液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1、液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)許錦鋒1,2,陸華忠1,2*,呂恩利1,2,王廣海3,韓小騰1,2(1華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510642;2華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣東廣州510642;3廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)學(xué)院,廣東廣州510515摘要針對(duì)液氮充注氣調(diào)時(shí)瞬間冷能釋放大及氣調(diào)保鮮環(huán)境均勻性要求高等特點(diǎn),結(jié)合液氮充注氣調(diào)裝置、加濕裝置、溫控機(jī)組、換氣裝置等的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用有機(jī)玻璃設(shè)計(jì)加工了基于壓差的廂體結(jié)構(gòu)。該平臺(tái)可調(diào)節(jié)回風(fēng)道長(zhǎng)度、開(kāi)孔隔板開(kāi)孔率、汽化盤(pán)管長(zhǎng)度、通風(fēng)風(fēng)速、箱體氣密性等參數(shù);開(kāi)設(shè)廂體后門(mén)方便貨物堆棧,開(kāi)設(shè)廂體前門(mén)便于調(diào)節(jié)設(shè)備工作

2、參數(shù);廂門(mén)開(kāi)啟處采用中性硅酮密封膠密封,氣密性良好。該試驗(yàn)平臺(tái)可調(diào)節(jié)保鮮廂體內(nèi)溫度、濕度和氣體成分等參數(shù),為液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸裝備的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞氣調(diào);液氮;保鮮運(yùn)輸;平臺(tái)中圖分類(lèi)號(hào)TS2553文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)05176611(2012040231803Design of an Experimental Platform with Controlled Atmosphere by Liquid Nitrogen Injection for Food Transportation XU Jin-feng et al (Key Laboratory of Key Technolog

3、y on Agricultural Machine and Equipment ,Ministry of Education ,South China Agri-cultural University ,Guangzhou ,Guangdong 510642Abstract A container was made of Plexiglas panels and based on the pressure difference to meet the character of liquid nitrogen (LN 2which released large amount of cold en

4、ergy during controlled atmosphere (CA and to provide a uniform flow field thereinThe structures of relevant appliances ,such as LN 2injection equipments ,humidification equipments ,refrigeration equipments ,were also taken into consideration for the design of the container structureThe important exp

5、erimental parameters ,including the air return channel length ,the opening rate of the per-forated partition ,the ventilation velocity ,and gas tightness of the container ,were designed variable to facilitate the following experimentsThe back panel was able to open to stack the cargos and the front

6、panel was dismountable to adjust the parameters of the equipments insideThe neutral silicone sealant was used to seal the container ,which was proved of good air tightness character after a leakage testThis experimentalplatform could control the temperature ,humidity ,and gas composition in the cont

7、ainer ,which helped develop the fresh-keeping transportation vehicles with CA system by LN 2Key words Controlled atmosphere ;Liquid nitrogen ;Preservation transportation ;Platform基金項(xiàng)目現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(CARS-33-13;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31101363;廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10151064201000038;廣州市農(nóng)業(yè)科技項(xiàng)目(2011;廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011B0203120

8、03。作者簡(jiǎn)介許錦鋒(1988,男,廣東揭陽(yáng)人,碩士研究生,研究方向:冷鏈物流與裝備,E-mail :jinfengxu1988163com 。*通訊作者,教授,博士,博士生導(dǎo)師,從事農(nóng)業(yè)工程研究,E-mail :huazluscaueducn 。收稿日期2011-11-14氣調(diào)保鮮運(yùn)輸技術(shù)是一種在低溫運(yùn)輸基礎(chǔ)上提高保鮮環(huán)境的相對(duì)濕度,并人為改變廂體環(huán)境氣體成分的保鮮運(yùn)輸方法1,可抑制果蔬呼吸,延長(zhǎng)保鮮周期。國(guó)外用于保鮮運(yùn)輸?shù)臍庹{(diào)系統(tǒng)主要有制氮機(jī)制氮?dú)庹{(diào)系統(tǒng)、自身氣調(diào)系統(tǒng)、預(yù)混氣體充注氣調(diào)系統(tǒng)和臭氧氣調(diào)系統(tǒng)25,其運(yùn)輸裝備主要由廂體、制冷機(jī)組、加濕裝置和氣調(diào)裝置等組成。由于國(guó)外氣調(diào)裝備存在成本

9、高或氣調(diào)效率低等問(wèn)題,難以適合我國(guó)國(guó)情6。液氮充注作為一種氣調(diào)方式,具有氣調(diào)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn),文獻(xiàn)710針對(duì)液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車(chē)的通風(fēng)系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)和氣調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。為研究液氮充注的溫度調(diào)節(jié)機(jī)理及關(guān)鍵參數(shù)、開(kāi)展保鮮環(huán)境綜合調(diào)控試驗(yàn),需開(kāi)發(fā)液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸試驗(yàn)平臺(tái),集成液氮?dú)庹{(diào)裝置、溫控裝置、加濕裝置、信號(hào)采集等裝置為一體,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)回風(fēng)道長(zhǎng)度、開(kāi)孔隔板開(kāi)孔率、汽化盤(pán)管長(zhǎng)度、通風(fēng)風(fēng)速、箱體氣密性等參數(shù)的功能,為液氮?dú)庹{(diào)保鮮運(yùn)輸裝備的設(shè)計(jì)奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。1試驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及設(shè)備液氮?dú)庹{(diào)保鮮裝備要具備氣調(diào)、溫控和加濕等功能,需具備運(yùn)輸廂體、液氮充注氣調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、

10、信號(hào)采集系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和控制器等設(shè)備。其中,控制器與各個(gè)系統(tǒng)相連接,控制器根據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)從廂體內(nèi)采集的氧氣、二氧化碳和乙烯濃度、溫度和濕度等信號(hào),控制各執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的氣調(diào)、溫控、加濕和通風(fēng)換氣等操作,從而調(diào)節(jié)廂體內(nèi)保鮮環(huán)境。11運(yùn)輸廂體結(jié)構(gòu)該試驗(yàn)平臺(tái)采用液氮充注作為氣調(diào)方式,針對(duì)液氮冷量大、溫度低,易造成保鮮運(yùn)輸車(chē)廂內(nèi)局部溫度過(guò)低,對(duì)果蔬產(chǎn)生凍害的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于壓差原理的運(yùn)輸廂體結(jié)構(gòu),如圖1所示。廂體采用有機(jī)玻璃板制作,包括廂體外殼和廂體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。廂體外殼由上面板、下面板、左面板、右面板、前面板和后門(mén)板組成; 廂體內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括回風(fēng)注:1排水孔;2前板;3小前板;4開(kāi)孔隔板;5

11、輔助充氮孔;6風(fēng)機(jī)安裝板;7制冷管道孔;8進(jìn)氣孔;9隔板;10電線孔;11回風(fēng)道;12后門(mén)板;13出氣孔;14后支撐板;15導(dǎo)風(fēng)槽。圖1保鮮運(yùn)輸車(chē)箱體結(jié)構(gòu)道、通風(fēng)槽、風(fēng)機(jī)安裝板和開(kāi)孔隔板。開(kāi)孔隔板將廂體內(nèi)部空間分為保鮮室和壓力室;通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)安裝在壓力室上方的風(fēng)機(jī)安裝板上,回風(fēng)道安裝在廂體內(nèi)頂板中心線位置并責(zé)任編輯金蘋(píng)責(zé)任校對(duì)李巖安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),Journal of Anhui AgriSci2012,40(4:23182320與通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口連通。為便于試驗(yàn)的開(kāi)展和試驗(yàn)設(shè)備的安裝、維修及更換,將前板分割成上前板和下前板。上前板安裝于壓力室上方,稍寬并稍高于廂體,可拆卸,方便風(fēng)機(jī)的維修及

12、更換;下前板安裝于壓力室下方,不可拆卸,在其中間開(kāi)方孔,便于安裝設(shè)備及調(diào)整設(shè)備參數(shù)。小前板中間開(kāi)圓孔,用于將汽化盤(pán)管的二通螺紋接頭和放置在箱體外部的液氮罐出液管道連接。為方便試驗(yàn)貨物的堆棧,開(kāi)設(shè)了可拆卸后門(mén)板,其尺寸稍寬、稍高于廂體,便于后面板拆卸后的密封。在與后門(mén)板相鄰處將一回形支撐板固定在廂體內(nèi)壁上,以加強(qiáng)廂體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,延長(zhǎng)其壽命。為增強(qiáng)廂體內(nèi)部氣體循環(huán),提高廂體內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性,在廂體保鮮室設(shè)計(jì)回風(fēng)道和通風(fēng)槽。由于回風(fēng)道長(zhǎng)度作為液氮充注保鮮運(yùn)輸設(shè)備的重要參數(shù),對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的氣調(diào)、溫控及加濕等特性具有重大影響,因此,回風(fēng)道的長(zhǎng)度需可調(diào),以便于開(kāi)展試驗(yàn)研究,所以將回風(fēng)道平均分割成3段,為后續(xù)試

13、驗(yàn)提供可調(diào)回風(fēng)道長(zhǎng)度參數(shù)。液氮充注氣調(diào)時(shí),液氮汽化體積膨脹640倍,易對(duì)廂體結(jié)構(gòu)安全造成威脅。同時(shí)為防止低氧和高二氧化碳對(duì)果蔬造成傷害,在廂體開(kāi)設(shè)進(jìn)氣孔和出氣孔。進(jìn)氣孔開(kāi)在壓力室上方,風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)形成負(fù)壓,便于空氣進(jìn)入;出氣孔開(kāi)在保鮮室右下方,液氮汽化及風(fēng)機(jī)作用形成正壓,便于廂內(nèi)氣體排出。為研究不同開(kāi)孔率的開(kāi)孔隔板對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)氣調(diào)、溫控及加濕等特性的影響,在開(kāi)孔隔板上開(kāi)設(shè)不同數(shù)量的圓孔,以獲得不同的開(kāi)孔率。12試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備試驗(yàn)平臺(tái)所需要的設(shè)備包括液氮充注氣調(diào)裝置、加濕裝置、溫控裝置、通風(fēng)裝置、換氣裝置、信號(hào)采集裝置和控制器等。121液氮?dú)庹{(diào)裝置。液氮充注氣調(diào)裝置由液氮罐、液氮出液電磁閥和汽化盤(pán)管組

14、成6,1112,汽化盤(pán)管之間通過(guò)二通螺紋接頭連接,可調(diào)節(jié)盤(pán)管長(zhǎng)度。汽化盤(pán)管安裝于廂體壓力室內(nèi),一端通過(guò)二通螺紋接頭連接到廂體外液氮罐的出液口上,另一端通過(guò)三通螺紋接頭連接分布橫管,分布橫管上均勻布有出液孔,用于增大出口處液氮與周?chē)鷼怏w熱交換的空間,提高液氮汽化溫度。122加濕裝置。加濕裝置包括依次相連的儲(chǔ)水箱、液路電磁閥、噴霧裝置、氣路電磁閥和空氣壓縮機(jī)。采用高壓霧化加濕方式9,1314,利用壓縮空氣在霧化碰頭內(nèi)形成局部負(fù)壓產(chǎn)生虹吸作用,將水與空氣混合霧化后形成細(xì)小水霧噴出。123溫控裝置。溫控裝置包括蒸發(fā)器盤(pán)管、加熱除霜裝置、電子膨脹閥、冷凝器、壓縮機(jī)和控制器15。溫控裝置中的壓縮機(jī)、冷凝器

15、、電子膨脹閥、蒸發(fā)器盤(pán)管依次相連,控制器分別與加熱除霜裝置、電子膨脹閥相連,蒸發(fā)器盤(pán)管和加熱除霜裝置位于廂體壓力室內(nèi),冷凝器、壓縮機(jī)和控制器集成為制冷組件放置在廂體外部。124通風(fēng)裝置。通風(fēng)裝置由變頻模塊和風(fēng)機(jī)組成,利用風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)在壓力室形成正壓區(qū),在回風(fēng)道形成負(fù)壓區(qū),利用壓力室與回風(fēng)道間的壓差,迫使空氣從保鮮室內(nèi)通過(guò)。為了實(shí)時(shí)測(cè)定風(fēng)速,在壓力室上方與回風(fēng)道接口處安裝一風(fēng)速儀。125換氣裝置。換氣裝置包括2個(gè)換氣電磁閥,其中進(jìn)氣閥安裝在廂體的進(jìn)氣孔上,排氣閥安裝在廂體出氣孔上。當(dāng)廂體內(nèi)的二氧化碳或乙烯濃度過(guò)高時(shí),換氣裝置打開(kāi),廂體內(nèi)外的氣體進(jìn)行交換,從而降低二氧化碳或升高氧氣濃度。126信號(hào)采

16、集裝置。信號(hào)采集裝置包括溫度傳感器、濕度傳感器、氧氣濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和乙烯濃度傳感器,布置在氣密廂體的保鮮室內(nèi),分別與廂體外控制器和記錄儀相連,可將廂體內(nèi)溫度、濕度和氣體濃度信號(hào)傳送給控制器。127排水裝置。排水裝置為一電磁閥,安裝于廂體壓力室內(nèi)的下面板上,與控制系統(tǒng)相連。由于壓力室內(nèi)布有蒸發(fā)器、液氮汽化盤(pán)管和噴霧器,壓力室易產(chǎn)生積水,排水閥可定時(shí)打開(kāi),將水排出廂體。各設(shè)備在試驗(yàn)平臺(tái)上的連接及安裝位置如圖2所示 。注:1記錄儀;2傳感器;3出氣閥;4風(fēng)速儀;5風(fēng)速儀觸點(diǎn);6風(fēng)機(jī);7進(jìn)氣閥;8盤(pán)管;9蒸發(fā)器;10霧化噴頭;11液氮罐;12制冷機(jī)組;13排水閥;14電線;15電源;1

17、6繼電器箱;17儲(chǔ)水箱;18空氣壓縮機(jī);19PLC控制器;20顯示器;21變頻器。圖2液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)2平臺(tái)試驗(yàn)21方法該試驗(yàn)在液氮充注保鮮運(yùn)輸試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行,廂體外覆聚氨酯保溫板,廂體內(nèi)初始環(huán)境為氧氣體積分?jǐn)?shù)197%,二氧化碳體積分?jǐn)?shù)04%,乙烯濃度03mg/L,濕度48%,溫度228;設(shè)備參數(shù)設(shè)置為回風(fēng)道15m,開(kāi)孔隔板開(kāi)孔率403%,盤(pán)管長(zhǎng)度為40m;選用瓦楞紙箱規(guī)格,內(nèi)置本地產(chǎn)香蕉,采用滿(mǎn)箱堆棧的方式進(jìn)行試驗(yàn)。22結(jié)果在試驗(yàn)平臺(tái)上分別單獨(dú)進(jìn)行調(diào)氧、調(diào)溫和調(diào)濕試驗(yàn),結(jié)果表明,試驗(yàn)平臺(tái)可在42min內(nèi)將廂體內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)降至目標(biāo)值3%;88min內(nèi)將廂體內(nèi)溫度降至目標(biāo)值12

18、;49min內(nèi)將廂體內(nèi)濕度升高至目標(biāo)值90%,如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果證明,該試驗(yàn)平臺(tái)可滿(mǎn)足氣調(diào)保鮮運(yùn)輸試驗(yàn)需求。3結(jié)論(1利用液氮充注進(jìn)行氣調(diào)的方式能在1h內(nèi)將廂體內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)降至3%的目標(biāo)值,具有快速降氧并輔助降溫的特點(diǎn)。(2壓差結(jié)構(gòu)的保鮮廂體能保證氣密性,并與液氮?dú)庹{(diào)系統(tǒng)匹配,保證了低溫液氮在壓力室充分換熱升溫,避免對(duì)913240卷4期許錦鋒等液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)保鮮室果蔬造成凍害 。圖3液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸試驗(yàn)平臺(tái)氣調(diào)試驗(yàn)結(jié)果(3回風(fēng)道長(zhǎng)度、汽化盤(pán)管長(zhǎng)度、開(kāi)孔隔板開(kāi)孔率、氣密性等試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)可調(diào),有利于研究液氮充注氣調(diào)保鮮運(yùn)輸試驗(yàn)平臺(tái)的保鮮特性。(4由液氮供給裝置、溫控裝置

19、、加濕裝置、信號(hào)采集裝置、換氣裝置和排水裝置等組成的液氮?dú)庹{(diào)保鮮試驗(yàn)平臺(tái),能為果蔬提供最佳的保鮮環(huán)境。參考文獻(xiàn)1劉穎,鄔志敏,李云飛,等果蔬氣調(diào)貯藏國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展J 食品與發(fā)酵工業(yè),2006(4:94972呂恩利,陸華忠,楊洲,等果蔬氣調(diào)保鮮運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展研究J 農(nóng)機(jī)化研究,2010(6:2252283徐文娟,王志明果蔬氣調(diào)貯藏保鮮技術(shù)及設(shè)備J 保鮮與加工,2002(2:464何松元,崔立華,黃俊彥新鮮果蔬的氣調(diào)包裝技術(shù)J 包裝世界,2008(5:42435李家政,張平影響果蔬自發(fā)氣調(diào)貯藏效果的若干因素分析J 保鮮與加工,2007(5:32356呂恩利,陸華忠,楊洲,等果蔬氣調(diào)保鮮運(yùn)輸技術(shù)的研究

20、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)J /OL http :/wwwdoc88com/p-0768*html7呂恩利,陸華忠,楊洲,等氣調(diào)保鮮運(yùn)輸車(chē)通風(fēng)系統(tǒng)的阻力特性C /中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)包裝與食品工程分會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集上海:中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì),20108FERRUA M J ,SINGH R PModeling the forced-air cooling process of freshstrawberry packages ,Part I :Numerical model J International Journal of Refrigeration ,2009,32(2:3353489韓小騰,陸華

21、忠,呂恩利,等保鮮運(yùn)輸用高壓霧化加濕系統(tǒng)的濕度調(diào)節(jié)特性C /中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)包裝與食品工程分會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集上海:中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì),201010王廣海,陸華忠,呂恩利,等果蔬保鮮運(yùn)輸用智能液氮?dú)庹{(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究C /中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)包裝與食品工程分會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集上海:中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì),201011陸則堅(jiān),陸蒸,林啟訓(xùn),等氣調(diào)干制技術(shù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2001(6:11111412張青,龔海輝,徐世瓊,等果蔬氣調(diào)運(yùn)輸技術(shù)及設(shè)備的現(xiàn)狀J 包裝與食品機(jī)械,2006(6:464813梁澤欽,邱紅喜,楊明豐,等超聲霧化加濕系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)J 武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2006(3:242614黃秋菊,劉乃玲濕膜加濕器的加濕機(jī)理及影響因素分析J 節(jié)能,2005(10:81115宋一新溫控物流設(shè)備系列講座(二運(yùn)輸制冷設(shè)備的特點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀J 物流技術(shù)與應(yīng)用(貨運(yùn)車(chē)輛,2007(2:檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪8082(上接第2127頁(yè)52合理利用鄉(xiāng)村元素,開(kāi)發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)游戲