環(huán)境溫度向棉包內(nèi)部傳導(dǎo)分層特性研究

文/周萬(wàn)懷 李浩 徐守東

1 引言

棉花是重要的戰(zhàn)略物資，關(guān)乎國(guó)計(jì)民生。2010—2014年，我國(guó)棉花庫(kù)存由約400萬(wàn)噸大幅度上升至1446萬(wàn)噸；2015—2020年受多種因素影響，我國(guó)棉花庫(kù)存維持在800萬(wàn)噸上下震蕩[1]。棉花在庫(kù)存儲(chǔ)期間，通常在同一庫(kù)房?jī)?nèi)碼垛堆放有成千上萬(wàn)的標(biāo)準(zhǔn)棉包。盡管會(huì)有倒垛檢查程序，但因堆倒垛的過(guò)程耗時(shí)、費(fèi)力、工作量巨大，堆倒垛的頻次通常較低，棉包內(nèi)部品質(zhì)變異甚至是陰燃的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[2-5]。因此，研究棉包內(nèi)部品質(zhì)變異和陰燃等災(zāi)害的預(yù)警方法十分必要。

目前國(guó)內(nèi)外研究主要針對(duì)棉花陰燃的燃燒特性，如對(duì)棉花陰燃熱通量的研究[6]，棉花密度對(duì)棉花陰燃著火溫度的影響[7]，樣本大小對(duì)陰燃特性的影響[8]，不同濕度棉花熱分解過(guò)程的試驗(yàn)分析和動(dòng)力學(xué)計(jì)算[9]，棉花的熱輻射引燃試驗(yàn)[10]等。其中雖然也有以CO氣體為試驗(yàn)對(duì)象，并提出將煙霧傳感器和CO 傳感器相結(jié)合的主動(dòng)吸氣式火災(zāi)探測(cè)方法，但這些往往建立在棉花陰燃的后期，達(dá)不到棉垛早期預(yù)警的作用。

本文通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)I型棉包內(nèi)部布設(shè)立體網(wǎng)狀溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，按位置置入高精度溫度傳感器，基于無(wú)線傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄在庫(kù)存儲(chǔ)的樣品棉包所處環(huán)境溫度、棉包內(nèi)部各個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)溫度，分析和建立棉包所處環(huán)境溫度與棉包內(nèi)部不同深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度之間的關(guān)系，為進(jìn)一步建立棉包內(nèi)外溫度傳導(dǎo)模型，基于溫度變化實(shí)現(xiàn)棉包內(nèi)部品質(zhì)變異或陰燃等災(zāi)害的早期預(yù)警提供新思路。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用如圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ型棉包為研究對(duì)象，該型棉包使用水壓機(jī)分層壓實(shí)后再用塑鋼帶、鐵絲等材料捆扎，最后使用棉布、塑料或其他材質(zhì)的外包裝封裝成圖1所示狀態(tài)[11-12]。其標(biāo)準(zhǔn)包型為長(zhǎng)方體狀，長(zhǎng)、寬、高分別約為140cm、53cm和70cm，單包重約227kg[13-14]。

圖1 I型棉包

為了盡可能反映出我國(guó)不同氣候的產(chǎn)棉、儲(chǔ)棉、用棉地區(qū)的棉包在不同條件下的吸放濕特性，在新疆南疆、新疆北疆和安徽各選一個(gè)棉花倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)庫(kù)抽取近一年生產(chǎn)的3個(gè)在庫(kù)存儲(chǔ)棉包進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布及樣品棉包基本信息見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)棉包分布及基本信息

2.2 布點(diǎn)位置選擇

本試驗(yàn)中對(duì)每個(gè)試驗(yàn)棉包均設(shè)置32個(gè)傳感器，第31號(hào)和第32號(hào)傳感器用于檢測(cè)棉包外的環(huán)境溫度，其余30個(gè)傳感器分別沿圖2（A）中的L、W和H方向構(gòu)成3×2×5的網(wǎng)狀監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)，布局如圖2（B）所示。

圖2 溫濕度傳感器布局圖

其中，Y軸與Z軸構(gòu)成棉包中切面，X軸為棉包長(zhǎng)度方向的一端。沿X軸方向設(shè)置0cm和15cm 兩個(gè)深度層次，沿Y軸方向設(shè)置20cm、45cm和70cm3個(gè)深度層次，沿Z軸方向設(shè)置15cm、25cm、35cm、45cm和55cm5個(gè)深度層次。根據(jù)長(zhǎng)方體的對(duì)稱(chēng)特性，按照以上方式布設(shè)的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)能夠廣泛代表棉包內(nèi)部其他各處的溫度。棉包內(nèi)部各傳感器的坐標(biāo)分布詳見(jiàn)表2。

表2 棉包內(nèi)部溫濕度監(jiān)測(cè)傳感器坐標(biāo)

2.3 傳感器封裝

由于棉包密度大、傳感器置入時(shí)需要承受較大的阻力和壓力，因此設(shè)計(jì)了一種如圖3所示的不銹鋼傳感器封裝艙體。艙體長(zhǎng)40mm、外徑14mm、內(nèi)徑9mm；艙體前端的椎體能夠有效減小傳感器置入時(shí)的阻力，裝載傳感器的艙室四周環(huán)繞布設(shè)6行×7列的孔洞，確保艙內(nèi)外溫度能夠自由平衡；艙體尾部使用密封塞封堵，保護(hù)內(nèi)部電路板不受擠壓。

圖3 傳感器的封裝

2.4 傳感器的置入

如前文所述，置入傳感器時(shí)不僅需要克服巨大的阻力，更為重要的是還要對(duì)傳感器進(jìn)行分層定位。為此設(shè)計(jì)了一套包括定位、旋壓和推進(jìn)等機(jī)構(gòu)組成的專(zhuān)用推進(jìn)裝置，如圖4所示。其中，1～3、6和7起整體支撐和姿態(tài)矯正作用，4、5、13分別為旋壓螺桿和帶有標(biāo)尺的推進(jìn)桿，8～10、12為傳感器及封裝艙體。

圖4 旋壓式推進(jìn)裝置

2.5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。溫度傳感器在單片機(jī)的控制下監(jiān)測(cè)溫度，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線傳輸?shù)讲杉?，再?jīng)過(guò)無(wú)線裝置傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器，可通過(guò)電腦或手機(jī)實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)情況。實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)為每個(gè)棉包配置一臺(tái)采集器，負(fù)責(zé)采集對(duì)應(yīng)棉包的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采集頻次設(shè)置為6次/h。為確保數(shù)據(jù)安全，在采集器內(nèi)部對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了在測(cè)試的空閑期對(duì)傳感器進(jìn)行斷電保護(hù)的功能。

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 環(huán)境溫度變化趨勢(shì)

在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試棉包均集中存放在相同的倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，因此它們的環(huán)境溫度極為相近，在后續(xù)分析中將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的3個(gè)棉包的環(huán)境溫度取平均作為對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境溫度，據(jù)此得出3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境溫度變換趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)環(huán)境溫度變化趨勢(shì)

可以看出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境溫度整體上隨季節(jié)變換的升降趨勢(shì)具有一定的相似性，但升降幅度存在顯著差異。如：南北疆的同期溫度顯著低于內(nèi)陸同期溫度，南方同期溫度顯著高于北方同期溫度，北疆的博樂(lè)最高溫度18.15 ℃、最低溫度-6.85 ℃、最大溫差25℃，而內(nèi)陸的淮南監(jiān)測(cè)點(diǎn)最高溫度21.09 ℃、最低溫度5.52 ℃、最大溫差15.57℃。

3.2 高（Z軸）方向溫度變化趨勢(shì)

該分層方式將在X軸和Y軸方向上處于同一平面內(nèi)的傳感器歸為一組，傳感器分組詳情見(jiàn)表3。結(jié)合圖2可以看出，在該分層模式下每個(gè)組別的傳感器構(gòu)成的平面均垂直于Z軸，這與I型棉包打包的過(guò)程相吻合，即沿Z軸方向不斷分層壓實(shí)而成。因此在該分層模式下可將棉包視為多個(gè)獨(dú)立的薄層堆疊而成的長(zhǎng)方體，在物理結(jié)構(gòu)上具有明顯的分層特性。

表3 Z軸方向5層傳感器分組

按上述方式對(duì)傳感器進(jìn)行分層，將層內(nèi)多個(gè)傳感器所監(jiān)測(cè)的溫度均值作為相應(yīng)分層的溫度，得出如圖7所示的棉包內(nèi)部各層溫度變化基本趨勢(shì)。

圖7 Z軸方向5層棉包內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)

可見(jiàn)，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的棉包內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)存在明顯的宏觀差異。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：首先，棉包內(nèi)部溫度范圍呈現(xiàn)較大的地域差異。其次，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)棉包內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的趨同性差異明顯，如：博樂(lè)和庫(kù)爾勒監(jiān)測(cè)點(diǎn)的棉包內(nèi)部各層溫度差異顯著，而淮南監(jiān)測(cè)點(diǎn)棉包內(nèi)部各層溫度差異甚微。再次，棉包內(nèi)部溫度變化滯后性存在顯著差異，從圖7可以看出庫(kù)爾勒、博樂(lè)和淮南3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)棉包內(nèi)部溫度的谷底區(qū)域分別大致為監(jiān)測(cè)時(shí)段的第50～100天、第80～110天和第140～165天。進(jìn)一步分析棉包內(nèi)部各層溫度與環(huán)境溫度之間的一致性，從相關(guān)系數(shù)可以看出，各層溫度與環(huán)境溫度的相關(guān)性均較高，無(wú)論是淺層還是深層的溫度與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，這說(shuō)明棉包內(nèi)部各層的溫度變化趨勢(shì)均與環(huán)境溫度變化趨勢(shì)高度相近；另一方面也可以看出，外側(cè)的第1層和第5層的溫度與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)略高于內(nèi)部各層與環(huán)境溫度的相關(guān)性，體現(xiàn)了一些細(xì)微的差異。從均方根誤差（Root Mean Squared Error，RMSE）可以看出，外側(cè)的第1層和第5層的溫度與環(huán)境溫度差異明顯小于深處的第2、第3和第4層的溫度與環(huán)境溫度的差異。以上分析結(jié)果表明環(huán)境溫度沿Z軸方向傳導(dǎo)時(shí)隨著深度增加，棉包內(nèi)外溫度的差異逐漸增大。

進(jìn)一步細(xì)分分層方式，同時(shí)將X軸和Z軸深度作為分組依據(jù)，從更加細(xì)分的角度分析不同位置的傳感器監(jiān)測(cè)的棉包內(nèi)部溫濕度與環(huán)境溫濕度之間的相關(guān)性，具體分組情況見(jiàn)表4。

表4 X軸與Z軸方向10層傳感器分組

仍將層內(nèi)多個(gè)傳感器所監(jiān)測(cè)的溫度均值作為相應(yīng)分層的溫度，得出如圖8所示的棉包內(nèi)部各層溫度變化基本趨勢(shì)。

由圖8觀察可大致得出與圖7相似的結(jié)論，即庫(kù)爾勒、博樂(lè)和淮南3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)棉包內(nèi)部溫度范圍呈現(xiàn)較大的地域差異，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)棉包內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的趨同性差異明顯，棉包內(nèi)部溫度變化滯后性存在顯著差異。

圖8 X軸與Z軸方向10層溫度變化趨勢(shì)

進(jìn)一步分析棉包內(nèi)部各層溫度與環(huán)境溫度之間的一致性，從相關(guān)系數(shù)來(lái)看，各層溫度與環(huán)境溫度依舊保持較高的相關(guān)性，這說(shuō)明盡管分層方式有所變化，但棉包內(nèi)部各層的溫度與環(huán)境溫度仍舊高度相關(guān)；另一方面，在Z軸方向上的外層（第1、第5、第6和第10層）溫度與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)均高于內(nèi)層（第2～4層和第7～9層），在X軸方向上，外層溫度（第6～10層）與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)同樣高于內(nèi)層溫度（第1～5層）與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)。從RMSE角度來(lái)看，X軸方向和Z軸方向上的外層溫度與環(huán)境溫度差異也均小于內(nèi)層溫度與環(huán)境溫度的差異。以上分析結(jié)果表明溫度沿X軸和Z軸方向傳導(dǎo)時(shí)，內(nèi)外溫度變化節(jié)奏吻合度較高，隨深度的增加內(nèi)外溫度差異增大。

3.3 長(zhǎng)（Y軸）方向溫度變化趨勢(shì)

該分層方式將在X軸和Z軸方向上處于同一平面的傳感器歸為一組，每個(gè)組別的傳感器均與Y軸垂直，沿Y軸方向共分為3個(gè)深度級(jí)別，分別是20 cm、45 cm和70 cm。在這個(gè)方向上棉花纖維呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律的縱橫交錯(cuò)，不再具有3.2中分層模式下的分層特性。具體傳感器分組見(jiàn)表5。

表5 Y軸方向3層傳感器分組

圖9展示了在該分層模式下棉包內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)。在宏觀層面上與3.2節(jié)并無(wú)顯著差異，此處不再詳細(xì)分析。

圖9 Y軸方向3層溫度變化趨勢(shì)

對(duì)當(dāng)前分層模式下各層溫度與環(huán)境溫度之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，從相關(guān)系數(shù)來(lái)看，淺層溫度與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)不再大于深層溫度與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)；從RMSE角度來(lái)看，淺層溫度與環(huán)境溫度的一致性也不再比深層溫度與環(huán)境溫度的一致性更高。此外，該分層模式下內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度之間的RMSE較3.2節(jié)中的RMSE小。由此可見(jiàn)，環(huán)境溫度沿Y軸方向的傳導(dǎo)損耗未隨深度增加而增大，這與3.2節(jié)的分析結(jié)果不同。

進(jìn)一步細(xì)分分層方式，同時(shí)將X軸和Y軸深度作為分組依據(jù)，從更加細(xì)分的角度分析不同位置的傳感器監(jiān)測(cè)的棉包內(nèi)部溫濕度與環(huán)境溫濕度之間的相關(guān)性，具體分組情況見(jiàn)表6。

表6 X軸與Y軸方向6層傳感器分組

圖10展示了在該分層模式下棉包內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)。同樣，在宏觀層面上與3.2和3.3節(jié)并無(wú)顯著差異，此處不再詳細(xì)分析。

圖10 X、Y軸方向3層溫度變化趨勢(shì)

對(duì)當(dāng)前分層模式下各層溫度與環(huán)境溫度之間的相關(guān)性分析，從相關(guān)系數(shù)來(lái)看，淺層（第2、第4和第6層）溫度和深層（第1、第3和第5層）溫度與環(huán)境溫度相關(guān)系數(shù)互有高低；與之類(lèi)似，淺層溫度和深層溫度與環(huán)境溫度的RMSE同樣互有高低。由此可見(jiàn)，在該分層模式下環(huán)境溫度向棉包內(nèi)部傳導(dǎo)時(shí)與沿Y軸傳導(dǎo)時(shí)類(lèi)似，內(nèi)外溫度差與深度不構(gòu)成反比關(guān)系。

3.4 寬（X軸）方向溫度變化趨勢(shì)

該分層方式將在Y軸和Z軸方向上處于同一平面的傳感器歸為一組，每個(gè)組別的傳感器均與X軸垂直，沿X軸方向共分為兩個(gè)深度級(jí)別，對(duì)應(yīng)X軸坐標(biāo)分別是0cm和15cm，具體傳感器分組見(jiàn)表7。

表7 Z軸方向3層傳感器分組

圖11展示了在該分層模式下棉包內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)。在宏觀層面上與3.2節(jié)和3.3節(jié)并無(wú)顯著差異，此處不再詳細(xì)分析。

圖11 X軸方向2層溫度變化趨勢(shì)

從當(dāng)前分層模式下各層溫度與環(huán)境溫度之間的相關(guān)系數(shù)來(lái)看，淺層溫度與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)略大于深層溫度與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)；從RMSE角度來(lái)看，淺層溫度與環(huán)境溫度的一致性明顯好于深層溫度與環(huán)境溫度的一致性。由此可見(jiàn)，環(huán)境溫度沿X軸方向傳導(dǎo)時(shí)棉包內(nèi)外溫度差異受深度影響較顯著，這與3.2節(jié)中溫度沿Z軸方向傳導(dǎo)時(shí)的結(jié)論類(lèi)似。

3.5 按距離棉包表面最小距離分層變化趨勢(shì)

該分層方式按照距離棉包表面的最小距離將傳感器劃分為如表8所示的5個(gè)組別，同樣取組內(nèi)傳感器監(jiān)測(cè)溫度的均值為相應(yīng)組別的溫度。

表8 按距離棉包表面最小距離的傳感器分組

圖12展示了該分層模式下棉包內(nèi)部各層溫度變化趨勢(shì)，由宏觀趨勢(shì)來(lái)看與其他分層方式無(wú)明顯差別。

圖12 按距離棉包表面最小距離分層溫度變化趨勢(shì)

表9和表10詳述了當(dāng)前分層模式下各層溫度與環(huán)境溫度之間的相關(guān)性。從表9中的相關(guān)系數(shù)來(lái)看，位于較淺位置的第1和第2層溫度與環(huán)境溫度的相關(guān)性略高于位于較深位置的第3～5層溫度與環(huán)境溫度的相關(guān)性；從表10中的RMSE來(lái)看，位于11.5 cm深度的第一層溫度與環(huán)境溫度的均方根誤差大于位于15 cm深的第二層溫度與環(huán)境溫度的均方根誤差，而進(jìn)一步向更深處傳導(dǎo)時(shí)隨深度的差增加內(nèi)外溫度差越來(lái)越大。

表9 按距離棉包表面最小距離分層內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)

表10 按距離棉包表面最小距離分層內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的均方根誤差

4 結(jié)論

以上分析結(jié)果表明：首先，棉包內(nèi)部不同深度的溫度變化趨勢(shì)與環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)整體相似度高，從溫度變化的相關(guān)性角度來(lái)看，沿棉包長(zhǎng)（Y軸）、寬（X軸）、高（Z軸）方向上棉包內(nèi)外溫度相關(guān)系數(shù)最低分別為0.993、0.992和0.990，這說(shuō)明環(huán)境溫度與棉包內(nèi)部溫度傳導(dǎo)時(shí)滯較小，溫度變化同步特性較好；其次，從均方根誤差的角度來(lái)看，沿棉包長(zhǎng)（Y軸）、寬（X軸）、高（Z軸）方向上棉包內(nèi)外溫度的均方根誤差存在較大差異，沿X軸和Z軸方向傳導(dǎo)時(shí)棉包內(nèi)外溫度差異隨深度增加而明顯增大，而沿Y軸方向傳導(dǎo)時(shí)棉包內(nèi)外溫度差異并未隨深度變化而顯著不同，這說(shuō)明溫度沿不同方向傳導(dǎo)損耗不盡相同。最后，環(huán)境溫度向棉包內(nèi)部傳導(dǎo)損耗基本與深度成反比例。