小溫差精確控制系統(tǒng)在果品冷庫中的應(yīng)用

趙迎麗，李 超，王 亮，張 微，張立新，馮志宏，趙 猛

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院）農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮研究所，山西太原030031）

果品冷庫的精確控溫是依據(jù)不同果實(shí)適宜的貯藏溫度準(zhǔn)確控制貯藏環(huán)境中果實(shí)的溫度[1]。尤其是對于冰溫貯藏，由于其具有降低果實(shí)采后生理代謝、抑制有害微生物活動、有效維持果肉組織結(jié)構(gòu)、減少果實(shí)品質(zhì)損失[2-8]的作用，目前，其已被廣泛應(yīng)用于試驗(yàn)研究及果品生產(chǎn)性貯藏。然而，冰溫貯藏的溫度需要控制在0 ℃和果實(shí)細(xì)胞生物結(jié)冰點(diǎn)之間的溫度范圍內(nèi)，以保持果實(shí)組織細(xì)胞活體狀態(tài)并維持較低代謝水平。

為了防止果實(shí)細(xì)胞組織結(jié)冰對細(xì)胞造成的傷害，此時的溫度控制越精確，上下限溫差越小，溫度越接近果實(shí)的生物冰點(diǎn)，保鮮效果會越好。然而，果實(shí)的品溫是通過庫溫來調(diào)節(jié)的，這一通過庫溫控制果實(shí)品溫的方式會帶來對冷庫庫體結(jié)構(gòu)、供冷方式、控制方式的特殊要求[9]，大大提高了建造和使用的成本。對于一般附加值較低的水果、蔬菜來講，投入成本和帶來的有限保鮮效果和效益是不經(jīng)濟(jì)的。

本研究設(shè)計研發(fā)了小溫差精確控溫系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)果品冷庫的精準(zhǔn)控溫，通過雙制冷機(jī)組交替除霜/制冷和制冷機(jī)組與均溫風(fēng)機(jī)無縫銜接交替工作，并根據(jù)冷庫運(yùn)行環(huán)境及要求智能控制壓縮機(jī)、均溫風(fēng)扇、冷風(fēng)機(jī)及化霜周期的合理聯(lián)動，以實(shí)現(xiàn)冷庫溫度的精準(zhǔn)控制。本研究就系統(tǒng)實(shí)施后冷庫的運(yùn)行效果進(jìn)行了說明，以期為精確控溫冷庫的建造提供技術(shù)支撐和理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 冷庫規(guī)格 冷庫采用聚氨酯進(jìn)行噴涂，庫體長×寬×高為9 m×6 m×4 m。

1.1.2 設(shè)備配置 主機(jī)為BFB-FJZ-10HP（浙江北峰制冷設(shè)備有限公司）；壓縮機(jī)為BFBZ1036（Y），半封閉活塞式（浙江北峰制冷設(shè)備有限公司）；冷凝器為BF-FNK10S，強(qiáng)制對流空氣冷卻方式，制冷劑R22（浙江北峰制冷設(shè)備有限公司）；蒸發(fā)器為BF-DL-11.2/55，吊頂式翅片式銅管，風(fēng)機(jī)功率為2.2 kW，蒸發(fā)面積為120 m2（浙江北峰制冷設(shè)備有限公司）；均溫風(fēng)扇，直徑為900 mm，轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，排風(fēng)量為≥3 000 m3/h；配電控制箱為電氣元件自行組裝，具有精準(zhǔn)溫度控制、自動化霜控制、電壓保護(hù)、電流過載保護(hù)、壓縮機(jī)過流、不平衡保護(hù)、壓縮機(jī)動態(tài)缺相保護(hù)、靜態(tài)缺相及相序保護(hù)等功能。

1.1.3 設(shè)計改造 庫內(nèi)增設(shè)1 臺蒸發(fā)器，在融霜階段采用化霜和制冷雙機(jī)組分別工作；在冷風(fēng)機(jī)對面增加2 臺均溫風(fēng)扇，均溫風(fēng)扇與冷風(fēng)機(jī)采用無縫銜接工作；傳感器及控制系統(tǒng)采用精密儀器。

1.1.4 貯藏參數(shù) 庫溫上限為-0.1 ℃，下限為-1.1 ℃；風(fēng)速為1.5 m/s；庫內(nèi)相對濕度為55%～60%；蒸發(fā)壓力（吸氣壓力）0.23 MPa；冷凝壓力（排氣壓力）為1.5 MPa；化霜周期為12 h。

1.1.5 試驗(yàn)材料 供試玉露香梨、紅富士蘋果于2017—2018 年分別采自山西省隰縣和臨猗縣，入貯時間分別為9 月17 日和10 月23 日?？刂瀑A藏溫度分別為-1.0～0、-1.1～-0.1℃；果實(shí)采用高滲出CO2保鮮袋包裝，每箱10 kg。冷庫貯量30 t。

1.2 測定項(xiàng)目及方法

1.2.1 冷庫溫度監(jiān)測 監(jiān)測果實(shí)入貯降溫階段、庫溫穩(wěn)定階段果垛溫度的變化以及制冷機(jī)組各運(yùn)行周期（運(yùn)行、停機(jī)、化霜）蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度、冷庫溫度、果品溫度的變化。

1.2.2 冷庫溫度場分布情況 分別對應(yīng)2 臺風(fēng)機(jī)機(jī)組布置20 路熱電偶探頭，其中，2 路熱電偶探頭分別布置在2 臺冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處，測定出風(fēng)口的氣流溫度；2 路熱電偶探頭分別布置在2 臺蒸發(fā)器回風(fēng)口翅片位置，觀察蒸發(fā)器的運(yùn)行情況；其余16 路熱電偶探頭置于庫內(nèi)不同位置分布點(diǎn)（圖1）；測定冷庫制冷機(jī)組各運(yùn)行周期（運(yùn)行、停機(jī)、化霜）以及冷庫內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)溫度。

利用Testo-176T2 刺入式溫度記錄儀（德國德圖儀器公司）、Apresys 數(shù)字溫度記錄儀176-T1（美國普利賽斯公司）、HE130X-16 多點(diǎn)溫度記錄儀（廣東東莞橫河電子儀器有限公司）進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲及分析處理。

1.2.3 果實(shí)品質(zhì)測定 隨機(jī)抽取果庫不同部位果實(shí)進(jìn)行取樣測定，重復(fù)3 次。果實(shí)硬度采用FT-327硬度計（意大利T.R.公司）測定?？扇苄怨绦挝锖坎捎肞AL-1 折光儀（日本ATAGO 公司）測定，單位以百分?jǐn)?shù)計。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 和OriginPro 軟件進(jìn)行統(tǒng)計及繪圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 入庫預(yù)冷果垛溫度變化

冷庫溫度設(shè)定為-1.1～- 0.1 ℃，入庫預(yù)冷采用雙制冷機(jī)組同時工作，溫度數(shù)據(jù)采集頻率為5 min/次，果實(shí)入庫果垛溫度變化如圖2 所示。入庫后果實(shí)溫度迅速下降，24 h 溫度降到2.33 ℃，這與陳存坤等[10]的研究結(jié)果一致，果實(shí)品溫在溫度高的區(qū)段比溫度低的區(qū)段降溫速率快。隨后逐步穩(wěn)定下降至-1.1～-0.3 ℃；果實(shí)溫度為-0.7～-0.6 ℃。冷機(jī)工作效率改造后在入庫前期得以提升，預(yù)冷時設(shè)置2 臺風(fēng)機(jī)同時工作，蒸發(fā)面積加大，迅速將蘋果采收時帶入的田間熱量帶走，縮短了預(yù)冷時間，減少了果實(shí)代謝。

冷庫溫度穩(wěn)定后，截取24 h 蘋果果垛（3 m長×2 m 寬×3 m 高）內(nèi)溫度的變化，溫度數(shù)據(jù)采集頻率為5 min/次。如圖3 所示，果垛內(nèi)溫度變化較小，維持在-0.6～-0.4 ℃，僅從數(shù)據(jù)點(diǎn)已經(jīng)分辨不出化霜周期。

2.2 制冷機(jī)運(yùn)行階段冷庫溫度變化

制冷機(jī)運(yùn)行階段冷庫出風(fēng)口、庫溫及果溫變化曲線如圖4 所示，制冷機(jī)工作，出風(fēng)口溫度由-0.7 ℃下降至-4.9 ℃停機(jī)；冷庫庫溫從-0.8 ℃達(dá)到-2.5 ℃；果實(shí)溫度維持在-0.7～-0.5 ℃，波動在±0.1 ℃范圍內(nèi)。

截取制冷機(jī)運(yùn)行中冷庫庫溫-0.9 ℃時，庫內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)溫度分布如圖5 所示，除蒸發(fā)器回風(fēng)口翅片表面溫度為-3.1 ℃和-2.05 ℃，冷庫其余部位的溫度分布在-1.2～-0.6 ℃，最高溫位于庫門正對底部，溫度為-0.6 ℃，最低溫為庫內(nèi)風(fēng)機(jī)正對面，溫度為-1.2 ℃，溫差為0.6 ℃。

2.3 制冷機(jī)停機(jī)階段冷庫溫度變化

制冷機(jī)停機(jī)階段冷庫內(nèi)、果溫及出風(fēng)口溫度變化曲線如圖6 所示，冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口溫度從-5.1 ℃上升至-0.7 ℃；庫溫從-2.2 ℃開始逐漸上升至-0.8 ℃；果品溫度一直較穩(wěn)定，維持在-0.7～-0.6 ℃。停機(jī)階段均溫風(fēng)扇開始啟動，對冷空氣起到擾流的作用。

當(dāng)庫溫在-0.9 ℃時，冷庫內(nèi)各溫度監(jiān)測點(diǎn)溫度分布結(jié)果顯示（圖7），庫門方向?qū)?yīng)頂部溫度最高達(dá)-0.6 ℃，庫內(nèi)風(fēng)機(jī)正對面庫溫為-1.0 ℃，溫差僅為0.4 ℃。

2.4 化霜期間冷風(fēng)機(jī)蒸發(fā)器溫度變化

冷庫采取雙機(jī)組工作，融霜期間一組冷風(fēng)機(jī)電熱融霜，另一組冷風(fēng)機(jī)仍在制冷，融霜期間2 組蒸發(fā)器溫度變化結(jié)果顯示（圖8），工作機(jī)組蒸發(fā)器最低溫度達(dá)-9.5 ℃，最高溫度達(dá)-0.2 ℃，制冷換熱效果明顯；化霜組蒸發(fā)器溫度開始上升，達(dá)到3.9 ℃，直到蒸發(fā)器翅片霜全部融解，且翅片上化霜水滴盡或蒸發(fā)，壓縮機(jī)開始工作，此時風(fēng)機(jī)不工作，讓化霜蒸發(fā)期余熱先帶出庫體；當(dāng)蒸發(fā)器吸風(fēng)口溫度低于-1.0 ℃時，風(fēng)機(jī)參與工作，這樣蒸發(fā)器電熱化霜后的余溫就不會被帶進(jìn)庫體。

化霜期間同樣截取庫溫為-0.9 ℃時，冷庫各點(diǎn)溫度場分布結(jié)果顯示（圖9），工作機(jī)組出風(fēng)口對面靠近墻體30 cm 處溫度最低，為-1.4 ℃，庫內(nèi)測頂部溫度最高，達(dá)-0.8 ℃，溫差為0.6 ℃，這一溫差與停機(jī)階段庫溫相對穩(wěn)定時的溫差相比，僅高出0.2 ℃；化霜期間果溫一直維持在-0.6～-0.5 ℃。

2.5 果實(shí)貯藏效果分析

精確控溫冷庫改造后分別用于紅富士蘋果、玉露香梨冰溫貯藏，以相同容量、相同制冷機(jī)組配制冷庫為對照，庫溫分別控制在-1.1～-0.1、-1.0～0 ℃，貯藏效果如表1 所示，蘋果入貯時果實(shí)硬度為6.94 kg/cm2，可溶性固形物含量為15.6%；冷藏180 d 后，冷藏的果實(shí)硬度達(dá)6.51 kg/cm2，可溶性固形物含量為14.7%。玉露香梨果實(shí)入貯時果實(shí)硬度為3.71 kg/cm2，可溶性固形物含量為13.3%；冷藏180 d 后，果實(shí)硬度和可溶性固形物僅降低了4.85%、2.25%。低而穩(wěn)定的溫度，進(jìn)一步降低了果實(shí)的代謝，失重率減少，在中長期貯藏中果實(shí)品質(zhì)保持較好。

表1 冰溫貯藏期間果實(shí)品質(zhì)變化

3 結(jié)論與討論

冷庫的精確控溫貯藏要求冷庫庫內(nèi)溫度分布均勻、冷庫果品溫度波動盡可能小。生產(chǎn)性冷庫在運(yùn)行過程中，由于冷庫設(shè)計空間位置以及冷機(jī)運(yùn)行的不同階段導(dǎo)致庫內(nèi)溫度空間分布不均勻[11-14]，動態(tài)變化較大，尤其是蒸發(fā)器進(jìn)入化霜階段，生產(chǎn)冷庫普遍采用的電融霜，庫內(nèi)溫度根據(jù)容量及溫度設(shè)置不同化霜期間溫度上升幅度達(dá)5～10 ℃，從而影響庫內(nèi)果品溫度波動，帶來一系列如果實(shí)袋內(nèi)結(jié)露、微生物易滋生、果實(shí)衰老腐敗加劇、蒸發(fā)器的制冷效率明顯下降、耗電量增加[15-16]等問題。為此，研究者也通過對一些設(shè)施的改良，如雙溫雙控[15-16]、熱氣容霜[17]、復(fù)合加熱循環(huán)除霜[18]等來避免制冷效率下降，并取得了不同的進(jìn)展。

小溫差精確控溫系統(tǒng)是在入庫前期同時啟動雙制冷機(jī)組，快速帶走果實(shí)田間熱量，達(dá)到減少果實(shí)代謝的目的。運(yùn)行期間可以根據(jù)庫內(nèi)容量及控溫要求調(diào)整機(jī)組工作的啟閉，從而達(dá)到容量與制冷量相匹配。雙制冷機(jī)組交替除霜/制冷和制冷機(jī)組與均溫風(fēng)機(jī)無縫銜接交替工作的模式改造，改善了冷庫融霜期間庫溫波動大的問題。均溫風(fēng)扇在冷風(fēng)機(jī)制冷停機(jī)階段的無縫銜接啟動，達(dá)到了空氣場擾流的目的，使庫內(nèi)氣流分布更為均勻，從而達(dá)到庫內(nèi)溫度分布均勻。在冷機(jī)運(yùn)行階段、停機(jī)階段，尤其是化霜階段實(shí)現(xiàn)了冷庫庫溫溫差±0.3 ℃、果實(shí)溫差±0.1 ℃的精確控溫冷庫。紅富士蘋果、玉露香梨貯藏180 d 后，其果實(shí)品質(zhì)顯著優(yōu)于普通冷庫貯藏效果，為普通商業(yè)冷庫的精確控溫運(yùn)行及冰溫貯藏提供了可參照模式。