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        應(yīng)用輻射換熱的食品保溫儲(chǔ)藏箱設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

        2020-10-22 10:34:30黃楓壬陳世龍
        江蘇科技信息 2020年23期

        趙 悅,王 瑜,黃楓壬,臧 倩,陳世龍

        (南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,江蘇南京210009)

        0 引言

        調(diào)查研究表明,在寒冷的冬天,上班族、學(xué)生黨等常因離住宿地方太遠(yuǎn),導(dǎo)致從食堂打包的飯菜在路途中就已經(jīng)變冷。目前餐廳中常用的塑料打包盒并不能長(zhǎng)時(shí)間使食物保持在適宜溫度,能否吃上一頓熱飯菜成了一大問(wèn)題。胃對(duì)食物很挑剔,生、冷、硬、酸、辣等刺激性食物會(huì)影響胃的工作。很多消化酶的正常工作需要適宜的溫度,長(zhǎng)期食用涼飯菜會(huì)影響胃酸分泌和消化酶的作用[1]。長(zhǎng)此以往,可能患上胃潰瘍、淺表性胃炎等胃病。

        以保溫方式分類,保溫盒主要有加熱型和非加熱型兩種類型。經(jīng)研究分析,加熱型配送箱內(nèi)部溫度明顯高于非加熱型配送箱[2]。保溫盒傳統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)思為使用電熱絲進(jìn)行加熱。電熱絲的制熱效果并不理想,并且加工和固定組裝煩瑣,產(chǎn)熱的效率在60%左右[3]。加入蓄電池后的保溫盒雖延長(zhǎng)了保溫時(shí)間,但是電池的可接受電流隨充電過(guò)程的進(jìn)行而逐漸下降。充電后期,如果充電電流仍然很大,不僅消耗電能,而且容易造成極板上活性物質(zhì)脫落,影響蓄電池壽命[4]。鎳氫電池不含有鎘金屬,安全可靠,貯能密度高,但它也具有記憶效應(yīng)。二次鋰電池重量輕、能量大、自放電率低,備受廣大消費(fèi)者的歡迎[5]。由于離子電池沒(méi)有記憶效應(yīng),是便攜式設(shè)備的首選電源[6]。但在充放電過(guò)程中,鋰電池由于電化學(xué)反應(yīng)以及自身電阻的存在,會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,使電池溫度升高。當(dāng)電池過(guò)熱時(shí),會(huì)造成壽命縮短,甚至還會(huì)引發(fā)熱失控,進(jìn)而導(dǎo)致安全事故;當(dāng)溫度過(guò)低時(shí),電池容量急劇下降,性能嚴(yán)重衰減[7]。因此,電池不是保溫飯盒能量來(lái)源的最優(yōu)選擇。

        輻射傳熱應(yīng)用內(nèi)外共同加熱的方式,可實(shí)現(xiàn)短時(shí)加熱;通常的加熱方法,若提高加熱的速率,就會(huì)形成外焦里生的現(xiàn)象,而輻射傳熱時(shí)食物各部分均能接收電磁波,均勻性得到改善。基于此原理,本文設(shè)想將建筑中的水輻射管應(yīng)用至食物保溫領(lǐng)域,拋棄了電池加熱方式,設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算了熱水用量,并對(duì)該飯盒進(jìn)行了保溫設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上向保溫盒內(nèi)加入飯菜,模擬真實(shí)的保溫環(huán)境,通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證保溫盒的保溫效果和持續(xù)時(shí)間。

        1 保溫盒設(shè)計(jì)

        1.1 設(shè)計(jì)原理

        在紅外輻射加熱過(guò)程中,紅外線照射到被加熱食物表面時(shí),一部分反射,一部分透過(guò),一部分被食物吸收。食物吸收紅外線是因?yàn)槭澄锓肿舆\(yùn)動(dòng)與紅外輻射頻率相一致,產(chǎn)生共振或轉(zhuǎn)動(dòng),食物將紅外輻射吸收轉(zhuǎn)化成分子熱運(yùn)動(dòng)。

        1.2 箱體設(shè)計(jì)

        箱體材料選用pp板,pp塑料重量比金屬輕,相比較其他塑料pp 板耐高溫,對(duì)食物無(wú)毒無(wú)害。利用水比熱容較大的特性,以水儲(chǔ)能,通過(guò)水的輻射散熱,完成對(duì)食品的保溫工作。為了使食物受熱均勻,采用16根輻射換熱水管分別在箱體5個(gè)面進(jìn)行加熱。具體布置如圖1所示。保溫材料選擇采取導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料,且需耐高溫、防水、重量小,所以選擇了聚氨酯泡沫板。在選擇加熱裝置時(shí),作為預(yù)備材料的選擇有陶瓷加熱片、電熱絲兩種方案。陶瓷加熱片絕緣性能好,為確保裝置的安全性,試驗(yàn)將采用陶瓷加熱片。

        圖1 保溫箱及輻射水管布置

        1.3 箱體參數(shù)

        制造完成的樣機(jī)如圖2所示。

        圖2 保溫箱樣機(jī)

        箱體規(guī)格:內(nèi)箱體內(nèi)尺寸31×16×10 cm;內(nèi)箱體外尺寸32×17×10.5 cm;外箱體內(nèi)尺寸37×22×13 cm;外箱體外尺寸38×23×13.5 cm;箱體重量1.831 kg;聚氨酯泡沫層導(dǎo)熱系數(shù)為0.68 W/(m2·K)。

        2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,本次分別進(jìn)行了4次對(duì)比試驗(yàn)。

        2.1 試驗(yàn)原理

        將水管埋入隔熱保溫材料聚氨酯泡沫板中,通過(guò)加熱箱體內(nèi)安裝的輻射水管中的水,利用水的輻射散熱特性和聚氨酯泡沫板對(duì)水管的保溫,達(dá)到給食物保溫的效果。

        2.2 試驗(yàn)儀器

        除設(shè)計(jì)完成的保溫箱體外,試驗(yàn)元器件還包括兩份打包的飯菜、計(jì)時(shí)器、紅外測(cè)溫儀。

        2.3 試驗(yàn)步驟

        記錄每隔0.5 h的飯菜溫度,通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù),測(cè)量輻射傳熱保溫箱的保溫效果。

        步驟1:準(zhǔn)備好試驗(yàn)器材,將100 ℃的水灌入輻射水管中。將準(zhǔn)備好的兩份飯菜標(biāo)號(hào),分別為飯1、飯2、菜1、菜2。用紅外測(cè)溫儀測(cè)溫并記錄兩份飯菜的初始溫度。

        步驟2:將兩份飯菜放入輻射傳熱保溫箱中,計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。每隔0.5 h 記錄兩份飯菜的溫度,測(cè)量3 次飯的溫度和兩次菜的溫度,分別取平均值,直到飯菜溫度接近35 ℃時(shí),停止試驗(yàn)。

        步驟3:加熱兩份飯菜,使溫度與初始溫度接近。將兩份飯菜置于28 ℃的室內(nèi)環(huán)境下,重復(fù)過(guò)程步驟2。

        步驟4:加熱標(biāo)號(hào)為飯1、菜1的一份飯菜,使溫度與初始溫度接近。將一份飯菜放入輻射傳熱保溫箱中,重復(fù)步驟2。

        步驟5:加熱步驟4中的一份飯菜,使溫度與步驟4 中的溫度相差不大。將一份飯菜放入輻射傳熱保溫箱中,計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。每隔0.5 小時(shí)記錄一份飯菜的溫度和箱體內(nèi)表面的溫度,測(cè)量3 次飯的溫度、兩次菜的溫度和3 次內(nèi)表面溫度,分別取平均值,直到飯菜溫度接近35 ℃時(shí),停止試驗(yàn)。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 室內(nèi)自然放置試驗(yàn)

        試驗(yàn)者首先進(jìn)行了90 min 的室內(nèi)自然放置的對(duì)比試驗(yàn),測(cè)量結(jié)果如圖3 和圖4 所示,由此結(jié)果可知,在正常適宜的室內(nèi)溫度環(huán)境內(nèi),作為試驗(yàn)樣品的兩份飯菜在90 min后出現(xiàn)明顯的降溫現(xiàn)象,兩份飯分別從初溫53.8 ℃和56.7 ℃降至36.9 ℃和36.8 ℃,兩份菜分別從初溫45.7 ℃和48.3 ℃降至33.4℃和33.9 ℃,降溫均在10 ℃以上。試驗(yàn)在溫度較高的夏季進(jìn)行,顯然可以預(yù)見(jiàn),冬季在未安裝暖氣設(shè)施的房間內(nèi),飯菜在室內(nèi)自然放置時(shí)的降溫趨勢(shì)會(huì)更加明顯,經(jīng)歷相同的放置時(shí)間后,飯菜溫度會(huì)更低,放涼的飯菜不僅影響口感,也會(huì)對(duì)人的身體產(chǎn)生許多不好的影響。

        3.2 使用輻射保溫箱放置試驗(yàn)

        室內(nèi)自然放置對(duì)比試驗(yàn)結(jié)束后,在完全相同的外界條件下,繼續(xù)進(jìn)行了使用輻射保溫箱放置飯菜的試驗(yàn),具體試驗(yàn)結(jié)果所呈現(xiàn)的滿載時(shí)食物溫度變化曲線如圖5 和圖6 所示,可以看到,放置時(shí)間達(dá)90 min 時(shí),平均初溫為51.4 ℃的飯1和初溫為57.3 ℃的飯2的平均溫度分別為42.8 ℃和46.1 ℃,平均初溫為45.1 ℃的菜1和初溫為49.9 ℃的菜2的平均溫度分別為42.7 ℃和40.7 ℃,而經(jīng)過(guò)300 min 的放置試驗(yàn)后,飯1、菜1、飯2、菜2 的終溫分別為35.1 ℃、37.9 ℃、37.8 ℃、36.2 ℃,注入的熱水溫度降至33.3 ℃。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,5 h 內(nèi)保溫箱可維持飯菜溫度在人體可接受范圍內(nèi),與室內(nèi)自然放置試驗(yàn)結(jié)果相比較,發(fā)現(xiàn)輻射保溫箱明顯減緩了飯菜溫度下降的趨勢(shì),滿足設(shè)計(jì)要求。

        3.3 僅一份飯菜的使用輻射保溫箱放置試驗(yàn)

        圖3 1號(hào)飯菜室內(nèi)放置溫度變化

        圖4 2號(hào)飯菜室內(nèi)放置溫度變化

        圖5 1號(hào)飯菜在保溫箱中的溫度變化

        圖6 2號(hào)飯菜在保溫箱中的溫度變化

        為探究保溫箱裝配飯菜質(zhì)量對(duì)保溫結(jié)果的影響,試驗(yàn)者繼續(xù)進(jìn)行了一份飯菜的輻射保溫箱試驗(yàn),試驗(yàn)進(jìn)行前,試驗(yàn)者預(yù)計(jì)需保溫的食物總量減少,保溫時(shí)間應(yīng)該會(huì)延長(zhǎng),然而,在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中,試驗(yàn)者發(fā)現(xiàn),保溫90 min 時(shí),飯的溫度從初溫57.8 ℃降至42.9 ℃,菜的溫度從初溫46.4℃降至38.1 ℃,在放置時(shí)間達(dá)到180 min后,飯的平均溫度降至39.0 ℃,菜的溫度降至37.4 ℃,試驗(yàn)結(jié)果所呈現(xiàn)下半負(fù)荷時(shí)食物溫度變化曲線如圖7所示,由圖5、圖6和圖7對(duì)比可知,與兩份飯菜相比,保溫時(shí)間明顯降低。

        圖7 一份飯菜在保溫箱中的溫度變化

        3.4 僅一份飯菜的使用輻射保溫箱放置試驗(yàn)二

        為確定探究此結(jié)果產(chǎn)生的原因,繼續(xù)進(jìn)行了僅一份飯菜的使用輻射保溫箱放置試驗(yàn)二。此次試驗(yàn)中,試驗(yàn)者在測(cè)定飯菜表面平均溫度的同時(shí),額外測(cè)定了工作時(shí)保溫箱內(nèi)表面的溫度變化,具體試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,在本次試驗(yàn)中,180 min時(shí),飯從初溫58.2 ℃降至39.2 ℃,菜從初溫42.4 ℃降至39.2 ℃。由此可確定,試驗(yàn)所呈現(xiàn)的結(jié)果是基本正確的。測(cè)得箱體內(nèi)表面的初溫為27.4 ℃,注入熱水30 min 后,箱體內(nèi)表面溫度升至40.3 ℃,工作60 min 后,箱體內(nèi)表面溫度升高至最大值41.7 ℃,而后逐漸下降,工作270 min 后,箱體內(nèi)表面溫度降至35.0 ℃。

        圖8 一份飯菜及箱體內(nèi)表面溫度變化

        出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因在于,僅加熱一份飯菜時(shí),飯菜在受熱保溫前,以輻射和對(duì)流方式向箱體內(nèi)表面散熱,為箱體內(nèi)表面預(yù)熱,在箱體內(nèi)表面溫度大于食物表面溫度之后,保溫箱開(kāi)始正常工作。若預(yù)熱不到位,箱體內(nèi)表面溫度小于食物溫度,會(huì)出現(xiàn)由食物表面到箱體內(nèi)表面的反向輻射換熱現(xiàn)象,致使飯菜溫度下降。保溫箱在加熱兩份飯菜時(shí),飯菜同樣受到保溫箱預(yù)熱的影響,但兩份飯菜之間相互的熱量交換減弱了此影響,加強(qiáng)了保溫效果,試驗(yàn)結(jié)果因而呈現(xiàn)出更加平緩的溫度下降趨勢(shì)。因此在保溫箱實(shí)際使用時(shí),需在放入飯菜前預(yù)熱一段時(shí)間,使得箱體內(nèi)表面溫度與飯菜溫度趨于一致或大于飯菜溫度,從而保證輻射換熱方向遵循“輻射水管—箱體內(nèi)表面—飯菜表面”的趨勢(shì)。

        4 結(jié)語(yǔ)

        基于輻射換熱技術(shù),本文選用水作為熱源介質(zhì),以覆蓋保溫材料的箱體為載體,設(shè)計(jì)了一種食品保溫儲(chǔ)藏箱。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了模擬試驗(yàn)和對(duì)比試驗(yàn),得到結(jié)論如下。

        (1)在正常適宜的室內(nèi)溫度環(huán)境內(nèi),不使用保溫箱90 min 內(nèi)能維持樣品飯菜溫度在人體可接受范圍內(nèi)。

        (2)在完全相同的外界條件下,使用輻射保溫箱放置,300 min 內(nèi)能維持樣品飯菜溫度在人體可接受范圍內(nèi)。

        (3)探究了保溫箱裝配飯菜量對(duì)保溫結(jié)果的影響,由于溫度差導(dǎo)致易保溫箱反向傳熱現(xiàn)象的產(chǎn)生,因此在使用時(shí),要提前預(yù)熱提升箱體內(nèi)表面溫度從而保證熱量遵循“輻射水管—箱體內(nèi)表面—飯菜表面”的傳遞方向。

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