现代高标准化气调库建设

气调库及气调库设备

[摘要]分析果蔬贮藏保鲜期的生理变化,介绍气调保鲜库设计施工验收中的技术要求,保鲜工艺和主要设备。

[关键词]气调保鲜,气调冷库,制氮机,二氧化碳脱除机气调贮藏是在传统的冷藏保鲜基础上发展起来的现代化保鲜技术,被认为是当今储存水果效果最好的贮藏方式。商业气调贮藏在国外已有六十多年历史,发达国家水果的长期贮藏大多采用气调贮藏。我国气调贮藏始于二十世纪七十年代,三十年来,经过引进、消化、吸收国外先进技术和设备,加上我国科研人员的不断的研究和探索,气调贮藏技术得到迅速发展,现已具备了自行设计和建造各种气调库和气调设备的能力。我国果品气调贮藏所占比例仍然较低,与J发达国家相比,气调贮藏技术总体上还比较落后,尚需不断地完善和提高。

1气调库的特点

气调库贮藏是在冷藏的基础上,根据水果品种特性,在相对密闭的库房中人工调整氧和二氧化碳浓度(分压)配比。气调库在建筑结构和使用管理上与高温冷库有着很大区别。主要表现在:

(1)气密性:

气密性是气调库的建筑要求区别于冷藏库的一个最主要特点。气调库要求围护结构既要具有保温隔热、防潮,减少与外界的冷热交换外,还要求库体墙壁四周、库门及所有进出管线连接处严格密封,尽可能减少库内外的气体交换。只有这样,才能人为调节库内气体成分,减少或避免外界气体对库内气体成分的干扰。

(2)安全性:

由于气调库对围护结构气密性要求较严,故在降温、调气过程中,随着库内温度、压力的变化,会使围护结构的两侧产生压差,从而会破坏气密层,其至是围护结构发生胀裂或塌陷。为了平衡和减小库内外压差,气调库必须设有安全阀和调气袋。

(3)快进整出:

水果进入气调状态的时间越短越好,否则影响贮藏效果。所以,气调库贮藏

要求水果入库速度快,以便尽快装满、封门和调气。贮藏过程中尽可能减少开门次数,频繁开门不仅影响贮藏效果、增加运行成本,还会降低库门的气密性。水果出库时,为保证水果的货架期,最好一次出完或在短期内分批出完。

(4)满库贮藏:

除留出必要的通风、检查通道外,库内水果应尽量高堆满装。一方面,由于库内水果越多,库内孔隙相对越少,加之水果呼吸消耗氧气,所以水果进入气调状态的时间越短;另一方面库容积利用系数越大,制冷、调气运行成本可有所下降。

2气调库的结构设计及建造

(1)结构组成

一座完整的气调库由库体结构、气调、制冷和加湿系统构成气调库的建筑结构可分为砌筑式(土建)和彩镀夹心板装配式两种。砌筑式气调库的建筑结构基本上与普通冷藏库相同,用传统的建筑保温材料砌筑而成,或者将冷藏库改造而成。在库体的内表面增加一层气密层,气密层直接敷设在围护结构上。这种砌筑式气调库相对投资较小,但施工周期长。装配式气调库采用的彩镀夹心保温板由工厂化生产,在施工现场只需进行简单的拼装,建设周期短,投资比砌筑式略高,而气密层施工较砌筑式方便可靠。除砌筑式和装配式之外,还有一种夹套式气调库,一般是在原冷藏库内加装一层气密结构,降温冷藏仍用原有的设施,气调则在这层气密结构内进行。千吨以上的大中型气调库包括气调间、预冷间、常温穿堂、技术走廊、整理间、制冷和气调机房及控制室、变配电间、泵房及月台等。此外还有办公室、库房、质检室、道路、围墙等辅助设施。

(2)气密层的设计施工

装配式气调库的围护结构采用两面都有彩镀钢板护面的夹心板,气密性和防潮隔气性都很好,只要对各板面间的接缝处做好密封,就能保证整个围护结构具有良好的气密性。砌筑式气调库防潮隔气层通常做在隔热层的热侧,即围护结构最外层,墙体的内侧面上,如果用这层兼做密封用,或用其它气密材料兼做防潮隔气层,这样做当需要检查或修复气密层,就得拆除隔热层。假设用设置在库内表面上的气密层兼作防潮隔热气层,则会出现水蒸汽渗透,在隔热层与气密层之间形成凝结区,使隔热层受潮,所以砌筑式气调库围护结构的密封层

必须单独做,而且必须在围护结构所有表面都干燥后才能施工。

上述两种气调库地坪的密封层做法是一样的。地坪隔热层上下两面均设置防潮隔气层,并在里面单独做气密层。管道穿墙处的密封也是应重点注意的地方,需用聚氨酯填缝,并两面涂密封胶。

(3)气调库门

库门是气调库容易产生气体泄漏之处。为保证库门与库体之间的密封,可以将库门的气密条做成充气式,这种方式密封性好,但使用较麻烦。通常是在冷库门的基础上加一扣紧装置,封门时用此装置紧紧地将门扣在门框上,借密封条将门缝封死,在门下落扣紧的过程中,门下端的密封条与地面压紧而密封。气调库门上都设有观察窗,其外框为金属构件,中间镶有双层玻璃或中空双层玻璃,若用双层玻璃,夹层内应放干燥剂或抽空,以防结露。

(4)密封标准、试验方法及安全装置

为保证气调库内气体成份调节速度快,波动幅度小,提高贮藏质量,降低成本,就必须保证库体有良好的气密性。GB50274-98《制冷机、空气分离设备安装工程施工及检验规范》中,有关组合(气调)冷库一节中规定:“气调冷库在库体安装后,应进行库体气密性试验,试验应符合下列要求:启动鼓风机,

当库内压力达到100Pa(10mmH2O柱)后停机,并开始计时,当试验到10min时库内压力应大于50Pa(5mmH2O柱)”,即半压降时间为10min。砌筑式土建库的密封试验也应按此标准执行。实际上,这是一个比较低的标准,随着我国气调技术朝低氧(L1O)和超低氧(U1L1O)方向发展,对气密性的要求也会相应的提高。国外文献报道,对低氧库,试验压力为20mmH2O柱,半压降时间为20min;对于超低氧库,试验压力为30mmH2O柱,半压降时间为30min。这就要求气调库的设计和施工要作很大的改进。气调库在库体进行密封性试验时,应注意以下问题:①试验前将库门打开,库内外空气应充分交换,时间不应小于24h;②要测试的库房及相邻的库房在测试前及试验中,应尽量保持温度的恒定。为避免外界气温的变化对库内温度的影响,应选择外界气温变化最小的时刻,一般都选在清晨进行测试;②当库内压力达到测试压力后,初始库内压力可能会在短时间内下降较快,这可能是由于鼓入空气较热,被迅速冷却所致,所以鼓入空气压力应比试验压力高2～3mmH2O,等到库温稳定后,库压降至试验压力后,再进行

测试;④库内压力值应每隔1min记录一次,读数应准确到015mmH2O,并绘制库内压力随时间变化的曲线。按上述国标要求进行密封试验,一面100m2的库墙将会均匀承受总压力为1吨的侧向力。如果库内温度因化霜等原因,提高2℃,这个力将会提高到713吨!有的气调库由于初始降温太快,库内外的气体得不

到及时地交换,库内由于负压太高,使库体在大气压力作用下,被压塌。为避免这种情况发生,每间库房都配装一个气压平衡袋(简称气调袋),它的体积约等于库房容积的015%～018%。当库内温度升高,库气膨胀,库气将流入气调袋;库内温度降低,库气收缩,库气将从平衡袋流入库内,气调袋用质地柔软不透

气又不易老化的材料制成,应承受14mmH2O柱以上的密封压力试验。另外,每间库房还应安装一台气压平衡安全阀(简称平衡阀),在库内外压差大于200Pa时,库内外的气体将通过平衡阀发生交换,以防止库体结构遭到破坏。平衡阀分干式和水封式两种,直接与库内相通。在一般情况下,平衡袋起调解作用,只有当平衡袋容量不足以调解库内温度变化时,平衡阀才起作用。水封式平衡阀须经常检查水位高度,以防水份蒸发后,水封的压差减小。

(5)制冷设备

现代的气调库设计,希望将库内温度波动控制在±015℃范围内,为此除

要求围护结构有较大的热阻,以减小外界的影响。此外,库内蒸发器的设计也应采用大面积低温差的冷风机方案。蒸发温度与库温温差控制在5℃范围内,以减小蒸发器的结霜量。冷风机蒸发器结构设计采用较大间距的翅片(6mm)布置,以利于水冲霜和降低冲霜频率,用电冲霜会增加气调库的温度波动,蒸发器的风

机最好采用双速风机或多个轴流风机可以独立控制的方式。在冷却阶段风量大一些,冷却速度快;等库温降低到设计值时,风量可减小,可以节能并减少水果

的干耗。冲霜的水温应控制在25℃左右,为进行冲水融霜,需要设置专用的融霜用淋水装置。为保证库房内的气密性,在接水盘放水管的后部需设置一段水封。气调库整个制冷系统的设计,可以根据不同的情况,采用大机组的集中供冷或

单间库房小机组单独供冷,后者具有较大的灵活性。目前还有的厂家采用乙二醇的冷水机组,不但可提高温度的控制精度,还大大简化了制冷管路结构。为使气调过程中,制冷机能够经济运行,气调库围护结构的隔热层应比一般高温库厚。

(6)加湿设备

由于气调库内果品的贮藏期长,充入的氮气也很干燥,果品水份蒸发较多,为降低贮藏环境与果品间的水蒸气分压差,抑制水份蒸发,保持气调库

中较高相对湿度(95%左右),减少干耗,一般气调库都要设置加湿器。加湿器分超声波加湿器和离心式加湿器两种。超声波加湿器利用高频振荡电流作用在换能头上,产生高频振荡波,使水雾化,为防止换能头结垢,最好使用经过处理的软化水。离心式加湿器利用高速旋转的叶轮将水流打成水雾,对水质的要求不高,但容易产生水滴,使加湿效果降低。

(7)其它要求和设施

气调库不同于一般冷藏库,要求每个气调间的气体成分稳定,因而库房间门不能经常打开,所存果品必须是快进整出,各气调间的大小应根据市场的销售情况进行设计,各单间库不宜过大。对于主要用于出租给农户的气调库,更应考虑适用性和灵活性。技术走廊一般设在常温穿堂或整理间的上部,放置各种气调设备,是气调库特有的建筑形式。在走廊上操作管理人员可通过各库的观察窗了解库内果品的贮藏和设备运转情况,也是制冷、气调、水电等管道和阀门安装、调试、操作、维修的场所。由于气调库内是与大气环境下完全不同的气体成份,在气调过程中,若必须入库,应配带氧气发生器,在果品出库时,也应先打开门,待库内氧气回升后,才可入库作业。

3气调设备的选用和安装调试

(1)制氮降氧设备

利用制氮机产生的95%～98%纯度的氮气,置换(稀释)气调库中的气体。目前气调库使用的制氮机分碳分子筛物理吸附式和中空纤维膜分离式两种,都以空气为原料。前者利用双塔中的碳分子筛对氧、氮分子的不同的吸附速率,通过加压吸附氧,减压解析氧,不断地在双塔中变压切换制氮。后者利用高分子材料制成的中空纤维膜,它由上万根乃至数十万根直径在50～500μm的中空纤维并列成束,两端浸固环氧树脂,形成膜滤芯,放入一外壳内,当压缩空气通过时,由于氧、水蒸气透过膜的速率快,形成富氧排到大气中,而大部分氮气由于透过膜的速率慢而留在膜内,形成较高纯度的成品气。具有结构简单、容易操作、制氮速度快、无易损运动部件、体积小、重量轻、噪声低等一系列优点,是一种新型高效的制氮设备。天津市某公司生产的CA系列中空纤维膜制氮机,共7种

具体型号,氮气(95%)流量分别由10至75m3/h。气调库选用制氮机,要考虑满足库中最大的气调间的降氧要求,并兼顾全库的总容量。目前,制氮机向气调间充氮一般采取开式置换(稀释)方式,将95%～97%纯度的氮气从气调间的上部进气口打入,被置换的气体从与进气口成对角线布置的排气口排出到大气中。整个过程是一个不断稀释的动态过程,库内的氧含量呈自然对数级下降,直至

降至规定的指标。

(2)二氧化碳脱除机

水果在气调过程中,一般要求CO2的浓度控制在1%～5%的范围内。库内CO2浓度过高时必须使用CO2脱除机(又称洗涤器)将浓度降至气调参数要求的最佳范围。现在国内外生产的CO2脱除机均采用活性炭作为吸附剂,含高CO2的库气用风机抽入活性炭罐内吸附,经过数分钟吸附饱和后,用空气脱附再生,循环使用。脱附的CO2气体送入大气中。现代的CO2脱除机,用可编程序控制器PLC对吸附和再生进行自动控制。如果脱除机有两个活性炭罐,可使两者的吸附和再生交替进行。活性炭吸附CO2的量是温度的函数,并与CO2的浓度成正比。通常以0℃,3%的CO2浓度为标准,用其在24小时内的吸附量作为主要经济技术指标。二氧化碳脱除机的选型,必须满足整个气调库脱除CO2的要求,在气调库为0～2℃温度条件下,多数水果CO2的释放量为3～10mg/kgh左右,一座千吨库24小时CO2释放量为72～240kg,可按最大CO2释放量来选择机型。天津市某公司生产的CT系列二氧化碳脱除机,16种具体型号,二氧化碳脱除量由80至400 kg/d。二氧化碳脱除机一般采用电控气动三通阀来控制活性炭罐程序的切换,

需要配用小型空压机作气动源,机上装有保护及运行定时控制装置,并装有计

算机控制接口,可对整个气调库的各气调间实现自动连续巡回脱除作业。为此,跟制冷调节站相似,气调库也安装有气调调节站,调节站分为进气和回气两个

自动或手动阀门组。自动阀门采用电控气动阀来控制CO2脱除机的进回气;手动阀用来控制制氮机的进排气。大中型气调库的输送管道较长,一般采用UP2VC塑料管粘接,口径在70～110mm之间。安装CO2脱除机时,输气管道应向气调库倾斜1～3°,以防冷凝水流回脱除机,污染活性炭,降低性能,甚至失效。脱除机在长期的工作过程中,气动阀要动作几十万次,压缩空气应保证是清洁的。在一些小型库和试验装置中,也有用消石灰等化学方法脱除CO2,这些脱除剂是不

能再生的。

(3)乙烯脱除装置

乙烯(C2H4)是果品本身新陈代谢的产物,外部环境中烟囱排放的烟雾,汽车尾气,某些工厂的废气中也含有一定数量的乙烯。它是一种能促进水果呼吸,加快成熟衰老的植物激素。对乙烯非常敏感的果品,如犭弥猴桃、香蕉等,必须把贮藏条件下的乙烯浓度脱至阈值以下,一般达0102ppm的水平;苹果、梨等采用低乙烯气调贮藏,贮藏效果会大大提高;对乙烯不敏感的果品,气调贮藏不必安装乙烯脱除装置。脱乙烯的方法常用高锰酸钾作为强氧化剂,以氧化铅、分子筛等多孔性材料做载体,制成一次性使用的复合材料,放入库内、包装箱或闭路循环系统中,将乙烯脱除。

(4)自动控制设备

气调库在整个贮藏期内都必须精确测量和控制各间库的气体成分,目前国内外气调设备生产企业都设计制造出相应的自动控制设备,使测量和控制工作大部分实现了自动化,用一台计算机可控制30间左右气调间,每间气调间都可以按果品的品种设定各自的气调参数,并进行自动巡回检测和自动调节,也可通过显示器监控整个气调工艺流程,所有设定和实时测定的氧、CO2、温度、湿度等数据都具有显示储存、查询、报警、打印等功能。

4相关测试仪器

(1)奥氏(ORSAT)气体分析仪可用于氧气和CO2浓度的检测。其检测原理是:取一定量(体积)的被测气体,用两种不同的液态吸收剂分别吸收其中的氧和CO2。根据气体量(体积)的变化,求出被测气体中氧和C02的浓度。奥氏仪是一种原始型手工检测仪,需携带笨重易碎各种液瓶、量筒和多种试剂,操作麻烦,精度受人为影响较大,现在已很少采用了。

(2)氧电极氧气测试仪氧电极的工作原理基于极谱电极原理,由一定浓度电解质溶液中的电流—电压曲线证实,在-015～-018V范围内,电流与氧的浓度成正比。氧电极传感器以铂为阴极(氧检定极),阳极为铅或银,聚四氟乙烯薄膜将阴极端与电解质隔开。氧的渗透量与薄膜内外的气体分压成正比。此传感器亦称氧电池,是一种电化学扩散限制型金属电池。这种传感器制成的氧气测试仪,分辨率高达011%,测试精度为012%。仪器出厂前用含氧量为4%左右的

高精度标准气进行标校,使用中用空气进行标准校对(2110%)。传感器的寿命在两年以上。

(3)红外二氧化碳测试仪

由于CO2分子在特定波长上可发生强烈的红外吸收。当一定强度的红外光通过一定浓度的待测混合气体时,入射强度与透过后的剩余强度差与CO2浓度有一定关系。基于此原理制成CO2传感器称为CO2红外传感器。用这种传感器生产的CO2测试仪,分辨率可达011%,测试精度可达012%,出厂时用标准CO2浓度气体进行标校,使用时用空气进行标校(空气中含CO2为300ppm),这时仪器的输出显示应调整为010%。传感器的寿命为10年。

5气调库的管理

气调库不仅在贮藏条件、库房结构和设备配置等方面不同于普通果蔬冷藏库,对运行管理方面也要严格得多。不单表现在贮藏阶段,而且还涉及到果蔬采后处理的全过程。搞好气调库的运行管理,关键在于管理和操作人员的素质。气调库的管理人员必须具有良好的专业技术素质、高度的责任心及组织管理才干和从事经营的能力。气调库及设备经一个贮季后(一般都在半年以上),必须进行年检大修,管理人员应制定出详细的检修计划。气密破损的部位在修复后应重新进行气密性试验。各种机器设备、管道阀门、控制仪器仪表、电气部件等均应按说明书的要求进行年检大修。经试运转后,应恢复到原有的性能,为下一贮季做好准备。

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