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      2. 研究自動售貨機的主要系統裝置設計

          科學技術的發展以及勞動力成本的提高使得自動售貨機在全球范圍得到廣泛的應用。自動售貨機作為從勞動密集型向技術密集型發展的科技產物,具有無場地限制、無需人工看守、全天候服務的特點,配合現代電子技術能夠給人們的日常生活帶來很大的便利[1-2].

          目前市場上已有的自動售貨機多以銷售飲料、零食、雜志等常溫保質期長的貨物,而針對果蔬等新鮮農副產品以及熟食品( 鹵制品、豆制品、快餐盒飯等) 需要冷藏保鮮產品的自動售貨機還很少見。設計開發具有制冷保鮮功能的自動售貨機,作為鮮切果蔬、半成品農副產品和營養快餐等產品的銷售終端,配合興起的"中央廚房",是一種農副產品銷售模式的創新。自動售貨機可以在寫字樓、商業區、辦公樓等區域提供營養快餐、鮮切水果,在小區門口,提供鮮切的半成品蔬菜、熟食品等為上班族節省廚房時間。鮮切果蔬自動售貨機能夠在降低農副產品銷售成本的同時,保證了食品的安全、衛生。

          在世界范圍內尤其在發達國家的自動售貨機數量龐大,作為快速發展的科技產物,自動售貨機給我們帶來方便的同時也消耗了巨大的能量[3].在能源危機越來越嚴重的今天,發展新能源、低能耗的自動售貨機迫在眉睫。太陽能資源豐富、清潔無污染,是可再生能源,隨著太陽能電池技術的迅速發展,光伏電池光電轉換效率的提高,太陽能制冷技術也成為了制冷專業領域的研究熱點之一[4-5].采用太陽能制冷技術的自動售貨機具有良好的季節匹配性,能夠極大的降低自動售貨機系統用電需求,緩解城市用電壓力。

          1 自動售貨機整體設計

          為設計銷售鮮切果蔬、熟食等農副產品的自動售貨機,根據自動售貨機的工作環境及特點,主要從功能方面進行設計。

          銷售的鮮切果蔬、熟食等是需要保鮮功能自動售貨機的產品,為此,整機的設計在現有的功能基礎上,優化了制冷系統和箱體的保溫功能。另外,運用現代控制技術對貨物傳送裝置以及主控制系統進行了改進設計。由冷藏車將來自"中央廚房"的鮮切果蔬和熟食,按照品種分別配送到自動售貨機的不同貨架內,通過主控制中心設置商品的溫度及價格等信息。用戶可通過投幣、刷卡等方式,選擇所需要的商品種類及數量,控制系統接收到付費信息后,調用控制單元將貨物輸送到取貨口,用戶得到所需商品,自動售貨機完成售貨。

          2 自動售貨機的主要系統裝置設計

          2. 1 制冷系統設計

          設計的自動售貨機制冷系統是由太陽能光伏電池供電,相變蓄冷、真空隔熱板保溫機箱以及控制器、蓄電池和直流壓縮機等構成,其系統原理圖如圖 1 所示。

          自動售貨機節能、保鮮功能的實現方式: 白天太陽能光照充足時,由太陽能電池板接收太陽光的輻射能,將其轉化為電能驅動直流壓縮機的運行,使自動售貨機制冷系統工作。多余的電能則通過控制器輸出至蓄電池進行充電,控制器為蓄電池提供充電、過放電保護,以確保太陽能電池板多余電能的有效利用,延長蓄電池的使用壽命。與此同時,蓄冷部件內的蓄冷材料由液態變為固態發生相變并儲存冷量。當夜間、陰雨天太陽能光照不足時,蓄冷部件內的蓄冷材料由固態變為液態,發生相變并釋放冷量。當蓄冷部件內的蓄冷材料冷量釋放完畢,太陽能光照強度依然不足時,自動售貨機則由蓄電池通過控制器向系統供電,驅動直流壓縮機,制冷系統運行,維持售貨機內物品低溫保鮮的要求。采用相變蓄冷技術使壓縮機制冷量和售貨機所需冷負荷之間合理匹配,實現了售貨機的高效、節能運行。將太陽能光伏電池、蓄電池以及蓄冷部件 3 者配合使用,能保證售貨機儲物箱內溫度的穩定,減少壓縮機的啟停次數,延長系統的使用壽命。

          設計選用的制冷壓縮機為 12 V 的直流壓縮機,適合太陽能直流電源,不需要逆變器,制冷系統采用R143a 為制冷劑,售貨機儲物室溫度根據《上海市餐飲業衛生管理辦法》設計溫度為 8 ℃。真空絕熱板是一種導熱系數僅為 0. 004 7 ~0. 007 0 W/( m·℃) 的保溫材料,具有良好的隔熱性能,選用真空隔熱板能夠降低售貨機儲物室來自外界的熱負荷[6-7].

          太陽能光伏系統的設計選型要滿足年平均日負載的用電需求,并符合制冷系統的電壓和功率要求。太陽能電池通過串聯列陣滿足電壓要求,功率則由并聯列陣實現,則
          

          

          其中,Upv為太陽能組件的工作電壓; U0為單片太陽能電池的最大功率點電壓; N0為太陽能電池的串聯數目; Np為太陽能電池的并聯數目; E 為系統每天的功耗; B 為蓄電池每天需要補充的點量; P0為太陽能電池組件的額定功率。

          蓄電池的輸出電壓要和壓縮機的工作電壓相匹配,蓄電池容量應保證系統在完全沒有太陽能輸入時,滿足自動售貨機維持儲物室內低溫。所選蓄電池容量不必過大,否則蓄電池經常處于虧電狀態,將影響蓄電池壽命,造成不必要的浪費。蓄電池容量的計算公式為
          

          

          其中: CB為蓄電池容量; N 為最長連續陰雨天數; KB為安全系數; UB為蓄電池工作電壓。

          控制器是太陽能光伏發電系統中的關鍵部件,選擇性能良好的控制器對蓄電池的充、放電條件加以限制,防止蓄電池的過充電及深度放電,延長蓄電池的使用壽命。本系統的太陽能光伏組件及蓄電池的相關參數如表 1 ~ 表 3 所示。

          蓄冷部件也是本系統的一個重要裝置。根據蓄冷材料的特點,當選定合適的相變溫度后,蓄冷材料相變融解過程中可維持儲物室內溫度不變,在自然對流條件下,儲物室內溫度由箱內熱平衡確定。設計蓄冷部件為帶有蒸發盤管的冷藏板,板內填充相變蓄冷材料。

          滿足冷量需求的冷藏板厚度越大,表面積越小蓄冷材料融化越慢,保持冷卻能力的時間越長。冷藏板所需面積計算公式為
          

          

          其中: Q0為儲藏室總熱負荷; K 為冷藏板與儲物室之間的傳熱系數; t1為儲物室溫度; t2為蓄冷材料溫度。

          2. 2 傳送裝置設計

          自動售貨機傳送裝置必須可靠、穩定、執行效率高,滿足貨物的準確送出[8].所設計的自動售貨機主要銷售經"中央廚房"包裝的鮮切果蔬、熟食等,貨物形狀為盒裝長方體,具有一定的硬度,因此選用螺旋體出貨機構。

          螺旋體傳送裝置主要由驅動電機、出貨彈簧、彈簧支架以及隔板等構成,如圖 2 所示。機構主要根據所售商品進行出貨彈簧材料、鋼絲直徑、螺旋體直徑及螺距的設計選擇,選取標準為 GB1358-78.螺旋體對彈簧的外形和尺寸要求較高,在執行出貨動作時彈簧不能有明顯的形變,否則會影響傳動裝置的可靠性。使用冷卷法對螺旋彈簧進行加工,并在加工成型后,進行一次強壓處理,從而提高螺旋體的穩定性。當客戶購買商品時,控制系統驅動出貨的驅動電機,帶動彈簧支架內的減速器使出貨彈簧沿軸線旋轉一周,出貨彈簧上的貨物向前移動一個螺距,貨物落入取物口內,完成貨物傳送。

          2. 3 控制系統的設計

          控制系統是售貨機是否穩定可靠的關鍵,負責對周圍溫度、光線等環境參數的監測,并對自動售貨機的制冷系統、貨物傳送裝置、支付系統等進行控制[9-11].

          PLC 系統穩定性高,抗干擾性強,使用 PLC 設計制作自動售貨機控制系統,使系統能實現進程控制、信息儲存、支付處理等功能。西門子公司的 S7-200 系列PLC,可提供 4 種不同的基本單元和 6 種型號的擴展單元,能夠滿足設計所需。控制系統工作流程圖如圖3 所示。

          3 結語

          鮮切果蔬自動售貨機是與"中央廚房"銜接,銷售鮮切果蔬、熟食品等農副產品的自動售貨機,能夠滿足自動售貨機貨物保溫保鮮的要求,為上班族提供一種方便、快捷、安全的購物方式,使人們可以在家門口購買到新鮮、衛生的農副產品。

          鮮切果蔬自動售貨機利用可再生能源---太陽能,減少了電能的消耗; 設計的蓄冷部件,能使自動售貨機儲物間內溫度穩定,保溫時間更長,減少制冷壓縮機頻繁啟動,延長了機器壽命。鮮切果蔬自動售貨機的開發設計,滿足人們快節奏的生活需要,符合現代社會節能環保的發展理念。

          參考文獻:
          [1] SAKAI H,NAKAJIMA H,HIGASHIHARA M,et al. Development ofa fuzzy sales forecasting system for vending machines[J]. Computersand Industrial Engineering,1999,36(2) : 427 - 449.
          [2] 余世明,晁岳磊,繆仁將。 自動售貨機研究現狀及展望[J]. 中國工程科學,2008(7) :51 -56.

        關鍵詞:

        裝置相關信息

        国产港台经典三级