浅谈相变储能材料在冷链物流运输过程中产生的影响

 

现阶段，冷链物流运输的主要制冷方式为机械式压缩制冷，结构复杂、温度浮动大、温控难度高。针对于此，设计一款环保、节能的新型冷链物流运输车辆有着至关重要的意义。除此之外，相变储能技术的核心与关键在于相变储能材料的研发与制备，现有的相变储能材料普遍具有热导率低、过冷度大、相分离严重等一系列问题。同时，针对食品类产品的冷链物流运输所选用的相片储能材料，要求不泄漏且无毒无害。尤其是需要零摄氏度以下进行食品运输所需的相变储能材料，性能不稳定且种类较少。

 

1 相变储能材料研究现状

1.1 相变储能材料的滞后与过冷现象研究

相变储能材料主要利用物质相态变化过程中释放或吸收热量的特有性质，进行蓄热或蓄冷的一种新型储能材料。相变过程中基本不变的温度，作为其最大的优势，主要用来控制体系温度。相变储能材料的固液相变过程普遍被认定为等温过程，并且这种情况仅局限于大多数纯净物，而大部分相变储能材料往往有着低于熔化温度的凝固温度，这种现象则通常称为相变滞后。对于液体物质来说，大部分物质不在理论凝固点立即结晶，反而是在较低温度开始结晶，这种现象称为相变过冷。研究表明，相变过冷与相变滞后现象在自然界的相变过程中较为常见，与此同时相变储能材料在放热的过程中会产生较大的影响。

 

相变储能材料能够在较小的温度区间内释放或吸收大量能量，以维持冷藏车厢的温度，同时解决能量供需在空间和时间上的矛盾，大幅度提升能源的利用效率。由于其自身具有的优良特点，使得各国家、各行业领域都相应开展了广泛研究。目前，德国在使用相变蓄能冷藏箱时，已经实现了恒温的冷藏效果，使得其在航空冷链快递物流运输中得到了大规模的应用，而国内的某知名公司也根据此技术，逐步开展了蓄能冷藏箱的冷链物流运输业务。

 

2 相变储能材料分类

2.1 根据相变温度范围分类

根据相变的温度范围，可将相变储能材料分为低温相变储能材料、中温相变储能材料、高温相变储能材料。低温相变储能材料主要是冰、有机物和水合盐；中温相变储能材料主要是高分子材料和有机物；高温相变储能材料主要是金属合金和熔融盐。

 

2.2 根据相变材料构成分类

根据相变材料的构成，能够将相变储能材料划分为以下三类：无机相变储能材料、有机相变储能材料和无机-有机相变储能材料。无机相变储能材料可以划分为共晶体材料与化合物材料，其中共晶体材料在熔化和结晶的过程中，会维持一定温度，不产生相分离的现象，其组成部分主要包括水、盐类、水溶液、结晶水合盐；有机相变储能材料主要包括酯、石蜡、多元醇、有机酸等一系列有机物。相关实验表明，有机相变储能材料的结晶过程通常较为稳定，没有腐蚀性；无机-有机相变储能材料主要由无机和有机相变材料复合而成。

 

2.3 根据相变过程相态分类

根据相变过程相态的变化，相变储能材料可以分为固-固相变储能材料、固-气相变储能材料、液-气相变储能材料、固-液相变储能材料。固-固相变储能材料的相变过程不存在相态转变，只存在晶型变化过程中放出与吸收的热量，固-固相变储能材料主要包含多元醇、高密度聚乙烯和金属有机化合物；液-气相变储能材料、固-气相变储能材料由于相变过程中生成大量气体，使得剧烈膨胀的气体难以分装，因此工程应用中较少涉及；固-液相变储能材料主要包括石蜡、冰、水合盐等，由于其自身具有的制备简单、原料廉价、储冷密度大、相变潜热高等一系列优势，因而被普遍应用于冷链物流运输领域。

 

3 相变储能材料在冷链物流运输过程中的应用

在生鲜食品电商配送行业，相变储能材料以冰袋、冰盒、冰排等多种形式逐渐得到了广泛应用。众多学者正在研究将相变储能材料应用于冷链物流运输车中，以尽可能减少冷链物流运输过程中较大的温度浮动。由于生鲜产品在运输过程中有着庞大的数量，大多需要长途进行运输，从而在食品类产品运输时普遍选用冷链物流运输车。

 

冷链物流运输车的厢体结构与隔热材料在很大程度上直接或间接地影响着冷链物流运输车的环保性能、机械强度与绝热性能。常见的冷链物流运输车厢体主要由内蒙皮、外蒙皮和隔热材料三层构成，为整体提升厢体的隔热性能和可容积使用率，可以适当在隔热材料中加入相变储能材料，以制成新型的隔热材料。厢体结构中的相变储能材料能够在相变过程中对外部环境的渗入热量进行吸收，充分发挥蓄热作用，以大幅度降低厢体的制冷负荷。因此，这种厢体结构能够在很大程度上起到绝热的作用。

 

现阶段，冷链物流运输车的隔热结构通常由具有低成本、低亲水性、低导热性等优点的聚氨酯泡沫层构成。常用的厢体隔热材料主要是挤塑聚苯乙烯泡沫、膨胀型聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯硬质泡沫塑料，但针对目前聚氨酯泡沫的膨胀剂改变，致使其隔热能力大幅降低的情况，能够通过相变储能材料的集成方法，使冷链物流运输车厢体结构的热通量得到有效限制。相变储能材料主要有以下两种集成方式，一种是创建复合隔热材料层，将相变储能材料分散于传统隔热材料以形成均质层；另一种是在隔热墙中设计一层装载相变储能材料，以此作为相变材料隔热层。目前，冷链物流运输车厢体结构增加相变层的相关技术还未实现大规模应用，研究重点主要集中于相变储能材料的分析与筛选等方面。随着人们对于节能环保的要求逐渐提升，发展节能环保型冷链物流运输车显得至关重要。相变储能材料作为提升能源利用效率和促进环境保护的重要材料，应用于冷链物流运输车将是未来的发展趋势。

 

4 结论与展望

现阶段，相变储能材料应用于冷链物流运输中的实际应用普遍集中于冷链运输的低温配送与冷库储存领域。未来，相变储能材料及相关技术在冷链物流运输的发展方向主要集中在材料的实际应用与性能研究两个层面。在实际应用层面，针对储运的不同产品，针对性地提供具有适宜相变温度的蓄冷剂，以保持低温环境，将相变储能技术应用于食品行业的生产加工、低温储藏、运输配送、成品销售构成的完整冷链中，同时进行经济性、合理性的评价与分析；在材料性能层面，深度研究相变储能材料的相变机理，将滞后、过冷以及相分离等一系列问题逐一解决，进一步开发与研究功能型的相变储能材料以满足不同场合的具体需求。

 

综上所述，众多学者对于相变储能材料在冷链物流运输过程中的应用现状展开了大规模的研究。随着研究的逐渐深入，相变蓄冷物流运输车也应运而生。相变储能材料应用于冷链物流运输中能够有效节约能源、避免资源浪费，也能够使冷链物流运输行业朝着节能环保的方向发展。通过一系列研究，使相变储能材料的合理应用代替传统的机械制冷，不断推动与促进相变储能材料在冷链物流运输过程中的积极影响与合理应用，真正实现绿色、节能、减排、环保的可持续发展目标。