保鲜运输用液氮充注气调的温度调节性能优化.pdf

第 28 卷第 13 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.132012 年7 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringJul.2012237保鲜运输用液氮充注气调的温度调节性能优化吕恩利1,2，杨洲1,2，陆华忠1,2，王广海3，郭嘉明2，许锦锋2（1华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州 510642；2华南农业大学工程学院，广州 510642；3广东机电职业技术学院，广州 510515）摘要：为解决保鲜运输用液氮充注气调产生的果蔬低温伤害问题，建立了液氮充注气调试验装置，通过改变液氮罐出液阀孔径、汽化盘管长度、横管开孔方向、开孔隔板开孔率、通风风速、回风道长度等因素，研究各因素对液氮充注温度调节性能的影响，优化液氮充注气调的温度调节性能。结果表明：当液氮罐出液阀孔径为 1.5 mm，汽化盘管长度为 4 m，横管开孔吹向风机，开孔隔板开孔率为 4.03%，通风风速为 8 m/s，回风道长度为 1.5 m，厢体内氧气体积分数自 20.95%降至 5%时，液氮气调的温度调节性能较优，开孔隔板出气口最大温差仅为 1.3，开孔隔板出口处与回风道内的最大温差仅为 2.72。液氮充注气调在 43 min 内可快速将厢体内氧气体积分数由 20.95%降至 5%，还可利用液氮的冷量为保鲜环境降温。研究结果对果蔬液氮气调保鲜运输车的设计具有一定的参考价值。关键词：温度，运输，优化，保鲜，气调，液氮doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.13.038中图分类号：S609，S229+.1文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-13-0237-07吕恩利，杨洲，陆华忠，等.保鲜运输用液氮充注气调的温度调节性能优化J.农业工程学报，2012，28(13)：237243.LEnli,Yang Zhou,Lu Huazhong,et al.Optimization of temperature regulating performance in fresh-keeping transportation byliquid nitrogen injectionJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(13):237243.(in Chinese with English abstract)0引言气调保鲜运输有利于延长果蔬保鲜周期、保障果蔬品质，是公认的有效、先进的保鲜运输方法之一1。文献2对果蔬保鲜运输所采用的气调类型和特点进行了分析。文献3-6针对制氮气调的控制、保鲜效果进行了分析。然而由于气调效率或成本等问题，国外的气调保鲜运输技术与装备不适合中国果蔬国内市场运输。因此，需结合中国国情，开发气调效率高且成本低的保鲜运输技术与装备。液氮充注作为一种气调方式，具有气调效率高、成本低、设备寿命长且易维护等优点，可满足果蔬国内气调运输需求，市场前景广阔且适于开展工业化生产。文献7-9针对液氮充注气调保鲜运输车的通风系统、加湿系统和气调控制系统进行了研究。然而，由于液氮冷量大、温度低，液氮充注气调易造成保鲜运输车厢内局部收稿日期：2011-09-07修订日期：2012-05-30基金项目：现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-33-13）、国家自然科 学 基 金 项 目（31101363）、广 东 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目（10151064201000038）、广州市农业科技项目（2011）、广东省科技计划项目（2011B020312003）和广东省扶持农业机械化发展专项项目（粤农计2011）150 号）。作者简介：吕恩利（1979），男，山东德州人，博士生，研究方向果蔬冷链物流技术与装备。广州华南农业大学工程学院，510642。Email:通信作者：杨洲（1972），男，山西襄汾人，教授，博士生导师，主要从事水果生产机械与产后处理技术研究。广州华南农业大学工程学院，510642。Email:温度过低，对果蔬产生冻害。为解决液氮充注对果蔬造成的低温伤害问题，需研究保鲜运输用液氮充注气调的温度调节性能。国内外对保鲜运输用液氮温度调节性能的研究较少。液氮温度调节性能与液氮流量、汽化盘管长度、通风风速和回风道长度等因素有关。所以本研究搭建了保鲜运输用液氮充注气调试验平台，在液氮罐出液阀孔径、汽化盘管长度、横管开孔方向、开孔隔板开孔率、通风风速和回风道长度等方面对液氮温度调节性能进行了优化，为液氮充注气调保鲜运输车的设计提供了依据。1试验装置及方法保鲜运输用液氮充注气调试验装置如图 1 所示。厢体由 12 mm 厚有机玻璃板制作，厢体尺寸为（长宽高）为 2.38 m1.28 m1.40 m（与实际运输车厢尺寸比约为 23），外覆 100 mm 厚聚氨酯保温板。回风道长度可调，其横截面尺寸（宽高）为 0.19 m0.10 m。压力室和保鲜室由开孔隔板分开，通过在开孔隔板上开设不同数量的圆孔（直径为 60 mm），得到不同的开孔率。在开孔隔板开孔处均匀布置 16 路 Pt100 温度传感器（测量范围：-200500，精度为0.15，厦门瑞特龙仪表有限公司生产），如图 2 所示。在保鲜室后部布有湿度传感器（广州西博臣科技有限公司生产）和氧气浓度传感器（深圳市蓝月测控技术有限公司生产）。计算机通过记录仪自动记录各传感器采样值。液氮罐（北京君方科仪科技发展有限公司生产）型号为 YDZ-75，工作压农业工程学报2012 年238力为 0.09 MPa，液氮罐安全阀通过软管与厢体连通。汽化盘管为铜制，汽化盘管长度可调。横管长 1 m，均匀开有 4 个同向小孔（直径 3 mm），横管开孔方向可调。汽化盘管与横管相通，安装于压力室内。通过更换不同孔径的出液阀改变液氮流量。风机运转在压力室形成正压区，在回风道形成负压区，利用压力室与回风道的压差，迫使空气从保鲜室进入压力室，促进液氮汽化升温。厢体后部安装泄压电磁阀，防止液氮汽化增压对厢体造成破坏。通过变频器（四门子（中国）有限公司生产）控制风机转速，获得不同通风风速。由 AZ8901 型风速仪（台湾衡欣科技股份有限公司生产）测定回风道的风速（为本文的通风风速）和风温，准确度为2%。1.保鲜室2.回风道3.风速仪4.风机5.变频器6.横管7.汽化盘管8.出液阀9.出液电磁阀和增压电磁阀10.液氮罐11.前面板12.压力室13.开孔隔板14.底板15.Pt100 温度传感器16.记录仪17.计算机18.泄压电磁阀19.氧气浓度传感器20.湿度传感器21.保温板22.有机玻璃板图 1液氮充注气调试验装置图Fig.1Experimental device of controlled atmosphere by liquidnitrogen injection注：为 16 个 Pt100 温度传感器，第 1 行分别为传感器 14，第 2 行分别为传感器 58，第 3 行分别为传感器 912，第 4 行分别为传感器 1316。图开孔隔板处温度传感器布置Fig.2Arrangement of temperature sensors in perforated partition以液氮罐出液阀孔径、汽化盘管长度、横管开孔方向、开孔隔板开孔率、通风风速、回风道长度为试验因素，试验因素及各因素的水平值如表 1 所示。试验因素水平值的选取结合了项目组的经验、预试验及国内外相关研究10-23的成果。试验时保鲜厢体内初始环境温度（16 路 Pt100 温度传感器平均值）设定为（28 0.5），相对湿度 RH 设定为 80%3%，氧气体积分数为 20.95%。表 1试验因素水平值Table 1Experimental facters and levels水平因素12345出液阀孔径/mm1.01.52.0汽化盘管长度/m02468横管开孔方向无横管风机开孔隔板底板前面板开孔隔板开孔率/%4.038.0616.1130.21通风风速/(m s-1)02468回风道长度/m00.51.01.5为消除果蔬本身温度变化对液氮温度调节性能的影响，试验时厢体内为空载。当厢体内达到初始环境时，开启液氮罐出液电磁阀、增压电磁阀和泄压电磁阀，直至厢体内的氧气体积分数降至 5%，通过记录仪将厢体内氧气浓度传感器和开孔隔板处 16 路 Pt100 温度传感器的变化保存在计算机中。每组试验重复 3 次，取平均值进行分析。2结果与分析2.1汽化盘管长度对液氮温度调节性能的影响当液氮罐出液阀孔径为 1.5mm，开孔隔板开孔率为4.03%，通风风速为 8m/s，回风道长度为 1.5m，有横管且横管开口朝向风机，保鲜室内氧气体积分数由 20.95%降至 5%，汽化盘管长度对液氮充注时开孔隔板处 16 路Pt100 温度传感器平均温度的影响关系如图 3 所示。注：液氮罐出液阀孔径为 1.5 mm，开孔隔板开孔率为 4.03%，通风风速为8 m/s，回风道长度为 1.5 m，有横管且横管开口朝向风机。图 3汽化盘管长度对液氮温度调节性能的影响Fig.3Effects of coiled pile length on temperature adjustingperformance of liquid nitrogen从图 3 可以看出，随着盘管的增长，液氮充注气调的时间就随之增加，因为液氮在汽化盘管内汽化产生气阻，汽化盘管越长，气阻就越大，减少了液氮流量。此外，汽化盘管越长，气调结束时开孔隔板处的平均温度越高，因为汽化盘管长度越大，液氮在汽化盘管流动的路径越长，液氮与汽化盘管传热，升高了液氮汽化后的温度。从图 3 可以看出，当汽化盘管长度超过 4 m 后，汽化盘管长度对开孔隔板处的平均温度影响较小。在保第 13 期吕恩利等：保鲜运输用液氮充注气调的温度调节性能优化239证开孔隔板处出口温度相对较高的同时，为降低汽化盘管生产成本、便于汽化盘管在压力室内安装及获得较快的降氧速度，所以汽化盘管长度选为 4 m。2.2通风风速对液氮温度调节性能的影响当液氮罐出液阀孔径为 1.5 mm，回风道长度为1.5 m，开孔隔板开孔率为 4.03%，汽化盘管长度为 4 m，有横管且横管出口朝向风机，依次改变通风风速为 0、2、4、6、8 m/s 进行试验。按 2 m/s 的倍数取通风风速的水平值，变频器输出电压频率在 50 Hz 内达到的通风风速最大水平值为 8 m/s。当厢体内氧气体积分数由 20.95%降至5%那一时刻，不同通风风速与开孔隔板处 16 路温度传感器对应关系如表 2 所示。表 2通风风速对液氮温度调节性能的影响Table 2Effects of airflow speed on temperature adjustingperformance of liquid nitrogen通风风速/(m s-1)02468传感器 122.526.248.6414.9318.09传感器 221.727.8410.4414.8317.99传感器 322.2210.1411.5415.0318.09传感器 421.9211.6412.6415.4318.19传感器 519.425.9411.0415.3318.19传感器 618.127.7410.0415.7318.19传感器 718.526.549.6413.9317.59传感器 819.128.7411.8415.3317.99传感器 9-4.387.2411.4416.1318.69传感器 10-1.3810.3411.7415.7318.19传感器 11-3.487.1410.4414.0317.69传感器 12-3.386.7410.8414.9318.19传感器 13-6.589.9413.3416.7318.89传感器 14-9.989.1411.0415.1317.89传感器 15-5.0810.7411.9415.5318.19传感器 16-5.3810.6413.8417.0318.89平均值7.758.5511.2815.3618.18标准差12.871.791.290.800.36注：液氮罐出液阀孔径为 1.5 mm，回风道长度为 1.5 m，开孔隔板开孔率为4.03%，汽化盘管长度为 4 m，有横管且横管出口朝向风机。从表 2 可以看出，通风风速越大，开孔隔板处出平均温度越高，因为通风风速越大，单位时间内与液氮混合的气体越多，液氮汽化越均匀，开孔隔板处的温度就越高。此外，通风风速越大，开孔隔板处的温度分布越均匀。当风速为 0 m/s 时，传感器测得的最低温度为-9.98，测得的最高温度为 22.52，温差达 32.5。随着风速逐步升高，16 路传感器测得的温差逐步降低，标准差逐步减小，当通风风速达到 8 m/s 时，16 路传感器测得开孔隔板处温度的平均值为 18.18，标准差为 0.36，开孔隔板处温度相对较高且温度分布较均匀，液氮温度调节性能在通风风速的所选的 5 个水平值中最优；若通风风速选择 8 m/s 以上，则需要增加风机数量及电能消耗。因此，结合液氮温度调节性能、成本等因素，通风风速选择为 8 m/s。2.3开孔隔板开孔率对液氮温度调节性能的影响当汽化盘管长度为 4 m，有横管且横管开口朝向风机，液氮罐出液孔径 1.5 mm，通风风速为 8 m/s，回风道长度为 1.5 m，依次改变开孔隔板开孔率为 4.03%，8.06%，16.11%，30.21%，氧气体积分数由 20.95%降至 5%时，开孔隔板 16 路温度传感器的采集的数值如表 3 所示。表 3开孔率对液氮温度调节性能的影响Table 3Effects of opening rate on temperature adjustingperformance of liquid nitrogen开孔率/%4.038.0616.1130.21传感器 118.0919.2918.6118.41传感器 217.9920.318.6118.61传感器 318.0918.7917.6118.01传感器 418.1918.8918.1117.41传感器 518.1918.1918.3118.81传感器 618.1919.0917.4117.41传感器 717.5917.7916.3116.01传感器 817.9918.5916.8116.71传感器 918.6919.2918.2118.31传感器 1018.1918.9917.0116.81传感器 1117.6918.2916.5116.51传感器 1218.1918.6917.0118.21传感器 1318.8919.0917.4117.11传感器 1417.8918.5916.6116.31传感器 1518.1918.2917.1116.71传感器 1618.8919.0918.1119.71平均值18.1818.8317.4917.57标准差0.360.560.741.02注：汽化盘管长度为 4 m，有横管且横管开口朝向风机，液氮罐出液孔径 1.5mm，通风风速为 8 m/s，回风道长度为 1.5 m。从表 3 可以看出，开孔率不同时，对开孔隔板处 16路传感器测得温度的平均值影响较小（P=0.065）。但开孔率对开孔隔板各出口的温度分布均匀性影响较大，开孔率越小，标准差越小，开孔隔板各出口处的温度分布越均匀。根据气调保鲜运输车通风阻力特性分析1，开孔隔板开孔率应大于 3.89%；当开孔率为 4.03%时，开孔隔板处各出口温度差异最小，所以开孔隔板开孔率选为4.03%。2.4横管开孔方向对液氮温度调节性能的影响当汽化盘管长度为 4 m，液氮罐出液孔径为 1.5 mm，通风风速为 8 m/s，回风道长度为 1.5 m，开孔隔板开孔率为 4.03%，横管出口方向依次改为无横管、横管出口朝向风机、横管出口朝向开孔隔板、横管出口朝向底板和横管出口朝向前面板等，保鲜室内氧气体积分数由20.95%降至 5%。当氧气体积分数降至 5%时，记录开孔隔板 16 路温度传感器的数值。横管开孔方向对液氮温度调节性能的影响如表 4 所示。从表 4 可以看出，无横管时开孔隔板出口平均温度明显低于有横管时，且温度差较大，是因为液氮自汽化盘管流出后与回风道进入的空气混合不均匀所致。有横农业工程学报2012 年240管时，不同横管出口方向对开孔隔板处平均温度影响不大（P=0.081），当横管开口朝向风机时，开孔隔板处温度分布最均匀。表 4横管出口方向对温度调节性能的影响Table 4Effects of aperture orientation of horizontal pile ontemperature adjusting performance of liquid nitrogen横管出口方向无横管有横管朝向风机有横管朝向开孔隔板有横管朝向底板有横管朝向前面板传感器 116.8418.0919.5719.5719.86传感器 216.1417.9919.1718.9719.36传感器 315.7418.09191719.0719.46传感器 414.9418.1919.0719.5719.46传感器 517.0418.1917.8719.6719.86传感器 616.0418.1919.7719.3719.66传感器 712.6417.5917.6718.3718.86传感器 811.9417.9916.8718.9719.16传感器 916.6418.6918.9719.5719.86传感器 1015.3418.1919.2719.0719.76传感器 1111.1417.6918.5717.2718.76传感器 1210.7418.1919.0718.0719.26传感器 1316.4418.8919.8719.8720.06传感器 1413.7417.8919.1719.0719.46传感器 1512.1418.1919.5719.4719.76传感器 1614.5418.8920.7720.0720.66平均值14.518.1819.0319.1319.58标准差2.080.360.900.690.45注：汽化盘管长度为 4 m，液氮罐出液孔径为 1.5 mm，通风风速为 8 m/s，回风道长度为 1.5 m，开孔隔板开孔率为 4.03%。2.5回风道长度对液氮温度调节性能的影响当开孔隔板开孔率为 4.03%，通风风速为 8 m/s，汽化盘管长度为 4 m，有横管且横管开口吹向风机，液氮罐出液孔径为 1.5 mm，依次改变回风道长度为 0、0.5、1.0、1.5 m 进行试验。由于保鲜室内部长度为 1.86 m，按 0.5 m长度的倍数取回风道长度的水平值，所以回风道长度最大水平值取为 1.5 m。当保鲜室内氧气体积分数由 20.95%降至 5%时，记录开孔隔板 16 路温度传感器的数值。开孔隔板处温度传感器平均温度与回风道长度的关系如图4 所示。注：开孔隔板开孔率为 4.03%，通风风速为 8 m/s，汽化盘管长度为 4 m，有横管且横管开口吹向风机，液氮罐出液孔径为 1.5 mm。图 4回风道长度对液氮温度调节性能的影响Fig.4Effect of air return channel length on temperature adjustingperformance of liquid nitrogen从图 4 可以看出，随着回风道长度越长，开孔隔板处平均温度越高，因为回风道越长，保鲜厢体内参与循环的气体就越多，就越有利于液氮的汽化与升温。在回风道长度的 4 个水平值中，回风道长度为 1.5 m 时，开孔隔板处平均温度最高，液氮温度调节性能最优；为便于回风道安装布局与操作方便，回风道应在厢内顶部中央沿厢体长度方向安装，且需在回风道与厢体后门间留有便于人员作业的空间，所以在本文试验平台上回风道长度选为 1.5 m。2.6出液阀孔径对液氮温度调节性能的影响当开孔隔板开孔率为 4.03%，通风风速为 8 m/s，汽化盘管长度为 4 m，有横管且横管开口吹向风机，回风道长度为 1.5 m，依次改变液氮罐出液阀孔径为 1.0、1.5 和2.0 mm，厢体内降氧速度情况如图 5 所示，降温速度情况如图 6 所示。注：开孔隔板开孔率为 4.03%，通风风速为 8 m/s，汽化盘管长度为 4 m，有横管且横管开口吹向风机，回风道长度为 1.5 m。图 5出液阀孔径对降氧速度的影响Fig.5Effects of bore diameter of outlet valve on oxygen reducingrate从图 5 可以看出，出液孔径为 1.0 mm 时降氧速度最慢，44 min 后氧气体积分数才降至 12.08%，此时液氮罐出液孔出口为气体，增压阀打开，液氮罐内压力升高，汽化后的氮气在安全阀排出后进入厢体；出液孔径为2.0 mm 时降氧速度最快，29 min 后厢内氧气体积分数已降至 5.0%；出液孔径为 1.5 mm 时，43 min 后将厢内氧气体积分数降低至 5.0%。注：开孔隔板开孔率为 4.03%，通风风速为 8 m/s，汽化盘管长度为 4 m，有横管且横管开口吹向风机，回风道长度为 1.5 m。图 6出液阀孔径对液氮温度调节性能的影响Fig.6Effects of bore diameter of outlet valve on temperatureadjusting performance of liquid nitrogen第 13 期吕恩利等：保鲜运输用液氮充注气调的温度调节性能优化241从图 6 可以看出，出液孔径为 1 mm 时，开孔隔板处的温度基本保持不变，因为进入厢体的为汽化后的氮气，再加上风机的放热，所以，厢体开孔隔板处的温度基本不变，还略有上升；出液孔径为 1.5 mm 时，开孔隔板处降温较平稳。出液孔径为 2.0 mm 时温度变化较快，此时，液氮自汽化盘管流出，有部分未汽化的液氮滴到厢体底部，对厢体结构安全不利。出液阀孔径的选择既要满足气调快，又要避免液氮低温对果蔬和厢体结构造成危害。结合图 5 和图 6，出液阀孔径为 1.5 mm 较优。2.7液氮充注气调温度调节性能的优化综上所述，当汽化盘管长度为 4 m，横管开孔吹向风机，开孔隔板开孔率为 4.03%，出液阀孔径为 1.5 mm，通风风速为 8 m/s，回风道长度为 1.5 m 时，液氮气调的温度调节性能较优。保鲜室内氧气体积分数自 20.95%降至 5%仅需 43 min，气调效率高。当保鲜室内氧气体积分数降至 5%时，通过记录开孔隔板开孔处均匀布置 16 路Pt100 温度传感器的测量值，利用 Matlab 软件对开孔隔板处温度分布进行曲面拟合，如图 7 所示。记录氧气体积分数自 21.95%降至 5%时，回风道回风温度和开孔隔板处平均温度的变化如图 8 所示。注：汽化盘管长度为 4 m，横管开孔吹向风机，开孔隔板开孔率为 4.03%，出液阀孔径为 1.5 mm，通风风速为 8 m/s，回风道长度为 1.5 m。图 7开孔隔板出气口温度分布Fig.7Temperature distribution of perforated partition outlet注：汽化盘管长度为 4 m，横管开孔吹向风机，开孔隔板开孔率为 4.03%，出液阀孔径为 1.5 mm，通风风速为 8 m/s，回风道长度为 1.5 m。图 8开孔隔板处平均温度与回风道回风温度对比Fig.8Temperature comparison between perforated partition outletand air return channel从图 7 可以看出，开孔隔板出气口温度分布较均匀，最大温度差仅为 1.3。从图 8 可以看出，液氮罐开启后，开孔隔板处平均温度与回风道温度随时间而逐渐降低，开孔隔板处平均温度比回风道降温更快，主要是因为回风道内的气体进入压力室与释放的液氮混合，降低了开孔隔板出口处的温度。但开孔隔板出口处与回风道内的温差较小，最大温差仅为 2.72。该设计有效提高了液氮汽化后的温度，有助于液氮连续充注气调，缩短降氧时间，提高气调效率，便于生产操作。3结论与讨论1）当运输厢体内氧气体积分数自 2095%降至 5%时，开孔隔板处的平均温度随汽化盘管长度的增加而升高，随风速的增加而升高，随回风道长度的增加而升高，随液氮罐出液阀孔径的增大而降低；开孔隔板开孔率对开孔隔板处平均温度影响不大（P=0.065），随着开孔率的增加，开孔隔板处的温度差增大；有无横管对开孔隔板处平均温度影响较大，横管开孔方向对开孔隔板处平均温度影响不大（P=0.081），但对开孔隔板处温度差影响较大。2）当液氮罐出液阀孔径为 1.5 mm，汽化盘管长度为4 m，横管开孔朝向风机，开孔隔板开孔率为 4.03%，通风风速为 8 m/s，回风道长度为 1.5 m，厢体内氧气体积分数自 20.95%降至 5%时，液氮气调的温度调节性能较优，开孔隔板出气口最大温差仅为 1.3，开孔隔板出口处与回风道内的最大温差仅为 2.72。采用液氮充注气调可在 43 min 内将厢体内氧气体积分数由 20.95%降至5%，气调速度快，便于生产操作。值得讨论的是，保鲜运输用液氮充注气调系统的设计，还应综合考虑运输果蔬的品种及运输参数等因素，本课题组正在对此进行深入地相关研究。参考文献1吕恩利，陆华忠，杨洲，等.气调保鲜运输车通风系统阻力特性试验J.农业机械学报，2011，42(3)：120124.L Enli,Lu Huazhong,Yangzhou,et al.Pressure dropcharacteristics of the ventilation system in fresh-keepingtransportation with controlled atmosphereJ.Transactions ofthe Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(3):120124.(in Chinese with English abstract)2吕恩利，陆华忠，杨洲，等.果蔬气调保鲜运输技术发展研究J.农机化研究，2010(6)：225228.LEnli,Lu Huazhong,Yangzhou,et al.Research status andprospectsinfruitsandvegetablesfresh-keepingwithcontrolled atmosphere transportation technologiesJ.Journalof 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