小麥平衡水分測定及實(shí)倉智能化降溫通風(fēng)試驗(yàn)

李興軍 吳子丹，2 季振江 楊 旭 趙永青 閆恩峰 吳曉明

(國家糧食局科學(xué)研究院1，北京 100037) (吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院2，長春 130000) (清苑國家糧食儲(chǔ)備庫3，清苑 071100) (山東省軍糧儲(chǔ)備庫4，齊河 251100) (天津市明倫電子技術(shù)有限公司5，天津 300384)

小麥平衡水分測定及實(shí)倉智能化降溫通風(fēng)試驗(yàn)

李興軍1吳子丹1，2季振江3楊 旭3趙永青4閆恩峰4吳曉明5

(國家糧食局科學(xué)研究院1，北京 100037) (吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院2，長春 130000) (清苑國家糧食儲(chǔ)備庫3，清苑 071100) (山東省軍糧儲(chǔ)備庫4，齊河 251100) (天津市明倫電子技術(shù)有限公司5，天津 300384)

本研究對14個(gè)小麥品種在5個(gè)溫度(10、20、25、30、35 ℃)和RH 11.3%～96%范圍內(nèi)進(jìn)行測定，并采用CAE方程進(jìn)行擬合，決定系數(shù)(R2)>0.998，平均相對百分率誤差(MRE)<2.951%。對于小麥解吸和吸附等溫線，CAE方程擬合的5個(gè)參數(shù)中B1和B2差異顯著，不同類型小麥之間對應(yīng)的CAE方程系數(shù)是相似的。不同類型的小麥品種收獲后可以同時(shí)處理，但其吸附和解吸行為應(yīng)當(dāng)分別對待。智能化糧情檢測、通風(fēng)窗口控制、小麥CAE平衡水分方程組成控制系統(tǒng)指定倉庫通風(fēng)。在計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)，通風(fēng)窗口由小麥吸附平衡絕對濕度曲線、飽和絕對濕度曲線、通風(fēng)上限溫度(通風(fēng)開始時(shí)為糧堆溫度減去8 ℃，通風(fēng)進(jìn)行時(shí)為糧堆溫度減去4 ℃)線組成窗口，當(dāng)大氣狀態(tài)點(diǎn)位于這個(gè)窗口內(nèi)，軸流小風(fēng)機(jī)被啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，糧堆降溫通風(fēng)開始。當(dāng)大氣狀態(tài)點(diǎn)位于這個(gè)窗口外，軸流小風(fēng)機(jī)被停止，糧堆降溫通風(fēng)結(jié)束。

在2015年12月16日—28日，這個(gè)系統(tǒng)用于河北清苑國家糧食儲(chǔ)備庫14號(hào)房式倉(小麥5 900 t,含水量11.5%)，下行吸出式通風(fēng)降溫7.4 ℃，3臺(tái)1.5 kW軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)累計(jì)用電800 kW，單位能耗0.018 kWh t-1℃-1，節(jié)省電能55%。14號(hào)整倉裂紋破碎率均值為(3.66±0.22)%，顯著低于使用4臺(tái)5.5 kW離心風(fēng)機(jī)的10號(hào)倉(4.30±0.28)%。2016年12月27日—2017年1月16日在山東齊河軍糧庫7號(hào)房式倉(小麥3 089 t，含水量12.5%)，采用2臺(tái)0.85 kW軸流風(fēng)機(jī)上行吸出式通風(fēng)，平均糧溫下降9.2 ℃，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)265.5 h，用電451.4 kWh，單位能耗0.015 9 kWh t-1℃-1，節(jié)省電能60%。

小麥 平衡水分 CAE方程 吸附滯后 智能機(jī)械通風(fēng)

谷物糧堆孔隙率35%～55%、熱絕緣特性造就其能夠傳遞和保持低溫低濕的空氣特性。二戰(zhàn)之后美國等發(fā)達(dá)國家開始了國家糧食儲(chǔ)備庫建設(shè)和糧食平衡水分方程研究。在20世紀(jì)50年代初在溫帶地區(qū)試驗(yàn)了采用通風(fēng)技術(shù)調(diào)控糧堆溫度，利用了該地區(qū)的低溫低濕空氣特性，這些早期研究結(jié)果為現(xiàn)代糧堆通風(fēng)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。到60年代中期，在亞熱帶氣候如澳大利亞、巴西、印度、以色列也試驗(yàn)降溫通風(fēng)技術(shù)，充分利用亞熱帶地區(qū)冬季和夜間的陰涼，冬季冷卻的糧堆能夠保持低溫幾個(gè)月延續(xù)到次年夏季。為了保持小麥新鮮度和面筋活性，準(zhǔn)確調(diào)控糧堆溫度和含水率，發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)90年代中期對文獻(xiàn)報(bào)道的小麥平衡水分等溫線數(shù)據(jù)及最佳擬合方程歸納總結(jié)，在國內(nèi)才開始了小麥平衡水分?jǐn)?shù)據(jù)測定[1-2]。由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)計(jì)算機(jī)技術(shù)和試驗(yàn)設(shè)備條件限制，測定的小麥種類有限，導(dǎo)致我國糧庫智能化通風(fēng)操作相對滯后[2-3]。本研究將課題組實(shí)驗(yàn)室測定的國產(chǎn)小麥平衡水分?jǐn)?shù)據(jù)用于實(shí)倉智能化機(jī)械通風(fēng)試驗(yàn)，以期對我國智能化通風(fēng)糧庫建設(shè)有促進(jìn)作用。

1 材料與方法

1.1 不同類型小麥平衡水分?jǐn)?shù)據(jù)收集

在2007—2012年采用靜態(tài)稱重法，對我國小麥主產(chǎn)區(qū)的不同類型品種共計(jì)14個(gè)進(jìn)行水分吸附/解吸等溫線測定[4-7]。數(shù)據(jù)采用SSPS 11.5軟件對CAE方程進(jìn)行非線性回歸擬合分析。

1.2 CAE方程和智能化機(jī)械通風(fēng)

CAE方程如方程(1)，該方程以相對濕度為因變量。方程(2)將相對濕度轉(zhuǎn)化為絕對濕度。方程(3)和方程(5)分別是糧堆和大氣的露點(diǎn)溫度計(jì)算公式。方程(4)是大氣的絕對濕度計(jì)算公式。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：RHg是糧食平衡相對濕度/%；M是糧食含水率/% w.b.；tg為糧堆溫度/℃；A1、A2、B1、B2、D是CAE方程系數(shù)；AHg糧食平衡絕對濕度/mmHg；Tdg是糧堆露點(diǎn)溫度/℃；AHa是大氣平衡絕對濕度/mmHg；RHa是大氣相對濕度/%；ta是大氣溫度/℃；Tda是大氣露點(diǎn)溫度/℃。

將公式編寫成計(jì)算機(jī)軟件，按照儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程(LS/T 1202—2002)規(guī)定的通風(fēng)啟動(dòng)條件指導(dǎo)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[8]。系統(tǒng)由糧食平衡絕對濕度曲線圖、糧堆濕度和露點(diǎn)查定軟件、糧情檢測系統(tǒng)、通風(fēng)設(shè)備控制系統(tǒng)組成，采用了數(shù)字溫度傳感器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、糧情檢測技術(shù)及儲(chǔ)糧通風(fēng)控制技術(shù)。在通風(fēng)過程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤糧情與大氣溫濕度變化，依據(jù)“儲(chǔ)糧通風(fēng)窗口模型”原理分析判斷，控制通風(fēng)作業(yè)的開啟與關(guān)閉，確保作業(yè)高效節(jié)能，避免出現(xiàn)低效的通風(fēng)作業(yè)。

1.3 降溫通風(fēng)操作實(shí)倉試驗(yàn)

1.3.1 河北清苑國家糧食儲(chǔ)備庫14號(hào)倉

河北清苑縣位于北緯39°，年均氣溫12 ℃，年降水量550 mm，屬于溫帶季風(fēng)性氣候。在12月中旬，在清苑縣國家糧食儲(chǔ)備庫14號(hào)倉進(jìn)行降溫通風(fēng)作業(yè)，倉房長60 m，寬21 m，裝糧線高度6 m。小麥數(shù)量5 900 t；采用3臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)吸出式通風(fēng)。風(fēng)機(jī)型號(hào)CZTY-400S，正向流量9 250 m3/h，電機(jī)功率1.5 kW，正向全壓480 Pa，風(fēng)機(jī)重量3.5 kg，反向流量8 600 m3/h，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 900 r/min，反向全壓440 Pa。9號(hào)倉為對照倉，倉房尺度和小麥數(shù)量同于14號(hào)倉，采用4臺(tái)7.5 kW的離心風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)。在2016年1月中旬，對智能化降溫通風(fēng)作業(yè)后的9號(hào)、14號(hào)倉進(jìn)行扦樣。在糧面取14個(gè)扦樣點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)從糧面起每隔2 m扦樣500 g，裝入35 cm×25 cm的自封袋，編號(hào)后用橡皮筋扎緊開口，及時(shí)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

小麥裂紋破碎率測定參考文獻(xiàn)[9]。每個(gè)樣品取樣60 g，用于FCF染色。即取樣品20 g，平行3次，以0.1% FCF染色液40 mL染色20 min后，用蒸餾水沖洗直到水呈現(xiàn)無色，再用0.01 mol/L NaOH溶液40 mL洗脫30 min，對洗脫液采用紫外分光光度計(jì)測定OD610。采用D610與裂紋破碎率之間的線性方程計(jì)算裂紋破碎率。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。LSD檢驗(yàn)中同一列不相同小寫字母表示樣品之間差異顯著(P<0.05)。

1.3.2 山東省軍糧儲(chǔ)備庫7號(hào)倉

山東省軍糧儲(chǔ)備庫位于山東省齊河市，屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。該庫7號(hào)倉倉房長39.8 m，寬20.4 m，地上籠一機(jī)三道，通路比K=1.5，入庫時(shí)間為2016年7月本地產(chǎn)的3 089 t小麥，含水率為12.5%，糧堆高5.0 m，雜質(zhì)0.6%。

采用2臺(tái)小功率(0.85 kW)的軸流風(fēng)機(jī)安裝在窗口上，采用負(fù)壓吸出式通風(fēng)，關(guān)好門窗，打開倉后通風(fēng)口，外界的冷空氣由通風(fēng)口進(jìn)入，由下而上經(jīng)過糧層，再由小軸流風(fēng)機(jī)排出倉外。使用風(fēng)機(jī)的型號(hào)是T35-11型，風(fēng)量27 600 m3h，轉(zhuǎn)速2 800 r/min，單位通風(fēng)量為8.9 m3ht。7號(hào)倉本次試驗(yàn)通風(fēng)運(yùn)行時(shí)間2016年12月27日—2017年1月16日。

2 結(jié)果分析

2.1 小麥智能化機(jī)械通風(fēng)用CAE方程系數(shù)

從表1看出，不同類型小麥之間對應(yīng)的CAE方程系數(shù)是相似的，而解吸與吸附之間B1和B2均差異較大。這表明在糧倉通風(fēng)操作中，需要嚴(yán)格區(qū)分小麥吸附和解吸行為，而不必考慮小麥類型的影響，因此本研究分開繪制了小麥解吸和吸附平衡絕對濕度曲線圖(圖1)。參數(shù)已知的小麥解吸和吸附CAE分別用于繪制平衡絕對濕度曲線圖。小麥吸附平衡絕對濕度曲線圖用于調(diào)質(zhì)通風(fēng)和降溫通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口糧堆狀態(tài)判斷，小麥解吸平衡絕對濕度曲線圖用于降溫和降水通風(fēng)。通過比較糧堆與大氣之間的溫差、平衡絕對濕度大小，倉庫保管員可以快速?zèng)Q定是否適合通風(fēng)及需要的通風(fēng)類型。

表1 不同類型小麥CAE方程系數(shù)及擬合度指標(biāo)

注：A1、A2、B1、B2、D是CAE方程系數(shù)；R2是決定系數(shù)，MRE%是百分率相對誤差。

圖1 小麥解吸與吸附平衡絕對濕度曲線圖

2.2 河北清苑國家糧食儲(chǔ)備庫14號(hào)倉降溫通風(fēng)試驗(yàn)

在通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行控制中，當(dāng)糧溫與氣溫之差大于8 ℃時(shí)，系統(tǒng)控制測控分機(jī)打開風(fēng)機(jī)；當(dāng)溫差小于4 ℃時(shí)，關(guān)閉風(fēng)機(jī)停止通風(fēng)。在通風(fēng)過程中，系統(tǒng)每10 min檢測一次糧堆溫度，每5 min檢測一次大氣溫度濕度，根據(jù)“通風(fēng)窗口模型”原理，分析判斷作業(yè)條件，根據(jù)分析結(jié)論控制作業(yè)的進(jìn)行。表2為系統(tǒng)控制啟動(dòng)與關(guān)閉通風(fēng)作業(yè)的時(shí)間與數(shù)據(jù)參數(shù)。

表2 清苑庫14號(hào)倉開關(guān)風(fēng)機(jī)記錄

注：通風(fēng)運(yùn)行時(shí)間2015年12月16—28日。

表3顯示14號(hào)倉通風(fēng)過程中分層糧溫變化。糧堆下層溫度降低到一半需要1 d，中2層溫度降下來需要4 d，中1層溫度降下來需要5 d，全倉均溫又需要2 d。即整個(gè)降溫通風(fēng)需要12 d。在降溫時(shí)間估算中，中2層與中1層降溫的相位差4 d，即1.8 m÷4 d=0.45 m/d或0.037 5 m/h。對6 m厚糧堆，6 m÷0.375m/h=160 h，需要160 h的通風(fēng)時(shí)間。這與實(shí)際通風(fēng)的時(shí)間大體一致。風(fēng)機(jī)開關(guān)的時(shí)機(jī)控制準(zhǔn)確，降溫效率相對傳統(tǒng)方法有明顯的提高。

表3 清苑庫14號(hào)倉通風(fēng)過程中糧溫分層變化

在本次智能化降溫通風(fēng)試驗(yàn)中，清苑庫14號(hào)倉通風(fēng)運(yùn)行時(shí)間2015年12月16至28日。2015年12月16日平均糧溫9.7 ℃，2016年1月11日平均糧溫2.3 ℃，平均糧溫下降7.4 ℃，用電800 kW，單位能耗為0.018 kWh t-1℃-1，節(jié)省能耗55%。

從表4看出，所有取樣點(diǎn)14號(hào)倉裂紋破碎率均低于6%。A、B、C、D四層裂紋破碎率變化范圍分別為2.15%～5.64%、2.71%～4.47%、2.71%～5.71%、1.79%～5.85%，四層裂紋破碎率平均值差異不顯著。14號(hào)倉整倉裂紋破碎率均值為(3.66±0.22)%。從表5看出，10倉裂紋破碎率高于6%的位點(diǎn)在2A、2D、12B、12C、12D、14B。A、B、C、D四層裂紋破碎率變化范圍分別為2.91%～6.31%、3.03%～6.94%、2.79%～6.40%、2.15%～7.37%?？傮w來看，B層裂紋破碎率值較高，但是四層裂紋破碎率平均值差異不顯著；整倉裂紋破碎率均值為(4.30±0.28)%。14號(hào)倉整倉裂紋破碎率均值顯著低于10號(hào)的。

表4 清苑庫14號(hào)小麥倉糧堆各點(diǎn)裂紋破碎率/%

表5 清苑庫10號(hào)小麥倉糧堆各點(diǎn)裂紋破碎率/%

2.3 山東省軍糧儲(chǔ)備庫7號(hào)倉降溫通風(fēng)

從表6看出，山東軍糧庫7號(hào)倉上行吸出式倉智能機(jī)械通風(fēng)期間，倉內(nèi)空氣相對濕度隨大氣相對濕度變化，差異不是特別大。糧堆上層溫度與倉溫接近。糧堆下層溫度在2 d內(nèi)先降低，接著中2層溫度在9 d內(nèi)降下來，中1層溫度在6 d內(nèi)降下來，全倉均溫又需要3 d。即7號(hào)倉整個(gè)降溫過程需要20 d。

表6 山東軍糧庫7號(hào)倉通風(fēng)期間糧堆溫度、倉溫倉濕

注：通風(fēng)運(yùn)行時(shí)間2016年12月27日至2017年1月16日。

山東軍糧庫7號(hào)倉本次試驗(yàn)中，2016年12月27日平均糧溫15.3 ℃，2016年1月16日平均糧溫6.1 ℃，平均糧溫下降9.2 ℃，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)265.5 h，用電451.4 kWh，單位能耗是0.015 9 kWh t-1℃-1，節(jié)省了電能60%。

3 結(jié)論

3.1 測定的不同類型小麥等溫線之間差異不顯著，一致于CAE方程相似的參數(shù)。這個(gè)結(jié)果對實(shí)踐的指導(dǎo)作用是，不同類型的小麥品種收獲后可以同時(shí)處理，但是它們的吸附和解吸行為應(yīng)當(dāng)分別對待。參數(shù)已知的小麥解吸和吸附CAE分別用于繪制平衡絕對濕度曲線圖。小麥吸附平衡絕對濕度曲線圖用于調(diào)質(zhì)通風(fēng)和降溫通風(fēng)進(jìn)風(fēng)口糧堆狀態(tài)判斷，小麥解吸平衡絕對濕度曲線圖用于降溫和降水通風(fēng)。通過比較糧堆與大氣之間的溫差和平衡絕對濕度大小，倉庫保管員可以快速?zèng)Q定是否適合通風(fēng)及需要的通風(fēng)類型。

3.2 在暖溫帶地區(qū)寒冷的冬季，采用小功率軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行上行或下行吸出式通風(fēng)，降低糧堆溫度10 ℃，需要20 d左右，節(jié)約電能55%以上，顯著減少通風(fēng)速率過大引起的籽粒裂紋破碎率。

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Equilibrium Moisture Content (EMC) of Chinese Wheat and Lowering Grain Temperature with Mechanical Aeration Guided by EMC Theory

Li Xingjun1Wu Zidan1,2Ji Zhenjiang3Yang Xu3Zhao Yongqing4Yan Enfeng4Wu Xiaoming5

(Academy of the State Administration of Grains1, Beijing 100037) (College of Agriculture and Bioengineering,Jilin University2,Changchun 130000) (Qingyuan State Grain Reserve Depot3, Qingyuan 071100) (Shandong Grain Reserve Depot for Army Provision4, Qihe 251100) (Tianjin Minglun Electronic Limited Corporation5, Tianjin 300384)

In this study, 14 wheat varieties selected were measured under five different temperatures: 10, 20, 25, 30,35 ℃ and the range of RH of 11.3%～96%, and equilibrium relative humidity (ERH) model called CAE was used to fit, with determination coefficient (R2)>0.998 and mean relative percentage error (MRE)<2.951%. Among 5 parameters in the CAE model for wheat desorption and adsorption isotherms, whereB1andB2showed appreciable difference,with a similar in coefficients in equations of different wheat varieties taken into consideration. It was concluded that the wheat grains from different classes could be contemporaneously dealt with after harvest, but their desorption and adsorptive behaviors should be differentiated from. An intellectualized grain bulk detection, aeration window controlling, and CAE equilibrium moisture equation of wheat grains were used to instruct aeration. An aeration window was constructed by the curves of wheat adsorptive equilibrium absolute humidity, the saturate absolute humidity and upper limited ventilation temperature(grain bulk temperature minus temperature 8 ℃, at the beginning of ventilation and during the ventilation, grain bulk temperature minus 4 ℃). When the air status point lied within the aeration window, axial flow ventilator was turn on to circumvolve and decrease the grain temperature. When the air status point lied outside the aeration window, axial flow ventilator was turn off.

During December 16thto 28th, 2015, this system was used to a No.14 wheat depot of 5 900 t in Qingyuan, Hebei, China and decreased grain temperature of 7.4℃ within the accumulated 800 kW of power consumption with three 1.5 kW-power axial flow fans. The unit energy consumption was 0.018 kW h t-1℃-1, which is much lower 55% than that (0.040 kW h t-1℃-1) of general temperature-decreasing aeration with the manual controlling ground cage ventilation. The percent of cracked and broken grains in the whole depot was (3.66 percent, significantly lower than the value 4.30% ifica) in the control depot aerated by four centrifuge flow fans.

During December 27th, 2016 to January 16th, 2017, the system was used for a No.7 wheat depot of 3089t in Qihe, Shandong, China and decreased grain temperature of 9.2 ℃ within the accumulated 451 kW of power consumption with two 0.85 kW-power axial flow fans. The unit energy consumption was 0.015 9 kW h t-1℃-1, which is much lower 60% than that (0.040 kW h t-1℃-1) of general temperature-decreasing aeration with the manual controlling ground cage ventilation.

wheat, equilibrium moisture content, CAE model, sorption hysteresis, intellectualized mechanical aeration

S379.3

A

1003-0174(2017)11-0094-06

糧食公益性行業(yè)科技專項(xiàng)(201313001-03-01)

2017-04-23

李興軍，男，1971年出生，副研究員，糧食生理生化與多糖營養(yǎng)

吳子丹，男，1955年出生，研究員，糧油儲(chǔ)藏