食品行業培養箱的設計研究

田茹

摘 要：通過對新型培養箱的熱濕處理系統及控制系統的分析，確定了新型培養箱的設備配置。根據食品行業所用培養箱的特殊要求研究設計了采用半導體制冷器進行制冷、加熱和除濕的培養箱，提出了用濕球溫度替代相對濕度作為濕度控制參數，并通過實驗驗證了該設計的可行性。

關鍵詞：半導體培養箱 制冷 除濕 濕球溫度

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0228-01

目前，在食品行業中，一般使用的菌種培養溫度都是常溫，需要放置在培養箱內來保證溫度的穩定。由于食品行業中菌種的培養溫度接近常溫，所需制冷量不大，在小制冷量范圍內，采用沒有機械振動的半導體制冷器作為制冷元件，不僅能減少溫度的控制誤差，也可以消除振動對試樣的干擾，同時可以降低菌種培養的經濟成本。因此本設計開發了新型的半導體培養箱，采用半導體制冷器取代了傳統的蒸汽壓縮制冷機（適合對制冷量要求較小的范圍）。

1 新型培養箱的設計方案分析

1.1 功能要求

培養箱具體使用中對溫度控制參數的精度和穩定性要求高，對濕度參數要求較寬松。所以熱負荷的精確調節處理是培養箱的關鍵功能。

（1）可根據環境溫度決定培養箱需要制冷或制熱，確定合理優化的控制方案，可以避免加熱系統和制冷系統同時運行。（2）培養箱需要除濕或加濕是由箱內初始空氣濕度參數決定的，加濕和除濕可以不同時工作。（3）半導體培養箱應該實現的功能：①完成該箱體內空氣的溫度、相對濕度調節到設定值，并將箱體內空氣溫度、相對濕度的波動控制在一定精度范圍內，如溫度25±2 ℃，溫度波動度≤±0.5 ℃濕度50%±5%；并且保證溫度和濕度的穩定。②為被測試件提供一個恒溫恒濕的環境，溫濕度在檢測過程中必須滿足實驗條件的規定。

1.2 培養箱系統確定

1.2.1 制冷系統

在培養箱的設計方案中，制冷系統的選擇可以同時實現降溫和除濕，它的調節性能直接影響培養箱溫濕度的控制精度。

傳統的培養箱的制冷裝置中廣泛采用蒸汽壓縮式制冷系統，由于制冷壓縮機的工作特性，這類制冷設備要求有最短的運行時間和停機時間；而且啟動運行后需要一段時間才能建立起制冷所需要蒸發壓力和冷凝壓力，制冷量也是逐漸才能增大到額定值；在壓縮機停機后，冷凝器中的制冷劑還將繼續進入蒸發器輸出冷量，直到系統壓力平衡后，制冷才真正停止。所以蒸汽壓縮式制冷系統的可調節性能差，不適合對制冷量需求較小的培養箱高精度控制的要求。

半導體制冷不同于傳統的制冷方式，是一種不用制冷劑、沒有運動部件的制冷裝置，具有重量輕、體積小、結構簡單、制冷制熱迅速，通過調節電流即可實現對冷熱負荷的控制，可調節性好，易于實現高精度溫控。因此選擇采用半導體制冷器作為新型培養箱的制冷系統。

1.2.2 加熱系統

半導體制冷器作為一種電-熱（冷）轉換設備，不但具有電加熱器具有的極好的調節特點，而且半導體制冷器制冷、制熱具有可逆性，只需改變電流的方向就可以實現制冷、制熱的轉換。而且在加熱運行時屬于熱泵系統，加熱量為電量與在冷端吸收的熱量之和Q=W+Qe，顯然比用電加熱能效高，節能顯著。

半導體制冷器只需要改變其電流的方向，就可實現制冷和加熱功能，同時考慮零部件的通用性、標準化，新型培養箱的加熱系統也采用半導體制冷器，其加熱功能通過制冷系統的熱泵運行實現。

1.2.3 加濕系統

超聲波加濕器特點是能耗小，加濕強度大，加濕均勻，加濕效率高。而且可以通過調節壓電陶瓷振子的數量或調節振蕩電路振幅來調節加濕量。

結合新型培養箱的設計要求，我們的加濕系統選用超聲波加濕法。

1.2.4 控制系統確定

在新型培養箱的樣機制造中，為了保證控制功能的可靠及經濟性，選用歐姆龍CP1H型號的PLC作為控制器。采用PLC控制器，控制系統需設計2路檢測模擬量，1路模擬量測干球溫度，1路模擬量測濕球溫度，由4路晶體管PWM輸出的開關量控制溫濕度處理系統；1路開關量輸出控制循環風機。

用濕球溫度作為控制參數，溫度范圍15℃～35 ℃，例如溫度設定在25 ℃，波動控制在±0.5 ℃；濕球溫度設定在17.8（參看空氣狀態參數表：24.5 ℃ 55%RH濕球溫18.21 ℃，25.5 ℃ 45%RH濕球溫度為17.38 ℃），波動控制在±0.4 ℃，既可以將箱內濕度控制在要求的50%±5%范圍，采用濕球溫度控制更為方便直接。

1.3 系統設備配置

考慮設備恒溫、恒濕功能要求，需保證實現制冷、加熱、加濕、除濕等四種空氣處理過程，綜合考慮設備運行的可靠性、經濟性，以及控制過程實現的難易程度等，設備系統的配置如下。

制冷系統配置：1塊TEC1127012型半導體制冷器，額定制冷量80 W，額定電壓12 V，工作電流10 A。

加熱系統配置：1塊TEC1127012型半導體制冷器。

除濕系統配置：1塊TEC1127012型半導體制冷器。

加濕系統配置：水箱容積（L）：1.7，功率（W）：25；凈重（kg）：0.85。

加濕量（ml/h）：≥200。

控制系統配置：選用歐姆龍CP1H型號的PLC作為控制器。

繼電器選用可實現高速通斷的固態繼電器，固態繼電器需要配置散熱器。

2 培養箱的功能實驗

本新型培養箱的試驗包括手動控制實驗、自動控制實驗。

手動控制實驗是分別對樣機的制冷、加熱、除濕、加濕功進行試驗，驗證試驗裝置各子系統運行的安全性、可靠性及相應功能實現。

自動控制實驗是分別單獨控制箱內溫度、相對濕度RH，并設定15 ℃、35 ℃兩個溫度值和RH 30%、RH 80%兩個相對濕度值，以檢測溫度和相對濕度能否控制在設定值并穩定在一定精度范圍內，檢驗各系統的控制性能和控制策略。

3 結論

培養箱以半導體制冷器作為制冷元件，不僅減少了溫度的控制誤差，也可以消除振動的干擾，同樣可以降低菌種培養的經濟成本。半導體培養箱在食品行業中的應用具有一定的推廣價值和應用前景，所研究的新型半導體培養箱同樣適用于一些對溫度環境要求比較嚴格的高精度測量儀器的使用。

參考文獻

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