淺談相變儲(chǔ)能材料在冷鏈物流運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的影響

楊 延 萍

（鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451450）

近年來(lái)，隨著社會(huì)對(duì)于藥品、食品質(zhì)量安全問(wèn)題的關(guān)注與重視，市場(chǎng)對(duì)于冷鏈物流運(yùn)輸?shù)男枨笠仓饾u增加。肉類、果蔬、水產(chǎn)品三類食品在我國(guó)的農(nóng)業(yè)運(yùn)輸效率普遍較低，不能全面滿足人們對(duì)于冷鏈物流市場(chǎng)的具體需求?，F(xiàn)存的冷鏈物流運(yùn)輸過(guò)程普遍采用干冰或制冷機(jī)組的冷藏車制冷模式，能耗較大，對(duì)于小容量的冷鏈物流運(yùn)輸來(lái)說(shuō)，不夠經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。除此之外，對(duì)于生態(tài)環(huán)境也有著很大程度上的污染與影響。為了響應(yīng)與滿足國(guó)家對(duì)能源和環(huán)境上的要求，冷鏈物流運(yùn)輸需要一種新型、節(jié)能型、環(huán)保型的冷鏈物流運(yùn)輸車。

現(xiàn)階段，冷鏈物流運(yùn)輸?shù)闹饕评浞绞綖闄C(jī)械式壓縮制冷，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、溫度浮動(dòng)大、溫控難度高。針對(duì)于此，設(shè)計(jì)一款環(huán)保、節(jié)能的新型冷鏈物流運(yùn)輸車輛有著至關(guān)重要的意義。除此之外，相變儲(chǔ)能技術(shù)的核心與關(guān)鍵在于相變儲(chǔ)能材料的研發(fā)與制備，現(xiàn)有的相變儲(chǔ)能材料普遍具有熱導(dǎo)率低、過(guò)冷度大、相分離嚴(yán)重等一系列問(wèn)題。同時(shí)，針對(duì)食品類產(chǎn)品的冷鏈物流運(yùn)輸所選用的相片儲(chǔ)能材料，要求不泄漏且無(wú)毒無(wú)害。尤其是需要零攝氏度以下進(jìn)行食品運(yùn)輸所需的相變儲(chǔ)能材料，性能不穩(wěn)定且種類較少。

1 相變儲(chǔ)能材料研究現(xiàn)狀

1.1 相變儲(chǔ)能材料的滯后與過(guò)冷現(xiàn)象研究

相變儲(chǔ)能材料主要利用物質(zhì)相態(tài)變化過(guò)程中釋放或吸收熱量的特有性質(zhì)，進(jìn)行蓄熱或蓄冷的一種新型儲(chǔ)能材料。相變過(guò)程中基本不變的溫度，作為其最大的優(yōu)勢(shì)，主要用來(lái)控制體系溫度。相變儲(chǔ)能材料的固液相變過(guò)程普遍被認(rèn)定為等溫過(guò)程，并且這種情況僅局限于大多數(shù)純凈物，而大部分相變儲(chǔ)能材料往往有著低于熔化溫度的凝固溫度，這種現(xiàn)象則通常稱為相變滯后。對(duì)于液體物質(zhì)來(lái)說(shuō)，大部分物質(zhì)不在理論凝固點(diǎn)立即結(jié)晶，反而是在較低溫度開始結(jié)晶，這種現(xiàn)象稱為相變過(guò)冷。研究表明，相變過(guò)冷與相變滯后現(xiàn)象在自然界的相變過(guò)程中較為常見(jiàn)，與此同時(shí)相變儲(chǔ)能材料在放熱的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

相變儲(chǔ)能材料能夠在較小的溫度區(qū)間內(nèi)釋放或吸收大量能量，以維持冷藏車廂的溫度，同時(shí)解決能量供需在空間和時(shí)間上的矛盾，大幅度提升能源的利用效率。由于其自身具有的優(yōu)良特點(diǎn)，使得各國(guó)家、各行業(yè)領(lǐng)域都相應(yīng)開展了廣泛研究。目前，德國(guó)在使用相變蓄能冷藏箱時(shí)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了恒溫的冷藏效果，使得其在航空冷鏈快遞物流運(yùn)輸中得到了大規(guī)模的應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)的某知名公司也根據(jù)此技術(shù)，逐步開展了蓄能冷藏箱的冷鏈物流運(yùn)輸業(yè)務(wù)。

2 相變儲(chǔ)能材料分類

2.1 根據(jù)相變溫度范圍分類

根據(jù)相變的溫度范圍，可將相變儲(chǔ)能材料分為低溫相變儲(chǔ)能材料、中溫相變儲(chǔ)能材料、高溫相變儲(chǔ)能材料。低溫相變儲(chǔ)能材料主要是冰、有機(jī)物和水合鹽；中溫相變儲(chǔ)能材料主要是高分子材料和有機(jī)物；高溫相變儲(chǔ)能材料主要是金屬合金和熔融鹽。

2.2 根據(jù)相變材料構(gòu)成分類

根據(jù)相變材料的構(gòu)成，能夠?qū)⑾嘧儍?chǔ)能材料劃分為以下三類：無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料、有機(jī)相變儲(chǔ)能材料和無(wú)機(jī)-有機(jī)相變儲(chǔ)能材料。無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料可以劃分為共晶體材料與化合物材料，其中共晶體材料在熔化和結(jié)晶的過(guò)程中，會(huì)維持一定溫度，不產(chǎn)生相分離的現(xiàn)象，其組成部分主要包括水、鹽類、水溶液、結(jié)晶水合鹽；有機(jī)相變儲(chǔ)能材料主要包括酯、石蠟、多元醇、有機(jī)酸等一系列有機(jī)物。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，有機(jī)相變儲(chǔ)能材料的結(jié)晶過(guò)程通常較為穩(wěn)定，沒(méi)有腐蝕性；無(wú)機(jī)-有機(jī)相變儲(chǔ)能材料主要由無(wú)機(jī)和有機(jī)相變材料復(fù)合而成。

2.3 根據(jù)相變過(guò)程相態(tài)分類

根據(jù)相變過(guò)程相態(tài)的變化，相變儲(chǔ)能材料可以分為固-固相變儲(chǔ)能材料、固-氣相變儲(chǔ)能材料、液-氣相變儲(chǔ)能材料、固-液相變儲(chǔ)能材料。固-固相變儲(chǔ)能材料的相變過(guò)程不存在相態(tài)轉(zhuǎn)變，只存在晶型變化過(guò)程中放出與吸收的熱量，固-固相變儲(chǔ)能材料主要包含多元醇、高密度聚乙烯和金屬有機(jī)化合物；液-氣相變儲(chǔ)能材料、固-氣相變儲(chǔ)能材料由于相變過(guò)程中生成大量氣體，使得劇烈膨脹的氣體難以分裝，因此工程應(yīng)用中較少涉及；固-液相變儲(chǔ)能材料主要包括石蠟、冰、水合鹽等，由于其自身具有的制備簡(jiǎn)單、原料廉價(jià)、儲(chǔ)冷密度大、相變潛熱高等一系列優(yōu)勢(shì)，因而被普遍應(yīng)用于冷鏈物流運(yùn)輸領(lǐng)域。

3 相變儲(chǔ)能材料在冷鏈物流運(yùn)輸過(guò)程中的應(yīng)用

在生鮮食品電商配送行業(yè)，相變儲(chǔ)能材料以冰袋、冰盒、冰排等多種形式逐漸得到了廣泛應(yīng)用。眾多學(xué)者正在研究將相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用于冷鏈物流運(yùn)輸車中，以盡可能減少冷鏈物流運(yùn)輸過(guò)程中較大的溫度浮動(dòng)。由于生鮮產(chǎn)品在運(yùn)輸過(guò)程中有著龐大的數(shù)量，大多需要長(zhǎng)途進(jìn)行運(yùn)輸，從而在食品類產(chǎn)品運(yùn)輸時(shí)普遍選用冷鏈物流運(yùn)輸車。

冷鏈物流運(yùn)輸車的廂體結(jié)構(gòu)與隔熱材料在很大程度上直接或間接地影響著冷鏈物流運(yùn)輸車的環(huán)保性能、機(jī)械強(qiáng)度與絕熱性能。常見(jiàn)的冷鏈物流運(yùn)輸車廂體主要由內(nèi)蒙皮、外蒙皮和隔熱材料三層構(gòu)成，為整體提升廂體的隔熱性能和可容積使用率，可以適當(dāng)在隔熱材料中加入相變儲(chǔ)能材料，以制成新型的隔熱材料。廂體結(jié)構(gòu)中的相變儲(chǔ)能材料能夠在相變過(guò)程中對(duì)外部環(huán)境的滲入熱量進(jìn)行吸收，充分發(fā)揮蓄熱作用，以大幅度降低廂體的制冷負(fù)荷。因此，這種廂體結(jié)構(gòu)能夠在很大程度上起到絕熱的作用。

現(xiàn)階段，冷鏈物流運(yùn)輸車的隔熱結(jié)構(gòu)通常由具有低成本、低親水性、低導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn)的聚氨酯泡沫層構(gòu)成。常用的廂體隔熱材料主要是擠塑聚苯乙烯泡沫、膨脹型聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，但針對(duì)目前聚氨酯泡沫的膨脹劑改變，致使其隔熱能力大幅降低的情況，能夠通過(guò)相變儲(chǔ)能材料的集成方法，使冷鏈物流運(yùn)輸車廂體結(jié)構(gòu)的熱通量得到有效限制。相變儲(chǔ)能材料主要有以下兩種集成方式，一種是創(chuàng)建復(fù)合隔熱材料層，將相變儲(chǔ)能材料分散于傳統(tǒng)隔熱材料以形成均質(zhì)層；另一種是在隔熱墻中設(shè)計(jì)一層裝載相變儲(chǔ)能材料，以此作為相變材料隔熱層。目前，冷鏈物流運(yùn)輸車廂體結(jié)構(gòu)增加相變層的相關(guān)技術(shù)還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，研究重點(diǎn)主要集中于相變儲(chǔ)能材料的分析與篩選等方面。隨著人們對(duì)于節(jié)能環(huán)保的要求逐漸提升，發(fā)展節(jié)能環(huán)保型冷鏈物流運(yùn)輸車顯得至關(guān)重要。相變儲(chǔ)能材料作為提升能源利用效率和促進(jìn)環(huán)境保護(hù)的重要材料，應(yīng)用于冷鏈物流運(yùn)輸車將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)論與展望

現(xiàn)階段，相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用于冷鏈物流運(yùn)輸中的實(shí)際應(yīng)用普遍集中于冷鏈運(yùn)輸?shù)牡蜏嘏渌团c冷庫(kù)儲(chǔ)存領(lǐng)域。未來(lái)，相變儲(chǔ)能材料及相關(guān)技術(shù)在冷鏈物流運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展方向主要集中在材料的實(shí)際應(yīng)用與性能研究?jī)蓚€(gè)層面。在實(shí)際應(yīng)用層面，針對(duì)儲(chǔ)運(yùn)的不同產(chǎn)品，針對(duì)性地提供具有適宜相變溫度的蓄冷劑，以保持低溫環(huán)境，將相變儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于食品行業(yè)的生產(chǎn)加工、低溫儲(chǔ)藏、運(yùn)輸配送、成品銷售構(gòu)成的完整冷鏈中，同時(shí)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性、合理性的評(píng)價(jià)與分析；在材料性能層面，深度研究相變儲(chǔ)能材料的相變機(jī)理，將滯后、過(guò)冷以及相分離等一系列問(wèn)題逐一解決，進(jìn)一步開發(fā)與研究功能型的相變儲(chǔ)能材料以滿足不同場(chǎng)合的具體需求。

綜上所述，眾多學(xué)者對(duì)于相變儲(chǔ)能材料在冷鏈物流運(yùn)輸過(guò)程中的應(yīng)用現(xiàn)狀展開了大規(guī)模的研究。隨著研究的逐漸深入，相變蓄冷物流運(yùn)輸車也應(yīng)運(yùn)而生。相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用于冷鏈物流運(yùn)輸中能夠有效節(jié)約能源、避免資源浪費(fèi)，也能夠使冷鏈物流運(yùn)輸行業(yè)朝著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。通過(guò)一系列研究，使相變儲(chǔ)能材料的合理應(yīng)用代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械制冷，不斷推動(dòng)與促進(jìn)相變儲(chǔ)能材料在冷鏈物流運(yùn)輸過(guò)程中的積極影響與合理應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)綠色、節(jié)能、減排、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。