新型0℃相变蓄冷材料制备及蓄冷特性

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2018-1611

摘要/Abstract

摘要：

针对冷链物流应用场合，提出并制备了相变温度在0℃左右、潜热较高、过冷度较小的以质量分数5%的山梨醇水溶液为基液的相变蓄冷材料，并通过采用纳米材料对其热物性进行了优化研究，设计制作了一种可直接充冷式蓄冷保温箱，以苹果作为保温对象进行了山梨醇蓄冷保温箱的保冷性能实验。结果显示，采用纳米材料（TiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃）可以有效降低蓄冷剂溶液的过冷度并增强其热导率；当TiO₂质量分数为0.50%时，可使质量分数5%山梨醇水溶液过冷度降低至1.4℃；当TiO₂质量分数为0.40%时，5%山梨醇水溶液热导率达到最大值，为0.612W/（m·K）；山梨醇水溶液本身并无相分离现象，但因纳米材料沉淀问题需加一定量的增稠剂，最终经优化所得蓄冷材料的配比为5%山梨醇水溶液+0.40%TiO₂+1.0%聚丙烯酸钠（PAAS），其相变温度为-2.9℃，潜热焓为293.8kJ/kg，热导率为0.62W/(m·K)。本文提出的蓄冷剂溶液可以使苹果在-1～7℃区间保温20h以上，可满足冷链物流“最后一公里”甚至更长距离冷藏运输的时间要求。

关键词: 相变, 复合材料, 纳米材料, 热物性, 蓄冷特性

Abstract:

A novel phase change material (PCM) for cold chain logistics, with phase-change temperature of about 0℃ and relatively high latent heat and low supercooling degree, was prepared by using sorbitol aqueous solution (C₆H₁₄O₆) as main base solution. The thermophysical properties of the PCM were optimized by using nanomaterials. Then, a cold storage box using the sorbitol aqueous solution as PCM was designed and its performance was tested with apples as the cold storage object. The experimental results showed that nanomaterials (i.e., TiO₂, Al₂O₃ and Fe₂O₃) could effectively reduce the supercooling degree of PCM and enhance its thermal conductivity. When the concentration of TiO₂ was 0.50%, the supercooling degree of the sorbitol aqueous solution was reduced to the minimum of 1.4℃. When the concentration of TiO₂ was 0.40%, the thermal conductivity of the sorbitol aqueous solution was increased to the maximum of 0.612W/(m·K). There was no phase separation phenomenon in the sorbitol aqueous solution, but a certain amount of thickener was needed due to the precipitation of the nanomaterials. The final ratio of the PCM was determined as 5% C₆H₁₄O₆+0.40%TiO₂+1.0% polyacrylic acid sodium (PAAS), whose phase-change temperature, latent heat enthalpy and thermal conductivity of the prepared PCM were -2.9℃, 293.8kJ/kg and 0.62W/(m·K), respectively. The proposed PCM could maintain apple temperature within the range of -1 ~ 7℃ over 20h, which could meet the requirement of “last mile” or even longer distance of cold chain logistics.

Key words: phase-change, composites, nanomaterials, thermophysical properties, cold storage performance

中图分类号:

TK02

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图/表 13

图1 不同浓度山梨醇水溶液DSC热分析曲线

图2 不同浓度山梨醇水溶液的相变温度和相变焓

图3 SH95步冷曲线

图4 纳米颗粒浓度对SH95过冷度的影响

图5 SH95热导率随纳米流体浓度的变化规律

图6 SH95循环50次后溶液状态

图7 SH95+0.40%TiO2静置一周后与初始配制状态对比图

图8 SH95A相变蓄冷材料DSC曲线

图9 SH95A静置30天后与初始配制状态对比图

图10 SH95A相变蓄冷材料循环20次、50次、100次后

图11 蓄冷保温箱系统

图12 SH95A对苹果保冷性能曲线

图13 保温箱温度测点布置图（竖直断面）

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