◎ 劉新濤，王健剛，王運(yùn)坤

（中央儲(chǔ)備糧鎮(zhèn)江直屬庫(kù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

大豆是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，可作為糧食和油料使用，也是重要的優(yōu)質(zhì)植物蛋白來(lái)源，營(yíng)養(yǎng)均衡且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高。大豆的脂肪含量為19%～22%，蛋白質(zhì)含量為34%～45%，糖分含量為25%～28%，并含有多種維生素[1]。

大豆在儲(chǔ)藏期間由于其自身特性具有高含油量、富含蛋白質(zhì)，自身的呼吸作用以及和其他各種酶相互作用造成其儲(chǔ)藏品質(zhì)變化與其他糧種不同[2]。在儲(chǔ)藏過(guò)程中易出現(xiàn)糧堆濕度大、滋生霉菌、儲(chǔ)藏品質(zhì)劣變等現(xiàn)象，導(dǎo)致糧堆溫度升高，因此大豆的儲(chǔ)藏條件較其他糧食品種而言要求更高，不僅要防止大豆糧堆出現(xiàn)發(fā)熱霉變現(xiàn)象發(fā)生，而且要確保大豆不會(huì)酸敗和營(yíng)養(yǎng)成分變質(zhì)，保證大豆的食用品質(zhì)、商品價(jià)值。

大豆不耐高溫，過(guò)高的溫度會(huì)引起大豆的主要成分發(fā)生物理、化學(xué)和生物變化，例如蛋白質(zhì)變性、脂肪分解等[3]。由此看出，溫度是大豆儲(chǔ)藏過(guò)程中至關(guān)重要的影響因素。因此，為了探討大豆糧堆溫度的變化情況及規(guī)律，選擇儲(chǔ)存在淺圓倉(cāng)的大豆糧堆易發(fā)熱區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圍繞易發(fā)熱區(qū)域監(jiān)測(cè)溫度，對(duì)所測(cè)糧堆的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。對(duì)于糧堆質(zhì)熱傳遞的研究，國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)糧科學(xué)家運(yùn)用多種物理或數(shù)學(xué)方法進(jìn)行模擬和計(jì)算。21世紀(jì)前，基于剛剛流行的計(jì)算機(jī)技術(shù)，擬合回歸方程法、圖表法和簡(jiǎn)單的有限元法占據(jù)主流；21世紀(jì)以后，逐漸強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算類模擬軟件日益完善，運(yùn)用matlab等的分析日益增多。本文實(shí)驗(yàn)研究就是基于matlab軟件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的模擬和數(shù)據(jù)的可視化[4]。

1 試驗(yàn)材料

1.1 倉(cāng)房結(jié)構(gòu)

淺圓倉(cāng)直徑30 m、裝糧設(shè)計(jì)高度20 m、實(shí)際糧堆高19 m；倉(cāng)壁為鋼筋混凝土滑模施工結(jié)構(gòu)，總厚度300 mm，倉(cāng)頂為現(xiàn)澆鋼筋混凝土球冠形結(jié)構(gòu)，同時(shí)配有通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)為兩組梳狀等靜壓地槽式通風(fēng)系統(tǒng)，每組有1個(gè)進(jìn)風(fēng)口、6條支風(fēng)道，回流管在倉(cāng)房?jī)蓚?cè)對(duì)稱分布。倉(cāng)頂有4個(gè)軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)口和4個(gè)自然通風(fēng)口，通風(fēng)口均安裝有氣密閘板。

1.2 供試糧食情況

供試的糧食品種為阿根廷大豆，基本情況見(jiàn)表1。

表1 供試大豆基本情況表

1.3 糧堆溫度檢測(cè)儀器

為了獲取準(zhǔn)確的糧堆溫度數(shù)據(jù)，使用溫度采集電纜。在易發(fā)熱區(qū)域布設(shè)有17根測(cè)溫電纜分三圈布設(shè)，通過(guò)智能測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糧溫。

2 試驗(yàn)方法

2.1 淺圓倉(cāng)垂直切面、水平切面測(cè)點(diǎn)布置

淺圓倉(cāng)的垂直方向糧堆內(nèi)部布置17根測(cè)溫電纜，每根電纜上等距分布有20個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離為0.5 m，其中第1層測(cè)溫點(diǎn)剛好布置在糧面上，相當(dāng)于測(cè)得的溫度為倉(cāng)內(nèi)溫度，如圖1所示。淺圓倉(cāng)的水平切面（每層）布置17個(gè)點(diǎn)，第一個(gè)測(cè)點(diǎn)在正中間圓心處，其他各測(cè)點(diǎn)由中間圓心向四周發(fā)散排列，測(cè)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)之間的距離皆為0.5 m，每層各個(gè)測(cè)點(diǎn)的布置示意圖及序號(hào)如圖2所示。

圖1 淺圓倉(cāng)溫度采集點(diǎn)垂直切面布置示意圖

圖2 淺圓倉(cāng)溫度采集點(diǎn)水平切面布置示意圖

2.2 測(cè)試內(nèi)容及方法

2.2.1 糧堆溫度測(cè)試內(nèi)容及方法

按照?qǐng)D1和圖2所示連接測(cè)溫電纜檢測(cè)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度值，檢測(cè)頻率為2 d/次，待溫度數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，并計(jì)算每層的溫度平均值。

2.2.2 糧堆溫度matlab模擬方法

糧堆溫度選用matlab軟件進(jìn)行模擬。一般來(lái)說(shuō)，在利用空間數(shù)據(jù)時(shí)，已知的數(shù)據(jù)是有限的，必須經(jīng)過(guò)內(nèi)插才能獲得未知數(shù)據(jù)，滿足空間數(shù)據(jù)建模的需要。插值方法有徑向基插值、線性插值、立方插值、最小曲率插值等。本研究選用徑向基插值方法，該方法在數(shù)值和科學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，計(jì)算格式簡(jiǎn)單、節(jié)點(diǎn)配置靈活，得出的結(jié)果與實(shí)際情況更為接近，穩(wěn)定性更好。

徑向基函數(shù)的插值函數(shù)表達(dá)式如下：

式（1）中，x代表未知溫度的數(shù)據(jù)點(diǎn)集，xi代表已知溫度的數(shù)據(jù)點(diǎn)集，c0、c1、λi、Ψ均為插值函數(shù)系數(shù)（系數(shù)與插值點(diǎn)到已知點(diǎn)的距離有關(guān)）。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 淺圓倉(cāng)大豆糧堆溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

在時(shí)間間隔為2 d的頻率下檢測(cè)大豆糧堆溫度，并且計(jì)算每層的溫度平均值，統(tǒng)計(jì)和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同時(shí)間所測(cè)每層平均溫度數(shù)據(jù)表（℃）

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，計(jì)算出第2層所有天數(shù)的平均溫度，第20層每一天的溫度減去第2層所有天數(shù)的平均溫度所得的數(shù)值為X值，根據(jù)實(shí)測(cè)每天的高溫區(qū)面積大于19 ℃為Y，進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖3 大豆糧堆溫度差隨高溫區(qū)發(fā)熱面積變化曲線圖

得到擬合公式為 Y=0.259 2e0.3765x，R2=0.921 4（其中X代表高溫區(qū)的當(dāng)量半徑，Y代表高溫區(qū)面積）。由結(jié)果可以看出，隨著大豆堆放置時(shí)間的延長(zhǎng)，大豆表層與大豆底層的溫差就越大。非人工干預(yù)下的大豆堆內(nèi)部氣流的動(dòng)力來(lái)源于溫差的作用，低溫區(qū)氣體收縮，高溫區(qū)氣體膨脹，致使大豆堆內(nèi)的微氣流運(yùn)動(dòng)加快。微氣流運(yùn)動(dòng)速度的加快最終的結(jié)果就是其攜帶的熱量傳遞效率更加高效，使大豆發(fā)熱區(qū)域的面積更廣，發(fā)熱區(qū)域擴(kuò)散的速率更快。在大豆堆儲(chǔ)藏的前3 d，溫度檢測(cè)結(jié)果顯示溫差變化在2～3 ℃，高溫面積無(wú)明顯擴(kuò)增現(xiàn)象，當(dāng)進(jìn)入第4 d時(shí)，擬合曲線的斜率越來(lái)越大，高溫區(qū)域面積增長(zhǎng)速率明顯加快，主要原因是前3 d形成的積溫?zé)o法得到完全擴(kuò)散，同時(shí)新增發(fā)熱部分的大豆呼吸作用也沒(méi)有達(dá)到最強(qiáng)。

3.2 大豆糧堆不同深度的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

本研究對(duì)大豆糧堆不同深度的溫度變化進(jìn)行分析，按照?qǐng)D3中所標(biāo)示的直徑AB（17點(diǎn)位-15點(diǎn)位）和CD（14-16點(diǎn)位）方向的垂直切面的溫度場(chǎng)運(yùn)用matlab軟件模擬分析，本研究對(duì)第1 d、5 d、9 d、13 d的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 直徑AB方向垂直切面溫度模擬圖

圖4展示了淺圓倉(cāng)大豆糧堆AB直徑垂直切面的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，從模擬結(jié)果可以看出，淺圓倉(cāng)內(nèi)大豆糧堆中部糧溫高于糧堆上部。由圖4（a）（b）（c）（d）可知糧堆中部有左右兩個(gè)高溫點(diǎn)，并且隨著時(shí)間的推移，高溫區(qū)域的面積在逐漸擴(kuò)大，圖4（a）顯示第1 d大豆糧堆底部發(fā)熱點(diǎn)面積大約為0.188 m2，溫度在21 ℃左右，導(dǎo)致大豆糧堆底部剛開(kāi)始發(fā)熱的原因可能是入倉(cāng)以后大豆的呼吸作用較強(qiáng)，自身代謝產(chǎn)生的溫度聚集。圖4（b）顯示在第5 d大豆糧堆底部的發(fā)熱面積約為0.25 m2，高溫區(qū)域擴(kuò)散，其溫度約為22 ℃，發(fā)熱區(qū)域面積擴(kuò)散的原因是大豆堆內(nèi)底部的發(fā)熱，導(dǎo)致糧堆間隙氣體膨脹，使其底部壓力高于糧堆中部和表面位置，壓力差導(dǎo)致間隙微氣流運(yùn)動(dòng)，微氣流運(yùn)動(dòng)是引起糧堆內(nèi)溫度傳遞和水分遷移的主要因素。圖4（c）顯示第9 d大豆糧堆底部的發(fā)熱面積約0.375 m2，較第5 d增加了0.125 m2，同時(shí)大豆糧堆表面低溫區(qū)溫度約16 ℃，低溫區(qū)面積約為0.411 m2，低溫溫度和低溫面積均比第1 d和第5 d增加明顯，因此整個(gè)大豆糧堆的內(nèi)部和表面溫差變大，糧堆微氣流運(yùn)動(dòng)更加明顯，運(yùn)動(dòng)加速的微氣流又會(huì)帶動(dòng)底部的熱量和水分進(jìn)一步擴(kuò)散，使高溫區(qū)域再次增加。圖4（d）顯示，第13 d高溫區(qū)域面積約0.481 m2，低溫區(qū)域約0.5 m2，糧堆整體溫度上升，低溫面積擴(kuò)散減緩，更容易出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象，導(dǎo)致大豆糧堆結(jié)露。大豆糧面糧溫及靠近倉(cāng)壁的糧溫明顯低于糧堆內(nèi)部溫度，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是由于外界氣候?yàn)榍锛?，氣溫逐漸降低所導(dǎo)致的。

圖5展示了淺圓倉(cāng)大豆糧堆CD直徑垂直切面的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，該方向不同于AB直徑垂直切面溫度場(chǎng)分布，右側(cè)糧堆溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于左側(cè)糧堆溫度，右側(cè)底部糧堆溫度最高，左側(cè)糧堆溫度受外界氣候影響較大。高溫區(qū)域形狀近似梯形，從面積來(lái)分析，圖5（a）的高溫面積約8.5 m2，圖5（b）的高溫面積約9.563 m2，圖5（c）的高溫面積約10.625 m2，圖5（d）的高溫面積約12.75 m2，計(jì)算出高溫面積增加了約4.25 m2。圖5（a）（b）（c）（d）顯示，14點(diǎn)位、6點(diǎn)位、2點(diǎn)位附近糧堆溫度有下降趨勢(shì)，但是下降速率和下降幅度較低，16點(diǎn)位、10點(diǎn)位、4點(diǎn)位附近糧堆溫度有上升趨勢(shì)，溫度上升速率和上升幅度均比低溫區(qū)高，造成這種速率差的原因是高溫區(qū)氣體流動(dòng)較快，低溫區(qū)氣體流動(dòng)較慢，高溫鋒面向低溫區(qū)移動(dòng)。

大豆糧堆AB、CD兩個(gè)直徑垂直切面的溫度場(chǎng)分布規(guī)律不同，AB方向高溫面積由第1～13 d高溫面積增加了約0.481 m2，擴(kuò)散速度約為1.67×10-3m2/h。而CD方向高溫面積由第1～13 d高溫面積增加了約4.25 m2，擴(kuò)散速度約為1.48×10-2m2/h。

綜合圖4、5總體變化趨勢(shì)來(lái)看，理想狀態(tài)下的溫度場(chǎng)分布應(yīng)該均勻升高或降低，但是實(shí)際的模擬圖中溫度場(chǎng)以不規(guī)則的形式發(fā)生變化，主要影響因素是溫度梯度的產(chǎn)生和自然對(duì)流的作用，因此可以得出糧倉(cāng)呈現(xiàn)該溫度分布規(guī)律的本質(zhì)影響因素就是溫度梯度。

圖5 直徑方向CD垂直切面溫度模擬圖

4 結(jié)語(yǔ)

本研究采用了理論和matlab模擬相結(jié)合的方法對(duì)大豆糧堆易發(fā)熱區(qū)域溫度的測(cè)試結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。根據(jù)實(shí)測(cè)值得到了實(shí)際的溫度變化規(guī)律，隨著時(shí)間變化，大豆糧堆每層平均溫度均處于緩慢上升趨勢(shì)，高溫區(qū)域的氣體膨脹致使該區(qū)域壓力增大，質(zhì)熱隨該氣流運(yùn)動(dòng)到上層區(qū)域，水分在上層區(qū)域增加以后，該區(qū)域溫度又會(huì)上升，導(dǎo)致糧堆的整體溫度升高，并形成惡性循環(huán)。因此，糧堆局部發(fā)熱以后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)，以免引起整倉(cāng)糧食發(fā)熱。

最接近糧堆中部升溫幅度最大，升溫幅度約為3.25 ℃。AB方向高溫面積擴(kuò)散速度約為1.67×10-3m2/h。而CD方向高溫面積擴(kuò)散速度約為1.48×10-2m2/h。此研究對(duì)糧情處理具有重要意義，但是未考慮大豆含水量、倉(cāng)內(nèi)濕度、不同種類的雜質(zhì)及含量等因素，這將是下一步的研究重點(diǎn)。