新型自然冷能马铃薯贮藏库的研究

    任洪忱 孙大明 金德海

    

    

    

    摘 要：创新设计建设新型自然冷能马铃薯贮藏试验库;利用自然冷能，制备冰体;根据设计计算实施马铃薯贮藏试验;根据试验效果得出试验结论并提出改进方案，为进一步研究与推广做出积极建议。

    关键词：自然冷能;马铃薯贮藏;贮藏库;冰;用冰量

    中图分类号：S532 ? ? ? ?文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.06.005

    0 引言

    马铃薯是世界第四大主粮，在全球粮食安全战略中担当重要角色。我国马铃薯因贮藏不当损失率在10%～15%，改善贮藏条件和方式，提高贮藏质量是当前急需解决的问題。目前，常用贮藏方式主要是窖存、自然通风贮藏和机械恒温贮藏，前两种方式受外界温度变化影响大，温湿度不易控制，最后一种方式投资成本高，设备复杂，管理要求高，不适合大面积推广。

    自然冷能概念的提出，理论上可以解决马铃薯低温贮藏难题，使农产品低成本贮藏保鲜有了实现的可能性。利用我国北方自然冷资源，即利用冰水相变吸收和释放潜热的原理，以冰的形式储存冬季自然冷能作为马铃薯贮藏库冷源。研制出适合北方气候的马铃薯自然冷能贮藏库，具有节能、无污染等优点。

    1 新型自然冷能马铃薯贮藏库试验模型的建立

    新型自然冷能马铃薯贮藏试验库按各功能分三处区域，其中马铃薯贮藏间约24 m3，贮冰室约66 m3，控制室约19 m3，马铃薯贮藏量按4 t计，具体建设方案如图1所示。

    为更高效利用自然冷能，马铃薯贮藏间处于冰室的三面包围中，贮冰室与马铃薯贮藏间之间热交换通过带风门的可控风机实现，在马铃薯贮藏期需要降温时，可以较为均匀并快速提供冷气。

    马铃薯贮藏间及贮冰室库门要方便马铃薯、水（冰）及其它物品运送，马铃薯贮藏间与外界设置带风门可控风机，方便马铃薯贮藏间与外界通风及热交换。贮冰室库门对面墙壁设通风口，冰体制备时贮冰室内空气对流，实现冰体库内高效制备。

    寒冷季节来临前，封闭贮藏库门，利用马铃薯呼吸作用及少量辅热，维持贮藏间温度在2～4 ℃，贮藏间内温度高时，风机自动启动，贮藏间与冰室或外界产生热交换;温度低时，辅热自动启动。同期，将贮冰室贮冰槽内盛水，盛水量在80%左右，贮冰槽分层布置，层间留有空隙，利于冷气流通，提高制冰、用冰效率。为克服水变成冰后体积增大对容器的破坏，采用截面为半圆形的橡胶槽为盛水（冰）容器，此容器可重复利用，降低了制冰综合成本。制冰时，开放贮冰室库门与通风口，利用冷空气流动制冰。制冰过程中产生的潜热也可作为维持马铃薯贮藏间温度的能源。冰块冻实后，气温回升前，封闭贮冰室库门及通风口，做好保温措施。待气温回暖，且马铃薯休眠期结束，贮藏间温度上升时，贮藏间与贮冰室间的风机自动启动，将贮冰室内冷气输入贮藏间，随着热交换的进行，冰块逐渐融化至无法提供冷量，适时出库。贮存期内，贮藏间与外界及贮冰室的热交换、湿度控制均通过自控实现，控制系统操作界面如图2所示。

    2 试验用冰量概算

    2.1 冰的制备与消耗基础数据

    本次试验贮冰容器是截面为半圆形的长槽容器，贮冰容器分层排布，层间留有通风空间，由于我省漫长冬季的低温环境，贮冰容器内的冰可以完全冻实。冰的温度取用-15 ℃计算。

    理论上单位体积冰在融化过程吸收热量是一定的，但由于在制冰过程中空气混入、外层结冰影响中心冰冻结等实际情况影响，冰块表层温度与中心层的温度存在差异，参考中国农业大学董仁杰老师等人做的自然冷能在果蔬保鲜上的应用研究中提出的以寒积值作为冻结指标，以冰的体积纯度计算冰融化过程吸收热量的研究成果，本案冰的体积热纯度取为0754。

    试验库体地上部分采用厚度200 mm聚氨酯保温板，地面采用厚度380 mm水泥砂浆结构。聚氨酯保温板具有良好的保温隔热性能，其导热系数约0028 W/（m·k）;水泥砂浆结构导热系数约为081 W/（m·k）。

    2.2 耗冷量概算

    引起冰体消耗主要有以下方面：马铃薯贮藏间与外界热交换量Q1、马铃薯贮藏耗冷量Q2、通风耗冷量Q3、操作热损耗Q4，下面分别按这四方面计算耗冷量，最后确定本试验模型理论用冰量。

    2.2.1 马铃薯贮藏间与外界热交换量Q1

    分析图3～图8，结合实际，得如下结论：

    （1）室外湿度变化波动较大，最低为118%，最高达到994%。马铃薯贮藏间湿度始终维持在95%左右，处于较佳贮藏湿度，从实际贮藏效果看，贮藏间湿度环境控制较为理想，与贮冰室调节有直接关系。

    （2）2月25日，气温升至0 ℃以上， 3月17日冰室温度达0℃，贮冰室对贮藏间温度调节作用不再显著。冰量消耗高于预期，应与库体保温效果不甚理想有关。

    （3）3月25日气温达到20 ℃，贮藏间温度达到7 ℃，且随着温升CO2浓度波动显著，贮存环境已不适宜，恰逢播种期，3月26日种薯出库。

    马铃薯贮藏效果见下表所示，实际损失率1.02%，损失率较低，贮藏效果较好。

    4 存在的主要问题及今后研究工作建议

    4.1 存在的主要问题

    （1）经过试验可知自然冷能贮存马铃薯是可行的，但应用自然冷能过程中对基础建设硬件要求较高，贮藏库保温密闭性要求尤其高，本试验基础建设尚有不足，对试验效果有一定影响。

    （2）新颖的自然冷能马铃薯贮藏库设计方案以及低价制冰高效用冰的冰块制备方法，能为后续自然冷能利用研究提供参考，但方案还有不理想之处，如基础建设要求高、贮冰占地面积较大等，有待完善。

    4.2 今后研究工作建议

    （1）进一步加强库体、制冰、贮冰、冷气输送、智能控制等硬件设施建设及软件设计，加强日常使用管理，逐步完善试验模型，同时对比其它贮藏方式，结合贮后损失率及品质变化等因素，全面衡量自然冷能马铃薯贮藏库利用经济性。

    （2）通过调整蓄冷剂的方式增加单位体积冰体蓄冷量，从而降低冰的需求量，减少基建投资，要注意确保蓄冷剂的应用安全性。

    （3）建议增加辅助机械制冷装置或装置接口，预防因意外因素导致冷量不足影响贮存。

    参考文献：

    [1] 李里特，温旺.自然冷资源利用中的相变传热和果蔬保鲜的研究[J].农业工程学报，1993，9（4）：44-50.

    [2] 周福君，刘健，乔颖，等.利用自然冷资源贮藏保鲜的应用研究[J].农机化研究，2001（1）：93-94.

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    [5] 赵亮，董仁杰.自然冷能在果蔬保鲜上的应用[J].可再生能源，2006（2）：72-74.