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1、基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):30300210作者簡(jiǎn)介:馬征(1981-,男,華南農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀研究生。E 2mail:mzyjs2005sina 收稿日期:2006-12-11第23卷第2期2007年3 月Vol .23,No .2Mar.,2007果蔬差壓式預(yù)冷設(shè)備研究進(jìn)展R e sea rch advance s i n fo rced 2a ir p re 2coo li ngequ i p m en t fo r fru its and vege tab l e s馬征MA Zheng楊洲YAN G Zhou趙春娥ZHAO Chun 2e朱寶琪ZHU B ao 2qi(
2、華南農(nóng)業(yè)大學(xué),廣東廣州510642(South China A gricultural U niversity,Guangzhou,Guangdong 51064,China 摘要:介紹了果蔬差壓式預(yù)冷設(shè)備的原理、組成、分類及影響因素,綜述了差壓式預(yù)冷設(shè)備的發(fā)展概況、存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì),提出了差壓式預(yù)冷設(shè)備使用和推廣建議。關(guān)鍵詞:預(yù)冷設(shè)備;差壓;果蔬Abstract:The basic p rinci p les,the constitutes,the s ort and the affecting fact ors on fruit and vegetable f orced 2air p
3、 re 2cooling equi pment were intr o 2duced in this paper .Research status,current p r oblem s and devel op ing trends of fruit and vegetable forced 2air p re 2cooling equi pment were dis 2cussed and analyzed .According t o current p r oble m s,the suggesti ons f or u 2sing and popularizing forced 2a
4、ir p re 2cooling equi pment were put for ward .Keywords:Pre 2cooling equi pment;Forced 2air;Fruit and vegetable果蔬采后快速預(yù)冷,幾乎是國(guó)內(nèi)外保鮮界的共識(shí),也是冷鏈流通的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。研究表明:在整個(gè)冷藏鏈中,不經(jīng)預(yù)冷的果蔬在流通中損失約為25%30%,而經(jīng)過(guò)預(yù)冷的果蔬損失率僅為5%10%1。但是,在我國(guó),果蔬預(yù)冷,特別是產(chǎn)地預(yù)冷,條件仍然落后,有些地方甚至無(wú)法提供電源。另外,預(yù)冷設(shè)備的研制開發(fā),技術(shù)推廣滯后,在實(shí)際操作中難于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員的思想意圖,也致使現(xiàn)實(shí)中,經(jīng)常是采摘后未經(jīng)預(yù)冷,
5、直接運(yùn)到批發(fā)市場(chǎng),或直接進(jìn)入冷庫(kù)或冷藏車,降溫效果不理想,嚴(yán)重影響了市場(chǎng)品質(zhì),造成了很大的損失。因此,加強(qiáng)研究開發(fā)預(yù)冷設(shè)備,并大面積的推廣使用,不但可以促進(jìn)我國(guó)果蔬生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展,提高我國(guó)農(nóng)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力,而且可以有效地增加農(nóng)民收入。果蔬預(yù)冷采用的主要方式有真空預(yù)冷、冷水預(yù)冷、加冰預(yù)冷和通風(fēng)預(yù)冷等24。預(yù)冷方式的選擇要考慮不同水果和蔬菜的低溫適應(yīng)能力、收獲季節(jié)、比表面積、組織結(jié)構(gòu)、處理量、運(yùn)行成本等因素5。比較果蔬的幾種預(yù)冷方式,真空預(yù)冷降溫速度最快,但一次性投資最大,預(yù)冷設(shè)備昂貴,比較適合葉菜類預(yù)冷。冷水預(yù)冷降溫較快,預(yù)冷設(shè)備成本低,但循環(huán)冷水容易導(dǎo)致病害發(fā)生和增加腐爛。對(duì)于個(gè)別果蔬,例如龍
6、眼,浸水后還容易暴裂6。比較而言,通風(fēng)預(yù)冷可用于各種類型的水果和蔬菜,投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用也比較少,只需要在自然冷庫(kù)或儲(chǔ)藏運(yùn)輸車等現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上增加一個(gè)靜壓箱和一套風(fēng)機(jī)裝置即可,易于在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用,是較為實(shí)用、有效的預(yù)冷方法。1原理和組成1.1原理差壓式預(yù)冷設(shè)備就是利用一定的裝置,在包裝箱兩側(cè)形成差壓。使冷空氣迅速流經(jīng)果蔬表面,與果蔬充分接觸,使果蔬從原來(lái)的果蔬田間熱在冷庫(kù)中靠傳導(dǎo)傳熱的傳遞方式,轉(zhuǎn)變?yōu)楣弑砻娴膶?duì)流方式散熱。從而使果蔬和庫(kù)內(nèi)冷空氣之間迅速進(jìn)行熱交換,縮短果蔬的預(yù)冷時(shí)間,提高生產(chǎn)率,并且迅速去除果蔬采收后的田間熱,降低果蔬的呼吸作用,延緩其成熟衰老的速度7。1.2組成差壓式預(yù)冷設(shè)備
7、主要由制冷系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、靜壓箱、風(fēng)機(jī)、風(fēng)速控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、包裝箱及其他密封材料組成,見圖1。它利用風(fēng)機(jī)抽吸靜壓箱內(nèi)的空氣,使靜壓箱內(nèi)形成低壓,進(jìn)而,包裝箱與靜壓箱相連的一端也形成低壓區(qū),而包裝箱另一端暴露于大氣中,壓力等于大氣壓,相對(duì)于靜壓箱內(nèi)的壓力,形成高壓區(qū)。進(jìn)而,迫使冷空氣均勻迅速地流經(jīng)包裝箱,充分和果蔬接觸,進(jìn)行快速的熱交換。411圖1庫(kù)內(nèi)差壓式預(yù)冷器示意圖2差壓式預(yù)冷設(shè)備的分類差壓式預(yù)冷設(shè)備根據(jù)利用場(chǎng)所和用途分,可以分為差壓預(yù)冷庫(kù),差壓預(yù)冷機(jī)和差壓預(yù)冷器。差壓預(yù)冷庫(kù)就是在自然貯藏冷庫(kù)的基礎(chǔ)上,在庫(kù)體本體上增加一套差壓設(shè)備,使之在整個(gè)冷庫(kù)內(nèi)形成差壓8。這種預(yù)冷方式,適合一個(gè)冷
8、庫(kù)內(nèi)貯藏一種果蔬,并且最好是貯藏物同時(shí)進(jìn)入冷庫(kù),同時(shí)存放。這種差壓預(yù)冷庫(kù)操作簡(jiǎn)單易行,但耗能比較大,建設(shè)成本昂貴。而且預(yù)冷不均勻,容易形成死角。差壓預(yù)冷機(jī),這種裝置主要適合用于儲(chǔ)藏運(yùn)輸車上,具有獨(dú)立的制冷系統(tǒng)和加濕系統(tǒng)。并且,制冷單元和加濕單元處于靜壓箱內(nèi)部,與靜壓箱集成于一體。初始,吸入靜壓箱內(nèi)為庫(kù)內(nèi)熱空氣,經(jīng)過(guò)冷排降溫,排出靜壓箱氣體為冷空氣。隨著預(yù)冷過(guò)程的進(jìn)行,庫(kù)內(nèi)溫度逐漸降低,最終達(dá)到預(yù)先設(shè)定果蔬的適宜溫度。這種裝置比較節(jié)能,容易控制庫(kù)內(nèi)溫度和風(fēng)速,且移動(dòng)方便。特別適用于儲(chǔ)藏運(yùn)輸車,發(fā)展前景廣闊。差壓式預(yù)冷器9,這種裝置主要用在自然冷庫(kù)內(nèi),利用自然冷庫(kù)的冷量,迅速使物料冷卻下來(lái),達(dá)到預(yù)
9、冷的目的。這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由靜壓箱、風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng)組成。可以根據(jù)具體果蔬的特點(diǎn)量身定做,且有小巧靈便,節(jié)約能源,預(yù)冷均勻,效率高,制造成本低廉,容易推廣的特點(diǎn)。但由于在實(shí)際操作中難于按設(shè)計(jì)人員的思想意圖對(duì)包裝箱通氣系統(tǒng)密封完好,形成差壓,讓冷氣真正滲透果蔬。因此,目前還未大面積推廣。盡管如此,差壓式預(yù)冷器較其他預(yù)冷設(shè)備獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn),前景看好,倍受人們青睞。就目前研究狀況看,差壓式預(yù)冷器預(yù)冷方式有三種10:(1隧道式差壓預(yù)冷(Tunnel cooler。這是最常用來(lái)強(qiáng)迫冷風(fēng)通過(guò)箱子的方法,果蔬包裝箱排列成兩行,中央為開放走道,用油布覆蓋中央走道上面及未端,形成隧道,再用抽風(fēng)扇抽去隧道內(nèi)的空氣,如
10、此迫使隧道外的冷空氣穿過(guò)箱子中的產(chǎn)品進(jìn)入隧道中,而由風(fēng)扇抽出的暖空氣則再經(jīng)由冷排降溫。(2蛇形式差壓預(yù)冷(Ser pentine cooler。這個(gè)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)使用在包裝箱側(cè)邊底部開孔,側(cè)邊底部開孔是用來(lái)作為空氣進(jìn)出的通道,包裝箱緊靠透空墻(p lenu m,以偶數(shù)層堆積,偶數(shù)層木箱底部側(cè)邊開孔對(duì)準(zhǔn)墻上通風(fēng)孔。在交錯(cuò)的包裝箱底部開孔分別有阻風(fēng)板條,如此強(qiáng)迫冷空氣通過(guò)木箱上層,再經(jīng)木箱中的產(chǎn)品后,由底部通道進(jìn)入透空墻后面經(jīng)冷排及壓差扇抽出。(3冷墻式差壓預(yù)冷(Cold2wall cooler。這種方式適合于少量及無(wú)法完成棧板堆積的產(chǎn)品有效降溫。單行的棧板排列在透空墻上,透空墻內(nèi)部有冷排及壓差風(fēng)扇造
11、成負(fù)壓,棧板靠近墻壁時(shí),壓下彈簧使阻隔通風(fēng)孔的調(diào)氣閥打開,空氣開始流通,調(diào)氣閥可安排在一定的高度以適合不同高度堆積的產(chǎn)品預(yù)冷,不用調(diào)整或怕造成漏氣現(xiàn)象。3差壓式預(yù)冷設(shè)備預(yù)冷效果影響因素3.1冷庫(kù)的冷凍能力對(duì)于果蔬產(chǎn)品,在其他預(yù)冷條件不變的情況下,預(yù)冷風(fēng)溫越低,預(yù)冷速度越快。但具體到某一種產(chǎn)品時(shí),溫度過(guò)低,會(huì)發(fā)生冷害。冷庫(kù)的預(yù)冷能力,要根據(jù)具體產(chǎn)品預(yù)冷需要的適宜溫度,計(jì)算冷凍系統(tǒng)能夠快速除去產(chǎn)品初期的田間熱需要的冷量。一般產(chǎn)品冷卻所需最高冷凍噸的75%80%。以單一隧道式壓差預(yù)冷庫(kù)處理葉菜類每次處理2t為例,產(chǎn)品初溫從30降至5需要1520t的冷凍能力才可達(dá)到快速降溫的要求11。3.2壓差風(fēng)機(jī)的
12、性能軸流(Axial2fl ow風(fēng)機(jī)及離心(centrifugal風(fēng)機(jī)均可使用在壓差預(yù)冷設(shè)備上,較簡(jiǎn)單的軸流風(fēng)機(jī)適合使用在靜壓力低于40mm水柱時(shí)。離心風(fēng)機(jī)可有較大的靜壓力且較軸流風(fēng)扇靜音12。差壓風(fēng)機(jī)的性能,決定著預(yù)冷設(shè)備產(chǎn)生風(fēng)速的大小和靜壓力的高低。一般風(fēng)速越大,預(yù)冷速度越快,但風(fēng)速達(dá)到一個(gè)極值點(diǎn)后,風(fēng)速再增大時(shí),預(yù)冷速度增長(zhǎng)幅度明顯減緩,而風(fēng)機(jī)的耗能卻和風(fēng)速成三次方的關(guān)系急劇增長(zhǎng)13。一般具體到某一種果蔬,風(fēng)速有一個(gè)最佳值,一般為0.91.5m/s為最佳14。風(fēng)速的控制可以使用變頻器來(lái)控制15,但風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)速的能力必須大于果蔬的最佳值。就通風(fēng)量而言,大部分果蔬產(chǎn)品達(dá)到快速預(yù)冷而需要的通
13、風(fēng)量為1L/s.kg16。差壓風(fēng)機(jī)的靜壓力大小,和風(fēng)道的阻抗有很大關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)壓差風(fēng)扇的設(shè)計(jì)能力須有1015mm water gauge of head p ressure的靜壓值。例如,預(yù)冷3000kg產(chǎn)品,風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量需要:3000L/s,Static Head需要1015mm water gauge。163.3包裝箱的開孔形狀開孔率及密封性能包裝箱是風(fēng)道產(chǎn)生阻抗的主要影響因素。合理的設(shè)計(jì)包裝箱,有利于提高預(yù)冷速度和預(yù)冷效果的。實(shí)驗(yàn)表明:包511專論與綜述2007年第2期裝箱的開口形狀以圓形為最佳,風(fēng)速,開孔率相同的條件下,圓形空氣壓力損失最少。另外,開孔率較小時(shí),開孔形狀對(duì)壓力損失影
14、響較小,開孔率較大時(shí),開孔形狀對(duì)壓力損失影響較大。相同的風(fēng)速條件下,開孔率越大,壓力損失越小17。包裝箱的密封性能對(duì)差壓預(yù)冷效果尤為重要18。包裝箱設(shè)計(jì)不當(dāng)或堆放不齊,容易形成短流系統(tǒng)。從而形成的差壓小,甚至不能形成差壓,也致使果蔬預(yù)冷溫度不均勻,速率低下。一般,包裝箱的長(zhǎng)為寬的1.5倍10,高度嚴(yán)格相等,包裝箱的開孔尺寸、位置一致。物料堆垛后,開孔能嚴(yán)格對(duì)齊。并且,箱體的材料要有一定的強(qiáng)度,不容易變形。3.4果蔬的物料特性一般地,果蔬的物料特性存在著較大差異。果蔬物理外形有球形,長(zhǎng)圓柱形,葉菜類和其他復(fù)雜形狀。果蔬的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容和含水率也存在較大差異。C. V igneault
15、19等人對(duì)25種不同種類的果蔬預(yù)冷過(guò)程研究表明:果蔬的物理外形、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容和含水率等物料特性對(duì)果蔬的預(yù)冷效果影響顯著,應(yīng)根據(jù)果蔬的具體特點(diǎn)制定相應(yīng)的預(yù)冷工藝。4研究進(jìn)展4.1國(guó)外研究狀況國(guó)外對(duì)預(yù)冷設(shè)備研究較早,發(fā)展比較快的國(guó)家主要有美國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)家。預(yù)冷的概念是由Powell及其合作者在1904年提出的,即預(yù)冷是使果蔬蓄存的田間熱得以盡快去除的過(guò)程。美國(guó)自20世紀(jì)5060年代就開始采用差壓式預(yù)冷,并對(duì)許多種果蔬進(jìn)行預(yù)冷,包括草莓、番茄和生菜等2022。1991年,karen.L. B.Gast和Rolando Fl ores詳細(xì)介紹了Tun2 nel cooler,S
16、er pentine cooler,Cold2wall cooler三種差壓預(yù)冷方式10。1995年,L isa Kitinoja和AdelA.Kader研究了二種移動(dòng)式差壓預(yù)冷器的工作過(guò)程22。2002年,John Kienholz和Lke Edeogu提出了用離心式風(fēng)機(jī)連接靜壓箱和一個(gè)橡膠管道,靈活地從果蔬包裝箱上側(cè)或側(cè)面抽吸空氣,形成橫向或垂直差壓24,進(jìn)而更均勻的預(yù)冷果蔬。2004年,L.R.de Castr o等人對(duì)隧道式差壓預(yù)冷的隧道尺寸試驗(yàn)研究得出,對(duì)于5000kg以下的預(yù)冷負(fù)載,隧道寬為30cm,即可以滿足果蔬預(yù)冷需求。對(duì)于大載荷的預(yù)冷負(fù)載,可以利用經(jīng)驗(yàn)公式:隧道寬度=風(fēng)速/1
17、5000×堆垛長(zhǎng)度,計(jì)算隧道寬度25。日本,1965年開始對(duì)強(qiáng)制通風(fēng)預(yù)冷研究。1967年,日本科技廳在神納川縣進(jìn)行了空氣預(yù)冷試驗(yàn),但未能打開市場(chǎng),直到1971年日本小召農(nóng)業(yè)協(xié)同預(yù)冷冷風(fēng)庫(kù)里的白菜等葉菜類蔬菜才打開了東京市場(chǎng)。1973年,日本科學(xué)行政機(jī)關(guān)經(jīng)過(guò)努力,成功研制了差壓式預(yù)冷設(shè)備。目前,日本差壓式預(yù)冷設(shè)備,有移動(dòng)式差壓冷卻裝置、中央吸引型差壓冷卻裝置和面壁吸引型差壓冷卻裝置。他們的共同特點(diǎn)是,都用一種油布作為隔風(fēng)面,隔風(fēng)效果良好且適宜于預(yù)冷不同量的冷卻果蔬。風(fēng)機(jī)一般采用較高壓頭的多葉軸流風(fēng)機(jī)26。4.2國(guó)內(nèi)研究狀況我國(guó)對(duì)預(yù)冷設(shè)備研究起步較晚,20世紀(jì)60年代才開始對(duì)冷庫(kù)研究。1
18、980年,天津商學(xué)院制冷系成立,對(duì)預(yù)冷理論展開了較多的研究,為差壓式預(yù)冷設(shè)備的制作提供了一定的理論依據(jù)。20世紀(jì)90年代,差壓式預(yù)冷開始引起人們的關(guān)注,清華大學(xué)、西安交大、中南大學(xué),大連理工等單位先后開始研究。1997年,北京農(nóng)林科學(xué)院、清華大學(xué)、中國(guó)農(nóng)科院等單位聯(lián)合研制出可在冷庫(kù)中使用的三種不同型號(hào)的差壓預(yù)冷設(shè)備及配套的預(yù)冷包裝箱,并建成了差壓預(yù)冷庫(kù),提出了近距離流通小包裝冷庫(kù)預(yù)冷配套技術(shù)規(guī)程和遠(yuǎn)距離流通大包裝差壓預(yù)冷技術(shù)規(guī)程27。目前,國(guó)內(nèi)主要有三家單位從事差壓設(shè)備研制或生產(chǎn)工作。北京農(nóng)林科學(xué)院等單位聯(lián)合研制開發(fā)了庫(kù)內(nèi)使用的差壓預(yù)冷器。上海泛鮮科技公司生產(chǎn)雙通道強(qiáng)風(fēng)預(yù)冷設(shè)備和車載式預(yù)冷設(shè)備
19、。深圳艾斯蘭德公司生產(chǎn)不同型號(hào)的高濕壓差預(yù)冷機(jī)。5存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)5.1存在的問(wèn)題差壓預(yù)冷未能大規(guī)模的推廣,其重要的原因是:(1果蔬預(yù)冷溫度均勻性問(wèn)題。一般,由于靜壓箱附近的包裝箱同時(shí)產(chǎn)生較大的橫向和縱向壓力,離靜壓箱越近,果蔬溫降越快。加上風(fēng)道密封問(wèn)題,致使預(yù)冷不均勻問(wèn)題,有的地方溫度高,有的地方溫度低,溫差常高達(dá)6左右。(2包裝箱通風(fēng)系統(tǒng)密封問(wèn)題。由于國(guó)內(nèi)果蔬包裝箱制作技術(shù)落后和果蔬差壓系統(tǒng)密封操作難度,差壓系統(tǒng)密封問(wèn)題成為成功推廣該技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。(3技術(shù)推廣和宣傳問(wèn)題。由于真空預(yù)冷技術(shù)比較成熟,目前在果蔬預(yù)冷市場(chǎng)占主流。但差壓預(yù)冷成本遠(yuǎn)低于真空預(yù)冷成本,實(shí)踐表明:差壓預(yù)冷成本僅
20、為真空預(yù)冷成本的1/1028。另外,差壓預(yù)冷適合各種果蔬花卉。差壓預(yù)冷技術(shù)有待宣傳推廣。5.2發(fā)展趨勢(shì)(1差壓預(yù)冷設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化控制。通過(guò)控制風(fēng)速、風(fēng)溫和預(yù)冷時(shí)間,實(shí)現(xiàn)降速預(yù)冷或間歇預(yù)冷,使果蔬預(yù)冷均勻,高效,節(jié)能。(2對(duì)包裝箱進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)制作,使包裝箱的開孔容易對(duì)齊,箱體之間容易配合,通風(fēng)系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)果蔬冷風(fēng)滲透。(3針對(duì)具體的某一種果蔬產(chǎn)品,尋找預(yù)冷變化的規(guī)律。根據(jù)具體的產(chǎn)品的預(yù)冷變化規(guī)律,為具體的產(chǎn)品量身定做預(yù)冷設(shè)備。6結(jié)論差壓式預(yù)冷,涉及到的因素較多。對(duì)于不同果蔬品種,又有各自的特點(diǎn)。就目前研究狀況,為了達(dá)到較好的預(yù)冷效611第23卷第2期馬征等:果蔬差壓式預(yù)冷設(shè)備研究進(jìn)展果,使用差
21、壓預(yù)冷設(shè)備應(yīng)該做到:差壓預(yù)冷風(fēng)機(jī)最好選風(fēng)量大,壓頭小的離心式風(fēng)機(jī);根據(jù)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)速的性能和形成差壓的大小,來(lái)堆放一定數(shù)量的貨物;包裝箱堆放要足夠密集形成壓差,又可以讓冷風(fēng)真正滲透;根據(jù)具體果蔬的特性,來(lái)選擇風(fēng)機(jī)的最佳風(fēng)速和適宜的風(fēng)溫。參考文獻(xiàn)1王強(qiáng).實(shí)施蔬菜產(chǎn)地預(yù)冷,完善低溫冷藏鏈J.制冷,2001,20(1:4044.2車?guó)P斌.預(yù)冷是提高保鮮質(zhì)量的重要技術(shù)措施田J.保鮮與加工,2001,2(2:26.3Tadhg B r osnan,Da2W en Sun.Pre2cooling techniques and app licati onf or horticulture p r oducts
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