王相友 王榮銘 李學(xué)強(qiáng) 王法明 李少川

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255000； 2.山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司， 德州 253600；3.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心， 德州 253600)

0 引言

馬鈴薯作為第四大糧食作物，其種植面積日益擴(kuò)大。一些種植戶通過合作社、民企合作等形式將零散的馬鈴薯種植區(qū)域連接起來，從而使馬鈴薯種植日趨大面積化。這種方式能有效降低馬鈴薯種植成本、提高管理的統(tǒng)一性，但是大面積種植下馬鈴薯的儲(chǔ)藏問題也日益突出[1-6]。

現(xiàn)有馬鈴薯的儲(chǔ)藏方式主要包括地窖式儲(chǔ)藏、冷庫(kù)儲(chǔ)藏以及大型通風(fēng)庫(kù)儲(chǔ)藏。地窖式儲(chǔ)藏過于落后，其加濕方式依賴于人工灑水，且不均勻；冷庫(kù)式儲(chǔ)藏雖然較地窖式儲(chǔ)藏效果好，但能耗大，不適于大批量馬鈴薯的儲(chǔ)藏，經(jīng)濟(jì)效益低；大型通風(fēng)儲(chǔ)藏庫(kù)利用自然冷能可滿足馬鈴薯大批量?jī)?chǔ)藏的需求，但其降溫加濕手段不夠先進(jìn)，尤其是加濕需依靠人工向地面潑灑水，不但耗費(fèi)大量的人力和物力，并且造成水分分布不均，使局部濕度過大，從而導(dǎo)致馬鈴薯局部腐爛、滋生細(xì)菌，影響了儲(chǔ)藏品質(zhì)，并造成經(jīng)濟(jì)損失[7]。因此，亟需探索一種適宜的加濕手段，從而保證加濕效果，提高馬鈴薯的儲(chǔ)藏品質(zhì)。

目前，關(guān)于加濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究較少。文獻(xiàn)[8-9]分別闡述了現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)形式、機(jī)器適應(yīng)性和在高大平房倉(cāng)中軸流風(fēng)機(jī)的選型問題，給出一種風(fēng)機(jī)選型方法；文獻(xiàn)[10]提出，在馬鈴薯儲(chǔ)藏庫(kù)的溫濕度調(diào)控方案中，馬鈴薯儲(chǔ)藏的適宜相對(duì)濕度范圍為85%～90%；文獻(xiàn)[11-12]也分別給出了基于智能控制的馬鈴薯儲(chǔ)藏庫(kù)內(nèi)濕度調(diào)控方法和基于PLC(可編程邏輯控制器)的溫濕度調(diào)控方法；還有一些學(xué)者對(duì)馬鈴薯儲(chǔ)藏庫(kù)內(nèi)的通風(fēng)加濕設(shè)備進(jìn)行研究，主要通過對(duì)溫、濕度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)來提高馬鈴薯的儲(chǔ)藏品質(zhì)[13-17]。國(guó)外學(xué)者對(duì)馬鈴薯儲(chǔ)藏的濕度條件進(jìn)行了研究探索，對(duì)不同用途馬鈴薯的儲(chǔ)藏給出了濕度范圍[18-21]。目前，針對(duì)儲(chǔ)藏庫(kù)的加濕系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究加濕簾、風(fēng)力和加濕泵功率之間的關(guān)系及對(duì)加濕效果的影響鮮見報(bào)道。

本文研究馬鈴薯通風(fēng)儲(chǔ)藏庫(kù)加濕系統(tǒng)中加濕簾、風(fēng)機(jī)對(duì)加濕效果的影響，對(duì)現(xiàn)有馬鈴薯通風(fēng)儲(chǔ)藏庫(kù)的加濕系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，以期為馬鈴薯通風(fēng)儲(chǔ)藏庫(kù)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供技術(shù)參考。

1 加濕系統(tǒng)及其硬件設(shè)計(jì)

1.1 通風(fēng)儲(chǔ)藏庫(kù)結(jié)構(gòu)

馬鈴薯通風(fēng)儲(chǔ)藏庫(kù)平面結(jié)構(gòu)如圖1a所示。此庫(kù)由山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司設(shè)計(jì)，加濕系統(tǒng)包含于馬鈴薯通風(fēng)儲(chǔ)藏庫(kù)內(nèi)，庫(kù)體主要由進(jìn)氣窗、混氣室、制冷設(shè)備、通風(fēng)風(fēng)機(jī)、加濕系統(tǒng)以及通風(fēng)管道和出氣窗等組成。

貯藏庫(kù)整體分為下方長(zhǎng)方體墻體和拱形頂兩部分，下方長(zhǎng)方體庫(kù)體尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為50 m×22.5 m×3.5 m，上方拱形頂拱高約6.9 m。貯藏時(shí)，考慮馬鈴薯保鮮效果和庫(kù)內(nèi)通風(fēng)效果，馬鈴薯垛堆高度不超過3.5 m。拱形頂整個(gè)劣弧所對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)為庫(kù)寬22.5 m，拱形頂所在圓的半徑為12.62 m，即上方拱形頂空間體積為5 532.5 m3，庫(kù)內(nèi)總空間約為9 470 m3。馬鈴薯垛堆密度約為0.65 t/m3，故堆高為3.5 m的馬鈴薯垛堆質(zhì)量約為2 559.3 t。

該儲(chǔ)藏庫(kù)的工作特點(diǎn)在于充分利用儲(chǔ)藏地區(qū)的寒冷空氣作為降溫冷源，當(dāng)庫(kù)內(nèi)通風(fēng)降溫時(shí)，進(jìn)氣窗開啟，通風(fēng)風(fēng)機(jī)采用正壓吸入的方式，引入外部空氣并透過加濕簾將簾中水分吹散，隨之進(jìn)入庫(kù)內(nèi)穿過馬鈴薯垛堆，達(dá)到加濕的目的，加濕過程如圖1b所示。

1.2 加濕系統(tǒng)硬件構(gòu)成

根據(jù)該馬鈴薯儲(chǔ)藏庫(kù)對(duì)加濕系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)該自動(dòng)加濕系統(tǒng)，主要包括主控制器、信號(hào)收集模塊、執(zhí)行模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、人機(jī)交互模塊。該加濕系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控制器為PLC S7-200，信號(hào)收集部分主要包括濕度傳感器、水位傳感器，信號(hào)輸入和輸出部分由A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊組成，執(zhí)行元件由多組繼電器開關(guān)組成。

1.2.1主控制器

選用西門子PLC S7-200作為加濕系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和信號(hào)收發(fā)中心，該控制器具有運(yùn)行速度快、工作穩(wěn)定性強(qiáng)、信息處理能力強(qiáng)和能耗低等特點(diǎn)。CPU型號(hào)選用222CN(8DI/6DO)，其具有多功能、易操作的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)要完成信號(hào)的收集和處理功能，需要信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊和CPU處理器的配合，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊選用EM235模擬量處理模塊，若有多種模擬信號(hào)輸入，則需設(shè)置多個(gè)模擬量處理模塊，以滿足信號(hào)轉(zhuǎn)換的要求。

1.2.2傳感器與執(zhí)行部件

該系統(tǒng)所用傳感器主要為濕度傳感器和水位傳感器，濕度傳感器放置在風(fēng)道和庫(kù)內(nèi)，主要檢測(cè)風(fēng)道內(nèi)和庫(kù)內(nèi)不同位置的濕度信息，通過內(nèi)部傳感元件的函數(shù)關(guān)系得出所測(cè)位置的相對(duì)濕度，反饋至控制中心；水位傳感器主要收集傳輸蓄水池的水位信息，保證加濕簾時(shí)刻有水補(bǔ)給，避免發(fā)生加濕簾無水補(bǔ)給的情況。

濕度傳感器選用型號(hào)為西門子QFM2101，內(nèi)含濕敏電阻，輸出電流范圍4～20 mA，當(dāng)濕度傳感器通電之后，內(nèi)部濕敏電阻遇到空氣中的水分時(shí)電阻值發(fā)生變化，使輸出的電流發(fā)生改變，此時(shí)的電流輸出值所對(duì)應(yīng)的濕度即為空氣相對(duì)濕度，輸出的電流信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，輸入至主控制器進(jìn)行運(yùn)算并參與后續(xù)控制動(dòng)作。假設(shè)輸入的模擬量標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)范圍是A0～Am，A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)值范圍為D0～Dm，若模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是A，A/D轉(zhuǎn)換之后的相對(duì)應(yīng)數(shù)值為AAIW，所得相對(duì)濕度計(jì)算公式為

(1)

式中R——相對(duì)濕度，%

Rmax——濕度傳感器測(cè)量范圍的最大值，%

Rmin——濕度傳感器測(cè)量范圍的最小值，%

與濕度傳感器不同的是，水位傳感器的水位并不能通過傳感器直接得出，而是通過壓力信息，由高度與水壓力公式將壓力轉(zhuǎn)換為高度。水位傳感器中所得模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換公式為

(2)

式中p——壓力，Pa

pmax——傳感器測(cè)量范圍的最大值，Pa

pmin——傳感器測(cè)量范圍的最小值，Pa

DAIW——數(shù)字量的測(cè)量值

高度與水壓關(guān)系式為

(3)

式中h——水位高度，m

p0——測(cè)量地大氣壓，Pa

ρ——水密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

該加濕系統(tǒng)執(zhí)行部件主要由加濕泵、補(bǔ)水泵以及繼電器、變頻器和風(fēng)機(jī)構(gòu)成，繼電器根據(jù)控制中心發(fā)出的信號(hào)控制加濕泵和補(bǔ)水泵的運(yùn)行和停止，變頻器控制通風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制原理

馬鈴薯儲(chǔ)藏庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度需控制在85%～95%范圍內(nèi)[22-23]，當(dāng)儲(chǔ)藏庫(kù)進(jìn)行通風(fēng)時(shí)，進(jìn)氣窗開啟，風(fēng)機(jī)正壓吸入庫(kù)內(nèi)空氣和外部作為冷源的空氣進(jìn)行混合，將低溫混合氣體送入庫(kù)內(nèi)的馬鈴薯儲(chǔ)藏區(qū)，但外部冷源空氣較庫(kù)內(nèi)空氣相對(duì)濕度低且差距明顯，當(dāng)混合氣體進(jìn)入庫(kù)內(nèi)時(shí)，風(fēng)力會(huì)將加濕簾中附著的水分吹散霧化，通過加濕簾的加濕作用，提高進(jìn)入庫(kù)內(nèi)混合氣體的相對(duì)濕度。此系統(tǒng)通過風(fēng)道和儲(chǔ)藏區(qū)的濕度傳感器進(jìn)行相對(duì)濕度的信息收集并輸送至信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸入主控制器中，由主控制器進(jìn)行處理判斷并發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制繼電器的運(yùn)行與停止，進(jìn)而達(dá)到控制通風(fēng)風(fēng)機(jī)和加濕泵的目的[24]。此外，該系統(tǒng)還增加了自動(dòng)注水功能，當(dāng)水位下降至警戒高度不能滿足加濕需求時(shí)水位傳感器識(shí)別水位信息，主控制器控制補(bǔ)水泵，將加濕槽內(nèi)的水位加至設(shè)定高度。

傳感器的布局及其檢測(cè)位置如圖3所示。其中風(fēng)道內(nèi)排布相同的濕度傳感器，用以測(cè)量風(fēng)道內(nèi)的平均空氣相對(duì)濕度；風(fēng)速傳感器位于每個(gè)通風(fēng)管道的前中后等距排布的位置，圖中只示意其檢測(cè)位置的入口。

2.2 加濕控制流程

加濕系統(tǒng)工作時(shí)，加濕泵從水槽里吸水至加濕簾的頂部，然后使水從加濕簾的頂部均勻向下流至底部，使加濕簾充分濕潤(rùn)，當(dāng)風(fēng)通過浸過水的加濕簾時(shí)，使水分充分霧化，達(dá)到加濕的目的。主要控制流程如圖4所示。

馬鈴薯貯藏庫(kù)內(nèi)的濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)庫(kù)內(nèi)空氣濕度信息，并將濕度信息采集值Rc傳至PLC主控制器，PLC主控制器將其與濕度參數(shù)設(shè)定值Rs進(jìn)行濕度的參數(shù)對(duì)比，若檢測(cè)到庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度小于等于設(shè)定值Rs時(shí)，主控制器向通風(fēng)風(fēng)機(jī)和濕簾加濕泵發(fā)出控制指令，風(fēng)機(jī)按一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，濕簾進(jìn)行加濕，直至庫(kù)內(nèi)達(dá)到指定的相對(duì)濕度，關(guān)閉通風(fēng)風(fēng)機(jī)與濕簾加濕泵；在進(jìn)行相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)的同時(shí)，水位傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)水槽水位信息hc并將檢測(cè)到水位信息傳送至主控制器，主控制器對(duì)其進(jìn)行判斷，若檢測(cè)水位低于設(shè)定水位hsmin時(shí)，主控制器將其控制指令發(fā)送至補(bǔ)水泵，對(duì)水槽進(jìn)行補(bǔ)水；注水同時(shí)，水位傳感器對(duì)蓄水槽內(nèi)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)水位hc高于設(shè)定的警戒水位hsmax時(shí)，主控制器即控制補(bǔ)水泵停止注水。

此控制系統(tǒng)可根據(jù)不同貯藏時(shí)期馬鈴薯對(duì)濕度的需求通過人機(jī)交互模塊進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，滿足不同品種不同時(shí)期馬鈴薯的儲(chǔ)藏要求，降低馬鈴薯在儲(chǔ)藏期的失水率和庫(kù)損。

3 硬件選型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原理

風(fēng)力在穿過加濕簾的過程中會(huì)被加濕簾以及水分阻擋，使風(fēng)速降低，風(fēng)壓下降，而穿過加濕簾的濕空氣還需要足夠的風(fēng)速風(fēng)壓將其通過通風(fēng)管道帶入庫(kù)內(nèi)，過低的風(fēng)壓會(huì)影響后期對(duì)馬鈴薯垛堆的穿透力，進(jìn)而影響儲(chǔ)藏庫(kù)內(nèi)部的加濕過程。加濕過程中使用循環(huán)水泵，而不同厚度的加濕簾所需循環(huán)水泵的功率也不同，水泵功率決定著加濕簾中水分以及風(fēng)力的穿透效果。

本試驗(yàn)通過研究?jī)?chǔ)藏庫(kù)混氣室內(nèi)部的風(fēng)力透過加濕簾以及加濕簾加濕補(bǔ)水的過程，探究風(fēng)速與加濕簾厚度、加濕泵功率以及風(fēng)力穿透之后水分的霧化加濕效果之間的關(guān)系，收集相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到變化曲線及規(guī)律，目的是選出最佳的方案組合，以便于根據(jù)儲(chǔ)藏庫(kù)的結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)藏量對(duì)風(fēng)機(jī)、加濕簾和加濕泵進(jìn)行合理選擇，以達(dá)到最佳的加濕效果。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

3.2.1風(fēng)機(jī)

試驗(yàn)選用風(fēng)機(jī)類型為軸流風(fēng)機(jī)，型號(hào)YTFZ40-11-14，額定功率22 kW，風(fēng)量為110 016 m3，最大風(fēng)壓593 Pa，最大轉(zhuǎn)速960 r/min，機(jī)外靜風(fēng)壓301 Pa，風(fēng)機(jī)安裝于密閉混氣室內(nèi)，具體安裝圖如圖5所示[9]。

3.2.2加濕裝置

加濕裝置包括加濕簾、加濕泵和蓄水槽、補(bǔ)水槽，其中加濕簾尺寸(長(zhǎng)×寬)為549 cm×396 cm，厚度分別為30、40、45、50 cm。

加濕泵選用CN-8300型變頻水泵，額定電壓220～240 V，功率為60～80 W，揚(yáng)程5.2～5.8 m，工作流量為9 000～12 000 L/h，尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為21 cm×9 cm×10 cm；蓄水槽尺寸為5 490 cm×50 cm×30 cm，壁厚2 cm，放置于加濕簾正下方；加濕簾及蓄水槽補(bǔ)水裝置安裝位置如圖6所示。

3.2.3檢測(cè)設(shè)備

風(fēng)速傳感器型號(hào)為JY-WF2，工作電壓DC 24V，量程0～20 m/s，測(cè)量精度為0.01 m/s。濕度傳感器型號(hào)為QFM2101，工作電壓DC 13.5～35 V，輸出信號(hào)4～20 mA，精度為±3%。

水位傳感器型號(hào)為DLK-201，工作電壓DC 15～30 V，量程為0～1 m，輸出信號(hào)0～10 V，精度為±0.002 5 m。風(fēng)壓測(cè)量選用數(shù)字式壓差表，型號(hào)為AS510，測(cè)量范圍0～100 hPa，精度分別為±0.03 hPa(0～0.30 hPa)、±0.05 hPa(0.31～1.00 hPa)、-0.115 15～1.6 hPa(其余量程)，使用環(huán)境為0～50℃。

庫(kù)外溫度傳感器型號(hào)為QAC3171，其中工作電壓為13.5～35 V(直流)，測(cè)量范圍為-50～50℃，輸出信號(hào)為4～20 mA，安裝高度大于2.5 m，且陽(yáng)光不能直射;庫(kù)內(nèi)溫度傳感器采用JK-PT100型溫度傳感器，測(cè)量范圍為-20～50℃，其中工作電壓為24 V(直流)，輸出信號(hào)為4～20 mA，精度為±0.14℃。

3.3 試驗(yàn)方法與步驟

加濕系統(tǒng)的硬件選型試驗(yàn)于2020年10月1日在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市商都縣的馬鈴薯種業(yè)基地進(jìn)行。室外溫度為3.8℃，室外相對(duì)濕度為48%，庫(kù)內(nèi)平均溫度8.6℃，庫(kù)內(nèi)平均相對(duì)濕度61.1%，風(fēng)道內(nèi)相對(duì)濕度56%。

試驗(yàn)采用正壓吸入的方式，由軸流風(fēng)機(jī)開啟后將外部空氣吸入混氣倉(cāng)內(nèi)并形成風(fēng)壓，通過風(fēng)力和風(fēng)壓使混合后的空氣穿透加濕簾。試驗(yàn)開始前先檢查風(fēng)機(jī)與加濕簾以及濕簾與墻壁之間的連接是否密封好，避免漏氣透風(fēng)等情況影響數(shù)據(jù)檢測(cè)。

首先開啟加濕泵提前為加濕簾注水，使加濕簾中充滿水分，將濕度傳感器分別放置于風(fēng)道和庫(kù)內(nèi)，同時(shí)，將風(fēng)量計(jì)放置于通風(fēng)管道入風(fēng)口，標(biāo)記位置后固定，儀器如圖7～9所示。

試驗(yàn)時(shí)，運(yùn)用控制變量法進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、改變加濕簾厚度、更換不同功率的加濕泵改變加濕泵功率，測(cè)量風(fēng)道內(nèi)相對(duì)濕度的變化以及穿過加濕簾后通風(fēng)管道入口風(fēng)速的變化，具體步驟如下：

(1)試驗(yàn)開始時(shí)，待水分充滿加濕簾后，控制變頻器將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至正常工作狀態(tài)，控制風(fēng)機(jī)得到相對(duì)穩(wěn)定的風(fēng)速并保持15～20 min，期間每隔5～10 min在通風(fēng)管道的風(fēng)力入口處相同位置記錄風(fēng)速vb，同時(shí)記錄所用加濕簾厚度h1和此時(shí)風(fēng)機(jī)側(cè)風(fēng)速va1以及加濕泵功率W1；增加加濕泵功率至W2，改變加濕泵的水供給量，測(cè)量透過加濕簾吹入庫(kù)內(nèi)的通風(fēng)管道入口風(fēng)速vb2和空氣相對(duì)濕度平均值R，改變加濕泵的功率W1～W3并采用相同的方式記錄固定加濕簾厚度下不同功率加濕泵的水供給量所對(duì)應(yīng)的入口風(fēng)速vb以及對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度R。

(2)將加濕泵功率調(diào)整至初始功率W1，保持加濕簾厚度不變，提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速并記錄風(fēng)速va2，保持15～20 min，測(cè)量通風(fēng)管道入口風(fēng)速和風(fēng)道內(nèi)的相對(duì)濕度，改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速記錄風(fēng)機(jī)側(cè)風(fēng)速為va1～va5時(shí)分別對(duì)應(yīng)的入口風(fēng)速平均值vb1～vb5以及相對(duì)濕度；改變加濕泵功率并重復(fù)上述步驟，記錄在不同加濕泵功率下，風(fēng)機(jī)風(fēng)速va1～va5分別對(duì)應(yīng)通風(fēng)管道入口風(fēng)速和風(fēng)道內(nèi)相對(duì)濕度。

(3)關(guān)閉風(fēng)機(jī)和加濕系統(tǒng)，更換另一厚度為h2的加濕簾，待加濕簾充滿水之后，重復(fù)上述兩步試驗(yàn)，記錄厚度為h2時(shí)對(duì)應(yīng)的透過加濕簾的風(fēng)速vb1～vb5和相對(duì)濕度的平均值R1～R5。

(4)多次更換加濕簾，改變濕簾厚度和加濕泵功率并重復(fù)上述操作，將記錄的數(shù)據(jù)取平均值，分析風(fēng)機(jī)風(fēng)速、加濕簾厚度和加濕泵功率之間的關(guān)系。

3.4 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)伯努利方程得出風(fēng)壓計(jì)算公式為

(4)

其中

式中r——空氣重度，取0.012 25 kN/m3

wp——風(fēng)壓，kPa

r0——空氣密度，kg/m3

v——風(fēng)速，m/s

本試驗(yàn)測(cè)得馬鈴薯堆高約2 m，穿透馬鈴薯垛堆所需通風(fēng)管道內(nèi)的最小風(fēng)速為6 m/s，計(jì)算得風(fēng)壓為22.5 Pa。

儲(chǔ)藏時(shí)，需保證混氣室的空氣穿過加濕簾進(jìn)入風(fēng)道后的相對(duì)濕度達(dá)到儲(chǔ)藏需求，即相對(duì)濕度達(dá)到95%左右，由于庫(kù)內(nèi)馬鈴薯在儲(chǔ)藏過程中會(huì)持續(xù)進(jìn)行呼吸作用產(chǎn)生大量水分，使庫(kù)內(nèi)的溫度和濕度都有增加，而當(dāng)風(fēng)道內(nèi)的低溫混合氣體通過通風(fēng)管道進(jìn)入庫(kù)內(nèi)后，會(huì)使庫(kù)內(nèi)溫度降低，從而使空氣濕度進(jìn)一步增加，故當(dāng)風(fēng)道內(nèi)空氣相對(duì)濕度達(dá)到95%左右時(shí)，穿過馬鈴薯堆進(jìn)入庫(kù)內(nèi)的空氣相對(duì)濕度將大于95%。

此外，試驗(yàn)時(shí)持續(xù)通風(fēng)的目的是為儲(chǔ)藏庫(kù)內(nèi)部通風(fēng)換氣，降低庫(kù)內(nèi)溫度，同時(shí)將混合氣體提高濕度后通入庫(kù)內(nèi)，故在溫度下降濕度提高的過程中，可忽略由溫差影響帶來的試驗(yàn)誤差。

3.4.1加濕簾厚度對(duì)加濕效果的影響

初步確定加濕簾厚度為30、40、45、50 cm，測(cè)量穿過不同厚度加濕簾的空氣的加濕效果以及加濕后的空氣在通風(fēng)管道入口附近的風(fēng)速，如表1所示，并推算出對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓，再結(jié)合加濕后的空氣相對(duì)濕度與所需相對(duì)濕度的差距，確定該厚度下的加濕簾是否能夠滿足加濕需求。

表1 加濕簾厚度對(duì)加濕效果及風(fēng)力的影響

由表1可以看出，選用45 cm厚度的加濕簾時(shí)，入口風(fēng)速與相對(duì)濕度可同時(shí)滿足馬鈴薯儲(chǔ)藏需求，故將加濕簾厚度確定為45 cm。

3.4.2混氣室風(fēng)機(jī)風(fēng)速對(duì)加濕效果的影響

在前期試驗(yàn)確定的加濕簾厚度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行混氣室內(nèi)的風(fēng)機(jī)風(fēng)速對(duì)加濕效果和入口風(fēng)力的影響試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇加濕簾厚度為45 cm，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通過變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用Origin軟件分析測(cè)得的風(fēng)速和相對(duì)濕度變化趨勢(shì)如圖10所示。

由圖10a可看出，隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)速的增加，通風(fēng)管道的入口風(fēng)速也在升高，并且由圖10b可知風(fēng)道內(nèi)相對(duì)濕度也有增加，但是在4～12 m/s的風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，入口平均風(fēng)速的增加量明顯大于12～20 m/s區(qū)間內(nèi)的增加量，且在12 m/s之前，相對(duì)濕度隨著風(fēng)速的提升也有明顯變化。同時(shí)也可看出，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到12 m/s以上時(shí)，入口風(fēng)速變化不明顯，而當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速達(dá)到16 m/s時(shí)，風(fēng)道內(nèi)相對(duì)濕度維持不變甚至略有下降，此時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)所處的狀態(tài)即為加濕簾的最佳穿透狀態(tài)。

由圖10b可得出，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速達(dá)到最佳穿透狀態(tài)時(shí)，繼續(xù)提高風(fēng)速對(duì)加濕效果影響不明顯，故在實(shí)際選型中，使風(fēng)機(jī)風(fēng)速滿足最佳穿透狀態(tài)即可，避免造成資源浪費(fèi)，所以庫(kù)內(nèi)加濕過程中風(fēng)機(jī)的風(fēng)速可選擇在16 m/s左右。

另外，由圖10a可知，在加濕系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中，需保證調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)時(shí)的最小風(fēng)速不得低于12 m/s，否則會(huì)造成穿透馬鈴薯堆的風(fēng)力不足，影響馬鈴薯儲(chǔ)藏庫(kù)的加濕和換氣效率。

3.4.3加濕泵功率對(duì)加濕效果的影響

加濕泵安裝于加濕簾的底部，通過將加濕簾底部蓄水池中的水分引至加濕簾上部，沖擊加濕簾頂部擋板，使水分布滿加濕簾頂端，然后沿加濕簾內(nèi)部空隙自然流下，達(dá)到為加濕簾實(shí)時(shí)補(bǔ)充水分的目的，由此可知，加濕泵功率決定著加濕簾內(nèi)部水分的充盈程度，間接影響著加濕簾的加濕效果及對(duì)風(fēng)力的阻擋作用。為研究馬鈴薯儲(chǔ)藏庫(kù)中加濕簾底端的加濕泵功率對(duì)兩者的影響，結(jié)合前期試驗(yàn)確定的加濕簾厚度方案，選擇功率分別為60、70、80 W的加濕泵進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同加濕泵功率對(duì)加濕效果的影響

由表2可以得出，加濕泵功率對(duì)加濕簾的加濕效果和入口風(fēng)速都有一定程度的影響，并且隨著加濕泵功率的增加，通風(fēng)管道入口風(fēng)速有所減小，證明加濕泵功率越大，加濕簾對(duì)穿透風(fēng)力的阻礙作用越強(qiáng)；從相對(duì)濕度的數(shù)值可以看出，當(dāng)加濕泵功率為70 W時(shí)符合加濕需求，但當(dāng)增加至80 W時(shí)，相對(duì)濕度值略有增加但不明顯，相反通風(fēng)管道入口風(fēng)速有下降趨勢(shì)，說明加濕簾對(duì)風(fēng)力穿透的阻力會(huì)隨之增加。故可將加濕泵功率確定為70 W。

4 應(yīng)用試驗(yàn)

4.1 加濕系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)

試驗(yàn)于2020年10月15日在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市商都縣的馬鈴薯種植基地的新型通風(fēng)式馬鈴薯儲(chǔ)藏庫(kù)內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)開始前，將馬鈴薯入庫(kù)保存，使用的馬鈴薯為“川引2號(hào)”鮮食加工薯，儲(chǔ)藏所需環(huán)境溫度為8℃，相對(duì)濕度為95%，同時(shí)設(shè)定蓄水槽最低水位0.05 m，警戒水位0.25 m，初始水位高度為0.15 m，庫(kù)內(nèi)馬鈴薯儲(chǔ)存量為儲(chǔ)藏區(qū)總?cè)萘康?/3，質(zhì)量約280 t，測(cè)得庫(kù)外溫度2.3℃，相對(duì)濕度49%。試驗(yàn)時(shí)，馬鈴薯儲(chǔ)藏庫(kù)處于封庫(kù)狀態(tài)。

試驗(yàn)中每3 h記錄一組采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)使用手持溫濕度計(jì)(中國(guó)臺(tái)灣群特股份有限公司，型號(hào)CENTER 310，相對(duì)濕度測(cè)量范圍：0～100%，精度為±2.5%)進(jìn)行風(fēng)道和庫(kù)內(nèi)馬鈴薯堆表面的濕度測(cè)量，所得數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差評(píng)定參考標(biāo)準(zhǔn)，并與系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 加濕系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果

由表3可得，該馬鈴薯儲(chǔ)藏庫(kù)加濕系統(tǒng)可正常運(yùn)行并能夠完成從馬鈴薯入庫(kù)開始至封庫(kù)期間庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)藏環(huán)境的增濕與維持，并能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)并補(bǔ)給蓄水槽水量。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成庫(kù)內(nèi)濕度的檢測(cè)并能夠自動(dòng)調(diào)整。當(dāng)相對(duì)濕度降至95%以下時(shí)，加濕系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整，使庫(kù)內(nèi)濕度維持穩(wěn)定，當(dāng)蓄水槽水位下降至設(shè)定最低水位0.05 m時(shí)，可自動(dòng)注水至0.25 m。

4.2 色澤對(duì)比與失重率測(cè)量

4.2.1色澤

馬鈴薯收獲入庫(kù)之前，隨機(jī)選取多個(gè)健康馬鈴薯作為試驗(yàn)對(duì)象，將馬鈴薯表面清理干凈并將其標(biāo)為序號(hào)A，然后用潔凈的刀具將馬鈴薯切為兩半，采集入庫(kù)前馬鈴薯內(nèi)部的水分?jǐn)?shù)據(jù)并使用SP60型色差儀(美國(guó)愛色麗公司)測(cè)量A組馬鈴薯剖面的亮度并取平均值，每次色差測(cè)量前都使用標(biāo)準(zhǔn)白板和黑板進(jìn)行矯正。

隨后每隔30 d從馬鈴薯堆中隨機(jī)選取體積和質(zhì)量相近的馬鈴薯分為數(shù)量相等的3組作為試驗(yàn)對(duì)象(分別標(biāo)號(hào)為B、C、D)，觀察儲(chǔ)藏期間馬鈴薯內(nèi)部水分變化情況，并在同一試驗(yàn)條件下分別測(cè)量B、C、D組剖面的亮度并取平均值。水分變化情況如圖11所示。

試驗(yàn)測(cè)得A、B、C、D組馬鈴薯剖面亮度的平均值分別為76、71、65、62，由圖11可知，通過對(duì)4個(gè)不同時(shí)期的馬鈴薯內(nèi)部水分觀察以及色澤的亮度比較，可以看出馬鈴薯在儲(chǔ)藏過程中雖有部分水分散失，但儲(chǔ)藏期結(jié)束后仍然保持著充足的水分和鮮亮的色澤，并且內(nèi)部無明顯的腐爛、黑心病和環(huán)腐病等可見病癥，可得該加濕系統(tǒng)能夠減少馬鈴薯自身的水分散失，達(dá)到較好的儲(chǔ)藏品質(zhì)。

4.2.2失重率

馬鈴薯的失重率是指儲(chǔ)藏后與儲(chǔ)藏前的馬鈴薯質(zhì)量變化占儲(chǔ)藏前質(zhì)量的百分比，在儲(chǔ)藏過程中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)隨著自身蒸騰作用和呼吸作用不斷消耗，若馬鈴薯水分過度消耗，失重率增加，則無法保證馬鈴薯的儲(chǔ)藏品質(zhì)。加濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的在于調(diào)節(jié)控制庫(kù)內(nèi)環(huán)境的相對(duì)濕度，使馬鈴薯在儲(chǔ)藏過程中減少自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損耗，保持較飽滿的水分。

馬鈴薯失重率采用的測(cè)量方法為稱重法，試驗(yàn)儀器選用電子秤，測(cè)量精度為0.1 g。加濕系統(tǒng)穩(wěn)定后，選取大小和健康狀況相近的馬鈴薯，清潔表面泥土雜質(zhì)并分成數(shù)量相同的5份，分別稱量后記錄質(zhì)量，然后放置于儲(chǔ)藏庫(kù)的5個(gè)不同位置并標(biāo)序號(hào)1～5，放置時(shí)間為120 d，儲(chǔ)藏期結(jié)束后再分別取出并稱量記錄。同時(shí)，作為對(duì)照組，另選取5組大小和健康狀況相近的馬鈴薯稱量并取平均值后，放入儲(chǔ)藏環(huán)境相同(但不加濕)的儲(chǔ)藏庫(kù)中，待儲(chǔ)藏期結(jié)束后稱量，計(jì)算未加濕條件下馬鈴薯的失重率。記錄數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 馬鈴薯失重率

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)顯示，加濕條件下5組馬鈴薯的平均失重率為3.70%，與同條件下未加濕的儲(chǔ)藏庫(kù)的4.90%失重率相比明顯降低。與現(xiàn)有普通控溫通風(fēng)儲(chǔ)藏庫(kù)的5.2%和傳統(tǒng)土窖貯藏的馬鈴薯9.95%的失重率相比降低幅度較大[25]，可見能夠獲得較好的儲(chǔ)藏效果。

5 結(jié)論

(1)在本文試驗(yàn)條件下，選擇加濕簾厚度為45 cm可使加濕效果最佳。通風(fēng)管道入口風(fēng)速大于6 m/s時(shí)，風(fēng)力能夠穿透堆高2 m的馬鈴薯堆，有利于濕空氣的庫(kù)內(nèi)循環(huán)。

(2)試驗(yàn)表明，該加濕系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)濕度的檢測(cè)及自動(dòng)調(diào)整，將庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度維持在95%左右，并且可實(shí)現(xiàn)蓄水槽水位的控制，將水位始終控制在0.05 m以上，使加濕簾保持足夠的水量供應(yīng)。

(3)該加濕系統(tǒng)對(duì)馬鈴薯的呼吸和蒸騰都具有一定的抑制作用，將儲(chǔ)藏期馬鈴薯的平均失重率降低至3.70%，明顯降低了儲(chǔ)藏過程中自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗，對(duì)提高馬鈴薯儲(chǔ)藏品質(zhì)起到了積極作用。