小型热管低温储粮系统的应用试验

张 岩 姜文利 邵焕霞 王世清

(青岛农业大学食品科学与工程学院1，青岛 266109)(青岛市现代农业质量与安全工程重点实验室2，青岛 266109)

中国是粮食消费大国，粮食安全与否直接涉及到国家兴衰和民族存亡，确保粮食安全必须作为天字号工程来抓[1-4]。

迄今为止，国外为延缓粮食劣变最常用的储粮方法有机械通风法、低温储粮法和气调储粮法等[5]。机械通风法是近代工程技术对粮食储藏的一大贡献，不但避免了许多化学药剂的使用，还增加了储粮的稳定性，20世纪80年代，机械通风储粮技术在全世界得到广泛应用；低温储粮法是延缓粮食劣变、保持良好品质的最佳方法，日本20世纪80年代找到了“15 ℃”的温度临界线，德国于1917年首次提出机械制冷低温储粮的概念，全世界已有50多个国家和地区采用了机械低温制冷储粮技术；气调储粮法最早是英国的佛罗盖特采用CO2控制脱粒玉米免受虫害的感染，已确认气调对粮食品质保持以及控虫防霉等方面均较之常规储藏更具优越性[6-12]。国内储备粮库的主流仓型为高大平房仓[7,10]，采用机械通风法，由于仓温受外部气温影响较大，导致粮温特别是表层及近表层粮温波动较大，夏季容易引起粮食品质下降和储粮害虫繁殖而不得不用药物熏蒸来控制等问题。以上几种储粮方法各有优缺点，其中低温储粮方法是相对较好的一种，目前最大问题在于低温的获取多是采用机械制冷，耗能巨大，这与当今世界能源紧缺及绿色低碳需求有相当大的距离，因此，开发利用新的冷源和制冷方式是当今低温储粮研究的热点和主要方向[13-30]。

本研究旨在开发设计一套小型自动循环式热管低温储粮系统，以自然冷风为低温来源，以热管组为热交换元件，研究自然冷源在储粮系统中的应用。该设施最大的优点是不消耗动力能源即可获得低温或准低温，与传统机械制冷相比，结构简单、成本低、无能耗并因长期保持低温从而减少传统方法需药物熏蒸所带来的化学污染，真正实现绿色储粮之目的。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为青岛本地混合硬质小麦，由青岛第二粮食储备库提供，小麦原始水分12.5%，容重863 kg/m3、比热容1 757 J/(kg·K)，总质量226.45 kg。

1.2 小型热管低温储粮系统

图1为自行设计的小型热管低温储粮系统示意图，该系统由储粮仓、热管组、温度测试系统等组成。储粮仓尺寸为0.9 m×0.6 m×0.8 m；热管组由冷凝端、蒸发端、压力表、温度测试系统等组成，热管材料为紫铜管，尺寸Φ12.5 mm×8 m，冷凝端安装在室外与自然冷风接触，蒸发端放置在储粮仓内与粮食接触，单层布置，离仓底20 mm。热管组的设计计算可见本作者前期工作[20-21]和发明专利201010500067.3。

图1 试验装置及温度测点示意图

1.3 试验内容

连续检测热管、粮温随外界冷空气温度的变化，分析本热管系统蓄冷规律，探讨青岛及以北地区自然冷源在储粮系统中应用的可行性。

试验时间从2010年12月1日至2011年2月1日，各温度测点布置如图1所示，共11个测点。储粮仓内中心处自下而上等距离设置1～5号5个温度测点，6～7号为热管蒸发端入口和出口温度，8～9号为热管冷凝端入口和出口温度，10号为室外环境温度，11号为室内环境温度，温度数据测试采用铜-康铜T型热电偶，传感器探头做防辐射处理。所有温度由N14351T热电偶测温系统(美国NI仪器有限公司)完成数据采集、记录与存储工作，数据采集时间间隔为5 s。

1.4 系统蓄冷量

该系统蓄冷量由式(1)计算：

Qw=cwρwVwΔt

(1)

式中：Qw为小麦蓄冷量/J；cw为小麦的比热容/J/(kg·℃)；ρw为小麦的密度/kg/m3；Vw为小麦容积/m3；Δt为小麦降低的温差/℃。

2 结果与分析

2.1 热管温度随冷空气温度的变化规律

图2为热管温度与室外温度在试验期间的变化规律。从图2中可以看出热管上的各点温度变化与外界气温变化趋势极为相似，冷凝端出口温度仅比外界温度高2～3 ℃，表明冷凝端与外界的换热效果良好。此外，热管蒸发端和冷凝端温度虽然变化趋势相同，前者比后者高出约1 ℃，冷凝端和蒸发端进出口温度基本保持一致且进口温度略低于出口温度，这是因为热管内工质汽化吸热，带走粮食内部热量，使得热管出口温度升高。在室外，热管壁进口温度略高于出口温度，因为热管内工质在室外冷凝放热，吸收外界的冷量，使得热管出口温度降低。冷凝端控制温度越低，径向的温度梯度越明显，表明外界的冷量通过热管导入到粮仓内，可以达到粮食储藏要求的温度标准。这是由于蒸发端埋在小麦里，小麦热量与其热交换引起的缘故。由热管温度与外界温度变化的相似性可以推测热管内工质在不断地循环，结果使得小麦温度不断降低并在小麦堆内积蓄冷量。

图2 热管温度与室外温度

2.2 小型热管低温储粮系统内粮温变化规律

图3为储粮仓内粮温变化规律，12号为小麦平均温度。由图3可以看出，随着室外温度不断降低，粮温随之下降，越靠近热管蒸发端降低幅度越大，但各点温度的变化与室外气温(10号)的剧烈波动相比明显地减缓，越远离热管蒸发器温度波动越小。储粮仓内小麦各测点温度由下到上依次上升，上层温度明显高于下层温度，沿热管径向存在着明显的温度梯度。这是因为工质带来的冷量首先作用于靠近热管蒸发端处小麦的缘故。经过2个月的时间，储粮仓内小麦温度从13 ℃降到1 ℃，平均最低温度降到零下0.03 ℃，降温明显，表明室外冷量连续不断地导入到储粮仓内的小麦里，实现了小麦的降温和蓄冷。

图3 粮温分布

2.3 小型热管低温储粮系统蓄冷特性分析

在2个月的试验时间内，该系统在小麦中的蓄冷量达到6.36 MJ，单位降温速度为0.2 ℃/d，这与普通的自然通风系统相比，降温速度大大提高并可控，同时由于粮温的有序降温，有效地防止了普通自然通风系统因高湿冷空气导致的结露现象。

若外界温度高于粮仓内小麦温度时，如夏季，由于没有正向的温差和重力存在的因素，热量不会反方向运动，热管失去作用，仅依靠冬季低温时导入的蓄冷量对小麦保持低温储藏。同时，为防止外界热量从热管组导入粮堆，可用保温材料将输出端封住以避免粮堆内冷量的损失。

3 结论

3.1 在青岛及以北地区，应用该系统可将本试验用的青岛本地混合硬质小麦的温度降低到0 ℃或以下。

3.2 对自行设计的本低温储粮系统而言，青岛的冬季环境下，以不足0.1 m2蒸发端面积，60 d内该系统总蓄冷量达到6.36 MJ；单位降温速度为0.2 ℃/d；同时，因该系统使得粮温能有序降温，防止普通自然通风系统所带来的结露现象。

[1]吴存荣，唐怀建，王艳艳．我国粮食储藏标准体系的现状与展望[J]． 中国粮油学报，2010，25(11)： 124-128

[2]唐柏飞．我国粮食储藏的现况及发展趋势[J]. 中国粮食经济，2007(1)： 35-39

[3]丁建武，兰盛斌，张华昌．减少粮食产后损失对确保我国粮食安全的重要性[J] ． 粮食储藏，2005(2)： 49-50

[4]杨蕾. 中国粮食供需平衡分析[D]. 青岛： 山东理工大学，2009

[5]谭波，梅禹．广西粮食储备库绿色储粮技术应用研究[J]． 大众科技，2009(5)： 178-179

[6]彭汝生． 浅议绿色储粮[J]． 粮食加工，2007，32(3)： 74-75

[7]张坤，蒋斌．高大平房仓实行绿色环保储粮初探[J]． 四川粮油科技，2002(2)： 32-33

[8]华祝田，李辉．高大平房仓低温储粮技术应用[J]． 粮食储藏，2004(4)： 32-35

[9]索学君．低温储粮技术的探讨[J]． 黑龙江粮油科技，2000(3)：55-56

[10]舒在习，谢令德．我国低温储粮技术体系的探讨[J]． 粮油加工与食品机械，2005(4)： 61-64

[11]王海霞，王军，毕文峰．低温储粮技术探析[J]． 黑龙江粮食，2007(2)：40-42

[12]李里特．关于利用冷资源贮藏生鲜农产品的研究现状与前景[J].农业工程学报，1991，7(1)：18-23

[13]李里特，温旺．自然冷资源利用中的相变传热和果蔬保鲜的研究[J].农业工程学报，1993，9(4)：44-50

[14]刘岩，福君．北方自然冷资源利用现状及展望[J]． 农机化研究，2007(8)： 190-192

[15]Amatachaya P, Srimuang W. Comparative heat transfer characteristics of a flat two-phase closed thermosyphon (FTPCT) and a conventional two-phase closed thermosyphon (CTPCT)[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2010,37(3):293-296

[16]Li L T, Cheng Y Q, Xue W T. Astudy on the technology of keeping fruits and vegetables fresh by utilizing natural cooling resource[J]. Transcation of the CSAE, 1995,11(3):88-93

[17]Skogsberg K. Nordell B．The Sandoval hospital snow storage[J]．Cold Regions Science and Technology, 2001, 32:63-70

[18]张奕，黄虎，张小松．盘管冰蓄冷装置管外结冰过程研究[J]．哈尔滨工业大学学报，2004，36(10)：1310-1313

[19]庄骏，张红．热管技术及其工程应用[M]．北京：化学工业出版社，2000

[20]宋庆武，王世清，张岩，等．热管管外结冰过程研究[J].保鲜与加工，2007(2)：20-23

[21]王世清，宋庆武，张岩，等. 基于热管的自然冷源制冰技术方案的初步试验[J].农业工程学报,2008，11(24)：230-232

[22]何正斌，甘雪菲，杨洁，等．石蜡相变储热管放热时间的理论预测与验证[J].农业工程学报，2011，27(12)：286-290

[23]Yuan Xiaoyan, Li Baoming, Yu Hongjun. Application of thermal pipe heat-exchangers to waste heat recycling in closed hen house[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2001, 17(1):91-95

[24]TeEn Tsai, Guanwei Wu, ChihChung Chang, et al. Dynamic test method for determining the thermal performances of heat pipes[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 10(53): 4567-4578

[25]H Shabgard, T L Bergman, N Sharifi,et al. High temperature latent heat thermal energy storage using heat pipes[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 7(53):2979-2988

[26]Hong Zhang, Jun Zhuang. Research, development and industrial application of heat pipe technology in China[J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 6(23):1067-1083

[27]赵亮，魏秀英，李里特，等．自然冷贮藏系统中一维动态蓄冷过程的初步研究[J].农业工程学报，2006，22(12)：110-112

[28]杨永平，魏庆朝，周顺华，等．热管技术及其在多年冻土工程中的应用研究[J].岩土工程学报，2005，27(6)：698-706

[29]Srimuang W, Amatachaya P. A review of the applications of heat pipe heat exchangers for heat recovery[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 8(16):4303-4315.