南亞熱帶地區(qū)稻谷立筒倉(cāng)智能化降溫通風(fēng)試驗(yàn)

韓志強(qiáng) 林 乾 陳 亮 李興軍 吳子丹，3 何東升 王麗娜 吳曉明

(廣州嶺南穗糧谷物股份有限公司1，廣州 510800)(國(guó)家糧食局科學(xué)研究院2，北京 100037)(吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院3，長(zhǎng)春 130024)(天津市明倫電子科技有限公司4，天津 300384)

鋼筋混凝土立筒倉(cāng)占地少，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化操作，工作效率高，節(jié)省勞動(dòng)力及減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)具備良好的密閉、防蟲(chóng)鼠及防火性能。但立筒倉(cāng)因糧堆厚，自動(dòng)分級(jí)明顯，糧堆組成成分不均勻，糧層阻力大[1-3]。特別在南方沿海亞熱帶地區(qū)，冬季低溫時(shí)期較短，可通風(fēng)時(shí)機(jī)不多，如何及時(shí)把握低溫時(shí)機(jī)進(jìn)行降溫通風(fēng)是我國(guó)糧食智能化機(jī)械通風(fēng)研究的重要內(nèi)容之一。

廣州市糧食集團(tuán)下屬企業(yè)廣州嶺南穗糧谷物股份有限公司地處珠江出海口西岸，瀕臨南海，北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，12月下旬至次年2月上旬平均氣溫10 ℃，最低溫度6～7 ℃。如何利用這種自然的低溫空氣降低稻谷立筒倉(cāng)糧溫，本研究采用國(guó)家糧食局科學(xué)研究院近年研發(fā)的我國(guó)稻谷平衡水分?jǐn)?shù)據(jù)[4]及擬合方程[5]，以及與天津市明倫電子技術(shù)有限公司合作研發(fā)的智能化機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，試驗(yàn)?zāi)蟻啛釒У貐^(qū)稻谷立筒倉(cāng)智能化降溫通風(fēng)，以期對(duì)我國(guó)糧庫(kù)智能化建設(shè)有促進(jìn)作用。

1 材料與方法

1.1 倉(cāng)房條件及通風(fēng)方法

廣州嶺南穗糧谷物股份有限公司6棟稻谷立筒倉(cāng)2013年新建，內(nèi)直徑10 m，高22.3 m (其中下錐體高5.1 m，圓柱體高17.2 m)，墻體厚度20 cm，每倉(cāng)倉(cāng)容650 t，每倉(cāng)內(nèi)體積1483.65 m3。沿錐斗放射狀布置臥式風(fēng)道，單倉(cāng)四條風(fēng)道，地上籠開(kāi)孔率30%。試驗(yàn)倉(cāng)房及稻谷糧情如表1所示，裝糧高度11 m。

表1 實(shí)驗(yàn)稻谷立筒倉(cāng)基本情況

將離心風(fēng)機(jī)安裝在試驗(yàn)倉(cāng)房底部通風(fēng)口上，采用正壓壓入式通風(fēng)。打開(kāi)天窗，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后外界的冷空氣由通風(fēng)口進(jìn)入，由下而上經(jīng)過(guò)糧層，再由天窗排出倉(cāng)外。智能化通風(fēng)立筒倉(cāng)選取501號(hào)和301號(hào)，使用的離心風(fēng)機(jī)功率型號(hào)YX-90L-2 (2.2 kW)、YX-132S1-2 (5.5 kW)，它們的風(fēng)管直徑各是320 mm和400 mm； 進(jìn)風(fēng)口風(fēng)壓465和1520 Pa； 風(fēng)量3 040和5 881 m3·h-1；風(fēng)速10.5 m·s-1和13 m·s-1。對(duì)照倉(cāng)302號(hào)的離心風(fēng)機(jī)功率型號(hào)是4-72-5A (15 kW)。風(fēng)機(jī)2.2、5.5 kW及15 kW的轉(zhuǎn)速各是2 840、2 900、2 900 r/min。

智能化通風(fēng)系統(tǒng)由糧堆平衡絕對(duì)濕度曲線圖及露點(diǎn)查定軟件、糧情檢測(cè)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)組成，采用了數(shù)字溫度傳感器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、糧情檢測(cè)技術(shù)及儲(chǔ)糧通風(fēng)控制技術(shù)[6]。在通風(fēng)過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤糧堆與大氣溫濕度變化，依據(jù)“儲(chǔ)糧通風(fēng)窗口模型”判斷分析(圖1)，控制通風(fēng)作業(yè)的開(kāi)啟與關(guān)閉。該糧庫(kù)地處南亞熱帶，按機(jī)械通風(fēng)儲(chǔ)糧技術(shù)規(guī)程(LS/T 1202—2002)規(guī)定，允許降溫通風(fēng)的條件：糧堆溫度(tg)-大氣溫度(ta)≥3 ℃，糧堆平衡絕對(duì)濕度(EAHg)≤大氣平衡絕對(duì)濕度(AHa)，風(fēng)機(jī)就被啟動(dòng)。如圖1所示，根據(jù)稻谷糧食狀態(tài)點(diǎn)A(★)、吸附濕度線和RH=100%飽和濕度線確定降溫通風(fēng)窗口區(qū)域，大氣狀態(tài)點(diǎn)(◆)可在BCDFG窗口區(qū)域移動(dòng)。糧堆平衡絕對(duì)濕度，即糧堆濕含量，單位是g·m-3或者毫米汞柱[8]。

圖1 通風(fēng)窗口區(qū)

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.2.1 糧堆溫度

智能化糧情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)大氣溫度和相對(duì)濕度、倉(cāng)溫倉(cāng)濕，還有糧堆各點(diǎn)的溫度。在智能化通風(fēng)倉(cāng)房501號(hào)和301號(hào)倉(cāng)中，沿著糧堆中心和距離中心3 m布置2組測(cè)溫電纜，縱深每隔1 m為一層，11層共計(jì)21個(gè)點(diǎn)的糧堆溫度。對(duì)照302號(hào)倉(cāng)沿著糧堆中心和距離中心3 m共布置3組測(cè)溫電纜，縱深每隔1 m為一層，11層共計(jì)31個(gè)點(diǎn)的糧堆溫度。

1.2.2 單位通風(fēng)效率計(jì)算

1.2.3 糧堆水分及稻谷出米率、加工品質(zhì)

在智能化降溫通風(fēng)之前，單倉(cāng)糧堆扦樣是在糧面取5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)縱深每隔1 m取一樣，共計(jì)50個(gè)樣品。智能化降溫通風(fēng)結(jié)束后，單倉(cāng)沿著糧面中心縱深每隔1 m取一樣，共10個(gè)樣品。樣品含水率采用國(guó)標(biāo)GB 5497—1985和LDS-1G 谷物水分測(cè)定儀測(cè)定。出米率測(cè)定采用LTJM—2008精米機(jī)。稻谷加工品質(zhì)測(cè)定采用JMWT12大米外觀品質(zhì)檢測(cè)儀。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，同一數(shù)據(jù)三個(gè)平行測(cè)定，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。LSD檢驗(yàn)中同一列不相同小寫(xiě)字母表示樣品之間差異顯著(P<0.05)。

2 結(jié)果分析

2.1 稻谷立筒倉(cāng)智能化降溫通風(fēng)期間糧堆溫度變化

圖2 智能化降溫通風(fēng)期間大氣溫濕度和試驗(yàn)倉(cāng)倉(cāng)濕的變化

圖2顯示了智能化機(jī)械通風(fēng)期間大氣溫濕度和倉(cāng)濕的變化。本次試驗(yàn)期間(1月11日～2月7日)，智能化糧情巡檢系統(tǒng)記錄的大氣溫度和相對(duì)濕度(RH)及智能化通風(fēng)倉(cāng)501號(hào)和301號(hào)的倉(cāng)濕大多數(shù)在夜間。1月14日～1月26日期間，大氣夜間溫度在18 ℃左右變動(dòng)，1月26日之后，大氣溫度低于15 ℃。1月11日～2月7日期間301號(hào)倉(cāng)的RH始終低于60%，而501號(hào)倉(cāng)的RH在1月28日～2月6日期間高于60%。這可能是由于301倉(cāng)采用5.5 kW的離心風(fēng)機(jī)，與501號(hào)倉(cāng)2.2 kW的離心風(fēng)機(jī)比較，容易將糧面濕空氣吹走。

圖3是501號(hào)倉(cāng)降溫通風(fēng)期間糧堆溫度的變化。稻谷501號(hào)立筒倉(cāng)采用2.2 kW的離心風(fēng)機(jī)智能化通風(fēng)，在1月23日～2月7日期間降低糧堆均溫。且1月16日～2月7日期間糧堆最高與最低溫度之差平均4.1 ℃。此通風(fēng)系統(tǒng)抓住了降溫通風(fēng)時(shí)機(jī)，快速地將糧堆均溫降到12.4 ℃，且整個(gè)糧堆溫度差小而濕熱分布均勻。盡管1月19日～2月1日夜間大氣相對(duì)濕度高于70%，但是采用小功率的離心風(fēng)機(jī)通風(fēng)，糧堆平均水分保持不變，且從糧堆底部到糧面，相鄰兩層之間的水分之差為0.12%～0.70%。

通風(fēng)結(jié)束時(shí)(2月7)，501號(hào)倉(cāng)的頂層(1 m)、中間層(5 m)、底層(10 m)的平均溫度分別是12.3、13.4 ℃及10.6 ℃，底層與頂層溫度之差顯著低于我國(guó)糧食機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(LS/T 1202—2002)規(guī)定的淺圓倉(cāng)10 ℃。這表明糧堆濕熱分布均勻，無(wú)水分遷移現(xiàn)象發(fā)生，與糧堆扦樣水分檢測(cè)的結(jié)果是一致的。

圖3 智能化降溫通風(fēng)期間501號(hào)倉(cāng)(2.2 kW風(fēng)機(jī))糧堆溫度變化

圖4是301倉(cāng)降溫通風(fēng)期間糧堆溫度的變化。采用5.5 kW的離心風(fēng)機(jī)智能化降溫通風(fēng)，在1月22日～2月2日期間降低糧堆均溫。且1月16日～2月2日期間糧堆最高與最低溫度之差平均3.2 ℃。此智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)抓住了降溫通風(fēng)時(shí)機(jī)，快速地將糧堆溫度降到13.8 ℃，且整個(gè)糧堆溫度差小而濕熱分布均勻。1月19日～2月1日夜間大氣相對(duì)濕度高于70%，糧堆平均水分不顯著地增加了0.2%，且從糧堆底部到糧面，相鄰兩層之間的水分之差為0.04%～0.88%。通風(fēng)結(jié)束時(shí)(2月2)，301倉(cāng)的頂層(1 m)、中間層(5 m)、底層(10 m)的平均溫度分別是13.0、15.1 ℃及11.5 ℃。

圖4 智能化降溫通風(fēng)期間301倉(cāng)(5.5 kW風(fēng)機(jī))糧堆溫度變化

圖5是試驗(yàn)對(duì)照倉(cāng)302降溫通風(fēng)期間糧堆溫度的變化。采用15 kW的離心風(fēng)機(jī)12月初、1月下旬各降溫通風(fēng)一次，每次風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)20 h，2月5日糧堆最高、最低及平均溫度各是20.2 ℃、15.6 ℃及18.0 ℃；糧堆頂層(1 m)、中間層(5 m)、底層(10 m)的平均溫度分別是16.8 ℃、18.9 ℃及18.0 ℃。

圖6是501號(hào)倉(cāng)和301號(hào)倉(cāng)降溫通風(fēng)期間糧堆平均溫度與大氣溫度的比較。從1月16日至2月7日之間，大氣溫度由21.8 ℃降到12 ℃，采用5.5 kW離心風(fēng)機(jī)的301號(hào)倉(cāng)糧堆降溫速率快于采用2.2 kW離心風(fēng)機(jī)的501號(hào)倉(cāng)。表2和表3是兩個(gè)智能化降溫通風(fēng)試驗(yàn)倉(cāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)。采用智能化通風(fēng)控制系統(tǒng)，301號(hào)倉(cāng)糧堆平均溫度由19.2 ℃降到13.8 ℃，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)了72.9 h；501號(hào)倉(cāng)糧堆平均溫度由20.9 ℃降到12.4 ℃，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)了148.6 h。

圖5 冬季降溫通風(fēng)期間對(duì)照倉(cāng)(302號(hào))糧堆溫度變化

圖6 智能化降溫通風(fēng)期間兩個(gè)倉(cāng)糧堆平均溫度與氣溫變化

表2 稻谷立筒倉(cāng)301號(hào)5.5 kW離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間

表3 稻谷立筒倉(cāng)501號(hào)2.2 kW離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間

2.2 稻谷立筒倉(cāng)智能化降溫通風(fēng)效果

2.2.1 降溫通風(fēng)能耗

從表4看出，裝糧高度11 m的稻谷立筒倉(cāng)(約650 t)，分別采用5.5 kW和2.2 kW的離心風(fēng)機(jī)上行式智能化降溫通風(fēng)，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)主要在夜間，在同樣大氣溫度和相對(duì)濕度條件下，當(dāng)糧堆與大氣溫差較小時(shí)，5.5 kW離心風(fēng)機(jī)較2.2 kW的離心風(fēng)機(jī)對(duì)糧堆降溫快。當(dāng)大氣溫度越低，糧堆與大氣溫差較大時(shí)，且通風(fēng)窗口期足夠長(zhǎng)的情況下，不同功率離心風(fēng)機(jī)對(duì)立筒倉(cāng)稻谷柱形糧堆的降溫速率是一樣的。采用5.5 kW和2.2 kW離心風(fēng)機(jī)的單位能耗，分別是0.087和0.047 kWh t-1℃-1。尤其是采用2.2 kW離心風(fēng)機(jī)的單位能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)照倉(cāng)房302單位能耗0.351 kWh t-1℃-1，有效地利用了南亞熱帶地區(qū)夜間低溫空氣和低價(jià)格的電能。

表4 稻谷立筒倉(cāng)智能化降溫通風(fēng)效果

2.2.2 糧堆水分變化

智能化降溫機(jī)械通風(fēng)前后，稻谷501立筒倉(cāng)糧堆平均含水率保持不變，且各層水分分布均勻(表5)。而稻谷301立筒倉(cāng)糧堆平均含水率不顯著地增加了0.2%，各層水分也分布均勻(表6)。對(duì)照倉(cāng)房302號(hào)立筒倉(cāng)糧堆平均水分減少了0.06%，各層水分分布均勻(表7)。

表5 稻谷501號(hào)立筒倉(cāng)智能化降溫通風(fēng)前后糧堆含水率

注：采用“十”字形扦樣，1A是糧面中心點(diǎn)，2A、3A、4A及5A各距離中心點(diǎn)4.5 m。以下同。

表6 稻谷301號(hào)立筒倉(cāng)智能化降溫通風(fēng)前后糧堆含水率

表7 稻谷302號(hào)立筒倉(cāng)1月和2月糧堆含水率/%

2.2.3 稻谷加工品質(zhì)

進(jìn)一步分析稻谷加工品質(zhì)，如表8～表9，與對(duì)照倉(cāng)房302立筒倉(cāng)內(nèi)稻谷比較，智能化降溫通風(fēng)倉(cāng)301、501內(nèi)稻谷出米率均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，增加不顯著。籽粒長(zhǎng)寬比增加，不完善率、黃粒米率、堊白度呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

表8 稻谷立筒倉(cāng)智能化降溫通風(fēng)前后

3 討論與結(jié)論

到20世紀(jì) 60 年代中期，在濕熱氣候如澳大利亞、巴西、印度、以色列也試驗(yàn)降溫通風(fēng)技術(shù)，充分利用亞熱帶地區(qū)冬季和夜間的陰涼，冬季冷卻的糧堆能夠保持低溫幾個(gè)月，延續(xù)到次年夏季[7-9]。降溫通風(fēng)技術(shù)在亞熱帶一些國(guó)家已經(jīng)成為常規(guī)儲(chǔ)糧技術(shù)[7]。我國(guó)許多學(xué)者認(rèn)為南方沿海高溫高濕地區(qū)無(wú)雪無(wú)霜，如何在有限的低溫期快速降低糧溫，確保立筒倉(cāng)儲(chǔ)糧安全過(guò)冬是一難題。謝維治等[2]在2009年11月5～22日期間對(duì)珠海庫(kù)中3棟1 000 t玉米立筒倉(cāng)采用3 kW的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行人工控制的吸出式降溫通風(fēng)，降低溫度3.5～5.2 ℃，單位能耗是0.123～0.254 kW h t-1℃-1。本研究在2018年1月16日～2月7日期間對(duì)廣州南沙區(qū)2棟650 t稻谷立筒倉(cāng)采用2.2～5.5 kW的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行智能化的壓入式降溫通風(fēng)，降低溫度5.6～8.5 ℃，單位能耗是0.047～0.087 kWh t-1℃-1，與當(dāng)?shù)厝斯た刂频奈鍪浇禍赝L(fēng)單位能耗(0.127 kWh t-1℃-1)比較，顯著節(jié)約電能54%～75%?；诘竟菴AE方程和降溫通風(fēng)窗口模型的智能化通風(fēng)系統(tǒng)，可充分利用廣州地區(qū)冬季(約2個(gè)月)最低溫度(6～7 ℃)，把糧堆冷卻下來(lái)。

稻谷冬季降溫通風(fēng)是糧堆放熱過(guò)程，本研究中智能化通風(fēng)風(fēng)機(jī)共計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)72.9 h或148.6 h，經(jīng)歷了20多天或1個(gè)月，每天循環(huán)發(fā)生糧堆放熱-靜止平衡這一過(guò)程，與大功率風(fēng)機(jī)比較糧堆放熱過(guò)程不劇烈，對(duì)籽粒脅迫作用小，籽粒品質(zhì)指標(biāo)變化小。

本研究的結(jié)論是，與15 kW離心風(fēng)機(jī)比較，在廣州南沙區(qū)稻谷立筒倉(cāng)，冬季智能化降溫通風(fēng)采用2.2 kW和5.5 kW的離心風(fēng)機(jī)顯著節(jié)省了耗電，充分利用了夜間低電價(jià)。在同樣大氣溫度和相對(duì)濕度條件下，當(dāng)糧堆與大氣溫差較小時(shí)，5.5 kW的風(fēng)機(jī)降低稻谷柱形糧堆的溫度快于2.2 kW的風(fēng)機(jī)。但是大氣溫度越低，糧堆與大氣溫差較大時(shí)，且通風(fēng)窗口期足夠長(zhǎng)的情況下，不同功率離心風(fēng)機(jī)對(duì)立筒倉(cāng)稻谷柱形糧堆的降溫速率是一樣的，從節(jié)約能耗的角度考慮盡可能選擇小功率風(fēng)機(jī)。

表9 稻谷立筒倉(cāng)智能化降溫通風(fēng)前后加工品質(zhì)變化

注：同一列相同小寫(xiě)字母表示通風(fēng)前后樣品差異不顯著。劃線表示測(cè)試指標(biāo)有改善的趨勢(shì)或改善顯著。