傅 濤 李 君 王海林 岑康華 唐本源

(1 華南農業(yè)大學南方農業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室 廣州 510642；2 華南農業(yè)大學工程學院 廣州 510642)

隨著生活節(jié)奏的加快，消費者對冷藏食品品質的要求越來越高，而冷藏銷售是食品冷藏鏈中的一個重要環(huán)節(jié)[1]。目前，陳列柜是冷藏銷售的主要設備，用于冷飲、果蔬和肉類等食品的保溫[2-5]。根據(jù)柜門結構不同，陳列柜可分為封閉式和敞開式。敞開式陳列柜取貨區(qū)敞開，由冷風幕將食品與柜外環(huán)境隔開。

溫度、相對濕度是保證冷藏食品品質的兩大關鍵因素[6-9]。敞開式陳列柜的柜內溫濕度分布對食品冷藏效果產生影響，因此有必要對柜內溫濕度場的分布特性進行研究，目前國內外有學者研究了多種陳列柜的溫度分布，例如：文獻[10]針對臥式低溫陳列柜開展了溫度分布均勻性方面的研究，指出靠近出風口部的溫度梯度大，靠近回風口部的溫度梯度小且溫度分布均勻。文獻[11]通過實驗對帶三層風幕的低溫陳列柜進行研究，分析了各層風幕送風速度對貨架溫度的影響。文獻[12]對帶雙層風幕立式陳列柜擱架外側和回風口部的溫度場分布特性進行數(shù)值模擬和實驗驗證，指出陳列柜外側有溫度分層現(xiàn)象。文獻[13-17]通過測量柜內M包(模擬食品)溫度，分析食品溫度與其擺放位置的關系。文獻[18]研究了節(jié)能簾對陳列柜熱負荷的影響，指出節(jié)能簾可減少25%～40%的熱負荷。文獻[19-21]分析了商場環(huán)境濕度變化對冷藏陳列柜熱負荷的影響。暫未發(fā)現(xiàn)有學者針對帶單層風幕的敞開式陳列柜在有、無節(jié)能簾兩種條件下，開展柜內擱架區(qū)的溫濕度場分布特性和溫濕度之間關系方面的研究。

本文采用一種帶單層風幕的敞開式陳列柜實驗平臺，對其柜內溫濕度分布進行研究，分析陳列柜溫濕度場的分布特性和節(jié)能簾對溫濕度分布的影響，研究結果為不同果蔬在各層擱架的擺放及果蔬用敞開式陳列柜性能的改進提供可靠的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗平臺

敞開式陳列柜平臺總體結構如圖1所示。陳列柜整體規(guī)格(長×寬×高)為2.00 m×0.99 m×1.54 m，有效容積約0.81 m3，前部敞開采用單層風幕，敞口面積1.67 m2。節(jié)能簾為簾布狀材料，開孔率為4.36%，利用拉環(huán)控制簾的伸縮來覆蓋敞口區(qū)域，通過阻隔柜內外環(huán)境間熱交換，減少陳列柜熱負荷，達到節(jié)能目的。使用3層擱架將貨物陳列區(qū)分割為4層，擱架自上而下依次分為第1、2、3、4層?？刂浦评錂C組停開的控制溫度傳感器位于頂板內側，其受陳列柜外部環(huán)境的輻射影響較小。陳列柜主要由制冷系統(tǒng)和通風系統(tǒng)組成，通風系統(tǒng)中風的循環(huán)分為兩路，一路是通過陳列柜背板上的出風孔吹出以保證柜內低溫并使溫度分布均勻；另一路是通過蜂窩式送風隔柵吹出以形成冷風幕，通過冷風幕來隔絕與外界熱空氣間的熱質傳遞。底部擱架下風機安裝板上固定有(3個)軸流風機(杭州微光電子股份有限公司生產)，風機型號為Y2F513，最大風量為460 m3/h，最大轉速為1300 r/min。采用AZ8901型風速儀(臺灣衡欣科技股份有限公司生產)測定室內環(huán)境風速，準確度為2%。采用PT100溫度傳感器(量程：-200～500 ℃，精度：±0.15 ℃)測定柜內溫度分布，采用相對濕度傳感器(量程：0～100%RH，精度：±3%RH)測定柜內相對濕度分布，測點布置如圖2所示。無紙記錄儀與計算機通過串口相連，記錄PT100溫度傳感器和相對濕度傳感器的測量值。

1 蜂窩式送風隔柵 2擱架 3溫度傳感器測點 4臍橙 5相對濕度傳感器監(jiān)控測點 6回風格柵 7控制器 8制冷機組 9軸流風機 10蒸發(fā)器盤管 11背板 12側壁出風孔 13風道 14控制溫度傳感器測點 15節(jié)能簾

注: a11、a21、a31、a41為左部的傳感器測點，a12、a22、a32、a42為中部的傳感器測點，a13、a23、a33、a43為右部的傳感器測點。

1.2 實驗材料及方法

實驗材料選用江西省臍橙，購于水果批發(fā)市場，果實規(guī)則，無病蟲害，無損傷，總質量約65 kg。在實際貨架展示銷售中，江西臍橙一般不采用包裝銷售，為切合實際，在實驗中對臍橙不采用包裝處理。將預冷后的臍橙并排擺滿于陳列柜各層擱架上，第1層擱架由于展示空間小，擺放一層臍橙，其他擱架分別擺放三層臍橙。臍橙與背板間距約為25 mm。

實驗在室內進行，室內環(huán)境溫度約22 ℃，相對濕度約80%RH，風速小于0.1 m/s。蜂窩式送風隔柵平均送風風速約為0.65 m/s，背板出風孔平均送風風速約為0.1 m/s。陳列柜制冷過程分為兩個階段：一是首次制冷階段，即陳列柜從初始溫度降至設置的溫度下限值，初始溫度接近室內環(huán)境溫度；二是穩(wěn)態(tài)運行階段，即首次制冷階段結束后，當柜內環(huán)境通過與外界環(huán)境進行熱交換使柜內溫度回升，控制溫度傳感器溫度值升至設置的上限值時，開啟制冷機組，直至控制溫度傳感器溫度值降至下限值。在兩個階段中，全部風機始終保持穩(wěn)定運轉。

12路溫度傳感器、8路相對濕度傳感器分別用于測量陳列柜4層擱架的左、中、右部溫度值和左、右部相對濕度值。各路溫度傳感器、相對濕度傳感器連接至無紙記錄儀，記錄儀每隔10 s采集一組數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

陳列柜穩(wěn)態(tài)運行階段的回溫、降溫2種工況實驗中，記錄2種工況結束時刻的12路溫度傳感器和8路相對濕度傳感器的數(shù)值進行實驗分析。采用4層擱架左、中、右部溫度測點的平均值計算各部溫度值；采用各層擱架溫濕度測點的平均值計算該層擱架溫濕度值；對穩(wěn)態(tài)運行階段進行分析的數(shù)據(jù)均采用5個穩(wěn)定振蕩周期的平均值。通過SPSS、Matlab軟件分析柜內溫濕度分布的顯著性和均勻性。

溫度、相對濕度分布的均衡性以變異系數(shù)表示。計算式為：

CV=SD/S

(1)

式中：CV為變異系數(shù)；SD為標準差；S為平均值[22]。

1.4 柜內溫度與控制溫度差異性分析

根據(jù)國家標準[23]的要求，控制溫度傳感器測點位于陳列柜頂板內側，避免受到外界環(huán)境的輻射。在陳列柜運行過程中，制冷機組根據(jù)控制溫度傳感器監(jiān)測的溫度值進行停開工作。實際運行中各層擱架的果蔬展示空間受柜內外環(huán)境間熱交換的影響較大，造成柜內實際溫度高于控制溫度傳感器監(jiān)測的溫度值。為了研究柜內實際溫度與控制溫度傳感器監(jiān)測的溫度差異性，將陳列柜溫度檔位設為-2～3 ℃進行實驗，即在穩(wěn)態(tài)運行階段，當控制溫度傳感器溫度值達到3 ℃時，制冷機組開始制冷；當控制溫度傳感器溫度值為-2 ℃時，制冷機組停止制冷。在一個降溫回溫周期內，計算各測點溫度的均值作為柜內溫度值，分析柜內溫度隨時間的變化，結果如下圖3所示。

圖3 一周期內柜內溫度變化

從圖3可以看出，在一定的室內環(huán)境條件下，當陳列柜運行溫度檔位設為-2～3 ℃，降溫結束時陳列柜平均溫度為2.58 ℃，回溫結束時為6.13 ℃?？芍诮禍亟Y束時柜內溫度與控制溫度傳感器溫度的偏移量為+4.58 ℃，回溫結束時的偏移量為+3.13 ℃。

由于大多數(shù)果蔬產品適宜貯藏的環(huán)境溫度為0～10 ℃[24-25]，因此將陳列柜運行溫度檔位設為-2～3 ℃進行實驗研究，所對應的陳列柜運行溫度范圍合理可行。

2 結果與分析

2.1 陳列柜溫度場分布特性

1) 不同工況溫度場分布特性

在無節(jié)能簾條件下，分析陳列柜穩(wěn)態(tài)運行階段回溫、降溫兩種工況結束時的瞬態(tài)溫度分布規(guī)律，結果如表1所示。

從表1可以看出，回溫工況結束時與降溫工況結束時的瞬態(tài)溫度分布差異顯著(P<0.05)。降溫工況結束時平均溫度較低(平均值為3.68±2.03 ℃)且溫度分布較不均勻(變異系數(shù)為0.55)；回溫工況結束時平均溫度較高(平均值為6.75±1.65 ℃)，溫度分布較均勻(變異系數(shù)為0.25)。

用Matlab 軟件分別對兩種工況結束時的瞬態(tài)溫度測量值進行曲面擬合，坐標“柜內高度”是指陳列柜底部擱架到頂部方向，坐標“柜內寬度”是指陳列柜擱架左端到右端方向(從陳列柜正面看)，如圖4所示。

表1 兩種工況對陳列柜溫度場的影響

圖4 兩種工況下陳列柜的溫度分布

從圖4可以看出，在陳列柜穩(wěn)態(tài)運行階段的回溫、降溫兩種工況下，回溫工況結束時，陳列柜左部溫度比右部略低，底層擱架溫度高于頂層；降溫工況結束時，陳列柜左部溫度比右部略高，底層擱架溫度高于頂層。從回溫工況結束時溫度分布來看，左、右部的最大溫差為4.7 ℃，標準差為1.60 ℃；底層擱架與頂層擱架的最大溫差為4.6 ℃，標準差為1.81 ℃。從降溫工況結束時的溫度分布來看，左、右部的最大溫差為4.4 ℃，標準差為1.92 ℃；底層擱架與頂層擱架的最大溫差為5.4 ℃，標準差為2.12 ℃。

2) 穩(wěn)態(tài)運行階段溫度場分布特性

在無節(jié)能簾條件下，對陳列柜穩(wěn)態(tài)運行階段的溫度分布特性進行研究，分析柜內溫度分布規(guī)律。分別取一個振蕩周期內左、右部和及各層擱架的平均溫度隨時間的變化值，從圖5可以看出，在一周期內，隨著回溫和降溫工況的進行，柜內溫度左部小于右部。這是因為陳列柜冷風幕出風速度左部小于右部0.05 m/s，引起陳列柜左部敞口區(qū)受熱交換影響較大。

圖5 一周期內溫度分布

用Matlab 軟件對瞬態(tài)溫度測量值進行曲面擬合，如圖6所示。

圖6 陳列柜溫度場分布

從圖6可以看出，在陳列柜穩(wěn)態(tài)運行階段，柜內中部溫度高于左、右部，底層溫度高于頂層溫度。從水平方向來看，左、中、右部溫度分布差異顯著(P<0.05)，中部溫度平均值分別高于左、右部溫度平均值2.30 ℃、1.79 ℃。這是因為背板中部的開孔率較小，使得柜內中部的氣流循環(huán)較慢，熱交換差。從垂直方向來看，4層擱架的溫度分布具有梯度性，溫度上低下高。第1層擱架與第2層擱架溫度分布差異不顯著(P>0.05)，第2、3、4層擱架之間溫度分布存在差異顯著(P<0.05)。這是因為第1、2層擱架靠近出風區(qū)，從送風隔柵吹出的冷射流具有良好的單向性，可以在重力及慣性力作用下平穩(wěn)流動，隔熱效果較好；而在第3、4層擱架，由于陳列柜背板處水平氣流和風機壓降的影響，風幕氣流方向略向外傾斜，氣流方向不一致，且靠近回風區(qū)，由于抽吸作用，造成隔熱效果變差。在穩(wěn)態(tài)運行階段，第1層擱架與第4層擱架的平均溫差可達4.97 ℃，第4層擱架溫度(平均值為7.49±1.84 ℃)比第3層擱架高2.06 ℃。隨著降溫、回溫工況的進行，各層擱架瞬態(tài)溫度表現(xiàn)出振蕩性，振蕩周期約為17 min；從變異系數(shù)來看，第1、2、3、4層擱架溫度的變異系數(shù)分別為0.29、0.33、0.28、0.18，表明各層擱架間的溫度波動存在較大差異。

2.2 陳列柜濕度場分布特性

1) 不同工況濕度場分布特性

在無節(jié)能簾條件下，分析陳列柜穩(wěn)態(tài)運行階段回溫、降溫兩種工況結束時的瞬態(tài)濕度分布規(guī)律，結果如表2所示。

從表2可以看出，回溫與降溫結束時的瞬態(tài)相對濕度分布差異顯著(P<0.05)，這是因為相比降溫工況，回溫階段由于制冷停止和風幕的卷吸作用，柜外高溫空氣和柜內低溫空氣進行熱交換，形成凝結水汽，濕度上升。回溫工況下的相對濕度較高(平均值為73.63±5.94%RH)且相對濕度分布較均勻(變異系數(shù)為0.08)。

2) 穩(wěn)態(tài)運行階段濕度場分布特性

在無節(jié)能簾條件下，對陳列柜穩(wěn)態(tài)運行階段的濕度場分布特性進行研究。分別取一個振蕩周期內左、右部平均相對濕度隨時間的變化值，從圖7可以看出，在一個周期內隨著回溫和降溫工況的進行，受柜內右部溫度高于左部的影響，柜內右部的相對濕度高于左部。

用Matlab 軟件對相對濕度測量值進行曲面擬合，坐標“柜內高度”是指陳列柜底部擱架到頂部方向，坐標“周期階段”是指在一個振蕩周期內從回溫開始階段到降溫停止階段方向，如圖8所示。

表2 兩種工況對陳列柜濕度場的影響

圖7 一個周期內相對濕度分布

圖8 陳列柜濕度場分布

從圖8可以看出，隨著回溫和降溫工況的進行，柜內相對濕度分布表現(xiàn)出周期性振蕩。從振蕩周期內不同時間段來看，回溫結束時的柜內相對濕度較高(平均值為(75.57±6.14)%RH)且分布較均勻(變異系數(shù)為0.08)，降溫階段中期的相對濕度分布較不均勻(變異系數(shù)為0.13)。與回溫階段和降溫中期相比，降溫結束時相對濕度較低(平均值為(42.95±5.06)%RH)。從擱架的相對濕度分布來看，各層擱架相對濕度分布差異性顯著(P<0.05)，相對濕度：第4層>第1層>第2層>第3層。各層擱架瞬態(tài)相對濕度表現(xiàn)出振蕩性，振蕩周期約為17 min；從變異系數(shù)來看，第4層擱架相對濕度波動較小(變異系數(shù)為0.15)，第1層擱架相對濕度波動較大(變異系數(shù)為0.26)。

2.3 陳列柜溫度對相對濕度的影響

在無節(jié)能簾條件下，回溫工況和降溫工況的交替進行導致柜內溫度變化，引起空氣的飽和水蒸汽分壓力改變，而相對濕度受飽和水蒸汽分壓力的影響。同時，由于受柜內外環(huán)境之間熱交換等的影響，柜內局部區(qū)域溫濕度波動性較大。陳列柜第1層擱架內果蔬展示空間最小，受熱交換過程中形成的冷凝水汽影響較大，造成相對濕度偏高。陳列柜背板中部區(qū)域開孔率較小，造成柜內中部溫濕度偏大。為獲得穩(wěn)態(tài)運行時溫度對相對濕度的影響規(guī)律，根據(jù)陳列柜左、右部各測點的實驗數(shù)據(jù)，計算各測點溫度和相對濕度的均值，以各測點溫度和相對濕度的均值為樣本，運用線性回歸的方法建立相對濕度(Y，%RH)關于溫度(X， ℃)的函數(shù)模型，回歸結果如下：

(2)

其中 ( )中的數(shù)字表示對應系數(shù)的t統(tǒng)計量。從回歸的結果看，模型擬合較好，擬合優(yōu)度R2=0.6434，表明相對濕度變化的63.34%可由溫度的變化來解釋。斜率項的t統(tǒng)計量遠大于2臨界值，即在95%的置信水平下拒絕斜率項為零的原假設，意味著溫度對相對濕度具有顯著影響。從式(2)可以看出，溫度對相對濕度的影響呈一元線性關系,柜內平均溫度每升高1 ℃，平均相對濕度增加7.84%RH。

2.4 節(jié)能簾對陳列柜溫濕度場的影響

在有節(jié)能簾條件下，對陳列柜溫濕度的分布規(guī)律進行研究，對比分析有、無節(jié)能簾兩種條件下柜內溫濕度的分布差異，結果如圖9所示。

圖9 節(jié)能簾對溫濕度場的影響

從圖9可以看出，首次制冷過程中，在有、無節(jié)能簾條件下柜內溫度分布無顯著差異(P>0.05)。在穩(wěn)態(tài)運行階段，兩種條件下柜內溫度分布差異性顯著(P<0.05)；有節(jié)能簾條件下，柜內溫度平均值為5.07 ℃，比無節(jié)能簾條件下的平均溫度低0.43 ℃，且有節(jié)能簾條件下柜內溫度波動幅度較小(變異系數(shù)為0.20)。

在有節(jié)能簾條件下，柜內相對濕度顯著高于無節(jié)能簾條件下(P<0.05)，其相對濕度平均值為67.52%RH，無節(jié)能簾條件下相對濕度平均值為61.78%RH；從變異系數(shù)看，在穩(wěn)態(tài)運行階段，有、無節(jié)能簾時的相對濕度變異系數(shù)分別為0.14、0.18，表明節(jié)能簾可以減小柜內相對濕度的波動幅度。

針對節(jié)能簾對陳列柜降溫和回溫時間的影響進行分析，結果如表3所示。

表3 節(jié)能簾對制冷和回溫時間的影響

從表3可以看出，在穩(wěn)態(tài)運行階段的一個振蕩周期內，節(jié)能簾可以縮短1 min的制冷時間和延長2.1 min的回溫時間。因此，當不需要存取果蔬產品的時候，可拉下節(jié)能簾以達到節(jié)能效果。

3 結論

為研究帶單層風幕的敞開式果蔬陳列柜溫濕度場分布特性，采用了一種敞開式陳列柜實驗平臺作為研究對象。研究了柜內溫濕度分布特性、溫度對相對濕度的影響關系和節(jié)能簾對溫濕度分布的影響，研究結果表明：

1)在無節(jié)能簾條件下，陳列柜在穩(wěn)態(tài)運行階段，回溫工況結束時與降溫工況結束時的瞬態(tài)溫濕度分布差異顯著，回溫工況結束時的瞬態(tài)溫濕度分布較均勻。

2)在無節(jié)能簾條件下，陳列柜水平方向溫濕度分布不均勻，左部溫度和相對濕度均低于右部。在穩(wěn)態(tài)運行階段，4層擱架的溫度分布差異顯著，上層擱架平均溫度低于下層擱架。第1層和第4層平均溫度差可達4.97 ℃；擱架瞬態(tài)溫濕度值表現(xiàn)出約17 min的振蕩周期；各層擱架相對濕度分布差異顯著，相對濕度：第4層>第1層>第2層>第3層，其中第1層擱架相對濕度波動較大。

3)建立的各測點相對濕度關于溫度的函數(shù)模型表明：在穩(wěn)態(tài)運行階段，溫度對相對濕度的影響呈一元線性關系，柜內平均溫度每升高1 ℃，平均相對濕度增加7.84%RH。

4)與無節(jié)能簾相比，在有節(jié)能簾條件下陳列柜平均相對濕度高5.74%RH，平均溫度低0.43 ℃，節(jié)能簾可減小溫度和相對濕度的波動幅度；在穩(wěn)態(tài)運行階段的一個振蕩周期內，節(jié)能簾可縮短降溫時間和延長回溫時間。

由于柜內環(huán)境溫濕度存在差異性，在實際擺放果蔬產品的過程中可利用該特點，依據(jù)果蔬產品適宜貯藏的溫濕度條件，參照各區(qū)域、各層擱架溫濕度的波動范圍進行分類擺放，以達到較好的保鮮效果。值得討論的是，在陳列柜穩(wěn)態(tài)運行階段中，外界環(huán)境的溫濕度水平可能對陳列柜溫濕度的分布特性產生影響，本課題組正對此進行深入的研究。

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