小型熱管低溫儲糧系統(tǒng)的應用試驗

張 巖 姜文利 邵煥霞 王世清

(青島農業(yè)大學食品科學與工程學院1，青島 266109)(青島市現代農業(yè)質量與安全工程重點實驗室2，青島 266109)

中國是糧食消費大國，糧食安全與否直接涉及到國家興衰和民族存亡，確保糧食安全必須作為天字號工程來抓[1-4]。

迄今為止，國外為延緩糧食劣變最常用的儲糧方法有機械通風法、低溫儲糧法和氣調儲糧法等[5]。機械通風法是近代工程技術對糧食儲藏的一大貢獻，不但避免了許多化學藥劑的使用，還增加了儲糧的穩(wěn)定性，20世紀80年代，機械通風儲糧技術在全世界得到廣泛應用；低溫儲糧法是延緩糧食劣變、保持良好品質的最佳方法，日本20世紀80年代找到了“15 ℃”的溫度臨界線，德國于1917年首次提出機械制冷低溫儲糧的概念，全世界已有50多個國家和地區(qū)采用了機械低溫制冷儲糧技術；氣調儲糧法最早是英國的佛羅蓋特采用CO2控制脫粒玉米免受蟲害的感染，已確認氣調對糧食品質保持以及控蟲防霉等方面均較之常規(guī)儲藏更具優(yōu)越性[6-12]。國內儲備糧庫的主流倉型為高大平房倉[7,10]，采用機械通風法，由于倉溫受外部氣溫影響較大，導致糧溫特別是表層及近表層糧溫波動較大，夏季容易引起糧食品質下降和儲糧害蟲繁殖而不得不用藥物熏蒸來控制等問題。以上幾種儲糧方法各有優(yōu)缺點，其中低溫儲糧方法是相對較好的一種，目前最大問題在于低溫的獲取多是采用機械制冷，耗能巨大，這與當今世界能源緊缺及綠色低碳需求有相當大的距離，因此，開發(fā)利用新的冷源和制冷方式是當今低溫儲糧研究的熱點和主要方向[13-30]。

本研究旨在開發(fā)設計一套小型自動循環(huán)式熱管低溫儲糧系統(tǒng)，以自然冷風為低溫來源，以熱管組為熱交換元件，研究自然冷源在儲糧系統(tǒng)中的應用。該設施最大的優(yōu)點是不消耗動力能源即可獲得低溫或準低溫，與傳統(tǒng)機械制冷相比，結構簡單、成本低、無能耗并因長期保持低溫從而減少傳統(tǒng)方法需藥物熏蒸所帶來的化學污染，真正實現綠色儲糧之目的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為青島本地混合硬質小麥，由青島第二糧食儲備庫提供，小麥原始水分12.5%，容重863 kg/m3、比熱容1 757 J/(kg·K)，總質量226.45 kg。

1.2 小型熱管低溫儲糧系統(tǒng)

圖1為自行設計的小型熱管低溫儲糧系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)由儲糧倉、熱管組、溫度測試系統(tǒng)等組成。儲糧倉尺寸為0.9 m×0.6 m×0.8 m；熱管組由冷凝端、蒸發(fā)端、壓力表、溫度測試系統(tǒng)等組成，熱管材料為紫銅管，尺寸Φ12.5 mm×8 m，冷凝端安裝在室外與自然冷風接觸，蒸發(fā)端放置在儲糧倉內與糧食接觸，單層布置，離倉底20 mm。熱管組的設計計算可見本作者前期工作[20-21]和發(fā)明專利201010500067.3。

圖1 試驗裝置及溫度測點示意圖

1.3 試驗內容

連續(xù)檢測熱管、糧溫隨外界冷空氣溫度的變化，分析本熱管系統(tǒng)蓄冷規(guī)律，探討青島及以北地區(qū)自然冷源在儲糧系統(tǒng)中應用的可行性。

試驗時間從2010年12月1日至2011年2月1日，各溫度測點布置如圖1所示，共11個測點。儲糧倉內中心處自下而上等距離設置1～5號5個溫度測點，6～7號為熱管蒸發(fā)端入口和出口溫度，8～9號為熱管冷凝端入口和出口溫度，10號為室外環(huán)境溫度，11號為室內環(huán)境溫度，溫度數據測試采用銅-康銅T型熱電偶，傳感器探頭做防輻射處理。所有溫度由N14351T熱電偶測溫系統(tǒng)(美國NI儀器有限公司)完成數據采集、記錄與存儲工作，數據采集時間間隔為5 s。

1.4 系統(tǒng)蓄冷量

該系統(tǒng)蓄冷量由式(1)計算：

Qw=cwρwVwΔt

(1)

式中：Qw為小麥蓄冷量/J；cw為小麥的比熱容/J/(kg·℃)；ρw為小麥的密度/kg/m3；Vw為小麥容積/m3；Δt為小麥降低的溫差/℃。

2 結果與分析

2.1 熱管溫度隨冷空氣溫度的變化規(guī)律

圖2為熱管溫度與室外溫度在試驗期間的變化規(guī)律。從圖2中可以看出熱管上的各點溫度變化與外界氣溫變化趨勢極為相似，冷凝端出口溫度僅比外界溫度高2～3 ℃，表明冷凝端與外界的換熱效果良好。此外，熱管蒸發(fā)端和冷凝端溫度雖然變化趨勢相同，前者比后者高出約1 ℃，冷凝端和蒸發(fā)端進出口溫度基本保持一致且進口溫度略低于出口溫度，這是因為熱管內工質汽化吸熱，帶走糧食內部熱量，使得熱管出口溫度升高。在室外，熱管壁進口溫度略高于出口溫度，因為熱管內工質在室外冷凝放熱，吸收外界的冷量，使得熱管出口溫度降低。冷凝端控制溫度越低，徑向的溫度梯度越明顯，表明外界的冷量通過熱管導入到糧倉內，可以達到糧食儲藏要求的溫度標準。這是由于蒸發(fā)端埋在小麥里，小麥熱量與其熱交換引起的緣故。由熱管溫度與外界溫度變化的相似性可以推測熱管內工質在不斷地循環(huán)，結果使得小麥溫度不斷降低并在小麥堆內積蓄冷量。

圖2 熱管溫度與室外溫度

2.2 小型熱管低溫儲糧系統(tǒng)內糧溫變化規(guī)律

圖3為儲糧倉內糧溫變化規(guī)律，12號為小麥平均溫度。由圖3可以看出，隨著室外溫度不斷降低，糧溫隨之下降，越靠近熱管蒸發(fā)端降低幅度越大，但各點溫度的變化與室外氣溫(10號)的劇烈波動相比明顯地減緩，越遠離熱管蒸發(fā)器溫度波動越小。儲糧倉內小麥各測點溫度由下到上依次上升，上層溫度明顯高于下層溫度，沿熱管徑向存在著明顯的溫度梯度。這是因為工質帶來的冷量首先作用于靠近熱管蒸發(fā)端處小麥的緣故。經過2個月的時間，儲糧倉內小麥溫度從13 ℃降到1 ℃，平均最低溫度降到零下0.03 ℃，降溫明顯，表明室外冷量連續(xù)不斷地導入到儲糧倉內的小麥里，實現了小麥的降溫和蓄冷。

圖3 糧溫分布

2.3 小型熱管低溫儲糧系統(tǒng)蓄冷特性分析

在2個月的試驗時間內，該系統(tǒng)在小麥中的蓄冷量達到6.36 MJ，單位降溫速度為0.2 ℃/d，這與普通的自然通風系統(tǒng)相比，降溫速度大大提高并可控，同時由于糧溫的有序降溫，有效地防止了普通自然通風系統(tǒng)因高濕冷空氣導致的結露現象。

若外界溫度高于糧倉內小麥溫度時，如夏季，由于沒有正向的溫差和重力存在的因素，熱量不會反方向運動，熱管失去作用，僅依靠冬季低溫時導入的蓄冷量對小麥保持低溫儲藏。同時，為防止外界熱量從熱管組導入糧堆，可用保溫材料將輸出端封住以避免糧堆內冷量的損失。

3 結論

3.1 在青島及以北地區(qū)，應用該系統(tǒng)可將本試驗用的青島本地混合硬質小麥的溫度降低到0 ℃或以下。

3.2 對自行設計的本低溫儲糧系統(tǒng)而言，青島的冬季環(huán)境下，以不足0.1 m2蒸發(fā)端面積，60 d內該系統(tǒng)總蓄冷量達到6.36 MJ；單位降溫速度為0.2 ℃/d；同時，因該系統(tǒng)使得糧溫能有序降溫，防止普通自然通風系統(tǒng)所帶來的結露現象。

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