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CA冷藏库的原理及设计探讨

浏览次数: 日期:2007-04-18

 张君诚 刘新军 刘瑞光

关键词 :CA冷藏库 设计 气调 气密 冷链 

    1、CA冷藏库的基本原理

    CA冷藏是人工调节气体(Controlled Atmosphere)的贮藏方式,即对温度和气体成分进行连续控制的冷藏库,其原理是通过调节控制食品冷藏环境中的所有生物学气体包括O2、CO2、乙烯以及果蔬释放出的香气,限制有害气体的积累,抑制果蔬的呼吸及微生物的活动,抑制食品成分的氧化和褐变,从而达到延长食品保鲜期或保藏期的目的,    与CA冷藏库类似的还有一类气调贮藏为MA(Modified Atmosphere)冷藏库,也叫限气贮藏,是靠贮藏产品自身的呼吸代谢来降低环境中的氧浓度,提高CO2浓度,在整个贮藏过程中O2和CO2浓度变化较大,且没有一个恒定的气体指标。MA贮藏方法简单,效果较差,多用于贮藏或短期贮藏和运输。CA冷藏库贮藏量大,贮藏期长,贮藏品种多,且贮藏质量好。大量的研究和试验表明,目前, CA冷藏库是世界上最先进、最有前途、最有效的贮藏方法,采用这种方法能大大延长果蔬的贮藏期限和大幅降低由于微生物和生理病害造成的损失,并能最大限度地保证果蔬的风味和营养价值。

    2、CA冷藏库的特点

    传统的高温冷藏库可以减弱果蔬的呼吸作用,库温每降低10℃就可以使呼吸作用减弱一半,这就延迟了呼吸高峰的到来,抑制了果蔬的腐败。但是不能仅从减弱呼吸作用和代谢作用的观点来选择库温,因为贮存温度过低会引起果蔬的冻伤和低温病害,这就导致了果蔬贮藏期不能延长,从而使果蔬的营养成份受到损害。因此,CA冷藏库便在传统的高温冷藏库的基础上发展起来了,它在保留冷藏库所具有的“冷藏”功能的同时,增加了冷藏库所没有的“调气”功能,但是CA冷藏库并不是普通高温库与气调设备的简单叠加,与一般高温库相比,它在方案设计、冷负荷计算、建筑物气密性设计等方面都有自己明显的特点。

    2.1  设有制冷装置,使果蔬在贮藏时能达到所要求的温度。通常情况下,CA冷藏库的库温在-2~10℃,温度波动应控制在±0.5℃以内,且库温应随贮存的品种不同作相应调整。

    2.2  CA冷藏库气密性的好坏决定着库内气体成分的稳定性,关系到产品的冷藏效果和冷藏寿命。如果库内气密性轻度不良而引起库内气体成分的波动,可以通过经常运转调节气体的设备来改善,但这会使运行费用大幅提高。如果气密性严重不良,那就不能作为CA冷藏库使用。因此,在施工完毕后必须进行气密性试验。但这并不意味着CA冷藏库应该达到绝对的气密,因为果蔬的呼吸作用会消耗库内的O2,使O2浓度持续降低,若不及时通入新鲜空气来维持贮藏所需要的O2浓度,则会导致果蔬进行无氧呼吸(比有氧呼吸消耗更多的营养成分),从而引起有害于品质的厌氧性发酵,会产生酒精和乙醛的积累进而造成果蔬的生理病害,严重时会招致微生物侵害,使其腐烂。

目前我国CA冷藏库的气密标准大多采用联合国粮农组织(FAO)推荐的标准,即在封库加压至294kPa时,30min压力降至不低于39.2kPa为合格;压力在107.8~147kPa之间为良好;压力在147kPa以上为优秀;压力在39.2kPa以下为不合格,即无法形成气调环境,应重新修复。

2.3  有调节气体成分的装置及检测气体成分的仪器。CA冷藏库之所以比常规冷藏库优越,其原因是果蔬在低氧和高二氧化碳的人工控制的环境中进行密闭冷藏,使果蔬处于休眠状态,以降低果蔬的呼吸强度,延缓成熟过程,延长贮藏期,并取得良好的保鲜效果。一般CA冷藏库中的O2含量由新鲜空气的标准21%平均降低3/4,即为5%左右;而CO2含量由新鲜空气的标准0.03%提高到100倍,即为3%或更多一些;其余是N2的含量。

CA冷藏库应根据贮存的品种确定各种气体的含量,并应在短时间内达到对气体组分的要求,这个工作是由气调系统来完成的。

    2.4  有调湿措施。因为库房内冷却盘管不断结霜,库内水分经过化霜而排至室外,造成库内相对湿度过低而致使产品干耗过大,因此库内需有加湿措施。通常库内相对湿度应控制在80%~95%

    2.5  围护结构应使用良好的隔热和防潮材料。为了减少库内温度波动,节省能源,库体应采用良好的保温隔热材料。目前CA冷藏库大都采用彩色夹心钢板拼装,这种钢板具有隔热防潮和气密三重作用,地面常采用XPS或聚氨脂保温。

2.6  库内空气必须循环。通过库内的空气循环使库内各部位的温湿度及气体成分均匀一致,保证较好的贮藏保鲜效果。

2.7  具有压力平衡装置。CA冷藏库内常常会发生气压变化,如吸收O2和CO2时或者库内温度变化时,使库内外出现压差,为保证库房的气密性和库体免遭破坏,需在库外设置压力平衡装置。

    3、CA冷藏库的设计

    CA冷藏库主要由库房、制冷系统、气体净化系统、湿度调节系统、气体循环系统、压力平衡装置等组成。

    目前国内CA冷藏库的设计主要参照《冷库设计规范》(GB50072-2001),但该规范总则1.0.2明确指出,气调库不适合该规范,并在条文说明中作了解释:“因为这些形式的冷库其构造做法、冷负荷计算等与普通形式的冷库不同,而且这方面的生产实践经验和科研数据还不多,有待积累”。因此,本文呼吁有关方面应及早出台CA冷藏库的设计规范,以适应形势的要求,同时,本文也将在CA冷藏库的设计方面进行深入的探讨,并做一些有益的尝试。

    3.1  库址选择

    CA冷藏库通常应建在果蔬产区或离产区较近的地方,不应建在远离产区的大中城市。并应综合考虑当地的技术力量和条件,以及当地的交通运输、水电供应、地质结构等状况,再经过环境、经济、技术等多方面的综合分析比较,来选出最优的建设地点。

    3.2  建设规模的确定

CA冷藏库实际上是一个小型建筑群体,主要包括库间、挑选间、包装间、产品预冷间、存筐间、化验室、机房、泵房、备用发电机房、配电室、月台、穿堂、办公、更衣和停车场等。

要进行CA冷藏库的设计,需确定其建设规模,即确定库容量是至关重要的。总贮藏量的确定首先必须调查货源、市场需求和流向、果蔬的产销价格及投资效益、发展规划、已有的贮藏能力和方式;其次应考虑果蔬生产的特点和贮藏的要求。果蔬生产季节性强,收获期集中,CA冷藏对果蔬质量要求高,入库速度要求快,因此CA冷藏库的规模要合理。如果设计过小,会影响经营的规模和效益;如果设计过大,又会造成资源浪费,库房利用率低,总投资加大等问题。目前,国内CA冷藏库的贮藏量一般控制在500~5000t的范围内为宜,当然也有万吨库出现,但数量极少。

总贮藏量确定后,应根据果蔬品种的不同、日进货量、入库前的处理方式和能力、库内码垛的方式、运输方式、包装方法及外包装的尺寸等确定库间大小。库间大小要适中,过小虽然能提高进货速度,但库房利用率太低;库间太大,进货时间拉长而影响贮藏效果。目前国内一般将库间定为100~300t。对特殊品种,如樱桃、冬枣等也可定为30~100t。

    3.3  平面布局

    3.3.1  功能构成

一个完整的CA冷藏库应具备以下基本功能:a、进出货月台;b、选果间;c、库间;d、存筐间;e、穿堂;f、包装间;g、机房;h、更衣等。有的设计方案将穿堂加宽以代替选果间,可以降低工程造价和占地面积,但库内运输会受一定影响。

3.3.2  冷链(cold chain)的建立

果蔬冷链是指果蔬在贮藏、加工、运输、销售直至消费前的各个环节中始终处于规定的低温环境下,以保证果蔬的品质,减少损耗的一项系统工程。

本文指的冷链仅指在果蔬贮藏加工处的冷链,即:接货及整理→原料分选(按重量及果色进行选别、包装)→进入CA冷藏库贮存→建立气调环境→冷藏→出库→选别→分级包装→冷藏车出货。这个冷链就是果蔬收集后经分级贮存,再到包装出货的全过程,在设计中,应将此冷链保持完整,因为一旦“断链”,果蔬会产生结露现象,从而带来产品品质的下降,重则腐烂,轻则产生褐变。

这个冷链的关键控制点(CCP)分别为分级挑选间、穿堂、库房、包装间、装卸货口。除了冷间需要控制温湿度和气体组分以外,由于产品停留时间较短,其余位置只需控制温湿度即可。在这里需要强调的是装卸货口,许多设计人员会忽略这个部位,从而导致“断链”,要处理好这个环节,必须设计保温滑升门,月台高度调节板、车辆限制器和密闭接头等。

3.3.3  平面布置的原则

    CA冷藏库的布置是根据贮存品种,允许占用土地面积、贮存规模、工艺流程、库内外装卸运输方式、设备和管道的布置要求等来确定的,确定各库间、选果间、存筐间、包装间、穿堂、楼梯月台等部分的建筑面积和CA库的外形(通常长宽比为1.5∶1左右),对CA库内各库间的布置,选果包装间及穿堂、过道、月台等部分的具体位置进行合理的布局。一般情况下,CA冷藏库的布置应当满足以下要求。

a、工艺流程顺畅,不交叉;进出库运输线路通畅,路线较短。

b、符合库区总平面布局的要求,与进出库物资流向衔接协调。

c、贮藏产品分区明确,尽可能各自分开。

d、尽量缩小绝热层的面积。

e、适当考虑扩建和维修的场地。

在平面布置时,应充分运用穿堂作为连接各部分的纽带,衔接前后工序的桥梁和物资流通的渠道。巧妙运用穿堂,可以使建筑平面布置灵活多变,适应不同客观条件的要求,取得有利生产、方便管理、延长CA冷藏库使用寿命等多方面效果。

3.3.4  垂直布置

CA冷藏库一般都是单层建筑,库房的层高应根据堆货的方法及货筐的高度确定。目前国内CA冷藏库净高一般都在7m以下,为了尽可能地提高库容量,扩大经济效益,建议将层高设计成7~8.5m,实践证明,这个高度不会形成明显的温度梯度,贮存效果较好。为节省建筑面积,制冷和气调设备一般布置在穿堂上部技术夹层内。

    月台高度(CA冷藏库的地坪与室外高差)目前大都设计成1.2m,这是从普通冷库移植过来的。普通冷库的月台高度是为了适应大型集装箱车的货箱底高度(约1.2m高)。然而,CA冷藏库的进货期比较集中,卸货强度很大,而进货时主要运输工具是农用三轮、拖拉机等,这些运输工具的货箱底高度一般为0.9m左右,若月台高度超过0.9m,则卸货时货箱底部的货物不能平推,只能搬运,这大大增加了卸货的难度;而出货时,主要用叉车门对门上货,工作强度较小,因此,建议设计时将月台高度设计成0.9m,一方面降低了工人的工作强度,另一方面减少了土方量,因而可以降低工程造价。

    3.3.5  库房的构造

CA冷藏库应具有良好的隔热性和气密性,这样才能使库内空气中的CO2和O2浓度,在较长时间内维持不变或变化缓慢,保证贮藏保鲜的效果。CA冷藏库一般由若干库间组成,每个库间是独立的,可以单独进行调节管理。目前,国际上库体的主要材料普遍采用导热系数低的聚苯乙烯夹芯板(容重大于等于16kg/m3)或预制聚氨脂隔热夹芯板(容重大于等于40kg/m3),夹芯板的内外面选用彩色涂层钢板,库房顶部、地面及四周墙体上均有气密结构,气密层要连为一体,板缝之间由耐低温、高强度中性硅酮密封胶及聚氨脂密封胶填充,不能有任何缝隙,库门也是特制的密封门,观察窗和各种通过墙壁的管道也要有气密构造,整个库房还应能承受一定的压力(正压和负压)。

库体外墙及穿堂两侧的隔墙一般应采用砖墙,可以保持库温的稳定,并对库板形成很好的保护,延长CA冷藏库的使用寿命,地面采用XPS或聚氨酯分层铺设;屋顶主要起遮阳、防水及吊库顶板的作用,为降低工程造价,一般采用轻钢屋顶;为了改善吊顶上部的环境,屋面上应加设无动力排风机,库体吊顶上部两侧设防雨百叶窗,由于库内外会出现压差,为保证库体安全和气密性,必须安装压力平衡装置,常用方法有气体平衡袋、安全阀和水封装置等。

3.3.6  制冷系统

CA冷藏库一般采用分散式制冷系统,制冷主机通常使用自动化程度较高,系统简单的氟利昂压缩冷凝机组。设计时应注意以下问题:

a、制冷设备的配置

为了减少因外界气温影响而造成围护结构两侧的压差,CA冷藏库围护结构的热阻一般取得较大,隔热层要厚一些,因此,围护结构的传热量较小,运行时负荷较低。但是由于进货快,每日的进货量较大,入库阶段的负荷较高。应针对CA冷藏库的实际状况进行负荷计算,并据此选择制冷设备,为节省能源,适应负荷变化大的特点,制冷主机应采用变频控制。

b、冷风机

CA冷藏库入库阶段的负荷与贮存阶段的负荷相差很大,应采用配有双速风机的冷风机。另外,为了减少库内温度波动,冷风机的冲霜只能采用水冲霜,不能采用电化霜或热工质化霜。

c、加湿

为了提高CA冷藏库内的相对湿度,一方面要适当加大冷风机的冷却面积,缩小冷风机的传热温度,另一方面还要设置加湿装置。为防止库温不必要的波动,严禁使用使库内负荷增加的加湿装置,如蒸汽加湿。

d、冷藏温度

冷藏温度的静态偏差控制宜小不宜大(一般要求±0.5℃),这对降低库温度波动幅度及相应减少库内外压差和库内气体浓度的波动幅度至关重要。

e、设备布置

由于CA冷藏库构造独特,人员不能随便进入,为便于管理,制冷、气调、加湿设备应安装在易于观察和维修的地方。目前的设计一般将其布置在穿堂上部的技术夹层内,并通过观察窗观察库内的冷风机运转情况。

3.3.7  气调系统

气调系统是CA冷藏库的核心,因为库内气体成分的调节是通过气调系统调节O2、CO2、N2的比例并降低乙烯的浓度来完成的。

近年来,气调技术发展迅猛,气调设备也日益完善。目前,国外先进的气调系统主要是由二氧化碳脱除机、脱氧机、乙烯脱除机及O2/CO2自动分析控制装置等构成。其中二氧化碳脱除机利用程控转向阀控制再生—吸附循环,顺次将库房内富含CO2的空气抽出,使其通过一个有特殊的活性碳床的封闭系统,由于活性碳孔很少,而CO2分子很大,从而将其分离出来,有效地减少库房内的CO2含量。

目前最为先进的脱氧机利用碳分子筛的吸附原理,将O2吸附,再利用真空脱除吸附的O2,并与库房形成一个全自动的闭路循环系统。

乙烯脱除机利用强力空气循环通过一个温度为250℃的催化床,去除库房中的乙烯。

O2/CO2自动分析控制装置是气调系统的核心部分,该装置具有一个CO2分析装置和一个顺磁O2分析装置,带有多个温度和湿度探头,可显示分析数据和分析曲线,利用计算机可对48个库房中的O2/CO2含量实现可持续性自动分析控制。

    4、问题探讨

4.1防火分区

由于CA冷藏库内气体含氧量小于5%,此时,可燃物体也无法燃烧,故将其火灾危险性定为戊类是可行的,根据《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)3.3.2规定的一、二级耐火等级的单层仓库最大允许占地面积和防火分区均不受限制。

而《冷库设计规范》(GB50072-2001)4.3.2规定单层冷间建筑的最大占地面积为7000m2,防火分区为3500m2

考虑到CA冷藏库内的特殊环境,又没有相应的设计规范,建议设计人员应与当地消防部门进行深入的沟通,并由消防部门牵头组织专家进行论证,在保证安全的前提下,将防火分区设置得更大一些,减少防火墙及防火卷帘等设施,从而降低工程造价,同时也给平面布置及内部的运输带来方便。

实际上,国内这几年新建了许多大吨位CA冷藏库,很多都采取了上述措施,加大了防火分区的面积,降低了工程投资,创造了客观的经济效益,也积累了丰富的经验。

4.2  预冷

由于发达国家果蔬生产规模大,机械化程度高,采后集中处理、营销,从田间到CA冷藏库的入库时间很快,导致果蔬田间热带至CA冷藏库,为了保证贮藏质量,大都设有预冷间以便尽快地除去果蔬的田间热。受此影响,国内目前的设计也大都设置预冷间。

然而,国内的果蔬生产与国外发达国家差距很大,大都是散户种植,零星采摘,生产规模小而分散,并且待价而沽,不具备国外的大规模、集约化的生产模式,果蔬的田间热会自然散失,不会集中带到CA冷藏库,因此,国内目前的设计尤其是针对分散采购的CA冷藏库没有必要设置预冷间,这样既可以大幅度降低工程造价,又减少了搬运、装卸的工作量。

    5、结束语

    目前,国内气调保鲜事业发展缓慢,每年因贮藏不当造成损失十分惊人。主要原因是我国缺少成熟的气调技术和相关的设计技术人员,又没有完善的设计规范,导致建造CA冷藏库的成本太高,能源消耗大,经济效益不显著。这就要求这个行业的从业人员,尤其是设计人员应该认真研究探讨CA冷藏库技术,使其精确化、规范化、简易化,设计出经济、实用、安全、操作简便的CA冷藏库。

 参考文献

[1]谭晶       食品冷冻冷藏原理与技术   化学工业出版社   2004

[2]刘建学     食品保藏学               中国轻工业出版社2006

[3]李勇       食品冷冻加工技术         化学工业出版社   2005

[4]刘北林     食品保鲜与冷藏链         化学工业出版社   2004

[5]李家庆     果蔬保鲜手册             中国轻工业出版社2003

[6]GB50072-2001冷库设计规范              中国计划出版社   2001

[7]GB50016-2006建筑设计防火规范       中国计划出版社   2006

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