（制冷及低温工程专业论文）一体化高湿差压预冷装置的开发和预冷效果的研究.pdf

摘要 摘要 本文根掘差压预冷理论搭建了。体化高湿差k 预冷装置，并以番茄为研究对 象，对该装置的预冷效果及单位质量番茄预冷能耗进行了理论计算和实验研究。 具体研究内容及结论如下： 1 通过理论计算、设计搭建了一一体化高湿：摹压预冷装置。 该预冷装置的风量调节范围为o 7 3 2 5 m 3 h ，装置在最大胍量时的压降为 1 0 5 7 8 p a ，功率为1 3 4 k w ；喷淋加湿器的加湿效果良好，可在8 分钟内将库内空 气湿度从s o j j h 湿至9 0 ，最大可达9 4 ；压缩机容量范围是o 6 h p 6 h p 。 2 对单位质量番茄预冷能耗进行了理论计算。 单位质量番茄预冷能耗随风速的增大而增大。蒸发温度对荦位质量番茄能耗 的影响，与风速有关。当风速小于0 5 4 m s 时，单位质量番茄预冷能耗随蒸发温 度的升高而减小。：刍风速在0 5 4 m s 至1 1 2 m s 之问时，单位质量番茄预冷能耗 随蒸发温度的升高呈先减小后增大的趋势。当大于1 2 2 m s 时，单位质量番茄预 冷能耗随蒸发温度的升高而增大。 3 预冷效果及单位质量番茄预冷能耗的实验研究 ( 1 ) j x l , 速为1 5 m s 时，随着蒸发温度的升高，番茄的预冷速率减小，番 茄的预冷均匀性变好，但单位质量番茄预冷能耗增大。蒸发温度从一6 升高至0 时，预冷速率减小6 0 ，能耗增加5 8 5 。 ( 2 ) 预冷空气的湿度越大，预冷时问越长。当湿度增大时压缩机耗功和币 位质量番茄预冷能耗增：大，果蔬失水率减小。在湿度为9 2 时，果蔬失水率为 0 】。 关键词：差压预冷；降温速率；能耗；失水率 a b s t r a c t 一 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r ep r e c o o l i n gt h e o r y , t ob u i l dt h ei n t e g r a t e d h i g hd i f f e r e n t i a lp r e s s u r ep r e c o o l i n gd e v i c e a n dd e v e l o pt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f p r e c o o l i n ge f f e c t a n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fu n i t q u a l i t yt o m a t op r e c o o l i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n t h es p e c i f i cw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h r o u g ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，d e s i g na n db u i l ti n t e g r a t i o nh i g hh u m i d i t y p r e s s u r ed i f f e r e n t i a lp r e c o o l i n gd e v i c e a i rv o l u m ea d j u s t i n gr a n g eo ft h ed e v i c ei s ( ) 7 3 2 5 m 3 h t h ep r e s s u r ed r o po f t h ed e v i c ei s10 5 7 8 p a ，t h ep o w e ri s1 3 4 k wa tt h el a r g e s ta i rv o l u m e s p r a yh u m i d i f i e r a d dw e te f f e c ti sg o o d ，t h ea i rh u m i d i t yc a nb ea d d e df r o m5 0 t o9 0 i ne i g h t m i n u t e s ，t h eb i g g e s tc a nr e a c h9 4 t h ec a p a c i t yo ft h ec o m p r e s s o ri s0 6 h p 6 hp 2 t ot h e o r e t i c a lc a l c u l a t eu n i tt o m a t op r e c o o l i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n u n i tq u a l i t yt o m a t op r e c o o l i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s e sw i t ht h ew i n d s p e e di n c r e a s e s t h ei n f l u e n c eo fe v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r eo nu n i tq u a l i t yt o m a t o p r e c o o l i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni sc o n n e c t e dw i t hw i n ds p e e d w h e nt h ew i n ds p e e d i sl e s st h a no 5 4m s u n i tq u a l i t yt o m a t op r e c o o l i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nr e d u c e s w i t he v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e w h e nt h ew i n d ss p e e di sb e t w e e n0 5 4a n d 1 12 ，u n i t q u a l i t yt o m a t op r e c o o l i n g e n e r g yc o n s u m p t i o ns h o wt h et e n d e n c yo f r e d u c ea f t e ri n c r e a s ef i r s tw i t he v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s w h e nt h ew i n di s m o r et h a n1 12m s ，u n i tq u a l i t yt o m a t op r e c o o l i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s e w i t he v a p o r a t i o n t e m p e r a t u r ei n c r e a s e 3 e x p e r i m e n t a ls t u d yo fp r e - c o o l i n ga n du n i tq u a l i t yt o m a t op r e c o o l i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n w h e nw i n ds p e e di s1 5m s ，a l o n gw i t ht h ee v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r er i s e s ，t h e t o m a t op r e c o o l i n gr a t ed e c r e a s e s ，a n dc o l du n i f o m f i t yo ft o m a t o e si sb e t t e r , b u tu n i t q u a l i t y t o m a t o p r e c o o l i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n i n c r e a s e w i t h e v a p o r a t i o n t e m p e r a t u r er i s ef r o m 一6 t o0 ，p r e c o o l i n gr a t ei sr e d u c e db y6 0 ，a n de n e r g y c o n s u m p t i o ni n c r e a s e sb y5 8 5 t h eb i g g e rt h ec o o la i rh u m i d i t yi s ，t h el o n g e rt h ep r e c o o l i n gt i m ei s ，w h e n a b s t r a c t h u m i d i t yi n c r e a s e s ，c o m p r e s s o r p o w e rc o n s u m p t i o na n du n i t q u a l i t y t o m a t o p r e - c o o l i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s e s ，w a t e l l o s s r a t eo ft o m a t or e d u c e s i n h u m i d i t y9 2 w a t e rl o s sr a t ei s0 11 k e y w o r d s ：f o r c e d - - a i rp r e - c o o l i n g ；c o o l i n gr a t e ；e n e r g yc o n s u m p t i o n ；h u m i d i t y ； w a t e r1 0 s sr a t e 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 预冷的重要性 第一章绪论 果蔬内含有大量人体所必需的维生素、无机盐、植物纤维等营养成分，是人 们必不可少的食物之一。据国际粮农组织1 9 9 0 年的统计，人体维持i t i 常的生理 机能所必需的维生素a 和维生素c 大部分需要从果蔬中摄取。此外，果蔬中还 含有各种各样的植物化学物质，比如类胡萝i - 素、二丙烯化合物、甲基硫化合物 等，是人们公认的对健康有效的成分。果蔬中含有的一些营养成分，也呵以用来 预防慢性疾病，这些物质正在被人们逐渐发现和认识。许多国家和地区已经把新 鲜水果的摄入量作为衡量该国或地区的人民健康状况的重要指标。 果蔬采摘后可通过自身的物质消耗维持生命活性。由于新鲜果蔬一般成熟于 夏秋季节，气温较高，果蔬采摘后带有大量l f l 问热，呼吸作用又强，果蔬含有的 营养成分极容易被快速的消耗，降低其食用价值。而且果蔬内含有大量水分，常 温下极容易引起微生物滋长，使食物腐烂变质，无法食用。 ：引起果蔬腐烂变质的主要原因是酶的催化作用和微生物的繁殖，而两者作用 的强弱均与温度紧密相关。当环境温度降低时，可以有效降低微生物的繁殖速率、 降低酶的活性、抑制呼吸作用，从而阻止或延缓果蔬腐烂变质的速度。 为了降低果蔬的呼吸作用，达到长期保鲜的目的，需要对果蔬进行低温贮藏 和低温运输。采用低温可有效抑制的果蔬的呼吸作用，减小果蔬的发热量。洋葱 在o 。c 时的呼吸速率只有1 5 时的4 0 ；龙须菜在o o c 时的呼吸速率只有1 5 时 的2 7 ；玉米在o 日寸的呼吸速率只有1 5 。c 时的2 3 ；苹果在o 。c 时的呼吸速率 只有1 5 时的2 0 ；草莓在o 。c 时的呼吸速率只有1 5 时的1 9 。如果将其放 于冰温条件下贮藏，其呼吸速率将会更低，贮藏效果将更加明显。 低温贮藏和低温运输的前提必须是果蔬是“新鲜的”，否则就失去了低温贮 藏和低温运输的意义。果蔬在采摘之后、贮藏或运输之前的较长时间内如果不进 行任何的处理，果蔬的品质就会下降。因此，要想保证果蔬从采摘到食用的过程 第一章绪论 r 1 ，果蔬始终保持新鲜度，就必须在果蔬采摘之后，马上进行低温预冷处理。大 量研究和实践证明，果蔬采摘后若及时进行预冷，可延缓后熟及病害的发生，延 长贮藏期。例如，西洋梨收获两天后降温贮臧，贮藏期为1 2 0 天，四天后降温贮 减，贮藏期则缩减至6 0 天。花菜采摘后，及时将温度由2 0 。c 降到o ，可以将 贮藏期| j _ _ 2 天延长至4 2 天【1 l 。 概括一下，预冷主要有六大优点： ( 1 ) 消除闭问热阳问热是指果蔬从阡1 f 日j ：采摘时的温度与预冷后的温度之 问对应的含热量之差。网问热量的大小取决于果蔬采摘时的品温，果蔬在阳问暴 晒时问以及果蔬在预冷f i 订的呼i 吸强度而决定的。果蔬采收时的品温对果蔬的品质 有直接影响，尤其是一些容易败坏的果蔬，降温仅延后数小时，就可能造成一些 品质j 二的损失，比如甜玉米的糖度会下降。所以快速去除阳问热可以保持果蔬良 好品质。 ( 2 ) 减少失水率果蔬内含有大量的水份，这些水分占到了鲜重的8 0 ， 许多新鲜的果蔬只要丧失3 的水分，就会出现萎焉现象，严重影响果蔬产品的 外观和价值。由于果蔬内水蒸气分压差较大，果蔬中的水分子就会以水蒸气的形 态从果蔬表面散失到空气之中，造成果蔬失水。果蔬品温愈高，由皮孔、气孑l 、 表皮或伤痕散失到空气- 中的水分就越多。反之，果蔬品温愈低，其失水速率亦降 低。所以降低果蔬的温度可减缓果蔬失水速度。 ( 3 ) 抑制呼吸作用采收后的果蔬依然以活体的形式存在，依然进行呼吸 作用，由于失去了母体提供营养。只能消耗个体内部的原来贮藏的营养成分，产 生能量来维续生命活动。，果蔬和人类一样，需要进行呼吸作用，将体内的营养成 分如淀粉、脂肪、醣类等转化为能量，小部份用来合成细胞修复所需能量，大部 份则以热量的方式释放出来。高温时，果蔬呼吸速率较高，营养成分相对代谢速 率较快，果蔬容易衰老腐烂，不耐贮藏。反之，在低温时，果蔬呼吸率较低，比 较容易达到长期贮藏的目的。例如，在2 5 时，每公斤甜玉米的二二氧化碳释放 量为2 8 2 毫克每小时，在o 时，每公斤甜玉米的二氧化碳释放量为3 0 毫克 每小时。呼吸率仅为2 5 时的1 l o 。因此果蔬采摘后快速降低品温，可以抑制 呼吸作用，减少营养成分的消耗，延长贮臧时问。 ( 4 ) 抑制微生物的繁殖微生物是导致果蔬病变的主要原因。微生物生长 第一章绪论 繁贿的最适宜温度约为2 0 一3 0 ，恰好与果蔬采摘时的品温相同。因此，果蔬：采 摘后如果品温不能马一h 降下来，微生物便会迅速繁殖，导致果蔬腐败。降低温度 可以迅速杀死生长中的胞子，抑制微生物菌落的生长或减缓微生物胞子的发芽及 菌丝的生长。果蔬采收后迅速降低温度至其所能承受的最低温度，是最理想的抑 制微， 物繁殖的方法。 ( 5 ) 抑制乙烯生成所有的植物组织都具：有制造乙烯的能力，它是一种天 然的植物荷尔蒙。尤其在环境逆境、果实后熟、组织老化及物理伤害时会产生乙 烯。乙烯除了能造成更年性果实的食味变佳外，也会造成叶绿素消失、叶片脱落、 组织老化等许多不良影响。大多数果蔬诱发乙烯作用的温度在1 6 2 1 ，且在 乙烯浓度达到某一值时，j j 能激发它的作用。因此采收后将果蔬迅速地冷却并维 持在适当的低温下，可以有效地抑制乙烯合成，减少乙烯造成的不良影响。 ( 6 ) 提高经济效益如果果蔬菜运输和冷藏之j 仃经过预冷处理，可以迅速 去除卜订问热和呼吸热、降低呼吸速率，减轻运输或贮藏过程中的果蔬冷负荷。又 因入库的果蔬温度已经降下来，则不必考虑新旧果蔬堆置的位置关系，提高经济 效益。 ( 7 ) 方便运输如果将采摘后的果蔬直接装载到冷藏车内，果蔬温度在较 长时问内不能降低，与车厢温度相差甚：大，果蔬容易蒸腾失水，导致车厢湿度增 大。这些水蒸气在车厢顶部凝结后滴落到包装箱或果蔬h ，对运输不利，页容易 造成果蔬在运输过程中的腐烂变质。如果果蔬已经过预冷处理，运输过程中就可 以减轻或避免这些现象。， 我国是世界上种植果蔬面积最大的国家之一。掘农业部统计，2 0 0 9 年中国 蔬菜种植面积和产量分别占了世界总种植面积和产量的4 3 矛n4 9 ，均居世界第 一位；2 0 0 9 年全国的蔬菜种植面积2 7 3 亿亩，总产量6 0 2 亿吨，人均占有：量 为4 4 0 多千克，超出世界平均水平3 0 0 多千克。蔬菜生产个给我国带来了较高的 经济效益，2 0 0 9 年全国蔬菜( 含西甜瓜) 总产值约为8 8 0 0 亿元。中国生产的果 蔬不仅满足了国内的需求，还大量出口到其它国家。2 0 0 9 年，中国农产品贸易 逆差达到了1 2 9 6 亿美元，而蔬菜出口占到了肌5 ，约为6 6 7 亿美元。尽管 蔬菜产量稳居世界第一，但是由于我国果蔬产后处理技术落后，导致水果产后损 失率高达2 0 左右，蔬菜产后损失率高达2 5 至3 0 ，每年损失的总价值达到了 第一章绪论 1 0 0 0 亿元人民币以_ j 二，造成了极大地浪费和经济损失。反观f 1 本和欧美等发达 国家，它们大量采用差l 预冷和真空预冷等方式为主的果蔬采后冷链物流技术， 产后损失率仅为1 7 至5 。 1 1 2 预冷方法 当i 酉常见的预冷方法主要有真空预冷、冷水预冷、冰预冷和空气预冷。预冷 方法的选择要考虑多种因素，比如果蔬的品种、果蔬的产地和预冷成本等，最主 要的是要看预冷方法是否适合要预冷的鲜活产品尘。 1 真空预冷 真空预冷是将果蔬放在真空室内，果蔬内部的水分在负压环境下蒸发，在蒸 发的过程中吸收热量，产生冷却效应，在不需要：外部冷源的情况下将自身的温度 冷却下来。真空预冷会i ；i 起果蔬的失水，大约温度每降低5 - 6 。c ，果蔬的失水率 为1 。因此，在实际操作时，通常将果蔬预先润湿。真空预冷速率的快慢取决 于果蔬的比表面积、产品失水难易程度、包装容器的通气性及真空泵的性能。因 此，真空预冷比较适合叶菜类果蔬的预冷。 真空预冷的优点是冷却时问短、降温迅速、不受包装限制等优点。缺点主要 是适用品种主要为比表面积大的蔬菜、成本较高、导致失水等。 2 水预冷 水预冷是将果蔬浸泡在冷水中，或者将冷水喷洒在蔬菜表面来达到预冷目的 的一种方式。冷水的温度一般在0 - - 3 。c ，在不冻伤果蔬的自仃提下，水温尽量低， 可以降低预冷时问。预冷时问一般在十几分钟到几十分钟。 水预冷的优点是效率高、冷却速度快、成本低、预冷装置结构简单、使用范 围广等。果蔬预冷后不会有质量损失，可持续作业。缺点是冷水为循环利用的水， 容易滋生细菌，需要在水中加入化学药剂，并经常清洗冷却设备。而且不能预冷 纸箱包装的果蔬。 3 冰预冷 冰预冷就是将天然或者人造的冰块敷在果蔬上，通过冰的融化吸收热量，带 走果蔬田问热，降低温度的方法。该法操作简单，不需特殊设备，成本也低，但 预冷效果一般，应用规模小，适用产品范围小，容易引起果蔬冷害或冻害。只适 4 第一章绪论 合耐寒耐水的猕猴桃、节果、葡萄、梨、白菜、葱等果蔬。 4 空气预冷 空气预冷是最为常用的一种预冷方式。通过空气作为冷却介质，在果蔬和冷 源之问进行热量交换，达到预冷的目的。目i 订常见的空气预冷方式主要有冷库预 冷和差爪预冷。 冷库预冷就是将果蔬码放在冷库中，通过库内冷风机对果蔬进行冷却。由于 大部分冷空气只经过果蔬箱或果蔬码垛的外表面，所以很难保证冷却的均匀性， 出现冷却死角问题。预冷速度也比较慢，冷却时间一般在1 8 2 4 小时，而且失水 严荸3 1 。但其费用较其它预冷设备低，操作简单，不需要专用的预冷设备，是国 内外最早使用的一种预冷方式。 差压预冷又称强制通风预冷，它通过差压风机的抽吸作用，在果蔬包装箱两 侧产_ _ ，定的压力差，迫使一侧的冷空气进入包装箱内部，与果蔬进行充分的换 热，实现果蔬的快速预冷。其冷却时问一般只有冷库预冷时问的1 4 】1 0 ，预 冷均匀，不会出现死角现象。可适用于绝大多数果蔬i 1 “。差压预冷的主要缺点 表现在部分果蔬在预冷过程中可能发生萎蔫，需要增加加湿器以增加冷空气的相 对湿度。 1 2 差压预冷技术简介 1 2 1 差压预冷原理 差压风机在包装箱( 托盘搬运箱、瓦楞纸箱等) 两侧产生一定的压力差，冷 空气在压力差的作用下进入包装箱并流经果蔬表面，与果蔬进行充分的换热，将 果蔬产生的罔间热和呼吸热带走，实现果蔬的快速冷却。与冷空气只在周转箱表 面与果蔬进行换热不同，差压预冷设备可以迫使冷空气进入周转箱内部，与果蔬 直接进行对流换热，浼短预冷时间，提高生产效率。 5 第一章绪论 1 , 2 2 差压预冷设备 差压预冷设备主要e b 制冷系统、d h f , r & 系统、差压j x t x j l 、控制系统、帆稚等组 成。根据差压预冷设备的不同，其设备组成和机构也相同。 制冷系统是差压预冷设备的主要组成部分之一，其目的是将与果蔬换热后的 热空气冷却下来，产生可以循环利用的冷空气，制冷系统的制冷能力直接决定着 差压预冷设备的果蔬处理量及冷却时间。而风机是实现差压预冷的关键设备，其 中风量和静压力是差压预冷用风机的两个重要参数。j x t $ j l 的风量越大，果蔬的预 冷时问约短，风机的静压力越大，产生的压差就越大，空气越容易穿过包装箱。 但是，风机能力不是越大越好，风量过大，不仅造成能耗成三次方增大，同时也 容易加快果蔬的失水。因此，风机的选择应根掘实际需要，与制冷系统进行合理 的匹配。加湿系统的作用是增加空气湿度，减少：果蔬在预冷过程中的失水率。控 制系统可实现差压预冷的自动运行，同时，通过对温度、湿度等参数的监控，可 以更加合理的空气压缩机、风机等设备的运行，降低能耗、防止果蔬冻伤。 第一章绪论 图1 2 筹压预冷设备 根据使用场所和用途进行分类，差压预冷设备可以分为差压预冷库、差压预 冷器和差压预冷机1 9 j 。 差压预冷库就是在普通冷库的基础上，在库体本体上增加一个隔板和一台差 压风机，将冷库隔断成差压室和贮藏室两部分，通过差压风机的作用，使两个区 域之间形成压差【1 0 l 。差压预冷库的优点是操作简单，缺点是耗能较大，预冷不均 与，容易留下死角，而且建造成本也比较高。比较适合于一个冷库内只贮藏一种 果蔬的情况，果蔬最好是同时放入冷库。下图是一冷墙式差压预冷库的平面刚1 。 图1 3 冷墙式筹压预冷库平面图 第一章绪论 差压式预冷器1 1 2 1 主要用在普通冷库内。它的结构简单，由一台差压风机、静 压箱、电控系统和油布等组成，本身没有制冷设备。预冷过程中，它利用冷库的 冷量，使物料温度降低至贮藏温度，达到预冷的目的。差压预冷器的优点是小巧 灵便，预冷均匀、效率高制造成本低，可以根据具体果蔬的特点量身定做，便于 推广。缺点是冷空气和热空气流经的窄问没有严格的隔断，未被冷库换热器冷却 的热空气在未冷却的情况下循环流经果蔬表面，起不到快速预冷的作用。因此， 在实际操作时，应尽量将差压预冷器放在冷风机下方。 图1 - 4 筹肤坝冷器 差压预冷机具有独立的制冷系统和加湿系统，可用于冷库及移动运输设备上。 它的制冷单元、加湿单元、风机集成于一体，控制方便，效率较高。预冷作业时， 吸入箱体的热空气经过制冷单元的冷却及加湿单元的加湿后，形成低温高湿冷空 气，送入库内，与果蔬进行换热。随着预冷过程的进行，果蔬温度逐渐降低，最终 达到预先设定的适宜温度，让后停止预冷。差压预冷机的优点是可以保证热空气 全部经过蒸发器冷却后在流过包装箱，预冷时问快，节能效果明显，同时对库内 温度和风速的控制也比较准确，移动方便，且降低了果蔬预冷过程中的质量损失。 1 2 3 差压预冷方式 图1 5 差压预冷机 从当i 订的使用情况来看，差压预冷方式有三种【1 3 】： 1 隧道式差压预冷( t u n n e lc o o l e r ) 隧道式差压预冷是最常用的差压预冷方法。预冷作业时，将果蔬装入相对两 面丌孔的包装箱内，然后将包装箱摆放于预冷设备( 静压箱) 进风口的两侧，中央 为中央通道，用油布覆盖住中央走道上面及末端，形成隧道。通过风机的抽吸作 用，使果蔬包装箱码垛两侧产生压力差，迫使冷空气从包装箱压力高的- - n 流向压 力低的一侧( 中央通道) ，带走果蔬呼吸热和f f l 间热。中央通道中的热空气经过 蒸发器降温后变成冷空气送入库内。空气如此不断循环，使果蔬温度迅速降低至 设定温度。由于冷空气可以不断快速均匀流过每个果蔬单体表面进行对流换热， 冷却效率大大提高，冷却时问也相应缩短。 9 2 冷墙式预冷 图1 6 隧道式差压预冷 冷墙式是通过冷墙将空问分割成差压室和预冷室两部分。冷墙上端设有风机， 下端设有j x l 门，风门可根据包装箱码垛的高度灵活调整，不怕造成漏气现象。差 压室内设有蒸发器，不断的将由预冷室回流的热空气冷却。预冷作业时，将开孔 包装箱摆放在风门前面，将j x l 门打开，风机不断的将差压室内的冷空气吹入预冷 室，造成差压室内的空气减少，形成负压区；同时预冷室内的空气增多，形成高 压区。从而在果蔬包装箱两侧形成压差。在压差作用下，预冷室内的冷空气被迫 穿过包装箱内部的果蔬，经气门进入差压室l 如此循环，将果蔬温度冷却至最终 适宜温度。 幽1 7 冷墒式斧j 长预冷 3 蛇形差压预冷 这种预冷方式与冷墙式差压预冷非常相似，不同的是包装箱的开孔方式。 蛇形式差压预冷要求在包装箱的底面和侧边底部丌孔。包装箱堆码时，从下往上 数，奇数层侧面底部开孔对准冷墙上的通风l ，偶数层侧面底部开孔用挡风条密 封。预冷作业时，冷空气从包装箱顶部或偶数层侧面底部丌孔处流进，在包装箱 内迂回穿行并与箱内的果蔬进行强烈的对流换热，再从底部经冷墙上的风门进入 差压室。 图1 8 蛇形差压预冷 表1 1 差压预冷方式及特点 差压预冷方式特点 1 操作比较简单。 2 包装箱排列在预冷设备两侧，中央为开放走道，用帆布 隧道式压差预冷 覆盖中央走道的上面及未端形成回风隧道。 3 可实现批量作业。 1 预冷工作比隧道式复杂。 2 需要特殊的包装容器，容器底部侧边丌孔，果蔬以偶数 蛇形式压差预冷 层堆积。 3 可实现批量预冷，对库内空问利用率高。 1 适用于无法完整栈板堆积的产品，如切花。 冷墙式压差预冷 2 设备费用相对较高，所需的操作空问也比较大。 第一章绪论 1 - 3 差压预冷技术的应用及研究现状 1 3 1 不同预冷工艺的研究 风温对预冷时间的影响很大，降低风温可以明显的缩短预冷时间。刘斌【1 4 l 等人采用两种温度五种风速对问隔包装的番茄进行了差髓三预冷研究。研究结果表 明：降低冷空气温度，有利于减少预冷时问。当空气温度为4 ，风速为1 2 m s 时，3 h 后中性温度为7 6 ，比冷空气温度为7 。c 时，温度低1 3 。 傅宏采用有限元的方法，对球形、圆柱型、圆锥形等果蔬的预冷过程进行了 模拟，研究表明，冷却时问和冷却介质的温度近似成：- 次方关系1 5 】。 风速对预冷时问的影响也很大。围外专家对此研究较早，l a m b r i n o s l l 6 对风 速进行了研究表明，风速从0 2 m s 增大到3 6 m s ，预冷时问可以缩短2 到3 倍， 但是风速增大，要增加风机的能耗。 王强“i 。等人对果蔬差压通风预冷速度的影响因素进行了分析。实验采用四种 不同歼孔方式的实验箱，研究五种不同送风速度。f 黄金梨的冷却过程。实验指出 预冷风速是影响差压预冷效果的重要指标，综合考虑风速对预冷速度、j x l 机能耗、 果蔬失水等影日i 句，j x l 速选在1 5 2 m s 较好。实验对开孔方式的研究指出，椭圆 形丌孔方式最好，圆形和正方形次之，键槽型孔的预冷效果最差。 除了温度、风速外，不同送风方式对预冷时间的影响也不同。刘晓东对草莓 在垂直送风下的预冷效果进行了研究，作者指出，风速为1 0 和2 0m l s 时，草 莓的7 8 冷却时问( 7 18 冷却时间是指草莓温度与冷风温度的差值为初始温度与 冷风温度差值的1 8 时所对应的) 分别由1 2 5 和7 4r a i n 缩短到8 0 和5 1m i n 。说 明垂直送风效果要优于水平送风。垂直送风式冷却速度更快，冷却更均匀【1 8 】。 e d e o g u 】”等人对垂直通风强制通风预冷进行了研究，并对水平、垂直强制 通风预冷进行了有关通风阻力的实验研究，根据e r g u n 方程。“。对通风阻力进行 了数据拟合，得出垂直强制通风预冷比水平式的阻力大3 0 一4 0 。但垂直通j x l 时 气流组织较好，送风均匀，冷却速度能提高2 5 一5 0 口。 果蔬在包装箱内的排列方式对预冷效果的影响也不同。陈天及和郭哑丽等人 第一章绪论 对塑料筐内果蔬排列方式及丌孔大小进行了研究，实验得出在常规差压预冷方式 卜，较小的孔径可获得较高的预冷送风速度的结论，并化h l 山j 周转箱内果蔬中心温 度的变化规律：空乒t 入f ： 侧的番茄温度最低，中问温度偏高，出口处温度最高。 对常规蚓霸排列和平方间隔排列方式的番茄冷却速度测试表明，平方问隔排列方 式i h 于孔隙率大，其冷却速度大于间隔排列，预冷时间可减少1 0 一2 0 【2 2 l 。 t a l b o t 2 3 1 对箱叫j 标准大小、成平方问隔排列的桔子进行了压力与流速分布的 数学模拟，并首次提出了通过温度相应作为评价压力与速度分佃的客观标准。将 渗透介质流动分析首次运用到有限空间。但并没有对丌孔位置和丌孔面积以及压 差对箱内果蔬的冷却速度、冷却均匀性提出优化处理，而且箱内果蔬的排列也是 固定模式，缺少随机性，对小型随机堆放的果蔬缺少普遍性。 关f 包装箱对预冷效果的影响，国内外也有许多这方面的研究。刘风珍【2 4 l 等人对相同丌孔面积下四种不同开孔形状的包装箱的预冷效果进行了研究，认为 在低风速： 况下，包装箱的丌孔形状对草莓冷却时间的影响较较大。风速为0 5 m l s 时，圆形丌孔包装箱的冷却时f n j 明显短于矩形丌孔包装箱，草莓的7 1 8 冷却 时问分别为1 6 2 和1 2 7m i n ，草莓的7 1 8 冷却时间缩短2 0 以上；风速为1 5m l s 时，孔形的刁i 同对冷却时问的影响较小，草莓的7 1 8 冷却时问分别为8 4 和6 9m i n 。 土艳红等人b 一以土豆、西兰花、洋白菜为研究对象进行了五种不同丌孔方式 的预冷实验研究。结果表明外部遮挡材料对预冷降温速度影响不大；丌孔率越大， 冷却速度越快；同样开孔面积比或均匀孔丌孔面积比稍大的情况下，非均匀孔降 温速率比均匀孔快，对以后差压预冷的改进提出了建议。 石乔贞人1 2 6 】等对葡萄、桃等水果及蔬菜进行了差压预冷研究，他们在瓦楞纸 箱的端面或侧面丌孔，以便冷空气容易流通。对瓦楞纸箱有无通风孔对填充物温 度下降的影响进行了比较；同时也对包装箱上丌有不同面积的圆型孔、椭圆型孔 情况下的冷却速度及散装和箱装情况下内部填充物温度下降的速度进行了比较。 1 3 2 预冷模型研究 杨昭等人心卜卦用集总参数法和有限元法分别对类球形葡萄和类长圆形葡萄 的预冷建立了预测数学模型，预测效果与实验结果及文献结果非常接近。 王强等人2 9 1 对葡萄的强制通风预冷进行了理论与实验研究，将葡萄设为多孔 第一章绪论 介质，根据压力场、速度场的分稚得出了温度场响应。建：立：了渗透介质流动分析 模型，分析了压差、丌孔面积对葡萄预冷速度的影响，并提出了优化设计方案。 何晖、申江等人【3 0 1 针对垂直送风差压预冷方式，建立了球形果蔬的预冷过程 数学模型，该模型考虑了预冷过程中果蔬的传质问题，并采用有限差分法对该数 学模型进行了求解，计算结果与实验数据接近，表明所建数学模型是可靠的和实 用的。 牛建会1 3 1 】采用c f d 软件对外部遮挡五种不同丌孔方式的差压预冷内部的流场 进行了数值模拟，结果显示出口的通j 4 4 1 平均风速值会随着周转箱踊侧遮挡丌孔 率的增加而增大，降温过程中的温度值会随j t 4 l 率的增大而降低；靠近差压风机 出口侧的风速值最大，远离差压风机侧的风速值逐渐减小，且随外部开孔率的增 加而增加，随外部丌孔率的减小而减小，温度则刚好与之相反。 1 3 3 预冷装置的研究 刘斌等人3 2 1 以节果为实验对象，对果蔬预冷风速与风机能耗和预冷效果的关 系进行了实验研究，实验在预冷的不同阶段采用不同的风速对果蔬进行冷却，结 果指出风速是影响风机能耗的重要因素，在预冷效果相差不大的情况下，j x l 机的 能耗可以减少2 5 。 郑淑芳等人3 3 1 搭建了移动式差压预冷机，并以结球生菜为试验材料，对预冷 机的性能进行了评估，差压预冷机4 h 使结球生菜温度由2 8 降至2 。与冷库预 冷相比，效率提高了4 “6 倍，而预冷成本投入以生菜为例约o 0 2 元千克，样机 成本投入约为7 5 0 0 元。 马征等人【3 4 1 设计了一套龙眼压差预冷试验装置，并以龙眼为对象，进行了差 压预冷耗能耗时研究。结果表明，变速预冷可以较小能耗，减少预冷时间，而且 可以降低龙眼的失水。 j a w k a 和k u m v i u a n j 而对瓦棱纸箱中西红柿的预冷情况进行了研究并详细 介绍了通风预冷装置的构造及尺寸。所用瓦棱纸箱只在垂直于气流方向的两个侧 面各丌了一个孔。通过改变预冷风速，得到一系列纸箱各部位冷却时问的实验数 据，通过比较这些实验数掘，定性地分析了丌孑l 、风速对各部分冷却速度的影响， 指出在一定风速下，因纸箱内项层西红柿与纸箱盖问存在空气间隙及受到丌孔的 第一章绪论 影响，使顼部中心冷却速度较快。 b a i r d 等人3 6 1 系统介绍了果蔬的强制通风预冷装置，具体阐述了空气温湿度、 气流速度的控制元件及其位置。对测量果蔬内部温度所用到的热电偶的插放方式 也做了详细的阐述。将热电偶置于至少穿过产品一半的位置上，可产生相反的温 度梯度，补偿误差，从而减少热电偶线与外界冷窄气热传导而引起的测量误差。 若测表面温度，则需要完全穿过产品，将热电偶埋在表面下至少1 2 c m 处等。 l r d e c a s t r o 。“等人的研究指出了隧道式差压预冷的隧道尺寸，对于5 0 0 0 k g 以下的预冷负载，隧道宽为3 0 c m 时即可以满足果蔬预冷需求。对于大载荷的预冷， 可以利用经验公式：隧道宽度= 风速1 5 0 0 0 堆垛长度，来计算隧道宽度。 国内从事预冷设备研究和应用的单位主要有北京市农林科学院、天津商业大 学及山东商业集团等。： 匕京市农林科学院蔬菜研究中心通过f 1 本无偿援助项目， 】9 8 8 年从h 本引进了差压预冷通风装置和真空预冷装置，丌发了库内使用的差k 预冷器。天津商业大学对果蔬差压预冷技术进行了大量研究，国内发表论文近百 篇。l “东商业集团丌发出了移动式差压预冷装胃1 套，并对青花菜、芦笋、菜心、 杨梅等果蔬进行了产地：预冷技术的研究与示范。 上海泛鲜科技公司生产双通道强风预冷设备和车载式预冷设备。深圳艾斯兰 德公司生产不同型号的高湿差压预冷机。 1 4 问题的提出 我国对果蔬差压预冷技术的研究起步较晚，虽然做了大量的工作，但是相对 于国外而言，技术、经济性等各方面还是落后。目前我国的预冷装置拥有量非常 少，果蔬预冷率小于5 。造成果蔬产后损失率达2 0 左右，蔬菜产后损失率达2 5 - - 一 3 0 ，每年损失总价值达1 0 0 0 亿元人民币以上。如何提高预冷装置生产效率，达 到节约能源、降低成本的目的，是实际生产中极为关注的问题。因此研发一体化 高湿差压预冷装置具有：重大经济和社会效益。 因此本文提出一种一体化高湿差压预冷装置开发，并对其预冷效果进行研究。 1 5 本课题的研究内容 本课题的研究内容主要包括以下两个部分： 第一章绪论 ( 1 ) 查阅相关文献及国家标准，通过计算，设计开发一体化高湿差压预冷 预冷实验台 ( 2 ) 在该实验台| 进行果蔬码垛预冷效果和预冷产品能耗的研究。 1 6 第二章高湿差压预冷理论基础 第二章高湿差压预冷理论基础 2 1 果蔬差压预冷传热机理 2 1 1 预冷过程中的传热方式 果蔬预冷是一一个短时的换热过程，预冷的最终温度在果蔬冰点以上。果蔬冷 却中采用的传热方式与果蔬的种类、形状和冷却介质等因素有关。导热主要发生 在果蔬内部、包装材料以及采用固体材料作为冷却介质的冷加工中；对流主要发 生在以气体或液体作为冷却介质的冷却加工中；辐射主要发生在仅有自然对流或 流速较小的冷却加工中。在实际预冷过程中，往往是以一种或两种为主，而以其 它的方式为辅。 2 1 1 1 果蔬内部的传热问题 果蔬内部的传热方式是导热。预冷：果蔬时，果蔬表面温度首先下降，并在表 面和中心部分之间形成了温度梯度，在此温度梯度下，食品的热量以导热的方式 逐渐从中心部分向表面进行传递，引起果蔬温度的下降。当果蔬的平均温度达到 预冷所期望的温度时，预冷过程结束。食品内部的导热方程为： d ：一朋塑 舐 ( 2 - ) q ：通过横截面a 的热流量，单位为w ； 入：果蔬的导热率，单位为w ( m k ) ； a ：垂直于导热方向的截面积面积，单位为m 2 ； _ c 2 t ：导热方向上的温度梯度，单位为k m 。 d x 带有包装的果蔬在预冷过程中，包装材料的导热问题应该考虑进去。 2 1 1 2 果蔬表面的传热问题 冷却介质为气体或液体时，食品表面的热量主要以对流换热的方式带走，其 第二一章高湿差压预冷理论基础 传热方程表达式为： q = a a a t ( 2 2 ) q ：通过横截面a 的热流量，r 尊位为w ； 。【：表面对流换热系数，单位为w l ( m 2 k ) ； a ：与冷却介质接触的果蔬表面积，单位为m 2 ； a t ：果蔬表面与冷却介质问的温度差，单位为k 。 如果采用冷排管冷却食品时，在空正气自然对流下，冷排管与果蔬表面之间的 换热是不能忽略的。在热甲衡条件f ，辐射换热的基本表达式为： q l 一：一，彳，( ：6 ( 1 4 一f ) ( 2 3 ) q ，“果蔬与冷排管之问的辐射换热量，单位为w ； 。：发射率，又称黑度，果蔬汞i 冷排管辐射表面发射率和形状因子有关。 a ，：果蔬表而积，单位为m 2 ； f 1 - 2 ：果蔬表面对冷排管表面的形状因子； 6 ：斯忒潘一波尔兹曼常量，常耿5 6 6 9 x 1 0 一w ( m 2k 4 ) ； t 1 ：果蔬表面温度，单位为k ； t 2 ：冷排管表面温度，单位为k 。 2 1 2 球状果蔬预冷模型 2 1 2 1 物理模型 进行预冷研究时，应充分考虑果蔬的形状。为研究简化起见，其物理模型可 根据果蔬具体形状简化为大平板状、长圆柱状和球状果蔬。本实验采用番茄作为 研究对象。可以近似为球状果蔬进行研究。 2 1 2 2 数学模型 一、传热过程假设 对于球状果蔬，其数学模型可以将圆心为原点建立球形坐标进行分析。为了 便于数学处理，又能保持实际问题的基本特点，可做一下假设： 第二章高湿差压预冷理论基础 1 、果蔬各相同性、内部质地均匀且大小相同。 2 、 果蔬及冷却介质的热物性，i - l7 j i i 导热系数、热扩散率、比热等与温 度无关。 3 、 忽略果蔬内部水分的i ：f 一+ 口。 厶一彳 口， ( 4 2 ) 式中， a w 、a n ：圈护结构外、内表面的放热系数，单位w m 2 ； 6 ：维护结构各构造层的厚度，单位m ； 入：围护结构各构造层的热导率，单位w ( m ) 。 由实用制冷工程设计手册可以查到，维护结构外边面对流换热系数 为仅w = 2 3 3 w ( m 2 k ) ，维护结构内表面的对流换热系数为仅n = 1 1 6 w ( m 2 k ) ， 冷库采用硬质聚氨酯泡沫塑料夹芯板，导热率为a = o 0 2 8 w ( m k ) 。板材厚度 8 = 1 0 0 m m 。经计算，得传热系数为k = 了：杀下= 0 2 7 w ( m 2 k ) 。又知维 2 3 3 00 2 81 16 护结构内外温差t w t n = 4 0 。c ，维护结构的面积为f = 6 0 m 2 ，经计算得： q 1 = k f ( t w - t n ) = 0 2 7 x 6 0 x 4 0 = 0 6 5 k w 。 。 1 0 0 0 1 0 0 0 4 2 2 2 果蔬负荷 大。 果蔬从田问采摘后，果蔬的温度较高，预冷至贮藏温度时所释放的热负荷较 果蔬负荷与果蔬的物性、预冷果蔬质量、果蔬预冷温差以及预冷时问有关。 第四章预冷装胃的丌发 彳i 同品种的果蔬的冷藏温度不同，因此果蔬均热负荷需要根据具体实际预冷的果 蔬品种确定最终预冷温度，j 能进行进行剥负荷的计算。当然，一台预冷设备不 一一定只用来预冷一种果蔬，可以通过比较，崮二结合不同预冷果蔬的质量，确定制 冷系统所需的负荷和运行工况。 果蔬负荷可按以下方程计算： q 25 c m a t f ( 4 3 ) 式中， q ：果蔬热负荷，单位为k w ； c ：所需预冷果蔬比热，单位为k j i k g ) ； m ：预冷果蔬质量，单位为k g ； a t ：果蔬预冷i 仃后温差，根掘具体采摘温度和具体品种果蔬的冷藏温 度确定，单位为。c ； t ：果蔬所需预冷时问，单位为s 。 该预冷设备单次果蔬处理量为1 0 0 0