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 陳達明

（西安航空學院能源與建筑學院 西安 710077）

本作品利用汽車發動機余熱和太陽能驅動吸附式制冷機組，提供氣調庫所需冷量，用以保證水果低溫貯藏要求，同時利用氫氧化鈉、高錳酸鉀等藥品吸收空氣中的成分，用以保證水果貯藏運輸過程中對氣體的要求；通過本作品的設計，可以達到水果及時保鮮，保證水果鮮美品質，同時還可彌補現有車載冷庫存在的一些不足。

發動機余熱；太陽能；吸附式制冷；氣調庫；水果保鮮

0 引言

隨著生活水平不斷的提高，人們的健康意識逐漸增強，對于水果的需求量及品質要求越來越高，為此果品從采摘到儲存及長距離運輸過程中的保鮮問題至關重要，而要達到果品的時時保鮮則需要耗費大量的能源。但是隨著經濟的快速發展，能源資源日益短缺，同時環境問題也越來越受到人們的關注。吸附式制冷則可利用低品位的發動機熱能[1]及綠色環保能源太陽能聯合提供動力驅動，并采用環保型制冷劑，吻合了當前能源、環境協調發展的總趨勢。本裝置順應國家的節能減排方針，充分利用汽車發動機廢熱和太陽能熱量設計了一種基于吸附式制冷的混合動力果品保鮮裝置。

1 設計原理

本裝置是一種適應果品長距離運輸及長時間保鮮的新型混合動力的果品保鮮裝置，它采用吸附式制冷技術代替傳統氣調庫系統中的制冷系統，并利用運輸車發動機余熱以及太陽能作為制冷系統的混合動力源，具有環保、安全、衛生、經濟的特點。該裝置中的保鮮箱可直接對田地剛采摘的新鮮水果進行現場保鮮，每個保鮮箱均相當于一個微型氣調庫，確保果品從采摘、裝箱到長途運輸一直保持新鮮狀態。這樣的設計理念能夠解決果品長時間運輸及儲存中常見問題，例如：水分流失、新鮮度下降、發生霉變等，從而保證水果在長途運輸過程中的新鮮度與口感品質。

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動熱源[2]，不僅緩解電力的緊張供應和能源危機，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，也無溫室效應作用，是一種環境友好型制冷方式[3]。從20世紀70年代中期以來，吸附式制冷受到人們的重視，對其技術的研究不斷深化。與蒸氣壓縮式制冷系統相比，吸附式制冷具有顯著優點，主要表現為：結構簡單、一次性投資少、運行費用低、使用壽命長、無噪音、無環境污染、能有效利用低品位熱源等一系列優點[4]；另外與吸收式制冷系統相比，吸附式制冷系統不存在結晶和分餾問題、且能用于震動、傾顛或旋轉等場合。

考慮到傳統的制冷系統均需大量的能源消耗，本制冷裝置系統的動力機構基礎巧妙地對果品長途運輸保鮮車發動機的余熱和太陽能熱量進行回收與利用，從而達到節能減排的目的。本裝置主要由吸附床、冷凝器和蒸發器等組成。氣體系統通過風機提供動力將制冷系統產生的冷量送至箱體進行降溫保鮮，同時將經過處理的保鮮氣體充注入箱體，使箱體內部形成小型保鮮庫環境，實現果品保鮮。隨著科學技術的不斷進步，整個系統設計未來還將向全自動化方向發展。設計原理如下圖1所示。

圖1 基于吸附式制冷果品保鮮裝置設計原理圖

2 制冷裝置

隨著世界經濟的發展和能耗的增加，能源與環境問題已經成為全世界共同關注的一個熱點問題，吸附式制冷作為一種低品位熱能驅動的綠色制冷技術，吻合了當前能源和環境協調發展的總趨勢。吸附式制冷系統主要由兩部分組成。第一部分包括兩個吸附床：解吸床和吸附床，兩床的功能相當于傳統制冷中的壓縮機[5]。解吸床向冷凝器排放高溫高壓的制冷劑蒸氣，吸附床則吸附蒸發器中低溫低壓的蒸氣，使制冷劑蒸氣在解吸床中不斷蒸發制冷。因此吸附式制冷系統設計的核心是吸附床，它的性能好壞直接影響了整個系統的功能。第二部分包括冷凝器，蒸發器及流量調節閥，冷卻水系統和冷凍水系統，與普通的制冷系統相類似。從解吸態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，經過流量調節閥，變成低溫低壓的液體，進入蒸發器蒸發制冷，被蒸發的制冷劑蒸氣重新被吸附態床吸收。

工質對的選擇：吸附劑-制冷劑工質對的選擇是吸附式制冷中最重要的因素之一[6]，一個好的制冷系統不但要有好的循環方式，而且要有在工作溫度范圍內吸附性能強、吸附速度塊、傳熱效果好的吸附劑和汽化潛熱大、沸點滿足要求的制冷劑。制冷機是否能適應環境要求，是否能滿足工作條件，在很大程度上都取決于吸附工質對的選擇。本裝置選用對環境友好的沸石-水工質對，進行吸附式制冷。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，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 氣調裝置

本裝置在氣體調節方面，由于水果容易腐爛、保質期短，這樣給果農帶來很大程度上的困擾，若沒有果品保鮮儲藏設備的話，就需要急于售出，這樣價格上也沒有優勢。相對于傳統的冷藏冷凍技術，本裝置的技術領先最關鍵的是實現了真正意義上的“保鮮”。具體做法是在冷藏的基礎上，增加氣體成分調節，通過對貯藏環境中溫度、濕度、二氧化碳、氧氣和乙烯濃度等和氣體成分進行針對性的控制，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）。本裝置氣體調節方面采用化學吸附方式[7]，除去乙烯，控制二氧化碳和氧氣濃度，達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

根據自然界空氣組成成分及對人體呼出氣體進行測試分析，可得出如下表1所示數據。

表1 各種氣體在空氣及人體呼出氣體中所占比例

因此，我們設想：可將駕駛室里面的空氣作為氣調裝置的初始氣體。在經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到要求。

（1）CO2調節

當氣體中CO2的比例過大時，運用氫氧化鈉溶劑以噴灑吸收液方式，對氣體中的CO2濃度進行控制，如圖4所示。

（2）氧氣去除

讓氣體通過特制的海綿鐵濾料，氧氣與鐵發生徹底的氧化反應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，使其保存時間延長。我們采用化學方式來調節氣體中的氧氣。以噴灑吸收液方式調節氧氣濃度，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中，利用高錳酸鉀的強氧化性將乙烯氧化脫除。同時還會生成二氧化碳，為氣體補充所需氣體，如圖6所示。

圖6 乙烯脫除裝置

（4）惰性氣體——氮氣

采用氮氣罐充入系統中，在系統中加裝氣體監測裝置，自動補充氮氣。

（5）相對濕度——水蒸氣

在進行以上氣體進行處理過后，通過吸附式制冷裝置使管內氣體進行冷卻達到目標溫度后，可以使空氣里的相對濕度達到90%以上。

4 設計模型

本套裝置是在傳統果品長途運輸貨車的基礎上進行創新設計而來的。與傳統的果品冷藏車相比，增加了氣體調節部分，更有利于果品的長時間保鮮；制冷的方式采用吸咐式制冷；制冷驅動力則采用發動機的余熱及太陽能輔助熱量，符合節能減排的大政方策；在制冷工質方面則采用對環境友好的沸石-水工質對，進行吸附式制冷[8]。

為使本套裝置運行數據的真實可靠，項目組制作了一個實物模型，如下圖7所示。并用此實物模型與不同方式的制冷設備做了多次實驗測試與數據比對；同時對箱體的氣體成分也做了處理，通過調節二氧化碳、氧氣濃度，處理氣體中的乙烯，加大相對濕度，用性質穩定無害的氮氣對果品進行保鮮。使果品在運輸途中處于休眠狀態，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力果品保鮮裝置的設計模型

通過多次的實驗可得出本混合動力的果品保鮮裝置具備節能、環保、制冷環節無運動部件的特點；該裝置以汽車發動機產生的廢熱和太陽能為驅動能源，運轉安靜，振動小，同時，制冷機在真空狀態下運行，結構簡單，安全可靠，安裝方便，運行費用低；吸附制冷技術作為一種綠色的制冷技術，吻合了當前能源、環境協調發展的總趨勢。隨著世界經濟的發展和能耗的增加，能源與環境問題已經成為全世界共同關注的一個熱點問題，吸附式制冷作為一種低品位熱能驅動的綠色制冷技術，即將成為能源利用與環境保護的有效中間鏈。

5 結論

本作品利用吸附式制冷技術，代替氣調庫系統中的制冷系統，利用運輸車發動機余熱以及太陽能作為制冷系統的動力源，具有環保、安全、衛生、經濟的特點。利用保鮮箱直接對采摘的新鮮水果進行現場保鮮，每個保鮮箱相當于一個微型氣調庫，可以實現從果品采摘、裝箱到長途運輸，一直使水果保持新鮮狀態。它相比于現行的氣調庫具有體積小、節能環保、可移動性強、可大量減少運轉次數，縮小損失等特點。

本裝置的創新點體現在：（1）采用太陽能和發動機產生的余熱，體現了節能環保的理念；（2）將整個氣調庫系統經過優化壓縮，集成在運輸車以及配套保鮮箱中，大大提高了系統的應用范圍。由于搭載在運輸車上和可拼接保鮮箱，增加了系統的靈活性與可移動性；（3）配套保鮮箱可直接用來包裝水果，裝車后即可立即進行保鮮運輸，不需中轉入冷庫進行保鮮后再進行運輸，減少多次搬運造成的損失。整個裝置已從多個角度，全方面進行設計論證和實驗，能夠保證果品長時間保鮮的效果。

[1] 韓樹,蔡鋒,駱清國,等.車用柴油機全工況熱平衡實驗研究[J].柴油機,2009,(4):35-38.

[2] 楊洋,王松,方徐君.淺析太陽能驅動的吸附式制冷系統[J].科學中國人,2016,(9):74-75.

[3] 楊培志,陳煥新.吸附式制冷循環熱力學及性能[J].中南大學學報,2007,38(3):461-467.

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[5] 李娟,劉志強,李麗霞,等.太陽能吸附式空調應用實例分析[J].建筑節能,2012,40(3):44-46.

[6] 王定標,程東娜.太陽能吸附式制冷和供熱聯合循環系統研究進展[J].制冷與空調,2006,(2):87-90.

[7] 李國云,劉穎,鄔志敏.小型實驗氣調庫的設計[J].流體機械,2008,36(7):72-75

[8] 朱成劍,武衛東.采用非單一吸附式制冷方式的研究現狀與展望[J].低溫與超導,2012,40(4):57-60.

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

陜西省教育科學十三五規劃課題“基于多站點、全方位實踐教學體系的改革研究與實踐——以建環專業為例（SGH16H246）”；2017年校級大創項目：DCX2017077

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

2018-01-16