朱志強(qiáng) 張小栓 于晉澤

（1.國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心天津市農(nóng)產(chǎn)品采后生理與貯藏保鮮重點實驗室，天津300000；

2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京100000)

冷鏈物流（Cold chain logistics）是指蔬菜、水果、肉禽、水產(chǎn)、蛋等生鮮農(nóng)產(chǎn)品從產(chǎn)地采收（或屠宰、捕撈）后，在產(chǎn)品加工、貯藏、運輸、分銷、零售等環(huán)節(jié)處于適宜的低溫環(huán)境下，最大程度地保證產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)量安全、減少損耗、防止污染的特殊供應(yīng)鏈系統(tǒng)。冷鏈物流是商貿(mào)物流的一種，是商品流通的重要組成部分。

我國是鮮活農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和消費大國，鮮活農(nóng)產(chǎn)品采后由于貯藏不善、運輸粗放或生理病害等原因，每年造成的損失巨大，蔬果類產(chǎn)品腐爛損失率25%～35%，水產(chǎn)品高達(dá)25%。近年來，鮮活農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流發(fā)展迅速，比例逐年增加，但較之于工業(yè)產(chǎn)品物流，其總量和效率都較低。因此，發(fā)展冷鏈物流已成為公認(rèn)的解決鮮活農(nóng)產(chǎn)品采后物流的重要技術(shù)手段。

目前，冷鏈物流的能源消耗巨大。據(jù)統(tǒng)計，一臺30噸規(guī)格的貨車一個小時就要增加5到6升的油耗用于制冷；有些農(nóng)產(chǎn)品冷鏈公司扣除成本后，盈利不足4%。新世紀(jì)以來，世界各國經(jīng)濟(jì)的快速增長，能源出現(xiàn)嚴(yán)重不足，電網(wǎng)負(fù)荷過重。相變蓄冷可作為一種有效地緩解峰谷電負(fù)荷、提高能源利用效率的技術(shù)，在發(fā)達(dá)國家已得到應(yīng)用[1-3]。

1 我國鮮活農(nóng)產(chǎn)品冷鏈流通的必要性和優(yōu)越性

鮮活農(nóng)產(chǎn)品是指與居民生活息息相關(guān)的新鮮蔬菜、水果、水產(chǎn)品、禽畜肉類產(chǎn)品，以及能及時到達(dá)餐桌上的農(nóng)副產(chǎn)品，是新鮮的食品。農(nóng)產(chǎn)品采后具有鮮活的生命特征，與其他工業(yè)產(chǎn)品等不同，不適宜的物流環(huán)境造成其外部特征和內(nèi)在品質(zhì)的急劇變化，最終導(dǎo)致產(chǎn)品損失、品質(zhì)下降、物流失敗。從植物類產(chǎn)品本身來看，其內(nèi)部組織細(xì)胞具有生命特征，離開母體后仍具有呼吸和蒸騰作用，脫離了營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)體后，自身“庫源”關(guān)系發(fā)生改變，不再從植物根莖部吸收養(yǎng)分，靠消耗果實自身物質(zhì)來維持生命。如果蔬產(chǎn)品，在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，呼吸強(qiáng)度增大，物質(zhì)消耗增加，貯藏壽命縮短。且溫度升高，空氣的相對濕度減少，果蔬水分蒸發(fā)加快，容易發(fā)生失水萎蔫，降低耐貯運性。因此，降低貯藏環(huán)境的溫度有利于保持果蔬的品質(zhì)；但溫度過低也容易造成果蔬果實的冷害和凍害；因此，溫度要適宜。對新鮮的動物產(chǎn)品來說，自身機(jī)體已失去對外界微生物侵染或其他因素負(fù)面影響的防御能力，由于環(huán)境條件的控制不當(dāng)，造成微生物浸染，產(chǎn)品腐爛，最終品質(zhì)敗壞，或組織凍結(jié)失去原有特征，失去食用價值。研究顯示，4℃時大多數(shù)病原菌都不能生長，-18℃或更低溫度下幾乎所有微生物都不能生長和繁殖，因此，低溫極大地抑制了微生物的生長與繁殖，也預(yù)防了微生物對農(nóng)產(chǎn)品的侵染。

對鮮活農(nóng)產(chǎn)品來說，冷鏈物流的應(yīng)用，保證了鮮活農(nóng)產(chǎn)品在全物流過程的環(huán)境條件，結(jié)合其他保鮮輔助措施，可使物流產(chǎn)品的感官品質(zhì)得到保持。與其它物流方式相比，冷鏈物流具有無法比擬的優(yōu)勢。

我國商務(wù)部等部委還指出，到2015年，將初步建立一套與商貿(mào)服務(wù)業(yè)發(fā)展相適應(yīng)的高效通暢、協(xié)調(diào)配套、綠色環(huán)保的現(xiàn)代商貿(mào)物流服務(wù)體系，使果蔬、肉類、水產(chǎn)品冷鏈運輸率分別提高到20%、30%、36%，物流企業(yè)機(jī)械化、自動化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化水平顯著提高；商品庫存周轉(zhuǎn)速度明顯加快，流通環(huán)節(jié)物流費用占商品流通費用的比率顯著下降。我國農(nóng)業(yè)部和財政部在國內(nèi)多省市進(jìn)行了產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品如馬鈴薯、蘋果等貯藏設(shè)施建設(shè)與技術(shù)培訓(xùn)惠民工程項目建設(shè)，加大了對冷鏈物流的宏觀指導(dǎo)和政策扶持力度，為發(fā)展冷鏈物流設(shè)施設(shè)備、配套技術(shù)和開展相關(guān)材料研究明確了發(fā)展方向。

2 鮮活農(nóng)產(chǎn)品的冷藏運輸設(shè)施及方式

目前，國內(nèi)外鮮活農(nóng)產(chǎn)品的冷鏈運輸方式主要為機(jī)械式冷藏運輸、保冷式冷藏運輸和蓄冷式冷藏運輸3種。

2.1 機(jī)械式冷藏運輸

通常，機(jī)械式冷藏運輸有汽車?yán)洳剀?、鐵路冷藏車和冷藏集裝箱三種。汽車?yán)洳剀嚴(yán)闷囈娴膭恿χ评?，制冷能力一般?～12kW。車廂溫度可在-20～15℃范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。隨著現(xiàn)代高速公路的快速建設(shè)發(fā)展，汽車?yán)洳剀嚳蓪Ⅴr活農(nóng)產(chǎn)品運輸?shù)奖姸嘞M地區(qū)，運作簡單、方便。鐵路冷藏車一般自帶動力制冷機(jī)組，具有統(tǒng)一的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，制冷速度快、溫度調(diào)節(jié)范圍大，車內(nèi)溫度分布均勻，適應(yīng)性強(qiáng)，制冷、加熱、通風(fēng)換氣、融霜自動化程度高等特點；新型機(jī)械冷藏車還設(shè)有溫度自動檢測、記錄和安全報警裝置。冷藏集裝箱是一種具有良好隔熱性，且能維持一定低溫要求，適用于各類易腐食品的運送、貯存的特殊集裝箱，具有裝卸靈活、貨物運輸溫度穩(wěn)定，貨物污染、損失低，使用于多種運載工具，裝卸速度快，運輸時間短，運輸費用低等特點。冷藏集裝箱使用溫度范圍為-30～12℃，具有國際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)尺寸、制造參數(shù)以及使用技術(shù)，可安置于汽車、火車和船舶甲板上。目前，使用最多的是長度尺寸為20英尺和40英尺的集裝箱。

2.2 保冷式冷藏運輸

保冷式冷藏運輸是利用保溫車廂或采用保溫覆蓋材料等保溫措施，將已預(yù)冷或冷藏狀態(tài)的產(chǎn)品保冷運輸?shù)姆绞?。例如，在鮮活農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)地將鮮活農(nóng)產(chǎn)品快速預(yù)冷降低產(chǎn)品品溫后，或?qū)⒗洳氐漠a(chǎn)品采用草席、棉被等保溫材料將產(chǎn)品貨物整車包裹嚴(yán)實，運送到批發(fā)市場，最終到消費者手中，實現(xiàn)運輸過程中的低溫保持。該方式在一些冷藏運輸車較少地區(qū)應(yīng)用較多。

2.3 蓄冷式冷藏運輸

蓄冷式冷藏運輸，是在保溫車箱內(nèi)或保溫包裝內(nèi)放置利用相變潛熱進(jìn)行冷量貯存的蓄冷劑，通過蓄冷劑攜帶的冷量對車箱內(nèi)的鮮活農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行保冷，維持其貯藏溫度，可使用不同的蓄冷劑來滿足各種冷藏溫度，制冷能力應(yīng)取決于放置的蓄冷劑量與冷卻溫度[4]。蓄冷介質(zhì)應(yīng)具有高效性、自重輕和所占體積小的特點。對蓄冷劑而言，雖然需要進(jìn)行長時間的預(yù)冷，但可以集中充冷，如利用夜間低谷時段充冷，而不會影響第二天的日間運行，可以在貨品運到后直接拆箱上架，使用方便[5]。常用的蓄冷劑有冰、干冰等，使用冰時，可使車廂溫度保持5℃左右，使用范圍有限，而使用干冰溫度可達(dá)-20℃。但冰的相變潛熱小，充冷過程制冷系統(tǒng)能耗大，蓄冷時間短。納米蓄冷材料是一種新型、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)的蓄冷材料，它克服了冰蓄冷材料的眾多缺點，可作為冰蓄冷材料的替代品。其經(jīng)濟(jì)性、方便性決定了其必將成為冷鏈配送領(lǐng)域的最佳選擇。

蓄冷式冷藏運輸作為機(jī)械式冷藏運輸和保冷式冷藏運輸?shù)难a(bǔ)充方式，具有節(jié)能環(huán)保、體積緊湊、控制靈活的特點，但也存在蓄冷時間短、蓄冷結(jié)構(gòu)與冷藏箱匹配的問題。

3 納米蓄冷材料在農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中的應(yīng)用

3.1 我國鮮活農(nóng)產(chǎn)品采后蓄冷冷鏈物流存在的問題

我國采用蓄冷材料進(jìn)行冷鏈物流運輸?shù)漠a(chǎn)品較少，造成這種現(xiàn)象的原因很多。一是，我國蓄冷保冷運輸車車少；二是，全國各產(chǎn)地蓄冷充冷系統(tǒng)不健全；三是，我國部分產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)營者對冷鏈物流技術(shù)應(yīng)用的意識還比較薄弱。這種觀念導(dǎo)致我國蓄冷冷鏈運輸發(fā)展緩慢，技術(shù)應(yīng)用水平也不高。四是，納米蓄冷材料及裝置研究與應(yīng)用不足。納米流體作為一種新型技術(shù)材料，在我國蓄冷材料中的應(yīng)用還比較少，對其蓄冷機(jī)理、蓄冷過程、充/放冷過程物質(zhì)特性變化等的研究尚不成熟，尤其是其在生產(chǎn)實踐應(yīng)用方面的研究鮮有報道。納米蓄冷材料對鮮活農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后物流過程中的產(chǎn)品蓄冷效果及對產(chǎn)品品質(zhì)影響的研究較少。目前，在產(chǎn)地生產(chǎn)中，冰作為一種重要的蓄冷材料被廣泛應(yīng)用，但由于其相變潛熱小，充冷過程制冷系統(tǒng)能耗大，蓄冷時間短，不能滿足生產(chǎn)的需求。納米蓄冷材料克服了冰蓄冷材料的眾多缺點，可作為冰蓄冷材料的替代品。目前，我國在納米蓄冷材料對鮮活農(nóng)產(chǎn)品蓄冷效果的研究及其對產(chǎn)品影響作用的研究尚處于起步階段。

3.2 納米蓄冷材料的研究

近年來，人們注意到將直徑在1～100nm尺度的顆粒懸置于一些傳熱普通流體如水、乙烯乙二醇或機(jī)油中時，液體的傳熱性能會得到增強(qiáng)，分析原因為大多數(shù)固體材料的熱導(dǎo)率均大于液體，而顆粒、流體組成的混合物熱導(dǎo)率又高于液體本身的熱導(dǎo)率，這就成為配制具有高熱導(dǎo)性的新型換熱工質(zhì)工業(yè)流體，把由此制成的流體稱之為納米流體。目前研究表明，納米流體由于其高導(dǎo)熱系數(shù)及流體中納米粒子的特殊性質(zhì)，預(yù)示著納米流體在強(qiáng)化換熱領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景[6]。

關(guān)于納米液體的首次報道源于1993年日本Tohoku大學(xué)的Masuda[7]的研究成果，即在水中分別添加了13nm的γ-A12O3和27nm的TiO2粒子，得到了不同體積濃度的納米材料懸浮液，測試其導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明，水中加入4.5%體積比的γ-A12O3粒子的懸浮液的導(dǎo)熱系數(shù)比水大近30%。1997年，美國Argonne國家實驗室的Choi所首次提出了“納米流體”這一概念之后，納米技術(shù)日益深入人心，與此相關(guān)的各類研究逐漸成為熱點[8]。

目前許多研究集中在對納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的測量和預(yù)示上，與此同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)了許多預(yù)測納米流體有效導(dǎo)熱系數(shù)的模型。在納米流體熱物理機(jī)制研究方面，研究人員在諸如納米流體的自然對流和強(qiáng)制對流，納米流體沸騰換熱等方面取得了進(jìn)展；而模擬方法則包括分子動力學(xué)，蒙特卡羅方法，格子玻爾茲曼流動與傳熱分析方法等[9]納米流體研究的新動向?？傮w而言，納米流體被提出后，關(guān)于納米流體研究一直得到廣大科研人員的青睞。在納米流體的強(qiáng)化傳熱機(jī)理解釋方面，多項研究成果表明納米材料提高了其液體導(dǎo)熱系統(tǒng)，并用實際測試驗證了結(jié)論；在納米流體的制備及應(yīng)用處理技術(shù)方面，科研人員研究制備了CuO、TiO2等材料的納米液體。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的納米材料被應(yīng)用到了相變蓄冷領(lǐng)域。

劉靜[10]認(rèn)為由于納米流體的有效導(dǎo)熱系數(shù)高于相應(yīng)純流體，使得液體傳熱性明顯增強(qiáng)，因而多用于芯片散熱的液冷系統(tǒng)中。Eastman等[11]在液體中加入了制備的CuO-水、Cu-機(jī)油、A12O3-水等幾種納米流體后，顯著增加了液體的導(dǎo)熱系數(shù)。Patel等[12]研究了將Au和Ag納米粒子添加到水和甲苯中的導(dǎo)熱性能，溫度變化為30～60℃；研究發(fā)現(xiàn)Au粒子體積比0.011%時，其納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)提高了7%～14%；Ag粒子體積比0.26‰時，形成的納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)提高了5%～21%。周樂平等[13]制備了粒徑為50nm的CuO納米顆粒懸浮液，常溫下2%的CuO納米顆粒懸浮液的有效導(dǎo)熱系數(shù)約為純水的1.08倍，比熱容約為純水的1.02倍。Wen等[14，15]研究了γ-Al2O3-水納米流體在層流狀態(tài)的對流換熱和池內(nèi)沸騰換熱，發(fā)現(xiàn)納米流體的對流換熱和沸騰換熱性能明顯高于純水。宣益民[16]和李強(qiáng)[17]利用瞬態(tài)熱線法測量了Cu-水、Cu-變壓器油納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，并測試了納米流體在不同狀態(tài)下的對流換熱系數(shù)，實驗結(jié)果顯示顆粒體積濃度是影響導(dǎo)熱系數(shù)增加的主要因素之一。謝華清等[18，19]研究了SiC-水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，實驗結(jié)果表明，在水中添加5%的SiC納米粒子，形成納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水提高了20%。何欽波[20]制作了TiO2-BaCl2-H2O納米流體相變蓄冷材料，研究了熱物性和蓄/釋冷特性，大大降低了過冷度，導(dǎo)熱系數(shù)顯著的增加，相變溫度在-8.5℃左右，相變潛熱約為254.2～279.5kJ/kg，大約相當(dāng)于冰蓄冷的72%～80%；在經(jīng)過50次的蓄/釋冰實驗后，其相變潛熱和相變溫度基本都很穩(wěn)定，說明其蓄冷材料熱穩(wěn)定性很好。Choi[21]研究表明，納米流體換熱工質(zhì)，可顯著提高熱交換系統(tǒng)的傳熱性能，減小熱交換設(shè)備的尺寸和質(zhì)量，節(jié)約泵功率，降低運行成本，具有許多潛在的優(yōu)勢。

綜上所述，納米流體是一項新型的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，已成為最有吸引力的傳熱介質(zhì)[22]，其導(dǎo)熱系統(tǒng)的提高得到了眾多科研人員的證實，表現(xiàn)出了導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的強(qiáng)烈依賴關(guān)系，在20～50℃范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)增加幅度在1～3倍之間變化。因此納米流體可以應(yīng)用于相變儲能、食品冷鏈物流、空調(diào)蓄冷等領(lǐng)域，可成為理想的散熱劑或制冷劑，具有十分廣闊的前景。

3.3 納米流體相變蓄冷的特點

3.3.1 納米流體相變蓄冷技術(shù)優(yōu)勢

大量研究表明，在部分傳統(tǒng)介質(zhì)中添加納米材料后，介質(zhì)的蓄/釋冷特性和熱物性特性發(fā)生了較大的變化。具體表現(xiàn)為：相變潛熱和相變溫度基本穩(wěn)定，蓄冷和釋冷過程中流動性保持良好；納米流體中的粒子比表面積較大，促進(jìn)相變材料的非均勻成核，可降低基液的過冷度；蓄/釋冷量和換熱系數(shù)比基液大，導(dǎo)熱系數(shù)得到提高，傳熱系統(tǒng)發(fā)生變化；蓄冷密度比較大，蓄冷溫度與空調(diào)工況基本吻合?？梢哉f，這種潛在的新型相變蓄冷介質(zhì)具有其他蓄冷方式所沒有的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

鑒于以上特性，蓄冷材料的導(dǎo)熱速度增加，蓄冷過程時間縮短，即與基液相比，在單位時間內(nèi)單位體積蓄冷材料中的蓄冷量增加，攜帶更多的冷量可供冷鏈物流中釋冷。而蓄冷材料攜帶的冷量與釋放過程的特征與鮮活農(nóng)產(chǎn)品（食品）冷鏈物流運輸技術(shù)環(huán)節(jié)中的低溫需求相吻合，釋放的冷量可滿足鮮活農(nóng)產(chǎn)品保持低溫降低品溫需要的冷量，即將該介質(zhì)應(yīng)用于鮮活農(nóng)產(chǎn)品采后冷鏈物流過程中，為降低產(chǎn)品品溫、保持產(chǎn)品品質(zhì)、延長產(chǎn)品貨架和儲藏期提供了技術(shù)基礎(chǔ)條件。

3.3.2 納米蓄冷材料的應(yīng)用意義

納米蓄冷材料作為一種新型、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)的蓄冷材料具有重要的應(yīng)用意義。該材料的應(yīng)用降低了基液的冰點，改變了其導(dǎo)熱系數(shù)、過冷度等物理特性，使其具有較大的相變潛熱，釋放冷量時間延長，滿足了鮮活農(nóng)產(chǎn)品冷藏運輸時對溫度的需求。同時，制冷系統(tǒng)在制冷充冷過程中的蒸發(fā)溫度提高，提高了設(shè)備的運行效率，節(jié)約了能源。

4 結(jié)束語

鮮活農(nóng)產(chǎn)品一類具有鮮活生命的特殊產(chǎn)品，具有種類多、易腐爛、貯運條件難掌握、較難運輸?shù)忍攸c，尋求針對性強(qiáng)的物流貯運設(shè)施、材料和條件是解決其采后物流品質(zhì)下降的重要技術(shù)手段。多項研究結(jié)果表明，選擇適宜的冷鏈物流方式、技術(shù)，可促進(jìn)鮮活農(nóng)產(chǎn)品有效流通，改變我國鮮活農(nóng)產(chǎn)品貯運物流落后的局面。納米流體相變蓄冷材料是一種全新、環(huán)保、低碳、節(jié)能的新型能源利用材料，蓄冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有優(yōu)異的蓄/釋冷特性和熱物性特性，相變潛熱大，釋放冷量時間延長，制作成蓄冷物流環(huán)節(jié)中的蓄冷介質(zhì)，應(yīng)用到鮮活農(nóng)產(chǎn)品采后的貯運物流過程中，具有巨大的應(yīng)用價值。納米蓄冷材料配套蓄冷貯運技術(shù)是我國目前鮮活農(nóng)產(chǎn)品全程冷鏈物流的有效方法。

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