自然冷源蓄冷低溫熱管儲糧中防止結露的方法研究

劉金光，熊旭波，王世清，張 巖，姜文利

（1.青島農業大學食品科學與工程學院，山東青島 266109；2.青島市現代農業質量與安全工程重點實驗室，山東青島 266109；3.青島澳維康生物科技工程有限公司，山東青島 266071）

自然冷源蓄冷低溫熱管儲糧中防止結露的方法研究

劉金光1，2，熊旭波3，王世清1，2，張 巖1，2，姜文利1，2

（1.青島農業大學食品科學與工程學院，山東青島 266109；2.青島市現代農業質量與安全工程重點實驗室，山東青島 266109；3.青島澳維康生物科技工程有限公司，山東青島 266071）

為了解決自然冷源蓄冷熱管儲糧中管壁周圍糧層結露的問題，研究提出了在熱管組結構中添加電磁閥，通過熱管周圍糧堆孔隙空氣的露點溫差來控制電磁閥的開啟，進而控制熱管中制冷劑的運行，避免結露；設計制作了微型糧倉溫濕度測定裝置，研究了糧堆孔隙空氣相對濕度和露點溫差隨溫度的變化，揭示了電磁閥溫控與結露的關系。結果表明：在5～20℃儲糧溫度范圍內，糧食籽粒含水量越高，糧堆孔隙空氣的露點溫度越高，露點溫差越小；自然冷源低溫熱管儲糧倉（小麥倉）熱管組結構中電磁閥溫控設定計算公式為：y＝－0.214 9x3＋7.439x2－86.384x＋343.43（其中y為電磁閥溫控設定值；x為小麥籽粒含水率）。為熱管技術在糧庫中的應用提供依據和技術支持。

低溫熱管；自然冷源；儲糧；結露；電磁閥

溫度作為儲糧生態系統中重要的非生物因子，對儲糧穩定性有著很大影響。低溫儲糧（≤15℃）通過抑制糧食呼吸強度、儲糧害蟲和微生物的繁殖維持儲糧生態系統的穩定［1－3］。大型儲糧倉現有的低溫儲糧方法有：一是機械通風儲糧，中高緯度地區利用冬季自然冷源通過風道引入糧倉降溫，但風道周圍易出現糧食風干失水和糧層局部結露的現象［4－6］；二是機械制冷低溫儲糧，糧食溫度能夠保持相對穩定，但設備成本和能耗較大［7－8］。

熱管是利用內部工質相變實現熱量傳遞的元件，能夠實現小溫差高效傳熱，被譽為熱的“超導體”［9－10］。熱管憑借良好的導熱性和啟動性，已應用于低溫儲糧中［11－12］，修方瓏等［13］研究發現自然冷源蓄冷熱管儲糧，19 d糧食溫度降低到0℃，儲糧期間最低溫度達－3.17℃，抑蟲效果明顯。李新宇等［14］研究發現低溫熱管儲糧能夠減少糧食水分散失、減緩脂肪酸值升高，能有效保持籽粒生物活性。自然冷源熱管低溫儲糧適用于冬季自然冷源豐富的中高溫度地區，在中國主要應用范圍包括北方地區和西北部分地區，該地區冬季時間長，冬季平均氣溫低于0，自然冷源相當豐富。但冬季自然冷源晝夜溫差較大，且受大氣寒流影響，溫度時有驟降，因此，熱管周圍糧層容易出現結露的現象（如圖1）。隨著結露的發生，局部糧食出現發熱、變硬、散落性降低，同時有儲糧蟲害（米象、赤擬谷盜和銹赤扁谷盜）的發生［15］。

圖1 低溫熱管周圍糧層局部結露現象

為了解決自然冷源熱管蓄冷儲糧中出現的管壁周圍糧層結露的問題，本實驗提出在熱管組結構中加設電磁閥，通過電磁閥控制熱管內工質的運行，來消除結露難題，為熱管利用自然冷源蓄冷在大型糧庫中的應用提供依據和技術支持，從而實現自然冷源熱管蓄冷儲糧的高安全和高品質。

1 材料與方法

1.1 材料與設施

材料：2015年收獲的冬小麥（濟麥22號），除雜晾干，由中央儲備糧青島市第二糧庫提供。

微型糧倉溫濕度測定裝置（如圖2）：

圖2 微型模擬糧倉溫濕度測定裝置圖

微型糧倉：根據國家標準儲糧倉設計規范［16］，設計制作了模擬微型糧倉（長×寬×高：0.6 m× 0.6 m×0.6 m），糧倉整體結構為厚度50 mm的瓦楞紙板，左右對稱面各開有50個通氣孔（孔徑為5 mm），糧倉內層用紗網（目數為10目）包裹，防止糧粒掉出；糧倉置于冷柜內，以確保精確的溫度環境，倉底墊有厚為50 mm的聚苯乙烯泡沫板，避免倉底與冷柜直接傳熱。

Temp Curve軟件和TP－1000多路溫度記錄儀：深圳拓撲瑞儀器有限公司。AOSONG GSP－885型溫濕度記錄儀；廣州奧松電子有限公司；DT－8880手持式熱敏風速儀：CEM.深圳華盛昌機械有限公司；MA－35電子水分測定儀：德國賽多利斯股份有限公司。

1.2 實驗原理

低溫儲糧熱管為分離式重力熱管組，熱管組蒸發段均勻分布于糧堆內部，冷凝段安裝于室外，與冬季自然冷源直接接觸，蒸發段和冷凝段通過連接段的蒸汽上升管和冷凝液下行管構成循環熱管組。熱管內工質在蒸發段吸收糧食的熱量氣化，飽和工質蒸汽攜帶潛熱上升進入冷凝段，與外界冷空氣熱交換后液化并釋放出潛熱，冷凝液在重力作用下自發流回蒸發段完成一次工質循環。伴隨著工質不斷的氣化上升和液化下降過程，糧堆中熱量逐漸被導出，外界自然冷源逐漸在糧倉內蓄積，從而實現低溫儲糧［17］。

結露的成因：由于籽粒組織的呼吸作用，糧堆內部會自發產生熱量，形成“熱心”，秋冬季氣溫降低，糧堆表面受環境影響較大，溫度降低明顯，形成“冷皮”，即糧堆的“冷皮熱心”現象［18－19］。低溫熱管儲糧中熱管蒸發段放置于糧堆內部，熱管啟動后，管壁溫度迅速降低，當溫度降低到一定程度，管壁周圍空氣中的水汽達到飽和凝結成液態水，形成結露；結露時的溫度為露點溫度，露點溫度的高低受環境壓強和糧食含水率等因素的影響［20，21］。

自然冷源熱管蓄冷儲糧中容易出現結露現象，秋冬季氣溫時有驟降，經冷凝段熱交換后的驟冷制冷劑進入蒸發段，導致管壁周圍空氣溫度迅速降低，進而發生結露。為防止結露現象的發生，在熱管組結構設計中添加電磁閥，通過電磁閥的開啟控制熱管運行，電磁閥溫控設定值為熱管周圍糧堆孔隙空氣的露點溫差，當外界環境溫度與熱管周圍糧食溫度的差值小于此設定值時，電磁閥為開啟狀態，熱管運行；當差值小于或等于此設定值時，電磁閥自動關閉，熱管內工質的運行停止，以便避免結露的產生。

本實驗基于濕空氣露點溫度公式，建立了儲糧倉內部糧堆孔隙空氣露點溫差數學模型，采用數學模型與實驗結合的方式確定糧堆孔隙空氣的露點溫差，最終導出電磁閥溫控設定計算公式，具體步驟為：測出不同溫度時糧堆孔隙空氣的相對濕度，進而確定絕對濕度，繪制糧堆孔隙空氣溫濕圖，對照100%濕度空氣等濕線，確定露點溫度值，得出熱管周圍糧堆孔隙空氣的露點溫差，從而確定自然冷源低溫熱管儲糧倉內熱管組結構中電磁閥溫控設定計算公式。

1.3 實驗測試

1.3.1 糧堆孔隙空氣相對濕度隨儲藏溫度的變化

使用電熱恒溫箱（DY－640D）和冷柜（AUCMA BC／BD－390SH）提供糧倉3～20℃的外界環境，通過小風扇將冷柜內的空氣導入糧倉內部，使糧倉內空氣流速為0.12 m／s，降溫速度為5 min／℃，收集糧堆溫度每降低1℃時糧堆孔隙空氣的相對濕度值，分析糧倉內部糧堆孔隙空氣相對濕度值隨溫度的變化規律。

糧倉內部測溫點和測濕點的布置如圖3所示［22－23］：1～6號測溫點分別布置于糧倉內部，距糧倉表面中心位置的水平距離為100 mm，7號和8號測溫點布置于倉體對角線上，距頂點處的距離為100 mm，9號測溫點位于倉體中心，10號測溫點測量外界環境溫度；測濕點布置于倉體中心處。溫度和濕度數據的采集、存儲工作由溫度記錄儀和溫濕度記錄儀完成，數據采集4 s／次，數據精度為0.1℃。

圖3 微型糧倉內部測溫點和測濕點布置圖

1.3.2 糧堆孔隙空氣露點溫差隨儲藏溫度的變化

小麥含水量測定：參照GB／T 24898—2010《糧油檢測小麥水分含量測定（近紅外法）》［24］。取實驗小麥樣品50 g，粉碎后過80目篩，含水量測定由電子水分測定儀完成，溫度設定為130℃，時間為10 min。

已知糧堆孔隙空氣溫度和相對濕度，根據《絕對濕度與相對濕度對應表》確定絕對濕度值，繪制糧倉內部糧堆孔隙空氣溫濕圖，對照100%濕度空氣等濕線，得出露點溫度，進而計算得出露點溫差。

1.3.3 數據處理

每次實驗重復三次，結果用平均值表示。實驗數據處理采用Excel軟件和SPSS17.0軟件。

1.4 評價指標

絕對濕度：標準狀態下（1 atm）每立方米濕空氣中所含水蒸汽的重量［25］，用Ψ表示，單位是g／m3。

相對濕度：某溫度時，空氣的絕對濕度與同溫度下飽和水汽壓的百分比值［26］，通常用RH表示。

露點溫度：氣壓和濕度一定，濕空氣冷卻至飽和時的溫度為露點溫度［27］。

露點溫差：指大氣溫度與結露時露點溫度的差值。當露點溫差接近于0℃時，空氣中的水汽達到近似飽和狀態［28］。由公式（1）計算：

其中d為露點溫差；td為空氣的露點溫度；t為某時刻的濕空氣溫度。

2 露點溫差數學模型建立

2.1 糧倉內部微氣流壓力計算

以中央儲備糧青島市第二糧庫標準儲糧倉（平房倉）為研究對象，糧倉長×寬×高為60 m×24 m ×12m，糧堆高6 m，儲量為6 000 t。對于糧倉整體，各糧層的空氣溫度、壓力互不相同，由理想氣體狀態方程、質量方程和浮力方程：

其中Pa為任意糧層內任一點的空氣壓力；ρa為任意糧層內任一點的空氣密度；Ta為任意糧層內任一點的溫度；Tb為Ta糧層的平均溫度。

可以設計數據挖掘查詢語言，支持特定的和交互的數據挖掘。數據挖掘語言(data mining query language，DMQL)應當說明數據挖掘原語、產生和操縱概念分層提供命令。這樣的查詢語言是基于SQL (SAS提供的查詢過程)的，并可能最終形成標準，成為數據挖掘圖形用戶界面的基礎。這實際上就是對多邊矩陣剖面廣義交叉乘積的運算方法的SAS編程問題。

尹君等［29］研究發現，國家標準儲糧倉（平房倉）內部水汽分壓分布為：表層和邊緣低，中間及倉底高，單位時間內，水汽分壓低區域會吸收水汽分壓高區域轉移出水分，首先形成結露，即常規儲糧結露首先發生在糧堆頂層。

低溫熱管儲糧中，為防止制冷劑充注后熱管周圍糧層即刻發生結露，制冷劑充注前，通過風機和倉內風道使糧倉內部各糧層降溫并達到溫度基本均勻，此時影響結露的主要因素只有壓力，通風后短期內糧堆孔隙空氣的壓力為近似常壓，因此，制冷劑充注后露點溫度的計算中Pa為常壓。熱管運行后糧倉內部形成“冷心”，若氣溫驟降，則熱管結露現象最先發生在上層熱管，而上層熱管周圍的空氣壓力可近似為常壓，因此，自然冷源低溫熱管儲糧中露點溫度計算中Pa可用常壓計算。

2.2 糧倉內部空氣露點溫度計算

由濕空氣露點溫度計算公式［30］：

其中H為溫度t時濕空氣的濕度；Hsd為露點溫度td時濕空氣的飽和濕度；Psd為露點溫度td時濕空氣的飽和蒸汽壓；PT為溫度t時濕空氣的總壓。

當糧倉內部糧堆孔隙空氣的溫度降至露點溫度以下，其所含的超過飽和部分的水蒸汽將以液態水的形式凝結出來，由公式（3）可得糧倉內部糧堆孔隙空氣的露點計算公式。

其中H為溫度t時糧堆孔隙空氣的濕度；Hsd為露點溫度td時糧堆孔隙空氣的飽和濕度；Psd為露點溫度td時糧堆孔隙空氣的飽和蒸汽壓；Pa為任意糧層內任一點的孔隙空氣壓力。

將糧堆孔隙空氣濕度H和壓力Pa代入公式（4）可求得Psd，由水蒸汽表查出Psd對應的飽和溫度即為露點溫度td。

糧食籽粒含水量能夠影響糧堆孔隙空氣的相對濕度，進而影響露點溫度［28］。由公式（4）得糧堆孔隙濕空氣溫度為t時的露點溫度td，代入公式（1）可得露點溫差d。

糧堆孔隙濕空氣露點溫度計算中，測出濕空氣的溫度（t）和相對濕度（RH），由濕空氣溫濕圖確定濕度（H），代入公式（4）可得Psd，通過查閱水蒸汽表得出Psd對應的飽和溫度即為露點溫度td，最后由公式（1）計算出露點溫差d。但熱管低溫儲糧的糧溫小于15℃，在此溫度范圍，濕空氣溫濕圖精確度極低，無法準確查閱，所以，采用實驗的方法測量儲糧倉內部空氣相對濕度的變化，進而確定熱管低溫儲糧中熱管周圍空氣的露點溫差。

3 結果與分析

3.1 糧堆孔隙濕空氣的相對濕度

圖4為糧堆孔隙濕空氣相對濕度變化圖，圖中數據顯示：環境溫度為5～20℃，溫度變化對糧倉內部糧堆孔隙濕空氣相對濕度的影響成指數函數關系，環境溫度越高，糧堆孔隙濕空氣相對濕度越大；小麥籽粒含水率越高，糧堆孔隙濕空氣相對濕度越大。與李興軍等［31］研究發現糧堆平衡相對濕度隨溫度升高而上升的結論相符。

圖4 糧堆孔隙濕空氣相對濕度變化圖

3.2 糧堆孔隙空氣的露點溫度

圖5為微型糧倉內部孔隙濕空氣溫濕圖。由糧堆孔隙空氣的溫度和相對濕度，定位圖中一點A（A1，A2），即為糧堆孔隙空氣狀態點A，于A點做x軸的平行線交100%濕度空氣等濕線于B（B1，B2）點，則B1對應的橫坐標值即為糧堆孔隙空氣在A狀態點時的露點溫度。

圖5 微型糧倉內部孔隙濕空氣溫濕圖

3.3 糧堆孔隙空氣露點溫差的確定

由圖5，A1、B1兩點對應的橫坐標的差值即為熱管周圍糧堆孔隙空氣的露點溫差，由圖5還可以看出：實驗溫度范圍內（5～20℃），糧堆溫度相同，糧堆孔隙濕空氣相對濕度越大，露點溫差越小，此露點溫差即為熱管降溫的安全溫差范圍，即電磁閥溫控設定值。由圖4可知，糧堆孔隙濕空氣相對濕度與小麥籽粒含水量相關。因此，電磁閥溫控設定值可以用小麥籽粒的含水量和溫度表示，如表1所示。

表1 電磁閥溫控設定值檢查表

表1為電磁閥溫控設定值檢查表，表中數據顯示，環境溫度為5～20℃，小麥籽粒含水率越高，電磁閥溫控設定值越小，即自然冷源熱管蓄冷儲糧時越易出現結露現象。

3.4 電磁閥溫控設定變化圖

圖6為電磁閥溫控設定值與環境溫度、籽粒含水率的關系圖，圖中數據顯示，小麥籽粒含水率不同，存在某一環境溫度時，低溫熱管儲糧倉內熱管組中電磁閥溫控設定值相同。

圖6 電磁閥溫控設定值變化圖

3.5 電磁閥溫控設定值計算公式

由表1和圖6，同一批次小麥，電磁閥溫控設定值取最小值，倉儲小麥的含水率小于10.83%時，電磁閥溫控設定值為7.5℃；小麥含水率在10.83%～11.82%時，電磁閥溫控設定值為7.0℃；小麥含水率在11.83%～12.77%時，電磁閥溫控設定值為6.0℃。

圖7為電磁閥溫控設定值與籽粒含水率的關系圖，圖中數據顯示，電磁閥溫控設定值計算可以用函數y＝－0.215x3＋7.439x2－86.384x＋343.43表示，（其中y為電磁閥溫控設定值；x為小麥籽粒含水率）。從圖中看出，小麥籽粒含水率小于12.5%時，電磁閥溫控設定值變化較小；籽粒含水率大于12.5%時，電磁閥溫控設定值迅速降低。本結論支持程樹峰等［32］研究發現小麥儲藏安全水分（≤12.5%）的結論。相比黃明山［33］研究發現糧堆露點溫差計算規則：Δt＝34－2W（W＜14%）（式中Δt為露點溫差，℃；W為糧食含水率，%）更準確。

圖7 電磁閥溫控設定值與籽粒含水率的關系

4 結論

用微型糧倉模擬國家標準儲糧倉（平房倉），得出自然冷源低溫熱管儲糧倉內熱管組結構中電磁閥溫控設定計算公式，彌補了儲糧倉內糧堆孔隙濕空氣露點溫度數學模型的不足。

環境溫度為5～20℃，隨著溫度的降低，糧堆孔隙濕空氣的相對濕度逐漸減小；小麥籽粒含水率越高，糧堆孔隙空氣的相對濕度越大。

實驗溫度范圍內（5～20℃），小麥籽粒含水率越高，糧堆孔隙空氣的露點溫差越小；自然冷源低溫熱管儲糧倉（小麥倉）熱管結構中電磁閥溫控設定計算公式為：y＝－0.215x3＋7.439x2－86.384x＋343.43（其中y為電磁閥溫控設定值；x為小麥籽粒含水率）。

自然冷源熱管蓄冷儲糧能夠實現無能耗、無值守的綠色低溫儲糧，通過改進熱管組結構，添加電磁閥控制熱管的運行，避免熱管周圍糧層結露。今后實驗中需驗證電磁閥防結露的效果，達到糧倉周年低溫或準低溫安全儲糧。

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Study on preventing condensation in low temperature heat pipe for grain storage by natural cold source

LIU Jin－guang1，2，XIONG Xu－bo3，WANG Shi－qing1，2，ZHANG Yan1，2，JIANG Wen－li1，2
（1.College of Food Science and Engineering，Qingdao Agricultural University，Qingdao Shandong 266109；2.Qingdao Key Laboratory of Modern Agricultural Quality and Safety Engineering，Qingdao Shandong 266109；3.Qingdao Aoweikang Biotechnology Engineering Co.Ltd.，Qingdao Shandong 266071）

In order to solve the condensation problems between the grain around the heat pipe in grain warehouse with heat pipe by natural cold source，an electromagnetic valve was added in the heat pipe group to control operation of the refrigerant in the heat pipe according to the temperature difference between the external environment and the grain layer around the heat pipe.The micro measuring device of temperature and humidity in warehouse was designed and manufactured.The change of the air relative humidity and dew point temperature difference in porosity of grain bulk was studied；the relationship between temperature control of electromagnetic valve and condensation was discovered.The results showed that in the range of 5℃ ～20℃，the higher the grain moisture content，the higher the dew point temperature of the air in the barn，the smaller the dew point temperature difference.In natural cold source low temperature heat pipe group，the calculation formula for the temperature control of the electromagnetic valve was：y＝－0．214 9x3＋7．439x2－86．384x＋343．43（the y was the temperature control of the electromagnetic valve；x was the moisture content of wheat）.This research provides the theoretical foundation and technical support for the practical application of heat pipe technology in large grainwarehouses.

low temperature heat pipe；natural cold source；grain storage；dew；solenoid valve

S 379.5

A

1007－7561（2017）01－0074－06

2016－08－09

國家自然基金項目（31271963）

劉金光，1991年出生，男，碩士研究生在讀.

王世清，1961年出生，男，教授，博士.