通过微胶囊化实现形状稳定。基于微胶囊化，相变材料（PCM）与不同的支撑材料混合后可制备出形状稳定的相变材料。该方法可以同时解决液态相变材料的封装漏液和有机相变材料的低导热问题。

Melone 等[50]研制了在7～13 ℃温度区间的冷藏包装，对比不同相变潜热值的复合相变材料。通过负压过滤技术将微胶囊化石蜡均匀地分散在纸基质中，测试微胶囊相变材料在纸基质中的传热速率。结果表明：温度从0 ℃升至10 ℃纯纸张大约需要8 min，含有25%相变材料的纸张需要33 min，含有50%相变材料的纸张温度上升需要87 min。纸张中有相变材料存在时温度的传热时间明显延长，同时整体材料的密度和比热的增加也发挥了保温作用。

Leducq 等[51]利用蓄冷材料使冰淇淋在运输和储存过程中保持恒温，并将其性能与绝热材料（聚苯乙烯）进行了比较。结果表明：存放65 d 后，两种包装对产品的最终质量没有显著差异；蓄冷材料包装的温度波动较聚苯乙烯包装小，且相同的保冷效果下蓄冷包装更薄。

Oró 等[52]设计了新型冰淇淋蓄冷容器，同时建立数学模型，分析不同的包装案例，量化新型容器参数，达到最佳经济效益。通过案例对比分析，最终选择在原有容器的底部外扩10 mm、两侧外扩20 mm，同时填充相变材料，与原有设计相比，该设计所占的额外体积仅为7%，但容器热防护性提升30%。

2.3 蓄冷式冷藏车

随着冷链物流行业的高速发展，冷藏车作为冷链物流运输配送中主要的交通工具，其需求量年均增长率约在8%～12%[53]。厢体内部温度场分布的均匀性和稳定性是检验冷藏车运输物品质的主要标准。与传统机械式冷藏车不同，蓄冷式冷藏车的冷源是蓄冷板。蓄冷板在输出冷量时较为平稳，可以根据果蔬冷负荷来调整蓄冷板的数量，并且选择用电低峰期进行蓄冷板蓄冷。

蓄冷式冷藏车的稳定性与可靠性需要通过大量的试验研究与模拟验证。李靖等[54]利用凝固点降低理论得出20%氯化钠溶液和50%丙三醇溶液为热力学性能最优复合相变材料，反复相变后发现其稳定性较好，属于基本无腐蚀范畴。与机械式冷藏车相比，蓄冷式冷藏车初期投资较大，但运行费用、稳定性和环保节能方面具有较明显的优势。谢如鹤等[55]对冷板顶置、冷板侧置、冷板部分顶置部分侧置三种冷板布置方式进行了非稳态数值模拟计算，模拟与实测的误差在绝对误差±20%之内，证明了模型的可行性。综合考虑布置方式、车厢内可用容积、重心高度等因素，空载试验结果表明部分顶置部分侧置的方式更利于车厢内温度场的温度均匀分布和延长保温时间。考虑到车厢内自然对流对温度场均匀性的影响，提出在车厢内进行合理的送风，提高蓄冷板的冷藏效率。同时，王安冉[56]分析了加装蓄冷板后车厢内气流场和温度场的分布特征。试验发现：厢内货物与顶部的间隙对整体温度分布的均匀性不会产生明显影响，但对货物本身的降温速度有影响，随着预留货物与车顶间的距离变小，货物周围的换热系数增大，进而整体货物区温度降温速率增大；厢内降低相同的温度，货物预留与厢顶的距离越短，整体货物降温时间越长，降温温差越大，不同预留距离对货物降温时间的影响较大。Saif等[57]提出：在肉制品运输系统和疫苗冷供应链中建立相应的储能系统，通过对仓储容量和成本进行混合整数最小化模型分析，建立储能系统会小幅增加成本，但能降低货物腐损率，并大幅降低冷供应链对全球变暖的影响。

李锦等[58]建立了车厢内的降温模型，通过验证试验分析出运输中车速、厢体导热率等对厢内降温速率的影响。韩佳伟等[59]建立了基于短距离冷藏运输车厢内温度场模型，针对0 ℃和3 ℃的制冷工况，同时考虑制冷机组功率和货物最佳冷藏温度，得到运输途中开、关冷风机的最佳间隔时间。李君等[60]应用计算流体力学分析了在不同的真空绝热板（VIP）覆盖率下冷藏车内的温度分布情况，结果表明在冷藏车厢体嵌入真空绝热板可以改善箱体内部温度场的稳定性。

3 蓄冷技术在低温仓储中的应用研究

将蓄冷技术应用于低温仓储系统中是冷链物流行业发展的趋势[61]。蓄冷技术应用于保鲜系统中，具有节能环保、冷库温湿度稳定等特点。江燕涛[62]将动态冰浆蓄冷湿冷保鲜技术应用在传统冷库中，通过对比发现动态冰浆蓄冷湿冷冷库具有能效比高、初期投资少、冷库内温湿度稳定等优点。孙静等[63]设计了以乙二醇为蓄冷液的冷库，该冷库的平均温度稳定在0.18～0.32 ℃，最大温差0.8 ℃。由于峰谷电价的政策，乙二醇蓄冷库运行电费仅是传统冷库的75%。结果表明，将相变材料乙二醇引入到传统冷库系统中，使得冷库内温度分布均匀且稳定，并且运行成本大幅度降低。