液氮充注气调对马铃薯保鲜环境参数的影响

王广海+陆华忠+吕恩利+侯可明+王飞仁+何伟宁

摘要：为研究液氮充注气调对马铃薯贮藏温度、相对湿度和氧气体积分数等保鲜环境参数的影响，搭建了液氮充注气调试验平台，进行了液氮充注试验，对比翅片间距、通风风速和环境温度3个试验因素对厢体后侧温度、相对湿度和氧气体积分数的影响。试验结果表明：翅片间距越大，降氧和降温速度越慢，相对湿度总体呈先降低后升高的变化规律；通风风速对氧气体积分数和温度的影响显著，通风风速越大，降氧速度越慢，降温速度越快，相对湿度与温度相互对应；环境温度对氧气体积分数、温度和相对湿度的影响不显著。试验结果可为气调保鲜装备的研究提供参考。

关键词：翅片间距；通风风速；环境温度；保鲜环境；马铃薯；液氮

中图分类号： TS205

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）04-0312-03

液氮充注气调可综合调控厢体内温度、湿度、氧气和二氧化碳体积分数，实现果蔬物理保鲜，提高贮运品质，有效减少损耗率[1-6]。液氮温度低，冷能大，直接充注容易造成果蔬局部低温冻伤，需加装汽化器辅助汽化，汽化器翅片参数、通风风速和环境温度等因素直接影响保鲜环境参数[7-9]。国内外相关研究主要集中于气调保鲜技术、环境参数调控特性和控制策略等内容，针对液氮充注气调对果蔬保鲜环境参数影响的相关研究还比较少[10-15]。液氮充注气调引起果蔬贮藏环境参数的变化程度直接影响保鲜品质，是气调环境调控技术不可忽视的重要环节，有必要进行深入分析。本研究通过搭建液氮充注气调试验平台，分析液氮充注气调过程中汽化器翅片间距、通风风速和环境温度等试验因素对马铃薯贮藏温度、相对湿度和氧气体积分数等保鲜环境参数的影响，为果蔬气调保鲜装备的研究提供参考。

1 试验装置与方法

液氮充注气调试验装置见图1。试验厢体由12 mm厚有机玻璃板制成，长×宽×高为2.38 m×1.28 m×1.40 m，厢体内外壁均用50 mm厚保温泡沫板覆盖。试验初始环境温度和湿度分别由制冷机组（自制，额定功率1 491 W）和超声波加湿装置（内置24个超声波加湿雾化头，额定功率250 W）调节。自增压液氮罐（型号YDZ-100，最大出液压力0.09 MPa）开启向厢体内充注液氮，流经汽化器形成低温氮气，在风机（型号YM2420AXB1，最大流量16.84 m3/min，并排2个）的压差作用下使气流从回风道流经开孔隔板（开孔率为4.03%）至马铃薯贮藏区，液氮充注时开启电动球阀（通径50 mm，电压24 V，厢体两侧各1个）泄压，实现厢体内外气体交换，降低氧气体积分数。厢体后端布置1个温度传感器（测量范围：-20～80 ℃，精度：±0.3 ℃）、1个湿度传感器（测量范围：0～99.9%，精度：±2%RH）和1个氧气浓度传感器（测量范围：0～25%，精度±1%），用以测量厢体内的温度、湿度和氧气体积分数，开孔隔板内侧均匀布置5个温度传感器，用以测量隔板平均温度。各传感器数值通过无纸记录仪实时记录（记录频率1次/s），并储存于电子计算机内。

试验材料选用马铃薯，总质量 250 kg，购于广州市白云农副产品批发市场，形状规则，无病虫害，无机械损伤，表皮呈淡黄色。马铃薯经过预冷后装入塑料筐内，塑料筐规格（长×宽×高）为495 mm×355 mm×255 mm，网状结构，开孔率为38.5%，堆垛方式为中间、两侧留空，堆垛左、右间距为 55 mm，前、后间距为135 mm。

以汽化器翅片间距、通风风速和初始环境温度为试验因素，结合项目经验和国内外相关文献[16-20]选取试验因素水平值，如表1所示。

2 结果与分析

2.1 翅片间距对马铃薯保鲜环境参数的影响

调节厢体内初始环境温度为（5±0.2） ℃，相对湿度为（85±5）%，氧气体积分数为（20.5±0.5）%，通风风速为6 m/s，分别选用翅片间距为4、5、6、7 mm的汽化器进行液氮充注试验，分析汽化器翅片间距对马铃薯保鲜环境参数的影响情况，试验结果如图2、图3和图4所示。

由图2可知，翅片间距越大，降氧速度越慢。原因是汽化器翅片间距大，翅片表面结霜量较小，结霜产生的空气流动阻力及热阻相对较小，汽化器管内液氮流动过程中气相增加，管内压降增大，使液氮流动阻力增大，流量减小，从而降低了降氧速度。

由图3可知，翅片间距越大，降温速度越慢。原因是汽化器翅片间距大，空气流动阻力及热阻小，换热效果好，汽化器管内液氮流动阻力增大，流量减小，液氮出气温度高，从而降温速度慢。从总体上看，温度呈先略升后急降的降温规律，原因是液氮充注初始阶段，液氮罐处于自增压过程，出液流量小，汽化器出气温度较高，致使厢体后侧温度略微升高后再迅速降低。

由图4可以看出，翅片间距对厢体后侧相对湿度的影响不显著，相对湿度总体呈先降低后升高的变化规律。原因是厢体后侧温度呈先略升后急降的降温规律，在密闭的贮藏空间里，温度升高时，湿度值会偏离饱和值，使相对湿度降低，而降温过程使湿度值更接近饱和值，提高了相对湿度，即厢体内相对湿度总体也呈先降低后升高的变化规律。液氮充注初始阶段，当翅片间距为4 mm时，汽化器换热表面积最大，出气温度最高，使厢体后侧温度升高幅度最大，从而致使相对湿度呈先迅速下降后上升的规律。

2.2 通风风速对马铃薯保鲜环境参数的影响

调节厢体内初始环境温度为（5±0.2） ℃，相对湿度为（85±5）%，氧气体积分数为（20.5±0.5）%，汽化器翅片间距选用4 mm，分别在0、2、4、6 m/s的通风风速下进行液氮充注试验，分析通风风速对马铃薯保鲜环境参数的影响情况，试验结果如图5、图6和图7所示。

由图5可知，通风风速对氧气体积分数的影响显著，通风风速越大，降氧速度越慢。首先，通风风速大，汽化器换热效果好，汽化器管内压降增大，使液氮流动阻力增大，流量减小，降低了降氧速度。其次，液氮充注时开启电动球阀进行泄压，通风风速大，加快了厢内气流循环，使电动球阀附近单位体积内氧气体积分数下降，泄压换气的排氧比例减少，从而降低了降氧速度。

由图6可知，通风风速对厢体后侧温度的影响显著，通风风速越大，降温速度越快。原因是通风风速大，气流循环的速度加快，液氮释放的冷能迅速与厢体后侧进行热交换，提高了降温速度。当通风风速为0m/s时，汽化器换热效果较差，结霜严重，且厢体内的气流无法进行循环，使得液氮释放的冷能都在厢体前端聚集，致使厢体后侧温度出现不降反升的情况。

由图7可以看出，通风风速对厢体后侧相对湿度的影响显著，相对湿度与温度相互对应，当通风风速大使得降温速度快时，相对湿度上升的速度也快。当通风风速为0 m/s时，试验结束时隔板平均温度为-2.78 ℃，厢体后侧温度为 6.7 ℃，前后温差为9.48 ℃，试验过程厢体后侧相对湿度从80%降至39%。

2.3 环境温度对马铃薯保鲜环境参数的影响

调节厢体内初始环境相对湿度为（85±5）%，氧气体积分数为（20.5±0.5）%，汽化器翅片间距选用4 mm，通风风速设定为6 m/s，分别在5、10、15、20 ℃的初始环境温度下进行液氮充注试验，分析环境温度对马铃薯保鲜环境参数的影响情况，试验结果如图8、图9和图10所示。

由图8可知，环境温度对氧气体积分数的影响不显著，不同初始环境温度下的降氧速度差别不大。原因是液氮温度约为-196 ℃，厢体环境温度的变化对汽化器管内外温差的影响较小，换热系数差别不大，所以环境温度对降氧速度的影响程度较小。

由图9可知，环境温度对厢体后侧温度的影响不显著，不同初始环境温度下的降温速度差别不大，原因是厢体环境温度的变化对汽化器换热系数的影响较小。当厢体初始环境温度为5 ℃时进行液氮充注试验，试验结束时厢体后侧温度降至0 ℃，容易引起马铃薯低温冻伤。

由图10可以看出，环境温度对厢体后侧相对湿度的影响不显著，相对湿度总体呈先降低后升高的变化规律，与降温过程相互对应。

3 结论与讨论

为研究液氮充注气调对马铃薯保鲜环境参数的影响，搭建了液氮充注气调试验平台，进行了液氮充注试验。试验结果表明：（1）翅片间距越大，降氧和降温速度越慢，翅片间距对相对湿度的影响不显著，相对湿度总体呈先降低后升高的变化规律；（2）通风风速对氧气体积分数和厢体后侧温度的影响显著，通风风速越大，降氧速度越慢，而降温速度则越快，厢体后侧相对湿度与温度相互对应；（3）环境温度对氧气体积分数、厢体后侧温度和相对湿度的影响不显著。

值得讨论的是，液氮充注气调马铃薯保鲜环境参数的影响还应考虑初始环境相对湿度水平值和物料贮藏区域的流场均匀性等因素，本课题组正在对此相关影响因素进行深入研究。

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