劉金光，劉玉茜，王世清，藺新茹，曲亞男，姜文利

無氟制冷劑HCR22熱管低溫儲(chǔ)糧溫度動(dòng)態(tài)特征

劉金光1,2，劉玉茜3，王世清1,2※，藺新茹3，曲亞男3，姜文利1,2

（1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266109；2. 青島市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)質(zhì)量與安全工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266109；3. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，泰安 271018）

為解決機(jī)械制冷低溫儲(chǔ)糧存在的高能耗、環(huán)境不友好等問題，該研究基于低溫?zé)峁軆?chǔ)糧和無氟制冷劑HCR22蓄冷方面的研究，設(shè)計(jì)并開發(fā)了使用自然冷源蓄冷的低溫試驗(yàn)糧倉，其結(jié)構(gòu)包括熱管組、溫度檢測系統(tǒng)和結(jié)露控制系統(tǒng)等，熱管工質(zhì)選用新型無氟制冷劑HCR22。為研究低溫試驗(yàn)糧倉的蓄冷性能，對HCR22熱管倉房儲(chǔ)糧過程熱管組和儲(chǔ)糧溫度的動(dòng)態(tài)特征規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明：HCR22熱管倉房365 d儲(chǔ)糧期間小麥溫度持續(xù)低于16 ℃，最低可降至-3.10 ℃，倉內(nèi)不同位置降溫均勻、平緩，實(shí)現(xiàn)了小麥的低溫或準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏；儲(chǔ)藏期間小麥含水量下降0.29%，籽粒浸出液電導(dǎo)率值提升4.20S/cm。該研究為中高緯度地區(qū)提供一種無能耗、環(huán)境友好型儲(chǔ)糧新方式，為綠色儲(chǔ)糧技術(shù)升級(jí)提供科學(xué)依據(jù)。

溫度；糧食；儲(chǔ)藏；無氟制冷劑；低溫?zé)峁埽蛔匀焕湓?/p>

0 引 言

溫度是影響糧食貯存品質(zhì)的重要因素。低溫儲(chǔ)糧技術(shù)即維持倉內(nèi)糧食平均溫度持續(xù)低于15 ℃，局部溫度不高于20 ℃，通過低溫抑制儲(chǔ)糧害蟲繁殖和微生物生長，減緩籽粒呼吸作用，進(jìn)而維持儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，延長貯存期[1-2]。Mylona等[3]發(fā)現(xiàn)小麥和玉米低于15 ℃貯存，可以降低感染脫氧雪腐鐮刀菌烯醇和伏馬菌素的風(fēng)險(xiǎn)。Liu等[4-7]報(bào)道高溫是誘導(dǎo)稻谷儲(chǔ)藏品質(zhì)劣變（黃變）的重要因素，劣變期間糧谷內(nèi)部過氧化物酶、過氧化氫異構(gòu)酶等抗氧化酶含量提升，黃酮類代謝產(chǎn)物富集，支鏈氨基酸、脯氨酸濃度增大。現(xiàn)階段，中國國儲(chǔ)糧庫和大型商業(yè)糧倉常用的低溫儲(chǔ)糧技術(shù)是機(jī)械通風(fēng)和機(jī)械制冷結(jié)合的方式[8]?？蒲腥藛T研究發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏既可以保持儲(chǔ)糧品質(zhì)，也能夠降低低溫儲(chǔ)糧設(shè)備的能耗[9-11]。準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧是指365 d儲(chǔ)藏期間糧食平均溫度不超過20 ℃，局部位置溫度不超過25 ℃[12]。

相比機(jī)械制冷儲(chǔ)糧的巨大能耗，自然冷源蓄冷儲(chǔ)糧具有微能耗或無能耗、綠色清潔的優(yōu)勢。受地球公轉(zhuǎn)影響，中高緯度地區(qū)冬季擁有豐富的自然冷源，包括風(fēng)冷、冰、雪等，但受蓄冷技術(shù)不足的影響，自然冷源有效利用率較低。近年來，相關(guān)學(xué)者嘗試?yán)米匀焕湓葱罾浼夹g(shù)進(jìn)行儲(chǔ)糧[13]。Jing等[14-15]設(shè)計(jì)并制作了太陽能吸附制冷裝置，利用太陽能提供動(dòng)力實(shí)現(xiàn)了低溫儲(chǔ)糧，但冷量倉內(nèi)擴(kuò)散需要風(fēng)機(jī)，且循環(huán)水源設(shè)置于倉頂存在泄漏隱患。Kumar等[16]開發(fā)的雪冷系統(tǒng)降低了制冷裝置的能源消耗和溫室氣體排放，但對于降雪較少的地區(qū)實(shí)用性較小，且雪儲(chǔ)存?zhèn)}密閉性和保溫性能建造標(biāo)準(zhǔn)較高。Luo等[17]發(fā)現(xiàn)太陽能吸附制冷機(jī)夏季儲(chǔ)糧可以保持倉內(nèi)上層糧食溫度低于20 ℃，但室外溫度未達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行的光照溫度（29～34 ℃）前，倉內(nèi)環(huán)境溫度已高于糧食儲(chǔ)藏的適宜溫度。本團(tuán)隊(duì)基于自主開發(fā)的自然冷源蓄冷技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作了微型熱管低溫儲(chǔ)糧倉，用氟利昂R22為熱管循環(huán)工質(zhì)，借助熱管將自然冷能蓄積到糧倉降溫并抑制蟲害發(fā)生，但氟利昂的使用存在破壞臭氧層的不足[9,18-19]。

新型碳?xì)渲评鋭℉CR134a、R600a和R290等）作為傳統(tǒng)氟利昂的替代制冷劑，具有環(huán)境友好型、高效節(jié)能等優(yōu)勢。新型碳?xì)渲评鋭﹥H由C、H元素構(gòu)成，消耗臭氧潛能值（Ozone Depletion Potential，ODP）為0，全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）<1[20-21]。HCR22是替代氟利昂R22的新型碳?xì)渲评鋭?，是丙烷和丁烷的混合烷烴。本團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)，低溫?zé)峁芸梢允褂肏CR22替換R22進(jìn)行單向?qū)嵝罾?，且HCR22充注量僅為R22的1/3[20]。

基于前期研究基礎(chǔ)，本研究使用冬季環(huán)境的寒冷空氣作為自然冷源，設(shè)計(jì)并制作了無能耗、環(huán)境友好型的自然冷源蓄冷低溫試驗(yàn)糧倉，使用無氟制冷劑HCR22作為熱管循環(huán)工質(zhì)，結(jié)合重力熱管單向?qū)岬奶攸c(diǎn)將自然冷源積貯到糧倉并維持全年準(zhǔn)低溫。對比R22制冷劑，測試HCR22用于糧倉熱管的蓄冷效果，實(shí)時(shí)記錄365 d儲(chǔ)糧周期內(nèi)熱管蓄冷能力和糧倉不同位置溫度變化，以期為中高溫緯度地區(qū)利用新型碳?xì)渲评鋭〩CR22實(shí)現(xiàn)無能耗、環(huán)境友好型的準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧提供科學(xué)依據(jù)。

1 環(huán)境友好型糧倉設(shè)計(jì)及儲(chǔ)糧測試

1.1 環(huán)境友好型糧倉設(shè)計(jì)

環(huán)境友好型糧倉結(jié)構(gòu)主要包括糧谷倉房、熱管組、實(shí)時(shí)溫度檢測裝置、結(jié)露控制系統(tǒng)和壓力檢測器等，如圖1所示。

①壓力檢測器②熱管冷凝段③冷凝液下降通道④蒸汽上升通道⑤電磁閥⑥HCR22熱管倉房⑦R22熱管倉房⑧無熱管倉房⑨結(jié)露控制系統(tǒng)⑩實(shí)時(shí)溫度檢測系統(tǒng)

1.1.1 糧谷倉房

為了對比低溫?zé)峁軅}房與無熱管倉房、熱管倉房使用HCR22制冷劑與R22制冷劑的蓄冷效果，在山東省青島市建造了尺寸完全相同的3個(gè)小倉房（試驗(yàn)糧倉），如圖1b所示，標(biāo)記⑥為HCR22熱管倉房、⑦為R22熱管倉房和⑧為無熱管倉房，其中，⑥和⑦倉房內(nèi)安裝結(jié)構(gòu)相同的熱管組。參考《糧食倉庫建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)建標(biāo)172-2016》和青島第2糧庫高大平房倉尺寸，試驗(yàn)糧倉每個(gè)倉房的長×寬×高皆為1 200 mm×800 mm×1 000 mm，倉容為300 L，倉體構(gòu)造為保溫層-鋼結(jié)構(gòu)-保溫層。

1.1.2 低溫?zé)峁芙M循環(huán)系統(tǒng)

熱管被譽(yù)為熱的“超導(dǎo)體”，通過充填的循環(huán)工質(zhì)相變完成小溫差單向、高效傳熱[9,22]。本試驗(yàn)所用熱管組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考了作者前期工作[20,23]和張巖等[24]設(shè)計(jì)的小型熱管儲(chǔ)糧系統(tǒng)。圖2為試驗(yàn)糧倉測溫點(diǎn)分布圖。由圖2可知，糧倉結(jié)構(gòu)主要包括蒸發(fā)段、冷凝段、連接段和壓力檢測器等部件。其中，蒸發(fā)段、冷凝段和連接段的材質(zhì)為紫銅，蒸發(fā)段整體結(jié)構(gòu)為長方體框架，安裝在糧谷倉房內(nèi)；冷凝段為排管式結(jié)構(gòu)，各連接處使用金屬銀焊接；此外，為提高其熱交換能力，冷凝段排管表面安裝紫銅材質(zhì)翅片，冷凝段固定安裝在室外自然冷源環(huán)境中。連接段位于蒸發(fā)段和冷凝段之間，包括蒸汽上升通道和冷凝液下降通道，蒸發(fā)段、連接段和冷凝段接通形成循環(huán)系統(tǒng)。為避免熱管循環(huán)工質(zhì)蒸汽在連接段與自然冷源熱交換形成逆流阻力，進(jìn)而削弱冷凝段換熱效果，在連接段蒸汽上升通道的外壁覆蓋保溫、防水材料。

本研究所用熱管組類型為分離式重力熱管。室外環(huán)境溫度降低到5 ℃以下，熱管冷凝段與蒸發(fā)段溫差達(dá)到熱管啟動(dòng)溫差，蒸發(fā)段內(nèi)部液態(tài)制冷劑吸收糧堆熱量發(fā)生汽化現(xiàn)象，飽和蒸汽攜帶汽化潛熱受微小壓差影響上升到冷凝段，與自然冷源進(jìn)行熱交換釋放攜帶的潛熱，同時(shí)液化為液態(tài)制冷劑，在重力影響下自發(fā)匯集于蒸發(fā)段，完成一次熱管工質(zhì)循環(huán)[9,18]。熱管組內(nèi)制冷劑持續(xù)吸熱蒸發(fā)、冷凝放熱的工質(zhì)循環(huán)過程，熱量從高溫段傳遞至低溫段，糧堆熱量導(dǎo)出、自然環(huán)境冷量導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)糧谷倉房自然冷源積聚，整個(gè)循環(huán)過程無需任何能耗。

1.1.3 實(shí)時(shí)溫度檢測裝置

本研究中各處布溫點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度檢測使用T型熱電偶，布點(diǎn)方法參考文獻(xiàn)[25]。如圖2所示，HCR22熱管倉房分布1～19號(hào)測溫點(diǎn)，測定儲(chǔ)糧過程中HCR22熱管倉房溫度變化；R22熱管倉房對照位置布20～38號(hào)測溫點(diǎn)，測定R22熱管倉房溫度變化；無熱管倉房對照位置布41～57號(hào)測溫點(diǎn)，測定無熱管倉房溫度變化。39號(hào)、40號(hào)測溫點(diǎn)分別設(shè)置在HCR22倉房冷凝段和R22倉房冷凝段的周邊位置，測定儲(chǔ)糧過程中糧倉周邊溫度變化。58號(hào)測溫點(diǎn)設(shè)置在倉房周圍室內(nèi)環(huán)境中，測定室內(nèi)環(huán)境的溫度；59號(hào)測溫點(diǎn)設(shè)置在室外環(huán)境中，測定自然冷源的溫度。多路溫度記錄儀（TP1000-64，TOPRIE）及配套軟件Temp Curve進(jìn)行儲(chǔ)藏過程中溫度測點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和記錄，數(shù)值精度±0.2℃，采集間隔4 s/次。

1.1.4 結(jié)露控制系統(tǒng)

自然冷源溫度變化受到大氣寒流和光照強(qiáng)度等多因素干預(yù)，存在較大的晝夜溫差值，導(dǎo)致靠近熱管蒸發(fā)段的小麥層發(fā)生結(jié)露問題，參考文獻(xiàn)[13,17]，將熱管組連接段添加結(jié)露控制系統(tǒng)，預(yù)設(shè)8 ℃作為電磁閥的溫控設(shè)定值。

結(jié)露控制系統(tǒng)的工作原理：蒸發(fā)段周圍小麥均溫與外界環(huán)境溫度的差值低于設(shè)定值，電磁閥常開狀態(tài)，熱管組保持工作模式，其他工況時(shí)，電磁閥關(guān)閉，熱管組停止運(yùn)行。

注：1～19為HCR22熱管倉房測溫點(diǎn)，20～38為R22熱管倉房對照位置測溫點(diǎn)，41～57為無熱管倉房對照位置測溫點(diǎn)。39號(hào)測溫點(diǎn)設(shè)置在HCR22倉房冷凝段周邊位置，40號(hào)測溫點(diǎn)設(shè)置在R22倉房冷凝段周邊位置，測定儲(chǔ)糧過程中溫度變化。58號(hào)測溫點(diǎn)設(shè)置在倉房周圍室內(nèi)環(huán)境中，測定室內(nèi)環(huán)境的溫度；59號(hào)測溫點(diǎn)設(shè)置在室外環(huán)境中，測定外界自然冷源的溫度。

1.2 儲(chǔ)糧期間熱管性能及小麥品質(zhì)特性測試

1.2.1 糧倉蓄冷能力試驗(yàn)

HCR22熱管倉房內(nèi)熱管組工質(zhì)使用HCR22冷劑，R22熱管倉房中熱管組內(nèi)充注R22冷劑，無熱管倉房不充注。熱管組工況檢測完成后，向3個(gè)倉房內(nèi)裝填相同質(zhì)量小麥。小麥由青島第二糧庫提供，為當(dāng)年新入倉、廣泛種植品種的小麥樣品。當(dāng)室外環(huán)境最低溫度連續(xù)低于5 ℃，即熱管組冷凝段與倉內(nèi)蒸發(fā)段周圍小麥的溫差超過熱管啟動(dòng)溫差時(shí)，熱管組內(nèi)制冷工質(zhì)啟動(dòng)，HCR22和R22熱管倉房執(zhí)行無能耗蓄冷模式。365 d儲(chǔ)糧期間，連續(xù)采集并記錄各測溫點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，分析環(huán)境友好型糧倉的蓄冷能力。

1.2.2 小麥品質(zhì)變化測定

1）小麥籽粒含水量檢測參照《GB/T 5497—1985 糧食、油料檢測水分測定法》測定[26]。

2）小麥籽粒電導(dǎo)率值檢測使用電導(dǎo)率儀（S230-K，Mettler Toledo），取試驗(yàn)樣本50粒小麥，平行樣本稱質(zhì)量差值≤0.01 g，蒸餾水沖洗后用濾紙去除表面水，在100 mL、20 ℃恒溫去離子水中浸泡24 h，分別測出浸出液的電導(dǎo)率值（S/cm）和去離子水的電導(dǎo)率值（S/cm），則籽粒浸出液的電導(dǎo)率值1（S/cm）=-。

2 結(jié)果與分析

2.1 測溫點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)分析

2.1.1 糧倉小麥均溫變化規(guī)律

圖3為試驗(yàn)糧倉小麥溫度變化。由圖3可知，HCR22熱管倉房和R22熱管倉房的糧食平均溫度持續(xù)低于16 ℃，符合《GB/T 29890—2013 糧油儲(chǔ)藏技術(shù)規(guī)范》[12]的準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏。由溫度統(tǒng)計(jì)曲線可以看出，HCR22熱管倉房和R22熱管倉房的小麥平均溫度波動(dòng)平緩，大部分時(shí)間比對照倉房小麥平均溫度值低7 ℃。此外，HCR22熱管倉房小麥平均溫度比R22熱管倉房低0.6 ℃，由此推斷，低溫?zé)峁苓x用新型無氟制冷劑HCR22作為循環(huán)工質(zhì)利用自然冷源蓄冷儲(chǔ)糧的效果較氟利昂制冷劑R22更優(yōu)。原因是HCR22制冷劑的汽化潛熱值（428 kJ/kg）高于R22制冷劑（233 kJ/kg）。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，糧食入倉后，HCR22熱管倉房和R22熱管倉房內(nèi)糧食平均溫度自11月27日起低于無熱管倉房，表明此時(shí)熱管組啟動(dòng)并執(zhí)行蓄冷工作。熱管倉房糧食平均溫度在第54天時(shí)下降至0 ℃，HCR22熱管倉房糧食在第56天時(shí)達(dá)到最低溫度-3.1 ℃，同樣的，R22熱管倉房達(dá)到最低溫度-2.3 ℃，而無熱管倉房糧食平均溫度為8 ℃。綜上所述，熱管組運(yùn)行后，通過工質(zhì)循環(huán)到自然冷源蓄積到倉內(nèi)。次年3月15日，室外環(huán)境平均溫度漸漸高于糧食平均溫度，此時(shí)，熱管內(nèi)部制冷工質(zhì)循環(huán)終止，自此，熱管倉房使用蓄冷期間儲(chǔ)存的冷量維持倉內(nèi)小麥準(zhǔn)低溫環(huán)境。

注：統(tǒng)計(jì)時(shí)間為9月25日至次年9月20日，溫度值為當(dāng)天平均溫度，以9月25日為第1天。H，HCR22熱管倉房；R，R22熱管倉房；N，無熱管倉房；O，室外環(huán)境；下同。

2.1.2 熱管組蒸發(fā)段溫度變化規(guī)律

由圖4可以看出，自然環(huán)境溫度與倉內(nèi)小麥溫度的差值達(dá)到熱管啟動(dòng)溫差后，熱管開始蓄冷，期間熱管組蒸發(fā)段溫度值隨外界冷源溫度變化表現(xiàn)出相對應(yīng)的波動(dòng)。熱管組蓄冷期間，蒸發(fā)段溫度低于冷源溫度5.0～8.0 ℃，HCR22熱管倉房蒸發(fā)段溫度值低于R22熱管倉房蒸發(fā)段0.8～1.2 ℃。

注：統(tǒng)計(jì)時(shí)間為11月15日至次年3月25日，溫度數(shù)據(jù)為當(dāng)天平均溫度。

自11月25日起，外界冷源溫度最低值維持在5 ℃以內(nèi)，滿足工質(zhì)循環(huán)啟動(dòng)要求，熱管組啟動(dòng)，蒸發(fā)段溫度驟降。數(shù)據(jù)分析顯示，熱管組啟動(dòng)后蓄冷運(yùn)行第56天，HCR22熱管倉房蒸發(fā)段溫度值達(dá)到最低示數(shù)-4.3 ℃，R22熱管倉房蒸發(fā)段溫度顯示最低值-3.2 ℃。自第2年3月10日起氣溫回升，外界冷源的日均溫度逐漸高于熱管倉房蒸發(fā)段周圍小麥平均溫度值，熱管組終止工作。據(jù)統(tǒng)計(jì)，HCR22熱管倉房熱管組工作時(shí)間是11月25日起至第2年3月10日，共計(jì)蓄冷108 d。

2.1.3 HCR22倉糧堆內(nèi)部溫度變化規(guī)律

圖5 為HCR22熱管倉房中糧堆內(nèi)部溫度變化，研究發(fā)現(xiàn)HCR22熱管倉房熱管組工作期間，冷量由小麥糧堆內(nèi)部向外擴(kuò)散，即低溫?zé)峁軆?chǔ)糧的“冷心”情景。此狀態(tài)出現(xiàn)的原因是小麥采收后晾干入倉，作為儲(chǔ)糧的小麥籽粒仍然保持一定活性，倉內(nèi)相對密閉的環(huán)境下，長期堆積和籽粒呼吸共同導(dǎo)致堆積產(chǎn)熱；HCR22熱管倉房熱管組運(yùn)行后，外界冷源通過熱管組蒸發(fā)段進(jìn)入倉內(nèi)并不斷蓄積，蒸發(fā)段周圍小麥層最先接觸冷源，通過冷能持續(xù)集聚并逐漸向外糧層傳遞，維持整個(gè)倉房降溫，因此，糧堆內(nèi)部溫度較低。結(jié)合圖2和圖5可知，編號(hào)16測溫點(diǎn)設(shè)置在HCR22熱管倉房熱管組蒸發(fā)段下層的中間位點(diǎn)，蒸發(fā)段特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致此處接受制冷工質(zhì)蒸發(fā)吸熱和液化放熱后低溫制冷工質(zhì)的作用最大，因此，其溫度值最低。編號(hào)12測溫點(diǎn)設(shè)置在HCR22熱管倉房熱管組蒸發(fā)段靠近蒸汽上行通道的位置，此處接受蒸發(fā)段內(nèi)制冷工質(zhì)蒸發(fā)吸熱的作用較弱，因此，其溫度值最高。編號(hào)15測溫點(diǎn)設(shè)置在HCR22熱管倉房熱管組蒸發(fā)段上、下層的中間位置；因小麥屬于非熱導(dǎo)體、傳熱較弱的緣故，因此，其溫度值比編號(hào)14和編號(hào)16測溫點(diǎn)更大。除此之外，圖中HCR22熱管倉房內(nèi)部不同位置的5個(gè)測溫點(diǎn)溫度值變化規(guī)律顯示，小麥糧層最高與最低溫度值的差值是2.2 ℃，由此推斷，現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，通過提升熱管組蒸發(fā)段的有效散熱面積可以進(jìn)一步使倉內(nèi)儲(chǔ)糧小麥各深度糧層平均溫度下降，也可以通過增設(shè)倉內(nèi)循環(huán)風(fēng)道提高冷能擴(kuò)散[14-15]。

注：統(tǒng)計(jì)時(shí)間為11月25日至次年3月10日，溫度數(shù)據(jù)為當(dāng)天平均溫度。

2.2 小麥儲(chǔ)藏品質(zhì)變化特征

2.2.1 小麥籽粒含水量變化規(guī)律

小麥采收后晾曬至安全入倉含水量，常規(guī)倉儲(chǔ)期間，倉房通風(fēng)降溫、除濕過程伴隨小麥水分含量損失，間接地提高了倉儲(chǔ)成本，有效控制儲(chǔ)糧失水是倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)的重要工作[27]。環(huán)境友好型低溫試驗(yàn)糧倉利用熱管組將外界自然冷源蓄積到糧堆內(nèi)部，有效避免了通風(fēng)道周圍氣流快速流動(dòng)導(dǎo)致的儲(chǔ)糧水分散失。如圖6所示，HCR22熱管倉房和R22熱管倉房儲(chǔ)糧小麥含水量下降幅度小于無熱管倉房，HCR22熱管倉房小麥水分含量下降0.29%，R22熱管倉房降低0.30%，無熱管倉房下降0.56%，可見，HCR22熱管倉房儲(chǔ)糧含水量損耗比無熱管倉房更低。推斷其原因，應(yīng)是熱管倉房較低的空氣溫度不利于糧層間自由水遷移。

注：統(tǒng)計(jì)時(shí)間同圖3。

2.2.2 小麥籽粒電導(dǎo)率值變化規(guī)律

小麥種子浸出液的電導(dǎo)率變化規(guī)律可以表征倉儲(chǔ)期間膜脂過氧化作用對細(xì)胞膜的破壞程度，細(xì)胞膜受損程度越大，胞內(nèi)電解質(zhì)擴(kuò)散越快，電導(dǎo)率數(shù)值越高[28]，如圖7所示。

注：統(tǒng)計(jì)時(shí)間同圖3。

由圖7可知，HCR22熱管倉房小麥種子電導(dǎo)率值提升4.20S/cm，R22熱管倉房提升4.40S/cm，無熱管倉房提升10.11S/cm，由此推斷，HCR22熱管倉房可以延緩倉儲(chǔ)期間膜脂過氧化作用對細(xì)胞膜的損傷。

3 結(jié) 論

本文提供了一種綠色儲(chǔ)糧技術(shù)的環(huán)境友好型低溫試驗(yàn)糧倉，使用新型環(huán)保制冷劑HCR22作為熱管工質(zhì)，熱管組工作時(shí)間是11月25日至次年3月10日，共計(jì)蓄冷108 d，期間倉內(nèi)各測溫點(diǎn)小麥糧層降溫平緩，第54天糧食降溫至0 ℃，最低溫度為-3.1 ℃，365 d儲(chǔ)藏周期內(nèi)小麥溫度維持在16 ℃內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了低溫或準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏。倉內(nèi)準(zhǔn)低溫環(huán)境減緩了小麥籽粒水分散失，減弱了膜脂過氧化作用對種子細(xì)胞膜的破壞程度，儲(chǔ)藏期間小麥含水量下降0.29%，籽粒浸出液電導(dǎo)率值提升4.20S/cm。

本研究設(shè)計(jì)的環(huán)境友好型低溫試驗(yàn)糧倉，可在標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)糧庫高大平房倉的框架結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改裝，蒸發(fā)段、連接段和冷凝段采用銅制管材，熱管組配合倉房通風(fēng)降溫系統(tǒng)使用，節(jié)省了制冷設(shè)備的購置和使用費(fèi)用。建議在中高緯度地區(qū)冬季寒冷且時(shí)間較長地區(qū)建造本文設(shè)計(jì)的環(huán)境友好型低溫試驗(yàn)糧倉。本文儲(chǔ)糧技術(shù)的應(yīng)用有利于促進(jìn)無能耗、綠色儲(chǔ)糧技術(shù)升級(jí)，對節(jié)能減損、提升儲(chǔ)糧品質(zhì)具有重要意義。今后研究重點(diǎn)需開發(fā)糧層間冷量輔助擴(kuò)散裝置，提升蓄積冷能及時(shí)、均勻擴(kuò)散，降低糧層間溫差。

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Temperature dynamics of the heat-pipe low-temperature grain storage with fluorine-free refrigerant HCR22

Liu Jinguang1,2, Liu Yuqian3, Wang Shiqing1,2※, Lin Xinru3, Qu Yanan3, Jiang Wenli1,2

(1.,,266109,; 2.,266109,; 3.,,271018,)

Storage quality has posed a great influence on the grain security in recent years. It is of great social significance to improve the management level of warehousing for the high quality of stored grain. Traditional grain storage cannot fully meet large-scale production, due to the high energy consumption and environmental problems. It is necessary to develop the green technology of low-temperature grain storage by mechanical refrigeration. In this study, an environment-friendly low-temperature granary was designed using the natural coldness resource. The cold storage was used as the heat pipe with the fluorine-free refrigerant HCR22. The heat-pipe low-temperature grain storage was mainly composed of the grain warehouse, heat pipe group, real-time temperature detection system, dewing control system, and pressure detector. The new fluorine-free hydrocarbon refrigerant HCR22 was selected as the circulating medium of the heat pipe group, rather than the traditional Freon refrigerant R22. A test granary was installed to verify the practical feasibility of the low-temperature heat-pipe system. The test position was selected in the middle and high latitudes with a temperate monsoon climate, located in the Chengyang District, Qingdao, Shandong Province, China (120°12′ E, 36°20′ N). The dynamic parameters of grain temperature were measured in the different positions at the evaporation section of the HCR22 and R22 heat-pipe warehouse using a multi-channel temperature recorder during 365-day grain storage. The warehouse without a heat pipe was set as the control group. An electrical conductivity meter was also utilized to detect the moisture content of wheat and the conductivity of grain leaching solution. The results showed that the HCR22 refrigerant performed the lower temperature grain storage with the natural cold source in the heat-pipe cold storage, compared with the Freon refrigerant R22. The running time of the HCR22 heat-pipe warehouse was from November 25 to March 10 of the next year (a total of 108 days of cold storage). The cyclic process of the heat-pipe cold storage was characterized by the steam rising and the condensate dropping. The external and natural cold source was then accumulated gradually into the grain pile, indicating the “cold core” phenomenon. The accumulated cold energy was diffused finally into each grain layer. The lowest and average temperatures of wheat were achieved at -3.10 ℃ and lower than 16 ℃, respectively, after the 365-day grain storage in the HCR22 heat-pipe warehouse. There was an even and gentle drop of temperature in the different positions inside the granary, indicating the low or quasi-low temperature storage. There was lower water loss of wheat grains and lower damage of membrane lipid peroxidation on the seed cell membrane under the quasi-low temperature environment in the HCR22 heat-pipe warehouse. Specifically, the moisture content of wheat decreased by 0.29%, whereas, the conductivity of grain leaching solution increased by 4.20S/cm during storage. The energy-free and environmentally friendly grain storage can be expected for the middle and high latitudes. The finding can provide a scientific basis to upgrade technology in green grain storage.

temperature; grain; storage;fluorine-free refrigerant; low-temperature heat pipe; nature coldness resource

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.032

TS210.1

A

1002-6819(2022)-20-0286-07

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Liu Jinguang, Liu Yuqian, Wang Shiqing, et al. Temperature dynamics of the heat-pipe low-temperature grain storage with fluorine-free refrigerant HCR22[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 286-292. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.032 http://www.tcsae.org

2022-08-23

2022-09-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32102049，31271963）

劉金光，博士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)槭称钒踩２嘏c工程。Email: jgliu1024@163.com

王世清，博士，教授，研究方向農(nóng)產(chǎn)品安全儲(chǔ)藏及工程。Email: wangshiqing@126.com