基于吸附式制冷果品保鲜装置的研究

杜芳莉 吴 晗 张富康 陈达明



基于吸附式制冷果品保鲜装置的研究

杜芳莉 吴 晗 张富康 陈达明

（西安航空学院能源与建筑学院 西安 710077）

本作品利用汽车发动机余热和太阳能驱动吸附式制冷机组，提供气调库所需冷量，用以保证水果低温贮藏要求，同时利用氢氧化钠、高锰酸钾等药品吸收空气中的成分，用以保证水果贮藏运输过程中对气体的要求；通过本作品的设计，可以达到水果及时保鲜，保证水果鲜美品质，同时还可弥补现有车载冷库存在的一些不足。

发动机余热；太阳能；吸附式制冷；气调库；水果保鲜

0 引言

随着生活水平不断的提高，人们的健康意识逐渐增强，对于水果的需求量及品质要求越来越高，为此果品从采摘到储存及长距离运输过程中的保鲜问题至关重要，而要达到果品的时时保鲜则需要耗费大量的能源。但是随着经济的快速发展，能源资源日益短缺，同时环境问题也越来越受到人们的关注。吸附式制冷则可利用低品位的发动机热能[1]及绿色环保能源太阳能联合提供动力驱动，并采用环保型制冷剂，吻合了当前能源、环境协调发展的总趋势。本装置顺应国家的节能减排方针，充分利用汽车发动机废热和太阳能热量设计了一种基于吸附式制冷的混合动力果品保鲜装置。

1 设计原理

本装置是一种适应果品长距离运输及长时间保鲜的新型混合动力的果品保鲜装置，它采用吸附式制冷技术代替传统气调库系统中的制冷系统，并利用运输车发动机余热以及太阳能作为制冷系统的混合动力源，具有环保、安全、卫生、经济的特点。该装置中的保鲜箱可直接对田地刚采摘的新鲜水果进行现场保鲜，每个保鲜箱均相当于一个微型气调库，确保果品从采摘、装箱到长途运输一直保持新鲜状态。这样的设计理念能够解决果品长时间运输及储存中常见问题，例如：水分流失、新鲜度下降、发生霉变等，从而保证水果在长途运输过程中的新鲜度与口感品质。

固体吸附式制冷可采用太阳能或余热等低品位热源作为驱动热源[2]，不仅缓解电力的紧张供应和能源危机，而且能有效利用大量的低品位热源。另外，吸附式制冷不采用氯氟烃类制冷剂，无CFCS问题，也无温室效应作用，是一种环境友好型制冷方式[3]。从20世纪70年代中期以来，吸附式制冷受到人们的重视，对其技术的研究不断深化。与蒸气压缩式制冷系统相比，吸附式制冷具有显著优点，主要表现为：结构简单、一次性投资少、运行费用低、使用寿命长、无噪音、无环境污染、能有效利用低品位热源等一系列优点[4]；另外与吸收式制冷系统相比，吸附式制冷系统不存在结晶和分馏问题、且能用于震动、倾颠或旋转等场合。

考虑到传统的制冷系统均需大量的能源消耗，本制冷装置系统的动力机构基础巧妙地对果品长途运输保鲜车发动机的余热和太阳能热量进行回收与利用，从而达到节能减排的目的。本装置主要由吸附床、冷凝器和蒸发器等组成。气体系统通过风机提供动力将制冷系统产生的冷量送至箱体进行降温保鲜，同时将经过处理的保鲜气体充注入箱体，使箱体内部形成小型保鲜库环境，实现果品保鲜。随着科学技术的不断进步，整个系统设计未来还将向全自动化方向发展。设计原理如下图1所示。

图1 基于吸附式制冷果品保鲜装置设计原理图

2 制冷装置

随着世界经济的发展和能耗的增加，能源与环境问题已经成为全世界共同关注的一个热点问题，吸附式制冷作为一种低品位热能驱动的绿色制冷技术，吻合了当前能源和环境协调发展的总趋势。吸附式制冷系统主要由两部分组成。第一部分包括两个吸附床：解吸床和吸附床，两床的功能相当于传统制冷中的压缩机[5]。解吸床向冷凝器排放高温高压的制冷剂蒸气，吸附床则吸附蒸发器中低温低压的蒸气，使制冷剂蒸气在解吸床中不断蒸发制冷。因此吸附式制冷系统设计的核心是吸附床，它的性能好坏直接影响了整个系统的功能。第二部分包括冷凝器，蒸发器及流量调节阀，冷却水系统和冷冻水系统，与普通的制冷系统相类似。从解吸态床解吸出来的高温高压的制冷剂蒸气在冷凝器中被冷凝后，经过流量调节阀，变成低温低压的液体，进入蒸发器蒸发制冷，被蒸发的制冷剂蒸气重新被吸附态床吸收。

工质对的选择：吸附剂-制冷剂工质对的选择是吸附式制冷中最重要的因素之一[6]，一个好的制冷系统不但要有好的循环方式，而且要有在工作温度范围内吸附性能强、吸附速度块、传热效果好的吸附剂和汽化潜热大、沸点满足要求的制冷剂。制冷机是否能适应环境要求，是否能满足工作条件，在很大程度上都取决于吸附工质对的选择。本装置选用对环境友好的沸石-水工质对，进行吸附式制冷。它的吸附能力随着温度的不同而不同，周期性地冷却和加热吸附剂，使之交替吸附和解析；解析时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体。吸附式制冷装置组成如图2所示。

图2 吸附式制冷装置组成图

3 气调装置

本装置在气体调节方面，由于水果容易腐烂、保质期短，这样给果农带来很大程度上的困扰，若没有果品保鲜储藏设备的话，就需要急于售出，这样价格上也没有优势。相对于传统的冷藏冷冻技术，本装置的技术领先最关键的是实现了真正意义上的“保鲜”。具体做法是在冷藏的基础上，增加气体成分调节，通过对贮藏环境中温度、湿度、二氧化碳、氧气和乙烯浓度等和气体成分进行针对性的控制，从而抑制果蔬呼吸作用，延缓其新陈代谢过程，更好地保持果蔬新鲜度和商品性，从而延长果蔬贮藏期和保鲜期（销售货架期）。本装置气体调节方面采用化学吸附方式[7]，除去乙烯，控制二氧化碳和氧气浓度，达到对果品保鲜的目的。气体处理流程如下图3所示。

图3 气体处理流程图

根据自然界空气组成成分及对人体呼出气体进行测试分析，可得出如下表1所示数据。

表1 各种气体在空气及人体呼出气体中所占比例

因此，我们设想：可将驾驶室里面的空气作为气调装置的初始气体。在经过以下一系列的处理过程后，最终使通入到保鲜箱的气体达到要求。

（1）CO2调节

当气体中CO2的比例过大时，运用氢氧化钠溶剂以喷洒吸收液方式，对气体中的CO2浓度进行控制，如图4所示。

（2）氧气去除

让气体通过特制的海绵铁滤料，氧气与铁发生彻底的氧化反应从而保证氧气浓度在1～5%之间。控制气体中氧气浓度有助于抑制水果的有氧呼吸，使其保存时间延长。我们采用化学方式来调节气体中的氧气。以喷洒吸收液方式调节氧气浓度，如下图5所示。

图4 二氧化碳脱除装置

图5 氧气脱除装置

（3）乙烯脱除

将分子筛放在闭路系统中，利用高锰酸钾的强氧化性将乙烯氧化脱除。同时还会生成二氧化碳，为气体补充所需气体，如图6所示。

图6 乙烯脱除装置

（4）惰性气体——氮气

采用氮气罐充入系统中，在系统中加装气体监测装置，自动补充氮气。

（5）相对湿度——水蒸气

在进行以上气体进行处理过后，通过吸附式制冷装置使管内气体进行冷却达到目标温度后，可以使空气里的相对湿度达到90%以上。

4 设计模型

本套装置是在传统果品长途运输货车的基础上进行创新设计而来的。与传统的果品冷藏车相比，增加了气体调节部分，更有利于果品的长时间保鲜；制冷的方式采用吸咐式制冷；制冷驱动力则采用发动机的余热及太阳能辅助热量，符合节能减排的大政方策；在制冷工质方面则采用对环境友好的沸石-水工质对，进行吸附式制冷[8]。

为使本套装置运行数据的真实可靠，项目组制作了一个实物模型，如下图7所示。并用此实物模型与不同方式的制冷设备做了多次实验测试与数据比对；同时对箱体的气体成分也做了处理，通过调节二氧化碳、氧气浓度，处理气体中的乙烯，加大相对湿度，用性质稳定无害的氮气对果品进行保鲜。使果品在运输途中处于休眠状态，从而延长果蔬贮藏期和保鲜期即销售货架期。

图7 基于吸附式制冷的混合动力果品保鲜装置的设计模型

通过多次的实验可得出本混合动力的果品保鲜装置具备节能、环保、制冷环节无运动部件的特点；该装置以汽车发动机产生的废热和太阳能为驱动能源，运转安静，振动小，同时，制冷机在真空状态下运行，结构简单，安全可靠，安装方便，运行费用低；吸附制冷技术作为一种绿色的制冷技术，吻合了当前能源、环境协调发展的总趋势。随着世界经济的发展和能耗的增加，能源与环境问题已经成为全世界共同关注的一个热点问题，吸附式制冷作为一种低品位热能驱动的绿色制冷技术，即将成为能源利用与环境保护的有效中间链。

5 结论

本作品利用吸附式制冷技术，代替气调库系统中的制冷系统，利用运输车发动机余热以及太阳能作为制冷系统的动力源，具有环保、安全、卫生、经济的特点。利用保鲜箱直接对采摘的新鲜水果进行现场保鲜，每个保鲜箱相当于一个微型气调库，可以实现从果品采摘、装箱到长途运输，一直使水果保持新鲜状态。它相比于现行的气调库具有体积小、节能环保、可移动性强、可大量减少运转次数，缩小损失等特点。

本装置的创新点体现在：（1）采用太阳能和发动机产生的余热，体现了节能环保的理念；（2）将整个气调库系统经过优化压缩，集成在运输车以及配套保鲜箱中，大大提高了系统的应用范围。由于搭载在运输车上和可拼接保鲜箱，增加了系统的灵活性与可移动性；（3）配套保鲜箱可直接用来包装水果，装车后即可立即进行保鲜运输，不需中转入冷库进行保鲜后再进行运输，减少多次搬运造成的损失。整个装置已从多个角度，全方面进行设计论证和实验，能够保证果品长时间保鲜的效果。

[1] 韩树,蔡锋,骆清国,等.车用柴油机全工况热平衡实验研究[J].柴油机,2009,(4):35-38.

[2] 杨洋,王松,方徐君.浅析太阳能驱动的吸附式制冷系统[J].科学中国人,2016,(9):74-75.

[3] 杨培志,陈焕新.吸附式制冷循环热力学及性能[J].中南大学学报,2007,38(3):461-467.

[4] 王令宝,卜宪标,马伟斌.吸附式制冷工质对的吸附性能测试研究[J].制冷与空调,2012,12(1):53-57.

[5] 李娟,刘志强,李丽霞,等.太阳能吸附式空调应用实例分析[J].建筑节能,2012,40(3):44-46.

[6] 王定标,程东娜.太阳能吸附式制冷和供热联合循环系统研究进展[J].制冷与空调,2006,(2):87-90.

[7] 李国云,刘颖,邬志敏.小型实验气调库的设计[J].流体机械,2008,36(7):72-75

[8] 朱成剑,武卫东.采用非单一吸附式制冷方式的研究现状与展望[J].低温与超导,2012,40(4):57-60.

Study on the Device for Keeping Fresh Fruits Based on Adsorption Refrigeration

Du Fangli Wu Han Zhang Fukang Chen Daming

( Xi’an Aeronautical University, Department of Energy and Architecture, Xi’an, 710077 )

This article uses the automobile engine waste heat and the solar energy to drive the adsorption type refrigeration unit for providing the cooling capacity required for the air conditioning depot. And guarantee that low-temperature storage requirement of fruits. At the same time, using sodium hydroxide, potassium permanganate and other drugs to absorb the components in the air, To ensure gas requirements during storage and transportation of fruit. Through the design of this article, The fruits can be kept fresh in time. And ensure fruit fresh and beautiful quality. At the same time, it can also make up some shortcomings of the existing vehicle cold storage.

engine waste heat; solar energy; adsorption refrigeration; air-conditioned cold store; fruit preservation

1671-6612（2018）06-586-04

G710

A

陕西省教育科学十三五规划课题“基于多站点、全方位实践教学体系的改革研究与实践——以建环专业为例（SGH16H246）”；2017年校级大创项目：DCX2017077

杜芳莉（1975-5），女，硕士研究生，副教授，E-mail：972339919@qq.com

2018-01-16