纳米复合相变蓄冷剂的制备与试验研究

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相变蓄冷技术是将冷量事先储存起来并供后续利用的一种技术,将蓄冷技术应用于果蔬等易腐生鲜食品贮运等环节中可维持食品始终处于低温状态下,保证品质,延长贮运期。蓄冷保温箱是基于相变蓄冷技术,利用材料的相变过程进行储存和释放冷量,实现蓄冷式配送,这对实现节能减排、经济环保具有重要意义。本文旨在研制一种相变潜热高、相变温度低、性能稳定、导热性能优良、适宜生鲜产品运输的相变蓄冷介质,应用于制作的简易蓄冷保温箱,以期实现生鲜产品短途低温运输的目标。本文的主要研究内容及结论如下:确定相变蓄冷基液。根据相变蓄冷材料的初选原则,初步选定了甘氨酸(C2H5NO2)、山梨醇(C6H14O6)、甘露醇(C6H14O6)、氯化钾(KCl)四种物质的水溶液作为试验的初选材料,通过DSC试验分别测定这四种物质水溶液的相变温度和相变潜热等热力学性质,并对其两两复配得到复合相变蓄冷材料基液。结果表明:0.6 mol/L甘氨酸+0.1 mol/L山梨醇与0.6 mol/L甘露醇+0.05 mol/L氯化钾两种复配液的相变潜热和相变温度(即Onset温度)均能满足目标蓄冷基液的要求,但考虑到加入无机物水溶液易产生过冷现象,因此确定最终的复配方案为:0.6 mol/L甘氨酸+0.1 mol/L山梨醇。制备纳米复合相变蓄冷剂。向蓄冷剂基液中分别添加不同浓度的纳米二氧化钛(TiO2)粒子和纳米氧化铝(Al2O3)粒子,采用两步法制备纳米复合相变蓄冷材料,然后采用差示扫描量热法(DSC)测定不同浓度纳米粒子溶液的相变潜热和Onset温度,采用Hotdisk热常数分析仪测定热导率变化情况。结果表明:在基液中添加一定量纳米粒子,可以有效提高溶液的导热系数。本实验添加质量分数为0.5%的纳米二氧化钛粒子使基液的导热系数增到最大值。最后利用高吸水性树脂优良的吸水保持性能,使相变蓄冷材料呈凝胶状,有效避免蓄冷剂的泄漏。蓄冷保温箱温度数值模拟分析及试验验证。建立蓄冷保温箱的物理模型和数学模型,当蓄冷箱处于负载和空载状态下,对蓄冷剂以不同摆放位置摆放时箱内温度场的分布情况及变化规律进行模拟分析,并通过试验验证模拟的准确性。结果表明:在侧布方式与侧布加顶布方式下蓄冷箱内大部分空间处于-5℃~-3℃之间,平均温度分别为-2.1℃和-1.8℃,当在蓄冷箱内以侧布加顶布方式摆放蓄冷剂并以水晶梨为试验对象时,蓄冷箱内大部分空间处于1℃~3℃,平均温度为1.2℃,侧布加顶布方式的温度场更均匀,更有利于保持生鲜产品的品质。
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