保鲜运输用液氮充注气调控制系统的设计与试验.pdf

第 28 卷第 1 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.12012 年1 月Transactions of the CSAEJan.2012255保鲜运输用液氮充注气调控制系统的设计与试验王广海1,2，吕恩利1,3，陆华忠1,3，韩小腾1,3，张明帮1,3（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.广东机电职业技术学院汽车学院，广州 510515；3.华南农业大学工程学院，广州 510642）摘要：为实现对气调保鲜运输厢体内气体成分的自动控制，以液氮充注气调为对象，搭建了液氮充注气调试验平台。设计了基于低温保护优先的气调方案，采用双限值的控制方法，实现了液氮充注气调的自动控制。以香蕉为试验物料，开展液氮充注气调保鲜试验。结果表明：运输厢体气密性对氧气体积分数变化影响较大，气密性差则增加了系统执行机构的工作频率及液氮消耗量；塑料筐和纸皮箱 2 种香蕉包装条件对液氮充注降氧影响不大；初始温度对液氮充注的降氧时间影响较大，初始温度高时降氧时间短，初始温度低时降氧时间长；系统实现了以温度优先的气调控制策略，系统工作稳定性良好。上述研究为开发液氮充注气调保鲜运输车提供了参考。关键词：运输，液氮，控制系统，气调，香蕉doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.01.045中图分类号：S229+.3；S609+.3；TP29文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-01-0255-05王广海，吕恩利，陆华忠，等.保鲜运输用液氮充注气调控制系统的设计与试验J.农业工程学报，2012，28(1)：255259.Wang Guanghai,LEnli,Lu Huazhong,et al.Design and experiment of controlled atmosphere system based on liquid nitrogen injectionfor fresh-keepingtransportation J.Transactionsof the CSAE,2012,28(1):255259.(in Chinese with English abstract)0引言果蔬运输过程中对保鲜环境气体成分进行控制，有助于抑制果蔬呼吸，延长果蔬保鲜周期。文献1-2对果蔬保鲜运输所采用的气调类型及控制特点进行了分析，文献3-8针对制氮机制氮气调控制进行了研究，现有的制氮机制氮气调、制臭氧气调、果蔬呼吸自调、预混气体充注气调等气调方式普遍存在气调效率低或成本高等问题。然而，液氮充注气调可快速调节厢体内的气体成分且成本低，但液氮冷能大9，易对果蔬产生冷害。因此，有必要结合液氮充注开展气调控制系统的研究。为实现液氮充注对厢体内气体成分的自动控制，同时防止液氮冷能对果蔬产生冷害，本研究设计了液氮充注气调控制系统，并通过试验验证了系统的可靠性。在此基础上对影响液氮充注气调的厢体气密性、果蔬包装箱和液氮充注气调初始温度等进行了研究，为液氮气调保鲜运输车的设计提供了依据。收稿日期：2011-06-29修订日期：2011-12-02项目基金：现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-33-13）、国家自然科 学 基 金 项 目（31101363）、广 东 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目（10151064201000038）、广州市农业科技项目（2011）、广东省科技计划项目（2011B020312003）。作者简介：王广海（1983），男，广东陆丰人，助教，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。Email：通信作者：吕恩利（1979），男，山东德州人，博士生，讲师，研究方向为农业工程方面。广州华南农业大学工程学院，510642。Email：1液氮充注气调控制系统的设计1.1试验平台保鲜运输用液氮充注气调试验平台如图 1 所示。试验厢体由 12 mm 厚有机玻璃板制作，厢体尺寸规格（长宽高）为 2.38 m 1.28 m1.40 m，厢体外壁用 100 mm厚的保温泡沫板紧贴保温。果蔬保鲜室和压力室用开孔隔板隔开，开孔隔板开孔率为 4.03%10。风机转动促使厢体内气流在压力室、保鲜室和回风道间循环流动。离心式风机（型号为 HYA250，广州市越秀区好丞风机电设备经营部生产）由变频器（型号为 SIMENS MM420，西门子（中国）有限公司生产）控制，以获得不同的通风速度。如图 2 所示，分布横管上均匀开有 4 个直径为 3 mm的小孔（开孔方向朝向风机），汽化盘管与分布横管相连通安装在压力室内。汽化盘管的另一端与液氮罐相连。温度传感器（测量范围：-2080，精度：0.5）、氧气体积分数传感器（测量范围：025%，精度：1%）和二氧化碳体积分数传感器（测量范围：020%，精度：2%）用于采集厢体的保鲜环境参数，其中氧气体积分数传感器和二氧化碳体积分数传感器布置于厢体后部（如图 1 所示），用于监测厢体内的氧气体积分数和二氧化碳体积分数；温度传感器布置在开孔隔板的开孔处，用于监测进入保鲜室的气体温度。计算机通过记录仪记录各传感器数值。厢体前后端分别安装进气电磁阀和排气电磁阀，电磁阀通径均为 50 mm。控制器选用 SIMENSS7-300PLC（西门子（中国）有限公司生产），对氧气体积分数传感器、湿度传感器、二氧化碳体积分数传感器和温度传感器进行采样，控制变频器、进气电磁阀、排农业工程学报2012 年256气电磁阀及液氮罐的增压电磁阀与出液电磁阀等执行设备工作。1.试验厢体保温泡沫板2.风道3.氧气体积分数传感器4.包装箱5.压力室6.离心式风机7.风速仪8.进气电磁阀9.变频器10.增压电磁阀11.出液电磁阀12.自增压液氮罐13.汽化盘管14.分布横管15.开孔隔板16.温度传感器17.控制器18.无纸记录仪19.计算机20.排气电磁阀21.二氧化碳体积分数传感器图 1液氮充注气调系统试验平台Fig.1Test platform of controlled atmosphere system based onliquid nitrogen injection1.汽化盘管2.分布横管图 2汽化盘管和分布横管Fig.2Vaporization coil and distributed horizontal tube1.2液氮充注气调控制策略液氮潜在冷能巨大，为防止液氮充注气调对果蔬产生低温伤害10，在气调过程中采用基于低温保护优先的双限值的控制方法，以实现液氮充注气调的自动稳定控制。控制系统通过触摸屏选择所运果蔬品种后，系统会根据所运果蔬的保鲜参数自动上载设定值上限、设定值下限、果蔬保鲜极限值。当氧气体积分数高于程序设定上限值，若厢体内温度低于设定下限值，停止液氮充注、排气电磁阀和通风系统；若厢体内温度高于设定上限值，则开启液氮充注、排气电磁阀和通风系统（回风道风速8 m/s），直至氧气体积分数降至设定下限值或温度降至设定下限值。若厢体内氧气体积分数低至设定极限值（或二氧化碳体积分数高至设定上限值），开启进气电磁阀、排气电磁阀及通风系统（回风道风速 4 m/s）与外界空气进行换气，直至氧气体积分数达到设定下限值（或二氧化碳体积分数达到设定下限值）。若氧气体积分数高于设定上限值，温度高于设定上限值，且二氧化碳体积分数在设定上限值与下限值间，则开启液氮充注、排气电磁阀和通风系统（回风道风速 8 m/s），直至氧气体积分数降至设定下限值。当厢体内氧气体积分数、二氧化碳体积分数达到设定要求后，通风系统间歇性通风，每隔15 min 通风 1 min（回风道风速 4 m/s）。总的原则是在液氮充注气调时，各因素调控的优先级顺序为：温度、氧气体积分数、二氧化碳体积分数。本系统为了防止液氮充注过程中造成果蔬的低温伤害，控制系统设置了低温保护程序，而在气体调节控制过程中，没有进行温度范围的控制。系统控制流程图如图 3所示。图 3液氮充注气调系统控制流程图Fig.3Control flow graph of controlled atmosphere system basedon liquid nitrogen injection2试验材料与控制参数试验材料选用广东产香蕉，总重 250 kg，购于水果批发市场，未经任何催熟处理，果实七成熟，果实规则，无病虫害，无损伤，表皮呈青绿色，色彩光泽。试验香蕉分别采用塑料筐和纸皮箱 2 种包装方式，塑料筐尺寸规格（长宽 高）为 495 mm 355 mm 255 mm，网状结第 1 期王广海等：保鲜运输用液氮充注气调控制系统的设计与试验257构，开孔率 38.5%。纸皮箱尺寸规格（长宽高）为315 mm 155 mm 265 mm，前后对称侧面均留有 2 个20 mm 孔径的通气孔。据相关文献11-20，香蕉适宜的保鲜参数：温度为1216，氧气体积分数为 2%5%，二氧化碳体积分数为 2%5%；氧气体积分数过低或二氧化碳体积分数过高会对香蕉产生伤害，氧气体积分数不得低于 1%，二氧化碳体积分数不得高于 7%。结合液氮充注气调的特点与香蕉适宜的保鲜参数，系统的控制参数如下：温度设定上限值为 14，设定下限值为 12，即厢体内温度低于 12时停止充注液氮，当温度高于 14，氧气体积分数高于 5%时重新充注液氮；氧气体积分数设定上限值为 5%，设定下限值为 3%，设定极限值为 1%，即厢体内氧气体积分数高于5%时开始充注液氮，当氧气体积分数低于3%时停止充注液氮，直至 5%时重新充注液氮，当氧气体积分数低于 1%时开启进、排气电磁阀换气，直至 3%时关闭进、排气电磁阀；由于厢体内二氧化碳体积分数，其体积分数随着果蔬的呼吸作用会缓慢升高，在控制中属于被动控制，为防止二氧化碳体积分数过高造成果蔬中毒及控制系统动作频繁，二氧化碳体积分数的设定上限值为 7%，设定下限值为 6%，即厢体内二氧化碳体积分数高于 7%时开启进、排气电磁阀换气，当温度二氧化碳体积分数低于 6%时关闭进、排气电磁阀；当厢体内二氧化碳体积分数高于 7%，同时氧气体积分数低于 1%时，开启进、排气电磁阀换气，直至氧气体积分数和二氧化碳体积分数分别超过 3%和 6%时关闭进、排气电磁阀。试验运行的环境温度为 1926，其中夜间环境温度最低 19，日间环境温度最高 26。3结果与分析3.1控制系统可靠性验证将香蕉装入塑料筐内，置于液氮充注气调试验平台的厢体内，用中性硅酮密封胶密封厢门。经对厢体进行气密性试验，厢体漏气量为 1.452 m3/h。在控制器设定好控制参数后，运行系统，开始试验，试验运行 11 d，试验结果如图 4 所示。图 4气体成分体积分数、温度随时间的变化关系Fig.4Relationship between time and gascomposition,temperature从图 4 可以看出，通过液氮充注气调，厢体内的氧气体积分数在 40 min 内由 20.95%降至 3%，当氧气体积分数降至 3%后，停止液氮充注，共耗费液氮 10.65 kg。但由于香蕉的呼吸作用，厢体内的氧气体积分数在 30 h后降低至 1%，且由于香蕉的逐步成熟，通过香蕉呼吸将氧气体积分数自 3%降至 1%的时间愈来愈短。厢体内氧气体积分数低于 1%会对香蕉产生伤害，开启进气电磁阀、排气电磁阀和通风系统，通过换气进入新鲜空气，提高厢体内的氧气体积分数，氧气体积分数在 7 min 内自1%提高至 3%。二氧化碳体积分数在香蕉呼吸作用下在125 h 由 0.03%升高至 7%。当厢体内的二氧化碳体积分数升高至 7%时，通过换气来降低二氧化碳体积分数，在10 min 内二氧化碳体积分数降至 6%。换气在降低二氧化碳体积分数的同时，提高了厢体内的氧气体积分数。当厢体内氧气体积分数高于 5%时，启动液氮充注降氧，约需 13 min 氧气体积分数降至 3%，二氧化碳体积分数可降至 3.4%。液氮充注气调对厢体内温度影响较大，氧气体积分数自 21.98%降至 3%时，开孔隔板处的温度自 22降至 15，每次液氮充注降氧都会对温度带来波动。从试验结果可以看出，液氮充注过程可以降低二氧化碳体积分数，且下降速度比换气过程快。液氮充注气调控制系统运行稳定，可靠性高。3.2厢体气密性对保鲜环境中氧气体积分数变化的影响将漏气量为 1.452 m3/h 的厢体视为密封良好，在密封良好厢体的前面板和后面板各开 1 个直径为 20 mm 的圆孔，视为密封不良。当氧气体积分数为 2.3%的初始条件下，运行控制系统，研究厢体气密性对氧气体积分数变化的影响，如图 5 所示。图 5厢体气密性对氧气体积分数变化的影响Fig.5Influence of air tightness of container on oxygen level从图 5 可以看出，密封良好的厢体，氧气体积分数在香蕉呼吸作用下，缓慢下降，在 7 h 后氧气体积分数降至 1.8%。而密封不良的厢体在 95 min 后，氧气体积分数就升高至 5%，启动液氮充注后，厢体内氧气体积分数先增加，后降低，主要是因为液氮充注时，液氮流量在自身压力作用下逐步增大。在液氮充注初期液氮流量较小，且通风系统的运行增加了厢体内外的压差，外界空气进入增多导致增氧速度大于液氮充注的降氧速度。随着液氮流量增大，液氮充注降氧速度大于外界的增氧速度时，厢体内氧气体积分数就会降低。密封不良的厢体在 7 h 内启动液氮充注降氧 3 次，厢体内氧气体积分数波动较大，加大了液氮的消耗量。因此，厢体气密性对保鲜环境中氧气体积分数变化影响较大。3.3不同包装条件对液氮充注气调速度的影响将香蕉分别装入塑料筐和纸皮箱内，置于液氮充注农业工程学报2012 年258气调试验平台的厢体内，用中性硅酮密封胶密封厢门。在氧气体积分数为 20.95%的初始条件下，分别运行控制系统，研究不同包装条件对液氮充注气调速度的影响，如图 6 所示。图 6不同包装条件对液氮充注降氧速度影响Fig.6Effect of package of banana on decreased rate of oxygenlevel由图 6 可以看出，纸皮箱和塑料筐两种包装条件对液氮充注降氧速度影响不大。3.4不同初始温度对降氧过程的影响当厢体内初始氧气体积分数为 18.9%，初始温度分别为 15和 22时，运行液氮充注气调控制系统，不同初始温度对降氧过程的影响如图 7 所示。图 7不同初始温度对降氧过程的影响Fig.7Effect of initial temperature on oxygen-decreased process从图 7 可以看出，厢体内初始温度为 22时，可连续开启液氮充注，厢体内的氧气体积分数在 48 min 内降至 3%。初始温度为 15时，液氮充注降氧分为 2 次进行，第 1 次降氧至 7.6%，第 2 次降氧至 3.8%，共历时 86 min，主要是因为液氮在充注过程中，开孔隔板处的温度达到了设定下限值，系统关闭液氮充注，待厢体内温度升高后再开启液氮充注。从试验结果可以看出，初始温度对液氮充注降氧时间影响较大。4结论与讨论本研究设计了液氮充注气调控制系统，并搭建了液氮充注气调保鲜运输试验平台。以香蕉为试验物料，验证了系统的工作可靠性，为开发液氮充注气调保鲜运输车提供了参考。1）液氮充注气调控制系统采用温度优先和控制参数双限值的控制算法，经试验验证，系统运行稳定，可靠性高。2）厢体的气密性对氧气体积分数的波动影响较大，气密性差则增加了系统执行机构的工作频率及液氮消耗量。不同包装条件对液氮充注气调速度的影响不大。初始温度对液氮充注的降氧时间影响较大，初始温度高液氮充注系统连续充注，缩短降氧时间，初始温度低液氮充注系统多次充注，延长降氧时间。值得讨论的是，液氮充注气调控制系统的设计，还应综合考虑各保鲜参数（如温度、湿度、氧气体积分数、二氧化碳体积分数等）在调控时产生的耦合影响，造成温控机组、加湿机组和气调机组等设备反复动作。本课题组正在对此进行深入的研究。参考文献1吕恩利，陆华忠，杨洲，等.果蔬气调保鲜运输技术发展研究J.农机化研究，2010，32(6)：225228.LEnli,Lu Huazhong,Yangzhou,et al.Research status andprospects in fruits and vegetables freshkeeping withcontrolled atmosphere transportation technologiesJ.Journalof Agricultural Mechanization Research,2010,32(6):225228.(in Chinese with English abstract)2张青，龚海辉，徐世琼，等.果蔬气调运输技术及设备的现状J.包装与食品机械，2006(6)：4648.Zhang Qing,Gong Haihui,Xu Shiqiong,et al.Recent statusforCAtransportationtechnologiesandequipmentsJ.Packaging and Food Machinery,2006(6):46 48.(inChinese with English abstract)3李方，卢立新.果蔬微孔膜气调包装模型与试验验证J.农业工程学报，2010，26(4)：375379.Li Fang,Lu Lixin.Theoretical model and experimental validationfor modified atmosphere packaging of fruits and vegetables withmicro perforated filmJ.Transactions of the CSAE,2010,26(4):375379.(inChinesewithEnglish abstract)4Goyette B,Vigneault C,Markarian N R,et al.Design andimplementation of an automated controlled atmosphere storagefacility for researchJ.Canadian Biosystems Engineering/LeGeniedesbiosystems au Canada,2002,44(2):335.5Singh A K,Goswami T K.Controlled atmosphere storage offruits and vegetables:A reviewJ.Journal of Food Scienceand Technology,2006,43(1):17.6季阿敏.果蔬气调贮藏冷却阶段温度变化的数值模拟及验证J.农业工程学报，2006(5)：2427.Ji Amin.Numerical simulation and experimental verification oftemperature variation duringcontrolled atomosphere cold storageof fruits and vegetablesJ.Transactions of the CSAE,2006(5):2427.(in Chinese with English abstract)7Kader A A.Employing controlled atmospheres(CA)tomaintainpostharvestfreshfruitqualityJ.RivistadiFrutticolturaedi Ortofloricoltura,2000,62(11):4447.8邹伟，莫代亮，陈基彬，等.CZDM 膜制氮机组降氧工艺与氧气体积分数变化规律研究J.粮食储藏，2009，38(1)：2227.Zou Wei,Mo Dailiang,Chen Jibin,et al.Deoxygenationtechnology by using CZDM membrane nitrogen generatorand oxygen concentration variationtureJ.Grain Storage,2009,38(1):2227.(in Chinese with English abstract)9吕恩利，陆华忠，杨洲，等.气调保鲜运输车通风系统阻力特性试验J.农业机械学报，2011，42(3)：120124.L Enli,Lu Huazhong,Yang Zhou,et al.Pressure dropcharacteristicsoftheventilationsysteminfresh-keepingtransportation with controlled atmosphereJ.Transactions of theCSAM,2011,42(3):120124.(inChinesewithEnglishabstract)第 1 期王广海等：保鲜运输用液氮充注气调控制系统的设计与试验25910 Ravindra M R,Goswami T K.Comparative performance ofprecooling methods for the storage of mangoes(MangiferaIndica L.CV.Amrapali)J.Journal of Food ProcessEngineering.2008,31(3):354371.11 Thompson A K.Controlled Atmosphere Storage of Fruits andvegetablesM.UK:MPG Books Group,2010:142144.12 王艳颖，胡文忠，刘程惠，等.间歇升温对采后香蕉李贮藏中酶促褐变的影响J.食品科学，2010，31(2)：245249.WangYanying,HuWenzhong,LiuChenghui,etal.Intermittent warming effects on enzymatic browning of plumfruits during postharvest cold storageJ.Food Science,2010,2(31):245249.(in Chinese with English abstract)13 袁扬静，胡玉林，谢江辉，等.温度对采后香蕉果实糖代谢及其酶活性的影响J.热带作物学报，2011，32(1)：6670.Yuan Yangjing,Hu Yulin,Xie Jianghui,et al.Effect oftemperature on sugar metabolism and enzyme activities inpostharvest ripening banana fruitJ.Chinese Journal of TropicalCrops,2011,32(1):6670.(inChinesewithEnglishabstract)14 徐宗焕，林俩法，陈惠，等.香蕉低温害指标初探J.中国农学通报，2010，26(1)：205209.Xu Zonghuan,Lin Liangfa,Cheng Hui,et al.Primary research onindex of freeze bananaJ.Chinese Agricultural Science Bulletin,2010,26(1):205209.(inChinesewithEnglishabstract)15 韩志萍，朱德明，李积华.常温下白千层油处理对香蕉贮藏效果的影响J.食品工业科技，2009，30(2)：283286.Han Zhiping,Zhu Deming,Li Jihua.Study on the impact oftea tree oil treating on bananas physiological change atnormal temperatureJ.Science and Technology of Food Industry,2009,30(2):283286.(inChinesewithEnglishabstract)16 陈发河，吴光斌，李趁粉.薄膜气调包装对枇杷果实冷藏期间呼吸和品质性状的影响J.农业工程学报，2003，19(5)：147151.Chen Fahe,Wu Guangbin,Li Chenfen,et al.Effects of modifiedatmosphere packaging on respiration and quality attributes ofloquat fruitduringcold storageJ.TransactionsoftheCSAE,2003,19(5):147151.(inChinesewithEnglishabstract)17 王娟，王相友，李霞.低温气调贮藏下氧气含量对双孢蘑菇品质的影响J.农业机械学报，2010，41(4)：110113.Wang Juan,Wang Xiangyou,Li Xia.Effects of oxygenconcentration on storage quality of agaricus bisporus under lowtemperature and controlled atmosphere storageJ.Transactionsof the Chinese Society for Agricultural Machinery,2010,41(4):110113.(in Chinese with English abstract)18 张阳，张润光，张有林，等.气调贮藏对新疆伽师瓜采后生理及贮藏品质的影响J.农业工程学报，2011，27(1)：383388.Zhang Yang,Zhang Runguang,Zhang Youlin,et al.Effectsof controlled atmosphere storage on postharvest physiologyandstoragequalityofXinjiangJiashimuskmelonJ.Transactions of the CSAE,2011,27(1):383388.(inChinese with English abstract)19 蒋德云，李宝筏，孔晓玲，等.CO2气调防治储粮害虫试验研究J.农业工程学报，2006(3)：166170.Jiang Deyun,Li Baofa1,Kong Xiaoling,et al.Experimentalstudy of the CO2controlled atmosphere for controllingstored-grain insectJ.Transactions of the CSAE,2006(3):166170.(in Chinese with English abstract)20 张明晶，姜微波，李庆鹏，等.生长调节剂处理对高州矮香蕉贮藏品质的影响J.核农学报，2008，22(5)：665668.ZhangMingjing,JiangWeibo,Li Qingpeng,et al.Effectsof growthregulator treatment on postharvest quality of banana(Gaozhouai)fruitsJ.Journal of Nuclear Agricultural Sciences,2008,22(5):665668.(inChinesewithEnglish abstract)Design and experiment of controlled atmosphere system based on liquidnitrogen injection for fresh-keeping transportationWang Guanghai1,2,L Enli1,3,Lu Huazhong1,3,Han Xiaoteng1,3,Zhang Mingbang1,3(1.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment,Ministry of Education,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2.College of Automotive,Guangdong Jidian Polytechnic,Guangzhou 510515,China;3.College ofEngineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)Abstract:A test platform of controlled atmosphere system based on liquid nitrogen injection was established,so as tocontrol the oxygen and carbon dioxide level automatically in the container.A control scheme prior controlling thetemperature was designed with double limited values.Bananas were used as experiment materials for controlledatmosphere system based on liquid nitrogen injection.The results indicated that the change of oxygen level was affectedsignificantly by container tightness.Low container tightness would increase the operation frequency of the actuator andwaste liquid nitrogen.The decreased rate of oxygen level was found not distinctly affected by different packages ofbananas,whether plastic crate or carton,but mainly affected by different initial temperature.High initial temperatureensured constant liquid nitrogen injection and reduced consumed time,while low intial temperature caused intermittentnitrogen injection and required extra time.This temperature prior strategy was proved stable and could serve as referencefor further development of fresh-keeping transportation equipment.Key words:transportation,liquid nitrogen,controlled systems,controlled atmosphere,banana