基于挥发性成分差异性的散装植物油空调控温储粮技术研究*

潘阳

(安徽粮食工程职业学院粮食工程系,安徽 合肥 230011)

0 引言

空调控温储粮技术指的是通过在储粮仓库上方安装空调设备,采用外部制冷以及空调送风的方式对储粮仓库内部的温度进行调节,从而保证仓库内的温度能够满足粮食的存储要求,以保证粮食的存储品质.对于粮油或果蔬等存储温度要求较高的粮食,可以采用空调控温储粮技术对其进行存储.常规的机械通风储粮技术主要是在储粮仓库中安装排风系统,通过控制储粮仓库内部的空气流通情况,调节风速以及通风均匀性,从而实现粮食存储.虽然当前研发出的通风结构具有通风均匀且便于拆卸等优点,但是在通风过程中由于粮食颗粒被通风装置吸入,从而堵塞通风口,同时在粮食入库的过程中也容易被风道冲开,从而导致粮食浪费的情况.因此相较于常规的机械通风储粮技术,空调控温储粮技术不仅可以避免局部通风发热的情况,同时还能够减少内部的粮层阻力.空调控温储粮技术可以对储粮仓库内部的温度进行精准调节,同时也能够保证仓库内部温度的稳定性以及均匀性,不会出现局部温度失调等情况.除此之外,采用局部揭膜的方式配合空调控温技术,不仅可以实现仓库温度的全方位调节,同时也能够保证控温的持续时间.因此空调控温储粮技术被广泛应用在大规模的平房仓库储粮中.文献[1]在对农户规模化储粮技术研究的过程中发现,通过在储粮仓库的墙壁边角处安装排风管道,可以有效降低仓内粮食温度,从而保证粮食含水量,缓解粮食品质劣变.文献[2]针对中温低湿生态区,采用空调控温技术粮仓温度进行控制,最终实验结果表明该技术能够有效抑制仓内害虫的繁殖,从而减少粮食的储存损耗.文献[3]从控温和成本两个方面,将空调控温技术与充氮气技术进行对比,实验结果表明空调控温技术可以减少虫害现象,从而避免化学药剂使用过多带来的粮食污染的情况.文献[4]以绿色环保储粮作为研究目的,证明通过空调控温技术不仅可以实现免熏蒸储粮,同时还能够对粮仓上方的温度进行恒定控制,具备较好的储粮效果.基于以上研究,本文提出一种基于挥发性成分差异性的散装植物油空调控温储粮技术,通过对空调控温参数进行调节,从而实现恒定控温,保证粮食的储存品质.

1 散装植物油空调控温储粮技术设计

1.1 基于挥发性成分差异性的粮仓温度数据获取与温度场云图生成

散装植物油对于环境温度以及湿度有着较高的要求,温度过高或过低都会导致油体挥发或变质,从而影响存储效果.因此本文采用空调控温储粮技术对其进行存储,通过对空调通风系统进行控制,对粮仓内部温度以及热值参数进行调节,从而为散装植物油提供良好的存储环境[5].由于散装植物油容易受到温度的影响,导致油体在不同深度上出现挥发性成分差异性,而油体挥发性与温度又有着直接关系.因此通过获取粮仓温度,并构建出粮仓温度与油体挥发性成分差异性之间的关系,从而针对不同油层的挥发性差异,实现温度精准调控.本文首先对不同规模的粮仓进行温度数据获取,在此基础上考虑到植物油挥发性成分的差异性,以粮仓空间顶点作为坐标原点,生成粮仓温度场云图,为后续的粮仓温度控制提供帮助[6].

为了便于分析与讨论,以储粮仓型中的高大平房仓为例,基于粮仓内部的温度场分布,通过构建控温函数,对粮仓入风口以及出风口处的空气相对湿度以及通风总时长等相关控温参数进行调整,从而实现控温储粮[7].本文以东西方向和南北方向作为测温标准,分别从两个方向的横剖面进行测温点布置,从而获取较为全面的粮仓温度数据,具体测温点布置示意图如图1所示.

图1 粮仓测温点布设示意图

在测温电缆上安装温度传感器,并将其安装在不同方向的粮仓墙面内部,从而实现多方位温度测量.在上述测点布置方案中,每条测温电缆上的温度传感器间距相等,均为0.5 m,电缆长度相等.但测温电缆之间的间距有所不同,这主要是受到散装植物油挥发性成分差异性的影响.越靠近测温对象的电缆,其电缆之间的间距越小,可以更为精准地测量出不同空间距离的粮仓温度.获取到粮仓温度数据后,将粮温数据中较为明显的错误数据进行清除.对于缺失数据,可以通过选取该数据前一天和后一天的测量值,并对其进行平均化处理,从而得到完整的粮仓温度数据.然后以粮仓西北方向的顶点作为坐标原点,从西北方向与东南方向分别向外延伸,构成坐标系的x轴和y轴,以粮仓的空间对角线作为z轴,构建出粮仓温度场坐标系,具体坐标系示意图如图2所示.

图2 粮仓温度场坐标系示意图

针对上述构建出的粮仓温度场坐标系,以测量得到的粮仓温度作为基础数据,对温度场坐标系进行填充.然后将粮仓空间进行平面分层,以相同的间隔将粮仓空间分成若干平面,分别对每一平面上的测温数据进行补偿,最后将每层的温度数据组合,即可生成粮仓温度场云图[8].

1.2 粮食温湿度控制目标函数的构建

在得到粮仓内部空间的温度分布情况后,根据温度云图中的温度分布数据,构建优化目标函数,对粮仓内部的水分以及温度进行优化控制,从而实现科学的控温储粮[9].考虑到空调控温储粮技术的储粮成本,除对粮食的温湿度进行控制以外,针对空调制冷设备的损耗情况也进行了分析,从而构建空调制冷设备能量损耗目标优化函数,在实现粮食品控细化的同时,也能够将控温储粮技术的储粮成本降到最低,从而满足粮食仓储行业对于储粮成本的要求[10].散装植物油对于水分的要求较高,如果植物油存储环境中的水分含量较大,不仅会提高油体的潮湿度,同时也会为微生物繁殖提供一定的生长空间,从而出现油体变质的情况.而如果散装植物油存储环境过于干燥,将会导致油体分离,同时也会降低植物油的经济效益.因此需要对散装植物油的存储环境水分占比进行控制,因此构建出水分控制目标函数表达式如下所示.

JM=(Mg-Mgd)2

(1)

式(1)中,Mgd代表散装植物油水分所需要控制的最优值,Mg代表实际水分占比,JM代表水分控制目标优化函数值.散装植物油的存储温度需要保持在一个较低的恒温温度下,这样不仅可以降低植物油的蒸发效果,同时也能够减少微生物的繁殖能力,从而减少植物油出现变质的情况,以保证植物油的品质[11].同时,受到外部环境温度的影响,粮仓内部的温度通常在夏季容易出现急剧升温的情况,因此需要对粮仓温度进行控制,从而保证植物油的存储效果.对此,构建出温度控制优化目标函数表达式如下所示.

JT=(Tg-Tgd)2

(2)

式(2)中,Tgd代表散装植物油存储空间温度所需要控制的最优值,Tg代表粮仓的实际存储温度,JT代表粮仓温度控制目标优化函数值.空调制冷设备的能量损耗值主要与入风口处的空气温度以及通风时长等制冷参数相关,为了保证控制参数的实际调控效果,以空调设备在制冷过程中的热量负荷值作为调控对象,构建出空调能耗调控目标函数表达式如下所示.

(3)

式(3)中,t′代表空调通风时长,Hin代表空调入风口处的空气湿度,Tin代表空调入风口处的温度测量值,Pe代表空调的运行功率,JE代表空调设备的运行能耗控制值.将三组目标函数进行组合,即得到粮食温湿度控制目标函数,具体函数表达式如下所示.

Jsum=αJM+βJT+χJE

(4)

式(4)中,α,β和χ分别代表三组控制目标函数对应的权重分配结果.以总优化结果作为控制目标,分别对粮仓的温度、散装植物油的存储湿度以及空调制冷设备的能耗值进行调控,即可在保证存储条件的同时,降低空调控温储粮成本[12].

1.3 空调控温储粮方案设计

在完成了对于粮食温湿度控制目标函数的构建后,结合散装植物油的存储需求,对空调控温储粮方案进行设计,具体储粮方案流程如图3所示[13].首先对植物油的初始入库含水量进行检测.然后通过电缆传感温度测量的方式,对粮仓内部不同位置的温度进行测量,输出温度场云图.分别从粮仓温度、植物油含水量以及空调设备能耗三个角度构建目标函数,并对目标函数进行求解[14-16].通过求解目标函数得到空调控温数值,对粮仓内部温度进行设定.在控温期间,需要持续对粮仓温度进行监测,若粮仓内部温度出现改变,则需要重新对温度进行测量,并构建出新的温控目标函数,从而实现粮仓温度的合理调控.

图3 空调控温储粮方案流程图

2 实验论证

为了证明本文提出的基于挥发性成分差异性的散装植物油空调控温储粮技术在控温效果方面优于常规的控温储粮技术,在理论部分的设计完成后,构建实验环节,对本文方法的实际控温效果进行检验.

2.1 实验说明

为了验证本文提出的基于挥发性成分差异性的散装植物油空调控温储粮技术在实际控温效果方面的有效性,实验选取了两种常规的散装植物油储粮技术作为对比对象,分别为机械送风控温储粮技术,以及基于环流控温储粮技术.通过构建实验平台,采用三种控温储粮方法对散装植物油进行储粮控温,对比不同方法的实际控温效果.

2.2 实验准备

实验选取的仓房为高大平房仓,仓顶结构为混凝土钢筋板结构,仓底结构为聚酯发泡隔热铝板,起到保温隔热作用.粮仓气密性良好,粮仓墙壁内部安装保温管,保证仓内温度不会出现损耗.考虑到研究区域夏季降水较多,因此粮仓外部墙壁进行了防潮处理,可以有效隔断外部雨水侵蚀.粮仓内部平面面积为40.5 m×53 m,粮仓整体储粮空间为6 532 m3,可存储5 000 t的粮食.粮仓整体为密封结构,窗户采用PVC封膜以及不锈钢加固窗栏结构进行加固,以起到防虫隔热的作用.仓房粮情数据如表1所示.

表1 仓房粮情数据

为保证实验结果的可靠性,本次实验采用1号仓作为实验仓,同时采用4号仓和8号仓作为对比仓.其中,4号仓采用常规的控温储粮技术,8号仓采用机械送风控温储粮技术.8号仓的送风管道安装在粮仓北侧墙壁内部,整体送风管道长为20.5 m.为防止热量散失,送风管道外部采用隔热材料进行包裹,同时也能够减少风量损失.1号粮仓在统计周期的平均粮温变化如图4所示.

图4 1号粮仓的平均粮温变化

本次实验采用Matlab软件搭建仿真实验平台,通过获取的三个粮仓中的温度云图,结合粮仓内部的空间结构,构建出粮仓温度分布模型.三个粮仓的部分初始温度测量数据如表2所示.

表2 粮仓初始测点温度数据

为保证实验结果的严谨性,对三个粮仓均采用了相同的温度测点布设方案.同时,考虑到空调控风效果对于仓内温度的影响,分别在空调入风口以及出风口处安装了测温点,对其进行温度测量.每个粮仓中存储的散装植物油的规模以及品质均相同,分别采用三种储粮技术对粮仓的温度以及湿度进行调整.为保证监测结果具有可靠性,本次实验将储粮周期设为7 d,一周后对仓内的温度进行重新监控测量.随机抽取某一天相同监测点位的粮仓温度数据,通过对温度数据的波动值进行计算,从而实现控温效果的有效对比.

2.3 控温效果对比结果

对比实验选取的指标为相同监测点位的粮仓温度波动值.在相同监测点位下,粮仓温度波动范围越小,代表方法的控温效果越好,越能为散装植物油提供良好的存储条件,具体实验结果如图5所示.

图5 粮仓温度波动值对比结果

通过粮仓温度波动值变化曲线可以明显看出,两种常规的控温储粮技术对于粮仓温度的控制效果有限,粮仓温度波动情况较大.而本文提出的基于挥发性成分差异性的散装植物油空调控温储粮技术在温度控制效果方面明显优于两种常规的控温储粮技术,粮温温度变化较为稳定,由此可以证明本文方法的控温性能更好.

3 结束语

针对常规的粮食储存方法在储存效果方面不够理想的问题,通过结合空调控温方法,提出了一种可以控制储粮温度的粮食储存技术.在今后的研究工作中,还需对储粮仓库进行改造,从而提高对空调控温参数调节的便捷程度,在节约能源成本的同时,为粮食仓储行业的发展提供积极帮助.