鄭秉照 林濤 林小龍
摘要:將充氮氣調(diào)儲糧智能控制管理系統(tǒng)應(yīng)用于淺圓倉儲糧,試驗了儲糧過程中倉內(nèi)氮氣濃度分布及變化、倉內(nèi)溫度變化、殺蟲效果,探討了該體統(tǒng)使用的氣密性、成本以及工藝問題。結(jié)果表明,充氮氣調(diào)儲糧智能控制管理系統(tǒng)可以確保充進(jìn)的氮氣濃度達(dá)到淺圓倉廒所需的工藝濃度要求,破壞害蟲及霉菌的生存環(huán)境,延緩糧食品質(zhì)陳化,實現(xiàn)綠色儲糧。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,工藝簡單實用,具有先進(jìn)、安全、高效的特性,能有效控制倉內(nèi)氮氣濃度,減少倉儲人員工作量,提高充氮效率。
關(guān)鍵詞:氮氣;氣調(diào)儲糧;智能控制管理系統(tǒng);淺圓倉
中圖分類號:TS210.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI:10.16465/j.gste.cn431252ts.20230623
Application test of nitrogen-filled control intelligent management system in shallow round bin
Zheng Bingzhao, Lin Tao, Lin Xiaolong
( Central Reserve Grain Putian Direct Warehouse Co., LTD., Putian, Fujian 351158 )
Abstract: Intelligent control management system of nitrogen-filled modified grain storage was applied to shallow round bin storage of grain. The distribution and change of nitrogen concentration in the warehouse, the change of temperature in the warehouse, and the insecticidal effect were tested during the process of grain storage. The airtightness, cost, and process issues used by this system were discussed, the results showed that the intelligent control management system of nitrogen-filled modified grain storage can ensure that the nitrogen concentration of the filled gas meet the process concentration requirements required by the shallow round warehouse, destorying the living environment of pests and molds, delaying the aging of grain quality, and realizing green grain storage. The system performance was stable, simple and practical, with advanced, safe, efficient features, can effectively control the storehouse in nitrogen concentration, reduced the warehouse personnel work, improved the efficiency of nitrogen charging.
Key words: nitrogen, controlled atmosphere grain storage, intelligent control management system, shallow round bin
淺圓倉是我國20世紀(jì)90年代從國外引進(jìn)的倉型,具有倉容量大,堆糧高,儲糧多,占地面積小,進(jìn)出糧機(jī)械化程度高等特點,配套使用機(jī)械通風(fēng)、谷物冷卻、磷化氫環(huán)流熏蒸及電子測溫等“四合一”儲糧新技術(shù)可以保證大多數(shù)淺圓倉的安全儲糧[1-2]。福建地處我國東南沿海屬亞熱帶濕潤氣候區(qū),全年大部分時間處于高溫高濕環(huán)境條件下,特別是夏季氣溫很高,最高可達(dá)40 ℃以上,因此害蟲活動頻繁,常規(guī)的儲糧方法不利于安全儲糧。
充氮氣調(diào)是先進(jìn)的綠色儲糧技術(shù),通過人為調(diào)節(jié)糧倉儲藏環(huán)境中氮氣、氧氣的比例,減少害蟲和微生物的生長,提高糧食儲存時限,具有無公害、無污染的特點[3-7]。但因淺圓倉筒糧堆體積較大、糧堆高、充氮作業(yè)時間長,需要倉儲人員人工巡查設(shè)備、檢測氧氣濃度、開閉充氮管路等,操作繁瑣,且無法及時發(fā)現(xiàn)氮氣濃度的下降,無法保證儲糧過程中糧堆氮氣濃度的均勻和穩(wěn)定[8]。
充氮氣調(diào)儲糧智能管理是將先進(jìn)的充氮氣調(diào)儲糧技術(shù)工藝編成計算機(jī)程序,采用先進(jìn)的自動化控制及檢測技術(shù)對倉庫的充氮氣調(diào)儲糧工作流程進(jìn)行智能控制。預(yù)先設(shè)置氣調(diào)倉的目標(biāo)氮氣濃度、目標(biāo)倉壓、充入氮氣的數(shù)量及環(huán)流時間,系統(tǒng)自動完成充氮氣調(diào)全部工作,既可進(jìn)行單倉充氮,也可進(jìn)行多倉連續(xù)充氮,整個充氮過程實現(xiàn)“一鍵”完成。此外,智能氣調(diào)儲糧可抑菌保鮮、減少蟲霉危害、降低儲糧數(shù)量損失,保持儲糧應(yīng)有品質(zhì)、適當(dāng)延長糧食的儲藏期限、減少糧食的輪換次數(shù),為國家節(jié)約大量的輪換資金費用,具有明顯的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益,是一種“經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全、有效”的儲糧技術(shù)[9]。
為驗證充氮氣調(diào)智能控制管理系統(tǒng)的適用性和穩(wěn)定性,中央儲備糧莆田直屬庫有限公司對充氮氣調(diào)倉進(jìn)行智能化充氮氣調(diào)控制系統(tǒng)改造,并對其在淺圓倉中的運行情況進(jìn)行分析,以期實現(xiàn)計算機(jī)遠(yuǎn)程無人值守糧堆充氮處理。
1 材料與方法
1.1 試驗倉房
試驗倉內(nèi)徑20 m,墻體厚度260 mm,頂高32.5 m,檐口高度29.1 m,倉內(nèi)體積9 575 m3,倉容6 250 t;倉內(nèi)布置4組對稱圭字形地上籠通風(fēng)道,為四側(cè)通風(fēng);倉頂涂刷熱反射隔熱涂料,并在東、西、南、北4個方位配備4個自然通風(fēng)口,4個軸流風(fēng)機(jī)口,風(fēng)機(jī)功率1.5 kW,并使用了翻板式氣密閘門,每倉配套25根可拆卸式電子測溫電纜(北京佳華良儲科技有限公司),底部固定在地坪,采用1、4、8、12中心分環(huán)式布局。試驗倉房的儲糧及害蟲情況見表1。
1.2 設(shè)備設(shè)施
1.2.1 制氮系統(tǒng)
系統(tǒng)構(gòu)成:空氣壓縮機(jī)、空氣凈化過濾器、冷干機(jī)、空氣儲氣罐、PSA變壓吸附制氮裝置、氮氣儲氣罐等。
GA75+PA7.5Mk5型螺桿式空氣壓縮機(jī):阿特拉斯科普柯(上海)貿(mào)易有限公司;C-007E型空氣凈化過濾器:廣州市維通工業(yè)氣體技術(shù)有限公司;WCD-150GF型冷干機(jī):廣州市維通工業(yè)氣體技術(shù)有限公司;C-3/0.8R型儲氣罐:廣州市廣眾機(jī)械有限公司;PSA-NP型變壓吸附制氮裝置:廣州市維通工業(yè)氣體技術(shù)有限公司。
1.2.2 環(huán)流熏蒸系統(tǒng)
倉庫外墻東西側(cè)共安裝有2臺固定式磷化氫環(huán)流熏蒸系統(tǒng),用于熏蒸或氣調(diào)后環(huán)流,以均衡濃度。
CFSL8-1A型磷化氫環(huán)流熏蒸系統(tǒng):北京良茂科技發(fā)展有限公司。
1.2.3 氧濃度檢測儀
SY-200型BW氧氣檢測儀:北京佳糧科貿(mào)有限公司。
1.3 試驗方法
1.3.1 氣密改造
為達(dá)到符合氣調(diào)儲藏的氣密性要求,對試驗倉的倉門及各工藝孔洞進(jìn)行氣密性改造。更換達(dá)不到密封要求的大門單槽槽管為雙槽槽管,更換專用密封膠條、膠墊,同時對各電纜口、進(jìn)糧口及卸糧口等縫隙用133密封膠進(jìn)行處理,倉頂各自然通風(fēng)口及軸流風(fēng)機(jī)口再用薄膜進(jìn)行密封,達(dá)到密閉的效果。測試密封效果:實倉500 Pa正壓大于240 s,實倉負(fù)壓-300 Pa的半衰期達(dá)到350 s以上。
1.3.2 智能控制系統(tǒng)安裝
中央儲備糧莆田直屬庫有限公司與廣西中儲糧倉儲設(shè)備科技有限公司合作安裝。系統(tǒng)包括:① 前端倉房應(yīng)用設(shè)備含集中控制模式電氣控制箱和閥門、倉內(nèi)氧氣濃度檢測傳感器、壓力傳感器、溫濕度傳感器;② 網(wǎng)絡(luò)信號控制系統(tǒng);③ 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)等。
1.3.3 檢測點設(shè)置
試驗倉在糧食入倉前后分別布置測氣點,布置好壓力傳感器和氧氣濃度傳感器及人工檢測點,如圖1所示。倉內(nèi)檢測點布置:入倉前在每個出料口和倉內(nèi)大門內(nèi)側(cè)布置一個檢測點;入倉后分兩層布置檢測點,第一層(糧面下1 m)布置5個檢測點,分別為東(離墻1~2 m)、南(半徑的中點)、西(離墻1~2 m)、北(半徑的中點)、中(圓心)5個方向,檢測點編號依次為1-1#,1-2#、1-3#、1-4#、1-5#;第二層(扦樣最深處)布置4個檢測點,分別為東(半徑的中點)、南(離墻1~2 m)、西(半徑的中點)、北(離墻1~2 m)4個方向,檢測點編號依次為2-1#、2-2#、2-3#、2-4#。在糧面中間布置壓力傳感器及氧氣傳感器,其中空間濃度檢測點0#為倉內(nèi)主氮濃度點,設(shè)在糧面中心上方1 m位置。風(fēng)道口檢測點布置:在倉外南、北面地上籠通風(fēng)道口內(nèi)布置A點(風(fēng)洞1)、B點(風(fēng)洞2)兩個檢測點,為倉內(nèi)副氮濃度點。
1.3.4 充氮
試驗倉于2021年5月20日開始充氮氣調(diào),采用負(fù)壓智能控制充氮工藝,“上充下排”連續(xù)充氣方式進(jìn)行充氮,即氮氣從倉頂充入糧堆,再由底層南北面兩個地上籠通風(fēng)道口排出。
設(shè)定氮氣體積分?jǐn)?shù)為98%,制氮機(jī)出口氮氣體積分?jǐn)?shù)為98%,系統(tǒng)氮氣體積分?jǐn)?shù)低于95%時自動進(jìn)行補(bǔ)充,當(dāng)智能充氮系統(tǒng)檢測到南北兩個地上籠通風(fēng)口氮氣體積分?jǐn)?shù)的差值超過3%時,系統(tǒng)自動關(guān)閉氮氣體積分?jǐn)?shù)高的地上籠通風(fēng)道口排氣口,加大氮氣體積分?jǐn)?shù)低的地上籠通風(fēng)口排氣量,以提高該通風(fēng)口氮氣體積分?jǐn)?shù),當(dāng)南北兩個地上籠排氣口濃度都超過設(shè)定目標(biāo)濃度時,即當(dāng)設(shè)置在倉廒南北兩個通風(fēng)道口內(nèi)A#、B#點氮氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到98%時,智能控制充氮系統(tǒng)自動停止,并啟動環(huán)流風(fēng)機(jī)環(huán)流1~2 h,以均衡倉內(nèi)各檢測點氮氣體積分?jǐn)?shù),同時實時檢測各點的氮氣體積分?jǐn)?shù),直到倉內(nèi)各檢測點的氮氣體積分?jǐn)?shù)均衡,停止環(huán)流,充氮階段性結(jié)束。每天記錄各點氧氣的體積分?jǐn)?shù)并換算成氮氣體積分?jǐn)?shù),觀察各點的氮氣體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律。
1.3.5 殺蟲試驗
氣調(diào)殺蟲前分別在倉廒東、西、南、北、中各部位,將試蟲籠分別淺埋在各對應(yīng)糧堆內(nèi),深度為 30~100 cm,其中埋入糧堆的蟲籠系有繩子作為標(biāo)記,方便查找,同時也在地上籠通風(fēng)道口內(nèi)布設(shè),總共埋設(shè)7組試蟲籠。試驗害蟲為混合蟲態(tài),有卵、幼蟲、蛹和成蟲,其中包括有3種敏感害蟲(雜批谷盜、長頭谷盜、玉米象)和6種耐藥性(抗藥性)害蟲(書虱、螨類、米象、赤批谷盜、蛾類及銹赤扁谷盜)。
通風(fēng)散氣后,取出倉內(nèi)的全部試蟲籠,仔細(xì)檢查各試蟲籠中成蟲死亡率,并同時在溫度25 ℃、濕度75%的實驗室,培養(yǎng)其卵、蛹和幼蟲20~30 d,觀察是否有活蟲。
2 結(jié)果與討論
2.1 氣調(diào)期間倉內(nèi)氮氣平均體積分?jǐn)?shù)分布及變化
試驗倉第一次充氮時間為2021年5月20—22日,累計充氣55 h,電腦顯示倉內(nèi)富氮,即南北兩側(cè)通風(fēng)道口A#、B#點氮氣體積分?jǐn)?shù)均達(dá)到98%以上,經(jīng)環(huán)流1~2 h后,實測倉內(nèi)布設(shè)的各個檢測點的氮氣體積分?jǐn)?shù)均為98%以上,至2021年5月22日17:00,第一階段充氮結(jié)束累計充氮時間55 h,2021年6月18日、2021年8月21日進(jìn)行兩次補(bǔ)氣,每次補(bǔ)氣49 h。倉內(nèi)氮氣平均體積分?jǐn)?shù)保持在98%以上,最低點不低于96%,保持此濃度達(dá)150 d以上,于2021年10月23日開倉散氣,并進(jìn)倉檢查儲糧情況。
在首次充氮時,各檢測點氮氣體積分?jǐn)?shù)隨著充氮時間的增加而逐漸增加,至2021年5月22日20:30,除2-4#檢測點外,其他檢測點的氮氣體積分?jǐn)?shù)均達(dá)98%以上,至2021年5月23日7:30,所有檢測點氮氣體積分?jǐn)?shù)均達(dá)98%以上,結(jié)果見表2。
從表2可看出,在同一時刻,第一層各檢測點、第二層各檢測點以及A點和B點的氮氣體積分?jǐn)?shù)基本一致,O點主氮體積分?jǐn)?shù)略大于其他點的氮氣體積分?jǐn)?shù),說明本系統(tǒng)充氮過程中,氮氣的擴(kuò)散較迅速且均勻,并能在糧堆內(nèi)均勻分布,保證氣調(diào)期間各點氮氣體積分?jǐn)?shù)一致,儲藏糧食品質(zhì)變化一致。
在整個氣調(diào)期間,即2021年5月20日—10月23日,對倉內(nèi)各檢測點的平均氮氣體積分?jǐn)?shù)變化情況進(jìn)行了考察,結(jié)果見圖2。氣調(diào)初期,倉內(nèi)氮氣體積分?jǐn)?shù)迅速上升,至2021年5月23日(第一次充氮結(jié)束),氮氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到98.9%,并保持基本穩(wěn)定至2021年6月12日,隨后氮氣體積分?jǐn)?shù)開始緩慢下降,2021年6月18日,氮氣體積分?jǐn)?shù)約為96.3%,系統(tǒng)自動補(bǔ)氮,2021年6月20日,氮氣體積分?jǐn)?shù)升至98%以上時,補(bǔ)氮自動結(jié)束,氮氣體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)保持穩(wěn)定至2021年7月24日,氮氣體積分?jǐn)?shù)開始緩慢下降,2021年8月21日,氮氣體積分?jǐn)?shù)約為96.5%,系統(tǒng)自動補(bǔ)氮,隨后氮氣體積分?jǐn)?shù)迅速上升,2021年8月23日,氮氣體積分?jǐn)?shù)升至98%以上時,補(bǔ)氮自動結(jié)束,氮氣體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)保持穩(wěn)定至2021年9月23日,氮氣體積分?jǐn)?shù)開始緩慢下降直至2021年10月23日開倉散氣,此時倉內(nèi)氮氣平均體積分?jǐn)?shù)為96.6%。這些結(jié)果說明,充氮氣調(diào)智能控制管理系統(tǒng)能準(zhǔn)確識別倉內(nèi)氮氣體積分?jǐn)?shù)的變化,并能在氮氣體積分?jǐn)?shù)低于閾值時自動補(bǔ)氮直至氮氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到要求停止充氮,使得倉內(nèi)氮氣體積分?jǐn)?shù)在整個氣調(diào)期間基本穩(wěn)定,平均體積分?jǐn)?shù)保持在98%以上,最低點不低于96%。同時,每次充氮后,倉內(nèi)氮氣體積分?jǐn)?shù)保持98%以上可達(dá)30 d左右,此后氮氣濃度緩慢下降,下降速度均勻且緩慢,氮氣體積分?jǐn)?shù)變化幅度較小,有利于倉內(nèi)糧食品質(zhì)的保持。
2.2 氣調(diào)期間倉內(nèi)糧溫變化
從圖3可以看出,結(jié)合倉內(nèi)空調(diào)制冷,倉內(nèi)糧食平均溫度基本保存穩(wěn)定,為15~20 ℃,但由于長期的密閉,可能會引起厭氧菌的活動加劇,也會造成局部糧溫偏高,最高氣溫可達(dá)30 ℃以上。
2.3 殺蟲效果
2021年10月23日散氣后進(jìn)倉檢查,未發(fā)現(xiàn)活蟲,至2022年4月初再次充氮前均未發(fā)現(xiàn)活蟲和螨類,殺蟲效果較為顯著。
通風(fēng)散氣后的培養(yǎng)試驗結(jié)果表明:布設(shè)在倉內(nèi)的各組試蟲籠中儲糧成蟲、混合蟲態(tài)(卵、蛹和幼蟲)的死亡率均達(dá)到了100%,說明在淺圓倉糧堆中采用氣調(diào)儲藏(氮氣體積分?jǐn)?shù)≥98%,密閉處理28 d以上)對以上各種儲糧害蟲的各種蟲態(tài)的防治效果均達(dá)到100%,充氮氣調(diào)對防治害蟲具有明顯的效果。
2.4 成本分析
試驗倉房從充入氮氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到98%以上和維持氮氣體積分?jǐn)?shù)96%以上共計154 d,共耗電6 640 kW·h,以電價0.65元/(kW·h)計算,電費4 316元,每噸糧成本為0.76元。
同倉型同密閉同品種糧食智能(試驗倉)和非智能充氮(對照倉)使用情況的對比見表3。
從表3可以看出,在未考慮人力成本和操作安全的情況下,智能與非智能氣調(diào)運行成本差異明顯:智能控制充氮的試驗倉在整個充氮期間每噸糧成本比手工充氮的對照倉的減少0.41元,降幅達(dá)36%左右,效果明顯。但由于是初次實踐,管網(wǎng)的不合理設(shè)置影響智能氣調(diào)的效果,對管網(wǎng)進(jìn)行合理改造,可提高智能氣調(diào)的科學(xué)性,進(jìn)一步降低成本。
2.5 操作工藝分析
智能負(fù)壓充氮工藝要求在倉內(nèi)負(fù)壓狀態(tài)下進(jìn)行充氮,理論上抽氣速度等于充氣速度為最佳工作壯態(tài),但是,該試驗倉設(shè)計的管網(wǎng)欠合理,充氣管道和出氣管道路口徑相同,為75 mm,抽氣用的環(huán)流風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓為900 Pa,而制氮機(jī)送氣壓力為4×105 Pa,風(fēng)量一般與氣壓和管道截面積成正比,充氣管道和出氣管道口徑一致,截面積一致,而制氮機(jī)送氣壓力遠(yuǎn)高于抽氣用的環(huán)流風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓,因此,制氮機(jī)產(chǎn)氣速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抽氣速度,造成制氮機(jī)組經(jīng)常時停時走,一方面影響充氣速度,另一方面開關(guān)頻繁,難以降低能耗,還會影響機(jī)組壽命。按平均量智能地分別從各個地上籠風(fēng)道口進(jìn)行充排氣,看似平均,卻難以均衡,建議按適當(dāng)比例進(jìn)行充排氣,第一風(fēng)道要比最后一個風(fēng)道充更多的氮氣,以均衡氮氣濃度。智能充氮氣調(diào)儲糧工藝是近幾年興起的,其工藝技術(shù)有待提高。
2.6 存在的問題
2.6.1 氣密性
倉房氣密性難以達(dá)到要求,維持高氣密性難度大。倉房建筑門窗孔洞、建筑墻體和地坪、倉內(nèi)四周地坪裂縫、墻體裂縫等均可能影響倉房氣密性,雖門窗孔洞密封性可通過仔細(xì)檢查實現(xiàn)良好密封,但建筑墻體和地坪無法檢查;倉內(nèi)四周地坪裂縫難以檢查,且其對倉房氣密性的影響及影響程度尚無法估量。此外,閥門密閉性能難以把握。
2.6.2 管網(wǎng)的合理設(shè)計
提高管網(wǎng)設(shè)計與智能充氮工藝相適應(yīng),可使設(shè)備處于最優(yōu)工作狀態(tài),從而提高設(shè)備使用效率,最大限度地節(jié)約能耗,建議采用負(fù)壓智能對側(cè)強(qiáng)排法或智能上充下排邊充邊排法。
2.6.3 傳感器布置點和運行參數(shù)難以把握
氧傳感器設(shè)在哪個位置更能代表倉內(nèi)濃度,壓力傳感器放在哪里更合適,其運行參數(shù)如何合理設(shè)定,目前參數(shù)設(shè)定是根據(jù)氣調(diào)情況自行摸索,沒有固定參數(shù),這就要求要全面熟悉各操作程序及注意事項。
2.6.4 設(shè)備的穩(wěn)定性及壽命
中央儲備糧莆田直屬庫有限公司地處東南沿海,空氣中鹽分含量高,對氧氣濃度傳感器、壓力傳感器有一定的腐蝕性,導(dǎo)致二者的使用壽命僅一年左右,制氮設(shè)備每年都需要廠家維護(hù)保養(yǎng),維護(hù)難度大、成本高。
2.6.5 局部氮氣濃度不均勻
雖然本試驗設(shè)置的檢測點氮氣濃度在整個氣調(diào)期間分布基本均勻且維持穩(wěn)定,但由于淺圓倉糧堆高、體積大,局部地區(qū)難免會存在氮氣濃度不均勻的情況未被及時檢測,可考慮多增設(shè)氧濃度傳感器;采用下充上排的充氮模式,糧堆內(nèi)的蟲害可能在糧堆表層聚集引起短暫溫度升高,充氮氣調(diào)前在原有測溫電纜的基礎(chǔ)上可考慮多增設(shè)溫度傳感器。
此次試驗淺圓倉采用的是整倉充氮氣調(diào),空間體積大,采用可自行拆卸測溫電纜實施糧面覆膜,可減少倉內(nèi)空間體積,提升充氮氣調(diào)的效率、減少能耗,同時通過覆膜產(chǎn)生的氣囊可延緩糧堆氮氣濃度下降。
3 結(jié) 論
充氮氣調(diào)智能控制管理系統(tǒng)具有安裝便捷、操作靈活、使用安全的特點;將該系統(tǒng)用于淺圓倉氣調(diào)儲糧中,通過對其氮氣濃度控制、殺蟲效果、成本等方面進(jìn)行研究和分析,得出如下結(jié)論:① 系統(tǒng)可通過對倉內(nèi)氮氣濃度和倉房壓力的實時準(zhǔn)確監(jiān)測,實現(xiàn)充氮、停止、補(bǔ)氮等過程的自動控制,維持倉內(nèi)氮氣的均勻分布和濃度穩(wěn)定;② 充氮氣調(diào)期間,結(jié)合倉內(nèi)空調(diào)制冷可使倉內(nèi)溫度維持穩(wěn)定;③ 該系統(tǒng)殺蟲效果良好,成本低,自動化程度高;④ 該系統(tǒng)在使用中需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件,合理布置管網(wǎng),優(yōu)化傳感器布置和參數(shù)設(shè)置,提高設(shè)備穩(wěn)定性和壽命,以適用于更多地區(qū)、更多倉型。
參 考 文 獻(xiàn)
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