基于揮發性成分差異性的散裝植物油空調控溫儲糧技術研究*

潘陽

(安徽糧食工程職業學院糧食工程系,安徽 合肥 230011)

0 引言

空調控溫儲糧技術指的是通過在儲糧倉庫上方安裝空調設備,采用外部制冷以及空調送風的方式對儲糧倉庫內部的溫度進行調節,從而保證倉庫內的溫度能夠滿足糧食的存儲要求,以保證糧食的存儲品質.對于糧油或果蔬等存儲溫度要求較高的糧食,可以采用空調控溫儲糧技術對其進行存儲.常規的機械通風儲糧技術主要是在儲糧倉庫中安裝排風系統,通過控制儲糧倉庫內部的空氣流通情況,調節風速以及通風均勻性,從而實現糧食存儲.雖然當前研發出的通風結構具有通風均勻且便于拆卸等優點,但是在通風過程中由于糧食顆粒被通風裝置吸入,從而堵塞通風口,同時在糧食入庫的過程中也容易被風道沖開,從而導致糧食浪費的情況.因此相較于常規的機械通風儲糧技術,空調控溫儲糧技術不僅可以避免局部通風發熱的情況,同時還能夠減少內部的糧層阻力.空調控溫儲糧技術可以對儲糧倉庫內部的溫度進行精準調節,同時也能夠保證倉庫內部溫度的穩定性以及均勻性,不會出現局部溫度失調等情況.除此之外,采用局部揭膜的方式配合空調控溫技術,不僅可以實現倉庫溫度的全方位調節,同時也能夠保證控溫的持續時間.因此空調控溫儲糧技術被廣泛應用在大規模的平房倉庫儲糧中.文獻[1]在對農戶規?；瘍Z技術研究的過程中發現,通過在儲糧倉庫的墻壁邊角處安裝排風管道,可以有效降低倉內糧食溫度,從而保證糧食含水量,緩解糧食品質劣變.文獻[2]針對中溫低濕生態區,采用空調控溫技術糧倉溫度進行控制,最終實驗結果表明該技術能夠有效抑制倉內害蟲的繁殖,從而減少糧食的儲存損耗.文獻[3]從控溫和成本兩個方面,將空調控溫技術與充氮氣技術進行對比,實驗結果表明空調控溫技術可以減少蟲害現象,從而避免化學藥劑使用過多帶來的糧食污染的情況.文獻[4]以綠色環保儲糧作為研究目的,證明通過空調控溫技術不僅可以實現免熏蒸儲糧,同時還能夠對糧倉上方的溫度進行恒定控制,具備較好的儲糧效果.基于以上研究,本文提出一種基于揮發性成分差異性的散裝植物油空調控溫儲糧技術,通過對空調控溫參數進行調節,從而實現恒定控溫,保證糧食的儲存品質.

1 散裝植物油空調控溫儲糧技術設計

1.1 基于揮發性成分差異性的糧倉溫度數據獲取與溫度場云圖生成

散裝植物油對于環境溫度以及濕度有著較高的要求,溫度過高或過低都會導致油體揮發或變質,從而影響存儲效果.因此本文采用空調控溫儲糧技術對其進行存儲,通過對空調通風系統進行控制,對糧倉內部溫度以及熱值參數進行調節,從而為散裝植物油提供良好的存儲環境[5].由于散裝植物油容易受到溫度的影響,導致油體在不同深度上出現揮發性成分差異性,而油體揮發性與溫度又有著直接關系.因此通過獲取糧倉溫度,并構建出糧倉溫度與油體揮發性成分差異性之間的關系,從而針對不同油層的揮發性差異,實現溫度精準調控.本文首先對不同規模的糧倉進行溫度數據獲取,在此基礎上考慮到植物油揮發性成分的差異性,以糧倉空間頂點作為坐標原點,生成糧倉溫度場云圖,為后續的糧倉溫度控制提供幫助[6].

為了便于分析與討論,以儲糧倉型中的高大平房倉為例,基于糧倉內部的溫度場分布,通過構建控溫函數,對糧倉入風口以及出風口處的空氣相對濕度以及通風總時長等相關控溫參數進行調整,從而實現控溫儲糧[7].本文以東西方向和南北方向作為測溫標準,分別從兩個方向的橫剖面進行測溫點布置,從而獲取較為全面的糧倉溫度數據,具體測溫點布置示意圖如圖1所示.

圖1 糧倉測溫點布設示意圖

在測溫電纜上安裝溫度傳感器,并將其安裝在不同方向的糧倉墻面內部,從而實現多方位溫度測量.在上述測點布置方案中,每條測溫電纜上的溫度傳感器間距相等,均為0.5 m,電纜長度相等.但測溫電纜之間的間距有所不同,這主要是受到散裝植物油揮發性成分差異性的影響.越靠近測溫對象的電纜,其電纜之間的間距越小,可以更為精準地測量出不同空間距離的糧倉溫度.獲取到糧倉溫度數據后,將糧溫數據中較為明顯的錯誤數據進行清除.對于缺失數據,可以通過選取該數據前一天和后一天的測量值,并對其進行平均化處理,從而得到完整的糧倉溫度數據.然后以糧倉西北方向的頂點作為坐標原點,從西北方向與東南方向分別向外延伸,構成坐標系的x軸和y軸,以糧倉的空間對角線作為z軸,構建出糧倉溫度場坐標系,具體坐標系示意圖如圖2所示.

圖2 糧倉溫度場坐標系示意圖

針對上述構建出的糧倉溫度場坐標系,以測量得到的糧倉溫度作為基礎數據,對溫度場坐標系進行填充.然后將糧倉空間進行平面分層,以相同的間隔將糧倉空間分成若干平面,分別對每一平面上的測溫數據進行補償,最后將每層的溫度數據組合,即可生成糧倉溫度場云圖[8].

1.2 糧食溫濕度控制目標函數的構建

在得到糧倉內部空間的溫度分布情況后,根據溫度云圖中的溫度分布數據,構建優化目標函數,對糧倉內部的水分以及溫度進行優化控制,從而實現科學的控溫儲糧[9].考慮到空調控溫儲糧技術的儲糧成本,除對糧食的溫濕度進行控制以外,針對空調制冷設備的損耗情況也進行了分析,從而構建空調制冷設備能量損耗目標優化函數,在實現糧食品控細化的同時,也能夠將控溫儲糧技術的儲糧成本降到最低,從而滿足糧食倉儲行業對于儲糧成本的要求[10].散裝植物油對于水分的要求較高,如果植物油存儲環境中的水分含量較大,不僅會提高油體的潮濕度,同時也會為微生物繁殖提供一定的生長空間,從而出現油體變質的情況.而如果散裝植物油存儲環境過于干燥,將會導致油體分離,同時也會降低植物油的經濟效益.因此需要對散裝植物油的存儲環境水分占比進行控制,因此構建出水分控制目標函數表達式如下所示.

JM=(Mg-Mgd)2

(1)

式(1)中,Mgd代表散裝植物油水分所需要控制的最優值,Mg代表實際水分占比,JM代表水分控制目標優化函數值.散裝植物油的存儲溫度需要保持在一個較低的恒溫溫度下,這樣不僅可以降低植物油的蒸發效果,同時也能夠減少微生物的繁殖能力,從而減少植物油出現變質的情況,以保證植物油的品質[11].同時,受到外部環境溫度的影響,糧倉內部的溫度通常在夏季容易出現急劇升溫的情況,因此需要對糧倉溫度進行控制,從而保證植物油的存儲效果.對此,構建出溫度控制優化目標函數表達式如下所示.

JT=(Tg-Tgd)2

(2)

式(2)中,Tgd代表散裝植物油存儲空間溫度所需要控制的最優值,Tg代表糧倉的實際存儲溫度,JT代表糧倉溫度控制目標優化函數值.空調制冷設備的能量損耗值主要與入風口處的空氣溫度以及通風時長等制冷參數相關,為了保證控制參數的實際調控效果,以空調設備在制冷過程中的熱量負荷值作為調控對象,構建出空調能耗調控目標函數表達式如下所示.

(3)

式(3)中,t′代表空調通風時長,Hin代表空調入風口處的空氣濕度,Tin代表空調入風口處的溫度測量值,Pe代表空調的運行功率,JE代表空調設備的運行能耗控制值.將三組目標函數進行組合,即得到糧食溫濕度控制目標函數,具體函數表達式如下所示.

Jsum=αJM+βJT+χJE

(4)

式(4)中,α,β和χ分別代表三組控制目標函數對應的權重分配結果.以總優化結果作為控制目標,分別對糧倉的溫度、散裝植物油的存儲濕度以及空調制冷設備的能耗值進行調控,即可在保證存儲條件的同時,降低空調控溫儲糧成本[12].

1.3 空調控溫儲糧方案設計

在完成了對于糧食溫濕度控制目標函數的構建后,結合散裝植物油的存儲需求,對空調控溫儲糧方案進行設計,具體儲糧方案流程如圖3所示[13].首先對植物油的初始入庫含水量進行檢測.然后通過電纜傳感溫度測量的方式,對糧倉內部不同位置的溫度進行測量,輸出溫度場云圖.分別從糧倉溫度、植物油含水量以及空調設備能耗三個角度構建目標函數,并對目標函數進行求解[14-16].通過求解目標函數得到空調控溫數值,對糧倉內部溫度進行設定.在控溫期間,需要持續對糧倉溫度進行監測,若糧倉內部溫度出現改變,則需要重新對溫度進行測量,并構建出新的溫控目標函數,從而實現糧倉溫度的合理調控.

圖3 空調控溫儲糧方案流程圖

2 實驗論證

為了證明本文提出的基于揮發性成分差異性的散裝植物油空調控溫儲糧技術在控溫效果方面優于常規的控溫儲糧技術,在理論部分的設計完成后,構建實驗環節,對本文方法的實際控溫效果進行檢驗.

2.1 實驗說明

為了驗證本文提出的基于揮發性成分差異性的散裝植物油空調控溫儲糧技術在實際控溫效果方面的有效性,實驗選取了兩種常規的散裝植物油儲糧技術作為對比對象,分別為機械送風控溫儲糧技術,以及基于環流控溫儲糧技術.通過構建實驗平臺,采用三種控溫儲糧方法對散裝植物油進行儲糧控溫,對比不同方法的實際控溫效果.

2.2 實驗準備

實驗選取的倉房為高大平房倉,倉頂結構為混凝土鋼筋板結構,倉底結構為聚酯發泡隔熱鋁板,起到保溫隔熱作用.糧倉氣密性良好,糧倉墻壁內部安裝保溫管,保證倉內溫度不會出現損耗.考慮到研究區域夏季降水較多,因此糧倉外部墻壁進行了防潮處理,可以有效隔斷外部雨水侵蝕.糧倉內部平面面積為40.5 m×53 m,糧倉整體儲糧空間為6 532 m3,可存儲5 000 t的糧食.糧倉整體為密封結構,窗戶采用PVC封膜以及不銹鋼加固窗欄結構進行加固,以起到防蟲隔熱的作用.倉房糧情數據如表1所示.

表1 倉房糧情數據

為保證實驗結果的可靠性,本次實驗采用1號倉作為實驗倉,同時采用4號倉和8號倉作為對比倉.其中,4號倉采用常規的控溫儲糧技術,8號倉采用機械送風控溫儲糧技術.8號倉的送風管道安裝在糧倉北側墻壁內部,整體送風管道長為20.5 m.為防止熱量散失,送風管道外部采用隔熱材料進行包裹,同時也能夠減少風量損失.1號糧倉在統計周期的平均糧溫變化如圖4所示.

圖4 1號糧倉的平均糧溫變化

本次實驗采用Matlab軟件搭建仿真實驗平臺,通過獲取的三個糧倉中的溫度云圖,結合糧倉內部的空間結構,構建出糧倉溫度分布模型.三個糧倉的部分初始溫度測量數據如表2所示.

表2 糧倉初始測點溫度數據

為保證實驗結果的嚴謹性,對三個糧倉均采用了相同的溫度測點布設方案.同時,考慮到空調控風效果對于倉內溫度的影響,分別在空調入風口以及出風口處安裝了測溫點,對其進行溫度測量.每個糧倉中存儲的散裝植物油的規模以及品質均相同,分別采用三種儲糧技術對糧倉的溫度以及濕度進行調整.為保證監測結果具有可靠性,本次實驗將儲糧周期設為7 d,一周后對倉內的溫度進行重新監控測量.隨機抽取某一天相同監測點位的糧倉溫度數據,通過對溫度數據的波動值進行計算,從而實現控溫效果的有效對比.

2.3 控溫效果對比結果

對比實驗選取的指標為相同監測點位的糧倉溫度波動值.在相同監測點位下,糧倉溫度波動范圍越小,代表方法的控溫效果越好,越能為散裝植物油提供良好的存儲條件,具體實驗結果如圖5所示.

圖5 糧倉溫度波動值對比結果

通過糧倉溫度波動值變化曲線可以明顯看出,兩種常規的控溫儲糧技術對于糧倉溫度的控制效果有限,糧倉溫度波動情況較大.而本文提出的基于揮發性成分差異性的散裝植物油空調控溫儲糧技術在溫度控制效果方面明顯優于兩種常規的控溫儲糧技術,糧溫溫度變化較為穩定,由此可以證明本文方法的控溫性能更好.

3 結束語

針對常規的糧食儲存方法在儲存效果方面不夠理想的問題,通過結合空調控溫方法,提出了一種可以控制儲糧溫度的糧食儲存技術.在今后的研究工作中,還需對儲糧倉庫進行改造,從而提高對空調控溫參數調節的便捷程度,在節約能源成本的同時,為糧食倉儲行業的發展提供積極幫助.