郝立群

(遼寧省糧食科學研究所，沈陽 110032)

我國糧食產(chǎn)量在獲得連續(xù)增長后，糧食儲存數(shù)量也迅猛遞增，為了擴大糧食儲存量，建設(shè)了各類儲糧倉房，既有標準儲糧倉房，也有“非標準倉”[1]。這些倉房為糧食儲存提供便利，同時呈多孔介質(zhì)狀態(tài)[2]的糧食，受太陽輻射[3]、倉內(nèi)外溫度傳導、糧堆內(nèi)孔隙間熱對流等邊界條件的變化，破壞了原先穩(wěn)定的溫度場，或產(chǎn)生不利于糧食安全儲存的溫度場[4]與熱流密度(熱流量)變化。由于整個傳熱過程與初終態(tài)間的變化分別涉及熱力學與傳熱學兩個范疇的問題，為此，本研究制作了實驗倉，對不同糧種進行溫度與熱流量測試，并在不同型式的倉房中驗證，以期為選擇適合于安全儲糧、“綠色儲糧”[5]要求的儲糧型式、圍護材料提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 糧種

玉米、稻谷、小麥、大豆。

1.1.2 實驗倉

圖1 實驗倉外形圖

實驗倉主體由鋼板制作而成，長1 m、寬1 m、高1.5 m，見圖1。設(shè)有進糧口-進人孔、出糧口、通風系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、溫度測試系統(tǒng)、熱流量測試系統(tǒng)等。加熱系統(tǒng)由下加熱板、上加熱板、側(cè)加熱板組成，可單體加熱或組合加熱，并根據(jù)需要可不設(shè)置或加設(shè)不同材料保溫層。溫度測試系統(tǒng)由主機、顯示器、控制器、測溫電纜、倉內(nèi)溫濕度傳感器等構(gòu)成。每個倉內(nèi)布置2組測溫電纜，每組9根，距側(cè)加熱板設(shè)置處每隔10 cm布設(shè)1根、連續(xù)布設(shè)至0.9 m處、組間距0.5 m，每根測溫電纜長1 m，布置9個溫度傳感器、間距10 cm，見圖2。每個加熱板及保溫板分別設(shè)置兩個測溫點。測溫電纜測試范圍-40～60 ℃，加熱板測點測試范圍-40～120 ℃，檢測速度≤128 點/s，分辨率≤0.1 ℃，誤差≤±0.5 ℃。熱流量測試系統(tǒng)由TNL-3RL多通道溫度熱流采集儀與JZRL-2熱流量傳感器組成。熱流量傳感器測量范圍-500～500 W/m2，分辨率0.1 W/m2，精度±5%，靈敏度15～100 μV·m2/W，響應(yīng)時間1 min，環(huán)境溫度-30～70 ℃。依加熱方式不同，分別在距側(cè)加熱板、糧層表面10、20 cm處設(shè)置熱流量傳感器。

表1 實倉測試倉房情況

表2 玉米實驗倉在不同保溫措施、不同加熱方式中糧溫、熱流量升幅表

圖2 實驗倉結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.3 實倉

選擇3個未做保溫處置淺圓倉、2個未做保溫處置筒倉、2個未做保溫處置鋼板倉、3個未做保溫處置平房倉、3個吊頂保溫處置平房倉、2個整倉保溫處置平房倉，測試系統(tǒng)按照LS/T 1203糧情測控系統(tǒng)標準設(shè)置。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗倉單日升溫實驗

對實驗倉分別進行9 h下加熱、側(cè)加熱、上加熱及上方與側(cè)方同時加熱升溫實驗，開展垂直、水平、穿過空氣層及模擬實倉傳導升溫規(guī)律研究，加熱板溫度保持在55～60 ℃左右，次日通風降溫。之后加設(shè)單層15 mm厚高效保溫板實驗。溫度與熱流量測試周期為每小時1次。

1.2.2 實驗倉連續(xù)升溫實驗

由于糧倉受熱是連續(xù)多日的，為此進行連續(xù)加熱一周實驗，其中5 d加熱9 h，加熱板溫度保持在55～60 ℃左右，2 d不加熱。之后加設(shè)單層、雙層15 mm厚高效保溫板實驗。溫度測試周期為每0.5 h 1次。

1.2.3 實倉溫度測試實驗

選擇1個筒倉、3個平房倉，在外界溫度較高的3月至10月期間，進行連續(xù)溫度測試，測試周期為每天1次。選擇3個淺圓倉、1個筒倉、2個鋼板倉、5平房倉，在外界溫度最高的季節(jié)，進行單日溫度測試，同時進行熱流量測試。倉房情況見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗倉單日升溫實驗

依照單日升溫實驗方法進行實驗，實驗結(jié)果見表2。

對比側(cè)加熱與上加熱實驗結(jié)果，熱流量在水平方向傳遞速度比通過空氣層傳播要明顯。上加熱與側(cè)加熱同時進行，即模擬實倉傳導升溫實驗，熱流量最高值比側(cè)加熱最高值低，而糧食溫升卻比側(cè)加熱高，究其原因，熱流量為側(cè)加熱與上加熱熱流量的平均值。實驗表明，組合方式比單一方式溫升要快。實驗結(jié)果與實際儲糧結(jié)果不同。如平房倉、筒式倉，表層糧食溫升比靠近倉壁糧食溫升要高，一是倉頂與倉墻所使用材料不同、其導熱系數(shù)不同。二是倉墻需承受側(cè)壓力，普遍要比倉頂厚，保溫效果相對要好。三是與倉頂、倉墻接受太陽輻射面積、角度有關(guān)。而罩棚倉，表層糧食溫升比靠近四周的糧食溫升要高，是太陽輻射與外界溫度傳導共同作用的結(jié)果。

因下加熱實驗熱流量傳感器無法插入糧堆底部，因此未做熱流量數(shù)據(jù)對比。綜合多次溫升實驗，不同加熱方式、不同保溫方式糧溫升高起始時間見圖3。溫度測試實驗表明，下加熱方式升溫速度高于側(cè)加熱、上加熱方式升溫速度，而上加熱與側(cè)加熱同時進行，升溫速度最快。

圖3 實驗倉不同加熱方式溫升起始時間圖

表3 不同加熱方式各糧層糧溫與熱流量相關(guān)性分析

表4 不同品種、不同糧層厚度溫升表

對三種加熱方式糧溫與熱流量24組數(shù)值，進行相關(guān)性分析，見表3。

在α=0.05時，自由度=n-2=22，查相關(guān)檢驗表，得R0.05=0.404。因R>R0.05，在α=0.05顯著性檢驗水平上，能夠取得熱流量數(shù)值的各糧層與其對應(yīng)的糧溫呈線性關(guān)系明顯。除未設(shè)保溫板側(cè)加熱外，其他單日升溫實驗20 cm處糧層均未測量到熱流量值，與實驗所用熱流量傳感器的分辨率、靈敏度有關(guān)。在實倉測試中，同樣未測到距倉壁10、20 cm處熱流量。

2.2 實驗倉連續(xù)升溫實驗

依照連續(xù)升溫實驗方法進行連續(xù)側(cè)加熱實驗。實驗結(jié)果見表4。

隨加熱板加熱、停止，10 cm處糧溫不斷抬升，并呈現(xiàn)顯著的相關(guān)波動變化，見圖4，每天最高峰值滯后加熱停止時間3.0 h。20 cm處糧溫呈穩(wěn)步增高態(tài)勢，見圖5。30 cm之后各層糧溫則不受其影響，呈現(xiàn)遞增狀態(tài)。加設(shè)單層、雙層保溫板，可使近加熱板10 cm 處最高糧溫由30.2 ℃降至23.7、21.4 ℃，溫升由15.2 ℃降至8.7、6.4 ℃，20 cm處最高糧溫由21.6 ℃降至19.6、17.5 ℃，溫升由6.6 ℃降至4.6、2.5 ℃。加設(shè)保溫板對于阻止糧食溫升明顯，儲糧模式向有利于安全儲糧方向發(fā)生改變，“熱皮”厚度明顯降低[6]。

圖4 玉米實驗倉連續(xù)側(cè)加熱10 cm處溫度對比圖

圖5 玉米實驗倉連續(xù)側(cè)加熱20 cm處溫度對比圖

不同保溫方式10 cm處糧溫時間序列圖形，可分解為趨勢變動(分量)與日變動(分量)2個類型[7]。對不同保溫方式10 cm處糧溫5個加熱周期內(nèi)240組測試數(shù)值，建立趨勢分量數(shù)學模型，進行相關(guān)性分析[7,8]，見表5。

表5 不同保溫方式10cm處糧溫趨勢分量數(shù)學模型與相關(guān)性分析

在α=0.05時，自由度=n-2=238，查相關(guān)檢驗表，得R0.05=0.168。因R>R0.05，在α=0.05顯著性檢驗水平上，不同保溫方式10 cm處糧溫趨勢分量呈線性關(guān)系明顯，其中未設(shè)保溫板10 cm處糧溫趨勢分量見圖6。

圖6 玉米實驗倉未設(shè)保溫板10 cm處趨勢分量

對不同保溫方式10 cm處糧溫每個加熱周期內(nèi)48組測試數(shù)值，建立日分量正態(tài)分布數(shù)學模型N(μ，σ2)，將日分量正態(tài)分布進行標準化變換，以未設(shè)保溫板10 cm處糧溫第2 d日分量為例，見圖7，對變換后的概率密度做相關(guān)性分析及t-分布檢驗[7,8]，見表6。

圖7 玉米實驗倉未設(shè)保溫板10 cm處第2天日分量

在α=0.05時，自由度=n-2=46，查相關(guān)系數(shù)檢驗表，得R0.05=0.285，因R>R0.05，在α=0.05顯著性檢驗水平上呈線性關(guān)系顯著。在α=0.05時，查t-分布表，得t0.975(46)=2.013，因t>t0.975(46)，在α=0.05顯著性檢驗水平上呈線性關(guān)系顯著。因此不同保溫方式10 cm處糧溫日分量為正態(tài)分布。

不同保溫方式20 cm處糧溫時間序列圖形，表現(xiàn)為趨勢變動1個類型，由趨勢分量構(gòu)成[7]。對不同保溫方式20 cm處糧溫7個加熱周期內(nèi)336組數(shù)值，建立趨勢分量數(shù)學模型，進行相關(guān)性分析，見表7。

在α=0.05時，自由度=n-2=334，查相關(guān)檢驗表，得R0.05=0.108。因R>R0.05，在α=0.05顯著性檢驗水平上，不同保溫方式20 cm處糧溫趨勢分量呈二項式函數(shù)關(guān)系相關(guān)性顯著。

不同保溫方式連續(xù)側(cè)加熱，10 cm處糧溫時間序列圖形的趨勢分量為線性關(guān)系、日分量為正態(tài)分布，20 cm及后續(xù)糧層厚度的糧溫時間序列圖形的趨勢分量擬合為二項式函數(shù)關(guān)系。若調(diào)整連續(xù)加熱一周實驗方案為加熱2 d、不加熱1 d、再加熱2 d、不加熱1 d、再加熱1 d，雖然7 d內(nèi)獲得的熱量相同，但10 cm處糧溫時間序列圖形將發(fā)生改變，將由趨勢分量、日分量、不規(guī)則分量等構(gòu)成，20 cm及后續(xù)糧層厚度的糧溫時間序列圖形將無明顯變化。實際儲糧中，因測溫點位置距表層、距倉壁0.5 m以外，測試次數(shù)為每天1次或2～3 d 1次，從而測量不到10、20 cm處的糧溫變化及日分量，其糧溫時間序列圖形將由長期趨勢分量、季節(jié)分量、不規(guī)則分量及年循環(huán)分量構(gòu)成，見圖8。對于未設(shè)保溫板、加設(shè)單層保溫板、加設(shè)雙層保溫板實驗，可比作無圍護儲糧方式、無保溫措施儲糧倉、加設(shè)保溫措施儲糧倉。若單層保溫板的厚度、導熱系數(shù)、組合的加熱方式、升溫降溫時間設(shè)置適合，可模擬各種無保溫措施儲糧倉實倉狀態(tài)。若雙層保溫板的各自厚度、導熱系數(shù)、組合的加熱方式、升溫降溫時間設(shè)置適合，可模擬各種加設(shè)保溫措施儲糧倉實倉狀態(tài)。

表6 不同保溫方式10cm處糧溫日分量數(shù)學模型、概率密度相關(guān)性分析及t-分布檢驗

表7 不同保溫方式20 cm處糧溫趨勢分量數(shù)學模型及相關(guān)性分析

表8 不同保溫形式不同倉型距儲糧表層下0.5 m處糧溫

圖8 實倉連續(xù)測試表層下0.5 m處糧溫圖

2.3 實倉溫度測試實驗

依照實倉實驗方法，在外界氣溫較高的季節(jié)，對1個筒倉、3個平房倉進行連續(xù)溫度測試，實驗結(jié)果見圖8、表8，各倉平均糧溫均低于15 ℃。在外界溫度最高的季節(jié)，進行單日溫度測試各倉，實驗結(jié)果見表8。

實驗結(jié)果表明，4種儲糧條件差異較大的倉型，其平均糧溫均低于15 ℃。若依照儲糧模式判定規(guī)則“平均溫度低于15 ℃”這一指標，均可判定為低溫儲糧模式，而表層下0.5 m處最高糧溫差異較大，淺圓倉、未保溫平房倉高于30 ℃，筒倉低于30 ℃，吊頂保溫與整倉保溫平房倉低于25 ℃，若依照儲糧模式判定規(guī)則“最高溫度限制”這一指標，則分別相差一個儲糧模式，由此說明判定標準有不盡合理之處。“平均糧溫”作為判定指標意義并不大，在實際儲糧中，因“平均溫度”指標的存在，當局部糧溫超過“最高溫度限制”指標，或?qū)⒉槐徽J為糧倉標準不達標，而被認為是偶然發(fā)生的現(xiàn)象。若將“最高溫度”作為溫度判定的唯一指標，則可將糧倉級別問題展現(xiàn)出來。一些看似相同的倉儲條件，因技術(shù)細節(jié)差異、氣密性不同、地域不同、人員水平不同、管理方式不同，表現(xiàn)出的儲糧結(jié)果不盡相同。因此，應(yīng)通過加設(shè)符合GB 29890標準規(guī)定的倉體保溫、強化氣密性、防潮隔熱等干預(yù)措施，提高糧倉建設(shè)的倉儲標準，對最高糧溫、最高倉溫有所限定，使原有溫度場模型有所改變，減少“熱皮”厚度[6]，最大程度消除人為因素、管理因素對儲糧狀況的影響。

3 結(jié)論

處于距倉壁和表層糧面10 cm處的糧層溫度受外界溫度影響最劇烈，表現(xiàn)為呈線性函數(shù)關(guān)系的趨勢分量與呈正態(tài)分布的日分量，20 cm及之后的糧層溫度僅表現(xiàn)為呈二項式函數(shù)或線性函數(shù)關(guān)系的趨勢分量。也可以說10 cm厚的糧層起到良好的溫度阻隔效應(yīng)，同時也給糧食儲藏帶來了安全隱患。為消除這種隱患，需要對儲糧倉設(shè)置高效保溫措施。在逐步加設(shè)保溫材料的實驗中，呈正態(tài)分布的日分量逐漸變得平滑，當導熱系數(shù)、保溫層厚度、材料間的擬合度適合時，將消除呈正態(tài)分布的日分量。

平房倉墻體通常為磚混結(jié)構(gòu)、倉頂為混凝土結(jié)構(gòu)，磚墻導熱系數(shù)為0.40 W/(m·K)、混凝土墻體導熱系數(shù)為2.0 W/(m·K)，不能滿足長期儲存糧食的需求，應(yīng)對倉體進行整體保溫處置，以達到安全儲糧之目的。淺圓倉、筒倉因其墻體、跨度高大，為滿足結(jié)構(gòu)上的要求以鋼筋混凝土為主體材料，其導熱系數(shù)不能滿足長期儲存糧食的需要，這類倉型更適合短期周轉(zhuǎn)所用。