充气式微型保鲜冷库的应用研究

摘 要：研究了一种以中空纤维（涤纶）为保温材料的充气式新型微型保鲜冷库的应用，包括发明库体的结构、优化设计、热工性能检测、控温评价，还验证了该库对红提葡萄的保鲜效果。结果表明，涤纶纤维棉的密度为5.3 kg·m-3；导热系数为0.031 W·m-1·K-1；涤纶纤维的吸湿率0.2%；拉伸强度0.37 MPa；断裂伸长率140%；选用阻燃的涤纶纤维不燃烧，阻燃效果好。充气式微型保鲜冷库围护结构的传热系数0.097 W·m-2·K-1，总热阻R总=10.20 m2·K·W-1，达到了国际商业冷库和土建式、拼装式微型冷库的设计标准，且葡萄保鲜效果优于常规土建式微型冷库。

关键词：微型冷库；充气式库体；纤维保温材料；葡萄保鲜

中图分类号：S609+.3 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.01.006

Applied Research of Inflatable Mini-cold Storage

LI Zhi1， LI Xi-hong1， HAN Jiu-chun1， LIU Xia1， ZHANG Yi-bin2， SHAO Chong-xiao2

（1. Institute of Food Engineering and Biotechnology， Tianjin University of Science and Technology， Tianjin 300457， China； 2.Jieshengdonghui Preservation Technology Company， Tianjin 300300， China）

Abstract： This article studied a new inflatable mini-cold storage by using hollow fibres（dacron）as thermal insulation material. The contents related are inventing library structure，designing optimization，determining thermal insulation properties， and evaluating temperature control， then， analyzing fresh-keeping effect of red globe grape. The results showed that the densityof hollow dacronfibres was 5.3 kg·m-3，thermal conductivity was 0.031 W·m-1·K-1，moisturerate was 0.2%，tensile strength was 0.37 MPa，broken elongation was 140%. In addition， the fire resistance of hollow dacronfibres is very well. The library body of inflatable mini-cold storage possesses specificity，the apparent total heat transfer coefficient of envelop enclosure of the mini-cold storage was 0.097 W·m2·K-1，entire thermal resistance is 10.20 m2·K·W-1（the national standard of entire thermal resistance was 3.0 m2·K·W-1）， which reached the designed standard of international commercial mini-cold storage and civil assembled mini-cold storage， and fresh-keeping effect of inflatable mini-cold storage issuperiorto common civil storage.

Key words： mini-cold storage； inflatable library structure； fibre thermal insulation material； grape storage

收稿日期：2013-10-18 修订日期：2013-10-27

基金项目：国家“863”计划项目（2012AA101703）

作者简介：李智（1987—），女，辽宁沈阳人，在读硕士生，主要从事农产品加工与保鲜研究。

果蔬是城乡居民必不可少的农产品，保障果蔬的供给是一个重大的民生问题。在我国果蔬产业飞速发展的今天，仍然存在着市场价格高、产品品质低等严峻的问题。据报道，目前我国果蔬冷库的总贮藏能力约1 700万t[1-2]，而果蔬产量却近7.8亿t，总贮藏能力仅相当于果蔬总产量的2.2%，果蔬采后损失达20%～30%，直接损失高达1 000亿元人民币[3-4]。在造成严重经济损失的同时，导致了环境污染和资源浪费。

为减少果蔬采后损失，我国科技工作者发明了一种实用冷藏设施——微型冷库。与大中小型冷库相比，微型冷库更适于当前的农业生产体制、农村经济和农民文化水平，且微型冷库具有产地化的突出特点[5-7]，所以更有利于保证农产品的精细采收和及时入贮。近年来，微型冷库数量的不断增加，由于果蔬的采收具有季节性和气候性，导致我国微型冷库的年空置率增高等一系列问题。为了解决这些问题，结合我国农业农产品保鲜现代化、产业化的新思路，课题组发明了充气式微型冷库和模块式微型冷库，它们是土建式微型冷库和拼装式微型冷库的升级换代产品。其中充气式微型冷库，于2011年获得国家发明专利[8]，并PCT申请了国际专利。本试验采用一种新型中空涤纶纤维材料，对其进行物理参数的测定，并根据专利内容建造新型的充气式微型保鲜冷库，通过与老式的以聚苯乙烯泡沫板为材料的微型冷库作对照，验证新型微型冷库的保鲜效果及应用的可行性。

1 材料和方法

1.1 保温材料

试验选用一种中空纤维（涤纶）保温材料做成充气式微型保鲜冷库，并与以泡沫聚苯乙烯为保温材料的微型冷库作对比。

1.2 库体保温性能

1.2.1 围护结构的热阻值测定以及K值确定 根据国家标准，用热流计法测定围护结构的热工性能[9]，围护结构中每个面的传热方式均看作一维传热，使用温度热流自记仪（型号：WRZY-1；测量范围：温度 -40 ～ 60 ℃，热流 -199.9～199.9 W·m-2；精度：±5%）、控温箱（型号：ZWK-30KW；温度测量范围≤1 000 ℃；精度：±1 ℃）和多路温度传感器（型号：RK-16；温度测量范围：-50 ～ 300 ℃；精度：±0.5%）进行测定，测定方法如图1所示。

选择微型保鲜冷库围护结构中的一面为例，将多路温度传感器、温度热流自记仪和控温箱按如图安装好，控温箱的温度设定在0 ℃左右，温度热流自记仪安置在围护外墙一侧的中心位置，温度传感器的探头应均匀分布在热流计周围，围护内侧温度传感器的安置方法与外侧相对应，整个围护结构测量点的选取如图2所示。

再按照下面的计算公式（式（1）和式（2））计算出热阻值[10]：

R=■（1）

式中，R为围护结构热阻值，m2·K·W-1；θIj为围护结构内表面温度的第j次测量值（℃）；θEj为围护结构外表面温度的第j次测量值（℃）；qj为热流密度的第j次测量值（W·m-2）。

K=■（2）

式中，K为围护结构传热系数，W·m-2·K-1；Ri为围护结构内表面换热热阻m2·K·W-1；Ro为围护结构热阻m2·K·W-1；Re为围护结构外表面换热热阻m2·K·W-1。

1.2.2 空库降温试验 空库降温时间是衡量冷库的保温性能及节能的另一重要指标，在相同条件下，空库降温时间的长短与冷库的保温性能高低成反比。试验时，微型冷库室外温度控制在22 ℃，然后将库门关闭，照明灯关闭，将冷库加热到30 ℃，撤出加热设施，开启制冷设备，采用温度传感器每5 min记录一次温度值。

1.3 充气式微型保鲜冷库保鲜效果的研究

1.3.1 试验材料 果蔬贮藏试验选择红提葡萄为材料。

1.3.2 试验方法 将红提葡萄分别置于容积为60 m3（5.0 m×4.0 m×3.0 m）的充气式微型保鲜冷库和常用冷库（以泡沫聚苯乙烯为保温材料）进行保鲜，采用塑料小包装自发气调扎口贮藏，每座冷库贮藏10袋，每袋1 000 g，在微型冷库贮藏100 d，库温控制在（0±0.5） ℃。定期（每10 d）对红提葡萄的好果率、落粒率、硬度、呼吸强度等指标测定，比较两个微型冷库对红提保鲜效果，把常用冷库作为对照组（CK）。

2 结果与分析

2.1 保温材料的选取

充气式微型保鲜冷库的库体围护结构主要选用中空涤纶纤维材料。在微型冷库的建设中，保温材料的选取是关键技术之一。由表1的结果可知，与常用的泡沫聚苯乙烯、泡沫聚氨酯、泡沫玻璃、发泡聚乙烯等保温材料相比，中空涤纶纤维的密度为5.3 kg·m-3，与其他保温材料相比有较轻的质地；导热系数为0.031 W·m-1·K-1，优于其他常用保温材料；吸湿率小，仅为0.2%，拉伸强度0.37 MPa，说明回弹性要优于其他材料；断裂伸长率为140%。用中空涤纶纤维加工成的阻燃棉遇到明火不燃烧，具有良好的阻燃性和安全性。涤纶纤维材料还具有很好的弹性，因此，放置或运输时可以卷起以节约放置的空间，便于运输。综合各物理性能参数，中空涤纶纤维材料可以代替常用保温材料作为微型冷库建造的新型材料。各种保温材料的物理参数如表1所示。

2.2 充气式微型保鲜冷库围护结构设计

充气式微型保鲜冷库的库体围护结构中间为纤维保温材料，两侧有以PVC塑料膜为材料的阻隔层，阻隔层与保温层一起组成了一个密闭空间结构，可以充入干燥气体（如空气、氮气等），密闭结构中的气体可起到支撑起整个库体的作用，在微型冷库使用时，充入气体，围护结构的纤维材料具有很好的回弹性，基本可恢复原状。待冷库闲置时，可将充气式微型保鲜冷库中的气体抽出，将冷库折叠后放置角落，大大提高土地的利用率。在阻隔层外有喷涂铝箔的防雨绸材料以防止雨雪天气对冷库的损害，同时铝箔的防辐射隔热能力好，对微型冷库起到一定的保护作用。另外，充气式微型保鲜冷库有独特的送风方式，夹套循环送风方式，使库体温度分布更均匀，避免了局部温度过低，防止了果蔬保鲜过程出现冷害。充气式微型保鲜冷库内部结构（库体容积60 m3）如图3和图4所示。

2.3 围护结构总热阻的确定

将测量各点的热流密度值及温差的平均值通过公式（1）计算，可以得出库体总热阻R总=10.20 m2·K·W-1，这要大于国内标准 [11]4.58 m2·K·W-1 ，因此，达到了国内冷库设计标准。按照GB 50176—93 民用建筑热工设计规范[12]，果蔬贮藏期间，微型冷库的内表面换热热阻取值为0.11 m2·K·W-1，外表面换热热阻取值为0.04 m2·K·W-1，通过公式（2）计算，得到围护结构传热系数K=0.097 W·m-2·K-1。

2.4 冷库制冷设备的匹配

充气式微型保鲜冷库匹配一台型号为CBE-6AF的全封闭式制冷机组，电源电压220 V，频率50 Hz，电机功率1 500 W，制冷量5 600 W，制冷剂R22（氯二氟甲烷，化学式：CHClF2），总功率2 100 W，冷凝器散热风量2 000 m3·h-1，送风量400 m3·h-1，电机370 W。

2.5 库体空库降温时间

试验结果表明，充气式微型保鲜冷库从30.24 ℃降到0.03 ℃需要25 min；CK库从29.8 ℃降到0.02 ℃需要35 min，充气式微型保鲜冷库降温的速率大于CK库，说明充气式微型保鲜冷库设计的保温性能优于CK库，降温过程如图5所示。

2.6 充气式微型保鲜冷库对红提葡萄的保鲜效果

2.6.1 红提葡萄的好果率和落粒率 不同微型保鲜冷库对红提葡萄好果率和落粒率的影响如表2所示。充气式库的好果率和落粒率明显优于对照组，说明充气式库更有利于葡萄保鲜。

2.6.2 红提葡萄的硬度 不同微型保鲜冷库对红提葡萄硬度的影响如表3所示，放置充气式库里的葡萄硬度比置于CK库中的葡萄硬度变软的速率低，说明充气式库有较CK库更好的保温性能，更好的保鲜效果。

2.6.3 红提葡萄的呼吸强度 测量红提葡萄的果实在不同微型保鲜库贮藏过程中呼吸强度的变化，如图6所示。结果表明，充气式库中红提葡萄果实的呼吸强度明显低于对照组，充气式微型冷库能更有效抑制红提葡萄的呼吸强度。

2.7 充气式微型保鲜冷库的经济效益分析

本研究选用的纤维材料为涤纶纤维，密度为5.3 kg·m-3，材料市场零售价格为19 元·kg-1，而泡沫聚苯乙烯的密度为19 kg·m-3，市场的零售价格为500元·m-3。以建造一座60 m3的充气式微型保鲜冷库为例，优化的库体尺寸（内径）长×宽×高为5.0 m×4.0 m×3.0 m，若选用中空纤维为保温材料，则保温层厚度为300 mm；若选用泡沫聚苯乙烯，则保温层厚度100 mm；冷库的空间利用率按70%计算，60 m3的微型冷库可以贮藏红提葡萄的量为10 t，那么每贮藏1 kg葡萄库体造价和建造冷库的价格如表4所示。每贮藏1 kg葡萄充气式库的价钱要比对照库少6元，降低了微型冷库的建造成本，并以其具有安装简便、易折叠、易移动等优势为其未来发展奠定了基础，市场潜力巨大。

3 结论与讨论

根据试验得到，涤纶纤维棉的密度为5.3 kg·m-3；导热系数为0.031 W·m-1·K-1；涤纶纤维的吸湿率0.2%；拉伸强度0.37 MPa；断裂伸长率140%；阻燃效果好，涤纶纤维材料具有很好的弹性，可以卷起，为其放置或运输提供了方便性，完全可以替代原有保温材料作为新型微型冷库保温材料。

通过对充气式微型保鲜冷库围护结构总热阻值的测定，得到总热阻值R总=10.20 m2·K·W-1，围护结构的传热系数K=0.097 W·m-2·K-1，达到了冷库的设计标准。此外，通过对冷库的空库降温时间的测定，表明充气式微型冷库的降温时间明显少于对照库并且表面无结露现象，试验结果表明，充气式微型保鲜冷库的应用是可行的。

通过试验充气式微型保鲜冷库对红提的保鲜效果，综合各项指标进行比较，充气式库的保鲜效果均优于CK库，说明充气式库完全可以代替CK库，而且其保鲜效果更优。

综上所述，充气式微型保鲜冷库以其独有的结构设计实现了使用、安装及收放的便捷性，更适合在农村广泛推广，更适应农村经济发展方式。

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