冷藏貯存設施貨架系統(tǒng)及溫度精準保障技術(shù)研究

趙一霽 萬 勇 彭曉琴 王 勇 曹合榮 羅安妮 唐 玲

（四川省農(nóng)業(yè)機械研究設計院，四川成都 610066）

農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地冷藏保鮮是農(nóng)產(chǎn)品全程冷鏈最重要的一環(huán)，是創(chuàng)造果蔬適宜保鮮溫度環(huán)境的第一步，是農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流的“最先一公里”。 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地冷藏保鮮設施建設能加快推動農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟雙循環(huán)、延伸農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、提升農(nóng)產(chǎn)品供應鏈、增強農(nóng)產(chǎn)品價值鏈、促進產(chǎn)業(yè)消費雙升級。 但是，目前農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地大多數(shù)冷庫結(jié)構(gòu)不合理， 傳統(tǒng)的單層冷庫較多且區(qū)域分布不均，導致冷庫利用率低；冷庫內(nèi)溫度的均勻性較差且調(diào)控不夠精準、智能，農(nóng)產(chǎn)品冷藏保鮮損失率較高；傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地冷庫管理以人工作業(yè)為主，冷庫自動化程度低，庫內(nèi)貨物堆放不科學，造成庫內(nèi)冷量分配不均勻，導致貨物冷藏質(zhì)量不佳[1]。因此，提升冷庫利用率、實現(xiàn)冷庫溫度精準保障、提升農(nóng)產(chǎn)品冷藏保鮮質(zhì)量、降低農(nóng)產(chǎn)品冷藏保鮮損失率是目前農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地冷藏保鮮貯存迫切需要解決的問題。

1 選擇適宜貨架系統(tǒng)的必要性

國內(nèi)冷庫行業(yè)空間利用率和周年利用率都不高。傳統(tǒng)的冷庫設計一般高5 m 左右，但在實際操作應用中，傳統(tǒng)的單層冷庫利用率低于50%，如物品堆碼的高度達到3.2 m 時，紙箱外包裝因重壓變形、吸潮等原因極易出現(xiàn)包裝破裂、倒塌等現(xiàn)象，導致食品品質(zhì)降低，造成較大的經(jīng)濟損失。貨物的貯藏方式正在由無貨架自由堆垛向多層托盤貨架系統(tǒng)轉(zhuǎn)變[2]。 傳統(tǒng)的單層冷庫已不再滿足冷藏保鮮需求，而多層貯存設施對提高冷庫利用率起到了重要的作用。

強化貨架系統(tǒng)在冷庫中的規(guī)劃、設計及應用，為企業(yè)提高冷庫作業(yè)效率及冷庫利用率提供了切實可行的解決方案[3]。商業(yè)冷庫和冷鏈配送中心貯存設施貨架系統(tǒng)因需求不同有多種選擇方式。 當貨架存放的貨物為典型的先進后出型時，可選擇貫通型貨架，其適用于存放貨物數(shù)量大、耐存放期限長且出庫入庫操作不太頻繁的貨物； 或選擇在貫通式貨架的基礎(chǔ)上進一步改良形成的雙深度型貨架， 即在貨架的存放深度方向設計2 個存儲貨位， 在相同的存放面積內(nèi)減少一通道，最大限度地提升了冷庫利用率。當貨架存放的貨物為典型的先進先出型時， 需要存放的貨物數(shù)量較大，出入庫的頻率適中，但是貨物的耐存放期限較短，可選擇穿梭型貨架或者后推式貨架，即一端為貨物入庫端，另一端為貨物出庫端。在貨物出庫后， 由穿梭車將剩余貨物從入庫端推送到出庫端，或由叉車將貨物從入庫端推送到出庫端。

目前，在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地冷藏保鮮設施建設中，最常見冷庫由土建基礎(chǔ)、鋼架工程、屋面工程、保溫庫體、制冷設備及溫控自控系統(tǒng)等組成，采用風冷式壓縮冷凝機組或水冷式壓縮冷凝機組， 融霜方式采用電熱融霜、水沖霜或熱氟融霜，貯藏溫度在-2～16 ℃內(nèi)任意調(diào)節(jié)，采用無貨架自由堆垛。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和土地規(guī)?；?jīng)營不斷發(fā)展，設施農(nóng)用地越來越緊張，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地冷藏保鮮設施建設在滿足庫內(nèi)凈容積的前提下，適量增加庫內(nèi)凈高以節(jié)約設施農(nóng)用地，但在這種情況下其利用率小于0.4。 因此，研發(fā)與冷庫相適宜的貯存設施貨架系統(tǒng)尤為重要。

2 冷庫溫度均勻性的影響因素

蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)機組方式在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地冷藏保鮮設施建設中廣泛應用， 通過冷庫內(nèi)安裝的翅片式蒸發(fā)器及冷風機實現(xiàn)冷庫內(nèi)空氣強制對流，大大提高了冷庫內(nèi)的熱交換效率。 通過對翅片式蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑流量和冷風機風量的調(diào)節(jié)控制以實現(xiàn)庫內(nèi)溫度的控制。 周 翔等[4]研究了風量和制冷劑流量對翅片管冷風機性能的影響，結(jié)果表明，風量對翅片管式蒸發(fā)器的出口過熱度有很大影響， 適當增加制冷劑流量可以提高管內(nèi)換熱系數(shù)從而加大換熱量，有利于改善蒸發(fā)器性能。 除此之外， 圍護結(jié)構(gòu)熱流量、貨物熱流量、通風換氣熱流量、電動機運轉(zhuǎn)熱流量和操作熱流量直接影響冷庫溫度均勻性， 而不同的冷風機布置、風道布置和貨物堆垛方式會形成不同的冷風速度場，從而間接影響冷庫溫度均勻性。

冷庫溫度不均勻會對溫度變化敏感的食品造成不可逆的損壞[5]。 為提升冷庫溫度的均勻性，應降低溫度波動范圍以實現(xiàn)冷庫小溫差精準控制， 減少因溫度波動帶來的一系列問題，例如果實袋內(nèi)結(jié)露、微生物易滋生、果實衰老腐敗加劇、蒸發(fā)器的制冷效率明顯下降、耗電量增加等；可采用雙制冷機組交替除霜/制冷和制冷機組與均溫風機無縫銜接交替工作的模式改造，使庫內(nèi)氣流分布更為均勻，從而使庫內(nèi)溫度均勻分布[6]。 另外，通過冷庫內(nèi)冷風道和空氣流動的合理設計和布置， 能有效改善冷庫保溫空間內(nèi)溫度分布的均勻性， 但難以避免距離冷風機近端空氣溫度低、遠端空氣溫度高的問題，冷庫高度差異也會造成冷庫溫度的不均勻。

3 冷藏貯存設施貨架系統(tǒng)設計

3.1 自定位冷庫升降裝置設計理念

合理的堆積高度和位置有利于貨物的冷卻和儲藏[7]。 基于此，在采用雙制冷機組交替除霜/制冷和制冷機組與均溫風機無縫銜接交替工作的模式下，為進一步優(yōu)化冷庫內(nèi)冷風道和空氣流動布置， 設計一種冷藏貯存設施貨架系統(tǒng)， 即帶自定位冷庫升降裝置的雙層貨架。其優(yōu)勢有以下幾方面：一是裝載平臺可作為風道整流板， 通過高度的調(diào)整對冷庫空氣流場進行優(yōu)化以提升冷庫溫度均勻性；二是可以將貨物放置在裝載平臺并上升至一定高度以提升冷庫利用率；三是通過溫度傳感器、激光距離傳感器聯(lián)動控制電機，實現(xiàn)裝載平臺自定位升降動作，將貨物升降至溫度適宜的高度，以實現(xiàn)溫度精準保障。

冷藏貯存設施工作環(huán)境溫度為-2～16 ℃，在設計上需要考慮低溫帶來的影響：貨架的主構(gòu)件采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235D，保證沖擊試驗溫度-20 ℃，沖擊吸收功率≥27 J，具有良好的低溫韌性和延伸性，以免脆性毀壞，且鋼質(zhì)材溫度線膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃，混凝土溫度線膨脹系數(shù)為1.0×10-5~1.5×10-5/℃， 兩者比較接近，在溫差40 ℃以內(nèi)時均可有效銜接；緊固件選擇高鎳鉻合金鋼（如Cr18Ni9 型）或者有色金屬（如銅、鋁）材料；機械傳動潤滑脂采用低溫抗凍油脂，其具有良好的低溫啟動性，無毒無氣味且不含重金屬，以保障貯藏農(nóng)產(chǎn)品的綠色、安全；采用相位法激光測距， 用半導體激光器采集裝載平臺的高度位置，其具有轉(zhuǎn)換效率高、體積小、可靠性高、可以直接調(diào)制的優(yōu)點，但對溫度很敏感，環(huán)境溫度對其工作特性影響非常大[8]。 因此，需要考慮低溫對激光距離傳感器的影響，賈方秀等[9]為了消除溫度對半導體激光器調(diào)制特性的影響， 通過對溫度控制系統(tǒng)的合理設計，減小了周圍環(huán)境對溫控系統(tǒng)的影響。以庫內(nèi)凈容積為500 m3的冷藏庫為例， 冷藏貯存設施貨架系統(tǒng)布置如圖1 所示。

3.2 工作原理

冷藏貯存設施貨架系統(tǒng)的最小工作單元為自定位冷庫升降裝置，自定位冷庫升降裝置如圖2 所示，主要包括立柱、支撐梁、裝載平臺、電機、齒輪減速換向器、聯(lián)軸器、橫向轉(zhuǎn)軸、錐形齒輪換向器、縱向轉(zhuǎn)軸、蝸桿、渦輪、絲杠、激光距離傳感器、激光反射板和溫度傳感器。 其中，4 個立柱之間設有裝載平臺，裝載平臺四角處分別配置有驅(qū)動其上下移動的絲杠螺母組件，由電動機驅(qū)動齒輪減速換向器、橫向轉(zhuǎn)軸、錐形齒輪換向器、縱向轉(zhuǎn)軸、蝸桿和螺母實現(xiàn)裝載平臺的升降。 考慮到絲杠螺母副的安全自鎖特性以及對升降速度的要求不高， 故選擇梯形絲杠螺母副。由于其屬于滑動摩擦副，需要保證絲杠螺母副接觸面處于潤滑狀態(tài)， 通過設置自動加脂器以保證工作可靠性。 自定位冷庫升降裝置設有4 個激光距離傳感器（通過支架與立柱連接），4 個激光反射板固定在裝載平臺上，通過激光距離傳感器來檢測裝載平臺的實際高度。溫度傳感器安裝在立柱上，可測量不同度高度下的溫度值，按照倉儲農(nóng)產(chǎn)品溫度設定值，通過對冷庫內(nèi)多點布置溫度傳感器、實時檢測冷庫內(nèi)溫度、激光距離傳感器聯(lián)動控制電機，實現(xiàn)裝載平臺隨溫度變化進行自動升降，以達到溫度精準調(diào)控。

為保證自定位冷庫升降裝置的安全性， 設置了雙重上限位、下限位安全裝置，并通過激光距離傳感器設定上限位、下限位參數(shù)，當測量值達到設定值時，電機停止轉(zhuǎn)動作為第一道安全防護。設置機械式限位開關(guān)并安裝在立柱上，分別是上限位開關(guān)、下限位開關(guān)，位置可調(diào)。 當激光距離傳感器故障時，導向輪觸發(fā)機械式限位開關(guān)動作， 電機停止轉(zhuǎn)動以作為第二道安全防護。另外，為消除因4 個絲杠轉(zhuǎn)速不同導致裝載平臺傾斜帶來的安全隱患， 裝置通過激光距離傳感器實時檢測并對比4 個反饋信號測量值，當測量值比較差異超過設定值時，電機停止轉(zhuǎn)動。

3.3 工作過程

根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地冷藏保鮮工藝， 合理安排農(nóng)產(chǎn)品在冷庫倉儲放置的區(qū)域。 當農(nóng)產(chǎn)品貯藏溫度范圍較廣時，可以關(guān)閉自定位冷庫升降系統(tǒng)，采用先進后出的模式，將貯藏期短的貨物放置在裝載平臺上方，將貯藏期長的貨物放置在裝載平臺下方， 裝載平臺采用手動升降以提升冷庫利用率。 當農(nóng)產(chǎn)品貯藏溫度需要精準控制時，有兩種工作方式：一是將貨物放置在裝載平臺下方，將裝載平臺作為風道整流板，通過聯(lián)動調(diào)整各個自定位冷庫升降裝置的裝載平臺高度對冷庫空氣流場進行優(yōu)化， 確定各個裝載平臺合理位置以提升冷庫溫度均勻性，實現(xiàn)溫度精準保障；二是將裝載平臺下降至下限位， 或者利用升降叉車將倉儲農(nóng)產(chǎn)品放置在裝載平臺上， 根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品貯藏要求溫度與溫度傳感器測量值， 自定位冷庫升降裝置自動將裝載平臺上升至合理位置， 實現(xiàn)冷庫裝載平臺依據(jù)溫度實時測量并自動跟隨定位， 以保障溫度的精準控制。為提升冷庫利用率，可充分利用裝載平臺下方空間， 根據(jù)溫度選擇合適的農(nóng)產(chǎn)品進行貯藏，并在系統(tǒng)中設置激光距離傳感器下限位，防止裝載平臺隨溫度變化而升降時與其下方空間貯藏農(nóng)產(chǎn)品發(fā)生碰撞。農(nóng)產(chǎn)品結(jié)束貯藏出庫時，可利用升降叉車取出貯藏產(chǎn)品；或先取出裝載平臺下方空間貨物，在系統(tǒng)中重新設置激光距離傳感器下限位后， 將裝載平臺下降至下限位取出貨物。

4 結(jié)語

隨著人們對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的要求日益提高， 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地冷藏保鮮設施建設需求逐年增加， 這對冷藏貯存設施的設計水平提出了更高的要求。 冷藏貯存設施貨架設計以貨物堆積高度和位置影響冷庫溫度均勻性為切入點， 提出了貯藏農(nóng)產(chǎn)品依據(jù)設定溫度隨自定位冷庫升降裝置升降的方式， 以及通過裝載平臺改善冷庫內(nèi)冷風道和空氣流動以提升冷庫溫度均勻性，進一步提高溫度控制的精準率，從而提升冷庫利用率和冷藏保鮮質(zhì)量。