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制冷工程
ENGINEERING SERIES
氣調冷庫
. 什么是氣調庫:
      氣調庫又稱氣調貯藏是當今最先進的果蔬保鮮貯藏方法。它是在冷藏的基礎上,增加氣體成分調節,通過對貯藏環境中溫度、濕度、二氧化碳、氧氣濃度和乙烯濃度等條件的控制,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,延長果蔬貯藏期和銷售貨架期。通常氣調貯藏是普通冷藏貯藏期的2—3倍。
氣調貯藏能在適宜低溫條件下,通過改變貯藏環境氣體成分、相對濕度,最大程度地創造果蔬貯藏最佳環境,其效果表現在以下方面:
      1.氣調貯藏營造的低氧、適當CO2濃度能有效地抑制呼吸作用,減少果蔬中營養物質的損耗,同時抑制病原菌的滋生繁殖,控制某些生理病害的發生;
      2.清除貯藏環境氣體中的乙烯,以抑制其對果蔬的催熟作用,延緩后熟和衰老過程;
      3.增加環境氣體中的相對濕度,以降低果蔬的蒸騰作用,從而達到果蔬長期貯藏保鮮的目的。
 
二.氣調庫的特點:
   (1)很好地保持果蔬原有的形、色、香味;
   (2)果實硬度高于普通冷藏:
   (3)貯藏時間延長約2/3的周期;
   (4)果實腐爛率低、自然損耗(失水率)低:如16磅的水果入庫,平均只有1磅左右的損耗;
   (5)延長貨架期約2個月。由于果蔬長期受低02和高C02的作用,當解除氣調狀態后果蔬仍有一段很長時間的“滯后效應”或休眠期;
   (6)適于長途運輸和外銷。果蔬質量明顯改善,為外銷和運銷創造了條件;
   (7)許多果蔬能夠達到季產年銷周年供應,而且氣調設備耗電量較低,從而創造出良好的社會和經濟效益。
  (8) 氣調庫比普通冷庫庫多了氣密環節,氣密性較好,不易跑冷,從而增加了設備的使用效率。
  (9)有利于開發無污染的綠色食品。
  (10)具有良好的社會效益和經濟效益。
  (11)氣調庫一般強調保鮮,一般放瓜果蔬菜之類。果蔬氣調庫用于商業貯藏在國外已有近70年的發展史,在一些發達國家已基本普及,如美國氣調貯藏的果品高達75%,法國約占40%,英國約占30%。我國果蔬氣調貯藏技術起步較晚,在商業上應用僅是近幾年的事情,隨著全球經濟一體化和我國國民經濟的發展,人們對果蔬保鮮的質量要求將會越來越高,果蔬氣調貯藏必然會在我國有更快的發展。為此,對果蔬氣調庫及其使用中應注意的幾個問題作一簡述。 
 
三.氣調庫建設 :
    氣調庫是在果蔬冷庫的基礎上發展起來的,一方面與果蔬冷庫有許多相似之處,另一方面又與果蔬冷庫有較大的區別,主要表現在: 
 ?。?)氣調庫容積大?。涸諗訪攔?,氣調庫貯藏間單間容積通常在50~200t之間,比如英國蘋果氣調庫貯藏單間的容積大約為100t,在歐洲約為200t,但蔬菜氣調庫的單間容積通常在200~500t之間,在北美單間容量更大,一般在600t左右。根據我國目前的情況,以30~100t為一個開間,一個建庫單元最少2間,但一般不超過10間。 
 ?。?)氣調庫必須具有良好的氣密性。 這是氣調庫建筑結構區別于普通果蔬冷庫的一個最重要的特點。普通冷庫對氣密性幾乎沒有特殊要求,而氣調庫對于氣密性來說至關重要。這是因為要在氣調庫內形成要求的氣體成分,并在果蔬貯藏期間較長時間地維持設定的指標,減免庫內外氣體的滲氣交換,氣調庫就必須具有良好的氣密性。為此,在氣調庫門安裝、氣密層施工過程中,一定要認真細致,發現可疑部位應及時檢查和補救。對于由磚混結構的土建庫而建造的氣調庫,如出現大面積的突起或脫落,往往是由于維護結構表面不干燥引起,在施工前,一定要注意維護結構的干燥性。 
  氣調庫施工質量驗收的一個重要方面是氣密性試驗。目前廣泛應用的是壓力測試法。它有測試方法簡便,測試儀器簡單,結果直觀等優點。壓力測試法又有正壓法和負壓法之分,通常采用正壓法,以避免采用負壓法測試導致氣密層脫落。迄今,國際上對氣調庫氣密性測試還未形成統一的標準,我國目前也沒有發布氣調庫氣密測試的國家標準。但采用正壓測試法,統計“半降壓時間”,是國外常用的氣密性試驗標準和結果的表示方式。所謂半降壓時間,是指從計時起,試驗壓力下降到起始壓力的一半時所需要的時間。世界各國現有的氣密標準中,最高的要求是:試驗壓力為294Pa(30mmH2O),半壓降時間等于或超過30min為合格,否則為不合格,此標準只有意大利等少數國家的部分廠商采用。意大利FCE公司近幾年在我國安裝的組合式氣調庫的氣密實驗合格范圍為:庫內加壓至30mmH2O,經30min庫內壓力降至不低于4.4mmH2O為合格。 
 ?。?)氣調庫的安全性。在氣調庫的建筑設計中還必須考慮氣調庫的安全性。這是由于氣調庫是一種密閉式冷庫,當庫內溫度升降時,其氣體壓力也隨之變化,常使庫內外形成氣壓差。據資料介紹,當庫外溫度高于庫內溫度1℃時,外界大氣將對維護庫板產生40Pa壓力,溫差越大,壓力差越大。此外,在氣調設備運行、加濕及氣調庫氣密性試驗過程中,都會在維護結構的兩側形成氣壓差。若不將壓力差及時消除或控制在一定范圍內,將對維護結構產生危害。為此,通常在氣調庫上裝置有平衡袋和安全閥,以使壓力限制在設計的安全范圍內。氣壓平衡袋(簡稱氣調袋)的體積約為庫房容積的0.5%~1.0%,采用質地柔軟不透氣又不易老化的材料制成。國外推薦的安全壓力數值為±190Pa 。所以,每間庫房還應安裝一個氣壓平衡安全閥(簡稱平衡閥),在庫內外壓差大于190Pa時,庫內外的氣體將發生交換,防止庫體結構發生破壞。平衡閥分干式和水封式兩種,直接與庫體相通。在一般情況下平衡袋起調節作用,只有當平衡袋容量不足以調節庫內壓力變化時,平衡閥才起作用。此外,在一些國家如荷蘭,通過給貯藏室定期充氮氣,使氣調袋一直處于半膨脹狀態,保持恒定的正壓,有助于減少大氣滲漏到貯藏室中。 
 ?。?)氣調庫一般應建成單層建筑。一般果蔬冷庫根據實際情況,可以建成單層或多層建筑物,但對氣調庫來說,幾乎都是建成單層地面建筑物。這是因為果蔬在庫內運輸、堆碼和貯藏時,地面要承受很大的荷載,如果采用多層建筑,一方面氣密處理比較復雜,另一方面在氣調庫使用過程中容易造成氣密層破壞。較大的氣調庫的建筑高度一般在7m左右。
      (5)氣調保鮮庫按建筑可分為3種類型:裝配式、磚混式、夾套式。裝配式氣調庫圍護結構選用彩鍍聚氨脂夾心板組裝而成,具有隔熱、防潮和氣密的作用。該類庫建筑速度快,美觀大方,但造價略高,是目前國內外新建氣調庫最常用的類型。氣調庫采用專門的氣調門,該門應具有良好的保溫性和氣密性。
 
四.氣調庫制冷設備及溫度傳感器的配置  :
 ?。?)制冷系統。氣調庫的制冷設備大多采用活塞式單級壓縮制冷系統,以氨或氟利昂-22作制冷劑,庫內的冷卻方式可以是制冷劑直接蒸發冷卻,也可采用中間載冷劑的間接冷卻,后者用于氣調庫比前者效果理想。因為中間載冷劑更便于控制供給冷風機的液體溫度,僅需在供液管道上裝一個回流的行程控制三通閥,就能滿足同時實現不同庫房內不同溫度的要求。為了減少庫內所貯物品的干耗,性能良好的氣調庫要求傳熱溫差為2~3℃,也就是說氣調庫蒸發溫度和貯藏要求溫度的差值為2~3℃,這要比普通冷庫小得多。只有控制并達到蒸發溫度和貯藏溫度之間的較小差值,才能減少蒸發器的結霜,維持庫內要求的較高相對濕度。所以,在氣調庫設計中,相同條件下,通常選用冷風機的傳熱面積都比普通果蔬冷庫冷風機的傳熱面積大,即氣調庫冷風機設計上采用的所謂“大蒸發面積低傳熱溫差”方案。 
 ?。?)溫度傳感器的配置。一個設計良好的氣調庫在運行過程中,可在庫內部實現小于0.5℃的溫差。為此,需選用精度大于0.2℃的電子控溫儀來控制庫溫。溫度傳感器的數量和放置位置對氣調庫溫度的良好控制也是很重要的。最少的推薦探頭數目為:在50t或以下的貯藏庫中放3個,在100t庫中放4個,在更大的庫內放5個或6個,其中一個探頭應用來監控庫內自由循環的空氣溫度,對于吊頂式冷風機,探頭應安裝在從貨物到冷風機入口之間的空間內。其余的探頭放置在不同位置的果蔬處,以測量果蔬的實際溫度。
 
五.氣調庫的主要氣調設備及輔助設備  :
  氣調設備通俗地講,主要包括制氮設備、二氧化碳脫除設備、乙烯脫除設備和加濕設備及自動檢測控制設備,其中制氮設備利用率最高,所以顯得更為重要。依據制氮設備的工作原理,可以將其分為三種類型,即吸附分離式制氮類型、膜分離制氮類型和燃燒降氧制氮類型。 
 ?。?)制氮機:我國目前在氣調庫上采用的制氮機主要有兩大類型:吸附分離式的碳分子篩制氮機和膜分離式的中空纖維膜制氮機。碳分子篩制氮機與中空纖維膜制氮機比較,前者具有價格較低、配套設備投資較小 、單位產氣能耗較低、更換吸附劑比更換膜組件便宜、兼有脫除乙烯功能等優點,而工藝流程相對復雜、占地面積較大、噪聲也較大、運轉穩定性不及中空纖維膜制氮機是碳分子篩制氮機的相對弱勢。 
 ?。?)二氧化碳脫除機:二氧化碳脫除裝置分間斷式(通常稱的單罐機)和連續式(通常稱的雙罐機)兩種??餑詼躉寂ǘ冉細叩鈉灞懷櫚轎階爸彌?,經活性炭吸附二氧化碳后,再將吸附后的低二氧化碳濃度氣體送回庫房,達到脫除二氧化碳的目的?;钚蘊課蕉躉嫉牧渴俏露鵲暮?,并與二氧化碳的濃度成正比。通常以0℃,3%的二氧化碳濃度為標準,用其在24h內的吸附量作為主要經濟技術指標。當工作一段時間后,活性炭因吸附二氧化碳即達到飽和狀態,再不能吸附二氧化碳,這時另外一套循環系統啟動,將新鮮空氣吸入,使被吸附的二氧化碳脫附,并隨空氣排入大氣,如此吸附、脫附交替進行,即可達到脫除庫內多余二氧化碳脫的目的。 
  二氧化碳脫機再生后的空氣中含有大量的二氧化碳,必須排至室外。進出氣調庫的進氣和回氣管道必須向庫體方向稍微傾斜,以免冷凝水流到脫除機內,造成活性炭失效?;磕謨Ρ苊餛?、液化氣等揮發性物質,保持溫度1~40℃。  
 ?。?)乙烯脫除機:目前被廣泛用來脫除乙烯的方法主要有兩種:即高錳酸鉀氧化法和高溫催化分解法。前一方法是用飽和高錳酸鉀水溶液(通常使用濃度為5%~8%)浸濕多孔材料(如膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、氧化鋁、分子篩、碎磚塊、泡沫混凝土等),然后將此載體放入庫內、包裝箱內或閉路循環系統中,利用高錳酸鉀的強氧化性將乙烯氧化脫除。這種方法脫除乙烯雖然簡單,但脫除效率低,一般用于小型或簡易貯藏。 
  在空氣氧化法除乙烯裝置中,其核心部分是特殊催化劑和變溫場電熱裝置。所用的催化劑為含有氧化鈣、氧化鋇、氧化鍶的特殊活性銀。變溫場電熱裝置可以產生一個從外向內溫度逐漸升高的變溫度?。杭從?5℃→80℃→150℃→250℃,從而使除乙烯裝置的氣體進出口溫度不高于15℃,但是反應中心的氧化溫度可達250℃,這樣既能達到較理想的反應效果,又不給庫房增加明顯的熱負荷。這種乙烯脫除裝置一般采用閉環系統??掌躉ǔ蟻┳爸糜敫咼趟峒匱躉ǔ蟻┳爸帽冉?,前者投資費用要高得多,但脫除乙烯的效率很高。有資料介紹通過空氣氧化法除乙烯裝置,可將獼猴桃庫內的乙烯降低到0.02ppm以下,同時這種裝置還兼有脫除其他揮發性有害氣體和消毒殺菌的作用。  
 ?。?)加濕裝置:水混合加濕、超聲波加濕和離心霧化加濕是目前氣調庫中常見的三種加濕方式,在0℃以上的溫度下使用時,加濕效果均比較好,但在它們在負溫條件下使用,都存在如何使加濕用水避免結冰的問題,這一問題目前在生產中尚未很好解決。
    (5)自動檢測控制:氣調庫內檢測控制系統的主要作用為:對氣調庫內的溫度、濕度、O2、CO2氣體進行實時檢查測量和顯示,以確定是否符合氣調技術指標要求,并進行自動(人工)調節,使之處于最佳氣調參數狀態。在自動化程度較高的現代氣調庫中,一般采用自動檢測控制設備,它由(溫度、濕度、O2、CO2)傳感器、控制器、計算機及取樣管、閥等組成,整個系統全部由一臺中央控制計算機實現遠距離實時監控,既可以獲取各個分庫內的O2、CO2、溫度、濕度數據,顯示運行曲線,自動打印記錄和啟動或關閉各系統,同時還能根據庫內物料情況隨時改變控制參數。中央控制計算機采用Windows界面,使用操作人員可以方便直觀地獲取各方面的信息。
 
六.氣調庫的合理使用及管理  
 ?。?)合理有效的利用空間。氣調庫的容積利用系數要比普通冷庫高,有人將其描述為“高裝滿堆”,這是氣調庫建筑設計和運行管理上的一個特點。所謂“高裝滿堆”是指裝入氣調庫的果蔬應具有較大的裝貨密度,除留出必要的通風和檢查通道外,盡量減少氣調庫的自由空間。因為,氣調庫內的自由空間越小,意味著庫內的氣體存量越少,這樣一方面可以適當減小氣調設備,另一方面可以加快氣調速度,縮短氣調時間,減少能耗,并使果蔬盡早進入氣調貯藏狀態。 
 ?。?)快進整出。氣調貯藏要求果蔬入庫速度快,盡快裝滿、封庫并及時調氣,讓果蔬在盡可能短的時間內進入氣調狀態。平時管理中也不能像普通冷庫那樣隨便進出貨物,否則庫內的氣體成分就會經常變動,從而減弱或失去氣調貯藏的作用。果蔬出庫時,最好一次出完或在短期內分批出完。另外,在氣調庫封門后的長期貯藏過程中,一般不允許隨便開啟氣調門,以免引起庫內外氣體交換,造成庫內氣體成分的波動,為便于了解庫內果蔬貯藏情況,應設置觀察窗。貼于
  ?。?)良好的空氣循環。氣調庫在降溫過程中,英國推薦的循環速率范圍為:在果蔬入庫初期,每小時空氣交換次數為30~50倍空庫容積,所以常選用雙速風機或多個軸流風機可以獨立控制的方案。在冷卻階段,風量大一些,冷卻速度快,當溫度下降到初值的一半或更小后,空氣交換次數可控制在每小時15~20次。
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