食品行業(yè)培養(yǎng)箱的設(shè)計(jì)研究

1、    食品行業(yè)培養(yǎng)箱的設(shè)計(jì)研究    田茹摘 要：通過(guò)對(duì)新型培養(yǎng)箱的熱濕處理系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的分析，確定了新型培養(yǎng)箱的設(shè)備配置。根據(jù)食品行業(yè)所用培養(yǎng)箱的特殊要求研究設(shè)計(jì)了采用半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行制冷、加熱和除濕的培養(yǎng)箱，提出了用濕球溫度替代相對(duì)濕度作為濕度控制參數(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體培養(yǎng)箱 制冷 除濕 濕球溫度：tb47 ：a ：1672-3791（2014）08（b）-0228-01目前，在食品行業(yè)中，一般使用的菌種培養(yǎng)溫度都是常溫，需要放置在培養(yǎng)箱內(nèi)來(lái)保證溫度的穩(wěn)定。由于食品行業(yè)中菌種的培養(yǎng)溫度接近常溫，所需制冷量不大，在小制

2、冷量范圍內(nèi)，采用沒(méi)有機(jī)械振動(dòng)的半導(dǎo)體制冷器作為制冷元件，不僅能減少溫度的控制誤差，也可以消除振動(dòng)對(duì)試樣的干擾，同時(shí)可以降低菌種培養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)成本。因此本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新型的半導(dǎo)體培養(yǎng)箱，采用半導(dǎo)體制冷器取代了傳統(tǒng)的蒸汽壓縮制冷機(jī)（適合對(duì)制冷量要求較小的范圍）。1 新型培養(yǎng)箱的設(shè)計(jì)方案分析1.1 功能要求培養(yǎng)箱具體使用中對(duì)溫度控制參數(shù)的精度和穩(wěn)定性要求高，對(duì)濕度參數(shù)要求較寬松。所以熱負(fù)荷的精確調(diào)節(jié)處理是培養(yǎng)箱的關(guān)鍵功能。（1）可根據(jù)環(huán)境溫度決定培養(yǎng)箱需要制冷或制熱，確定合理優(yōu)化的控制方案，可以避免加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行。（2）培養(yǎng)箱需要除濕或加濕是由箱內(nèi)初始空氣濕度參數(shù)決定的，加濕和除濕可以不同時(shí)工

3、作。（3）半導(dǎo)體培養(yǎng)箱應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能：完成該箱體內(nèi)空氣的溫度、相對(duì)濕度調(diào)節(jié)到設(shè)定值，并將箱體內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度的波動(dòng)控制在一定精度范圍內(nèi)，如溫度25±2 ，溫度波動(dòng)度±0.5 濕度50%±5%；并且保證溫度和濕度的穩(wěn)定。為被測(cè)試件提供一個(gè)恒溫恒濕的環(huán)境，溫濕度在檢測(cè)過(guò)程中必須滿足實(shí)驗(yàn)條件的規(guī)定。1.2 培養(yǎng)箱系統(tǒng)確定1.2.1 制冷系統(tǒng)在培養(yǎng)箱的設(shè)計(jì)方案中，制冷系統(tǒng)的選擇可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)降溫和除濕，它的調(diào)節(jié)性能直接影響培養(yǎng)箱溫濕度的控制精度。傳統(tǒng)的培養(yǎng)箱的制冷裝置中廣泛采用蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)，由于制冷壓縮機(jī)的工作特性，這類(lèi)制冷設(shè)備要求有最短的運(yùn)行時(shí)間和停機(jī)時(shí)間；而且

4、啟動(dòng)運(yùn)行后需要一段時(shí)間才能建立起制冷所需要蒸發(fā)壓力和冷凝壓力，制冷量也是逐漸才能增大到額定值；在壓縮機(jī)停機(jī)后，冷凝器中的制冷劑還將繼續(xù)進(jìn)入蒸發(fā)器輸出冷量，直到系統(tǒng)壓力平衡后，制冷才真正停止。所以蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性能差，不適合對(duì)制冷量需求較小的培養(yǎng)箱高精度控制的要求。半導(dǎo)體制冷不同于傳統(tǒng)的制冷方式，是一種不用制冷劑、沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的制冷裝置，具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制冷制熱迅速，通過(guò)調(diào)節(jié)電流即可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷熱負(fù)荷的控制，可調(diào)節(jié)性好，易于實(shí)現(xiàn)高精度溫控。因此選擇采用半導(dǎo)體制冷器作為新型培養(yǎng)箱的制冷系統(tǒng)。1.2.2 加熱系統(tǒng)半導(dǎo)體制冷器作為一種電-熱（冷）轉(zhuǎn)換設(shè)備，不但具有電加熱器具有的極

5、好的調(diào)節(jié)特點(diǎn)，而且半導(dǎo)體制冷器制冷、制熱具有可逆性，只需改變電流的方向就可以實(shí)現(xiàn)制冷、制熱的轉(zhuǎn)換。而且在加熱運(yùn)行時(shí)屬于熱泵系統(tǒng)，加熱量為電量與在冷端吸收的熱量之和q=w+qe，顯然比用電加熱能效高，節(jié)能顯著。半導(dǎo)體制冷器只需要改變其電流的方向，就可實(shí)現(xiàn)制冷和加熱功能，同時(shí)考慮零部件的通用性、標(biāo)準(zhǔn)化，新型培養(yǎng)箱的加熱系統(tǒng)也采用半導(dǎo)體制冷器，其加熱功能通過(guò)制冷系統(tǒng)的熱泵運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。1.2.3 加濕系統(tǒng)超聲波加濕器特點(diǎn)是能耗小，加濕強(qiáng)度大，加濕均勻，加濕效率高。而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓電陶瓷振子的數(shù)量或調(diào)節(jié)振蕩電路振幅來(lái)調(diào)節(jié)加濕量。結(jié)合新型培養(yǎng)箱的設(shè)計(jì)要求，我們的加濕系統(tǒng)選用超聲波加濕法。1.2.4 控制系

6、統(tǒng)確定在新型培養(yǎng)箱的樣機(jī)制造中，為了保證控制功能的可靠及經(jīng)濟(jì)性，選用歐姆龍cp1h型號(hào)的plc作為控制器。采用plc控制器，控制系統(tǒng)需設(shè)計(jì)2路檢測(cè)模擬量，1路模擬量測(cè)干球溫度，1路模擬量測(cè)濕球溫度，由4路晶體管pwm輸出的開(kāi)關(guān)量控制溫濕度處理系統(tǒng)；1路開(kāi)關(guān)量輸出控制循環(huán)風(fēng)機(jī)。用濕球溫度作為控制參數(shù)，溫度范圍1535 ，例如溫度設(shè)定在25 ，波動(dòng)控制在±0.5 ；濕球溫度設(shè)定在17.8（參看空氣狀態(tài)參數(shù)表：24.5 55%rh濕球溫18.21 ，25.5 45%rh濕球溫度為17.38 ），波動(dòng)控制在±0.4 ，既可以將箱內(nèi)濕度控制在要求的50%±5%范圍，采用濕球

7、溫度控制更為方便直接。1.3 系統(tǒng)設(shè)備配置考慮設(shè)備恒溫、恒濕功能要求，需保證實(shí)現(xiàn)制冷、加熱、加濕、除濕等四種空氣處理過(guò)程，綜合考慮設(shè)備運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性，以及控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)的難易程度等，設(shè)備系統(tǒng)的配置如下。制冷系統(tǒng)配置：1塊tec1127012型半導(dǎo)體制冷器，額定制冷量80 w，額定電壓12 v，工作電流10 a。加熱系統(tǒng)配置：1塊tec1127012型半導(dǎo)體制冷器。除濕系統(tǒng)配置：1塊tec1127012型半導(dǎo)體制冷器。加濕系統(tǒng)配置：水箱容積（l）：1.7，功率（w）：25；凈重（kg）：0.85。加濕量（ml/h）：200?？刂葡到y(tǒng)配置：選用歐姆龍cp1h型號(hào)的plc作為控制器。繼電器選用可

8、實(shí)現(xiàn)高速通斷的固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器需要配置散熱器。2 培養(yǎng)箱的功能實(shí)驗(yàn)本新型培養(yǎng)箱的試驗(yàn)包括手動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。手動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)是分別對(duì)樣機(jī)的制冷、加熱、除濕、加濕功進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)裝置各子系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性及相應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)是分別單獨(dú)控制箱內(nèi)溫度、相對(duì)濕度rh，并設(shè)定15 、35 兩個(gè)溫度值和rh 30%、rh 80%兩個(gè)相對(duì)濕度值，以檢測(cè)溫度和相對(duì)濕度能否控制在設(shè)定值并穩(wěn)定在一定精度范圍內(nèi)，檢驗(yàn)各系統(tǒng)的控制性能和控制策略。3 結(jié)論培養(yǎng)箱以半導(dǎo)體制冷器作為制冷元件，不僅減少了溫度的控制誤差，也可以消除振動(dòng)的干擾，同樣可以降低菌種培養(yǎng)的經(jīng)濟(jì)成本。半導(dǎo)體培養(yǎng)箱在食品行業(yè)中的應(yīng)用具有一定的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景，所研究的新型半導(dǎo)體培養(yǎng)箱同樣適用于一些對(duì)溫度環(huán)境要求比較嚴(yán)格的高精度測(cè)量?jī)x器的使用。參考文獻(xiàn)1 張安殊.半導(dǎo)體除濕機(jī)的化工過(guò)程j.福州大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，20（3）：107-111.2 王承中，張國(guó)權(quán)，騰振禹，等.一種恒溫恒濕箱：中國(guó)，200720022428.1p.2008-06-04.en