郝立群 劉建保 戴志桐 高彬彬蔣傳福 朱昌保 張文武 曹 陽(yáng)

(遼寧省糧食科學(xué)研究所1，沈陽(yáng) 110032) (遼寧大連金州國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)2，大連 116199) (中糧貿(mào)易曲家糧庫(kù)3，鐵嶺 112516) (浙江省儲(chǔ)備糧管理有限公司4，杭州 310006) (安徽現(xiàn)代糧食物流中心庫(kù)5，合肥 231199) (安徽省糧油科學(xué)研究所6，合肥 230031) (安徽省糧食集團(tuán)有限責(zé)任公司7，合肥 230009) (國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院8，北京 100037)

我國(guó)糧食產(chǎn)量大，儲(chǔ)備量高，同時(shí)由于儲(chǔ)藏時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致儲(chǔ)存期間的損耗也較高[1]。糧食儲(chǔ)藏中，糧油倉(cāng)儲(chǔ)管理人員通過(guò)觀察跟蹤糧溫，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)倉(cāng)房?jī)?nèi)儲(chǔ)糧狀況、糧溫分布規(guī)律做出判斷，并對(duì)糧堆進(jìn)行“熱皮冷心”或“熱心冷皮”等定性化描述[2-4]。張前等[5]報(bào)道，表層糧層厚度定義在3 m是根據(jù)目前高大平房倉(cāng)常用的測(cè)溫系統(tǒng)溫度傳感器布置位置，糧面和沿墻的傳感器一般位于糧面下0.5 m或距墻面0.5 m，它們與下層和內(nèi)層傳感器的最近距離為5 m，取中點(diǎn)距離2.5 m為溫度傳感器所代表的糧溫范圍。因此，表層糧層厚度定義為3 m，目前只能用這些傳感器檢測(cè)的溫度范圍代表“熱皮”溫度。尹君等[6]研究表明，糧堆溫度對(duì)糧堆內(nèi)的水分遷移、微生物滋長(zhǎng)和蟲(chóng)害活動(dòng)等都有十分重要的影響，是決定儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)安全的關(guān)鍵因子之一，準(zhǔn)確掌握糧堆溫度場(chǎng)分布、通過(guò)溫濕度場(chǎng)的耦合分析預(yù)測(cè)糧堆溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)，是預(yù)判儲(chǔ)糧安全狀態(tài)的重要方法之一。劉肖麗等[7]研究表明，稻谷在實(shí)際儲(chǔ)備時(shí)，盡量控制儲(chǔ)存溫度在30 ℃以下，入庫(kù)水分盡量控制在13%以?xún)?nèi)。從糧食加工角度來(lái)看，不論是稻谷、小麥，還是玉米，其水分在15%時(shí)，可獲得品質(zhì)較好的成品，為解決糧食儲(chǔ)存與糧食加工的矛盾，需要提升糧食儲(chǔ)存條件，倉(cāng)房保溫勢(shì)在必行。

利用溫度傳感器密集陣列與倉(cāng)房自身設(shè)置的測(cè)溫系統(tǒng)相結(jié)合，通過(guò)采集不同季節(jié)糧堆溫度，對(duì)我國(guó)北方、南方部分筒式倉(cāng)、房式倉(cāng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)定糧堆“熱皮”厚度，為倉(cāng)房保溫措施的制定提供精準(zhǔn)指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

根據(jù)緯度差在南北方各選取4家糧庫(kù)，對(duì)其房式倉(cāng)、筒式倉(cāng)進(jìn)行測(cè)試，倉(cāng)房情況見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)倉(cāng)房情況

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

由于糧食是熱的不良導(dǎo)體，小麥導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.15 W/(m·K)，盡管受夏季高溫影響，糧堆表層最高溫度近30 ℃，而高熱區(qū)域只出現(xiàn)在表面不足1 m處，在糧堆內(nèi)部仍然保持巨大的“冷芯”。隨著夏季熱量的傳入和積累，糧堆上部出現(xiàn)溫度較高區(qū)域，“冷芯”有所減小，在糧堆上層出現(xiàn)一個(gè)由積熱產(chǎn)生的厚度約2 m、跨度約18 m、均溫約在13 ℃、最高溫度達(dá)到17 ℃的暖區(qū)域[6]。

金州庫(kù)實(shí)驗(yàn)方法：從3月至10月，糧溫測(cè)試系統(tǒng)每天9:00與14:00定時(shí)自動(dòng)采集所測(cè)區(qū)域溫濕度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器上，通過(guò)郵件接收。

其他糧庫(kù)實(shí)驗(yàn)方法：僅在外溫最高的8月或9月，采用由手持測(cè)溫儀和糧堆測(cè)溫桿構(gòu)成的測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并截取糧倉(cāng)本身設(shè)置的測(cè)溫系統(tǒng)近一段時(shí)間內(nèi)糧堆溫度進(jìn)行綜合判定。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

金州庫(kù)將儲(chǔ)存小麥的1個(gè)筒倉(cāng)和1個(gè)平房倉(cāng)、儲(chǔ)存玉米的1個(gè)平房倉(cāng)作為實(shí)驗(yàn)倉(cāng)。糧溫測(cè)試系統(tǒng)由電腦、主機(jī)、分機(jī)、控制器、無(wú)線(xiàn)模塊、倉(cāng)內(nèi)外溫濕度傳感器、糧堆測(cè)溫桿、測(cè)溫電纜、通訊電纜等構(gòu)成。倉(cāng)內(nèi)外溫濕度傳感器每倉(cāng)各1組，每組由1個(gè)溫度傳感器、1個(gè)濕度傳感器構(gòu)成。糧堆測(cè)溫桿長(zhǎng)2.0 m，外殼為不銹鋼管，內(nèi)部由頂端開(kāi)始，間距10 cm，布置20個(gè)溫度傳感器。糧堆測(cè)溫桿內(nèi)布設(shè)的溫度傳感器測(cè)溫范圍為-40 ℃～+60 ℃、檢測(cè)速度≤128點(diǎn)/s、分辨率≤0.1 ℃、誤差≤±0.5 ℃。每倉(cāng)布置2組，每組20根，從倉(cāng)壁南側(cè)開(kāi)始布點(diǎn)，每10 cm布設(shè)1根測(cè)溫桿，連續(xù)布置至2 m處；組間距2 m。在4 m2測(cè)試范圍內(nèi)，布置800(400×2)個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 測(cè)溫桿水平布置圖

圖2 測(cè)溫桿垂直布置圖

其他實(shí)驗(yàn)倉(cāng)采用由手持測(cè)溫儀和糧堆測(cè)溫桿構(gòu)成的測(cè)溫系統(tǒng)，糧堆測(cè)溫桿長(zhǎng)1.8 m，外殼為軟管，內(nèi)部由頂端開(kāi)始，間距10 cm，布置16個(gè)溫度傳感器。測(cè)量時(shí)，測(cè)溫桿間距10 cm。糧堆測(cè)溫桿內(nèi)布設(shè)的溫度傳感器測(cè)溫范圍為-40 ℃～+60 ℃、檢測(cè)速度≤128點(diǎn)/s、分辨率≤0.1 ℃、誤差≤±0.5 ℃，并且采用糧倉(cāng)本身設(shè)置的測(cè)溫系統(tǒng)，對(duì)糧溫進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)試結(jié)果

2.1.1 金州庫(kù)實(shí)驗(yàn)倉(cāng)

3月至4月，大氣最高溫度在10～25 ℃之間，倉(cāng)溫為5～15 ℃。儲(chǔ)存小麥立筒倉(cāng)、小麥平房倉(cāng)、玉米平房倉(cāng)，表層糧溫為6～13 ℃，測(cè)試區(qū)域平均糧溫為-1～6.5 ℃之間。以平均糧溫和最高糧溫判定，處于低溫儲(chǔ)糧模式。其后隨著外溫與倉(cāng)溫的升高，逐步形成“熱皮”，見(jiàn)圖3～圖5。

5月至6月，大氣最高溫度在25～35 ℃之間。以?xún)?chǔ)存小麥平房倉(cāng)為例，倉(cāng)溫在20～25 ℃之間，測(cè)試區(qū)域平均糧溫分別為7～14.5 ℃，表層最高糧溫為27 ℃，以平均糧溫判定為低溫儲(chǔ)糧模式，以最高糧溫判定為常溫儲(chǔ)糧模式。

7月至9月中旬，大氣最高溫度在30～40 ℃之間，8月初達(dá)到一年當(dāng)中的最高值。以?xún)?chǔ)存小麥平房倉(cāng)為例，倉(cāng)溫在25～30 ℃之間，測(cè)試區(qū)域平均糧溫分別為16～19 ℃，表層最高糧溫為29 ℃。

圖3 金州庫(kù)小麥立筒倉(cāng)溫度圖

圖4 金州庫(kù)小麥平房倉(cāng)溫度圖

圖5 金州庫(kù)玉米平房倉(cāng)溫度圖

8月2日至27日，表層糧溫維持在高位。以8月27日層列間糧溫?cái)?shù)據(jù)為例，見(jiàn)圖6、圖7。

10月份這一地區(qū)的大氣溫度回落較快。10月上旬，大氣最高溫度在20～25 ℃之間，倉(cāng)溫為20～22 ℃，10月中旬，大氣最高溫度在15～25 ℃之間，倉(cāng)溫為16～20 ℃。儲(chǔ)存小麥立筒倉(cāng)和平房倉(cāng)、儲(chǔ)存玉米平房倉(cāng)的表層糧溫為16～20 ℃。儲(chǔ)糧模式由常溫儲(chǔ)糧模式變?yōu)闇?zhǔn)低溫儲(chǔ)糧模式。

圖6 金州庫(kù)儲(chǔ)存小麥平房倉(cāng)層間糧溫圖

圖7 金州庫(kù)儲(chǔ)存小麥平房倉(cāng)列間糧溫圖

2.1.2 其他庫(kù)實(shí)驗(yàn)倉(cāng)

曲家?guī)觳捎檬殖譁y(cè)溫儀和糧堆測(cè)溫桿對(duì)淺園倉(cāng)進(jìn)行測(cè)試，距糧層表面1.8 m范圍內(nèi)，糧溫處于25～30 ℃之間，距倉(cāng)壁0.5～2.0 m范圍內(nèi)，糧溫處于25～30 ℃之間，數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8、圖9。采用倉(cāng)體自身設(shè)置的測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)淺園倉(cāng)進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)圖10、圖11。德清庫(kù)采用手持測(cè)溫儀和糧堆測(cè)溫桿對(duì)高大平房倉(cāng)進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果類(lèi)同于曲家?guī)鞌?shù)據(jù)形態(tài)。采用倉(cāng)體自身設(shè)置的測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)高大平房倉(cāng)進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)圖12、圖13。

衢州庫(kù)采用倉(cāng)體自身設(shè)置的測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)高大平房倉(cāng)進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)圖14、圖15。采用倉(cāng)體自身設(shè)置的測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)淺園倉(cāng)進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)圖16、圖17。

圖8 曲家?guī)靸?chǔ)存玉米淺園倉(cāng)層間糧溫圖

圖9 曲家?guī)靸?chǔ)存玉米淺園倉(cāng)列間糧溫圖

圖10 曲家?guī)靸?chǔ)存玉米淺園倉(cāng)層間糧溫圖

圖11 曲家?guī)靸?chǔ)存玉米淺園倉(cāng)列間糧溫圖

圖12 德清庫(kù)儲(chǔ)存小麥高大平房倉(cāng)層間糧溫圖

圖13 德清庫(kù)儲(chǔ)存小麥高大平房倉(cāng)列間糧溫圖

圖14 衢州庫(kù)儲(chǔ)存小麥高大平房倉(cāng)層間糧溫圖

圖15 衢州庫(kù)儲(chǔ)存小麥高大平房倉(cāng)列間糧溫圖

圖16 衢州庫(kù)儲(chǔ)存小麥淺園倉(cāng)層間糧溫圖

圖17 衢州庫(kù)儲(chǔ)存小麥淺園倉(cāng)列間糧溫圖

2.2 “熱皮”厚度判定

2.2.1 金州庫(kù)各實(shí)驗(yàn)倉(cāng)

對(duì)于糧堆內(nèi)的霉菌與儲(chǔ)糧害蟲(chóng)，22～28 ℃是其易于生存與繁殖的溫度。以20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，判定儲(chǔ)存小麥平房倉(cāng)“熱皮”厚度，從圖6層間糧溫圖來(lái)看，除去倉(cāng)壁導(dǎo)熱對(duì)表面糧層的影響，在1～10點(diǎn)范圍內(nèi)，20 ℃溫度線(xiàn)上有7～9條溫度線(xiàn)，從圖7列間糧溫圖來(lái)看，除去表面糧層導(dǎo)熱對(duì)倉(cāng)壁的影響，在11～20點(diǎn)范圍內(nèi)，20 ℃溫度線(xiàn)上有7～8條溫度線(xiàn)，說(shuō)明小麥平房倉(cāng)垂直方向“熱皮”厚度為70～90 cm，水平方向“熱皮”厚度為70～80 cm。同樣判定，無(wú)保溫層立筒倉(cāng)垂直方向“熱皮”厚度為1.7 m，水平方向“熱皮”厚度為1.2 m。各倉(cāng)“熱皮”厚度見(jiàn)表2。

表2 “熱皮”厚度/m

以20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)圖3、圖4、圖5判定各倉(cāng)“熱皮”形成時(shí)間，見(jiàn)表3。

表3 “熱皮”形成時(shí)間

在“熱皮”厚度方面，未作保溫處理的筒倉(cāng)，其“熱皮”厚度明顯大于倉(cāng)頂進(jìn)行保溫處理平房倉(cāng)；在“熱皮”形成時(shí)間方面，進(jìn)行保溫處理的平房倉(cāng)比未作保溫處理的筒倉(cāng)，時(shí)間滯后13～17 d。

2.2.2 其他庫(kù)各實(shí)驗(yàn)倉(cāng)

其他各庫(kù)房式倉(cāng)“熱皮”厚度見(jiàn)表4，筒式倉(cāng)“熱皮”厚度見(jiàn)表5。

表4 房式倉(cāng)“熱皮”厚度

表5 筒式倉(cāng)“熱皮”厚度

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 “熱皮”厚度分析

“熱皮”厚度研究其實(shí)質(zhì)是有效積溫問(wèn)題研究。當(dāng)以20 ℃為判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，由于淺園倉(cāng)基本未作保溫處理，北方淺園倉(cāng)“熱皮”厚度為7.0 m，南方淺園倉(cāng)“熱皮”厚度為4.5 m，已經(jīng)不是“熱皮”厚度概念，表現(xiàn)為“熱層”厚度。北方平房倉(cāng)“熱皮”厚度少則0.5 m、多則3.2 m，與罩棚倉(cāng)“熱皮”厚度為4.0 m相近，南方平房倉(cāng)通過(guò)采取相應(yīng)措施，“熱皮”厚度可控制在1.5 m左右。

2.3.2 判定標(biāo)準(zhǔn)分析

在“熱皮”厚度判定中，以霉菌、儲(chǔ)糧害蟲(chóng)易于生長(zhǎng)、繁殖、活動(dòng)的某一溫度固定值為判定標(biāo)準(zhǔn)，判定方法比較簡(jiǎn)便、易于操作，但不能反映“熱皮”、“冷芯”、“中間過(guò)渡層”之間的關(guān)系。由此，也可采用溫度波動(dòng)范圍作為判定標(biāo)準(zhǔn)，“冷芯”因其溫度相對(duì)穩(wěn)定，以每年溫度波動(dòng)范圍在5 ℃以?xún)?nèi)；“熱皮”因其溫度波動(dòng)較大，每年溫度波動(dòng)范圍在10 ℃或15 ℃以上；兩者之間為“中間過(guò)渡層”。在開(kāi)展糧堆“熱皮”判定時(shí)，應(yīng)根據(jù)倉(cāng)房結(jié)構(gòu)形式、氣密性、保溫性、所處地域、儲(chǔ)糧模式、倉(cāng)溫控制措施、儲(chǔ)糧品種等，采取固定值與波動(dòng)范圍相結(jié)合設(shè)定判定標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)分析

熱量傳遞方式有對(duì)流、傳導(dǎo)和熱輻射3種，反映到儲(chǔ)糧倉(cāng)則是糧堆圍護(hù)結(jié)構(gòu)總傳熱系數(shù)問(wèn)題。只有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能達(dá)到要求，才可將“熱皮”厚度限制在要求的范圍內(nèi)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)總傳熱系數(shù)用K表示，單位為W/(m2·K)。傳熱系數(shù)與熱阻R成倒數(shù)關(guān)系，即：K=1/R。通常糧堆圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱屬于復(fù)合傳熱，總熱阻R為內(nèi)、外表面對(duì)流換熱熱阻Ra與導(dǎo)熱熱阻Rλ之和，即：R=Rαw+Rλ+Rαn。

式中：αw為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)，一般取23 W/(m2·K)；αn為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)，一般取10 W/(m2·K)；Ri為圍護(hù)結(jié)構(gòu)中第i層材料導(dǎo)熱熱阻/(m2·K)/W；δi為圍護(hù)結(jié)構(gòu)中第i層材料厚度/m；λi為圍護(hù)結(jié)構(gòu)中第i層材料導(dǎo)熱系數(shù)/W/(m2·K)。

假設(shè)一個(gè)儲(chǔ)糧倉(cāng)處于第四、六生態(tài)儲(chǔ)糧區(qū)，要求其具有良好的隔熱性。依據(jù)GB 29890《糧油儲(chǔ)藏技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，用于低溫儲(chǔ)糧倉(cāng)倉(cāng)墻傳熱系數(shù)為0.53～0.58 W/(m2·K)，取其中值0.55 W/(m2·K)，倉(cāng)頂傳熱系數(shù)不大于0.40 W/(m2·K)。分別計(jì)算，導(dǎo)熱系數(shù)為0.40 W/(m·K)、500 mm厚的磚墻墻體，導(dǎo)熱系數(shù)為2.0 W/(m·K)、500 mm厚的混凝土墻體，以及導(dǎo)熱系數(shù)為2.0 W/(m·K)、100 mm厚混凝土預(yù)制板倉(cāng)頂，在加設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)為0.05 W/(m·K)高效阻燃保溫材料時(shí)所需要的厚度。

磚墻墻體：

混凝土墻體：

混凝土倉(cāng)頂：

3 結(jié)論

由于實(shí)驗(yàn)用的糧堆測(cè)溫桿長(zhǎng)度及糧倉(cāng)本身設(shè)置的測(cè)溫系統(tǒng)間距所限，除金州庫(kù)外，僅給出了表面糧層“熱皮”厚度。對(duì)于倉(cāng)壁四周“熱皮”厚度，以及因地?zé)醾鲗?dǎo)產(chǎn)生的糧堆底部“熱皮”厚度，有待于進(jìn)一步研究驗(yàn)證。因此，在“熱皮”厚度測(cè)試上，應(yīng)針對(duì)每個(gè)倉(cāng)房的具體結(jié)構(gòu)形式，開(kāi)展整倉(cāng)、全方位、全儲(chǔ)糧時(shí)段測(cè)試，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，得出各部位“熱皮”厚度范圍。

在設(shè)計(jì)或改造糧倉(cāng)儲(chǔ)糧條件時(shí)，應(yīng)依據(jù)儲(chǔ)糧堆圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況、儲(chǔ)糧品種、所處地域、氣密性、“熱皮”厚度范圍等，計(jì)算保溫層厚度，選取導(dǎo)熱系數(shù)小于0.05 W/(m·K)的高效阻燃保溫材料，在不增加儲(chǔ)糧成本前提下，可使儲(chǔ)糧堆由原先的常溫儲(chǔ)糧模式改變?yōu)闇?zhǔn)低溫儲(chǔ)糧模式甚至是低溫儲(chǔ)糧模式[8]，可使整體糧溫控制在所設(shè)定的范圍內(nèi)，為制定糧倉(cāng)保溫措施和確保糧食安全、綠色、保質(zhì)儲(chǔ)存提供參考。