棉包存儲環(huán)境的溫濕度研究

萬少安 祁麗霞 禹建鷹 連素梅 郭會清

（1.鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計研究所，河南鄭州，450004；2.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州，450046；3.鄭州海關(guān)，河南鄭州，450003；4.石家莊海關(guān)，河北石家莊，050051）

我國棉花存儲庫分布在全國各地，不同地區(qū)其自然環(huán)境顯著不同，地區(qū)環(huán)境溫濕度差別較大，特別是我國南方地區(qū)的梅雨季節(jié)，常常使得棉花存儲在高溫高濕環(huán)境下［1］。棉花受潮后易因微生物作用而發(fā)生霉變，分泌出纖維素和酸，使棉纖維產(chǎn)生不穩(wěn)定物質(zhì)。通常條件下，棉花不屬于易自燃的物質(zhì)，但由于棉花的熱傳導(dǎo)系數(shù)僅為0.071 W/（m·K）～0.073 W/（m·K），容易蓄熱，理論上經(jīng)過長時間熱量積聚也可能導(dǎo)致陰燃?；谏鲜銮闆r，在棉花存儲管理工作中，潮濕環(huán)境和高溫天氣通常作為引起棉花霉變的重要因素［2-4］。目前我國大部分棉花存儲庫都配備環(huán)境溫濕檢測設(shè)備，但是只是記錄室內(nèi)空氣的溫度和相對濕度變化情況，管理人員無法了解棉包內(nèi)溫度和相對濕度的變化情況。在外部環(huán)境溫濕度的影響下，棉包內(nèi)的溫濕度究竟是怎樣變化的？在不同環(huán)境溫濕度情況下，不同回潮率的棉花對環(huán)境溫濕度有何響應(yīng)規(guī)律？棉包在高濕特殊的環(huán)境下究竟是怎樣變化的？這種變化是否有一定的規(guī)律性？這種變化與棉花品質(zhì)和存儲環(huán)境條件有沒有關(guān)系？這一系列問題一直是有關(guān)科技人員研究關(guān)心的問題［5-10］。本研究設(shè)計了棉包溫濕度在線檢測試驗，主要研究成包棉花在不同環(huán)境溫濕度條件下其棉包內(nèi)溫濕度變化情況以及內(nèi)外達(dá)到平衡的時間，探討不同環(huán)境溫濕度對棉包存儲溫濕度變化的影響，對棉花的存儲工作提出科學(xué)的指導(dǎo)。

1 試驗設(shè)計與實施

1.1 棉包的制備

我國大部分產(chǎn)棉省處于半濕潤半干旱地區(qū)，正常年降水量在600 mm左右。我國進(jìn)入存儲的棉花回潮率一般在4%～9%。根據(jù)實際棉花的回潮率，設(shè)計了棉花調(diào)濕裝置，將棉包內(nèi)棉花的回潮率設(shè)定為低、高兩個檔次，即回潮率在5%、8%兩個水平進(jìn)行試驗，同時在打包時就將溫濕度傳感器放入棉包內(nèi)，放入深度為150 mm。試驗棉包采用與國家標(biāo)準(zhǔn)棉包同密度等比例縮小為10 kg（500 mm×200 mm×250 mm）的特制試驗用棉包。

1.2 主要測試設(shè)備

為保證測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，項目組聯(lián)合有關(guān)單位進(jìn)行科研攻關(guān)，研發(fā)了棉包溫濕度實時監(jiān)測AL-RTU系統(tǒng)，其功能是將傳感器數(shù)據(jù)采集、傳送至云服務(wù)器。為確保棉包內(nèi)測試數(shù)據(jù)實時性，項目組研發(fā)了一種棉包內(nèi)埋入式傳感器裝置，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了棉包內(nèi)溫濕度和環(huán)境溫濕度、試驗位置、試驗時間等試驗數(shù)據(jù)的異地實時讀取。試驗共放置傳感器5個，主要功能為采集溫度、相對濕度數(shù)據(jù)。其中1號傳感器檢測環(huán)境溫濕度；2、3號傳感器放入低回潮率棉包（實測回潮率為4.7%）；4、5號傳感器放入高回潮率棉包（實測回潮率為7.8%），3號傳感器用作2號傳感器的備份和驗證傳感器，5號傳感器用作4號傳感器的備份和驗證傳感器。

溫濕度傳感器溫度精度：誤差典型值±0.3℃，最大值±0.4℃（-10℃～85℃）；相對濕度精度（0～80%）：誤差典型值±2%，最大值±3%；測量范圍：相對濕度最大范圍0～100%；溫度最大范圍-40℃～125℃；接口：I2C，最大速率支持400 kbps；長期穩(wěn)定性：相對濕度≤0.25%/a，溫度≤0.01℃/a。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 環(huán)境溫度動態(tài)變化對不同回潮率棉包溫度的影響

為了觀察環(huán)境溫度對不同回潮率棉包溫度的影響，對兩種不同回潮率棉包內(nèi)溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，4.7%低回潮率棉包和7.8%高回潮率棉包內(nèi)溫度隨環(huán)境溫度的變化情況如圖1所示。采集頻率1次/min，為期7天。

圖1 外界環(huán)境溫度對不同回潮率棉包溫度的影響

從圖1中可以看出，不同回潮率的棉包溫度趨勢曲線與外部環(huán)境溫度曲線形狀具有高度相關(guān)性。從圖1中還可以看出以下幾點。

（1）環(huán)境溫度隨晝夜變化處于自然動態(tài)變化之中，棉包內(nèi)溫度隨環(huán)境溫度變化而變化，與外部環(huán)境溫度變化趨勢一致。

（2）包內(nèi)的溫度曲線在大趨勢上是跟隨環(huán)境溫度的變化而變化，但存在明顯的滯后性，響應(yīng)時間在幾個小時之內(nèi)。經(jīng)過一定時間后不同回潮率棉包的溫度與環(huán)境溫度基本一致。

（3）不同回潮率的棉花包內(nèi)溫度有差異，回潮率小的棉包內(nèi)溫度比環(huán)境溫度和回潮率大的棉包溫度要高，不管是回潮率大還是回潮率小的棉包都未產(chǎn)生明顯的溫度累積現(xiàn)象。

2.2 自然環(huán)境相對濕度對不同回潮率棉包相對濕度的影響

自然環(huán)境相對濕度下對不同回潮率棉包進(jìn)行溫度濕度監(jiān)測，監(jiān)測頻率為1次/min。自然環(huán)境相對濕度與不同回潮率棉包內(nèi)相對濕度變化情況如圖2所示。

從圖2中可以看出，自然環(huán)境相對濕度發(fā)生變化，不同回潮率棉包相對濕度與環(huán)境相對濕度趨于平衡，然而整個發(fā)生過程比較平緩，且存在明顯的滯后性。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)在160 h后不同回潮率棉包內(nèi)的相對濕度與環(huán)境相對濕度逐漸趨同，說明不同回潮率的棉包在環(huán)境中會與環(huán)境相對濕度達(dá)到一個動態(tài)的平衡，高回潮率棉包與低回潮率棉包內(nèi)部回潮率值也最終趨于相同。

圖2 環(huán)境相對濕度與不同回潮率棉包相對濕度變化情況圖

為了檢驗高濕環(huán)境對棉包相對濕度的影響，選取回潮率值為7.8%的棉包進(jìn)行試驗。高濕環(huán)境采用對外部環(huán)境進(jìn)行直接加濕，使外界相對濕度穩(wěn)定在85%左右，溫度維持在15℃～20℃之間，觀察高回潮棉包內(nèi)相對濕度的響應(yīng)曲線，同時每天定時對試驗棉包進(jìn)行回潮率檢測，其相對濕度走勢如圖3所示。

圖3 高濕外界環(huán)境下對7.8%回潮率棉包的影響

從圖3中可以看出，在高濕的環(huán)境里面，棉包內(nèi)相對濕度上升比較緩慢，10天左右棉包內(nèi)相對濕度才趨近外部環(huán)境相對濕度，存在明顯的滯后性。

3 結(jié)論

通過本試驗研究，棉包內(nèi)溫度會隨外界溫度很快變化，環(huán)境相對濕度則對棉包內(nèi)相對濕度影響較慢。不同回潮率的棉包對溫度變化的時間響應(yīng)約為2 h～3 h，對相對濕度的變化響應(yīng)則需要160 h以上；在高濕環(huán)境下，棉包內(nèi)相對濕度與環(huán)境相對濕度的動態(tài)平衡需要在10天以上，存在明顯的滯后性。這說明，在自然環(huán)境下，棉包內(nèi)的溫度并非會像想象的那樣一直累積，而是隨環(huán)境溫度的變化很快變化；棉包的相對濕度也不是環(huán)境相對濕度一高就會很快變得非常潮濕，而是要經(jīng)過一定的時間和過程，發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因可能是由于棉包密度高，水分不易進(jìn)入，棉包吸濕比較緩慢。通過試驗表明，棉花在存儲過程中在短時間的高溫高濕環(huán)境下影響不大，長期高溫高濕環(huán)境才會造成棉花品質(zhì)發(fā)生較大的變異甚至霉變的可能性。據(jù)上述研究結(jié)論建議，棉花在儲存過程中要注意監(jiān)測庫房內(nèi)溫濕度，棉花常態(tài)存儲溫度盡量控制在不超過35℃，相對濕度不超過75%；棉花儲備庫在天氣環(huán)境相對濕度連續(xù)10天處于高濕的情況下，要對庫房采取通風(fēng)、散熱等措施，可有效降低棉花存儲損失。