方思貞，郭嘉明，李亞慧，陸華忠，呂恩利

(華南農(nóng)業(yè)大學a南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室；b工程學院，廣東 廣州 510642)

保鮮運輸用管道式加濕裝置的設計與試驗

方思貞a,b，郭嘉明a,b，李亞慧a,b，陸華忠a,b，呂恩利a,b

(華南農(nóng)業(yè)大學a南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室；b工程學院，廣東 廣州 510642)

【目的】 研究廂內管道式超聲波加濕裝置的工作特性，提高保鮮運輸加濕系統(tǒng)的工作性能，改善保鮮環(huán)境的濕度均勻性?！痉椒ā?設計了一套管道式加濕裝置，搭建保鮮運輸加濕系統(tǒng)試驗平臺并研究水霧輸送管管徑(12.5，19.0和25.4 mm)、開孔數(shù)(2，4，6和8孔)、水霧輸送風機電壓(12，18和24 V)、回風道風速(4，6和8 m/s)對加濕特性的影響?！窘Y果】 水霧輸送管管徑、回風道風速、水霧輸送管開孔數(shù)、水霧輸送風機電壓對加濕均勻性的影響程度依次減??；在水霧輸送管管徑為25.4 mm、回風道風速為4 m/s、水霧輸送管開孔數(shù)為4孔、水霧輸送風機電壓為24 V時，廂內相對濕度標準差最低，為2.92；在回風道風速為8 m/s、水霧輸送風機電壓為24 V、水霧輸送管開孔數(shù)為8孔、水霧輸送管管徑為25.4 mm時，加濕速率最高，加濕時間為372 s。【結論】 綜合考慮確定水霧輸送管管徑25.4 mm、回風道風速4 m/s、水霧輸送管開孔數(shù)4孔、水霧輸送風機電壓24 V為保鮮運輸用管道式加濕裝置的最優(yōu)參數(shù)組合。

保鮮運輸；加濕裝置；參數(shù)優(yōu)化；濕度均勻性

新鮮果蔬的含水量可達65%～96%，果蔬保鮮的目的之一便是保持水分，以減少鮮度的降低[1-2]。為了抑制果蔬水分蒸發(fā)，降低貯藏環(huán)境與果蔬之間的水蒸氣壓差，要求貯藏環(huán)境具有適宜的相對濕度[3-4]。相對濕度過低會促進呼吸消耗，從而對果蔬產(chǎn)生生理傷害[5]，相對濕度過高則為微生物的大量繁殖提供了條件，還可能產(chǎn)生浸漬現(xiàn)象[6]而加速果蔬的腐敗變質，因此相對濕度的控制直接影響到果蔬貯藏品質的好壞[7]。目前，有關果蔬保鮮運輸中加濕系統(tǒng)的加濕均勻性研究還較少，在相對濕度可以調節(jié)的運輸廂體內，常利用制冷風機將加濕裝置產(chǎn)生的水霧直接吹向廂體前部，致使前端貨物相對濕度過高而凝結水珠，而后端貨物相對濕度偏低[8-11]。為解決保鮮運輸廂體內不同位置相對濕度的差異問題，本研究搭建了基于壓差原理的加濕試驗平臺[12-14]，通過改變水霧輸送管管徑、回風道風速、水霧輸送管開孔數(shù)、水霧輸送風機電壓，研究廂內管道式超聲波加濕裝置的工作特性，優(yōu)化其加濕性能，以期為果蔬貯運加濕裝置的優(yōu)化研究提供參考。

1 加濕裝置設計與試驗平臺搭建

1.1 試驗平臺搭建

基于壓差原理的保鮮運輸試驗平臺如圖1 所示。廂體尺寸(長×寬×高)為1 600 mm×1 100 mm×1 500 mm，廂體由聚氨酯泡沫夾芯板拼接而成，壁厚100 mm。試驗平臺包括可編程控制器(SIMENS S7-300 型 PLC，西門子中國有限公司)、制冷機組(制冷量4 650 W，廣州綽盈制冷設備有限公司)、制冷風機(KINGBO ZNF295-G 24 V 直流風機，廣州精博制冷設備有限公司)、溫度傳感器(測量范圍-20～80 ℃，精度±0.3 ℃，廣州西博臣科技有限公司)、相對濕度傳感器(測量范圍 0～100%，精度±3%，廣州西博臣科技有限公司)、超聲波霧化頭(JAS-20-B 型，中山市紅星電子廠)、水霧輸送風機(XXD1203824VH IP55防水型，深圳興鑫大電子有限公司)、24 V可調電源、無紙記錄采集儀和計算機等。

控制系統(tǒng)通過溫度傳感器和相對濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，控制制冷機組、超聲波霧化頭等執(zhí)行設備工作，通過觸摸屏實現(xiàn)人機對話。保鮮室9個相對濕度傳感器(a1～a9)為3×3布置方式，均勻布置在中縱截面上，具體布置位置如圖2所示。

圖1 保鮮運輸試驗平臺設備簡圖1.壓差式廂體；2.回風道；3.制冷風機；4.制冷機組；5.無紙記錄采集儀；6.計算機；7.人機交互界面；8.可編程控制器；9.可調電源；10.補水箱；11.排水管；12.積水槽；13.水霧輸送風機；14.水霧輸送管；15.溫度與濕度監(jiān)控傳感器；16.超聲波加濕浮子；17.水箱

圖2 保鮮運輸試驗平臺保鮮室相對濕度傳感器(a1～a9)布置示意圖

1.2 加濕裝置設計與工作原理

超聲波加濕裝置主要由水箱和超聲波浮子組成，超聲波浮子起到固定超聲波霧化頭位置、確保吃水深度的作用。在水箱內等間距放置2個浮子，每個浮子上固定6個超聲波霧化頭，添加水霧輸送管道，管道沿廂體壁面布局(圖1)。工作時加濕霧化頭產(chǎn)生的超聲波使水產(chǎn)生激烈而快速變化的高頻振蕩，劇烈的振動使水破碎成水霧[15-16]，通過水霧輸送風機加壓，利用氣流驅動水霧，使盡可能多的水霧進入管道，水霧通過水霧輸送管到達水霧出口橫管上均勻布置的小孔進入保鮮室，進而改變廂體內的相對濕度。

2 加濕效果的影響因素試驗

2.1 試驗材料

試驗材料為夏橙，平均直徑為86.5 mm，單個平均質量為215 g，總質量75 kg，購于水果批發(fā)市場。果實未經(jīng)任何催熟處理，果形規(guī)則，無病蟲害，表面無損傷，表皮呈鮮橙色。夏橙均勻放置于28個塑料筐中，塑料筐規(guī)格(長×寬×高)為495 mm×355 mm×255 mm，網(wǎng)狀結構，開孔率38.5%。夏橙為濕度要求(85%～90%)中等偏高的水果，且貯藏期比較長，適合進行加濕試驗研究[17]。購回的夏橙在預冷1 d后正式開始試驗。

2.2 加濕效果單因素試驗

以加濕速率和加濕均勻性為評價指標，進行單因素試驗，分別研究不同的水霧輸送管管徑、回風道風速、水霧輸送管開孔數(shù)、水霧輸送風機電壓對加濕特性的影響。

1)水霧輸送管管徑。在回風道風速為4 m/s，水霧輸送管開孔數(shù)為8孔，水霧輸送風機電壓為24 V的條件下，依次改變水霧輸送管管徑為25.4，19.0和12.5 mm。

2)回風道風速。在水霧輸送管管徑為25.4 mm，水霧輸送管開孔數(shù)為8孔，水霧輸送風機電壓為24 V的條件下，依次改變回風道風速為8，6和4 m/s。

3)水霧輸送管開孔數(shù)。在水霧輸送管管徑為25.4 mm，回風道風速為4 m/s，水霧輸送風機電壓為24 V的條件下，依次改變水霧輸送管開孔數(shù)為8，6，4和2孔。

4)水霧輸送風機電壓。在水霧輸送管管徑為25.4 mm，回風道風速為4 m/s，水霧輸送管開孔數(shù)為8孔的條件下，依次改變水霧輸送風機電壓為24，18和12 V。

2.3 加濕均勻性正交試驗

在單因素試驗的基礎上，以水霧輸送管管徑、回風道風速、水霧輸送管開孔數(shù)、水霧輸送風機電壓為試驗因素，綜合考慮各因素水平與加濕效果的關系，去掉加濕時間較長、加濕均勻性較差的試驗因素，如水霧輸送管開孔數(shù)6孔等，適當調整后對加濕均勻性進行正交優(yōu)化試驗，各因素試驗水平值的選取如表1所示，采用L9(34)正交表[18]安排試驗。

表1 運輸用加濕裝置加濕均勻性正交試驗設計Table 1 Design of orthogonal experiment on humidification uniformity of humidity device for fresh-keeping transportation

2.4 對比試驗

為驗證最佳組合，選取加濕均勻性最優(yōu)組合A1B3C2D1與單因素試驗加濕速率最優(yōu)組合A1B1C1D1進行對比試驗，每個試驗重復2次取平均值。比較兩組合的加濕速率與加濕均勻性，確定保鮮運輸用管道式加濕裝置的最優(yōu)參數(shù)組合。

2.5 測定項目及計算

將裝好夏橙的塑料筐按中間兩側留空的堆棧方式裝入保鮮室內[19]，用保鮮室中縱截面上的9個相對濕度傳感器記錄該截面上的相對濕度分布值，利用計算機通過無紙記錄采集儀記錄各傳感器數(shù)值，數(shù)據(jù)記錄頻率10 s/次。

試驗的評價指標有：

(1)

式中：Hi為第i個相對濕度傳感器的檢測值。

2)加濕均勻性。用9個相對濕度傳感器檢測值的標準差[20-21]表示，其表達式為：

(2)

在調控試驗初始環(huán)境時，為減小外界環(huán)境對試驗結果的影響，要注意定期更換水箱中的水，使水的溫度保持在(5±1) ℃，外界環(huán)境溫度為(25±2) ℃，外界相對濕度為(65±5)%。開啟電腦，打開數(shù)據(jù)采集軟件，通過操作PLC觸摸屏開啟制冷系統(tǒng)，將廂體內的溫度降至(3±1) ℃，相對濕度降低至70%，停止制冷10min左右，廂體內的相對濕度((82±2)%)趨于穩(wěn)定，開啟加濕系統(tǒng)，將廂體內的相對濕度升高至95%時停止加濕。記錄相對濕度隨時間的變化，直至加濕裝置停止工作5min后，保存數(shù)據(jù)，每個試驗重復2次取平均值。

3 單因素試驗結果與分析

3.1 各因素對加濕速率的影響

在設定的試驗條件下，加濕裝置工作時廂體內相對濕度的變化如圖3所示。

圖3 各試驗因素對運輸用保鮮廂體相對濕度變化的影響A.回風道風速；B.風機電壓；C.輸送管開孔數(shù)；D.輸送管管徑

從圖3-A可以看出，加濕速率隨回風道風速的增大而增大，當回風道風速為8m/s時，加濕時間為372s，加濕速度較快；圖3-B顯示，加濕速率隨水霧輸送風機電壓的增大而增大，當風機電壓為18和24V時，加濕時間比較接近，加濕速度較快；圖3-C表明，水霧輸送管開孔數(shù)為4和8孔時，加濕時間接近，加濕速度較快，當開孔數(shù)為6孔時，加濕時間為534s，加濕速度較慢；由圖3-D可知，加濕速率隨水霧輸送管管徑的增大而增大，當管徑為25.4mm時，加濕時間為398s，加濕速度較快。綜合以上結果，選取回風道風速8m/s、風機電壓24V、開孔數(shù)8孔、管徑25.4mm為單因素試驗中加濕速率的最優(yōu)組合。

3.2 各因素對加濕過程濕度均勻性的影響

各試驗因素與加濕裝置停止工作時廂體濕度均勻性的關系如圖4所示。從圖4可知，廂體內相對濕度標準差隨回風道風速的增大先增大后減小，當回風道風速為4m/s時，相對濕度標準差最小，為3.59，此時廂內濕度最均勻；廂體內相對濕度標準差隨水霧輸送風機電壓的增大而減小，當風機電壓為24V時，相對濕度標準差最小，為3.62，廂內濕度最均勻；水霧輸送管開孔數(shù)為4孔時，相對濕度標準差最小，為2.92，廂內濕度最均勻，開孔數(shù)為6孔時，相對濕度標準差最大，為4.55，廂內濕度均勻性最差；廂體內相對濕度標準差隨水霧輸送管管徑的增大先增大后減小，當管徑為25.4mm時，相對濕度標準差最小，為3.60，廂內濕度最為均勻。因此，選取回風道風速4m/s、風機電壓24V、開孔數(shù)4孔、管徑25.4mm為單因素試驗中加濕均勻性的最優(yōu)組合。

圖4 試驗因素與廂體加濕均勻性的關系

4 加濕均勻性正交優(yōu)化試驗

4.1 試驗結果分析

加濕均勻性的正交試驗結果如表2所示，利用SPSS19.0軟件對正交試驗進行方差分析，結果如表3所示。表3方差分析結果表明，4個因素對加濕均勻性的影響程度表現(xiàn)為A(管徑)>B(風速)>C(開孔數(shù))>D(電壓)，其中A、B、C3個因素對加濕均勻性具有顯著影響，D因素對加濕均勻性無顯著影響。

表2 加濕均勻性正交優(yōu)化試驗結果Table 2 Results of orthogonal optimization experiment on humidification uniformity

表3 加濕均勻性正交試驗結果的方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal optimization experiment on humidification uniformity

加濕均勻性與各試驗因素的關系如圖5所示，圖5表明，加濕均勻性隨管徑和風速的減小先增大后減小，隨開孔數(shù)的減小先減小后增大，隨風機電壓的增大而增大。從圖5還可以看出，加濕均勻性的最佳影響因素組合為A1B3C2D1，即水霧輸送管的管徑為25.4mm，回風道的風速為4m/s，水霧輸送管的開孔數(shù)為4孔，水霧輸送風機的電壓為24V時，加濕均勻性達到最優(yōu)，該結果與單因素試驗結果基本一致。

圖5 加濕均勻性與各影響因素的關系

圖6 加濕均勻性與加濕速率最優(yōu)組合間加濕速率的對比
Fig.6Comparisonexperimentonhumidifyingratesforoptimalhumidificationuniformityandhumidifyingrate

4.2 對比試驗

加濕均勻性最優(yōu)組合與單因素試驗加濕速率最優(yōu)組合對比試驗結果表明，A1B3C2D1組合的相對濕度標準差為2.92，A1B1C1D1組合的相對濕度標準差為4.19，可見A1B3C2D1組合的加濕均勻性較優(yōu)。圖6顯示，A1B1C1D1組合的加濕時間較短，加濕速率較快，而A1B3C2D1組合的加濕時間與A1B1C1D1組合相差不大，兩組合加濕速率接近。綜合加濕均勻性和加濕速率可知A1B3C2D1為最佳組合，即水霧輸送管管徑25.4mm、回風道風速4m/s、水霧輸送管開孔數(shù)4孔、水霧輸送風機電壓24V。

5 結論與討論

本研究搭建了運輸用管道式超聲波加濕裝置試驗平臺，分析了管道式超聲波加濕裝置的工作性能，以及水霧輸送管管徑、回風道風速、水霧輸送管開孔數(shù)、水霧輸送風機電壓對加濕性能的影響。研究結果如下：

1)單因素試驗表明，加濕速率隨回風道風速、水霧輸送風機電壓和水霧輸送管管徑的增大而增大，相對濕度標準差隨回風道風速和水霧輸送管管徑的增大先增大后減小，隨水霧輸送風機電壓的增大而減小。

2)對加濕均勻性進行的正交試驗結果表明：上述4個因素對加濕均勻性的影響程度由大到小依次為水霧輸送管管徑、回風道風速、水霧輸送管開孔數(shù)和水霧輸送風機電壓，其中水霧輸送風機電壓對加濕均勻性無顯著影響。在水霧輸送管管徑為25.4mm，回風道風速為4m/s，水霧輸送管開孔數(shù)為4孔，水霧輸送風機電壓為24V時，廂內相對濕度標準差最低，為2.92。

值得說明的是，廂體結構、貨物堆碼方式、包裝等因素也會對研究結果產(chǎn)生一定的影響，這將是下一步研究的主要內容。

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Design and experiment of pipeline humidifying device for fresh-keeping transportation

FANG Si-zhena,b,GUO Jia-minga,b,LI Ya-huia,b,LU Hua-zhonga,b,Lü En-lia,b

(aKeyLaboratoryofKeyTechnologyonAgriculturalMachineandEquipment,MinistryofEducation;bCollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou,Guangdong510642,China)

【Objective】 This study investigated the operating characteristics of pipeline humidifying device to improve the performance of humidification system and the humidity uniformity of preservation environment.【Method】 A pipeline humidifying device was designed and experimental platform for fresh-keeping transportation humidification system was established.The effects of pipe diameter (12.5,19.0 and 25.4 mm), number of holes (2,4,6 and 8),voltage of fan (12,18 and 24 V),and speed of air duct(4,6 and 8 m/s) on the wetting characteristics were also analyzed.【Result】 The effects of pipe diameter,number of holes,voltage of fan,and speed of air duct on humidity uniformity were in the order of pipe diameter>number of holes>voltage of fan>speed of air duct.When pipe diameter was 25.4 mm,speed of air duct was 4 m/s,number of holes was 4,and voltage of fan was 24 V,the lowest value of humidification uniformity of 2.92 was obtained.The highest humidifying rate was obtained when speed of air duct was 8 m/s,voltage of fan was 24 V,number of holes was 8,pipe diameter was 25.4 mm and humidifying time was 372 s.【Conclusion】 Based on comprehensive consideration, optimal parameters of pipeline humidifying device for fresh-keeping transportation were:pipe diameter 25.4 mm,speed of air duct 4 m/s,number of holes 4,and voltage of fan 24 V.

fresh-keeping transportation;humidifying device;parameter optimization;humidity uniformity

時間:2015-09-09 15:41DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.10.025

2014-12-18

國家科技支撐計劃項目子課題(2013BAD19B01-1-3)；廣州市珠江科技新星專項(2014J2200070)

方思貞(1989-)，男，廣東揭陽人，在讀碩士，主要從事冷鏈物流技術與裝備研究。E-mail：fangsizhen@foxmail.com

呂恩利(1979-)，男，山東陵縣人，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)工程研究。E-mail：enlilv@scau.edu.cn

S229+.3

A

1671-9387(2015)10-0182-07

網(wǎng)絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150909.1541.050.html