應用輻射換熱的食品保溫儲藏箱設計與試驗

趙 悅，王 瑜，黃楓壬，臧 倩，陳世龍

（南京工業大學城市建設學院，江蘇南京210009）

0 引言

調查研究表明，在寒冷的冬天，上班族、學生黨等常因離住宿地方太遠，導致從食堂打包的飯菜在路途中就已經變冷。目前餐廳中常用的塑料打包盒并不能長時間使食物保持在適宜溫度，能否吃上一頓熱飯菜成了一大問題。胃對食物很挑剔,生、冷、硬、酸、辣等刺激性食物會影響胃的工作。很多消化酶的正常工作需要適宜的溫度,長期食用涼飯菜會影響胃酸分泌和消化酶的作用［1］。長此以往,可能患上胃潰瘍、淺表性胃炎等胃病。

以保溫方式分類，保溫盒主要有加熱型和非加熱型兩種類型。經研究分析，加熱型配送箱內部溫度明顯高于非加熱型配送箱［2］。保溫盒傳統設計構思為使用電熱絲進行加熱。電熱絲的制熱效果并不理想，并且加工和固定組裝煩瑣，產熱的效率在60%左右［3］。加入蓄電池后的保溫盒雖延長了保溫時間，但是電池的可接受電流隨充電過程的進行而逐漸下降。充電后期，如果充電電流仍然很大，不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質脫落，影響蓄電池壽命［4］。鎳氫電池不含有鎘金屬，安全可靠，貯能密度高，但它也具有記憶效應。二次鋰電池重量輕、能量大、自放電率低，備受廣大消費者的歡迎［5］。由于離子電池沒有記憶效應，是便攜式設備的首選電源［6］。但在充放電過程中，鋰電池由于電化學反應以及自身電阻的存在，會產生大量的熱量，使電池溫度升高。當電池過熱時，會造成壽命縮短，甚至還會引發熱失控，進而導致安全事故；當溫度過低時，電池容量急劇下降，性能嚴重衰減［7］。因此，電池不是保溫飯盒能量來源的最優選擇。

輻射傳熱應用內外共同加熱的方式，可實現短時加熱；通常的加熱方法，若提高加熱的速率，就會形成外焦里生的現象，而輻射傳熱時食物各部分均能接收電磁波，均勻性得到改善。基于此原理，本文設想將建筑中的水輻射管應用至食物保溫領域，拋棄了電池加熱方式，設計過程中計算了熱水用量，并對該飯盒進行了保溫設計。在此基礎上向保溫盒內加入飯菜，模擬真實的保溫環境，通過試驗來驗證保溫盒的保溫效果和持續時間。

1 保溫盒設計

1.1 設計原理

在紅外輻射加熱過程中，紅外線照射到被加熱食物表面時，一部分反射，一部分透過，一部分被食物吸收。食物吸收紅外線是因為食物分子運動與紅外輻射頻率相一致，產生共振或轉動，食物將紅外輻射吸收轉化成分子熱運動。

1.2 箱體設計

箱體材料選用pp板，pp塑料重量比金屬輕，相比較其他塑料pp 板耐高溫，對食物無毒無害。利用水比熱容較大的特性，以水儲能，通過水的輻射散熱，完成對食品的保溫工作。為了使食物受熱均勻，采用16根輻射換熱水管分別在箱體5個面進行加熱。具體布置如圖1所示。保溫材料選擇采取導熱系數較低的材料，且需耐高溫、防水、重量小，所以選擇了聚氨酯泡沫板。在選擇加熱裝置時，作為預備材料的選擇有陶瓷加熱片、電熱絲兩種方案。陶瓷加熱片絕緣性能好，為確保裝置的安全性，試驗將采用陶瓷加熱片。

圖1 保溫箱及輻射水管布置

1.3 箱體參數

制造完成的樣機如圖2所示。

圖2 保溫箱樣機

箱體規格：內箱體內尺寸31×16×10 cm；內箱體外尺寸32×17×10.5 cm；外箱體內尺寸37×22×13 cm；外箱體外尺寸38×23×13.5 cm；箱體重量1.831 kg；聚氨酯泡沫層導熱系數為0.68 W/（m2·K）。

2 試驗設計

為保證試驗的準確性，本次分別進行了4次對比試驗。

2.1 試驗原理

將水管埋入隔熱保溫材料聚氨酯泡沫板中，通過加熱箱體內安裝的輻射水管中的水，利用水的輻射散熱特性和聚氨酯泡沫板對水管的保溫，達到給食物保溫的效果。

2.2 試驗儀器

除設計完成的保溫箱體外，試驗元器件還包括兩份打包的飯菜、計時器、紅外測溫儀。

2.3 試驗步驟

記錄每隔0.5 h的飯菜溫度，通過試驗數據，測量輻射傳熱保溫箱的保溫效果。

步驟1：準備好試驗器材，將100 ℃的水灌入輻射水管中。將準備好的兩份飯菜標號，分別為飯1、飯2、菜1、菜2。用紅外測溫儀測溫并記錄兩份飯菜的初始溫度。

步驟2：將兩份飯菜放入輻射傳熱保溫箱中，計時器開始計時。每隔0.5 h 記錄兩份飯菜的溫度，測量3 次飯的溫度和兩次菜的溫度，分別取平均值，直到飯菜溫度接近35 ℃時，停止試驗。

步驟3：加熱兩份飯菜，使溫度與初始溫度接近。將兩份飯菜置于28 ℃的室內環境下，重復過程步驟2。

步驟4：加熱標號為飯1、菜1的一份飯菜，使溫度與初始溫度接近。將一份飯菜放入輻射傳熱保溫箱中，重復步驟2。

步驟5：加熱步驟4中的一份飯菜，使溫度與步驟4 中的溫度相差不大。將一份飯菜放入輻射傳熱保溫箱中，計時器開始計時。每隔0.5 小時記錄一份飯菜的溫度和箱體內表面的溫度，測量3 次飯的溫度、兩次菜的溫度和3 次內表面溫度，分別取平均值，直到飯菜溫度接近35 ℃時，停止試驗。

3 結果與討論

3.1 室內自然放置試驗

試驗者首先進行了90 min 的室內自然放置的對比試驗，測量結果如圖3 和圖4 所示，由此結果可知，在正常適宜的室內溫度環境內，作為試驗樣品的兩份飯菜在90 min后出現明顯的降溫現象，兩份飯分別從初溫53.8 ℃和56.7 ℃降至36.9 ℃和36.8 ℃，兩份菜分別從初溫45.7 ℃和48.3 ℃降至33.4℃和33.9 ℃，降溫均在10 ℃以上。試驗在溫度較高的夏季進行，顯然可以預見，冬季在未安裝暖氣設施的房間內，飯菜在室內自然放置時的降溫趨勢會更加明顯，經歷相同的放置時間后，飯菜溫度會更低，放涼的飯菜不僅影響口感，也會對人的身體產生許多不好的影響。

3.2 使用輻射保溫箱放置試驗

室內自然放置對比試驗結束后，在完全相同的外界條件下，繼續進行了使用輻射保溫箱放置飯菜的試驗，具體試驗結果所呈現的滿載時食物溫度變化曲線如圖5 和圖6 所示，可以看到，放置時間達90 min 時，平均初溫為51.4 ℃的飯1和初溫為57.3 ℃的飯2的平均溫度分別為42.8 ℃和46.1 ℃，平均初溫為45.1 ℃的菜1和初溫為49.9 ℃的菜2的平均溫度分別為42.7 ℃和40.7 ℃，而經過300 min 的放置試驗后，飯1、菜1、飯2、菜2 的終溫分別為35.1 ℃、37.9 ℃、37.8 ℃、36.2 ℃，注入的熱水溫度降至33.3 ℃。試驗結果說明，5 h 內保溫箱可維持飯菜溫度在人體可接受范圍內，與室內自然放置試驗結果相比較，發現輻射保溫箱明顯減緩了飯菜溫度下降的趨勢，滿足設計要求。

3.3 僅一份飯菜的使用輻射保溫箱放置試驗

圖3 1號飯菜室內放置溫度變化

圖4 2號飯菜室內放置溫度變化

圖5 1號飯菜在保溫箱中的溫度變化

圖6 2號飯菜在保溫箱中的溫度變化

為探究保溫箱裝配飯菜質量對保溫結果的影響，試驗者繼續進行了一份飯菜的輻射保溫箱試驗，試驗進行前，試驗者預計需保溫的食物總量減少，保溫時間應該會延長，然而，在實際試驗過程中，試驗者發現，保溫90 min 時，飯的溫度從初溫57.8 ℃降至42.9 ℃，菜的溫度從初溫46.4℃降至38.1 ℃，在放置時間達到180 min后，飯的平均溫度降至39.0 ℃，菜的溫度降至37.4 ℃，試驗結果所呈現下半負荷時食物溫度變化曲線如圖7所示，由圖5、圖6和圖7對比可知，與兩份飯菜相比，保溫時間明顯降低。

圖7 一份飯菜在保溫箱中的溫度變化

3.4 僅一份飯菜的使用輻射保溫箱放置試驗二

為確定探究此結果產生的原因，繼續進行了僅一份飯菜的使用輻射保溫箱放置試驗二。此次試驗中，試驗者在測定飯菜表面平均溫度的同時，額外測定了工作時保溫箱內表面的溫度變化，具體試驗結果如圖8所示，在本次試驗中，180 min時，飯從初溫58.2 ℃降至39.2 ℃，菜從初溫42.4 ℃降至39.2 ℃。由此可確定，試驗所呈現的結果是基本正確的。測得箱體內表面的初溫為27.4 ℃，注入熱水30 min 后，箱體內表面溫度升至40.3 ℃，工作60 min 后，箱體內表面溫度升高至最大值41.7 ℃，而后逐漸下降，工作270 min 后，箱體內表面溫度降至35.0 ℃。

圖8 一份飯菜及箱體內表面溫度變化

出現此種現象的原因在于，僅加熱一份飯菜時，飯菜在受熱保溫前，以輻射和對流方式向箱體內表面散熱，為箱體內表面預熱，在箱體內表面溫度大于食物表面溫度之后，保溫箱開始正常工作。若預熱不到位，箱體內表面溫度小于食物溫度，會出現由食物表面到箱體內表面的反向輻射換熱現象，致使飯菜溫度下降。保溫箱在加熱兩份飯菜時，飯菜同樣受到保溫箱預熱的影響，但兩份飯菜之間相互的熱量交換減弱了此影響，加強了保溫效果，試驗結果因而呈現出更加平緩的溫度下降趨勢。因此在保溫箱實際使用時，需在放入飯菜前預熱一段時間，使得箱體內表面溫度與飯菜溫度趨于一致或大于飯菜溫度，從而保證輻射換熱方向遵循“輻射水管—箱體內表面—飯菜表面”的趨勢。

4 結語

基于輻射換熱技術，本文選用水作為熱源介質，以覆蓋保溫材料的箱體為載體，設計了一種食品保溫儲藏箱。在此基礎上開展了模擬試驗和對比試驗，得到結論如下。

（1）在正常適宜的室內溫度環境內，不使用保溫箱90 min 內能維持樣品飯菜溫度在人體可接受范圍內。

（2）在完全相同的外界條件下，使用輻射保溫箱放置，300 min 內能維持樣品飯菜溫度在人體可接受范圍內。

（3）探究了保溫箱裝配飯菜量對保溫結果的影響，由于溫度差導致易保溫箱反向傳熱現象的產生，因此在使用時，要提前預熱提升箱體內表面溫度從而保證熱量遵循“輻射水管—箱體內表面—飯菜表面”的傳遞方向。