果蔬气调保鲜运输车技术研究

果蔬气调保鲜运输车技术研究

0基于测试平台的液氮充注气调保鲜客车研制通过调整气候变化过程中液体储存的温度、湿度、氧气体积比和二氧化碳浓度，我们可以延长水果的保存期，确保水果的品质。这是一种公认有效、先进的陆路运输方法之一。项目组经过前期研究,搭建了果蔬气调保鲜试验平台,并开展了液氮充注气调温度调节性能的优化、温度场分布特性试验、湿度调节特性试验和液氮充注气调系统的设计等基础研究工作因此,本文在前期研究成果的基础上,结合运输车特点,进行了液氮充注气调保鲜运输车总体方案设计,开展液氮充注气调装置、超声波加湿装置和制冷机组等关键部件的参数匹配,并试制样车,进行了整车性能试验。1该项目的内部设计1.1气调降氧技术根据果蔬气调保鲜运输的要求,气调保鲜运输车需满足以下要求:1)实时采集运输厢体内的保鲜环境参数。2)气调时降氧速度快,可在较短时间内将运输厢体内的氧气体积分数降至目标值。3)气调降氧方式成本低且易获取。5)快速调节湿度,且调节湿度时不对厢体内气体成分产生影响。6)防止气调和制冷时出风口低温对果蔬产生冷害。7)结合保鲜环境不同调节设备的工作特性,实现变风量通风,节能减排,同时降低果蔬干耗。8)可根据运输果蔬品种的不同,集中控制各保鲜环境调节设备,实现智能控制。1.2基本组成根据上述设计要求,气调保鲜运输车由汽车底盘、基于压差原理的运输厢体、信号采集模块、集中控制系统和执行模块等组成1.3温度湿度控制运输车在装载果蔬后,首先结合所运果蔬的保鲜参数,采用液氮充注气调装置快速降低厢体内的氧气体积分数至目标值(当出风口温度传感器监测值达到所运果蔬品种冰点温度时,集中控制系统关闭液氮充注气调装置,以防止在快速气调过程中对果蔬产生低温伤害),然后断开液氮连接软管与汽化盘管接头的连接,在运输过程中调节运输厢体内的温度、湿度,并通过换气防止低氧和高二氧化碳对果蔬产生伤害。液氮罐不随车运输2关键技术2.1开孔外部尺寸尺寸如图1所示,开孔隔板将运输厢体分为压力室和保鲜室2部分运输厢体外部尺寸为(长×宽×高)4360mm×1910mm×1960mm,厢体内部尺寸为(长×宽×高)4000mm×1750mm×1800mm,回风道尺寸为(长×宽×高)3500mm×700mm×60mm,开孔隔板尺寸为(长×高×厚)1760mm×1140mm×1.2mm,开孔隔板上均匀开有28个直径为60mm的圆孔和1个(长×高)1200mm×60mm长方形口(长方形口中心点与开孔隔板底边的垂直距离为570mm)。通过前期的计算机数值模拟和试验证明2.2液氮分流汽化盘管液氮充注气调装置结构如图2所示。液氮充注气调时,集中控制系统打开出液电磁阀和增压电磁阀(型号为D223,欧洲JAKSA公司生产,供电电压24V直流电压,液氮经连接软管进入汽化盘管(长度9.5m,内径8mm)与压力室内的空气换热升温汽化为加快液氮在汽化盘管内的汽化,采用分流管对液氮进行分流(即液氮分流到2条汽化盘管),在2条汽化盘管上安装翅片(翅片间距为6.5mm),安装翅片后的汽化盘管尺寸(长×宽×高)为1500mm×180mm×100mm。2.3超声波振子蒸发保鲜超声波加湿装置主要由储水箱超声波加湿装置工作原理是:风机产生的风经导风板与储水箱间的缝隙,进入加湿装置,携带超声波振子产生雾气经出气口直接进入保鲜室,在保鲜室内经二次蒸发,提高保鲜环境的相对湿度。在加湿过程中,不引入外界气体,不会对厢体内的气体成分产生影响。2.4排气阀组成换气装置主要由进气电磁阀(供电电压24VDC,功率40W,内径50mm,数量2个)和排气电磁阀(供电电压24VDC,额定功率40W,内径50mm,数量4个)组成,排气阀安装于厢体后门的下方,利用车辆行驶时厢体尾部产生的负压吸出厢体内的气体;进气阀安装于厢体前面板上(风机安装板上方),利用汽车前行在厢体进气阀入口处产生的正压和风机吸力作用在进气阀出口处产生的负压,来促进外界空气进入厢体实现换气在液氮充注气调时,为防止液氮汽化增压对厢体产生安全威胁,需同步开启排气电磁阀。若厢体内二氧化碳浓度高于所运果蔬的承受极限,或氧气体积分数低于所运果蔬的承受极限,会造成果蔬中毒或无氧呼吸,通过开启进气电磁阀和排气电磁阀,进入外界新鲜空气,降低二氧化碳浓度和氮气浓度,提高氧气体积分数。2.5直流电机调速器变风量通风装置主要由调速器和直流风机组成。调速器为PWM(pulsewidthmodulation,脉冲宽度调制)直流电机调速器,工作电压12~60VDC,额定电流30A。直流风机型号JHF281AZ,供电电压24VDC,额定功率280W,数量2个。集中控制系统根据不同执行设备对风速的要求进行调速,以节约能源,且降低果蔬干耗2.6冷态机群的组成制冷机组用于调节运输厢体内的保鲜温度2.7运输保护模块集中控制系统通过信号采集模块采集运输厢体内的温度、湿度、氧气体积分数、二氧化碳浓度和乙烯浓度等环境参数,根据控制流程(在运输前,先通过液氮充注气调将厢体内的氧气体积分数降至目标值;运输过程中通过制冷机组调节厢体内的温度,通过换气装置防止氧气体积分数过低和二氧化碳浓度过高;首次降温至目标值后,相对湿度则进行实时调节),控制执行模块调节运输厢体内的保鲜环境。系统采用ARM(advancedRISCmachines,型号mini6410,广州友善之臂计算机科技有限公司生产)处理器为控制器,触摸屏为人机交互界面,可实时显示所选择的果蔬类型、运输厢体内保鲜环境参数的目标值与实际值、执行设备的工作状态等。3汽车底盘、液氮罐根据本文的设计方案与参数,制造了一台液氮充注气调保鲜运输车。汽车底盘采用江淮帅铃FC5045XLCK103。YDZ175液氮罐为北京君方科仪科技发展有限公司,有效容积175L。整车由广州市绰盈制冷设备有限公司试制完成。3.1测试配置1试验条件试验于无日光直射的自然环境中进行。每次试验前将厢门打开,使厢体内、外空气充分进行热交换,内外温差小于1.5℃。试验分为空载2盘栈方式5:中间留空+无空留空在广州江南果菜批发市场购入马铃薯(产于河南省)3.18t作为试验物料。保鲜参数为将马铃薯装入塑料筐内,每筐质量约8.4kg。塑料筐尺寸为(长×宽×高)45cm×35cm×15cm,开孔率27.3%。堆栈方式分为仅中间留空、中间与两侧留空和无空留3种:仅中间留空方式时,厢体中部空隙25cm,顶部空隙14cm,可装载330筐;中间与两侧留空时,厢体中部及两侧各空隙12cm,顶部空隙14cm,可装载300筐;无空留方式时,厢体中部及两侧均不留空隙,顶部空隙14cm,可装载360筐。如图4所示。将物料装入厢体过程中,采用防水型食品温度计(型号为testo108,测量范围:-50~300℃,精度:0.5℃,德国仪器国际贸易(上海)有限公司经销)随机测量15次,计算平均值作为初始温度。3.2集中控制系统启动发动机(转速1800r/min)、设定控制目标(氧气体积分数5%、厢体后部温度5~8℃、隔板处温度-3℃、相对湿度85%~90%)、开启集中控制系统,智能调控保鲜环境变化,调控策略为:先采用液氮充注气调,回风道风速为10m/s,将氧气体积分数降至5%。再开启制冷机组,回风道风速为8m/s,将厢体内的温度降至5℃。首次降温至5℃后,对温度和相对湿度进行实时控制,若温度升至8℃,启动制冷机组,回风道风速为5m/s,将温度降至5℃;若相对湿度降至85%,开启超声波加湿装置,回风道风速为5m/s,将相对湿度升至90%;若温度和相对湿度均在目标范围内,则回风道风速为0。4结果与分析4.1多组积分液氮冷能将培养前风场快速响应界面,见表1环境温度(33.5±1)℃,相对湿度69%±3%;超声波加湿装置内加入30.0℃的水23.2kg(下同);厢体内初始氧气体积分数20.9%,初始温度32.6℃,相对湿度69.8%。开启控制系统,记录厢体内的氧气体积分数、温度和相对湿度随时间的变化,试验结果如图5所示。从图5可以看出,先采用液氮充注气调,厢体内的氧气体积分数在34min内自20.9%降至5.0%,消耗液氮24.5kg,液氮冷能将厢体后部温度自32.6℃降至14.8℃,厢体内的相对湿度自69.8%降至37.4%;第34分钟开启制冷机组,厢体后部温度在第144分钟降至5℃,相对湿度为64.1%;相对湿度自85%升至90%平均用时4min。4.2实际记录4.2.1氧传质体积分数环境温度(34±1)℃,相对湿度50%±4%;采用无空留堆栈,物料初始温度29.6℃,装载后厢体内初始温度31.1℃,相对湿度85.8%,氧气体积分数20.9%。启动控制系统,厢体内的保鲜环境变化如图6所示。从图6可以看出,在物料未预冷、无空留堆栈情况下,厢体内的氧气体积分数降至5%用时26min,消耗液氮18.88kg。由于物料未预冷,气调过程中,厢体后部温度仅降低了2.0℃;制冷机组开启230min,厢体后部温度达到25.2℃,制冷过程中厢体后部温度仅降低了3.9℃。由此可见,物料未预冷情况下,保鲜环境很难调控。4.2.2无空留堆栈方式下充放电系统变化环境温度(33.5±1)℃,相对湿度52%±3%;物料初始温度4.65℃(试验前将物料置于冷库内充分预冷,库内气温控制在4~6℃),装载后厢体内初始温度21.2℃,相对湿度42.4%,氧气体积分数20.9%;启动控制系统,记录从装入物料开始的厢体内保鲜环境参数变化,如图7所示。从图7可以看出,采用无空留堆栈方式时,氧气体积分数自20.9%降至5%用时28min,消耗液氮18.52kg,气调结束后厢体后部温度为6.5℃;第29分钟开启制冷机组,在第77分钟时厢体后部温度降至5℃;相对湿度自85%升至90%用时33min。4.2.3物料预冷、装气调、湿度变化对保鲜环境的影响工况一:环境温度(33.5±1)℃,相对湿度59%±3%;物料初始温度4.82℃(试验前将物料置于冷库内充分预冷,库内气温控制在4~6℃),装载后厢体内初始温度22.1℃,相对湿度41.4%,氧气体积分数20.9%;启动控制系统,记录从装入物料开始时的厢体内保鲜环境参数变化,如图8a所示。工况二:环境温度(33.5±1)℃,相对湿度59%±3%;物料初始温度6.38℃(试验前将物料置于冷库内充分预冷,库内气温控制在6~8℃),装载后厢体内初始温度22.2℃,相对湿度43.7%,氧气体积分数20.9%;启动控制系统,记录从装入物料开始时的厢体内保鲜环境参数变化,如图8b所示。从图8a可以看出,物料初始温度4.82℃时,氧气体积分数自20.9%降至5%用时28min,气调结束后厢体后部温度为5.6℃,较装载物料后厢体温度低16.6℃;第29分钟开启制冷机组,在第52分钟时厢体后部温度降至5℃,厢体内保鲜环境调控至目标;相对湿度自85%升至90%用时26min。从图8b可以看出,物料初始温度6.38℃时,氧气体积分数自20.9%降至5%用时28min,气调结束后厢体后部温度为6.4℃,较装载物料后厢体温度低15.8℃;第29分钟开启制冷机组,在第90分钟时厢体后部温度降至5℃,保鲜环境调控至目标;相对湿度自85%升至90%用时26min。2种工况平均消耗液氮18.94kg。4.2.4物料初始温度相同时采用堆栈方式调控速度环境温度(33.5±1)℃,相对湿度56%±3%;物料初始温度4.67℃(试验前将物料置于冷库内充分预冷,库内气温控制在4~6℃),装载后厢体内初始温度21.6℃,相对湿度44.7%,氧气体积分数20.9%;启动控制系统,记录从装入物料开始时的厢体内保鲜环境参数变化,如图9所示。从图9可以看出,采用中间与两侧留空堆栈方式时,氧气体积分数自20.9%降至5%用时28min,消耗液氮19.64kg,气调结束后厢体后部温度为5.1℃;第29分钟开启制冷机组,在第30分钟时厢体后部温度降至5℃;相对湿度自85%升至90%用时9min。比较图7~9可以看出,物料初始温度基本相同(4.65~4.82℃)时,采用中间与两侧留空、仅中间留空和无空留方式,气调时液氮消耗量依次减少;堆栈方式对气调时间影响较小,氧气体积分数自20.9%降至5%用时28min;物料装入厢体的过程中,氧气体积分数维持不变;堆栈方式对保鲜环境调控速度影响较大,采用仅中间留空、中间与两侧留空和无空留堆栈时,保鲜环境控制至目标环境分别用时52、30和77min,相对湿度自85%升至90%分别用时26、9和33min。因此,在调控速度方面,中间与两侧留空堆栈方式依次优于仅中间留空堆栈方式和无空留堆栈方式。从图7~9可以看出,实载时将厢体内的氧气体积分数自20.9%降至5%用时28min,平均消耗液氮18.99kg。以液氮价格3.5元/kg计,所消耗的液氮费用为66.47元,相当于运输1kg物料增加0.02元的成本,使用成本较低。4结论本文在前期研究基础上设计了果蔬气调保鲜运输车,并进行了相关性能试验,实现了厢体内温度、相对湿度和氧气体积分数等保鲜参数的智能调控,有助于抑制果蔬呼吸、提高销售价格、减少运输损失,并得出以下结论:1)物料未预冷时,气调过程中厢体