局部高水分稻谷糧堆發(fā)熱溫度模擬初步分析

張崇霞， 嚴(yán)曉平， 蔣雪梅， 朱延光， 何 洋， 馬一銘

(中儲糧成都儲藏研究院有限公司，成都 610091)

全世界，大約有三分之一的糧食損失于收獲后儲藏管理環(huán)節(jié)[1]。對糧食水分、溫度和害蟲感染的控制不當(dāng)是引起儲糧損耗的重要原因。糧食的高水分含量和高的糧溫容易引發(fā)糧堆發(fā)熱點。糧堆中發(fā)熱點的不斷發(fā)展，會導(dǎo)致發(fā)熱點內(nèi)糧食的損壞。糧堆中一旦出現(xiàn)局部溫度異常點，由于糧堆為熱的不良導(dǎo)體，產(chǎn)生的熱量無法有效擴散引起熱量聚集，進(jìn)而糧溫不斷攀升[2]。

目前，對糧堆中的溫度進(jìn)行監(jiān)測也是糧庫中普遍采用的方法。同時，國內(nèi)外學(xué)者對糧倉內(nèi)部溫度場及相關(guān)指標(biāo)監(jiān)測做了大量的研究，以期找到更為科學(xué)、有效的對發(fā)熱點進(jìn)行判斷的方法[3,4]。尹君等[5]利用溫度傳感器陣列監(jiān)測了鋼板淺圓倉內(nèi)小麥糧堆不同季節(jié)、不同位點的溫度變化情況。王小萌等[6]通過構(gòu)建溫、濕度場云圖，檢測二氧化碳?xì)怏w濃度和儲藏霉菌變化，揭示溫、濕度場與糧堆霉變的時空耦合關(guān)系。Jia等[7]建立了二維圓筒倉糧堆溫度場模型。Hammamia等[8]對筒倉內(nèi)溫度場和水分含量變化進(jìn)行了模擬研究。韓楓[4]對二氧化碳監(jiān)測法對儲糧早期霉變位點定位做了研究。這些研究豐富了儲糧生態(tài)系統(tǒng)理論體系，為糧情監(jiān)測提供了新的思路[9]。

雖然這方面的研究較多，但基于建立模型的成熟度不夠，或?qū)Z堆中的濕度、二氧化碳進(jìn)行監(jiān)測的難度和成本問題，目前在糧庫中，仍然是采用溫度監(jiān)測的方式，對儲糧糧情進(jìn)行監(jiān)測。因此，怎樣利用已采集的溫度糧情數(shù)據(jù)對糧堆的異常點進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)判已成為研究的重點，本文對偏高水分稻谷糧堆發(fā)熱點的溫度變化進(jìn)行了分析，以期為發(fā)熱點的發(fā)現(xiàn)、監(jiān)測和控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

采用2019年產(chǎn)于四川廣漢的秈稻兆優(yōu)5431，初始含水量為13.5%，容重為580 g/L，雜質(zhì)含量為0.7%。

1.2 主要儀器設(shè)備

數(shù)字式糧情檢測系統(tǒng)，LDZX-100KBS型立式壓力蒸汽滅菌器，JSC-800L型智能恒溫恒濕培養(yǎng)箱，AL204分析天平。

1.3 實驗方法

1.3.1 秈稻水分調(diào)節(jié)

將含水量13.5%的秈稻噴霧著水，邊加水邊攪拌，逐步調(diào)到水分為22.2%，然后裝入整理箱密封好，置于4 ℃冰箱平衡14 d。調(diào)制后，測定稻谷最終水分為22.3%。

1.3.2 模擬倉裝置

模擬倉裝置如圖1，為底面尺寸94 cm×94 cm、高80 cm長方體。四周為厚度10.6 mm的PE壓合蜂窩板，底座和頂蓋為PE塑料注塑而成。

圖1 模擬倉圖

1.3.3 儲藏模擬設(shè)置

模擬倉內(nèi)放置兩種不同含水量的稻谷，稻谷糧堆高度為0.8 m，將含水量為22.3%的稻谷裝到體積為0.4 m×0.4 m×0.4 m的不銹鋼網(wǎng)正方體結(jié)構(gòu)中，再將裝滿稻谷的不銹鋼網(wǎng)正方體置于模擬倉中心部位，其余部位稻谷含水量為13.5%。

1.4 測量指標(biāo)及方法

1.4.1 溫度

采用數(shù)字式糧情檢測系統(tǒng)檢測發(fā)熱點溫度變化，此系統(tǒng)包括溫度傳感器、主機、分機和軟件監(jiān)測系統(tǒng)。溫度傳感器布置在糧堆的中垂面上，傳感器探頭精度為±0.4 ℃。從圖1可以看出，每層有溫度監(jiān)測點3個，分3層，共9個溫度監(jiān)測點。

1.4.2 水分含量

實驗開始和結(jié)束時，在各溫度監(jiān)測點取樣檢測水分含量。方法參照GB/T 21305—2007 谷物及谷物制品水分的測定。

1.4.3 霉菌總數(shù)

實驗開始和結(jié)束時，在各溫度監(jiān)測點取樣檢測霉菌總數(shù)。方法參照GB 4789.15—2016 食品微生物學(xué)檢驗 霉菌和酵母計數(shù)。

1.5 統(tǒng)計方法

選取發(fā)熱點溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用Matlab處理數(shù)據(jù)，利用cubic插值法繪制發(fā)熱點溫度場云圖。使用Origin處理實驗中的溫度數(shù)據(jù)，繪制變化曲線和進(jìn)行線性擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)熱點總體溫度變化規(guī)律

對于高水分稻谷糧堆在1～39 d的儲藏過程中，由圖2可以看出溫度呈現(xiàn)先升高后下降的變化規(guī)律。第1～9 d為升溫階段，第9～11 d，各溫度監(jiān)測點糧溫相繼達(dá)到最高值，其中發(fā)熱點中心點B2最高溫度為43.8 ℃，距離B2點0.2 m的B1、B3、A2、C2點最高溫度在37.1～38.7 ℃，距離B2點0.28 m的A1、C1、A3、C3點最高溫度在32.1～34.9 ℃。在隨后的降溫階段，根據(jù)各監(jiān)測點降溫速率大小，可大致分為3個階段。同一溫度監(jiān)測點，在降溫第1階段的降溫速率大于在降溫第2階段的降溫速率。在降溫第3階段，各監(jiān)測點溫度變化平緩，緩慢與環(huán)境溫度趨于一致。

圖2 各監(jiān)測點溫度變化曲線

2.2 發(fā)熱點升溫階段的變化規(guī)律

從圖3可以看出，第1天中心點B2溫度偏低為21.6 ℃，這是由于實驗開始時稻谷從冰箱中取出，溫度未完全平衡到室溫。第2～6 d，糧溫緩慢上升，但糧堆最高溫度區(qū)域位于B2點及偏下區(qū)域，第9 d溫度最高點移至B2。因為倉底有較好的保溫隔熱作用，實驗初期最低溫度點在B2及下方區(qū)域，隨著高水分稻谷自身呼吸和微生物生長繁殖產(chǎn)熱，最高溫度區(qū)域在B2及下方，后期熱量不斷堆積，當(dāng)產(chǎn)熱速率遠(yuǎn)大于四周熱量傳遞差值時，溫度最高點出現(xiàn)在高水分糧堆的中心點B2。

對各監(jiān)測點在1～9 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到各點溫度(Y，℃)與儲藏時間(X，d)的擬合曲線(詳見表1)。由表1可以看出擬合得到方程的調(diào)整系數(shù)值均在0.96以上，模型精度高。對得到的方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明各點溫度與儲藏時間線性關(guān)系極顯著。從擬合曲線的斜率可以看出，高水分稻谷形成的發(fā)熱點，溫度上升速度最快的為B2點，其升溫速率為2.893 ℃/d。其次為位于B2點正下方的B1點，其升溫速率為2.048 ℃/d。位于B2點周圍的A2、C2、B3點，溫度上升速度差異不大，其升溫速率分別為1.586、1.562、1.531 ℃/d。溫度上升交慢的為距離B2點0.28 m的A1、A3、C1點，其升溫速率分別為1.028、1.092、1.153 ℃/d。溫度上升最慢的為C3點，其升溫速率為0.747 ℃/d。B1、A2、C2、B3距離B2均為0.2 m，但B1升溫速率高于后3者，這可能與B1接近模擬倉底部，倉底有較好的保溫隔熱作用，糧食自身呼吸和微生物生長繁殖產(chǎn)生的熱量難以散失有關(guān)。

表1 各溫度監(jiān)測點擬合曲線(升溫階段)

2.3 發(fā)熱點降溫階段的變化規(guī)律

從圖4可以看出，在降溫階段，距中心點B2相同距離的各點，降溫速率基本一致，溫度云圖上等值線呈現(xiàn)以B2點為中心的同心圓。在降溫第1階段(第12～23 d)，進(jìn)行線性擬合得到各監(jiān)測點溫度(Y，℃)與儲藏時間(X，d)的擬合曲線，由表2可以看出得到方程的調(diào)整系數(shù)值均在0.9以上，模型精度高。對得到的方程進(jìn)行方差分析(詳見表3)，結(jié)果表明各監(jiān)測點溫度與儲藏時間線性關(guān)系極顯著。從擬合曲線的斜率可以看出，各監(jiān)測點溫度呈線性下降，降溫速率差異不大，在0.244～0.572 ℃/d之間。降溫速率最快的為B2點，為0.572 ℃/d，其次為距離B2點0.2 m的B3、B1、C2、A2點，為0.450、0.447、0.420、0.407 ℃/d。降溫速率最低的為距離B2點0.28m的A3、C1、C3、A1點，為0.362、0.278、0.265 d、0.244 ℃/d。在第2階段(第27～32 d)，進(jìn)行線性擬合得到各監(jiān)測點溫度(Y，℃)與儲藏時間(X，d)的擬合曲線,詳見表2。各監(jiān)測點降溫速率差異，同降溫第1階段類似：不同監(jiān)測點降溫速率差異小，降溫速率最快的為B2點，其次為B3、B1、C2、A2點，再次為A3、C1、C3、A1。在降溫第3階段(第35～39 d)，進(jìn)行線性擬合得到B2點溫度(Y，℃)與儲藏時間(X，d)的擬合曲線，其余各監(jiān)測點溫度與儲藏時間不呈線性關(guān)系。

圖3 溫度場云圖(升溫階段)

圖4 溫度場云圖(降溫階段)

表2 各溫度監(jiān)測點擬合曲線(降溫階段)

發(fā)熱點形成后，降溫緩慢。在降溫階段，隨儲藏時間延長，各監(jiān)測點降溫速率不斷減小。這意味著發(fā)熱點一旦形成，若不及時采取措施，熱量容易堆積，如果糧堆雜質(zhì)較高、或外界環(huán)境溫度較高，產(chǎn)生大量濕熱轉(zhuǎn)移，極易形成局部發(fā)熱點，造成局部糧食發(fā)霉變質(zhì)。

2.4 含水量和霉菌總數(shù)變化

表3為實驗前后不同監(jiān)測點的含水量和霉菌總數(shù)變化情況，從表4可以看出，實驗開始時各監(jiān)測點含水量為22.3%，儲藏39 d后含水量降至14.8%～16.4%，稻谷含水量趨于安全水分。霉菌總數(shù)從實驗開始時的3.2×104cfu/g，升高到7.0×106～2.5×107cfu/g。

表3 各溫度監(jiān)測點擬合曲線方差分析(降溫階段)

很多學(xué)者認(rèn)為，糧食發(fā)熱點熱量主要來源是微生物的呼吸作用[1]。從實驗霉菌總數(shù)的變化也可以看出，實驗結(jié)束時霉菌總數(shù)含量高于開始時2～3個數(shù)量級。發(fā)熱點溫度在達(dá)到峰值后逐漸降低，主要是因為高溫將發(fā)熱點糧食逐漸干燥，霉菌生長的適宜條件被破壞。

表4 儲藏39d后各監(jiān)測點水分和霉菌總數(shù)變化

3 結(jié)論

通過在普通稻谷糧堆中加入高含水量稻谷形成發(fā)熱點，對糧堆溫度場進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

在升溫階段，隨儲藏時間延長，各點溫度呈線性增長。發(fā)熱點的物理中心點也是溫度最高點，最高溫度43.8℃。中心點及中心點下層區(qū)域升溫速率高于其他區(qū)域，中心點升溫速率為2.893 ℃/d，位于中心點下方0.2 m監(jiān)測點升溫速率為2.048 ℃/d。在降溫階段，降溫速率不斷減小。根據(jù)降溫速率變化分為3個階段，在第1、2、3階段，中心點降溫速率分別為0.572、0.303、0.090 ℃/d。

發(fā)熱點的升溫速率大于降溫速率，表明發(fā)熱點形成初期，對其進(jìn)行處理十分必要，一旦發(fā)熱點形成，若不采取恰當(dāng)措施將發(fā)熱點消除，其溫度會迅速攀升，對糧堆危害大，容易引起濕熱轉(zhuǎn)移、結(jié)露、局部糧食發(fā)霉變質(zhì)等問題。