果蔬保鲜运输用智能液氮气调系统的应用研究

1、果蔬保鲜运输用智能液氮气调系统的应用研究* 王广海 1,2,3，陆华忠 1,2，吕恩利 1,2，陈瑜 1,2，张明帮 1,2，郭嘉明 1,2 （1.华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州 510642 2.华 南农业大学工程学院，广州 510642 3.广东机电职业技术学院汽车学院，广州 510515） 【摘 要】该文在分析了国内外果蔬气调保鲜运输现状的基础上，对比了国内外果蔬运输装备 不同气调系统的工作特性。针对国内气调运输的需求，设计了一种果蔬保鲜运输智能液氮气调系统， 并对该气调系统进行结构设计和特性试验研究，确定气调控制系统的结构参数和控制策略，搭建气 调

2、系统控制平台。上述研究为处于起步阶段的我国果蔬保鲜运输技术研究提供参考。 关键字：果蔬保鲜；智能液氮气调系统；结构设计；控制策略 中图分类号：S229+.3,S609+.3,TP29 文献标识码：A Applied research in fruits and vegetables fresh-keeping with Intelligence controlled atmosphere system Wang Guanghai1,2,3, Lu Huazhong1,2 , Lü Enli1,2, Chen Yu1,2，Zhang Mingbang1,2,Guo jiaming1,2

3、 (1.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; Guangzhou 510642 ,China; 2.College of Engineering, South China Agricultural University, 3.College of Automotive, GuangDong Jidian Polytechn

4、ic, Guangzhou 510515 ,China Abstract On the basis of an integrated analysis of the domestic and international fruits and vegetables fresh-keeping, the operating Characteristics of controlled atmosphere system was contrasted. An intelligence controlled atmosphere system for the domestic actual situat

5、ion was designed. Through the research of the structural design and characteristic, the control strategy and structural parameters of the intelligence controlled atmosphere system was determined. In addition, an experiments platform to test and verify the operation of the intelligence controlled atm

6、osphere system was designed. The above research provides technical references for fruits and vegetables fresh-keeping with controlled atmosphere technologies. Key words: fruits and vegetables fresh-keeping ; intelligence controlled atmosphere; structural design ;control strategy * 收稿日期： 2010-06-30 项

7、目基金：广东省科技计划项目（2008B021200008） ；华南农业大学校长科学基金项目（2009K008） ；广东省人大议案项目（2009） ；广东省 自然科学基金项目（2010） 作者简介：王广海（1983） ，男（汉族） ，广东陆丰人，硕士，主要从事农业工程及车辆检测维修方面的研究。广州 广东机电职业技术学 院汽车学院，510515，94574353 通讯作者：陆华忠（1963） ，男（汉族） ，浙江天台人，教授，博士，主要从事农业工程及车辆检测维修方面的研究。广州 华南农业 大学工程学院，510642。Email:huazlu 0 引 言 随着人民生活水平的提高，消费者对食品安全和食

8、 品品质的要求日益强烈，这就对果蔬保鲜技术提出了更 高的的要求1，尤其是国内果蔬运输技术尤待提高2。气 调保鲜运输是最先进的果蔬保鲜运输技术之一3， 通过降 低箱体内氧气含量，提高二氧化碳含量，达到调节箱体 内气体成分的目的，它可以抑制果蔬的呼吸作用，延长 果蔬的保鲜时间4。 本文在研究国内外果蔬保鲜运输用气 调系统的基础上，提出了一种适合于我国国内运输的果 蔬保鲜运输智能液氮气调系统。 1 国内外果蔬保鲜运输的现状分析 国外气调贮藏运输技术主要以研究气调集装箱为主 ，主要装备包括有制冷机组、气调机组、加湿装置等， 并进行集中控制7，适用于长途运输，特别是海运5。我 国在果蔬保鲜技术方面起步较

9、晚，基础较为薄弱6，尽管 目前在果蔬贮藏保鲜技术方面有了飞速的发展,但推广普 及率却远远跟不上生产发展的需要8， 而且国内的研究主 要集中在气调储藏方面，在气调运输方面研究应用并不 多7。 5 2 国内外果蔬保鲜运输用气调系统特性分析 国内外果蔬保鲜运输用气调系统主要包括制氮气调 系统、自身气调系统、充注气调系统和制臭氧气调系统 四种7。表 1 是国内外主要气调系统的特性分析表。 表 1 主要气调系统特性分析表 Table1 Characteristic analysis scheme 气调系统 制氮气调系统9 工作原理 采用制氮机组 制氮降氧 利用果蔬呼吸 作用，结合通 风控制 包装袋内预充

10、 低氧成分气体 利用臭氧生成 器将氧气制成 臭氧 优点 自身制氮， 适 合国际长途 运输 成本低、 操作 简单 缺点 成本高， 降氧 速度较慢 气调效果不 佳 比，实现果蔬保鲜运输过程中温度值的精确监控和氧气 浓度值的精确控制。该气调系统具有良好的人机交互界 面，是集数据显示、输入、故障报警、记录等多功能于 一体的操作界面。液氮气调系统特别适合于国内的果蔬 气调保鲜运输。 3.2 液氮气调系统的结构设计 如图 1 所示，液氮气调装置由液氮罐、液氮流量控 制机构和汽化装置等组成。液氮罐采用自增压式低温容 器，不锈钢材质，管路公称通径 10mm，公称压力 4.0Mpa， 工作温度-19680， 有

11、效容积 75L， 最大排液量 5L/min， 日蒸发率小于 2.2%，罐内有内腔，可实现自增压；泄压 安全阀对起到泄压保护的作用，当罐内压力达到 0.8Mpa 时，泄压安全阀开启；压力表用于监测罐内压力的变化 情况；放空手阀在加注液氮前需打开，防止出现加注沸 腾现象，加满液氮后，关闭放空手阀。液氮流量控制机 构由增压手阀、增压电磁阀、出液手阀和出液电磁阀组 成，通过特性试验确定增压手阀和出液手阀的开度后， 由增压电磁阀和出液电磁阀的通断时间控制液氮流量， 电磁阀均采用欧洲 JAKSA320781 电磁阀，公称通径 7mm，驱动电压 230V，额定功率 16W。汽化装置由二通 螺纹接头、汽化盘管

12、、三通螺纹接头和分布横管组成， 连接在自增压液氮罐的出液口上，汽化盘管采用青铜材 料，管径 10mm，总长 5000mm，分布横管上均匀布有孔径 不同的出液孔，用于增大出口处液氮与周围气体热交换 的空间，提高出口处温度。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 自身气调系统10 充注气调系统11 操作灵活、 快 速气调 成本高， 气调 效果不明显 只对部分果 蔬有效， 应用 不广泛 制臭氧气调系统 12 具有气调和 杀菌的效果 16 15 14 13 12 11 3 果蔬保鲜运输用智能液氮气调系统的研究 1 放空手阀 2 液氮加注口 3 增压电磁阀 4 自增压液氮罐 5 增压手阀 6 泄压安

13、全阀 7 备用泄压安全阀 8 压力表 9 液氮流量控制机构 10 汽 化装置 11 出液手阀 12 出液电磁阀 13 三通螺纹接头 14 汽化盘管 15 二通螺纹接头 16 分布横管 根据以上主要气调系统特性分析可以看出，当前气 调系统普遍存在降氧时间慢13、气调装备成本高或者气 调效果不理想等特点14，不适合我国国内运输的国情。 液氮气调系统是一种果蔬保鲜运输用智能气调系统，具 有成本低、降氧时间快、调控简单等特点，特别适合于 我国国内运输的现状。 3.1 液氮气调系统概述 液氮气调系统是一种快速降温、降氧的智能气调系 统，由自增压式液氮罐、液氮流量控制机构、汽化装置、 信号采集模块、人机交

14、互界面和 ECU 组成。ECU 采集温 度传感器和氧气浓度传感器数据，通过与设定参数的对 图 1 液氮气调系统装置简图 Fig.1 Schematic of liquid nitrogen controlled atmosphere device 3.3 液氮气调系统的工作特性试验 3.3.1 试验装置及影响因素 试验装置包括有液氮气调装置、 大量程电子称、 220V 稳压电源、无纸记录仪、低温温度传感器和秒表等。大 量程电子秤用于测量出液时液氮罐的重量变化量，即为 液氮出口平均流量；温度传感器用于测量液氮出口处的 温度。 以出液手阀开度、增压手阀开度、罐内剩余液氮重 量区间和汽化盘管总长为试

15、验因素，试验因素及各因素 的水平值如表 2 所示。 表 2 试验因素水平值的选取 Table2 Experimental parameter scheme 试验因素 出液手阀开度/(º 增压手阀开度/(º 罐内剩余液氮重量区间/(kg 汽化盘管总长/(mm 水平值 10；15；20；25 10；15；20；25 6049；4837；3625；2413；120 2000；5000 降低，基本上都是在 0以下。由于运输车厢内要求的温 度不能过低，所以液氮出口不能选择过大的流量。 30 25 冰堵时间(min 20 15 10 5 0 60-48 48-36 36-24 24-1

16、2 剩余液氮重量区间(kg 12-0 3.3.2 试验结果分析 根据液氮气调系统的工作特性试验进行分析，得出 如下关系。 表 3 不同汽化盘管的效果对比 Table3 Comparative effects of different pipeline 增压 手阀 关 90º 出液 手阀 10º 10º 电磁阀出 口温度 -196 -196 横管出 口温度 -196 -196 接小盘管后横 管出口温度 -196 -190 接大盘管后横 管出口温度 1.5 9 图 4 液氮罐剩余液氮重量区间-冰堵时间的关系曲线 Fig.4 Weight range with ice

17、blocking time 表 3 反映了不同大小盘管的汽化效果。不难看出， 小盘管的汽化效果比较差，液氮出口处温度过低，直接 用于气调系统的汽化装置容易造成果蔬运输过程中的冻 伤、腐烂等情况；大盘管的汽化效果较好，液氮出口处 温度不会过低，在实际果蔬保鲜运输中，既能降温又能 快速降氧。 0.005 平均流量(kg/s 0.0045 0.004 0.0035 0.003 0 10 15 出液手阀开度(º 20 25 图 2 出液手阀开度-液氮出口平均流量的关系曲线 Fig.2 Outflow valve with average flow velocity 当液氮罐出液电磁阀关闭时，

18、由于空气中水分子的 进入，出液管路容易出现冰堵现象。由图 4 可知，最短 冰堵时间为 20 分钟。为了防止出现冰堵现象，气调系统 的控制程序必须保证车厢内停止充氮时，出液电磁阀要 定时开启一小段时间，达到破坏冰堵现象的目的。 3.4 液氮气调系统的控制策略设计 液氮气调控制系统由液氮气调装置、信号采集模块、 人机交互界面和 ECU 组成，如图 5 所示。ECU 选用西门 子可编程控制器（PLC） ，由主机模块、模拟量输入模块 和数字量输入输出模块组成。 在程序设计中，ECU 包括参数设定、箱体内环境参 数实时监控、故障检测与诊断、参数精确控制和远程监 控等功能。参数设定功能通过触摸屏实现，用于

19、选择果 蔬类型、设定果蔬保鲜运输中的温度值和氧气浓度值； 箱体内环境参数实时监控功能用于采集温度传感器和氧 气浓度传感器的数据，实时在触摸屏上显示箱体内果蔬 保鲜运输过程中温度值和氧气浓度值；故障检测与诊断 功能用于采集液氮流量控制机构和信号采集模块的运行 参数，如发生故障，在触摸屏上发出报警信号；参数精 确控制功能用于采集温度传感器和氧气浓度传感器的数 据，通过与设定参数的对比，实现对出液电磁阀和增压 电磁阀的控制。 由图 2 中不难看出，随着出液手阀开度的增加，平 均流量也随着上升。由于运输车厢内要求液氮出口平均 流量不能过大，所以，应该使液氮罐出液手阀保持在一 个较小的开度。 20 0

20、触摸屏 增 压 电 磁 阀 温度( -20 -40 -60 -80 -100 0.0017 0.0023 0.0029 0.0035 0.0041 0.0047 0.0053 0.0059 0.0065 出 液 电 磁 阀 流量(kg/s 图 3 流量-液氮出口温度的关系曲线 Fig.3 Average flow velocity with temperature 温度传感器 氧气传感器 图 3 反映了液氮出口流量和液氮出口处温度之间的 对应关系。从总体上看，随着流量的增加，出口处温度 11 10 1 触摸屏 2 MPI 通信线 3 主机模块 4 模拟量输入模块 5 数字量输入输 出模块 6

21、增压电磁阀 7 出液电磁阀 8 氧气浓度传感器 9 温度传感器 10 信号采集模块 11 ECU 图 5 果蔬保鲜运输用智能液氮气调控制系统结构图 Fig.5 Schematic of intelligence controlled atmosphere system 在保鲜运输过程中，影响果蔬品质最重要的因素是 温度15，当液氮气调系统在充注液氮的过程中，释放大 量的冷能，使运输车厢内的环境温度降低，造成温度控 制的困难。所以，控制系统的设计必须遵循温度优先的 原则，以温度监测为主线，氧气浓度控制为主要指标。 系统程序设计流程如图 6 所示。 的最低温度值，防止果蔬保鲜过程中出现局部温度过低

22、 的现象。氧气浓度传感器布置在风道上方，用于监测箱 体内的氧气浓度。当箱体内氧气浓度低于设定值时，开 启进气阀和排气阀，防止氧气浓度过低造成果蔬无氧呼 吸加剧。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 17 16 15 14 13 12 11 1 试验箱体 2 风道 3 氧气浓度传感器 4 设备工作区 5 风机 6 进气阀 7 出液电磁阀 8 出液手阀 9 增压手阀 10 果增压电磁阀 11 自增压液氮 罐 12 汽化盘管 13 分布横管 14 可拆式孔板 15 温度传感器 16 果蔬 贮运区 17 排气阀 图 7 液氮气调系统试验平台 Fig.7 Test platform of inte

23、lligence controlled atmosphere system 图 6 智能液氮气调系统控制程序流程图 Fig.6 Schematic of control program flow 4 结论与讨论 由图 6 不难看出，若氧气浓度传感器监测的氧气浓 度值高于设定值，温度传感器监测的温度值高于设定值， 则开启液氮流量控制机构；若氧气浓度传感器监测的氧 气浓度值高于设定值，温度传感器监测的温度值低于或 等于设定值，则关闭液氮流量控制机构，直至温度传感 器监测的温度值高于设定值时，再开启液氮流量控制机 构；若氧气浓度传感器监测的氧气浓度值低于或等于设 定值，温度传感器监测的温度值高于设定

24、值，则关闭液 氮流量控制机构。 3.5 智能液氮气调系统试验平台设计 如图 7 所示，试验箱体采用 12mm 厚的有机玻璃板 制作，箱体规格（长×宽×高）为 2.4 m×1.3m×1.4m，其中 果蔬贮运区规格（长×宽×高）为 2 m×1.3m×1.1m。果蔬 贮运区和设备工作区之间用可拆式孔板隔开，可拆式孔 板上均匀设置不同数目的圆孔（圆孔直径均为 60mm） ， 得到不同开孔率。箱体内利用风机形成循环气体流动， 风机由变频器控制，可实现变频调速。智能液氮气调系 统安装在设备工作区内，通过循环气流使箱体内氧气均

25、匀调节，而且液氮在设备工作区内出液时进行热交换， 在降温的同时又不会造成果蔬贮运区内的温度过低。信 号采集模块由温度传感器和氧气浓度传感器组成，温度 传感器布置在可拆式孔板的中间，用于监测果蔬贮运区 本文通过分析国内外果蔬运输装备不同气调系统的 工作特性，提出了一种果蔬保鲜运输智能液氮气调系统， 并设计了该气调系统的结构和控制策略，搭建试验平台， 为我国果蔬保鲜运输技术的进一步研究提供了参考。 1）设计了适合于国内运输国情的液氮气调系统装 置，并在出液手阀开度、增压手阀开度、罐内剩余液氮 重量区间、汽化盘管总长等方面研究了该气调装置的工 作特性，为设计智能液氮气调控制系统率提供控制参数。 2）

26、由液氮气调装置的工作特性试验得出，液氮出口 平均流量随出液手阀开度的增大而增加；液氮出口处温 度随液氮出口平均流量的增大而降低；大盘管的汽化效 果明显优于小盘管；当液氮罐出液电磁阀关闭时，出液 管路容易出现冰堵现象，最短冰堵时间为 20 分钟。 3）控制系统必须遵循温度优先的原则，以温度监测 为主线，氧气浓度控制为主要指标。 4）值得讨论的是，智能液氮气调系统的设计还应综 合考虑温度、湿度、氧气浓度、二氧化碳浓度、乙烯浓 度和箱体内压力等值的相互关联特性。智能液氮气调系 统在降氧的同时，也会对箱体内的温度、湿度、二氧化 碳浓度、乙烯浓度和箱体内压力等因素产生影响。本课 题组正在对此进行深入的相

27、关研究。 1 2 参考文献 陈永成,秦新忠,曹杰等. 果蔬保鲜技术的研究现状及发展趋势. 粮油加工与食品机械,2002,(2:10-11. 王岳峰,谢如鹤. 保鲜物流及其发展研究. 物流技术, 2006, (7:65-67. Wang Yuefeng, Xie Ruhe. Research on fresh-keeping logistics and its development. Lagstics Technology, 2006,(7:65-67. (in Chinese with English abstract 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Kade

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30、2006,(6:46-48. (in Chinese with English abstract 吕恩利,陆华忠,杨州等. 果蔬气调保鲜运输技术发展研究. 农机化研究,2010,(6:225-228. Lv Enli, Lu Huazhong, Yang Zhou, et al. Research Status and Prospects in Fruits and Vegetables Fresh-keeping with Controlled Atmosphere Transportation Technologies. Journal of Agricultural Mechanizat

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