中空纖維氣調(diào)庫(kù)的設(shè)計(jì)與膜組件制備關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代社會(huì)，食品的保鮮與儲(chǔ)存是保障食品安全、減少資源浪費(fèi)以及滿足消費(fèi)者對(duì)高品質(zhì)食品需求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著人們生活水平的提高和消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，對(duì)于食品的新鮮度、營(yíng)養(yǎng)成分保留以及貨架期的要求日益嚴(yán)苛。果蔬作為人們?nèi)粘ｏ嬍持胁豢苫蛉钡牟糠郑浼竟?jié)性和區(qū)域性生產(chǎn)特點(diǎn)與全年均衡供應(yīng)的市場(chǎng)需求之間存在矛盾，這使得有效的保鮮技術(shù)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的冷藏保鮮方法雖能在一定程度上延長(zhǎng)食品保質(zhì)期，但對(duì)于維持食品的原有品質(zhì)和風(fēng)味存在局限性。氣調(diào)保鮮技術(shù)作為一種新興且高效的保鮮方式，通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)存環(huán)境中的氣體成分，如降低氧氣濃度、增加二氧化碳濃度等，能夠有效抑制食品的呼吸作用和微生物生長(zhǎng)，從而延緩食品的新陳代謝過(guò)程，更好地保持食品的新鮮度、色澤、口感和營(yíng)養(yǎng)成分，在食品保鮮領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力和應(yīng)用價(jià)值。中空纖維氣調(diào)庫(kù)作為氣調(diào)保鮮技術(shù)的重要應(yīng)用形式，近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。中空纖維膜組件在氣調(diào)庫(kù)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了氣體的高效分離和精確調(diào)控。與傳統(tǒng)的氣調(diào)設(shè)備相比，中空纖維氣調(diào)庫(kù)具有諸多優(yōu)勢(shì)。在能耗方面，其分離過(guò)程無(wú)相變、無(wú)壓力損失，能耗顯著降低，符合當(dāng)今節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)；從設(shè)備結(jié)構(gòu)來(lái)看，它具有設(shè)備簡(jiǎn)單、占地少的特點(diǎn)，便于安裝和維護(hù)，能夠適應(yīng)不同場(chǎng)地條件的需求；在性能上，中空纖維膜對(duì)氣體的選擇性透過(guò)使得氣調(diào)庫(kù)能夠更精準(zhǔn)地控制氧氣、二氧化碳等氣體的濃度，為食品提供更適宜的儲(chǔ)存環(huán)境，極大地延長(zhǎng)了食品的保質(zhì)期。例如，在水果保鮮中，通過(guò)中空纖維氣調(diào)庫(kù)的精確氣體調(diào)控，能夠?qū)⑺谋ｕr期延長(zhǎng)數(shù)倍，有效減少了水果在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中的損耗，提高了水果的品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于一些易腐壞的食品，如肉類、海鮮等，中空纖維氣調(diào)庫(kù)同樣能夠發(fā)揮重要作用，保持其新鮮度和口感，減少微生物污染，保障食品安全。在當(dāng)前食品產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展和人們對(duì)食品品質(zhì)要求不斷提高的背景下，深入研究中空纖維氣調(diào)庫(kù)的設(shè)計(jì)及膜組件的制備具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。一方面，通過(guò)優(yōu)化氣調(diào)庫(kù)的設(shè)計(jì)和膜組件的性能，可以進(jìn)一步提升食品保鮮效果，降低食品損耗，為食品產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持；另一方面，開(kāi)發(fā)高效、節(jié)能、低成本的中空纖維氣調(diào)庫(kù)技術(shù)，有助于推動(dòng)氣調(diào)保鮮技術(shù)的廣泛應(yīng)用，滿足市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)食品儲(chǔ)存的需求，提高消費(fèi)者的生活質(zhì)量。此外，相關(guān)研究還能促進(jìn)膜材料科學(xué)、氣體分離技術(shù)等多學(xué)科的交叉融合，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，中空纖維氣調(diào)庫(kù)的研究與應(yīng)用起步較早，技術(shù)相對(duì)成熟。美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在氣調(diào)保鮮技術(shù)領(lǐng)域投入了大量的研發(fā)資源，取得了一系列顯著成果。早在20世紀(jì)中期，氣調(diào)技術(shù)就已在歐美國(guó)家得到重視并迅速發(fā)展，目前這些地區(qū)的氣調(diào)貯藏技術(shù)已廣泛應(yīng)用于果蔬、肉類、海鮮等各類食品的保鮮領(lǐng)域，應(yīng)用氣調(diào)貯藏的果品比例較高，如美國(guó)應(yīng)用氣調(diào)貯藏的果品高達(dá)75%，法國(guó)約占40%，英國(guó)約占30%。在中空纖維氣調(diào)庫(kù)的設(shè)計(jì)方面，國(guó)外研究注重優(yōu)化氣調(diào)庫(kù)的結(jié)構(gòu)和性能，以提高氣體調(diào)控的精度和效率。通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)，對(duì)氣調(diào)庫(kù)內(nèi)的氣體流動(dòng)、溫度分布和濕度變化進(jìn)行深入研究，從而實(shí)現(xiàn)氣調(diào)庫(kù)的精細(xì)化設(shè)計(jì)。一些研究通過(guò)CFD模擬分析了不同通風(fēng)方式和膜組件布置對(duì)氣調(diào)庫(kù)內(nèi)氣體均勻性的影響，為氣調(diào)庫(kù)的設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。在氣調(diào)庫(kù)的自動(dòng)化控制方面，國(guó)外已實(shí)現(xiàn)了對(duì)庫(kù)內(nèi)氣體成分、溫度、濕度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)調(diào)控，采用智能化的控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)食品的種類和貯藏要求，自動(dòng)調(diào)整氣調(diào)庫(kù)的運(yùn)行參數(shù)，確保食品始終處于最佳的貯藏環(huán)境中。在膜組件制備技術(shù)方面，國(guó)外處于領(lǐng)先地位，擁有先進(jìn)的制備工藝和高性能的膜材料。美國(guó)、日本等國(guó)家在氣體分離膜材料的研發(fā)上投入巨大，不斷推出新型的膜材料，如聚酰亞胺、聚醚砜等高性能聚合物膜材料，以及具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的無(wú)機(jī)膜材料。這些新型膜材料具有更高的氣體分離性能、穩(wěn)定性和耐久性，能夠滿足不同氣調(diào)保鮮應(yīng)用場(chǎng)景的需求。國(guó)外在膜組件的制備工藝上也不斷創(chuàng)新，采用先進(jìn)的紡絲技術(shù)、涂敷技術(shù)和復(fù)合技術(shù)，制備出具有高選擇性、高通量和良好機(jī)械性能的中空纖維膜組件。一些研究通過(guò)優(yōu)化紡絲工藝參數(shù)，制備出了具有獨(dú)特孔結(jié)構(gòu)的中空纖維膜，提高了膜的氣體分離性能。國(guó)內(nèi)對(duì)于中空纖維氣調(diào)庫(kù)的研究雖然起步較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速，取得了不少成果。隨著國(guó)內(nèi)食品產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和人們對(duì)食品品質(zhì)要求的不斷提高，氣調(diào)保鮮技術(shù)逐漸受到重視，中空纖維氣調(diào)庫(kù)的研究與應(yīng)用也得到了廣泛關(guān)注。在氣調(diào)庫(kù)的設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)研究人員結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，開(kāi)展了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)氣調(diào)庫(kù)的結(jié)構(gòu)、隔熱性能、氣密性等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了氣調(diào)庫(kù)的整體性能。一些研究針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)的氣候條件和食品貯藏需求，設(shè)計(jì)了適合當(dāng)?shù)氐臍庹{(diào)庫(kù)方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。在膜組件制備技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)也取得了一定的進(jìn)展。科研人員通過(guò)自主研發(fā)和引進(jìn)吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，不斷提高膜組件的制備水平。在膜材料的研發(fā)上，國(guó)內(nèi)已成功開(kāi)發(fā)出多種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣體分離膜材料，如聚醚砜/硅橡膠復(fù)合膜、聚酰亞胺/納米粒子復(fù)合膜等，這些膜材料在氣體分離性能上已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在膜組件的制備工藝上，國(guó)內(nèi)研究人員通過(guò)改進(jìn)紡絲工藝、涂敷工藝和封裝技術(shù)，提高了膜組件的質(zhì)量和性能。一些研究通過(guò)優(yōu)化涂敷工藝，制備出了具有高選擇性和高通量的中空纖維復(fù)合膜組件。然而，與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)中空纖維氣調(diào)庫(kù)的研究和應(yīng)用仍存在一些差距。在氣調(diào)庫(kù)的設(shè)計(jì)方面，雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)取得了一些成果，但在精細(xì)化設(shè)計(jì)和智能化控制方面，與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有一定的提升空間。在膜組件制備技術(shù)方面，雖然國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出多種高性能膜材料，但在膜材料的規(guī)模化生產(chǎn)和膜組件的穩(wěn)定性方面，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。此外，國(guó)內(nèi)中空纖維氣調(diào)庫(kù)的應(yīng)用范圍相對(duì)較窄，主要集中在果蔬保鮮領(lǐng)域，在肉類、海鮮等其他食品保鮮領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠廣泛。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究聚焦于中空纖維氣調(diào)庫(kù)的設(shè)計(jì)及膜組件的制備，具體研究?jī)?nèi)容如下：中空纖維氣調(diào)庫(kù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：從氣調(diào)庫(kù)的整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，深入研究庫(kù)體的隔熱與密封性能。通過(guò)對(duì)不同隔熱材料的性能分析，選擇合適的隔熱材料，以減少外界熱量對(duì)庫(kù)內(nèi)溫度的影響，確保庫(kù)內(nèi)溫度的穩(wěn)定。同時(shí)，采用先進(jìn)的密封技術(shù)和材料，提高庫(kù)體的氣密性，減少外界空氣對(duì)庫(kù)內(nèi)氣體成分的干擾，保證氣調(diào)庫(kù)內(nèi)氣體成分的精確控制。針對(duì)氣調(diào)庫(kù)內(nèi)的氣體分布和流動(dòng)情況，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)進(jìn)行深入分析。通過(guò)建立氣調(diào)庫(kù)內(nèi)氣體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，模擬不同通風(fēng)方式和膜組件布置下氣體的流動(dòng)狀態(tài)，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)和膜組件的布局，以實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)氣體的均勻分布，提高氣調(diào)效果。根據(jù)不同食品的貯藏需求，如水果、蔬菜、肉類等，確定氣調(diào)庫(kù)內(nèi)適宜的氣體成分和溫濕度條件。研究不同氣體成分（氧氣、二氧化碳、氮?dú)獾龋┖蜏貪穸冉M合對(duì)食品保鮮效果的影響，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為氣調(diào)庫(kù)的精確控制提供理論依據(jù)。膜組件制備工藝：對(duì)聚醚砜（PES）、聚酰亞胺（PI）等常用的中空纖維膜材料進(jìn)行性能研究，包括膜材料的氣體分離性能、機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性等。分析不同膜材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，為膜材料的選擇和改性提供理論基礎(chǔ)。研究膜材料的改性方法，如共混改性、接枝改性等，以提高膜的氣體分離性能和穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同改性方法對(duì)膜性能的影響，優(yōu)化改性工藝，制備出具有高選擇性、高通量和良好穩(wěn)定性的中空纖維膜材料。采用相轉(zhuǎn)化法、熱致相分離法等制備中空纖維膜的紡絲工藝，研究紡絲過(guò)程中各工藝參數(shù)，如紡絲液濃度、紡絲溫度、紡絲速度、凝固浴組成等對(duì)膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。通過(guò)優(yōu)化紡絲工藝參數(shù)，制備出具有理想孔結(jié)構(gòu)和性能的中空纖維膜。研究中空纖維膜的涂敷工藝，選擇合適的涂敷材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）等，以進(jìn)一步提高膜的氣體分離性能。分析涂敷液濃度、涂敷時(shí)間、涂敷方式等因素對(duì)涂敷效果和膜性能的影響，確定最佳的涂敷工藝條件。膜組件性能測(cè)試與優(yōu)化：建立膜組件性能測(cè)試平臺(tái)，對(duì)制備的中空纖維膜組件進(jìn)行氣體分離性能測(cè)試，包括氧氣、二氧化碳、氮?dú)獾葰怏w的滲透率和選擇性等指標(biāo)的測(cè)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，評(píng)估膜組件的性能，分析影響膜組件性能的因素。研究膜組件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性，通過(guò)加速老化實(shí)驗(yàn)、實(shí)際應(yīng)用測(cè)試等方法，考察膜組件在不同工況下的性能變化。分析膜組件性能下降的原因，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以提高膜組件的使用壽命和可靠性。根據(jù)膜組件性能測(cè)試結(jié)果，對(duì)膜組件的結(jié)構(gòu)和制備工藝進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)調(diào)整膜絲的排列方式、膜組件的封裝結(jié)構(gòu)等，提高膜組件的性能和穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，以確保研究的科學(xué)性和可靠性，具體如下：實(shí)驗(yàn)法：通過(guò)設(shè)計(jì)和開(kāi)展一系列實(shí)驗(yàn)，研究中空纖維氣調(diào)庫(kù)的設(shè)計(jì)參數(shù)和膜組件的制備工藝對(duì)氣調(diào)效果和膜性能的影響。在氣調(diào)庫(kù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，搭建不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的氣調(diào)庫(kù)實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)試庫(kù)內(nèi)氣體成分、溫濕度分布等參數(shù)，評(píng)估氣調(diào)庫(kù)的性能。在膜組件制備實(shí)驗(yàn)中，采用不同的膜材料、制備工藝和改性方法，制備中空纖維膜及膜組件，并對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，包括氣體分離性能、機(jī)械性能等測(cè)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，優(yōu)化氣調(diào)庫(kù)設(shè)計(jì)和膜組件制備工藝。理論分析法：運(yùn)用氣體分離原理、傳熱傳質(zhì)理論等，對(duì)中空纖維氣調(diào)庫(kù)內(nèi)的氣體流動(dòng)、傳熱過(guò)程以及膜組件的氣體分離過(guò)程進(jìn)行理論分析。建立氣調(diào)庫(kù)內(nèi)氣體流動(dòng)和傳熱的數(shù)學(xué)模型，以及膜組件氣體分離的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)理論計(jì)算和模擬，預(yù)測(cè)氣調(diào)庫(kù)和膜組件的性能，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析，揭示氣調(diào)庫(kù)設(shè)計(jì)參數(shù)和膜組件制備工藝與氣調(diào)效果和膜性能之間的內(nèi)在關(guān)系，深入理解氣調(diào)保鮮的機(jī)理。數(shù)值模擬法：利用CFD軟件對(duì)氣調(diào)庫(kù)內(nèi)的氣體流動(dòng)和溫度分布進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)建立氣調(diào)庫(kù)的三維模型，設(shè)置邊界條件和初始條件，模擬不同工況下氣調(diào)庫(kù)內(nèi)的氣體流動(dòng)和溫度變化情況。根據(jù)模擬結(jié)果，分析氣調(diào)庫(kù)內(nèi)氣體分布的均勻性和溫度場(chǎng)的合理性，優(yōu)化氣調(diào)庫(kù)的通風(fēng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法，對(duì)膜材料的微觀結(jié)構(gòu)和氣體傳輸過(guò)程進(jìn)行模擬分析。研究氣體分子在膜材料中的擴(kuò)散機(jī)理和選擇性透過(guò)機(jī)制，為膜材料的設(shè)計(jì)和改性提供理論依據(jù)。文獻(xiàn)調(diào)研法：廣泛查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解中空纖維氣調(diào)庫(kù)的設(shè)計(jì)及膜組件制備的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。收集和整理已有的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析現(xiàn)有研究中存在的問(wèn)題和不足，為本研究提供參考和借鑒。跟蹤最新的研究動(dòng)態(tài)和技術(shù)進(jìn)展，及時(shí)將相關(guān)的理論和方法應(yīng)用到本研究中，確保研究的前沿性和創(chuàng)新性。二、中空纖維氣調(diào)庫(kù)概述2.1工作原理中空纖維氣調(diào)庫(kù)的工作原理基于氣體分離技術(shù)和對(duì)食品呼吸生理特性的調(diào)控。其核心在于利用中空纖維膜的選擇性透過(guò)性能，對(duì)庫(kù)內(nèi)的氣體成分進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，從而為食品創(chuàng)造一個(gè)適宜的貯藏環(huán)境，延緩食品的變質(zhì)過(guò)程，保持其品質(zhì)和新鮮度。食品在貯藏過(guò)程中會(huì)進(jìn)行呼吸作用，這是一個(gè)消耗氧氣并產(chǎn)生二氧化碳的過(guò)程。以水果為例，在正常的空氣中，氧氣含量約為21%，二氧化碳含量約為0.03%，水果采后仍是有生命的活體，其呼吸作用會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸消耗自身的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致果實(shí)的成熟、衰老和腐爛。在氣調(diào)貯藏環(huán)境中，通過(guò)降低氧氣濃度、提高二氧化碳濃度，能夠有效抑制水果的呼吸作用，減緩其新陳代謝速度。當(dāng)氧氣濃度降低到一定程度時(shí)，水果的呼吸強(qiáng)度會(huì)顯著下降，從而減少了糖分、果酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗，延緩了果實(shí)的成熟和衰老過(guò)程。適當(dāng)提高二氧化碳濃度，不僅可以抑制水果的呼吸作用，還能抑制微生物的生長(zhǎng)和繁殖，減少病害的發(fā)生，進(jìn)一步延長(zhǎng)水果的貯藏期。中空纖維膜是實(shí)現(xiàn)氣調(diào)庫(kù)氣體調(diào)控的關(guān)鍵部件。中空纖維膜具有獨(dú)特的微孔結(jié)構(gòu)，其孔徑大小和膜材料的化學(xué)性質(zhì)決定了膜對(duì)不同氣體分子的選擇性透過(guò)能力。對(duì)于氧氣和氮?dú)獾葰怏w，由于它們的分子大小和物理化學(xué)性質(zhì)不同，在通過(guò)中空纖維膜時(shí)的擴(kuò)散速度存在差異。氧氣分子相對(duì)較小，擴(kuò)散速度較快，而氮?dú)夥肿酉鄬?duì)較大，擴(kuò)散速度較慢。利用這一特性，當(dāng)含有氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w通過(guò)中空纖維膜時(shí)，氧氣會(huì)優(yōu)先透過(guò)膜壁進(jìn)入另一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)氧氣與氮?dú)獾姆蛛x。通過(guò)控制氣體的流速、壓力以及膜組件的結(jié)構(gòu)和性能等參數(shù)，可以精確調(diào)節(jié)透過(guò)膜的氧氣和氮?dú)獾谋壤_(dá)到降低庫(kù)內(nèi)氧氣濃度、提高氮?dú)鉂舛鹊哪康摹Ｔ趯?shí)際應(yīng)用中，中空纖維氣調(diào)庫(kù)通常配備有完善的氣體循環(huán)和檢測(cè)系統(tǒng)。氣體循環(huán)系統(tǒng)使庫(kù)內(nèi)的氣體不斷地通過(guò)中空纖維膜組件進(jìn)行氣體成分的調(diào)整，確保庫(kù)內(nèi)氣體成分的均勻性和穩(wěn)定性。檢測(cè)系統(tǒng)則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)庫(kù)內(nèi)的氧氣、二氧化碳、溫度、濕度等參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的氣調(diào)參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)氣體循環(huán)系統(tǒng)和膜組件的運(yùn)行狀態(tài)，以維持庫(kù)內(nèi)氣體成分和環(huán)境條件的穩(wěn)定。當(dāng)檢測(cè)到庫(kù)內(nèi)氧氣濃度高于設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)增加氣體通過(guò)中空纖維膜組件的流量，加快氧氣的分離速度，降低氧氣濃度；當(dāng)二氧化碳濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)啟動(dòng)二氧化碳脫除裝置，將多余的二氧化碳去除，使庫(kù)內(nèi)氣體成分始終保持在適宜的范圍內(nèi)。2.2結(jié)構(gòu)組成中空纖維氣調(diào)庫(kù)主要由庫(kù)體、氣調(diào)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、壓力平衡系統(tǒng)以及溫度、濕度、氣體成分自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成，各部分相互協(xié)作，共同為食品保鮮提供適宜的環(huán)境。庫(kù)體作為氣調(diào)庫(kù)的主體結(jié)構(gòu)，不僅要求具備良好的隔熱性能，以減少外界熱量對(duì)庫(kù)內(nèi)溫度的影響，更重要的是要擁有出色的氣密性。庫(kù)體主要由氣密層和保溫層組成，按建筑類型可分為裝配式、磚混式、夾套式三種。裝配式氣調(diào)庫(kù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常選用彩鍍聚氨脂夾心板組裝而成，這種板材集隔熱、防潮和氣密功能于一體，具有建筑速度快、美觀大方的優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)相對(duì)較高，是目前國(guó)內(nèi)外新建氣調(diào)庫(kù)最常用的類型。磚混式氣調(diào)庫(kù)采用傳統(tǒng)的建筑和保溫材料砌筑而成，其優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用較低，但施工周期長(zhǎng)，氣密處理難度較大，難以達(dá)到理想的氣密性要求。夾套式氣調(diào)庫(kù)是在高溫庫(kù)內(nèi)利用柔性或剛性的氣密材料圍出一個(gè)密閉的貯藏空間，隔熱由原庫(kù)體結(jié)構(gòu)承擔(dān)，氣密則由氣密材料實(shí)現(xiàn)，這種庫(kù)型簡(jiǎn)單實(shí)用、建造周期短，特別適用于傳統(tǒng)冷庫(kù)改造為氣調(diào)庫(kù)，不過(guò)氣密材料需要定期更換，且?guī)靸?nèi)外溫度存在一定差異。氣調(diào)庫(kù)還配備專門的氣調(diào)門，該門需具備良好的保溫性和氣密性，在氣調(diào)庫(kù)封門后的長(zhǎng)期貯藏過(guò)程中，一般不允許隨意開(kāi)啟，以免引起庫(kù)內(nèi)外氣體交換，導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)氣體成分波動(dòng)。為便于了解庫(kù)內(nèi)果蔬貯藏情況，還會(huì)設(shè)置觀察窗。氣調(diào)庫(kù)建成后，需進(jìn)行氣密性測(cè)試，通常氣密性應(yīng)達(dá)到300Pa，半降壓時(shí)間不低于20-30min。氣調(diào)系統(tǒng)是氣調(diào)庫(kù)的核心部分，其作用是使氣調(diào)庫(kù)達(dá)到所要求的氣體成分并保持相對(duì)穩(wěn)定。整個(gè)氣調(diào)系統(tǒng)涵蓋制氮系統(tǒng)、二氧化碳脫除系統(tǒng)、乙烯脫除系統(tǒng)、溫度、濕度及氣體成分自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)。制氮系統(tǒng)的主要設(shè)備是制氮機(jī)（即降氧機(jī)），目前常用的制氮技術(shù)包括碳分子篩吸附制氮、中空纖維膜分離制氮及真空低壓吸附脫氧制氮（VSA）。碳分子篩吸附制氮機(jī)利用變壓吸附原理，基于氧分子與氮分子動(dòng)力學(xué)直徑不同，氧分子擴(kuò)散速度比氮分子快數(shù)百倍，且吸附量與壓力成正比的特點(diǎn)，由程序控制器按特定時(shí)間程序在兩個(gè)塔之間快速切換，結(jié)合加壓氧吸附、減壓氧解吸過(guò)程，將氧從空氣中分離出來(lái)。該制氮機(jī)具有制氮純度高（可達(dá)到99.9％）、設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備中閥門多，切換頻繁，每年每只閥門需開(kāi)關(guān)20-40萬(wàn)次，設(shè)備噪聲大，對(duì)閥門質(zhì)量要求較高，否則會(huì)影響設(shè)備可靠性。中空纖維膜分離制氮機(jī)則利用氧氣與氮?dú)馔高^(guò)中空纖維膜壁的速度差異，將氧氣從空氣中分離出來(lái)。它由壓縮機(jī)、貯罐、冷干機(jī)、過(guò)濾器、加熱器、中空纖維膜及管、閥組成，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、占地少、易安裝，只需開(kāi)動(dòng)空壓機(jī)即可得到富氮空氣，濃度可在95％-99％之間調(diào)節(jié)，使用靈活，能快速啟動(dòng)停車，安全可靠，分離器無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可連續(xù)穩(wěn)定工作，分離過(guò)程無(wú)相變、無(wú)壓力損失、能耗低，易小型化，投資小等特點(diǎn)，是目前氣調(diào)貯藏使用最廣泛的設(shè)備。二氧化碳脫除系統(tǒng)主要用于控制氣調(diào)庫(kù)中二氧化碳含量。果蔬呼吸會(huì)釋放二氧化碳，適量的二氧化碳對(duì)果蔬有保護(hù)作用，但濃度過(guò)高會(huì)對(duì)果蔬造成傷害，因此需要脫除（洗滌）過(guò)量的二氧化碳，調(diào)節(jié)和控制好二氧化碳濃度。乙烯脫除系統(tǒng)用于去除果蔬在成熟和后熟過(guò)程中自身產(chǎn)生并釋放出來(lái)的乙烯，乙烯是一種促進(jìn)呼吸、加快后熟的植物激素，對(duì)采后貯藏的水果有催熟作用，在對(duì)乙烯敏感的水果貯藏中，需將乙烯去除，目前普遍采用高錳酸鉀化學(xué)除乙烯法和空氣氧化去除法。溫度、濕度及氣體成分自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)則對(duì)氣調(diào)庫(kù)內(nèi)的溫度、濕度、氧氣、二氧化碳等氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、測(cè)量和顯示，以確定是否符合氣調(diào)技術(shù)指標(biāo)要求，并進(jìn)行自動(dòng)（人工）調(diào)節(jié)，使庫(kù)內(nèi)環(huán)境始終處于最佳氣調(diào)參數(shù)狀態(tài)。在自動(dòng)化程度較高的現(xiàn)代氣調(diào)庫(kù)中，一般采用自動(dòng)檢測(cè)控制設(shè)備，由傳感器、控制器、計(jì)算機(jī)及取樣管、閥等組成，整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)中央控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控，既能獲取各個(gè)分庫(kù)內(nèi)的氧氣、二氧化碳、溫度、濕度數(shù)據(jù)，顯示運(yùn)行曲線，自動(dòng)打印記錄和啟動(dòng)或關(guān)閉各系統(tǒng)，還能根據(jù)庫(kù)內(nèi)物料情況隨時(shí)改變控制參數(shù)。制冷系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械制冷的關(guān)鍵，它由實(shí)現(xiàn)機(jī)械制冷所必需的機(jī)器、設(shè)備及連接這些機(jī)器、設(shè)備的管道、閥門、控制元件等組成封閉循環(huán)系統(tǒng)。氣調(diào)庫(kù)的制冷系統(tǒng)與普通冷庫(kù)的制冷系統(tǒng)基本相同，但具有更高的自動(dòng)化程度，能夠在果蔬氣調(diào)貯藏中長(zhǎng)時(shí)間維持所要求的庫(kù)內(nèi)溫度。目前常見(jiàn)的制冷系統(tǒng)包括氨制冷系統(tǒng)和氟利昂?jiǎn)渭?jí)壓縮直接膨脹供液制冷系統(tǒng)。氨制冷系統(tǒng)制冷效率高，但存在一定的危險(xiǎn)性，對(duì)設(shè)備和操作要求較高；氟利昂制冷系統(tǒng)相對(duì)安全、運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用較為廣泛。制冷系統(tǒng)中的主要設(shè)備包括制冷壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器等。制冷壓縮機(jī)是壓縮和輸送制冷劑的設(shè)備，是制冷裝置的主要部件，按密封形式可分為全封閉、半封閉和開(kāi)啟式，按工作原理又分往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式。往復(fù)式即活塞壓縮機(jī)，回轉(zhuǎn)式有螺桿壓縮機(jī)、渦旋機(jī)、滑片機(jī)、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子機(jī)等。冷凝器的作用是將壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣態(tài)制冷劑冷卻成液態(tài)制冷劑；節(jié)流閥則用于調(diào)節(jié)制冷劑的流量和壓力，使其在蒸發(fā)器中能夠正常蒸發(fā)吸熱；蒸發(fā)器是制冷劑蒸發(fā)吸熱的部件，直接產(chǎn)生冷卻效果，常放置于庫(kù)房的一端。合理的直接制冷的氣調(diào)庫(kù)制冷系統(tǒng)應(yīng)使用落地式或吊頂式的蒸發(fā)器（又稱冷風(fēng)機(jī)），它降溫速度快、冷氣較均勻。性能好的冷風(fēng)機(jī)換熱效率高、耐腐蝕（庫(kù)內(nèi)濕度高）、重量輕、噪音小。加濕系統(tǒng)對(duì)于氣調(diào)庫(kù)也至關(guān)重要，與普通果蔬冷庫(kù)相比，氣調(diào)貯藏果蔬的貯藏期長(zhǎng)，果蔬水分蒸發(fā)較高。為抑制果蔬水分蒸發(fā)，降低貯藏環(huán)境與貯藏果蔬之間的水蒸氣分壓差，要求氣調(diào)庫(kù)貯藏環(huán)境中具有最佳的相對(duì)濕度，這對(duì)于減少果蔬的干耗和保持果蔬的鮮脆有著重要意義。常見(jiàn)的加濕方式有超聲波加濕、噴霧加濕等。超聲波加濕是利用超聲波的高頻振蕩將水霧化成微小顆粒，釋放到空氣中，增加空氣濕度；噴霧加濕則是通過(guò)噴頭將水噴成細(xì)小霧滴，在空氣中蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)加濕。壓力平衡系統(tǒng)的設(shè)置是為了保證氣調(diào)庫(kù)的安全性和氣密性，并為氣調(diào)庫(kù)運(yùn)行管理提供必要的方便條件。由于氣調(diào)庫(kù)是一種密閉式冷庫(kù)，當(dāng)庫(kù)內(nèi)溫度降低時(shí)，其氣體壓力也隨之降低，庫(kù)內(nèi)外兩側(cè)就形成了氣壓差。若不把氣壓差及時(shí)消除或控制在一定范圍內(nèi)，將會(huì)使庫(kù)體損壞。壓力平衡系統(tǒng)通常采用壓力平衡閥等裝置，當(dāng)庫(kù)內(nèi)壓力低于外界壓力時(shí)，壓力平衡閥自動(dòng)打開(kāi)，使外界空氣進(jìn)入庫(kù)內(nèi)，平衡庫(kù)內(nèi)外壓力；當(dāng)庫(kù)內(nèi)壓力高于外界壓力時(shí)，壓力平衡閥則將庫(kù)內(nèi)多余的氣體排出，維持庫(kù)內(nèi)壓力穩(wěn)定。2.3特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)中空纖維氣調(diào)庫(kù)與傳統(tǒng)氣調(diào)庫(kù)相比，在多個(gè)方面展現(xiàn)出顯著的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使其在食品保鮮領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的推廣價(jià)值。在節(jié)能方面，中空纖維氣調(diào)庫(kù)優(yōu)勢(shì)明顯。其核心的中空纖維膜分離制氮技術(shù)，在氣體分離過(guò)程中無(wú)相變、無(wú)壓力損失，這極大地降低了能耗。傳統(tǒng)氣調(diào)庫(kù)采用的碳分子篩吸附制氮等技術(shù)，設(shè)備中閥門眾多，切換頻繁，不僅設(shè)備噪聲大，而且能耗較高。例如，碳分子篩吸附制氮機(jī)每年每只閥門需開(kāi)關(guān)20-40萬(wàn)次，頻繁的閥門動(dòng)作消耗大量能量，同時(shí)也對(duì)閥門質(zhì)量要求極高，否則會(huì)影響設(shè)備可靠性。而中空纖維膜分離制氮機(jī)只需開(kāi)動(dòng)空壓機(jī)即可得到富氮空氣，設(shè)備簡(jiǎn)單、占地少、易安裝，整個(gè)分離過(guò)程能耗低，能有效降低氣調(diào)庫(kù)的運(yùn)行成本，符合當(dāng)前綠色節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)。從高效性角度來(lái)看，中空纖維氣調(diào)庫(kù)的氣體調(diào)節(jié)速度快。中空纖維膜對(duì)氣體具有良好的選擇性透過(guò)性能，能夠快速地對(duì)庫(kù)內(nèi)的氧氣、二氧化碳等氣體成分進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)庫(kù)內(nèi)氧氣濃度過(guò)高時(shí)，中空纖維膜能夠迅速將氧氣分離出去，使庫(kù)內(nèi)氧氣濃度快速下降，達(dá)到適宜的貯藏濃度。相比之下，傳統(tǒng)氣調(diào)庫(kù)在氣體調(diào)節(jié)過(guò)程中，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理的限制，氣體調(diào)節(jié)速度相對(duì)較慢，難以快速滿足食品貯藏對(duì)氣體成分的要求。中空纖維氣調(diào)庫(kù)的設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性高，其分離器無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可連續(xù)穩(wěn)定工作。不像傳統(tǒng)氣調(diào)庫(kù)中一些設(shè)備，如碳分子篩吸附制氮機(jī)，因閥門頻繁切換，容易出現(xiàn)故障，影響設(shè)備的正常運(yùn)行和氣體調(diào)節(jié)效果。在保鮮效果上，中空纖維氣調(diào)庫(kù)表現(xiàn)出色。通過(guò)精確控制庫(kù)內(nèi)的氣體成分，如將氧氣濃度降低到適宜水平，增加二氧化碳濃度，能夠更有效地抑制食品的呼吸作用。以水果貯藏為例，低氧和適當(dāng)高二氧化碳的環(huán)境可以顯著延緩水果的成熟和衰老過(guò)程，減少水果中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損耗，保持水果的色澤、口感和營(yíng)養(yǎng)成分。在貯藏蘋(píng)果時(shí)，中空纖維氣調(diào)庫(kù)能夠?qū)⑻O(píng)果的保鮮期延長(zhǎng)數(shù)月，使蘋(píng)果在貯藏后仍能保持較好的硬度、甜度和風(fēng)味。中空纖維氣調(diào)庫(kù)還能通過(guò)調(diào)節(jié)氣體成分，抑制微生物的生長(zhǎng)和繁殖，減少食品的病害發(fā)生，進(jìn)一步提高食品的保鮮質(zhì)量。中空纖維氣調(diào)庫(kù)在設(shè)備結(jié)構(gòu)方面也具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。它具有設(shè)備簡(jiǎn)單、占地少的特點(diǎn)，其主要設(shè)備中空纖維膜制氮機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，便于安裝和維護(hù)。對(duì)于一些場(chǎng)地有限的企業(yè)或用戶來(lái)說(shuō)，這種占地面積小的氣調(diào)庫(kù)具有很大的吸引力。相比之下，傳統(tǒng)氣調(diào)庫(kù)的設(shè)備較為復(fù)雜，占地面積較大，在場(chǎng)地選擇和設(shè)備安裝上受到一定的限制。三、中空纖維氣調(diào)庫(kù)設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)參數(shù)確定3.1.1溫度與濕度要求不同食品由于自身的生理特性和化學(xué)組成不同，對(duì)貯藏環(huán)境的溫度和濕度要求存在顯著差異。在果蔬保鮮方面，蘋(píng)果適宜的貯藏溫度一般為0-5℃，相對(duì)濕度為90%-95%。在此溫度和濕度條件下，蘋(píng)果的呼吸作用能夠得到有效抑制，水分蒸發(fā)減緩，從而保持果實(shí)的硬度、色澤和口感，延長(zhǎng)保鮮期。梨的適宜貯藏溫度約為-1-1℃，相對(duì)濕度在85%-95%之間，這樣的環(huán)境有助于維持梨的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，減少水分流失，防止果實(shí)皺縮和腐爛。對(duì)于熱帶水果如香蕉，其適宜的貯藏溫度為11-13℃，相對(duì)濕度為90%-95%，溫度過(guò)低易導(dǎo)致香蕉發(fā)生冷害，影響其品質(zhì)和貨架期。在肉類保鮮中，溫度和濕度的控制同樣關(guān)鍵。新鮮肉類的貯藏溫度一般在0-4℃，相對(duì)濕度保持在85%-95%。低溫可以抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖，減緩肉類的氧化和腐敗速度；適宜的濕度則能防止肉類表面水分蒸發(fā)，避免肉品干縮，保持其鮮嫩多汁的口感。如果濕度太低，肉類表面會(huì)因水分散失而變得干燥，形成干膜，不僅影響外觀，還會(huì)加速微生物的生長(zhǎng)，導(dǎo)致肉品變質(zhì)。對(duì)于海鮮類食品，其貯藏溫度通常要求更低，一般在-18℃以下，相對(duì)濕度在95%以上。低溫可以使海鮮中的水分凍結(jié)，降低微生物的活性，抑制酶的作用，從而延長(zhǎng)海鮮的保鮮期。高濕度環(huán)境能夠防止海鮮表面結(jié)冰和干燥，保持其原有風(fēng)味和質(zhì)地。一些易氧化的海鮮，如蝦類，在貯藏過(guò)程中還需要控制氧氣含量，以減少氧化變色和異味的產(chǎn)生。在氣調(diào)庫(kù)的設(shè)計(jì)中，必須充分考慮不同食品的這些溫度和濕度要求，通過(guò)精確的溫度控制系統(tǒng)和加濕除濕設(shè)備，確保庫(kù)內(nèi)環(huán)境滿足食品保鮮的需求。制冷系統(tǒng)的制冷量和控溫精度要能夠滿足不同食品的溫度要求，加濕系統(tǒng)要能夠根據(jù)不同食品對(duì)濕度的需求，準(zhǔn)確調(diào)節(jié)庫(kù)內(nèi)濕度，以實(shí)現(xiàn)最佳的保鮮效果。3.1.2氣體成分比例不同食品對(duì)氧氣、二氧化碳等氣體的最佳比例需求各異，這是由食品的呼吸代謝特性和微生物生長(zhǎng)特性決定的。在果蔬保鮮領(lǐng)域，以蘋(píng)果為例，適宜的氣體成分比例通常為氧氣含量2%-4%，二氧化碳含量3%-5%。在這樣的氣體環(huán)境下，蘋(píng)果的呼吸作用受到顯著抑制，減少了糖分、果酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗，同時(shí)也抑制了微生物的生長(zhǎng)，有效延長(zhǎng)了蘋(píng)果的貯藏期。對(duì)于草莓等漿果類水果，由于其呼吸強(qiáng)度較高，對(duì)氧氣和二氧化碳的濃度更為敏感，適宜的氧氣含量一般在3%-5%，二氧化碳含量在5%-10%。較低的氧氣濃度和適當(dāng)較高的二氧化碳濃度可以延緩草莓的成熟和衰老，減少果實(shí)的腐爛和軟化。在肉類保鮮方面，氣調(diào)包裝中常用的氣體組合為氧氣、二氧化碳和氮?dú)狻?duì)于鮮肉氣調(diào)保鮮包裝，適量的氧氣可以維持肌紅蛋白的鮮紅色澤，使鮮肉保持誘人的外觀，但過(guò)高的氧氣濃度會(huì)導(dǎo)致鮮肉氧化變質(zhì)，加速微生物繁殖。因此，氧氣的含量通常控制在20%-40%之間。二氧化碳在鮮肉氣調(diào)保鮮包裝中主要起到抑制細(xì)菌和霉菌生長(zhǎng)的作用，其含量一般在30%-60%。氮?dú)庾鳛橐环N惰性氣體，主要起到填充和減緩氧化速度的作用，其含量在20%-50%。通過(guò)合理調(diào)整這三種氣體的比例，可以有效延長(zhǎng)鮮肉的保質(zhì)期，保持其原有的口感和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。對(duì)于海鮮類食品，氣調(diào)貯藏的氣體成分也有特定要求。例如，對(duì)于金槍魚(yú)的氣調(diào)保鮮，由于其對(duì)氧氣非常敏感，在貯藏過(guò)程中需要嚴(yán)格控制氧氣含量，通常將氧氣濃度控制在1%以下，以防止金槍魚(yú)發(fā)生氧化變色和脂肪酸敗。同時(shí)，適當(dāng)增加二氧化碳濃度，一般在10%-20%之間，有助于抑制微生物的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)金槍魚(yú)的保鮮期。在設(shè)計(jì)中空纖維氣調(diào)庫(kù)時(shí)，需要根據(jù)不同食品的特性，精確控制庫(kù)內(nèi)的氣體成分比例。通過(guò)中空纖維膜組件的高效氣體分離性能，結(jié)合先進(jìn)的氣體檢測(cè)和控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氧氣、二氧化碳等氣體濃度的精確調(diào)節(jié)，為不同食品提供最適宜的氣體環(huán)境。3.1.3庫(kù)體容量規(guī)劃庫(kù)體容量的規(guī)劃需綜合考慮多方面因素，以確保氣調(diào)庫(kù)在滿足實(shí)際應(yīng)用需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，若是用于大型果蔬批發(fā)市場(chǎng)的氣調(diào)保鮮，由于果蔬的交易量巨大，需要較大容量的氣調(diào)庫(kù)來(lái)滿足短期大量存儲(chǔ)的需求。假設(shè)一個(gè)大型果蔬批發(fā)市場(chǎng)每天的果蔬吞吐量可達(dá)數(shù)百噸，那么氣調(diào)庫(kù)的容量可能需要設(shè)計(jì)為數(shù)千立方米甚至更大，以保證能夠存儲(chǔ)足夠的果蔬，滿足市場(chǎng)供應(yīng)的連續(xù)性。對(duì)于小型果蔬種植戶或加工企業(yè)，其存儲(chǔ)需求相對(duì)較小，氣調(diào)庫(kù)的容量可以根據(jù)實(shí)際種植或加工規(guī)模進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。如果一個(gè)小型果蔬種植戶的年產(chǎn)量為數(shù)十噸，那么氣調(diào)庫(kù)的容量可以設(shè)計(jì)為幾百立方米，既能滿足其季節(jié)性果蔬的存儲(chǔ)需求，又不會(huì)造成資源浪費(fèi)。在確定庫(kù)體容量時(shí)，還需考慮食品的種類和包裝方式。不同種類的食品，其單位體積的存儲(chǔ)量不同。例如，蘋(píng)果等水果在氣調(diào)庫(kù)中通常采用托盤(pán)或貨架存儲(chǔ)，其單位體積的存儲(chǔ)量相對(duì)較大；而一些葉菜類蔬菜，由于其體積較大且形狀不規(guī)則，單位體積的存儲(chǔ)量相對(duì)較小。食品的包裝方式也會(huì)影響庫(kù)體容量的利用效率。采用標(biāo)準(zhǔn)化的包裝容器，如統(tǒng)一規(guī)格的塑料筐或紙箱，能夠更有效地利用庫(kù)內(nèi)空間，提高庫(kù)體容量的利用率。此外，還需考慮氣調(diào)庫(kù)的運(yùn)營(yíng)成本和經(jīng)濟(jì)效益。庫(kù)體容量過(guò)大，會(huì)增加建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本，如制冷能耗、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用等。但如果庫(kù)體容量過(guò)小，無(wú)法滿足實(shí)際存儲(chǔ)需求，可能會(huì)導(dǎo)致食品無(wú)法及時(shí)存儲(chǔ)，造成損失。因此，需要在建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本和實(shí)際存儲(chǔ)需求之間進(jìn)行權(quán)衡，找到最佳的庫(kù)體容量平衡點(diǎn)。可以通過(guò)對(duì)歷史存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合未來(lái)市場(chǎng)需求的預(yù)測(cè)，合理確定氣調(diào)庫(kù)的容量。同時(shí)，在氣調(diào)庫(kù)的設(shè)計(jì)中，還可以考慮采用靈活的庫(kù)體結(jié)構(gòu)，如可擴(kuò)展的裝配式結(jié)構(gòu)，以便在未來(lái)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行庫(kù)體容量的調(diào)整。三、中空纖維氣調(diào)庫(kù)設(shè)計(jì)3.2庫(kù)體設(shè)計(jì)3.2.1建筑材料選擇在氣調(diào)庫(kù)的建設(shè)中，建筑材料的選擇對(duì)于庫(kù)體的隔熱、氣密等性能起著決定性作用。對(duì)于隔熱材料，聚氨酯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料是常用的優(yōu)質(zhì)選擇。聚氨酯泡沫塑料具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，一般在0.018-0.024W/(m?K)之間，這使得它能夠有效地阻擋外界熱量的傳入，保持庫(kù)內(nèi)溫度的穩(wěn)定。其閉孔結(jié)構(gòu)賦予了它出色的防潮性能，能夠防止水分滲透，避免因受潮而降低隔熱效果。聚氨酯泡沫塑料還具有良好的抗壓強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，能夠承受一定的壓力，不易變形，確保了庫(kù)體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固。聚苯乙烯泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)也較低，大約在0.03-0.041W/(m?K)，具有質(zhì)輕、價(jià)格相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)。它易于加工成型，能夠根據(jù)庫(kù)體的不同形狀和尺寸進(jìn)行定制，在小型氣調(diào)庫(kù)或?qū)Τ杀究刂戚^為嚴(yán)格的項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛。在氣密材料方面，鍍鋅鐵板和薄鐵板焊接密封曾是常用的方式。鍍鋅鐵板具有良好的耐腐蝕性，能夠在潮濕的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間使用而不生銹，其焊接性能也較好，通過(guò)焊接可以形成緊密的密封結(jié)構(gòu)，有效阻止氣體的滲漏。薄鐵板雖然成本相對(duì)較低，但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中容易受到氧化和腐蝕的影響，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)處理。隨著技術(shù)的發(fā)展，高密度膠合板和鋁箔夾心板等新型氣密材料逐漸得到應(yīng)用。高密度膠合板具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，通過(guò)特殊的密封處理，可以達(dá)到良好的氣密效果。鋁箔夾心板則結(jié)合了鋁箔的阻隔性能和夾心材料的隔熱性能，不僅氣密性好，還能有效阻擋外界的光線和水分，為氣調(diào)庫(kù)提供更全面的保護(hù)。在選擇建筑材料時(shí)，還需綜合考慮材料的成本、施工難度等因素。一些高性能的材料雖然在隔熱和氣密性能上表現(xiàn)出色，但成本較高，可能會(huì)增加氣調(diào)庫(kù)的建設(shè)成本。施工難度也是一個(gè)重要的考量因素，材料的加工和安裝工藝應(yīng)簡(jiǎn)單易行，以確保施工質(zhì)量和進(jìn)度。對(duì)于一些裝配式氣調(diào)庫(kù)，選用預(yù)制的聚氨酯夾心板或聚苯乙烯夾心板，不僅安裝方便快捷，而且能夠保證庫(kù)體的隔熱和氣密性能。3.2.2氣密性設(shè)計(jì)提高氣調(diào)庫(kù)氣密性是確保氣調(diào)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要從多個(gè)方面采取有效的設(shè)計(jì)方法和措施。在密封材料的選擇上，丁基橡膠和硅橡膠是常用的優(yōu)質(zhì)密封材料。丁基橡膠具有極低的透氣率，其透氣系數(shù)比天然橡膠低8-10倍，能夠有效地阻止氣體的滲透。它還具有良好的耐老化性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在不同的溫度和濕度條件下都能保持穩(wěn)定的密封性能。丁基橡膠對(duì)多種化學(xué)物質(zhì)具有抗性，不易受到庫(kù)內(nèi)氣體成分和濕度的影響，使用壽命長(zhǎng)。硅橡膠同樣具有優(yōu)異的密封性能，其對(duì)氧氣、二氧化碳等氣體的阻隔性良好。硅橡膠具有良好的耐高溫、耐低溫性能，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保持彈性和密封性能。在氣調(diào)庫(kù)的運(yùn)行過(guò)程中，庫(kù)內(nèi)溫度可能會(huì)有一定的波動(dòng)，硅橡膠能夠適應(yīng)這種溫度變化，確保密封效果不受影響。在氣調(diào)庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減少庫(kù)體的縫隙和孔洞。庫(kù)板之間的拼接處要采用精密的密封工藝，確保拼接緊密。可以在庫(kù)板拼接處使用密封膠條或密封膠進(jìn)行密封，密封膠條應(yīng)具有良好的彈性和耐久性，能夠緊密貼合庫(kù)板表面，填充縫隙，防止氣體泄漏。密封膠要具有良好的粘結(jié)性和密封性，能夠在庫(kù)板表面形成牢固的密封層。對(duì)于庫(kù)體上的管道、電纜等穿墻部位，要進(jìn)行嚴(yán)格的密封處理。可以采用密封套管或密封填料將穿墻部位密封起來(lái)，防止氣體從這些部位泄漏。在安裝管道和電纜時(shí)，要確保其與庫(kù)體之間的間隙均勻，然后填充密封材料，確保密封效果。氣調(diào)庫(kù)的門是氣密性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部位。氣調(diào)門應(yīng)具有良好的保溫性和氣密性，門與門框之間要采用特殊的密封結(jié)構(gòu)，如雙層密封膠條或氣密門簾。雙層密封膠條能夠形成雙重密封屏障，進(jìn)一步提高門的氣密性。氣密門簾則可以在門開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)，有效地阻擋氣體的流動(dòng)，減少氣體泄漏。氣調(diào)門的開(kāi)啟和關(guān)閉裝置要設(shè)計(jì)合理，確保門能夠緊密關(guān)閉，避免因門關(guān)閉不嚴(yán)而導(dǎo)致氣體泄漏。3.2.3壓力平衡設(shè)計(jì)壓力平衡設(shè)計(jì)對(duì)于氣調(diào)庫(kù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，其原理基于庫(kù)內(nèi)氣體壓力隨溫度變化的特性。當(dāng)氣調(diào)庫(kù)內(nèi)溫度降低時(shí)，氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)減緩，氣體體積收縮，導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)壓力降低；反之，當(dāng)溫度升高時(shí)，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，體積膨脹，庫(kù)內(nèi)壓力升高。若不及時(shí)平衡這些壓力變化，庫(kù)體可能會(huì)受到過(guò)大的壓力差作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，影響氣調(diào)庫(kù)的正常使用。實(shí)現(xiàn)壓力平衡的常見(jiàn)方式是安裝壓力平衡閥。壓力平衡閥通常安裝在庫(kù)體的頂部或側(cè)面，它能夠根據(jù)庫(kù)內(nèi)外的壓力差自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)庫(kù)內(nèi)壓力低于外界壓力時(shí)，壓力平衡閥自動(dòng)打開(kāi)，外界空氣進(jìn)入庫(kù)內(nèi)，使庫(kù)內(nèi)外壓力達(dá)到平衡；當(dāng)庫(kù)內(nèi)壓力高于外界壓力時(shí)，壓力平衡閥打開(kāi)，將庫(kù)內(nèi)多余的氣體排出，維持庫(kù)內(nèi)壓力穩(wěn)定。壓力平衡閥的口徑和流量要根據(jù)氣調(diào)庫(kù)的規(guī)模和氣體壓力變化情況進(jìn)行合理選擇，以確保能夠及時(shí)有效地平衡壓力。對(duì)于大型氣調(diào)庫(kù)，由于其內(nèi)部氣體體積較大，壓力變化可能更為明顯，需要選擇口徑較大、流量較大的壓力平衡閥，以滿足快速平衡壓力的需求。除了壓力平衡閥，還可以設(shè)置呼吸袋來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)壓力平衡。呼吸袋是一種具有一定彈性的可伸縮容器，通常安裝在庫(kù)體內(nèi)部。當(dāng)庫(kù)內(nèi)壓力發(fā)生變化時(shí)，呼吸袋會(huì)相應(yīng)地膨脹或收縮，從而調(diào)節(jié)庫(kù)內(nèi)氣體的體積，平衡壓力。在溫度降低導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)壓力下降時(shí)，呼吸袋會(huì)吸入外界空氣而膨脹，增加庫(kù)內(nèi)氣體體積，平衡壓力；當(dāng)溫度升高庫(kù)內(nèi)壓力上升時(shí)，呼吸袋會(huì)被壓縮，將庫(kù)內(nèi)多余的氣體排出，維持壓力穩(wěn)定。呼吸袋的材質(zhì)和容量要根據(jù)氣調(diào)庫(kù)的具體情況進(jìn)行選擇，確保其能夠承受庫(kù)內(nèi)壓力變化，并且具有良好的耐腐蝕性和耐久性。三、中空纖維氣調(diào)庫(kù)設(shè)計(jì)3.3氣調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.1制氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)中空纖維膜制氮機(jī)是氣調(diào)庫(kù)制氮系統(tǒng)的核心設(shè)備，其工作原理基于氣體對(duì)膜的滲透系數(shù)差異實(shí)現(xiàn)氣體分離。中空纖維膜由耐壓鋼殼和中空纖維管束構(gòu)成，每根中空纖維管的管壁即為起分離作用的膜，管壁厚約100μm，其中位于管外表處的活性分離層僅幾個(gè)微米厚，余下的是疏松的多孔支承層，每臺(tái)膜分離器內(nèi)的中空纖維管數(shù)多達(dá)數(shù)萬(wàn)根至數(shù)十萬(wàn)根。不同種氣體透過(guò)膜時(shí)，滲透速率存在差異，把滲透系數(shù)大的氣體稱為“快氣”，如氧氣；滲透系數(shù)小的氣體稱為“慢氣”，如氮?dú)狻．?dāng)壓縮空氣從一端進(jìn)入中空纖維管內(nèi)，氧氣（快氣）從管內(nèi)很快透過(guò)管壁，富集在管間隙和管與鋼殼間隙內(nèi)，由于兩端的管間隙被樹(shù)脂封死，富氧氣體只能從中部的出口排出；氮?dú)猓龤猓﹦t穿過(guò)中空纖維管，由另一端的富氮口輸出，送回氣調(diào)庫(kù)。在制氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵在于根據(jù)氣調(diào)庫(kù)的規(guī)模和氣體需求，合理確定制氮機(jī)的型號(hào)和參數(shù)。需考慮制氮機(jī)的產(chǎn)氮量，要滿足氣調(diào)庫(kù)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)氮?dú)獾男枨罅俊Ｈ魵庹{(diào)庫(kù)規(guī)模較大，存儲(chǔ)的食品較多，其呼吸作用消耗的氧氣量大，就需要產(chǎn)氮量高的制氮機(jī)，以快速降低庫(kù)內(nèi)氧氣濃度。制氮機(jī)的氮?dú)饧兌纫彩侵匾獏?shù)，不同食品對(duì)氮?dú)饧兌扔胁煌螅话銡庹{(diào)庫(kù)要求氮?dú)饧兌仍?5%-99%之間。對(duì)于對(duì)氧氣敏感的食品，如一些高端水果和海鮮，可能需要更高純度的氮?dú)猓源_保良好的保鮮效果。還需考慮制氮機(jī)的能耗和運(yùn)行成本，選擇節(jié)能型的制氮機(jī)，降低氣調(diào)庫(kù)的運(yùn)行費(fèi)用。中空纖維膜制氮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，其能耗主要來(lái)自空壓機(jī)，因此選擇高效節(jié)能的空壓機(jī)，優(yōu)化制氮機(jī)的工藝流程，能夠有效降低能耗。制氮系統(tǒng)的工藝流程也至關(guān)重要。空壓機(jī)將氣調(diào)庫(kù)內(nèi)氣體升壓后，送入高效過(guò)濾器進(jìn)行除水、油、雜質(zhì)，以免中空纖維管堵塞影響分離效果；然后通過(guò)電加熱器，保證膜良好滲透系數(shù)和分離系數(shù)所要求的溫度，防止進(jìn)入分離器的空氣中殘留的水分結(jié)露影響分離效果，加熱溫度可以自動(dòng)控制；由電加熱器出來(lái)的壓縮空氣進(jìn)入中空纖維膜分離器，出來(lái)的富氮?dú)怏w經(jīng)水冷卻器降溫，最后經(jīng)恒壓閥穩(wěn)壓后送回氣調(diào)庫(kù)。在設(shè)計(jì)制氮系統(tǒng)時(shí)，要確保各設(shè)備之間的連接緊密，管道布置合理，減少氣體泄漏和壓力損失，提高制氮系統(tǒng)的運(yùn)行效率。3.3.2二氧化碳脫除系統(tǒng)設(shè)計(jì)二氧化碳脫除機(jī)是控制氣調(diào)庫(kù)中二氧化碳含量的關(guān)鍵設(shè)備，其工作原理主要基于吸附或化學(xué)反應(yīng)。在常見(jiàn)的活性碳清除裝置中，利用活性碳較強(qiáng)的吸附力，對(duì)二氧化碳進(jìn)行吸附。當(dāng)庫(kù)內(nèi)含有高濃度二氧化碳的氣體進(jìn)入吸附裝置后，二氧化碳被活性碳吸附，使氣體中的二氧化碳濃度降低。待活性碳吸附飽和后，鼓入新鮮空氣，使活性碳脫附，恢復(fù)吸附性能，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。在使用消石灰脫除裝置時(shí)，消石灰（氫氧化鈣）與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鈣沉淀和水，從而將二氧化碳從庫(kù)內(nèi)氣體中去除。在設(shè)計(jì)二氧化碳脫除系統(tǒng)時(shí)，要依據(jù)貯藏果蔬的呼吸強(qiáng)度、氣調(diào)庫(kù)內(nèi)氣體自由空間體積、氣調(diào)庫(kù)的貯藏量以及庫(kù)內(nèi)要求達(dá)到的二氧化碳?xì)怏w成分的濃度來(lái)確定脫除機(jī)的工作能力。若貯藏的果蔬呼吸強(qiáng)度大，如一些呼吸旺盛的葉菜類蔬菜，在貯藏過(guò)程中會(huì)快速產(chǎn)生大量二氧化碳，這就需要工作能力強(qiáng)、處理量大的二氧化碳脫除機(jī)，以及時(shí)將多余的二氧化碳脫除，防止二氧化碳濃度過(guò)高對(duì)果蔬造成傷害。氣調(diào)庫(kù)內(nèi)氣體自由空間體積和貯藏量也會(huì)影響脫除機(jī)的選型。體積較大的氣調(diào)庫(kù)，氣體總量多，需要脫除的二氧化碳量也相應(yīng)增加，因此需要配備處理能力與之匹配的脫除機(jī)。二氧化碳脫除系統(tǒng)的運(yùn)行控制也不容忽視。通過(guò)安裝在庫(kù)內(nèi)的二氧化碳傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)庫(kù)內(nèi)二氧化碳濃度，并將數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)。當(dāng)二氧化碳濃度超過(guò)設(shè)定的上限時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)二氧化碳脫除機(jī)，調(diào)節(jié)脫除機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如氣體流量、吸附時(shí)間等，以確保二氧化碳濃度能夠快速降低到適宜范圍。當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到設(shè)定的下限后，控制系統(tǒng)自動(dòng)停止脫除機(jī)的運(yùn)行，避免過(guò)度脫除，節(jié)約能源和成本。3.3.3乙烯脫除系統(tǒng)設(shè)計(jì)乙烯脫除機(jī)對(duì)于氣調(diào)庫(kù)中食品的保鮮至關(guān)重要，尤其是對(duì)于對(duì)乙烯敏感的水果等食品，其工作原理主要有高錳酸鉀化學(xué)除乙烯法和空氣氧化去除法。在高錳酸鉀化學(xué)除乙烯法中，將飽和高錳酸鉀溶液吸附在碎磚塊、蛭石或沸石分子篩等多孔材料上，形成乙烯吸收劑。當(dāng)含有乙烯的氣體通過(guò)填充有乙烯吸收劑的清洗裝置時(shí)，乙烯與高錳酸鉀接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)而被清除。這種方法簡(jiǎn)單，費(fèi)用極低，但除乙烯效率相對(duì)較低，且高錳酸鉀為強(qiáng)氧化劑，在操作過(guò)程中需要注意安全，避免灼傷皮膚。空氣氧化去除法則是利用特定的催化劑，在一定溫度和氧氣存在的條件下，將乙烯氧化為二氧化碳和水。這種方法除乙烯效率高，可將貯藏間內(nèi)乙烯濃度控制在較低水平，一般能達(dá)到1-5μL/L，能有效延緩水果的成熟和衰老。一些先進(jìn)的乙烯脫除設(shè)備采用了納米催化技術(shù)，大大提高了乙烯的氧化效率，同時(shí)降低了能耗和設(shè)備成本。在設(shè)計(jì)乙烯脫除系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)氣調(diào)庫(kù)的規(guī)模、貯藏食品的種類和乙烯產(chǎn)生量等因素，合理選擇乙烯脫除機(jī)的類型和規(guī)格。對(duì)于大規(guī)模的氣調(diào)庫(kù)，貯藏的水果數(shù)量多，乙烯產(chǎn)生量大，應(yīng)選擇處理能力強(qiáng)、除乙烯效率高的乙烯脫除機(jī)。對(duì)于對(duì)乙烯特別敏感的水果，如香蕉、芒果等，需要確保乙烯脫除機(jī)能夠?qū)?kù)內(nèi)乙烯濃度嚴(yán)格控制在較低水平，以延長(zhǎng)水果的保鮮期。還需考慮乙烯脫除機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和維護(hù)成本。選擇運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高的設(shè)備，能夠減少設(shè)備故障，保證氣調(diào)庫(kù)的正常運(yùn)行。設(shè)備的維護(hù)成本也需要納入考慮范圍，包括催化劑的更換、設(shè)備的清洗和維修等費(fèi)用，以降低氣調(diào)庫(kù)的運(yùn)營(yíng)成本。3.4制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4.1制冷方式選擇目前常見(jiàn)的制冷方式主要有壓縮式制冷、吸收式制冷和吸附式制冷，每種制冷方式都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇適合氣調(diào)庫(kù)的制冷方式時(shí)，需綜合多方面因素進(jìn)行考量。壓縮式制冷是應(yīng)用最為廣泛的制冷方式之一，它主要由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器組成。壓縮機(jī)將低溫低壓的制冷劑氣體壓縮成高溫高壓的氣體，然后送入冷凝器，在冷凝器中制冷劑氣體通過(guò)與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，將熱量釋放出去，冷凝成液態(tài)制冷劑。液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流降壓后，進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中液態(tài)制冷劑吸收庫(kù)內(nèi)的熱量，蒸發(fā)成氣態(tài)制冷劑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)內(nèi)的制冷降溫。壓縮式制冷的優(yōu)點(diǎn)顯著，其制冷效率高，能夠快速降低庫(kù)內(nèi)溫度，滿足氣調(diào)庫(kù)對(duì)制冷速度的要求。它的制冷量調(diào)節(jié)范圍廣，可以根據(jù)庫(kù)內(nèi)負(fù)荷的變化，通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率或氣缸工作數(shù)量等方式，靈活調(diào)整制冷量。壓縮式制冷技術(shù)成熟，設(shè)備可靠性高，市場(chǎng)上相關(guān)的設(shè)備和零部件供應(yīng)充足，維護(hù)和維修較為方便。它也存在一些缺點(diǎn)，其能耗相對(duì)較高，尤其是在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，電費(fèi)成本較為可觀。壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪音和振動(dòng)，對(duì)周圍環(huán)境有一定的影響。吸收式制冷則是利用兩種物質(zhì)在不同溫度下的吸收和解吸特性來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷。它以熱能為動(dòng)力，通常采用溴化鋰水溶液或氨水溶液作為工質(zhì)對(duì)。在吸收式制冷系統(tǒng)中，發(fā)生器中的濃溶液在加熱的作用下，釋放出制冷劑蒸汽，制冷劑蒸汽進(jìn)入冷凝器被冷凝成液態(tài)制冷劑。液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收庫(kù)內(nèi)熱量蒸發(fā)制冷。而發(fā)生器中剩下的稀溶液則通過(guò)吸收器吸收來(lái)自蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽，重新變成濃溶液，再回到發(fā)生器中循環(huán)使用。吸收式制冷的突出優(yōu)點(diǎn)是可以利用低品位熱能，如太陽(yáng)能、廢熱等作為能源，這對(duì)于有豐富低品位熱能資源的場(chǎng)所來(lái)說(shuō)，能夠有效降低能源成本，實(shí)現(xiàn)能源的綜合利用。它運(yùn)行平穩(wěn)，噪音和振動(dòng)小，對(duì)環(huán)境的影響較小。不過(guò)，吸收式制冷也有其局限性，其制冷效率相對(duì)較低，設(shè)備體積較大，占地面積多。溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的密封性要求極高，否則容易導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。吸附式制冷是利用吸附劑對(duì)制冷劑的吸附和解吸作用來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。常用的吸附劑有活性炭、分子篩等，制冷劑通常為甲醇、氨等。在吸附式制冷過(guò)程中，吸附劑在低溫下吸附制冷劑蒸汽，當(dāng)吸附劑被加熱時(shí)，制冷劑蒸汽被解吸出來(lái)，進(jìn)入冷凝器被冷凝成液態(tài)制冷劑。液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷。吸附劑在冷卻后又可以重新吸附制冷劑蒸汽，開(kāi)始新的循環(huán)。吸附式制冷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、可靠性高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。它可以利用太陽(yáng)能、廢熱等低品位熱能驅(qū)動(dòng)，與吸收式制冷一樣，具有良好的能源利用前景。其制冷量較小，制冷速度相對(duì)較慢，難以滿足大規(guī)模氣調(diào)庫(kù)的快速制冷需求。對(duì)于氣調(diào)庫(kù)而言，由于其需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地維持庫(kù)內(nèi)的低溫環(huán)境，且對(duì)制冷速度和制冷量調(diào)節(jié)有較高要求，綜合考慮各種制冷方式的優(yōu)缺點(diǎn)，壓縮式制冷相對(duì)更為適合。雖然壓縮式制冷能耗較高，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，高效節(jié)能的壓縮機(jī)和制冷系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，通過(guò)優(yōu)化制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理，可以在一定程度上降低能耗。其高制冷效率和靈活的制冷量調(diào)節(jié)能力，能夠更好地滿足氣調(diào)庫(kù)對(duì)溫度控制的嚴(yán)格要求，確保食品在適宜的溫度條件下保鮮。3.4.2制冷設(shè)備選型在確定采用壓縮式制冷方式后，根據(jù)氣調(diào)庫(kù)的冷負(fù)荷需求，合理選擇制冷設(shè)備的型號(hào)和規(guī)格至關(guān)重要。冷負(fù)荷是指為了維持氣調(diào)庫(kù)內(nèi)設(shè)定的溫度和濕度條件，制冷設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)需要從庫(kù)內(nèi)移除的熱量。氣調(diào)庫(kù)的冷負(fù)荷主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷、貨物熱負(fù)荷、人員設(shè)備熱負(fù)荷以及通風(fēng)換氣熱負(fù)荷等。圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷是由于庫(kù)內(nèi)外溫差導(dǎo)致熱量通過(guò)庫(kù)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入庫(kù)內(nèi)的熱量，它與庫(kù)體的隔熱性能、表面積以及庫(kù)內(nèi)外溫差等因素有關(guān)。貨物熱負(fù)荷則是食品在貯藏過(guò)程中由于呼吸作用、蒸發(fā)散熱等產(chǎn)生的熱量，不同種類的食品其熱負(fù)荷差異較大。人員設(shè)備熱負(fù)荷是指氣調(diào)庫(kù)內(nèi)操作人員、照明設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備等產(chǎn)生的熱量。通風(fēng)換氣熱負(fù)荷是由于氣調(diào)庫(kù)通風(fēng)換氣時(shí)，新鮮空氣帶入的熱量。為準(zhǔn)確計(jì)算氣調(diào)庫(kù)的冷負(fù)荷，需要詳細(xì)了解氣調(diào)庫(kù)的建筑結(jié)構(gòu)、庫(kù)內(nèi)食品的種類和貯藏量、設(shè)備運(yùn)行情況以及通風(fēng)換氣要求等參數(shù)。可以通過(guò)查閱相關(guān)的制冷設(shè)計(jì)手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用專業(yè)的冷負(fù)荷計(jì)算軟件進(jìn)行精確計(jì)算。對(duì)于一個(gè)面積為1000平方米，高度為5米，采用聚氨酯泡沫塑料作為隔熱材料的氣調(diào)庫(kù)，假設(shè)庫(kù)內(nèi)主要貯藏蘋(píng)果，貯藏量為500噸，根據(jù)蘋(píng)果的呼吸熱和相關(guān)的冷負(fù)荷計(jì)算參數(shù)，結(jié)合庫(kù)體的隔熱性能和通風(fēng)換氣要求等，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出其冷負(fù)荷約為100kW。根據(jù)計(jì)算得到的冷負(fù)荷，在選擇制冷壓縮機(jī)時(shí)，應(yīng)確保其制冷量能夠滿足氣調(diào)庫(kù)的需求，并留有一定的余量。對(duì)于上述冷負(fù)荷為100kW的氣調(diào)庫(kù)，可以選擇一臺(tái)制冷量為120kW左右的螺桿式制冷壓縮機(jī)。螺桿式制冷壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)、制冷效率高、調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適用于中大型氣調(diào)庫(kù)。它可以通過(guò)滑閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，在10%-100%的范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)制冷量，能夠根據(jù)庫(kù)內(nèi)負(fù)荷的變化，靈活調(diào)整制冷量，保證庫(kù)內(nèi)溫度的穩(wěn)定。冷凝器的選擇也需要與制冷壓縮機(jī)相匹配，其熱交換面積應(yīng)能夠滿足制冷劑冷凝所需的散熱要求。通常采用殼管式冷凝器，它具有傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)制冷壓縮機(jī)的制冷量和制冷劑的冷凝溫度等參數(shù)，可以計(jì)算出冷凝器的熱交換面積，選擇合適型號(hào)的冷凝器。在選擇節(jié)流閥時(shí)，應(yīng)根據(jù)制冷劑的流量和壓力降要求，選擇合適口徑和類型的節(jié)流閥，如熱力膨脹閥或電子膨脹閥。熱力膨脹閥能夠根據(jù)蒸發(fā)器出口制冷劑的過(guò)熱度自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷劑的流量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)；電子膨脹閥則具有調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，能夠更好地適應(yīng)氣調(diào)庫(kù)對(duì)制冷系統(tǒng)精確控制的要求。蒸發(fā)器的選擇要考慮庫(kù)內(nèi)的空氣流動(dòng)和溫度分布情況，一般采用冷風(fēng)機(jī)作為蒸發(fā)器，它具有降溫速度快、冷氣分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。冷風(fēng)機(jī)的選型應(yīng)根據(jù)氣調(diào)庫(kù)的空間大小、冷負(fù)荷以及空氣循環(huán)要求等因素，確定其型號(hào)和數(shù)量，確保庫(kù)內(nèi)能夠形成良好的空氣循環(huán)，實(shí)現(xiàn)均勻降溫。3.5監(jiān)控與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.5.1傳感器選擇與布置在中空纖維氣調(diào)庫(kù)中，傳感器的選擇和布置對(duì)于實(shí)現(xiàn)全面、精準(zhǔn)的監(jiān)控至關(guān)重要。氧氣傳感器是監(jiān)測(cè)氣調(diào)庫(kù)內(nèi)氧氣濃度的關(guān)鍵設(shè)備，常見(jiàn)的有電化學(xué)氧氣傳感器和順磁式氧氣傳感器。電化學(xué)氧氣傳感器通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生與氧氣濃度相關(guān)的電信號(hào)，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出庫(kù)內(nèi)氧氣濃度的微小變化。順磁式氧氣傳感器則利用氧氣的順磁性，通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)的變化來(lái)確定氧氣濃度，其測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，適用于對(duì)氧氣濃度要求嚴(yán)格的氣調(diào)庫(kù)。在布置氧氣傳感器時(shí)，應(yīng)根據(jù)氣調(diào)庫(kù)的大小和結(jié)構(gòu)，合理分布在庫(kù)內(nèi)不同位置，確保能夠全面監(jiān)測(cè)庫(kù)內(nèi)氧氣濃度的分布情況。對(duì)于大型氣調(diào)庫(kù)，可以在庫(kù)內(nèi)的四角、中央以及靠近通風(fēng)口等位置安裝氧氣傳感器，以獲取不同區(qū)域的氧氣濃度信息。二氧化碳傳感器用于監(jiān)測(cè)庫(kù)內(nèi)二氧化碳濃度，紅外二氧化碳傳感器是常用的類型之一。它利用二氧化碳對(duì)特定波長(zhǎng)紅外線的吸收特性，通過(guò)檢測(cè)紅外線的吸收程度來(lái)確定二氧化碳濃度。這種傳感器具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠在復(fù)雜的氣調(diào)庫(kù)環(huán)境中穩(wěn)定工作。在布置二氧化碳傳感器時(shí)，同樣要考慮庫(kù)內(nèi)的氣體流動(dòng)和分布情況，避免傳感器安裝在氣體流動(dòng)不暢或死角區(qū)域，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。可以將二氧化碳傳感器安裝在距離果蔬堆放區(qū)域較近的位置，以便及時(shí)檢測(cè)果蔬呼吸產(chǎn)生的二氧化碳濃度變化。溫度傳感器在氣調(diào)庫(kù)中用于監(jiān)測(cè)庫(kù)內(nèi)溫度，常見(jiàn)的有熱電偶和熱電阻溫度傳感器。熱電偶是利用兩種不同金屬的熱電效應(yīng)，將溫度變化轉(zhuǎn)化為熱電勢(shì)輸出，具有響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。熱電阻則是利用電阻隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量溫度，其測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好。在布置溫度傳感器時(shí)，應(yīng)均勻分布在庫(kù)內(nèi)各個(gè)層面和區(qū)域，考慮到庫(kù)內(nèi)可能存在的溫度梯度，不僅要在庫(kù)內(nèi)的高處和低處安裝溫度傳感器，還要在靠近庫(kù)門、墻壁等容易受外界溫度影響的位置安裝，以全面掌握庫(kù)內(nèi)溫度分布情況。濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)庫(kù)內(nèi)濕度，電容式濕度傳感器和電阻式濕度傳感器較為常見(jiàn)。電容式濕度傳感器通過(guò)檢測(cè)電容的變化來(lái)反映濕度的變化，具有響應(yīng)速度快、精度高的特點(diǎn)。電阻式濕度傳感器則利用電阻值隨濕度變化的特性來(lái)測(cè)量濕度，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。在布置濕度傳感器時(shí)，要避免傳感器受到水分的直接影響，同時(shí)考慮庫(kù)內(nèi)空氣的流動(dòng)和濕度分布的均勻性，將其安裝在能夠準(zhǔn)確反映庫(kù)內(nèi)整體濕度情況的位置。3.5.2自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)是中空纖維氣調(diào)庫(kù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的核心，它通過(guò)對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，自動(dòng)調(diào)節(jié)氣調(diào)庫(kù)的各個(gè)設(shè)備，以維持庫(kù)內(nèi)穩(wěn)定的氣調(diào)環(huán)境。該系統(tǒng)主要由控制器、執(zhí)行器和監(jiān)控軟件等部分組成。控制器作為自動(dòng)化控制系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)接收傳感器傳來(lái)的信號(hào)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略進(jìn)行分析和計(jì)算，然后向執(zhí)行器發(fā)出控制指令。常見(jiàn)的控制器有可編程邏輯控制器（PLC）和工業(yè)計(jì)算機(jī)。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在氣調(diào)庫(kù)自動(dòng)化控制中得到廣泛應(yīng)用。它能夠根據(jù)庫(kù)內(nèi)氧氣、二氧化碳、溫度、濕度等參數(shù)的變化，快速準(zhǔn)確地控制制氮機(jī)、二氧化碳脫除機(jī)、制冷設(shè)備、加濕設(shè)備等執(zhí)行器的運(yùn)行。工業(yè)計(jì)算機(jī)則具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和圖形界面顯示功能，能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的控制算法和數(shù)據(jù)分析，適用于對(duì)自動(dòng)化控制要求較高的氣調(diào)庫(kù)。執(zhí)行器是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)控制器的指令對(duì)氣調(diào)庫(kù)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。制氮機(jī)的進(jìn)氣閥門、出氣閥門以及運(yùn)行頻率等可以通過(guò)執(zhí)行器進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)庫(kù)內(nèi)氮?dú)夂脱鯕獾臐舛取．?dāng)控制器檢測(cè)到庫(kù)內(nèi)氧氣濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)控制制氮機(jī)加大運(yùn)行功率，增加氮?dú)獾漠a(chǎn)生量，從而降低氧氣濃度。二氧化碳脫除機(jī)的啟動(dòng)、停止以及工作強(qiáng)度也由執(zhí)行器控制，以維持庫(kù)內(nèi)二氧化碳濃度在合適范圍內(nèi)。制冷設(shè)備的壓縮機(jī)啟停、制冷量調(diào)節(jié)以及加濕設(shè)備的加濕量調(diào)節(jié)等同樣通過(guò)執(zhí)行器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)庫(kù)內(nèi)溫度升高時(shí)，執(zhí)行器會(huì)控制制冷設(shè)備加大制冷量，降低庫(kù)內(nèi)溫度；當(dāng)庫(kù)內(nèi)濕度低于設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行器會(huì)啟動(dòng)加濕設(shè)備，增加庫(kù)內(nèi)濕度。監(jiān)控軟件則為操作人員提供了一個(gè)直觀的人機(jī)交互界面，通過(guò)該界面，操作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣調(diào)庫(kù)內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，如氧氣濃度、二氧化碳濃度、溫度、濕度等，并可以對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和操作控制。監(jiān)控軟件通常具有數(shù)據(jù)記錄和分析功能，能夠記錄氣調(diào)庫(kù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，生成歷史曲線和報(bào)表，為操作人員分析氣調(diào)庫(kù)的運(yùn)行狀況和優(yōu)化控制策略提供依據(jù)。操作人員可以通過(guò)監(jiān)控軟件隨時(shí)查看庫(kù)內(nèi)參數(shù)的變化趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并進(jìn)行處理。一些先進(jìn)的監(jiān)控軟件還具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，操作人員可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在遠(yuǎn)程終端對(duì)氣調(diào)庫(kù)進(jìn)行監(jiān)控和控制，提高了管理的便捷性和靈活性。四、中空纖維膜組件制備4.1制備材料與設(shè)備4.1.1原材料選擇制備中空纖維膜組件的原材料主要包括膜材料和輔助材料，這些材料的特性對(duì)于膜組件的性能起著決定性作用，因此在選擇時(shí)需要綜合多方面因素進(jìn)行考量。在膜材料方面，聚醚砜（PES）和聚酰亞胺（PI）是常用的高性能材料。聚醚砜具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在多種化學(xué)環(huán)境下都能保持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定。它的機(jī)械強(qiáng)度較高，能夠承受一定的壓力和拉伸力，不易破裂或變形，這使得制備出的中空纖維膜在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的耐用性。聚醚砜的耐溫性能出色，可在較高溫度下使用，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為225℃，這使得它適用于一些對(duì)溫度要求較高的氣調(diào)保鮮場(chǎng)景，如對(duì)高溫耐受性較強(qiáng)的食品保鮮。聚醚砜還具有良好的成膜性能，能夠通過(guò)多種制備工藝形成均勻、穩(wěn)定的膜結(jié)構(gòu)。聚酰亞胺同樣具有卓越的性能。它的耐高溫性能極為突出，其分解溫度通常在500℃以上，能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，適用于高溫氣調(diào)保鮮或需要在高溫條件下進(jìn)行氣體分離的應(yīng)用。聚酰亞胺的機(jī)械性能優(yōu)良，具有較高的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，能夠保證中空纖維膜在復(fù)雜的使用環(huán)境中保持良好的結(jié)構(gòu)完整性。它還具有良好的氣體分離性能，對(duì)氧氣、二氧化碳等氣體具有較高的選擇性透過(guò)能力，能夠滿足氣調(diào)庫(kù)對(duì)氣體成分精確調(diào)控的需求。輔助材料在中空纖維膜組件的制備中也不可或缺。常用的輔助材料有溶劑和致孔劑。溶劑用于溶解膜材料，使其能夠在制備過(guò)程中均勻分散并形成所需的膜結(jié)構(gòu)。對(duì)于聚醚砜和聚酰亞胺等膜材料，常用的溶劑有N-甲基吡咯烷酮（NMP）和二甲基乙酰胺（DMAc）。N-甲基吡咯烷酮具有良好的溶解性，能夠快速溶解聚醚砜和聚酰亞胺，且揮發(fā)性較低，在膜制備過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定的溶液狀態(tài)。二甲基乙酰胺同樣具有較強(qiáng)的溶解能力，能夠?yàn)槟げ牧咸峁┝己玫娜芙猸h(huán)境，并且它的沸點(diǎn)較高，在膜的成型過(guò)程中不易揮發(fā)，有利于保證膜的質(zhì)量。致孔劑則用于調(diào)節(jié)膜的孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響膜的氣體分離性能。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚乙二醇（PEG）是常見(jiàn)的致孔劑。聚乙烯吡咯烷酮能夠在膜中形成均勻的微孔結(jié)構(gòu)，增加膜的比表面積，提高氣體的滲透速率。聚乙二醇可以通過(guò)改變自身的分子量和添加量，精確調(diào)節(jié)膜的孔徑大小和孔隙率，以滿足不同氣調(diào)庫(kù)對(duì)氣體分離性能的要求。在制備對(duì)氧氣選擇性透過(guò)要求較高的中空纖維膜時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整聚乙二醇的添加量，優(yōu)化膜的孔徑結(jié)構(gòu)，提高膜對(duì)氧氣的分離效率。4.1.2設(shè)備介紹在中空纖維膜組件的制備過(guò)程中，紡絲機(jī)是核心設(shè)備之一，其性能和工作原理直接影響著膜的質(zhì)量和性能。常見(jiàn)的紡絲機(jī)有濕法紡絲機(jī)和干-濕法紡絲機(jī)。濕法紡絲機(jī)的工作原理是將聚合物溶液通過(guò)噴絲頭擠出，直接進(jìn)入凝固浴中，溶液中的溶劑與凝固浴中的凝固劑發(fā)生雙擴(kuò)散，使聚合物溶液凝固成膜。在濕法紡絲過(guò)程中，聚合物溶液從噴絲頭擠出后，立即與凝固浴接觸，溶劑迅速擴(kuò)散到凝固浴中，同時(shí)凝固劑擴(kuò)散進(jìn)入聚合物溶液，導(dǎo)致聚合物濃度升高，最終凝固形成中空纖維膜。這種紡絲方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，能夠制備出具有較大孔徑和較高孔隙率的膜，適用于一些對(duì)氣體通量要求較高的氣調(diào)庫(kù)應(yīng)用。干-濕法紡絲機(jī)則是在濕法紡絲的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。它在噴絲頭和凝固浴之間設(shè)置了一段空氣浴，聚合物溶液從噴絲頭擠出后，先經(jīng)過(guò)空氣浴，然后再進(jìn)入凝固浴。在空氣浴階段，溶劑會(huì)部分揮發(fā)，使得聚合物溶液的濃度有所提高，從而改變了膜的結(jié)構(gòu)和性能。干-濕法紡絲機(jī)能夠制備出具有更精細(xì)結(jié)構(gòu)和更好性能的中空纖維膜。通過(guò)調(diào)整空氣浴的長(zhǎng)度、溫度和濕度等參數(shù)，可以精確控制膜的皮層厚度、孔隙結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，滿足不同氣調(diào)庫(kù)對(duì)膜性能的多樣化需求。固化設(shè)備也是制備中空纖維膜組件的重要設(shè)備，其作用是使初生的中空纖維膜進(jìn)一步固化和定型，提高膜的穩(wěn)定性和性能。常見(jiàn)的固化設(shè)備有加熱固化爐和化學(xué)固化裝置。加熱固化爐通過(guò)升高溫度，加速膜內(nèi)分子的運(yùn)動(dòng)和交聯(lián)，使膜的結(jié)構(gòu)更加緊密和穩(wěn)定。對(duì)于一些需要高溫固化的膜材料，如聚酰亞胺，加熱固化爐能夠提供適宜的溫度條件，促進(jìn)膜的固化反應(yīng)。化學(xué)固化裝置則是利用化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)膜的固化。通過(guò)向膜中添加固化劑或引發(fā)劑，使其與膜材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而提高膜的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在制備聚醚砜中空纖維膜時(shí)，可以使用化學(xué)固化裝置，添加適當(dāng)?shù)墓袒瘎咕勖秧糠肿又g發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，增強(qiáng)膜的機(jī)械性能。4.2制備工藝4.2.1紡絲工藝在紡絲工藝中，紡絲液的配制是關(guān)鍵的第一步。以聚醚砜（PES）膜材料為例，將聚醚砜顆粒、溶劑N-甲基吡咯烷酮（NMP）以及致孔劑聚乙烯吡咯烷酮（PVP）按一定比例加入到攪拌容器中。聚醚砜的含量通常在15%-25%之間，溶劑NMP的比例約為70%-80%，致孔劑PVP的含量在5%-10%左右。在攪拌過(guò)程中，需要控制攪拌速度和溫度，攪拌速度一般設(shè)置在200-500r/min，溫度保持在50-70℃。經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)的攪拌，使聚醚砜充分溶解在NMP中，形成均勻的紡絲液，此時(shí)紡絲液應(yīng)呈現(xiàn)出均一、無(wú)明顯顆粒的狀態(tài)。紡絲速度對(duì)膜的結(jié)構(gòu)和性能有著顯著影響。當(dāng)紡絲速度較低時(shí)，如在10-20m/min的范圍內(nèi)，聚合物溶液有更充足的時(shí)間在凝固浴中進(jìn)行相分離，形成的膜結(jié)構(gòu)較為疏松，孔隙率較高，氣體通量較大，但膜的機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低。這是因?yàn)樵谳^低的紡絲速度下，溶劑的擴(kuò)散速度相對(duì)較慢，聚合物分子有更多機(jī)會(huì)排列和聚集，形成較大的孔隙結(jié)構(gòu)。隨著紡絲速度的提高，如達(dá)到50-80m/min時(shí)，膜的結(jié)構(gòu)會(huì)變得更加致密，孔隙率降低，機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)，但氣體通量會(huì)相應(yīng)減小。這是由于紡絲速度加快，聚合物溶液在凝固浴中的停留時(shí)間縮短，相分離過(guò)程迅速發(fā)生，導(dǎo)致形成的孔隙較小且結(jié)構(gòu)緊密。在實(shí)際制備過(guò)程中，需要根據(jù)對(duì)膜性能的具體要求，選擇合適的紡絲速度。如果氣調(diào)庫(kù)對(duì)氣體通量要求較高，可適當(dāng)降低紡絲速度；若對(duì)膜的機(jī)械強(qiáng)度要求更為關(guān)鍵，則可適當(dāng)提高紡絲速度。其他紡絲參數(shù)也不容忽視。紡絲溫度一般控制在25-35℃，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，紡絲液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性較好，有利于均勻擠出。凝固浴的組成對(duì)膜的結(jié)構(gòu)和性能也有重要影響。對(duì)于聚醚砜中空纖維膜，常用的凝固浴為水或水與有機(jī)溶劑的混合溶液。當(dāng)凝固浴為純水時(shí)，膜的皮層較薄，孔隙率較高；若在凝固浴中加入適量的有機(jī)溶劑，如乙醇，可調(diào)節(jié)膜的凝固速度和結(jié)構(gòu)，使膜的皮層增厚，機(jī)械強(qiáng)度提高。氣隙距離，即噴絲頭與凝固浴之間的距離，一般在5-20cm之間。氣隙距離會(huì)影響膜的成型過(guò)程和結(jié)構(gòu)，較大的氣隙距離會(huì)使溶劑在空氣中部分揮發(fā)，導(dǎo)致膜的皮層更厚，結(jié)構(gòu)更致密。4.2.2固化與成型工藝固化與成型工藝的原理基于相轉(zhuǎn)化過(guò)程，這是一個(gè)聚合物溶液從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程，對(duì)膜組件的質(zhì)量起著決定性作用。在相轉(zhuǎn)化過(guò)程中，聚合物溶液中的溶劑與凝固浴中的凝固劑發(fā)生雙擴(kuò)散。以聚醚砜中空纖維膜的制備為例，當(dāng)紡絲液從噴絲頭擠出進(jìn)入凝固浴時(shí)，紡絲液中的溶劑N-甲基吡咯烷酮迅速向凝固浴中擴(kuò)散，同時(shí)凝固浴中的凝固劑（如水）向紡絲液中擴(kuò)散。這種雙擴(kuò)散導(dǎo)致聚合物溶液的濃度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)，聚合物開(kāi)始沉淀，形成固態(tài)的膜結(jié)構(gòu)。在操作方法上，首先要確保凝固浴的溫度和組成穩(wěn)定。凝固浴溫度一般控制在20-30℃，溫度過(guò)高可能導(dǎo)致溶劑擴(kuò)散過(guò)快，使膜結(jié)構(gòu)不均勻；溫度過(guò)低則可能使凝固速度過(guò)慢，影響生產(chǎn)效率。凝固浴的組成應(yīng)根據(jù)膜材料和性能要求進(jìn)行選擇。對(duì)于聚醚砜膜，純水凝固浴能使膜具有較高的孔隙率和氣體通量；而在凝固浴中添加適量的鹽類或有機(jī)溶劑，如氯化鈉或乙醇，可改變膜的結(jié)構(gòu)和性能。添加氯化鈉可使膜的孔徑減小，提高膜的截留性能；添加乙醇則可使膜的皮層增厚，增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。在成型過(guò)程中，要注意控制膜絲的牽引速度和張力。牽引速度應(yīng)與紡絲速度相匹配，一般略大于紡絲速度，以確保膜絲在凝固浴中充分固化和成型。牽引速度過(guò)快可能導(dǎo)致膜絲拉伸過(guò)度，影響膜的性能；過(guò)慢則可能使膜絲在凝固浴中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)松散。張力的控制也很重要，適當(dāng)?shù)膹埩梢允鼓そz保持直線狀態(tài)，避免彎曲和纏繞，保證膜的均勻性和質(zhì)量。可以通過(guò)調(diào)整牽引裝置的參數(shù)來(lái)控制張力，使膜絲在成型過(guò)程中保持穩(wěn)定的張力。4.2.3后處理工藝后處理工藝中的清洗步驟旨在去除膜表面和內(nèi)部殘留的溶劑、致孔劑等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)若殘留在膜中，會(huì)影響膜的性能和使用壽命。對(duì)于聚醚砜中空纖維膜，通常采用去離子水進(jìn)行多次浸泡和沖洗。將制備好的膜組件放入去離子水中，浸泡時(shí)間一般為12-24小時(shí)，期間定期更換去離子水，以確保雜質(zhì)充分溶解和去除。在浸泡過(guò)程中，去離子水會(huì)與膜表面和內(nèi)部的雜質(zhì)發(fā)生溶解和擴(kuò)散作用，將雜質(zhì)帶出膜外。沖洗時(shí)，可采用流動(dòng)的去離子水，以增強(qiáng)清洗效果，確保膜表面和內(nèi)部的雜質(zhì)被徹底清除。干燥是后處理工藝的重要環(huán)節(jié)，其目的是去除膜中的水分，使膜達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。常見(jiàn)的干燥方法有自然干燥和真空干燥。自然干燥是將清洗后的膜組件放置在通風(fēng)良好、溫度適宜的環(huán)境中，讓水分自然蒸發(fā)。這種方法操作簡(jiǎn)單，但干燥時(shí)間較長(zhǎng)，且可能因環(huán)境濕度和溫度的波動(dòng)，導(dǎo)致膜的干燥不均勻，影響膜的性能。真空干燥則是將膜組件放入真空干燥箱中，在一定的溫度和真空度下進(jìn)行干燥。一般真空度控制在0.01-0.1MPa，溫度控制在40-60℃。在真空環(huán)境下，水分的蒸發(fā)速度加快，能夠在較短時(shí)間內(nèi)使膜達(dá)到干燥狀態(tài)，且干燥效果更均勻，有利于提高膜的性能和穩(wěn)定性。除了清洗和干燥，后處理工藝還可能包括一些特殊的處理步驟，如對(duì)膜進(jìn)行表面改性。為提高膜的親水性，可采用等離子體處理技術(shù)，在膜表面引入親水性基團(tuán)。通過(guò)等離子體處理，膜表面的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成一些羥基、羧基等親水性基團(tuán)，這些基團(tuán)能夠增加膜與水分子的親和力，改善膜的親水性，提高膜在潮濕環(huán)境下的性能。還可以對(duì)膜進(jìn)行熱處理，進(jìn)一步提高膜的結(jié)晶度和穩(wěn)定性。將膜組件在一定溫度下進(jìn)行熱處理，能夠使膜內(nèi)部的分子鏈重新排列，增加分子間的相互作用力，提高膜的結(jié)晶度，從而增強(qiáng)膜的機(jī)械性能和穩(wěn)定性。四、中空纖維膜組件制備4.3性能測(cè)試與優(yōu)化4.3.1性能測(cè)試指標(biāo)與方法中空纖維膜組件的性能測(cè)試對(duì)于評(píng)估其在氣調(diào)庫(kù)中的應(yīng)用效果至關(guān)重要，主要測(cè)試指標(biāo)涵蓋氣體分離性能和機(jī)械強(qiáng)度等關(guān)鍵方面，每種指標(biāo)都有其對(duì)應(yīng)的科學(xué)測(cè)試方法。氣體分離性能是中空纖維膜組件的核心性能指標(biāo)之一，主要包括氣體滲透率和選擇性。氣體滲透率用于衡量氣體通過(guò)膜的難易程度，其測(cè)試方法通常采用恒定壓力法。在測(cè)試裝置中，將中空纖維膜組件密封安裝在測(cè)試腔室中，一側(cè)通入一定壓力的測(cè)試氣體，如氧氣、二氧化碳或氮?dú)獾龋硪粋?cè)保持低壓或真空狀態(tài)。通過(guò)高精度的氣體流量傳感器，測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)膜的氣體體積，再根據(jù)膜的面積和兩側(cè)的壓力差，計(jì)算出氣體滲透率。對(duì)于氧氣滲透率的測(cè)試，將膜組件安裝在測(cè)試裝置中，通入壓力為0.1MPa的氧氣，測(cè)量在一定時(shí)間內(nèi)透過(guò)膜的氧氣流量，假設(shè)膜的有效面積為0.1平方米，在1小時(shí)內(nèi)透過(guò)的氧氣量為10升，則可計(jì)算出氧氣滲透率。選擇性是指膜對(duì)不同氣體的分離能力，其計(jì)算方法為兩種氣體滲透率的比值。在測(cè)試氧氣和氮?dú)獾倪x擇性時(shí)，分別測(cè)量氧氣和氮?dú)馔ㄟ^(guò)膜的滲透率，然后計(jì)算氧氣滲透率與氮?dú)鉂B透率的比值，即可得到膜對(duì)氧氣和氮?dú)獾倪x擇性。若氧氣滲透率為100GPU（氣體滲透單位），氮?dú)鉂B透率為10GPU，則膜對(duì)氧氣和氮?dú)獾倪x擇性為10。機(jī)械強(qiáng)度也是中空纖維膜組件的重要性能指標(biāo)，它直接影響膜組件在實(shí)際應(yīng)用中的使用壽命和穩(wěn)定性。拉伸強(qiáng)度是衡量膜機(jī)械強(qiáng)度的常用指標(biāo)之一，其測(cè)試方法采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。將中空纖維膜制成標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試樣條，夾在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的夾具上，以一定的拉伸速度對(duì)樣條施加拉力，記錄樣條在斷裂時(shí)所承受的最大拉力，再根據(jù)樣條的截面積，計(jì)算出膜的拉伸強(qiáng)度。在測(cè)試過(guò)程中，拉伸速度一般控制在5-10mm/min，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。彎曲強(qiáng)度則反映了膜在受到彎曲力時(shí)的性能，測(cè)試時(shí)將膜樣條放置在特定的彎曲測(cè)試裝置上，施加一定的彎曲力，記錄膜樣條發(fā)生斷裂或出現(xiàn)明顯變形時(shí)的彎曲力大小，從而計(jì)算出彎曲強(qiáng)度。4.3.2影響性能的因素分析原材料對(duì)中空纖維膜組件性能的影響顯著。不同的膜材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)存在差異，從而導(dǎo)致膜組件的氣體分離性能和機(jī)械強(qiáng)度不同。聚醚砜（PES）和聚酰亞胺（PI）是常用的膜材料，聚醚砜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，但其氣體分離性能相對(duì)有限。聚酰亞胺則具有出色的耐高溫性能和氣體分離性能，尤其是對(duì)氧氣和二氧化碳的選擇性較高。這是因?yàn)榫埘啺贩肿渔溨械膭傂越Y(jié)構(gòu)和特殊的化學(xué)鍵，使其對(duì)氣體分子具有較強(qiáng)的吸附和選擇性傳輸能力。在相同的制備工藝條件下，聚酰亞胺膜對(duì)氧氣和氮?dú)獾倪x擇性比聚醚砜膜高出20%-30%。輔助材料如溶劑和致孔劑也會(huì)影響膜組件的性能。溶劑的種類和用量會(huì)影響膜材料的溶解狀態(tài)和溶液的粘度，進(jìn)而影響膜的成型和結(jié)構(gòu)。N-甲基吡咯烷酮（NMP）和二甲基乙酰胺（DMAc）是常用的溶劑，N-甲基吡咯烷酮對(duì)聚醚砜的溶解性較好，能夠形成均勻的紡絲液，制備出的膜結(jié)構(gòu)較為致密，氣體分離性能較好。致孔劑的作用是在膜中形成孔隙，其種類和用量會(huì)影響膜的孔隙率和孔徑分布。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚乙二醇（PEG）是常見(jiàn)的致孔劑，聚乙烯吡咯烷酮能夠在膜中形成均勻的微孔結(jié)構(gòu)，增加膜的比表面積，提高氣體的滲透速率。當(dāng)聚乙烯吡咯烷酮的添加量從5%增加到10%時(shí)，膜的氣體滲透率可提高30%-50%，但過(guò)多的致孔劑可能會(huì)導(dǎo)致膜的機(jī)械強(qiáng)度下降。制備工藝同樣是影響中空纖維膜組件性能的關(guān)鍵因素。紡絲工藝中的紡絲速度、溫度、凝固浴組成等參數(shù)對(duì)膜的結(jié)構(gòu)和性能有著重要影響。紡絲速度的變化會(huì)影響膜的致密性和孔隙結(jié)構(gòu)。當(dāng)紡絲速度較低時(shí)，聚合物溶液在凝固浴中有足夠的時(shí)間進(jìn)行相分離，形成的膜結(jié)構(gòu)較為疏松，孔隙率較高，氣體通量較大，但機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低。隨著紡絲速度的提高，膜的結(jié)構(gòu)會(huì)變得更加致密，孔隙率降低，機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)，但氣體通量會(huì)相應(yīng)減小。在實(shí)際制備過(guò)程中，需要根據(jù)對(duì)膜性能的具體要求，合理調(diào)整紡絲速度。凝固浴的組成也會(huì)影響膜的性能。對(duì)于聚醚砜中空纖維膜，常用的凝固浴為水或水與有機(jī)溶劑的混合溶液。當(dāng)凝固浴為純水時(shí)，膜的皮層較薄，孔隙率較高；若在凝固浴中加入適量的有機(jī)溶劑，如乙醇，可調(diào)節(jié)膜的凝固速度和結(jié)構(gòu)，使膜的皮層增厚，機(jī)械強(qiáng)度提高。固化與成型工藝對(duì)膜組件性能也有重要影響。在固化過(guò)程中，凝固浴的溫度和組成會(huì)影響膜的相轉(zhuǎn)化過(guò)程，進(jìn)而影響膜的結(jié)構(gòu)和性能。較高的凝固浴溫度會(huì)使溶劑擴(kuò)散速度加快，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)不均勻；而合適的凝固浴組成可以調(diào)節(jié)膜的凝固速度和結(jié)構(gòu)，提高膜的性能。在成型過(guò)程中，膜絲的牽引速度和張力控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致膜的結(jié)構(gòu)缺陷和性能下降。4.3.3性能優(yōu)化措施基于對(duì)影響中空纖維膜組件性能因素的分析，可采取一系列針對(duì)性的優(yōu)化措施來(lái)提升其性能。在原材料選擇方面，可通過(guò)對(duì)膜材料進(jìn)行改性來(lái)優(yōu)化性能。對(duì)于聚醚砜膜材料，采用共混改性的方法，將聚醚砜與具有特殊性能的聚合物或納米材料進(jìn)行共混。將聚醚砜與納米二氧化硅共混，納米二氧化硅均勻分散在聚醚砜基體中，能夠增強(qiáng)膜的機(jī)械強(qiáng)度和氣體分離性能。納米二氧化硅的加入可以改善聚醚砜膜的微觀結(jié)構(gòu)，增加膜的孔隙率和孔徑均勻性，從而提高氣體的滲透速率和選擇性。研究表明，當(dāng)納米二氧化硅的添加量為3%時(shí)，聚醚砜膜對(duì)氧氣的滲透率可提高20%-30%，對(duì)氧氣和氮?dú)獾倪x擇性提高15%-25%。在制備工藝優(yōu)化上，可通過(guò)調(diào)整紡絲參數(shù)來(lái)提升膜組件性能。對(duì)于紡絲速度，根據(jù)膜的預(yù)期性能要求，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定最佳紡絲速度。若希望制備出氣體通量較高的膜，可適當(dāng)降低紡絲速度，使聚合物溶液在凝固浴中有更充足的時(shí)間進(jìn)行相分離，形成較大的孔隙結(jié)構(gòu)。但同時(shí)要注意控制紡絲速度不能過(guò)低，以免影