基本信息
- 項目名稱：
- 一種冷藏車新型納米相變蓄冷材料的研制及應用
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 解決傳統(tǒng)無機鹽相變材料冷藏車存在的問題：一，相變潛熱衰減、傳熱差、穩(wěn)定性不足，使得車廂內降溫有限、蓄水箱體積大，最終造成冷藏車制造成本大，運輸費用高；二，鹽冰融化后腐蝕車廂，并造成環(huán)境、食品污染，使得用戶的安全性受到威脅等問題。因此，本設計致力于研制出一種具有極高相變潛熱、導熱性能良好，應用于冷藏車-25℃相變溫度的高效納米蓄冷相變材料，并聯(lián)系冷藏車機構合理設計出應有本材料的蓄冷板相變蓄冷冷藏車。
- 詳細介紹：
- 冷藏車是通過：裝載貨物后，冰箱與車內容間產(chǎn)生較大的溫差，按照熱空氣上升、冷空氣下降的原理，使車內冷熱空氣不斷循環(huán)，從達到降低溫度的目的。其熱交換程序是：車內熱空氣自中間空隙流過，進入冰箱底部冷卻片與循環(huán)擋板之間同時被冷卻。冷卻后的空氣比重增大，便順著傾斜的循環(huán)擋板與冰箱底總之間的通道往下移動，由車內兩側下降到車內容間。這些冷卻后的空氣，其中一部分進入貨物中，吸收貨物放出的熱量，然后從中間通氣口上升進入冰箱附近；另一部分冷空氣則沿車側墻與貨物間的空隙繼續(xù)下降，流入車地板與底格板之間，在流動過程中吸收熱量，比重變輕而上升，上升過程中繼續(xù)吸收熱量，最后從中間空隙進入冰箱附近。爾后熱空氣變冷，重復上述循環(huán)直至得到均勻穩(wěn)定的低溫。 對于傳統(tǒng)冷藏車，考慮到冰的融化溫度是0℃，單純用冰制冷不可能得到低于0℃的溫度。除此以外在實際工作中，由于冷損失的存在，車內只能得到5℃～8℃的溫度，這個溫度是遠遠不可能滿足不同種易腐貨物的溫度要求的。而如果在冰中摻鹽，成為冰鹽混合物，雖能使冰融化時吸收融化熱，鹽溶解時又吸收溶解熱，從而同時發(fā)生了兩種吸熱反應，使車內獲得低于0℃的溫度。但是仍存在吸熱量較小、穩(wěn)定性不足等諸多缺點。 （一）、新型納米蓄冷相變材料的研制 因此本設計的創(chuàng)新之處就是引入與之匹配且最合適、經(jīng)濟效益最佳的納米材料與無機鹽相變材料相結合，從而解決老舊相變材料的相變潛熱衰減、傳熱差、穩(wěn)定性不足、車廂內降溫有限、蓄水箱體積大的缺憾，以及鹽冰融化后所造成的環(huán)境、食品污染，腐蝕車廂等一系列問題，從而創(chuàng)新出一種新型相變材料使之發(fā)揮冷藏車最大的功效。而相變材料的研制，從核心理論以及技術上來說，是超越冷藏車結構設計的發(fā)展進步的核心！因此顯然此設計具有突出的實質性以及進步，本試驗通過引入新型納米材料，從而使傳統(tǒng)相變材料性能得到巨大提升，既符合節(jié)能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展需求，又是經(jīng)濟實惠實用性極強的發(fā)明與創(chuàng)新。 最終研制的配方如下：以水作為基底，加入0.1%的瓜爾豆膠， 23.1%氯化鈉與18.7%氯化銨，添加0.3%的TiO2的納米材料最終配制成新型納米相變蓄冷材料。其相變潛熱由200J/g增至248.949J/g（傳統(tǒng)無機鹽），增幅達25%；導熱系數(shù)由0.2700W/mk（傳統(tǒng)無機鹽）增加至0.5590W/mK，增幅達200%。 2010年10月，本項目已與集研發(fā)、生產(chǎn)、營銷一體化的高新技術股份制企業(yè)——廣州賽能冷藏科技有限公司合作，聯(lián)合生產(chǎn)出了此種-25℃相變溫度的高效新型納米蓄冷相變材料。 我組利用低溫循環(huán)冷凍裝置、精密電子天平、低溫精密水銀溫度計和低溫電子溫度計等試驗儀器，搭建蓄冷裝置試驗臺。 分別對選取出的氯化鈉、氯化氨、氯化鈣、氯化鉀、硝酸銨、碳酸鈉，通過以上試驗臺以及計算公式，研究其熔化溫度和融化潛熱，最終確定出各項性能均最優(yōu)的氯化鈉、氯化氨最為無機鹽材料。 在進行過冷度試驗，DSC試驗——測得相變潛熱以及相變溫度，導熱系數(shù)試驗，最終在眾多無機鹽、納米材料、添加劑中確定出了最優(yōu)的配方如下： 采用水作為基底，加入0.1%的瓜爾豆膠， 23.1%氯化鈉與18.7%氯化銨，添加0.3%的TiO2的納米材料最終配制成新型納米相變蓄冷材料。因此我組在已研制出的本身性能優(yōu)良的無機鹽中加入了納米材料，其相變潛熱由239.5J/g（新型無機鹽材料）增至248.949J/g（納米材料），增幅達4%，導熱系數(shù)由0.5521W/mK（新型無機鹽材料）增加至0.5590W/mK（納米材料），增幅達2%。 (二)節(jié)能型蓄冷板相變蓄冷冷藏車的優(yōu)化 其長約1.7m、寬0.6m、厚0.03m，重量為45kg。冷板結構為板狀金屬密封容器，用鋁合金做成中空的殼體，內鍍一層防腐蝕材料（無機鹽類蓄冷材料一般帶有腐蝕性）。蓄冷板內裝有供蒸發(fā)用的金屬盤管，管內充有載冷劑乙二醇。盤管和板內壁之間裝的是低融點固-液相變蓄冷材料。在“充冷”時，盤管內的制冷劑循環(huán)制冷，使相變材料結成共晶冰而蓄存冷量，在運輸途中，共晶冰從車廂里吸收熱量，使車廂內部保持在適當?shù)牡蜏亍? 在冷藏車廂中，蓄冷板的數(shù)量和位置布置主要根據(jù)車廂容積、運輸貨物的溫度要求和運輸距離確定。在布置方面，冷板一般裝在車廂內頂部靠近前半端的地方，安裝風機，在運輸過程中靠風機強迫對流，從而降低車內溫度，使溫度趨于均勻。為了便于冷板裝卸，可采用活動冷板的形式設計冷板車。 冷藏汽車結構分析： 相變蓄冷冷藏車是以相變材料為冷凍和保溫設備的廂式貨車，它用來運輸易腐、易變質和對溫度有特定要求的貨物，如食品。冷藏汽車主要由隔熱車廂，蓄冷板構成，結構如圖七所示，（其中1是冷板，2是隔熱板，3是車廂）。在隔熱板上開孔，安裝自控感溫元件，當箱內溫度高于設定溫度時，熱空氣從隔熱層中心進入冷板，冷卻后從邊緣送出。 廂體及隔熱板材料： 冷藏車廂可使用的材料呈多元化，其外部材料鋼或鋁板，內部多用不銹鋼。采用這些材料增強了車廂的抗沖擊抗顛簸能力。如圖六，車廂是具有良好隔熱作用和較強承載能力的密閉型廂體。目前隔熱車廂通常是用“三明治”板粘接分片拼裝結構，其特點是：將車廂的六大組成部分（頂板、底板、左右側壁、前壁、后壁）和門分別采用聚氨酯或聚苯乙烯泡沫材料制成各自獨立的廂壁隔熱層，然后合適的連接方式（如鉚接、粘接、螺紋連接或嵌合連接加鉚接等）將各片拼裝成完整的車廂。 對于隔熱材料的選擇，則應根據(jù)冷藏車具體的應用情況來定。一般來講，對隔材的隔熱性能要求差距比較大的，如冷藏、冷凍類貨物等，可采用聚氨酯泡沫。它具有很高的絕熱性能，雖然其成本和制作工藝較復雜，但可以很好的滿足隔熱的高要求（若為隔熱要求更高的冷藏車，可以在發(fā)泡內加入真空隔熱板）。而對于保鮮、恒溫類貨物這些隔熱要求相對較低的，則采用聚苯乙烯泡沫材料就可足夠了。它工藝相對簡單，價格便宜。 冷板車制冷原理及特性 冷板車制冷的基本原理是：將低融冰鹽共晶溶液充于鋼板制成的扁形容器內, 在冷庫的凍結間內凍結成固態(tài)后, 放入具有隔熱性能的保溫車廂, 融化吸收大量的融解熱產(chǎn)生制冷效果, 在一定的時間內使車廂內保持一定的低溫, 從而實現(xiàn)冷藏運輸。 相關負荷計算： A.蓄冷劑融點的確定 蓄冷劑融點受車廂內食品貯存溫度限制,融點TR 應當在TF1< TR< TF2之間。表三列出了一些食品對車廂貯存溫度的要求,一般冷藏汽車運輸冷凍食品(如凍肉、凍魚等)可取車廂內上限貯存溫度TF1=-18℃、下限貯存溫度TF2=-25℃; 而運輸冷藏類食品(如水果、蔬菜、蛋類等)可取上限貯存溫度TF1=4℃、下限貯存溫度TF2=-1℃?？紤]到蓄冷劑吸冷和放冷時都必須維持一定的傳熱溫差,一般取△T=3～5℃,那么運輸冷凍食品時其融點TR=-21～-23℃。我們所采用的材料融點為-25℃，低于一般食品的運輸要求，在運輸過程中采用隔熱材料將冷板與箱體隔開，實現(xiàn)可控放冷的方式保證運輸過程處在一個合理溫度工況條件，又可滿足一些低溫運輸要求的冷藏運輸。 B．蓄冷量確定 蓄冷劑自環(huán)境溫度T∞降到車廂內標準溫度時的蓄冷量,它包括液相、凝固、固相三項蓄冷量,其表達式為： Qc=mc1(T∞-TR)+mhs+mcs(TR+25) kJ (運輸冷凍食品) Qc=mc1(T∞-TR)+mhs+mcs(TR+1) kJ (運輸冷藏食品) 式中 m——蓄冷劑質量，kg； c1,cs ——蓄冷劑液相、固相比熱容，kJ/(kg?℃)； hs ——固相凝固熱（固化焓），kJ/kg； TR——蓄冷劑融點，℃； T∞——環(huán)境溫度，℃； 它表示冷板在制冷機開機時達到標準工作狀態(tài)時消耗制冷機的初始冷量, 亦即最大蓄冷量,它必須滿足冷藏汽車熱負荷的需要。 作品實質性技術特點： （1）節(jié)能：共晶冰的相變潛熱是影響冷板放冷時間的關鍵因素。該相變材料的相變潛熱可達250J/g，遠大于一般的無機材料相變潛熱約150J/g。所以，采用相變潛熱大的材料可減小冷板體積、重量或減少相變材料的質量。 冷量輸送是由流量和溫差組成的。即輸送相同的冷量，溫差越大，流量越小。如一般系統(tǒng)溫差為1/12℃=11℃；而蓄冷系統(tǒng)可以做到-25/12℃=37℃，蓄冷循環(huán)泵流量減少40%；因此，在冷量的輸送方面蓄冷系統(tǒng)比一般系統(tǒng)節(jié)能。 （2）減排：將制冷機組移至地面，建立充冷站，使這部分載重和為產(chǎn)生冷量所消耗的能量減少，汽車油耗減少，降低尾氣排放量，達到節(jié)能減排的目的。 （3）制冷效果可靠: 它的制冷吸熱是冷板內低融冰發(fā)生相變過程及固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時產(chǎn)生的潛熱,且冷板的凍結是在地上的凍結間中進行的,不需要在車上專門配置凍結設備。所以制冷時幾乎沒有機械故障和磨損,運用可靠性極高。 （6）溫度可控性：在冷板和貨物中增加一層隔熱板，在上面開通風孔，通過控制開啟通風孔的數(shù)量，改變冷板傳遞到貨物的冷量，從而達到溫度調節(jié)的目的。 （5）車廂內溫度穩(wěn)定和均勻：由于低融冰鹽共晶冰在融化吸收潛熱時具有恒溫的特性,而且冷板在其完全融化前,車廂內的溫度只受外界環(huán)境溫度的影響,一般情況下在72小時的運輸過程中外界溫度的變化范圍是很小的,及通過外界傳到車廂內的熱量與車廂內冷板制冷的潛熱是可平衡的,所以車廂內的溫度是基本穩(wěn)定的, 而且冷板均勻分布固定在車廂內壁左右兩側和前部。 車廂內的冷量靠風機強迫對流,故其溫度場恒定均勻,這就為易腐貨物的運輸質量提供了可靠的保證。 （6）冷板結構簡單易于制造：冷板是在鋼板制的扁形密封容器內充注低融冰鹽共晶溶液，對于容器只有密封,強度和抗腐蝕性的要求所以制造工藝簡單。 （7）經(jīng)濟性好：使用地面廉價電能，能耗少，制冷成本低。 冷板內的相變材料價格低廉,容易配制,只要不發(fā)生人為泄漏,可連續(xù)使用而無損耗,且有關資料早已確認它是目前冷源中成本最低的一種。 貨物的干耗少，有利于果蔬的保鮮運輸，減少運輸中的變相流失、損失率。 （8）實用性：冷板冷藏車具有良好的隔熱保溫效果。在車上安裝蓄冷板可作為冷藏車用,拆下冷板又可作為保溫車用,使冷藏車一車兩用，機動靈活。 （9）無噪聲無污染：由于幾乎沒有機械運作,所以冷板制冷時無噪聲,另外由于它是在較大型的氨制冷系統(tǒng)中凍結及不需要用CFC-12 制冷劑,所以對大氣臭氧層無破壞作用。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、發(fā)明的目的：解決冷藏車制冷系統(tǒng)中以無機鹽為相變材料的制冷系統(tǒng)的相變潛熱衰減、傳熱差、穩(wěn)定性不足、車廂內降溫有限、蓄水箱體積大的缺憾，以及鹽冰融化后所造成的環(huán)境、食品污染，腐蝕車廂等問題，從而研制出一種用于冷藏車-25℃相變溫度的高效蓄冷相變材料，并聯(lián)系冷藏車機構合理設計出應有本材料的蓄冷板相變蓄冷冷藏車。 基本思路：通過認真研究冷藏車設計原理以及傳統(tǒng)相變材料制定出切實可行的實驗設計，搭建試驗臺，且研制出一種新型相變材料，反復試驗最終選出最理想的高效蓄冷相材料。 創(chuàng)新點：1.研制出一種新型納米相變蓄熱材料：瓜爾豆膠+0.3%二氧化鈦。其相變潛熱為250 kJ/kg，是同類中傳統(tǒng)無機鹽相變材料（150 kJ/kg的相變潛熱）的1.67倍，同時通過添加納米材料使得新型無機鹽的導熱系數(shù)變?yōu)樵瓉淼?倍，并解決其相分離及過冷問題，無毒無味。 2.研制新型冷板，整體為封閉式結構，利用新型材料可以實現(xiàn)冷藏運輸溫度達到-25°C 3.引入與之匹配且最合適、經(jīng)濟效益最佳的納米材料與無機鹽相變材料相結合，從而解決老舊相變材料的不足，創(chuàng)新出一種新型相變材料使之發(fā)揮冷藏車最大的功效。 技術關鍵：1.相變材料配方的研究和選擇，以及其與實際工作中的能效切合，研制出無毒無味、具有較高相變潛熱和導熱性良好的新型納米蓄冷相變材料；2.合理設計改進蓄冷板相變蓄冷冷藏車。 主要技術指標： 導熱性能、相變潛熱、相變溫度、穩(wěn)定性、環(huán)保性能等
科學性、先進性
- 創(chuàng)新之處引入與之匹配且最合適、經(jīng)濟效益最佳的納米材料，從而解決老舊相變材料的相變潛熱衰減、傳熱差、穩(wěn)定性不足、車廂內降溫有限、蓄水箱體積大的缺憾。 相變材料的研制，從核心理論以及技術上來說，是超越冷藏車結構設計的發(fā)展進步的核心！本試驗通過引入新型納米材料，使材料性能得到巨大提升，既符合節(jié)能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展需求，又是經(jīng)濟實惠實用性極強的發(fā)明與創(chuàng)新。 最終研制的配方如下：以水作為基底，加入0.1%的瓜爾豆膠， 23.1%氯化鈉與18.7%氯化銨，添加0.3%的TiO2的納米材料最終配制成新型納米相變蓄冷材料。其相變潛熱由150J/g增至248.949J/g，增幅達167%，導熱系數(shù)由0.27W/mk增加至0.5590W/mk，增幅達200%。 2010年10月，本項目已與集研發(fā)、生產(chǎn)、營銷一體化的高新技術股份制企業(yè)——廣州賽能冷藏科技有限公司合作，應用效果良好。 經(jīng)教育部科技查新工作站G12完成了對我組的科技查新報告，鑒定結果顯示未見與本設計相同的相關文獻報道。
獲獎情況及鑒定結果
- （一）2011年4月 獲第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽上海海事大學選拔賽中榮獲科技發(fā)明類制作一等獎。 （二）2011年6月經(jīng)教育部科技查新工作站G12完成了對我組“一種冷藏車新型納米蓄冷相變材料的研制”的科技查新報告，鑒定結果顯示未見與本設計相同的相關文獻報道。 （三）本材料已被廣州賽能冷藏科技有限公司所采用，應用效果良好。
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 洽談中
作品可展示的形式
- 實物、樣品、產(chǎn)品、圖片
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 本項目已研制出一種用于冷藏車-25℃左右相變溫度的高效蓄冷相變材料，并已經(jīng)與集研發(fā)、生產(chǎn)、營銷一體化的高新技術股份制企業(yè)——廣州賽能冷藏科技有限公司合作聯(lián)合生產(chǎn)。 本材料的技術特點： 1：相變潛熱大，可達到普通無機鹽相變材料的120%，且經(jīng)200次試驗測得，無明顯衰減； 2：穩(wěn)定極好，不出現(xiàn)分層、層析現(xiàn)象； 3：導熱性能強； 4：價格便宜，取材廣泛，無毒環(huán)保； 5：可達-25℃左右的相變溫度，且每克具有250J的相變潛熱。 因此此種新型納米蓄冷相變材料，可使冷藏車得到更廣泛的使用，更經(jīng)濟、實惠、高效的適用于運輸各類需要冷藏保溫的貨物，如超市、冷庫、食品廠、藥廠等。 優(yōu)勢：緩解了冷藏車制冷系統(tǒng)中以傳統(tǒng)無機鹽為相變材料的制冷系統(tǒng)的相變潛熱衰減、傳熱差、穩(wěn)定性不足、車廂內降溫有限、蓄水箱體積大的缺憾，以及鹽冰融化后所造成的環(huán)境、食品污染，腐蝕車廂等問題，從而以最小的資本創(chuàng)造出最大的效益，適宜于民用商用等多種使用情況。
同類課題研究水平概述
- （一）相變材料方面 我國在結晶水和鹽的研究方面前人做了許多工作，研究了堿金屬、堿土金屬以及鋁、鋅、錳、鐵等金屬的硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽、硝酸鹽、醋酸鹽、鹵鹽以及硫代硫酸鹽等不同結晶水和鹽。測定了這些鹽的熔點、熔解熱、熱導率、過冷度和密度等物理性質，研究了它們做為相變儲能材料的可能性。但是通過查找文獻資料后，發(fā)現(xiàn)此類傳統(tǒng)無機鹽相變材料的相變潛熱約為150kJ/kg (相較于我組所研制的新型納米蓄冷相變材料250kJ/kg的相變潛熱由很大差距) 例如：北京化工大學對硫酸鈉共晶相變材料進行了熱化學研究，測定了材料的相變熱及固體和液體的平均比熱容，研究表明，隨著懸浮劑的加入抑制了相分離，同時增大了材料的相變熱。 日本專利報道，用Na2SO4 ?1OH2O、Na2CO3?10H2O、CHC00Na?3H2O 作相變材料，用硼砂作過冷抑制劑，用交聯(lián)聚丙烯酸鈉作分相防止劑，制成在20℃相變的蓄熱材料，該材料用于園藝溫室的保溫。從此可看出，目前國內外仍著重于傳統(tǒng)無機鹽相變材料的研制，我組也在此基礎上總結前人經(jīng)驗教訓，配置出了性能優(yōu)良的無機鹽最優(yōu)配方，并添加了成核劑瓜爾豆膠，增強其成核特性。除此以外，創(chuàng)新的引入與之匹配且最合適、經(jīng)濟效益最佳的納米材料與無機鹽相變材料相結合，從而解決老舊相變材料的不足，創(chuàng)新出一種新型相變材料使之發(fā)揮冷藏車最大的功效。 （二）冷藏車方面 從運用前景方面來講，在全球提倡“節(jié)能減排，低消耗零排放”下，綠色環(huán)保的交通工具已經(jīng)開始發(fā)展。而且隨著改革開放的不斷深入，經(jīng)濟建設和人民生活對冷藏汽車的需求愈加迫切，使用的覆蓋面愈加廣泛。方便靈活的冷藏汽車在我國冷藏運輸中扮演了愈加重要的角色。據(jù)統(tǒng)計，2006-2010年，我國公路冷藏運輸?shù)哪赀\量從1767萬噸增加到2185萬噸，年均增長7％；公路冷藏運輸?shù)倪\量占冷藏貨物運輸總量從25％增長到30％。與此同時，我國冷藏汽車的需求量也將大幅增長，中型車將有很大部分被輕、微型和重型車所取代，液氮、二氧化碳、蓄冷板等新型制冷方式的新能源冷藏車會越來越受歡迎，我組優(yōu)化改造的冷板冷藏是利用冷板中的液體冷卻凝固成共晶冰，而蓄存冷量。這毫無疑問說明我們所重點改造的冷板冷藏車在未來幾年運用前景很好。
