無氟制冷劑HCR22熱管低溫儲糧溫度動態(tài)特征

劉金光，劉玉茜，王世清，藺新茹，曲亞男，姜文利

無氟制冷劑HCR22熱管低溫儲糧溫度動態(tài)特征

劉金光1,2，劉玉茜3，王世清1,2※，藺新茹3，曲亞男3，姜文利1,2

（1. 青島農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，青島 266109；2. 青島市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)質(zhì)量與安全工程重點實驗室，青島 266109；3. 山東農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，泰安 271018）

為解決機械制冷低溫儲糧存在的高能耗、環(huán)境不友好等問題，該研究基于低溫熱管儲糧和無氟制冷劑HCR22蓄冷方面的研究，設(shè)計并開發(fā)了使用自然冷源蓄冷的低溫試驗糧倉，其結(jié)構(gòu)包括熱管組、溫度檢測系統(tǒng)和結(jié)露控制系統(tǒng)等，熱管工質(zhì)選用新型無氟制冷劑HCR22。為研究低溫試驗糧倉的蓄冷性能，對HCR22熱管倉房儲糧過程熱管組和儲糧溫度的動態(tài)特征規(guī)律進行研究。結(jié)果表明：HCR22熱管倉房365 d儲糧期間小麥溫度持續(xù)低于16 ℃，最低可降至-3.10 ℃，倉內(nèi)不同位置降溫均勻、平緩，實現(xiàn)了小麥的低溫或準低溫儲藏；儲藏期間小麥含水量下降0.29%，籽粒浸出液電導率值提升4.20S/cm。該研究為中高緯度地區(qū)提供一種無能耗、環(huán)境友好型儲糧新方式，為綠色儲糧技術(shù)升級提供科學依據(jù)。

溫度；糧食；儲藏；無氟制冷劑；低溫熱管；自然冷源

0 引 言

溫度是影響糧食貯存品質(zhì)的重要因素。低溫儲糧技術(shù)即維持倉內(nèi)糧食平均溫度持續(xù)低于15 ℃，局部溫度不高于20 ℃，通過低溫抑制儲糧害蟲繁殖和微生物生長，減緩籽粒呼吸作用，進而維持儲糧生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，延長貯存期[1-2]。Mylona等[3]發(fā)現(xiàn)小麥和玉米低于15 ℃貯存，可以降低感染脫氧雪腐鐮刀菌烯醇和伏馬菌素的風險。Liu等[4-7]報道高溫是誘導稻谷儲藏品質(zhì)劣變（黃變）的重要因素，劣變期間糧谷內(nèi)部過氧化物酶、過氧化氫異構(gòu)酶等抗氧化酶含量提升，黃酮類代謝產(chǎn)物富集，支鏈氨基酸、脯氨酸濃度增大?，F(xiàn)階段，中國國儲糧庫和大型商業(yè)糧倉常用的低溫儲糧技術(shù)是機械通風和機械制冷結(jié)合的方式[8]。科研人員研究發(fā)現(xiàn)準低溫儲藏既可以保持儲糧品質(zhì)，也能夠降低低溫儲糧設(shè)備的能耗[9-11]。準低溫儲糧是指365 d儲藏期間糧食平均溫度不超過20 ℃，局部位置溫度不超過25 ℃[12]。

相比機械制冷儲糧的巨大能耗，自然冷源蓄冷儲糧具有微能耗或無能耗、綠色清潔的優(yōu)勢。受地球公轉(zhuǎn)影響，中高緯度地區(qū)冬季擁有豐富的自然冷源，包括風冷、冰、雪等，但受蓄冷技術(shù)不足的影響，自然冷源有效利用率較低。近年來，相關(guān)學者嘗試利用自然冷源蓄冷技術(shù)進行儲糧[13]。Jing等[14-15]設(shè)計并制作了太陽能吸附制冷裝置，利用太陽能提供動力實現(xiàn)了低溫儲糧，但冷量倉內(nèi)擴散需要風機，且循環(huán)水源設(shè)置于倉頂存在泄漏隱患。Kumar等[16]開發(fā)的雪冷系統(tǒng)降低了制冷裝置的能源消耗和溫室氣體排放，但對于降雪較少的地區(qū)實用性較小，且雪儲存?zhèn)}密閉性和保溫性能建造標準較高。Luo等[17]發(fā)現(xiàn)太陽能吸附制冷機夏季儲糧可以保持倉內(nèi)上層糧食溫度低于20 ℃，但室外溫度未達到系統(tǒng)運行的光照溫度（29～34 ℃）前，倉內(nèi)環(huán)境溫度已高于糧食儲藏的適宜溫度。本團隊基于自主開發(fā)的自然冷源蓄冷技術(shù)，設(shè)計并制作了微型熱管低溫儲糧倉，用氟利昂R22為熱管循環(huán)工質(zhì)，借助熱管將自然冷能蓄積到糧倉降溫并抑制蟲害發(fā)生，但氟利昂的使用存在破壞臭氧層的不足[9,18-19]。

新型碳氫制冷劑（HCR134a、R600a和R290等）作為傳統(tǒng)氟利昂的替代制冷劑，具有環(huán)境友好型、高效節(jié)能等優(yōu)勢。新型碳氫制冷劑僅由C、H元素構(gòu)成，消耗臭氧潛能值（Ozone Depletion Potential，ODP）為0，全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）<1[20-21]。HCR22是替代氟利昂R22的新型碳氫制冷劑，是丙烷和丁烷的混合烷烴。本團隊前期研究發(fā)現(xiàn)，低溫熱管可以使用HCR22替換R22進行單向?qū)嵝罾?，且HCR22充注量僅為R22的1/3[20]。

基于前期研究基礎(chǔ)，本研究使用冬季環(huán)境的寒冷空氣作為自然冷源，設(shè)計并制作了無能耗、環(huán)境友好型的自然冷源蓄冷低溫試驗糧倉，使用無氟制冷劑HCR22作為熱管循環(huán)工質(zhì)，結(jié)合重力熱管單向?qū)岬奶攸c將自然冷源積貯到糧倉并維持全年準低溫。對比R22制冷劑，測試HCR22用于糧倉熱管的蓄冷效果，實時記錄365 d儲糧周期內(nèi)熱管蓄冷能力和糧倉不同位置溫度變化，以期為中高溫緯度地區(qū)利用新型碳氫制冷劑HCR22實現(xiàn)無能耗、環(huán)境友好型的準低溫儲糧提供科學依據(jù)。

1 環(huán)境友好型糧倉設(shè)計及儲糧測試

1.1 環(huán)境友好型糧倉設(shè)計

環(huán)境友好型糧倉結(jié)構(gòu)主要包括糧谷倉房、熱管組、實時溫度檢測裝置、結(jié)露控制系統(tǒng)和壓力檢測器等，如圖1所示。

①壓力檢測器②熱管冷凝段③冷凝液下降通道④蒸汽上升通道⑤電磁閥⑥HCR22熱管倉房⑦R22熱管倉房⑧無熱管倉房⑨結(jié)露控制系統(tǒng)⑩實時溫度檢測系統(tǒng)

1.1.1 糧谷倉房

為了對比低溫熱管倉房與無熱管倉房、熱管倉房使用HCR22制冷劑與R22制冷劑的蓄冷效果，在山東省青島市建造了尺寸完全相同的3個小倉房（試驗糧倉），如圖1b所示，標記⑥為HCR22熱管倉房、⑦為R22熱管倉房和⑧為無熱管倉房，其中，⑥和⑦倉房內(nèi)安裝結(jié)構(gòu)相同的熱管組。參考《糧食倉庫建設(shè)標準建標172-2016》和青島第2糧庫高大平房倉尺寸，試驗糧倉每個倉房的長×寬×高皆為1 200 mm×800 mm×1 000 mm，倉容為300 L，倉體構(gòu)造為保溫層-鋼結(jié)構(gòu)-保溫層。

1.1.2 低溫熱管組循環(huán)系統(tǒng)

熱管被譽為熱的“超導體”，通過充填的循環(huán)工質(zhì)相變完成小溫差單向、高效傳熱[9,22]。本試驗所用熱管組的結(jié)構(gòu)設(shè)計參考了作者前期工作[20,23]和張巖等[24]設(shè)計的小型熱管儲糧系統(tǒng)。圖2為試驗糧倉測溫點分布圖。由圖2可知，糧倉結(jié)構(gòu)主要包括蒸發(fā)段、冷凝段、連接段和壓力檢測器等部件。其中，蒸發(fā)段、冷凝段和連接段的材質(zhì)為紫銅，蒸發(fā)段整體結(jié)構(gòu)為長方體框架，安裝在糧谷倉房內(nèi)；冷凝段為排管式結(jié)構(gòu)，各連接處使用金屬銀焊接；此外，為提高其熱交換能力，冷凝段排管表面安裝紫銅材質(zhì)翅片，冷凝段固定安裝在室外自然冷源環(huán)境中。連接段位于蒸發(fā)段和冷凝段之間，包括蒸汽上升通道和冷凝液下降通道，蒸發(fā)段、連接段和冷凝段接通形成循環(huán)系統(tǒng)。為避免熱管循環(huán)工質(zhì)蒸汽在連接段與自然冷源熱交換形成逆流阻力，進而削弱冷凝段換熱效果，在連接段蒸汽上升通道的外壁覆蓋保溫、防水材料。

本研究所用熱管組類型為分離式重力熱管。室外環(huán)境溫度降低到5 ℃以下，熱管冷凝段與蒸發(fā)段溫差達到熱管啟動溫差，蒸發(fā)段內(nèi)部液態(tài)制冷劑吸收糧堆熱量發(fā)生汽化現(xiàn)象，飽和蒸汽攜帶汽化潛熱受微小壓差影響上升到冷凝段，與自然冷源進行熱交換釋放攜帶的潛熱，同時液化為液態(tài)制冷劑，在重力影響下自發(fā)匯集于蒸發(fā)段，完成一次熱管工質(zhì)循環(huán)[9,18]。熱管組內(nèi)制冷劑持續(xù)吸熱蒸發(fā)、冷凝放熱的工質(zhì)循環(huán)過程，熱量從高溫段傳遞至低溫段，糧堆熱量導出、自然環(huán)境冷量導入，實現(xiàn)糧谷倉房自然冷源積聚，整個循環(huán)過程無需任何能耗。

1.1.3 實時溫度檢測裝置

本研究中各處布溫點實時溫度檢測使用T型熱電偶，布點方法參考文獻[25]。如圖2所示，HCR22熱管倉房分布1～19號測溫點，測定儲糧過程中HCR22熱管倉房溫度變化；R22熱管倉房對照位置布20～38號測溫點，測定R22熱管倉房溫度變化；無熱管倉房對照位置布41～57號測溫點，測定無熱管倉房溫度變化。39號、40號測溫點分別設(shè)置在HCR22倉房冷凝段和R22倉房冷凝段的周邊位置，測定儲糧過程中糧倉周邊溫度變化。58號測溫點設(shè)置在倉房周圍室內(nèi)環(huán)境中，測定室內(nèi)環(huán)境的溫度；59號測溫點設(shè)置在室外環(huán)境中，測定自然冷源的溫度。多路溫度記錄儀（TP1000-64，TOPRIE）及配套軟件Temp Curve進行儲藏過程中溫度測點數(shù)據(jù)的采集和記錄，數(shù)值精度±0.2℃，采集間隔4 s/次。

1.1.4 結(jié)露控制系統(tǒng)

自然冷源溫度變化受到大氣寒流和光照強度等多因素干預(yù)，存在較大的晝夜溫差值，導致靠近熱管蒸發(fā)段的小麥層發(fā)生結(jié)露問題，參考文獻[13,17]，將熱管組連接段添加結(jié)露控制系統(tǒng)，預(yù)設(shè)8 ℃作為電磁閥的溫控設(shè)定值。

結(jié)露控制系統(tǒng)的工作原理：蒸發(fā)段周圍小麥均溫與外界環(huán)境溫度的差值低于設(shè)定值，電磁閥常開狀態(tài)，熱管組保持工作模式，其他工況時，電磁閥關(guān)閉，熱管組停止運行。

注：1～19為HCR22熱管倉房測溫點，20～38為R22熱管倉房對照位置測溫點，41～57為無熱管倉房對照位置測溫點。39號測溫點設(shè)置在HCR22倉房冷凝段周邊位置，40號測溫點設(shè)置在R22倉房冷凝段周邊位置，測定儲糧過程中溫度變化。58號測溫點設(shè)置在倉房周圍室內(nèi)環(huán)境中，測定室內(nèi)環(huán)境的溫度；59號測溫點設(shè)置在室外環(huán)境中，測定外界自然冷源的溫度。

1.2 儲糧期間熱管性能及小麥品質(zhì)特性測試

1.2.1 糧倉蓄冷能力試驗

HCR22熱管倉房內(nèi)熱管組工質(zhì)使用HCR22冷劑，R22熱管倉房中熱管組內(nèi)充注R22冷劑，無熱管倉房不充注。熱管組工況檢測完成后，向3個倉房內(nèi)裝填相同質(zhì)量小麥。小麥由青島第二糧庫提供，為當年新入倉、廣泛種植品種的小麥樣品。當室外環(huán)境最低溫度連續(xù)低于5 ℃，即熱管組冷凝段與倉內(nèi)蒸發(fā)段周圍小麥的溫差超過熱管啟動溫差時，熱管組內(nèi)制冷工質(zhì)啟動，HCR22和R22熱管倉房執(zhí)行無能耗蓄冷模式。365 d儲糧期間，連續(xù)采集并記錄各測溫點溫度數(shù)據(jù)，分析環(huán)境友好型糧倉的蓄冷能力。

1.2.2 小麥品質(zhì)變化測定

1）小麥籽粒含水量檢測參照《GB/T 5497—1985 糧食、油料檢測水分測定法》測定[26]。

2）小麥籽粒電導率值檢測使用電導率儀（S230-K，Mettler Toledo），取試驗樣本50粒小麥，平行樣本稱質(zhì)量差值≤0.01 g，蒸餾水沖洗后用濾紙去除表面水，在100 mL、20 ℃恒溫去離子水中浸泡24 h，分別測出浸出液的電導率值（S/cm）和去離子水的電導率值（S/cm），則籽粒浸出液的電導率值1（S/cm）=-。

2 結(jié)果與分析

2.1 測溫點溫度數(shù)據(jù)分析

2.1.1 糧倉小麥均溫變化規(guī)律

圖3為試驗糧倉小麥溫度變化。由圖3可知，HCR22熱管倉房和R22熱管倉房的糧食平均溫度持續(xù)低于16 ℃，符合《GB/T 29890—2013 糧油儲藏技術(shù)規(guī)范》[12]的準低溫儲藏。由溫度統(tǒng)計曲線可以看出，HCR22熱管倉房和R22熱管倉房的小麥平均溫度波動平緩，大部分時間比對照倉房小麥平均溫度值低7 ℃。此外，HCR22熱管倉房小麥平均溫度比R22熱管倉房低0.6 ℃，由此推斷，低溫熱管選用新型無氟制冷劑HCR22作為循環(huán)工質(zhì)利用自然冷源蓄冷儲糧的效果較氟利昂制冷劑R22更優(yōu)。原因是HCR22制冷劑的汽化潛熱值（428 kJ/kg）高于R22制冷劑（233 kJ/kg）。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，糧食入倉后，HCR22熱管倉房和R22熱管倉房內(nèi)糧食平均溫度自11月27日起低于無熱管倉房，表明此時熱管組啟動并執(zhí)行蓄冷工作。熱管倉房糧食平均溫度在第54天時下降至0 ℃，HCR22熱管倉房糧食在第56天時達到最低溫度-3.1 ℃，同樣的，R22熱管倉房達到最低溫度-2.3 ℃，而無熱管倉房糧食平均溫度為8 ℃。綜上所述，熱管組運行后，通過工質(zhì)循環(huán)到自然冷源蓄積到倉內(nèi)。次年3月15日，室外環(huán)境平均溫度漸漸高于糧食平均溫度，此時，熱管內(nèi)部制冷工質(zhì)循環(huán)終止，自此，熱管倉房使用蓄冷期間儲存的冷量維持倉內(nèi)小麥準低溫環(huán)境。

注：統(tǒng)計時間為9月25日至次年9月20日，溫度值為當天平均溫度，以9月25日為第1天。H，HCR22熱管倉房；R，R22熱管倉房；N，無熱管倉房；O，室外環(huán)境；下同。

2.1.2 熱管組蒸發(fā)段溫度變化規(guī)律

由圖4可以看出，自然環(huán)境溫度與倉內(nèi)小麥溫度的差值達到熱管啟動溫差后，熱管開始蓄冷，期間熱管組蒸發(fā)段溫度值隨外界冷源溫度變化表現(xiàn)出相對應(yīng)的波動。熱管組蓄冷期間，蒸發(fā)段溫度低于冷源溫度5.0～8.0 ℃，HCR22熱管倉房蒸發(fā)段溫度值低于R22熱管倉房蒸發(fā)段0.8～1.2 ℃。

注：統(tǒng)計時間為11月15日至次年3月25日，溫度數(shù)據(jù)為當天平均溫度。

自11月25日起，外界冷源溫度最低值維持在5 ℃以內(nèi)，滿足工質(zhì)循環(huán)啟動要求，熱管組啟動，蒸發(fā)段溫度驟降。數(shù)據(jù)分析顯示，熱管組啟動后蓄冷運行第56天，HCR22熱管倉房蒸發(fā)段溫度值達到最低示數(shù)-4.3 ℃，R22熱管倉房蒸發(fā)段溫度顯示最低值-3.2 ℃。自第2年3月10日起氣溫回升，外界冷源的日均溫度逐漸高于熱管倉房蒸發(fā)段周圍小麥平均溫度值，熱管組終止工作。據(jù)統(tǒng)計，HCR22熱管倉房熱管組工作時間是11月25日起至第2年3月10日，共計蓄冷108 d。

2.1.3 HCR22倉糧堆內(nèi)部溫度變化規(guī)律

圖5 為HCR22熱管倉房中糧堆內(nèi)部溫度變化，研究發(fā)現(xiàn)HCR22熱管倉房熱管組工作期間，冷量由小麥糧堆內(nèi)部向外擴散，即低溫熱管儲糧的“冷心”情景。此狀態(tài)出現(xiàn)的原因是小麥采收后晾干入倉，作為儲糧的小麥籽粒仍然保持一定活性，倉內(nèi)相對密閉的環(huán)境下，長期堆積和籽粒呼吸共同導致堆積產(chǎn)熱；HCR22熱管倉房熱管組運行后，外界冷源通過熱管組蒸發(fā)段進入倉內(nèi)并不斷蓄積，蒸發(fā)段周圍小麥層最先接觸冷源，通過冷能持續(xù)集聚并逐漸向外糧層傳遞，維持整個倉房降溫，因此，糧堆內(nèi)部溫度較低。結(jié)合圖2和圖5可知，編號16測溫點設(shè)置在HCR22熱管倉房熱管組蒸發(fā)段下層的中間位點，蒸發(fā)段特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計導致此處接受制冷工質(zhì)蒸發(fā)吸熱和液化放熱后低溫制冷工質(zhì)的作用最大，因此，其溫度值最低。編號12測溫點設(shè)置在HCR22熱管倉房熱管組蒸發(fā)段靠近蒸汽上行通道的位置，此處接受蒸發(fā)段內(nèi)制冷工質(zhì)蒸發(fā)吸熱的作用較弱，因此，其溫度值最高。編號15測溫點設(shè)置在HCR22熱管倉房熱管組蒸發(fā)段上、下層的中間位置；因小麥屬于非熱導體、傳熱較弱的緣故，因此，其溫度值比編號14和編號16測溫點更大。除此之外，圖中HCR22熱管倉房內(nèi)部不同位置的5個測溫點溫度值變化規(guī)律顯示，小麥糧層最高與最低溫度值的差值是2.2 ℃，由此推斷，現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，通過提升熱管組蒸發(fā)段的有效散熱面積可以進一步使倉內(nèi)儲糧小麥各深度糧層平均溫度下降，也可以通過增設(shè)倉內(nèi)循環(huán)風道提高冷能擴散[14-15]。

注：統(tǒng)計時間為11月25日至次年3月10日，溫度數(shù)據(jù)為當天平均溫度。

2.2 小麥儲藏品質(zhì)變化特征

2.2.1 小麥籽粒含水量變化規(guī)律

小麥采收后晾曬至安全入倉含水量，常規(guī)倉儲期間，倉房通風降溫、除濕過程伴隨小麥水分含量損失，間接地提高了倉儲成本，有效控制儲糧失水是倉儲環(huán)節(jié)的重要工作[27]。環(huán)境友好型低溫試驗糧倉利用熱管組將外界自然冷源蓄積到糧堆內(nèi)部，有效避免了通風道周圍氣流快速流動導致的儲糧水分散失。如圖6所示，HCR22熱管倉房和R22熱管倉房儲糧小麥含水量下降幅度小于無熱管倉房，HCR22熱管倉房小麥水分含量下降0.29%，R22熱管倉房降低0.30%，無熱管倉房下降0.56%，可見，HCR22熱管倉房儲糧含水量損耗比無熱管倉房更低。推斷其原因，應(yīng)是熱管倉房較低的空氣溫度不利于糧層間自由水遷移。

注：統(tǒng)計時間同圖3。

2.2.2 小麥籽粒電導率值變化規(guī)律

小麥種子浸出液的電導率變化規(guī)律可以表征倉儲期間膜脂過氧化作用對細胞膜的破壞程度，細胞膜受損程度越大，胞內(nèi)電解質(zhì)擴散越快，電導率數(shù)值越高[28]，如圖7所示。

注：統(tǒng)計時間同圖3。

由圖7可知，HCR22熱管倉房小麥種子電導率值提升4.20S/cm，R22熱管倉房提升4.40S/cm，無熱管倉房提升10.11S/cm，由此推斷，HCR22熱管倉房可以延緩倉儲期間膜脂過氧化作用對細胞膜的損傷。

3 結(jié) 論

本文提供了一種綠色儲糧技術(shù)的環(huán)境友好型低溫試驗糧倉，使用新型環(huán)保制冷劑HCR22作為熱管工質(zhì)，熱管組工作時間是11月25日至次年3月10日，共計蓄冷108 d，期間倉內(nèi)各測溫點小麥糧層降溫平緩，第54天糧食降溫至0 ℃，最低溫度為-3.1 ℃，365 d儲藏周期內(nèi)小麥溫度維持在16 ℃內(nèi)，實現(xiàn)了低溫或準低溫儲藏。倉內(nèi)準低溫環(huán)境減緩了小麥籽粒水分散失，減弱了膜脂過氧化作用對種子細胞膜的破壞程度，儲藏期間小麥含水量下降0.29%，籽粒浸出液電導率值提升4.20S/cm。

本研究設(shè)計的環(huán)境友好型低溫試驗糧倉，可在標準儲糧庫高大平房倉的框架結(jié)構(gòu)上進行改裝，蒸發(fā)段、連接段和冷凝段采用銅制管材，熱管組配合倉房通風降溫系統(tǒng)使用，節(jié)省了制冷設(shè)備的購置和使用費用。建議在中高緯度地區(qū)冬季寒冷且時間較長地區(qū)建造本文設(shè)計的環(huán)境友好型低溫試驗糧倉。本文儲糧技術(shù)的應(yīng)用有利于促進無能耗、綠色儲糧技術(shù)升級，對節(jié)能減損、提升儲糧品質(zhì)具有重要意義。今后研究重點需開發(fā)糧層間冷量輔助擴散裝置，提升蓄積冷能及時、均勻擴散，降低糧層間溫差。

[1] Jian F J, Jayas D S. The ecosystem approach to grain storage[J]. Agricultural Research, 2012, 1(2): 148-156.

[2] 李倩倩，姜俊伊，畢文雅，等. 不同水分“鹽豐47”稻谷低溫和準低溫儲糧品質(zhì)變化規(guī)律研究[J]. 保鮮與加工，2022，22(5)：9-16.

Li Qianqian, Jiang Junyi, Bi Wenya, et al. Study on grain quality change law of different water contents‘Yanfeng 47’paddy stored at low temperature and quasi low temperature[J]. Storage and Process, 2022, 22(5): 9-16. (in Chinese with English abstract)

[3] Mylona K, Sulyok M, Magan N. Relationship between environmental factors, dry matter loss and mycotoxin levels in stored wheat and maize infected with Fusarium species[J]. Food Additives and Contaminants, 2012, 29(7): 1118-1128.

[4] Liu Y, Shad Z M, Strappe P, et al. Review on rice yellowing: Physicochemical properties, affecting factors, and mechanism[J]. Food Chemistry, 2022, 370, 131265.

[5] Liu Y, Liu J, Liu M, et al. Comparative non-targeted metabolomic analysis reveals insights into the mechanism of rice yellowing[J]. Food Chemistry, 2020, 308, 125621.

[6] Liu Y, Liu J, Wang R, et al. Analysis of secondary metabolites induced by yellowing process for understanding rice yellowing mechanism[J]. Food Chemistry, 2021, 342: 128204.

[7] Liu Y, Liu J, Wang A, et al. Physiological and proteomic analyses provide insights into the rice yellowing[J]. Journal of Cereal Science, 2020, 95: 103048.

[8] Liu Y, Ma J. Analysis of refrigeration system for quasi-low temperature warehouse[J]. Procedia Environmental Sciences, 2012, 12(Part A): 354-359.

[9] 李新宇，熊旭波，張巖，等. 熱管低溫儲糧技術(shù)對小麥品質(zhì)的影響[J]. 中國糧油學報，2015，30(1)：107-111.

Li Xinyu, Xiong Xubo, Zhang Yan, et al. Effect of heat pipe based low-temperature grain storage technology on wheat quality[J]. Journal of Chinese Cereals and Oils Association, 2015, 30(1): 107-111. (in Chinese with English abstract)

[10] 李文泉，付鵬程，高玉升，等. 華北地區(qū)淺圓倉大豆準低溫儲藏工藝研究糧食儲藏[J]. 糧食儲藏，2020，49(5)：1-5.

Li Wenquan, Fu Pengcheng, Gao Yusheng, et al. Study on quasi-low temperature storage technology for soybean in squat silos in north China[J]. Grain Storage, 2020, 49(5): 1-5. (in Chinese with English abstract)

[11] 李卓珍，渠琛玲，王紅亮，等. 優(yōu)質(zhì)稻谷準低溫儲藏與常溫儲藏品質(zhì)變化的比較研究[J]. 中國糧油學報，2020，35(11)：104-110.

Li Zhuozhen, Qu Chenling, Wang Hongliang, et al. Comparative study on the quality changes of the high quality paddy during quasi-low temperature storage and conventional temperature storage[J]. Journal of Chinese Cereals and Oils Association, 2020, 35(11): 104-110. (in Chinese with English abstract)

[12] 中國國家標準化管理委員會. GB/T 29890-2013 糧油儲藏技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中國標準出版社，2013.

[13] 劉金光，熊旭波，王世清，等. 自然冷源蓄冷低溫熱管儲糧中防止結(jié)露的方法研究[J]. 糧油食品科技，2017，25(7)：74-79.

Liu Jinguang, Xiong Xubo, Wang Shiqing, et al. Study on preventing condensation in low temperature heat pipe for grain storage by natural cold source[J]. Science and Technology of Cereal, Oils and Foods, 2017, 25(7): 74-79. (in Chinese with English abstract)

[14] Jing Y W, Sheng L, Yan F H. Study on cyclic characteristics of the solar-powered adsorption cooling system[J]. Science China Technological Sciences, 2009, 52(6): 1551-1562.

[15] Luo H L, Wang R Z, Dai Y J. An efficient solar-powered adsorption chiller and its application in low-temperature grain storage[J]. Solar Energy, 2007, 81(5): 607-613.

[16] Kumar V, Hewage K, Haider H, et al. Sustainability evaluation framework for building cooling systems: A comparative study of snow storage and conventional chiller systems[J]. Clean Technologies and Environmental Policy, 2016, 5(10): 1-19.

[17] Luo H L, Wang R Z, Dai Y J, et al. Low-temperature grain storage with a solar-powered adsorption chiller: A case study[J]. International Journal of Green Energy, 2014, 11(1): 50-59.

[18] 修方瓏，張巖，王世清，等. 基于熱管技術(shù)的儲糧倉溫度特征及其抑蟲效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(14)：256-261.

Xiu Fanglong, Zhang Yan, Wang Shiqing, et al. Temperature characteristic and inhibition effect on insect pest in grain storehouse based on heat pipe technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(14): 256-261. (in Chinese with English abstract)

[19] 王世清，張巖，姜文利，等. 熱管技術(shù)在自然冷源蓄冷中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(4)：312-316.

Wang Shiqing, Zhang Yan, Jiang Wenli, et al. Application of heat pipe technology in ice storage of natural coldness resource[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(4): 312-316. (in Chinese with English abstract)

[20] 劉金光，熊旭波，王世清，等. 低溫熱管中無氟制冷劑HCR-22的蓄冷效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32(19)：268-273.

Liu Jinguang, Xiong Xubo, Wang Shiqing, et al. Cooling effect of fluorine free refrigerant HCR-22 used in heat pipe[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(19): 268-273. (in Chinese with English abstract)

[21] Ho-Saeng L, Chang-Hyo S. Condensation heat transfer and pressure drop characteristics of R-290, R-600a, R-134a and R-22 in horizontal tubes[J]. Heat Mass Transfer, 2010, 46(5): 571-584.

[22] Chan C W, Siqueiros E, Ling-Chin J, et al. Heat utilisation technologies: A critical review of heat pipes[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2015, 50: 617-625.

[23] 劉金光，劉文瑤，王世清，等. 可拆轉(zhuǎn)PE-RT低溫熱管蓄冷裝置及其使用碳氫制冷劑的蓄冷效果[J]. 食品與機械，2018，34(10)：81-85.

Liu Jinguang, Liu Wenyao, Wang Shiqing, et al. Removable cold storage device with PE-RT low temperature heat pipe and its cold storage effect using hydrocarbon refrigerants[J]. Food ＆ Machinery, 2018, 34(10): 81-85. (in Chinese with English abstract)

[24] 張巖，姜文利，邵煥霞，等. 小型熱管低溫儲糧的應(yīng)用試驗[J]. 中國糧油學報，2014，29(9)：79-81，86.

Zhang Yan, Jiang Wenli, Shao Huanxia, et al. Application test on low temperature grain storage with small heat pipe system[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2014, 29(9): 79-81, 86. (in Chinese with English abstract)

[25] Zhangab X, Shena J, Heac W, et al. Comparative study of a novel liquid-vapour separator incorporated gravitational loop heat pipe against the conventional gravitational straight and loop heat pipes - Part II: Experimental testing and simulation model validation[J]. Energy Conversion and Management, 2015, 93: 228-238.

[26] 國家標準局. GB/T 5497-1985 糧食、油料檢測水分測定法[S]. 1985.

[27] Khatchatourian O A, Oliveira F A. Mathematical modelling of airflow and thermal state in large aerated grain storage[J]. Biosystems Engineering, 2006, 95(2): 159-169.

[28] 周顯青，祝方清，張玉榮，等. 不同儲藏年限稻谷的儲藏特性、生理生化指標及其糊化特性分析[J]. 中國糧油學報，2020，35(12)：108-114，124.

Zhou Xianqing, Zhu Fangqing, Zhang Yurong, et al. Analysis of the storage property, physiological, biochemical indicators parameters and the pasting characteristics of rice in different storage time[J]. Journal of Chinese Cereals and Oils Association, 2020, 35(12): 108-114, 124. (in Chinese with English abstract)

Temperature dynamics of the heat-pipe low-temperature grain storage with fluorine-free refrigerant HCR22

Liu Jinguang1,2, Liu Yuqian3, Wang Shiqing1,2※, Lin Xinru3, Qu Yanan3, Jiang Wenli1,2

(1.,,266109,; 2.,266109,; 3.,,271018,)

Storage quality has posed a great influence on the grain security in recent years. It is of great social significance to improve the management level of warehousing for the high quality of stored grain. Traditional grain storage cannot fully meet large-scale production, due to the high energy consumption and environmental problems. It is necessary to develop the green technology of low-temperature grain storage by mechanical refrigeration. In this study, an environment-friendly low-temperature granary was designed using the natural coldness resource. The cold storage was used as the heat pipe with the fluorine-free refrigerant HCR22. The heat-pipe low-temperature grain storage was mainly composed of the grain warehouse, heat pipe group, real-time temperature detection system, dewing control system, and pressure detector. The new fluorine-free hydrocarbon refrigerant HCR22 was selected as the circulating medium of the heat pipe group, rather than the traditional Freon refrigerant R22. A test granary was installed to verify the practical feasibility of the low-temperature heat-pipe system. The test position was selected in the middle and high latitudes with a temperate monsoon climate, located in the Chengyang District, Qingdao, Shandong Province, China (120°12′ E, 36°20′ N). The dynamic parameters of grain temperature were measured in the different positions at the evaporation section of the HCR22 and R22 heat-pipe warehouse using a multi-channel temperature recorder during 365-day grain storage. The warehouse without a heat pipe was set as the control group. An electrical conductivity meter was also utilized to detect the moisture content of wheat and the conductivity of grain leaching solution. The results showed that the HCR22 refrigerant performed the lower temperature grain storage with the natural cold source in the heat-pipe cold storage, compared with the Freon refrigerant R22. The running time of the HCR22 heat-pipe warehouse was from November 25 to March 10 of the next year (a total of 108 days of cold storage). The cyclic process of the heat-pipe cold storage was characterized by the steam rising and the condensate dropping. The external and natural cold source was then accumulated gradually into the grain pile, indicating the “cold core” phenomenon. The accumulated cold energy was diffused finally into each grain layer. The lowest and average temperatures of wheat were achieved at -3.10 ℃ and lower than 16 ℃, respectively, after the 365-day grain storage in the HCR22 heat-pipe warehouse. There was an even and gentle drop of temperature in the different positions inside the granary, indicating the low or quasi-low temperature storage. There was lower water loss of wheat grains and lower damage of membrane lipid peroxidation on the seed cell membrane under the quasi-low temperature environment in the HCR22 heat-pipe warehouse. Specifically, the moisture content of wheat decreased by 0.29%, whereas, the conductivity of grain leaching solution increased by 4.20S/cm during storage. The energy-free and environmentally friendly grain storage can be expected for the middle and high latitudes. The finding can provide a scientific basis to upgrade technology in green grain storage.

temperature; grain; storage;fluorine-free refrigerant; low-temperature heat pipe; nature coldness resource

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.032

TS210.1

A

1002-6819(2022)-20-0286-07

劉金光，劉玉茜，王世清，等. 無氟制冷劑HCR22熱管低溫儲糧溫度動態(tài)特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2022，38(20)：286-292.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.032 http://www.tcsae.org

Liu Jinguang, Liu Yuqian, Wang Shiqing, et al. Temperature dynamics of the heat-pipe low-temperature grain storage with fluorine-free refrigerant HCR22[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 286-292. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.032 http://www.tcsae.org

2022-08-23

2022-09-30

國家自然科學基金項目（32102049，31271963）

劉金光，博士，實驗師，研究方向為食品安全保藏與工程。Email: jgliu1024@163.com

王世清，博士，教授，研究方向農(nóng)產(chǎn)品安全儲藏及工程。Email: wangshiqing@126.com