应用辐射换热的食品保温储藏箱设计与试验

赵 悦，王 瑜，黄枫壬，臧 倩，陈世龙

（南京工业大学城市建设学院，江苏南京210009）

0 引言

调查研究表明，在寒冷的冬天，上班族、学生党等常因离住宿地方太远，导致从食堂打包的饭菜在路途中就已经变冷。目前餐厅中常用的塑料打包盒并不能长时间使食物保持在适宜温度，能否吃上一顿热饭菜成了一大问题。胃对食物很挑剔,生、冷、硬、酸、辣等刺激性食物会影响胃的工作。很多消化酶的正常工作需要适宜的温度,长期食用凉饭菜会影响胃酸分泌和消化酶的作用［1］。长此以往,可能患上胃溃疡、浅表性胃炎等胃病。

以保温方式分类，保温盒主要有加热型和非加热型两种类型。经研究分析，加热型配送箱内部温度明显高于非加热型配送箱［2］。保温盒传统设计构思为使用电热丝进行加热。电热丝的制热效果并不理想，并且加工和固定组装烦琐，产热的效率在60%左右［3］。加入蓄电池后的保温盒虽延长了保温时间，但是电池的可接受电流随充电过程的进行而逐渐下降。充电后期，如果充电电流仍然很大，不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响蓄电池寿命［4］。镍氢电池不含有镉金属，安全可靠，贮能密度高，但它也具有记忆效应。二次锂电池重量轻、能量大、自放电率低，备受广大消费者的欢迎［5］。由于离子电池没有记忆效应，是便携式设备的首选电源［6］。但在充放电过程中，锂电池由于电化学反应以及自身电阻的存在，会产生大量的热量，使电池温度升高。当电池过热时，会造成寿命缩短，甚至还会引发热失控，进而导致安全事故；当温度过低时，电池容量急剧下降，性能严重衰减［7］。因此，电池不是保温饭盒能量来源的最优选择。

辐射传热应用内外共同加热的方式，可实现短时加热；通常的加热方法，若提高加热的速率，就会形成外焦里生的现象，而辐射传热时食物各部分均能接收电磁波，均匀性得到改善。基于此原理，本文设想将建筑中的水辐射管应用至食物保温领域，抛弃了电池加热方式，设计过程中计算了热水用量，并对该饭盒进行了保温设计。在此基础上向保温盒内加入饭菜，模拟真实的保温环境，通过试验来验证保温盒的保温效果和持续时间。

1 保温盒设计

1.1 设计原理

在红外辐射加热过程中，红外线照射到被加热食物表面时，一部分反射，一部分透过，一部分被食物吸收。食物吸收红外线是因为食物分子运动与红外辐射频率相一致，产生共振或转动，食物将红外辐射吸收转化成分子热运动。

1.2 箱体设计

箱体材料选用pp板，pp塑料重量比金属轻，相比较其他塑料pp 板耐高温，对食物无毒无害。利用水比热容较大的特性，以水储能，通过水的辐射散热，完成对食品的保温工作。为了使食物受热均匀，采用16根辐射换热水管分别在箱体5个面进行加热。具体布置如图1所示。保温材料选择采取导热系数较低的材料，且需耐高温、防水、重量小，所以选择了聚氨酯泡沫板。在选择加热装置时，作为预备材料的选择有陶瓷加热片、电热丝两种方案。陶瓷加热片绝缘性能好，为确保装置的安全性，试验将采用陶瓷加热片。

图1 保温箱及辐射水管布置

1.3 箱体参数

制造完成的样机如图2所示。

图2 保温箱样机

箱体规格：内箱体内尺寸31×16×10 cm；内箱体外尺寸32×17×10.5 cm；外箱体内尺寸37×22×13 cm；外箱体外尺寸38×23×13.5 cm；箱体重量1.831 kg；聚氨酯泡沫层导热系数为0.68 W/（m2·K）。

2 试验设计

为保证试验的准确性，本次分别进行了4次对比试验。

2.1 试验原理

将水管埋入隔热保温材料聚氨酯泡沫板中，通过加热箱体内安装的辐射水管中的水，利用水的辐射散热特性和聚氨酯泡沫板对水管的保温，达到给食物保温的效果。

2.2 试验仪器

除设计完成的保温箱体外，试验元器件还包括两份打包的饭菜、计时器、红外测温仪。

2.3 试验步骤

记录每隔0.5 h的饭菜温度，通过试验数据，测量辐射传热保温箱的保温效果。

步骤1：准备好试验器材，将100 ℃的水灌入辐射水管中。将准备好的两份饭菜标号，分别为饭1、饭2、菜1、菜2。用红外测温仪测温并记录两份饭菜的初始温度。

步骤2：将两份饭菜放入辐射传热保温箱中，计时器开始计时。每隔0.5 h 记录两份饭菜的温度，测量3 次饭的温度和两次菜的温度，分别取平均值，直到饭菜温度接近35 ℃时，停止试验。

步骤3：加热两份饭菜，使温度与初始温度接近。将两份饭菜置于28 ℃的室内环境下，重复过程步骤2。

步骤4：加热标号为饭1、菜1的一份饭菜，使温度与初始温度接近。将一份饭菜放入辐射传热保温箱中，重复步骤2。

步骤5：加热步骤4中的一份饭菜，使温度与步骤4 中的温度相差不大。将一份饭菜放入辐射传热保温箱中，计时器开始计时。每隔0.5 小时记录一份饭菜的温度和箱体内表面的温度，测量3 次饭的温度、两次菜的温度和3 次内表面温度，分别取平均值，直到饭菜温度接近35 ℃时，停止试验。

3 结果与讨论

3.1 室内自然放置试验

试验者首先进行了90 min 的室内自然放置的对比试验，测量结果如图3 和图4 所示，由此结果可知，在正常适宜的室内温度环境内，作为试验样品的两份饭菜在90 min后出现明显的降温现象，两份饭分别从初温53.8 ℃和56.7 ℃降至36.9 ℃和36.8 ℃，两份菜分别从初温45.7 ℃和48.3 ℃降至33.4℃和33.9 ℃，降温均在10 ℃以上。试验在温度较高的夏季进行，显然可以预见，冬季在未安装暖气设施的房间内，饭菜在室内自然放置时的降温趋势会更加明显，经历相同的放置时间后，饭菜温度会更低，放凉的饭菜不仅影响口感，也会对人的身体产生许多不好的影响。

3.2 使用辐射保温箱放置试验

室内自然放置对比试验结束后，在完全相同的外界条件下，继续进行了使用辐射保温箱放置饭菜的试验，具体试验结果所呈现的满载时食物温度变化曲线如图5 和图6 所示，可以看到，放置时间达90 min 时，平均初温为51.4 ℃的饭1和初温为57.3 ℃的饭2的平均温度分别为42.8 ℃和46.1 ℃，平均初温为45.1 ℃的菜1和初温为49.9 ℃的菜2的平均温度分别为42.7 ℃和40.7 ℃，而经过300 min 的放置试验后，饭1、菜1、饭2、菜2 的终温分别为35.1 ℃、37.9 ℃、37.8 ℃、36.2 ℃，注入的热水温度降至33.3 ℃。试验结果说明，5 h 内保温箱可维持饭菜温度在人体可接受范围内，与室内自然放置试验结果相比较，发现辐射保温箱明显减缓了饭菜温度下降的趋势，满足设计要求。

3.3 仅一份饭菜的使用辐射保温箱放置试验

图3 1号饭菜室内放置温度变化

图4 2号饭菜室内放置温度变化

图5 1号饭菜在保温箱中的温度变化

图6 2号饭菜在保温箱中的温度变化

为探究保温箱装配饭菜质量对保温结果的影响，试验者继续进行了一份饭菜的辐射保温箱试验，试验进行前，试验者预计需保温的食物总量减少，保温时间应该会延长，然而，在实际试验过程中，试验者发现，保温90 min 时，饭的温度从初温57.8 ℃降至42.9 ℃，菜的温度从初温46.4℃降至38.1 ℃，在放置时间达到180 min后，饭的平均温度降至39.0 ℃，菜的温度降至37.4 ℃，试验结果所呈现下半负荷时食物温度变化曲线如图7所示，由图5、图6和图7对比可知，与两份饭菜相比，保温时间明显降低。

图7 一份饭菜在保温箱中的温度变化

3.4 仅一份饭菜的使用辐射保温箱放置试验二

为确定探究此结果产生的原因，继续进行了仅一份饭菜的使用辐射保温箱放置试验二。此次试验中，试验者在测定饭菜表面平均温度的同时，额外测定了工作时保温箱内表面的温度变化，具体试验结果如图8所示，在本次试验中，180 min时，饭从初温58.2 ℃降至39.2 ℃，菜从初温42.4 ℃降至39.2 ℃。由此可确定，试验所呈现的结果是基本正确的。测得箱体内表面的初温为27.4 ℃，注入热水30 min 后，箱体内表面温度升至40.3 ℃，工作60 min 后，箱体内表面温度升高至最大值41.7 ℃，而后逐渐下降，工作270 min 后，箱体内表面温度降至35.0 ℃。

图8 一份饭菜及箱体内表面温度变化

出现此种现象的原因在于，仅加热一份饭菜时，饭菜在受热保温前，以辐射和对流方式向箱体内表面散热，为箱体内表面预热，在箱体内表面温度大于食物表面温度之后，保温箱开始正常工作。若预热不到位，箱体内表面温度小于食物温度，会出现由食物表面到箱体内表面的反向辐射换热现象，致使饭菜温度下降。保温箱在加热两份饭菜时，饭菜同样受到保温箱预热的影响，但两份饭菜之间相互的热量交换减弱了此影响，加强了保温效果，试验结果因而呈现出更加平缓的温度下降趋势。因此在保温箱实际使用时，需在放入饭菜前预热一段时间，使得箱体内表面温度与饭菜温度趋于一致或大于饭菜温度，从而保证辐射换热方向遵循“辐射水管—箱体内表面—饭菜表面”的趋势。

4 结语

基于辐射换热技术，本文选用水作为热源介质，以覆盖保温材料的箱体为载体，设计了一种食品保温储藏箱。在此基础上开展了模拟试验和对比试验，得到结论如下。

（1）在正常适宜的室内温度环境内，不使用保温箱90 min 内能维持样品饭菜温度在人体可接受范围内。

（2）在完全相同的外界条件下，使用辐射保温箱放置，300 min 内能维持样品饭菜温度在人体可接受范围内。

（3）探究了保温箱装配饭菜量对保温结果的影响，由于温度差导致易保温箱反向传热现象的产生，因此在使用时，要提前预热提升箱体内表面温度从而保证热量遵循“辐射水管—箱体内表面—饭菜表面”的传递方向。