基于揮發(fā)性成分差異性的散裝植物油空調(diào)控溫儲(chǔ)糧技術(shù)研究*

潘陽(yáng)

(安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院糧食工程系,安徽 合肥 230011)

0 引言

空調(diào)控溫儲(chǔ)糧技術(shù)指的是通過(guò)在儲(chǔ)糧倉(cāng)庫(kù)上方安裝空調(diào)設(shè)備,采用外部制冷以及空調(diào)送風(fēng)的方式對(duì)儲(chǔ)糧倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),從而保證倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫度能夠滿足糧食的存儲(chǔ)要求,以保證糧食的存儲(chǔ)品質(zhì).對(duì)于糧油或果蔬等存儲(chǔ)溫度要求較高的糧食,可以采用空調(diào)控溫儲(chǔ)糧技術(shù)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ).常規(guī)的機(jī)械通風(fēng)儲(chǔ)糧技術(shù)主要是在儲(chǔ)糧倉(cāng)庫(kù)中安裝排風(fēng)系統(tǒng),通過(guò)控制儲(chǔ)糧倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部的空氣流通情況,調(diào)節(jié)風(fēng)速以及通風(fēng)均勻性,從而實(shí)現(xiàn)糧食存儲(chǔ).雖然當(dāng)前研發(fā)出的通風(fēng)結(jié)構(gòu)具有通風(fēng)均勻且便于拆卸等優(yōu)點(diǎn),但是在通風(fēng)過(guò)程中由于糧食顆粒被通風(fēng)裝置吸入,從而堵塞通風(fēng)口,同時(shí)在糧食入庫(kù)的過(guò)程中也容易被風(fēng)道沖開,從而導(dǎo)致糧食浪費(fèi)的情況.因此相較于常規(guī)的機(jī)械通風(fēng)儲(chǔ)糧技術(shù),空調(diào)控溫儲(chǔ)糧技術(shù)不僅可以避免局部通風(fēng)發(fā)熱的情況,同時(shí)還能夠減少內(nèi)部的糧層阻力.空調(diào)控溫儲(chǔ)糧技術(shù)可以對(duì)儲(chǔ)糧倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié),同時(shí)也能夠保證倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部溫度的穩(wěn)定性以及均勻性,不會(huì)出現(xiàn)局部溫度失調(diào)等情況.除此之外,采用局部揭膜的方式配合空調(diào)控溫技術(shù),不僅可以實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)溫度的全方位調(diào)節(jié),同時(shí)也能夠保證控溫的持續(xù)時(shí)間.因此空調(diào)控溫儲(chǔ)糧技術(shù)被廣泛應(yīng)用在大規(guī)模的平房倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)糧中.文獻(xiàn)[1]在對(duì)農(nóng)戶規(guī)?；瘍?chǔ)糧技術(shù)研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),通過(guò)在儲(chǔ)糧倉(cāng)庫(kù)的墻壁邊角處安裝排風(fēng)管道,可以有效降低倉(cāng)內(nèi)糧食溫度,從而保證糧食含水量,緩解糧食品質(zhì)劣變.文獻(xiàn)[2]針對(duì)中溫低濕生態(tài)區(qū),采用空調(diào)控溫技術(shù)糧倉(cāng)溫度進(jìn)行控制,最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)能夠有效抑制倉(cāng)內(nèi)害蟲的繁殖,從而減少糧食的儲(chǔ)存損耗.文獻(xiàn)[3]從控溫和成本兩個(gè)方面,將空調(diào)控溫技術(shù)與充氮?dú)饧夹g(shù)進(jìn)行對(duì)比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明空調(diào)控溫技術(shù)可以減少蟲害現(xiàn)象,從而避免化學(xué)藥劑使用過(guò)多帶來(lái)的糧食污染的情況.文獻(xiàn)[4]以綠色環(huán)保儲(chǔ)糧作為研究目的,證明通過(guò)空調(diào)控溫技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)免熏蒸儲(chǔ)糧,同時(shí)還能夠?qū)Z倉(cāng)上方的溫度進(jìn)行恒定控制,具備較好的儲(chǔ)糧效果.基于以上研究,本文提出一種基于揮發(fā)性成分差異性的散裝植物油空調(diào)控溫儲(chǔ)糧技術(shù),通過(guò)對(duì)空調(diào)控溫參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)恒定控溫,保證糧食的儲(chǔ)存品質(zhì).

1 散裝植物油空調(diào)控溫儲(chǔ)糧技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 基于揮發(fā)性成分差異性的糧倉(cāng)溫度數(shù)據(jù)獲取與溫度場(chǎng)云圖生成

散裝植物油對(duì)于環(huán)境溫度以及濕度有著較高的要求,溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致油體揮發(fā)或變質(zhì),從而影響存儲(chǔ)效果.因此本文采用空調(diào)控溫儲(chǔ)糧技術(shù)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ),通過(guò)對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制,對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)部溫度以及熱值參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),從而為散裝植物油提供良好的存儲(chǔ)環(huán)境[5].由于散裝植物油容易受到溫度的影響,導(dǎo)致油體在不同深度上出現(xiàn)揮發(fā)性成分差異性,而油體揮發(fā)性與溫度又有著直接關(guān)系.因此通過(guò)獲取糧倉(cāng)溫度,并構(gòu)建出糧倉(cāng)溫度與油體揮發(fā)性成分差異性之間的關(guān)系,從而針對(duì)不同油層的揮發(fā)性差異,實(shí)現(xiàn)溫度精準(zhǔn)調(diào)控.本文首先對(duì)不同規(guī)模的糧倉(cāng)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)獲取,在此基礎(chǔ)上考慮到植物油揮發(fā)性成分的差異性,以糧倉(cāng)空間頂點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn),生成糧倉(cāng)溫度場(chǎng)云圖,為后續(xù)的糧倉(cāng)溫度控制提供幫助[6].

為了便于分析與討論,以儲(chǔ)糧倉(cāng)型中的高大平房倉(cāng)為例,基于糧倉(cāng)內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布,通過(guò)構(gòu)建控溫函數(shù),對(duì)糧倉(cāng)入風(fēng)口以及出風(fēng)口處的空氣相對(duì)濕度以及通風(fēng)總時(shí)長(zhǎng)等相關(guān)控溫參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)控溫儲(chǔ)糧[7].本文以東西方向和南北方向作為測(cè)溫標(biāo)準(zhǔn),分別從兩個(gè)方向的橫剖面進(jìn)行測(cè)溫點(diǎn)布置,從而獲取較為全面的糧倉(cāng)溫度數(shù)據(jù),具體測(cè)溫點(diǎn)布置示意圖如圖1所示.

圖1 糧倉(cāng)測(cè)溫點(diǎn)布設(shè)示意圖

在測(cè)溫電纜上安裝溫度傳感器,并將其安裝在不同方向的糧倉(cāng)墻面內(nèi)部,從而實(shí)現(xiàn)多方位溫度測(cè)量.在上述測(cè)點(diǎn)布置方案中,每條測(cè)溫電纜上的溫度傳感器間距相等,均為0.5 m,電纜長(zhǎng)度相等.但測(cè)溫電纜之間的間距有所不同,這主要是受到散裝植物油揮發(fā)性成分差異性的影響.越靠近測(cè)溫對(duì)象的電纜,其電纜之間的間距越小,可以更為精準(zhǔn)地測(cè)量出不同空間距離的糧倉(cāng)溫度.獲取到糧倉(cāng)溫度數(shù)據(jù)后,將糧溫?cái)?shù)據(jù)中較為明顯的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行清除.對(duì)于缺失數(shù)據(jù),可以通過(guò)選取該數(shù)據(jù)前一天和后一天的測(cè)量值,并對(duì)其進(jìn)行平均化處理,從而得到完整的糧倉(cāng)溫度數(shù)據(jù).然后以糧倉(cāng)西北方向的頂點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn),從西北方向與東南方向分別向外延伸,構(gòu)成坐標(biāo)系的x軸和y軸,以糧倉(cāng)的空間對(duì)角線作為z軸,構(gòu)建出糧倉(cāng)溫度場(chǎng)坐標(biāo)系,具體坐標(biāo)系示意圖如圖2所示.

圖2 糧倉(cāng)溫度場(chǎng)坐標(biāo)系示意圖

針對(duì)上述構(gòu)建出的糧倉(cāng)溫度場(chǎng)坐標(biāo)系,以測(cè)量得到的糧倉(cāng)溫度作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)溫度場(chǎng)坐標(biāo)系進(jìn)行填充.然后將糧倉(cāng)空間進(jìn)行平面分層,以相同的間隔將糧倉(cāng)空間分成若干平面,分別對(duì)每一平面上的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償,最后將每層的溫度數(shù)據(jù)組合,即可生成糧倉(cāng)溫度場(chǎng)云圖[8].

1.2 糧食溫濕度控制目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建

在得到糧倉(cāng)內(nèi)部空間的溫度分布情況后,根據(jù)溫度云圖中的溫度分布數(shù)據(jù),構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)部的水分以及溫度進(jìn)行優(yōu)化控制,從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)的控溫儲(chǔ)糧[9].考慮到空調(diào)控溫儲(chǔ)糧技術(shù)的儲(chǔ)糧成本,除對(duì)糧食的溫濕度進(jìn)行控制以外,針對(duì)空調(diào)制冷設(shè)備的損耗情況也進(jìn)行了分析,從而構(gòu)建空調(diào)制冷設(shè)備能量損耗目標(biāo)優(yōu)化函數(shù),在實(shí)現(xiàn)糧食品控細(xì)化的同時(shí),也能夠?qū)⒖販貎?chǔ)糧技術(shù)的儲(chǔ)糧成本降到最低,從而滿足糧食倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)對(duì)于儲(chǔ)糧成本的要求[10].散裝植物油對(duì)于水分的要求較高,如果植物油存儲(chǔ)環(huán)境中的水分含量較大,不僅會(huì)提高油體的潮濕度,同時(shí)也會(huì)為微生物繁殖提供一定的生長(zhǎng)空間,從而出現(xiàn)油體變質(zhì)的情況.而如果散裝植物油存儲(chǔ)環(huán)境過(guò)于干燥,將會(huì)導(dǎo)致油體分離,同時(shí)也會(huì)降低植物油的經(jīng)濟(jì)效益.因此需要對(duì)散裝植物油的存儲(chǔ)環(huán)境水分占比進(jìn)行控制,因此構(gòu)建出水分控制目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如下所示.

JM=(Mg-Mgd)2

(1)

式(1)中,Mgd代表散裝植物油水分所需要控制的最優(yōu)值,Mg代表實(shí)際水分占比,JM代表水分控制目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)值.散裝植物油的存儲(chǔ)溫度需要保持在一個(gè)較低的恒溫溫度下,這樣不僅可以降低植物油的蒸發(fā)效果,同時(shí)也能夠減少微生物的繁殖能力,從而減少植物油出現(xiàn)變質(zhì)的情況,以保證植物油的品質(zhì)[11].同時(shí),受到外部環(huán)境溫度的影響,糧倉(cāng)內(nèi)部的溫度通常在夏季容易出現(xiàn)急劇升溫的情況,因此需要對(duì)糧倉(cāng)溫度進(jìn)行控制,從而保證植物油的存儲(chǔ)效果.對(duì)此,構(gòu)建出溫度控制優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如下所示.

JT=(Tg-Tgd)2

(2)

式(2)中,Tgd代表散裝植物油存儲(chǔ)空間溫度所需要控制的最優(yōu)值,Tg代表糧倉(cāng)的實(shí)際存儲(chǔ)溫度,JT代表糧倉(cāng)溫度控制目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)值.空調(diào)制冷設(shè)備的能量損耗值主要與入風(fēng)口處的空氣溫度以及通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)等制冷參數(shù)相關(guān),為了保證控制參數(shù)的實(shí)際調(diào)控效果,以空調(diào)設(shè)備在制冷過(guò)程中的熱量負(fù)荷值作為調(diào)控對(duì)象,構(gòu)建出空調(diào)能耗調(diào)控目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如下所示.

(3)

式(3)中,t′代表空調(diào)通風(fēng)時(shí)長(zhǎng),Hin代表空調(diào)入風(fēng)口處的空氣濕度,Tin代表空調(diào)入風(fēng)口處的溫度測(cè)量值,Pe代表空調(diào)的運(yùn)行功率,JE代表空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行能耗控制值.將三組目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行組合,即得到糧食溫濕度控制目標(biāo)函數(shù),具體函數(shù)表達(dá)式如下所示.

Jsum=αJM+βJT+χJE

(4)

式(4)中,α,β和χ分別代表三組控制目標(biāo)函數(shù)對(duì)應(yīng)的權(quán)重分配結(jié)果.以總優(yōu)化結(jié)果作為控制目標(biāo),分別對(duì)糧倉(cāng)的溫度、散裝植物油的存儲(chǔ)濕度以及空調(diào)制冷設(shè)備的能耗值進(jìn)行調(diào)控,即可在保證存儲(chǔ)條件的同時(shí),降低空調(diào)控溫儲(chǔ)糧成本[12].

1.3 空調(diào)控溫儲(chǔ)糧方案設(shè)計(jì)

在完成了對(duì)于糧食溫濕度控制目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建后,結(jié)合散裝植物油的存儲(chǔ)需求,對(duì)空調(diào)控溫儲(chǔ)糧方案進(jìn)行設(shè)計(jì),具體儲(chǔ)糧方案流程如圖3所示[13].首先對(duì)植物油的初始入庫(kù)含水量進(jìn)行檢測(cè).然后通過(guò)電纜傳感溫度測(cè)量的方式,對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)部不同位置的溫度進(jìn)行測(cè)量,輸出溫度場(chǎng)云圖.分別從糧倉(cāng)溫度、植物油含水量以及空調(diào)設(shè)備能耗三個(gè)角度構(gòu)建目標(biāo)函數(shù),并對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解[14-16].通過(guò)求解目標(biāo)函數(shù)得到空調(diào)控溫?cái)?shù)值,對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)部溫度進(jìn)行設(shè)定.在控溫期間,需要持續(xù)對(duì)糧倉(cāng)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),若糧倉(cāng)內(nèi)部溫度出現(xiàn)改變,則需要重新對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量,并構(gòu)建出新的溫控目標(biāo)函數(shù),從而實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)溫度的合理調(diào)控.

圖3 空調(diào)控溫儲(chǔ)糧方案流程圖

2 實(shí)驗(yàn)論證

為了證明本文提出的基于揮發(fā)性成分差異性的散裝植物油空調(diào)控溫儲(chǔ)糧技術(shù)在控溫效果方面優(yōu)于常規(guī)的控溫儲(chǔ)糧技術(shù),在理論部分的設(shè)計(jì)完成后,構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),對(duì)本文方法的實(shí)際控溫效果進(jìn)行檢驗(yàn).

2.1 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

為了驗(yàn)證本文提出的基于揮發(fā)性成分差異性的散裝植物油空調(diào)控溫儲(chǔ)糧技術(shù)在實(shí)際控溫效果方面的有效性,實(shí)驗(yàn)選取了兩種常規(guī)的散裝植物油儲(chǔ)糧技術(shù)作為對(duì)比對(duì)象,分別為機(jī)械送風(fēng)控溫儲(chǔ)糧技術(shù),以及基于環(huán)流控溫儲(chǔ)糧技術(shù).通過(guò)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用三種控溫儲(chǔ)糧方法對(duì)散裝植物油進(jìn)行儲(chǔ)糧控溫,對(duì)比不同方法的實(shí)際控溫效果.

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)選取的倉(cāng)房為高大平房倉(cāng),倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)為混凝土鋼筋板結(jié)構(gòu),倉(cāng)底結(jié)構(gòu)為聚酯發(fā)泡隔熱鋁板,起到保溫隔熱作用.糧倉(cāng)氣密性良好,糧倉(cāng)墻壁內(nèi)部安裝保溫管,保證倉(cāng)內(nèi)溫度不會(huì)出現(xiàn)損耗.考慮到研究區(qū)域夏季降水較多,因此糧倉(cāng)外部墻壁進(jìn)行了防潮處理,可以有效隔斷外部雨水侵蝕.糧倉(cāng)內(nèi)部平面面積為40.5 m×53 m,糧倉(cāng)整體儲(chǔ)糧空間為6 532 m3,可存儲(chǔ)5 000 t的糧食.糧倉(cāng)整體為密封結(jié)構(gòu),窗戶采用PVC封膜以及不銹鋼加固窗欄結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,以起到防蟲隔熱的作用.倉(cāng)房糧情數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 倉(cāng)房糧情數(shù)據(jù)

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,本次實(shí)驗(yàn)采用1號(hào)倉(cāng)作為實(shí)驗(yàn)倉(cāng),同時(shí)采用4號(hào)倉(cāng)和8號(hào)倉(cāng)作為對(duì)比倉(cāng).其中,4號(hào)倉(cāng)采用常規(guī)的控溫儲(chǔ)糧技術(shù),8號(hào)倉(cāng)采用機(jī)械送風(fēng)控溫儲(chǔ)糧技術(shù).8號(hào)倉(cāng)的送風(fēng)管道安裝在糧倉(cāng)北側(cè)墻壁內(nèi)部,整體送風(fēng)管道長(zhǎng)為20.5 m.為防止熱量散失,送風(fēng)管道外部采用隔熱材料進(jìn)行包裹,同時(shí)也能夠減少風(fēng)量損失.1號(hào)糧倉(cāng)在統(tǒng)計(jì)周期的平均糧溫變化如圖4所示.

圖4 1號(hào)糧倉(cāng)的平均糧溫變化

本次實(shí)驗(yàn)采用Matlab軟件搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)獲取的三個(gè)糧倉(cāng)中的溫度云圖,結(jié)合糧倉(cāng)內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu),構(gòu)建出糧倉(cāng)溫度分布模型.三個(gè)糧倉(cāng)的部分初始溫度測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 糧倉(cāng)初始測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性,對(duì)三個(gè)糧倉(cāng)均采用了相同的溫度測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案.同時(shí),考慮到空調(diào)控風(fēng)效果對(duì)于倉(cāng)內(nèi)溫度的影響,分別在空調(diào)入風(fēng)口以及出風(fēng)口處安裝了測(cè)溫點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行溫度測(cè)量.每個(gè)糧倉(cāng)中存儲(chǔ)的散裝植物油的規(guī)模以及品質(zhì)均相同,分別采用三種儲(chǔ)糧技術(shù)對(duì)糧倉(cāng)的溫度以及濕度進(jìn)行調(diào)整.為保證監(jiān)測(cè)結(jié)果具有可靠性,本次實(shí)驗(yàn)將儲(chǔ)糧周期設(shè)為7 d,一周后對(duì)倉(cāng)內(nèi)的溫度進(jìn)行重新監(jiān)控測(cè)量.隨機(jī)抽取某一天相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的糧倉(cāng)溫度數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的波動(dòng)值進(jìn)行計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)控溫效果的有效對(duì)比.

2.3 控溫效果對(duì)比結(jié)果

對(duì)比實(shí)驗(yàn)選取的指標(biāo)為相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的糧倉(cāng)溫度波動(dòng)值.在相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位下,糧倉(cāng)溫度波動(dòng)范圍越小,代表方法的控溫效果越好,越能為散裝植物油提供良好的存儲(chǔ)條件,具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

圖5 糧倉(cāng)溫度波動(dòng)值對(duì)比結(jié)果

通過(guò)糧倉(cāng)溫度波動(dòng)值變化曲線可以明顯看出,兩種常規(guī)的控溫儲(chǔ)糧技術(shù)對(duì)于糧倉(cāng)溫度的控制效果有限,糧倉(cāng)溫度波動(dòng)情況較大.而本文提出的基于揮發(fā)性成分差異性的散裝植物油空調(diào)控溫儲(chǔ)糧技術(shù)在溫度控制效果方面明顯優(yōu)于兩種常規(guī)的控溫儲(chǔ)糧技術(shù),糧溫溫度變化較為穩(wěn)定,由此可以證明本文方法的控溫性能更好.

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)常規(guī)的糧食儲(chǔ)存方法在儲(chǔ)存效果方面不夠理想的問(wèn)題,通過(guò)結(jié)合空調(diào)控溫方法,提出了一種可以控制儲(chǔ)糧溫度的糧食儲(chǔ)存技術(shù).在今后的研究工作中,還需對(duì)儲(chǔ)糧倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行改造,從而提高對(duì)空調(diào)控溫參數(shù)調(diào)節(jié)的便捷程度,在節(jié)約能源成本的同時(shí),為糧食倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)的發(fā)展提供積極幫助.