杜芳莉 吳 晗 張富康 陳達(dá)明

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基于吸附式制冷果品保鮮裝置的研究

杜芳莉 吳 晗 張富康 陳達(dá)明

（西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院 西安 710077）

本作品利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱和太陽能驅(qū)動(dòng)吸附式制冷機(jī)組，提供氣調(diào)庫所需冷量，用以保證水果低溫貯藏要求，同時(shí)利用氫氧化鈉、高錳酸鉀等藥品吸收空氣中的成分，用以保證水果貯藏運(yùn)輸過程中對氣體的要求；通過本作品的設(shè)計(jì)，可以達(dá)到水果及時(shí)保鮮，保證水果鮮美品質(zhì)，同時(shí)還可彌補(bǔ)現(xiàn)有車載冷庫存在的一些不足。

發(fā)動(dòng)機(jī)余熱；太陽能；吸附式制冷；氣調(diào)庫；水果保鮮

0 引言

隨著生活水平不斷的提高，人們的健康意識(shí)逐漸增強(qiáng)，對于水果的需求量及品質(zhì)要求越來越高，為此果品從采摘到儲(chǔ)存及長距離運(yùn)輸過程中的保鮮問題至關(guān)重要，而要達(dá)到果品的時(shí)時(shí)保鮮則需要耗費(fèi)大量的能源。但是隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源資源日益短缺，同時(shí)環(huán)境問題也越來越受到人們的關(guān)注。吸附式制冷則可利用低品位的發(fā)動(dòng)機(jī)熱能[1]及綠色環(huán)保能源太陽能聯(lián)合提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，并采用環(huán)保型制冷劑，吻合了當(dāng)前能源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的總趨勢。本裝置順應(yīng)國家的節(jié)能減排方針，充分利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱和太陽能熱量設(shè)計(jì)了一種基于吸附式制冷的混合動(dòng)力果品保鮮裝置。

1 設(shè)計(jì)原理

本裝置是一種適應(yīng)果品長距離運(yùn)輸及長時(shí)間保鮮的新型混合動(dòng)力的果品保鮮裝置，它采用吸附式制冷技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)氣調(diào)庫系統(tǒng)中的制冷系統(tǒng)，并利用運(yùn)輸車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱以及太陽能作為制冷系統(tǒng)的混合動(dòng)力源，具有環(huán)保、安全、衛(wèi)生、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。該裝置中的保鮮箱可直接對田地剛采摘的新鮮水果進(jìn)行現(xiàn)場保鮮，每個(gè)保鮮箱均相當(dāng)于一個(gè)微型氣調(diào)庫，確保果品從采摘、裝箱到長途運(yùn)輸一直保持新鮮狀態(tài)。這樣的設(shè)計(jì)理念能夠解決果品長時(shí)間運(yùn)輸及儲(chǔ)存中常見問題，例如：水分流失、新鮮度下降、發(fā)生霉變等，從而保證水果在長途運(yùn)輸過程中的新鮮度與口感品質(zhì)。

固體吸附式制冷可采用太陽能或余熱等低品位熱源作為驅(qū)動(dòng)熱源[2]，不僅緩解電力的緊張供應(yīng)和能源危機(jī)，而且能有效利用大量的低品位熱源。另外，吸附式制冷不采用氯氟烴類制冷劑，無CFCS問題，也無溫室效應(yīng)作用，是一種環(huán)境友好型制冷方式[3]。從20世紀(jì)70年代中期以來，吸附式制冷受到人們的重視，對其技術(shù)的研究不斷深化。與蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)相比，吸附式制冷具有顯著優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)簡單、一次性投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、使用壽命長、無噪音、無環(huán)境污染、能有效利用低品位熱源等一系列優(yōu)點(diǎn)[4]；另外與吸收式制冷系統(tǒng)相比，吸附式制冷系統(tǒng)不存在結(jié)晶和分餾問題、且能用于震動(dòng)、傾顛或旋轉(zhuǎn)等場合。

考慮到傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)均需大量的能源消耗，本制冷裝置系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)巧妙地對果品長途運(yùn)輸保鮮車發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱和太陽能熱量進(jìn)行回收與利用，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。本裝置主要由吸附床、冷凝器和蒸發(fā)器等組成。氣體系統(tǒng)通過風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力將制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量送至箱體進(jìn)行降溫保鮮，同時(shí)將經(jīng)過處理的保鮮氣體充注入箱體，使箱體內(nèi)部形成小型保鮮庫環(huán)境，實(shí)現(xiàn)果品保鮮。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)未來還將向全自動(dòng)化方向發(fā)展。設(shè)計(jì)原理如下圖1所示。

圖1 基于吸附式制冷果品保鮮裝置設(shè)計(jì)原理圖

2 制冷裝置

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能耗的增加，能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為全世界共同關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題，吸附式制冷作為一種低品位熱能驅(qū)動(dòng)的綠色制冷技術(shù)，吻合了當(dāng)前能源和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的總趨勢。吸附式制冷系統(tǒng)主要由兩部分組成。第一部分包括兩個(gè)吸附床：解吸床和吸附床，兩床的功能相當(dāng)于傳統(tǒng)制冷中的壓縮機(jī)[5]。解吸床向冷凝器排放高溫高壓的制冷劑蒸氣，吸附床則吸附蒸發(fā)器中低溫低壓的蒸氣，使制冷劑蒸氣在解吸床中不斷蒸發(fā)制冷。因此吸附式制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是吸附床，它的性能好壞直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的功能。第二部分包括冷凝器，蒸發(fā)器及流量調(diào)節(jié)閥，冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)，與普通的制冷系統(tǒng)相類似。從解吸態(tài)床解吸出來的高溫高壓的制冷劑蒸氣在冷凝器中被冷凝后，經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥，變成低溫低壓的液體，進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，被蒸發(fā)的制冷劑蒸氣重新被吸附態(tài)床吸收。

工質(zhì)對的選擇：吸附劑-制冷劑工質(zhì)對的選擇是吸附式制冷中最重要的因素之一[6]，一個(gè)好的制冷系統(tǒng)不但要有好的循環(huán)方式，而且要有在工作溫度范圍內(nèi)吸附性能強(qiáng)、吸附速度塊、傳熱效果好的吸附劑和汽化潛熱大、沸點(diǎn)滿足要求的制冷劑。制冷機(jī)是否能適應(yīng)環(huán)境要求，是否能滿足工作條件，在很大程度上都取決于吸附工質(zhì)對的選擇。本裝置選用對環(huán)境友好的沸石-水工質(zhì)對，進(jìn)行吸附式制冷。它的吸附能力隨著溫度的不同而不同，周期性地冷卻和加熱吸附劑，使之交替吸附和解析；解析時(shí)，釋放出制冷劑氣體，并使之凝為液體。吸附式制冷裝置組成如圖2所示。

圖2 吸附式制冷裝置組成圖

3 氣調(diào)裝置

本裝置在氣體調(diào)節(jié)方面，由于水果容易腐爛、保質(zhì)期短，這樣給果農(nóng)帶來很大程度上的困擾，若沒有果品保鮮儲(chǔ)藏設(shè)備的話，就需要急于售出，這樣價(jià)格上也沒有優(yōu)勢。相對于傳統(tǒng)的冷藏冷凍技術(shù)，本裝置的技術(shù)領(lǐng)先最關(guān)鍵的是實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“保鮮”。具體做法是在冷藏的基礎(chǔ)上，增加氣體成分調(diào)節(jié)，通過對貯藏環(huán)境中溫度、濕度、二氧化碳、氧氣和乙烯濃度等和氣體成分進(jìn)行針對性的控制，從而抑制果蔬呼吸作用，延緩其新陳代謝過程，更好地保持果蔬新鮮度和商品性，從而延長果蔬貯藏期和保鮮期（銷售貨架期）。本裝置氣體調(diào)節(jié)方面采用化學(xué)吸附方式[7]，除去乙烯，控制二氧化碳和氧氣濃度，達(dá)到對果品保鮮的目的。氣體處理流程如下圖3所示。

圖3 氣體處理流程圖

根據(jù)自然界空氣組成成分及對人體呼出氣體進(jìn)行測試分析，可得出如下表1所示數(shù)據(jù)。

表1 各種氣體在空氣及人體呼出氣體中所占比例

因此，我們設(shè)想：可將駕駛室里面的空氣作為氣調(diào)裝置的初始?xì)怏w。在經(jīng)過以下一系列的處理過程后，最終使通入到保鮮箱的氣體達(dá)到要求。

（1）CO2調(diào)節(jié)

當(dāng)氣體中CO2的比例過大時(shí)，運(yùn)用氫氧化鈉溶劑以噴灑吸收液方式，對氣體中的CO2濃度進(jìn)行控制，如圖4所示。

（2）氧氣去除

讓氣體通過特制的海綿鐵濾料，氧氣與鐵發(fā)生徹底的氧化反應(yīng)從而保證氧氣濃度在1～5%之間。控制氣體中氧氣濃度有助于抑制水果的有氧呼吸，使其保存時(shí)間延長。我們采用化學(xué)方式來調(diào)節(jié)氣體中的氧氣。以噴灑吸收液方式調(diào)節(jié)氧氣濃度，如下圖5所示。

圖4 二氧化碳脫除裝置

圖5 氧氣脫除裝置

（3）乙烯脫除

將分子篩放在閉路系統(tǒng)中，利用高錳酸鉀的強(qiáng)氧化性將乙烯氧化脫除。同時(shí)還會(huì)生成二氧化碳，為氣體補(bǔ)充所需氣體，如圖6所示。

圖6 乙烯脫除裝置

（4）惰性氣體——氮?dú)?/p>

采用氮?dú)夤蕹淙胂到y(tǒng)中，在系統(tǒng)中加裝氣體監(jiān)測裝置，自動(dòng)補(bǔ)充氮?dú)狻?/p>

（5）相對濕度——水蒸氣

在進(jìn)行以上氣體進(jìn)行處理過后，通過吸附式制冷裝置使管內(nèi)氣體進(jìn)行冷卻達(dá)到目標(biāo)溫度后，可以使空氣里的相對濕度達(dá)到90%以上。

4 設(shè)計(jì)模型

本套裝置是在傳統(tǒng)果品長途運(yùn)輸貨車的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)而來的。與傳統(tǒng)的果品冷藏車相比，增加了氣體調(diào)節(jié)部分，更有利于果品的長時(shí)間保鮮；制冷的方式采用吸咐式制冷；制冷驅(qū)動(dòng)力則采用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱及太陽能輔助熱量，符合節(jié)能減排的大政方策；在制冷工質(zhì)方面則采用對環(huán)境友好的沸石-水工質(zhì)對，進(jìn)行吸附式制冷[8]。

為使本套裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，項(xiàng)目組制作了一個(gè)實(shí)物模型，如下圖7所示。并用此實(shí)物模型與不同方式的制冷設(shè)備做了多次實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)據(jù)比對；同時(shí)對箱體的氣體成分也做了處理，通過調(diào)節(jié)二氧化碳、氧氣濃度，處理氣體中的乙烯，加大相對濕度，用性質(zhì)穩(wěn)定無害的氮?dú)鈱愤M(jìn)行保鮮。使果品在運(yùn)輸途中處于休眠狀態(tài)，從而延長果蔬貯藏期和保鮮期即銷售貨架期。

圖7 基于吸附式制冷的混合動(dòng)力果品保鮮裝置的設(shè)計(jì)模型

通過多次的實(shí)驗(yàn)可得出本混合動(dòng)力的果品保鮮裝置具備節(jié)能、環(huán)保、制冷環(huán)節(jié)無運(yùn)動(dòng)部件的特點(diǎn)；該裝置以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱和太陽能為驅(qū)動(dòng)能源，運(yùn)轉(zhuǎn)安靜，振動(dòng)小，同時(shí)，制冷機(jī)在真空狀態(tài)下運(yùn)行，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，安裝方便，運(yùn)行費(fèi)用低；吸附制冷技術(shù)作為一種綠色的制冷技術(shù)，吻合了當(dāng)前能源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的總趨勢。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能耗的增加，能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為全世界共同關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題，吸附式制冷作為一種低品位熱能驅(qū)動(dòng)的綠色制冷技術(shù)，即將成為能源利用與環(huán)境保護(hù)的有效中間鏈。

5 結(jié)論

本作品利用吸附式制冷技術(shù)，代替氣調(diào)庫系統(tǒng)中的制冷系統(tǒng)，利用運(yùn)輸車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱以及太陽能作為制冷系統(tǒng)的動(dòng)力源，具有環(huán)保、安全、衛(wèi)生、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。利用保鮮箱直接對采摘的新鮮水果進(jìn)行現(xiàn)場保鮮，每個(gè)保鮮箱相當(dāng)于一個(gè)微型氣調(diào)庫，可以實(shí)現(xiàn)從果品采摘、裝箱到長途運(yùn)輸，一直使水果保持新鮮狀態(tài)。它相比于現(xiàn)行的氣調(diào)庫具有體積小、節(jié)能環(huán)保、可移動(dòng)性強(qiáng)、可大量減少運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)，縮小損失等特點(diǎn)。

本裝置的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在：（1）采用太陽能和發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的余熱，體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的理念；（2）將整個(gè)氣調(diào)庫系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化壓縮，集成在運(yùn)輸車以及配套保鮮箱中，大大提高了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。由于搭載在運(yùn)輸車上和可拼接保鮮箱，增加了系統(tǒng)的靈活性與可移動(dòng)性；（3）配套保鮮箱可直接用來包裝水果，裝車后即可立即進(jìn)行保鮮運(yùn)輸，不需中轉(zhuǎn)入冷庫進(jìn)行保鮮后再進(jìn)行運(yùn)輸，減少多次搬運(yùn)造成的損失。整個(gè)裝置已從多個(gè)角度，全方面進(jìn)行設(shè)計(jì)論證和實(shí)驗(yàn)，能夠保證果品長時(shí)間保鮮的效果。

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Study on the Device for Keeping Fresh Fruits Based on Adsorption Refrigeration

Du Fangli Wu Han Zhang Fukang Chen Daming

( Xi’an Aeronautical University, Department of Energy and Architecture, Xi’an, 710077 )

This article uses the automobile engine waste heat and the solar energy to drive the adsorption type refrigeration unit for providing the cooling capacity required for the air conditioning depot. And guarantee that low-temperature storage requirement of fruits. At the same time, using sodium hydroxide, potassium permanganate and other drugs to absorb the components in the air, To ensure gas requirements during storage and transportation of fruit. Through the design of this article, The fruits can be kept fresh in time. And ensure fruit fresh and beautiful quality. At the same time, it can also make up some shortcomings of the existing vehicle cold storage.

engine waste heat; solar energy; adsorption refrigeration; air-conditioned cold store; fruit preservation

1671-6612（2018）06-586-04

G710

A

陜西省教育科學(xué)十三五規(guī)劃課題“基于多站點(diǎn)、全方位實(shí)踐教學(xué)體系的改革研究與實(shí)踐——以建環(huán)專業(yè)為例（SGH16H246）”；2017年校級大創(chuàng)項(xiàng)目：DCX2017077

杜芳莉（1975-5），女，碩士研究生，副教授，E-mail：972339919@qq.com

2018-01-16