基于相變材料和空調(diào)制冷的組合式準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧技術(shù)應(yīng)用研究

任麗輝，趙學(xué)工,高樹成

(1．遼寧省糧食科學(xué)研究所，遼寧 沈陽 110032； 2．國家糧食-玉米干燥工程技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽 110032)

基于相變材料和空調(diào)制冷的組合式準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧技術(shù)應(yīng)用研究

任麗輝1,2，趙學(xué)工1,2,高樹成1,2

(1．遼寧省糧食科學(xué)研究所，遼寧 沈陽 110032； 2．國家糧食-玉米干燥工程技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽 110032)

基于相變材料的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理，對(duì)相變材料與空調(diào)制冷組合控溫技術(shù)進(jìn)行了研究。通過對(duì)現(xiàn)有糧倉進(jìn)行技術(shù)改造，和對(duì)改造后的準(zhǔn)低溫糧倉進(jìn)行控溫儲(chǔ)糧應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果表明，相變材料適合綠色生態(tài)儲(chǔ)糧的需要，具有降低能耗、均衡控溫的作用，為準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧提供了一種新材料、新技術(shù)。

相變材料；空調(diào)制冷；儲(chǔ)糧技術(shù)；準(zhǔn)低溫；應(yīng)用研究

根據(jù)綠色生態(tài)儲(chǔ)糧需求，在糧食儲(chǔ)藏過程中，應(yīng)盡量少用或不用化學(xué)藥劑，以調(diào)控儲(chǔ)糧生態(tài)因子為主要手段，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境，避免儲(chǔ)糧污染，確保儲(chǔ)糧安全，使人們吃到新鮮營養(yǎng)可口無毒的放心糧。綠色儲(chǔ)糧技術(shù)包括準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧技術(shù)、氣調(diào)儲(chǔ)糧技術(shù)、非化學(xué)藥劑防蟲殺蟲技術(shù)等；其中，糧食準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏技術(shù)是綠色生態(tài)儲(chǔ)糧技術(shù)推廣應(yīng)用的首選方法和發(fā)展方向。綠色生態(tài)儲(chǔ)糧工程在實(shí)施糧食安全戰(zhàn)略中所起的作用與糧食生產(chǎn)和加工一樣，也是十分重要和不可替代的。

相變儲(chǔ)能技術(shù)主要是利用相變調(diào)溫機(jī)理，通過蓄能介質(zhì)的相態(tài)變化實(shí)現(xiàn)對(duì)熱能的儲(chǔ)存和釋放[1]。當(dāng)環(huán)境溫度低于一定值時(shí)，相變材料由液態(tài)凝結(jié)為固態(tài)，釋放熱量；當(dāng)環(huán)境溫度高于一定值時(shí)，相變材料由固態(tài)熔化為液態(tài)，吸收熱量[2]。主要針對(duì)北方夏季高溫天氣，根據(jù)相變材料的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理，研究相變材料與空調(diào)制冷組合式準(zhǔn)低溫溫控技術(shù)。通過對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)糧倉進(jìn)行改造，安裝相變儲(chǔ)能材料和空調(diào)，重點(diǎn)解決糧食在大型倉儲(chǔ)庫房內(nèi)散儲(chǔ)過程中，存在的糧堆溫差變化大、倉房保溫隔熱效果差、溫度調(diào)控能源消耗大等突出問題。相變儲(chǔ)能材料適合綠色生態(tài)儲(chǔ)糧調(diào)控系統(tǒng)工藝，是一種經(jīng)濟(jì)適用、能量轉(zhuǎn)化效率高、保溫隔熱效果好，適于綠色生態(tài)儲(chǔ)糧溫控技術(shù)的新材料。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)用材料

1.1.1 相變材料

試驗(yàn)用相變材料產(chǎn)品型號(hào)為PH-22，熔點(diǎn)22℃，潛熱230 kJ/kg，用高密度滌綸復(fù)合PVC材料進(jìn)行封裝，做成規(guī)格為57 cm×57 cm的相變儲(chǔ)能墊，單片封裝質(zhì)量為2 kg，具有無毒、無味、無污染的特性，具體參數(shù)見表1。

表1 相變材料基本參數(shù)

1.1.2 空調(diào)機(jī)

兩臺(tái)型號(hào)為KFR-35GW/BP2DN1Y-DA400(B3)的美的變頻空調(diào)分別安裝于T30、T31倉中。

1.1.3 溫濕度儀

兩臺(tái)華圖S380溫濕度儀分別安裝于T30、T31倉中，記錄間隔時(shí)間設(shè)定為30 min。

1.1.4 電度表

兩只單相電度表分別安裝于T30、T31倉中，用于記錄試驗(yàn)中的用電量。

1.2 試驗(yàn)儲(chǔ)糧倉基本情況

試驗(yàn)儲(chǔ)糧倉選擇編號(hào)為T29、T30、T31的立筒倉，均為2000-04交付使用。該立筒倉基本情況為：筒倉內(nèi)徑9.21 m，圓柱體高14 m，圓錐體高2.9 m，檐高18.86 m，裝糧線高15.4 m，倉內(nèi)體積996.63 m3，糧堆體積896.74 m3；筒倉外徑10 m，檐高19 m，頂高18.86 m，實(shí)際裝糧高15.4 m，外墻面積592 m2；設(shè)計(jì)容量720 t；隔熱措施：珍珠巖；通風(fēng)方式：機(jī)械。立筒倉均為混凝土結(jié)構(gòu)，倉內(nèi)安裝糧情檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢溫功能。

1.3 試驗(yàn)儲(chǔ)糧倉設(shè)置處理方案

準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧是指在糧食安全水分的前提下，利用自然低溫條件，或采用機(jī)械通風(fēng)、機(jī)械制冷等措施，使儲(chǔ)糧處于相對(duì)低溫的狀態(tài)[3]。為滿足準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧條件，試驗(yàn)結(jié)合原有倉房的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)T30和T31儲(chǔ)糧倉進(jìn)行改造。

各立筒儲(chǔ)糧倉試驗(yàn)設(shè)施處理方案見表2。

表2 各立筒儲(chǔ)糧倉試驗(yàn)設(shè)施安排

T29對(duì)照倉：按糧庫原用方法進(jìn)行處理。

T30對(duì)照倉：簡易密封+倉頂內(nèi)部做聚氨酯發(fā)泡保溫處理+倉壁掛空調(diào)+倉內(nèi)安裝溫濕度儀；

T31試驗(yàn)倉：簡易密封+倉頂內(nèi)部做聚氨酯發(fā)泡保溫處理+輕鋼龍骨吊頂+相變儲(chǔ)能墊+倉壁掛空調(diào)+倉內(nèi)安裝溫濕度儀。

1.3.1 試驗(yàn)儲(chǔ)糧倉門窗孔洞做保溫隔熱密封

T29、T30、T31三個(gè)儲(chǔ)糧倉的門、窗、進(jìn)糧口、出糧口及通風(fēng)口等孔洞分別用80 mm厚阻燃苯板、密封膠條、塑料布等進(jìn)行保溫隔熱處理，使倉房內(nèi)部處于密閉狀態(tài)，以防止倉內(nèi)外冷熱空氣交換。

1.3.2 試驗(yàn)儲(chǔ)糧倉倉頂噴涂聚氨酯發(fā)泡

倉內(nèi)的熱量主要來源于頂部，倉頂改造好了，就等于做好倉房控溫工作的90%以上。在T30、T31兩個(gè)儲(chǔ)糧倉頂部內(nèi)表面噴涂50 mm厚聚氨酯發(fā)泡，進(jìn)行保溫(及密封)處理，增加隔熱效果。

1.3.3 試驗(yàn)儲(chǔ)糧倉安裝空調(diào)

在T30、T31兩個(gè)儲(chǔ)糧倉內(nèi)距倉頂約600 mm的倉壁上安裝空調(diào)，以防止從空調(diào)中吹出的冷風(fēng)直接接觸糧面而產(chǎn)生結(jié)露。空調(diào)用于夏季極熱溫度時(shí)補(bǔ)充冷量，夏季倉頂下方空間溫度超過20℃時(shí)，在夜間低谷時(shí)段啟動(dòng)空調(diào)，降低倉溫及上層糧溫并完成相變能量轉(zhuǎn)換過程，控制倉內(nèi)溫度在20℃以下?？照{(diào)在夜間低谷時(shí)段運(yùn)行，既可降低相變材料的使用成本，又可大大降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

1.3.4 T31儲(chǔ)糧倉吊頂并安置相變材料

T31儲(chǔ)糧倉改造后結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 T31儲(chǔ)糧倉改造后結(jié)構(gòu)示意簡圖

在T31儲(chǔ)糧倉倉頂聚氨酯發(fā)泡保溫層下方300 mm處安裝輕鋼龍骨架吊頂，其主龍骨寬40 mm。為防止骨架下沉打兜，采用長螺絲連接輕鋼龍骨架做吊筋。在輕鋼龍骨架上放置560 mm×560 mm的實(shí)木板，將倉內(nèi)空間進(jìn)行合理分割，吊頂上方空間溫度相對(duì)較高，而吊頂下方空間溫度相對(duì)較低。將倉房空間分割成獨(dú)立空間便于溫度調(diào)控，同時(shí)起到保溫隔熱效果，并起到支撐相變儲(chǔ)能墊的作用。

在T31儲(chǔ)糧倉輕鋼龍骨架實(shí)木板上擺放PH-22相變儲(chǔ)能墊。在日均最高環(huán)境氣溫不超過30℃時(shí)，它能保持實(shí)木板上方空間溫度在1個(gè)月內(nèi)不超過22℃，并可使實(shí)木板下方空間溫度不超過20℃，在相對(duì)較小的封閉空間及與室外相對(duì)較小的溫差時(shí)，可以大幅度降低材料成本。

2 結(jié)果與討論

夏季高溫季節(jié)，當(dāng)糧溫高于15℃，且實(shí)木板下方空間溫度高于20℃時(shí)，在夜間低谷時(shí)段(23：00～次日6：00)通過無線模塊，自動(dòng)下發(fā)控制空調(diào)的相關(guān)溫度參數(shù)以及制冷命令，啟動(dòng)倉內(nèi)空調(diào)，消耗低谷電力補(bǔ)充制冷量，將儲(chǔ)糧倉空間溫度降至20℃以下，同時(shí)降低上層糧溫，保持至糧面壓蓋相變材料完成相變能量轉(zhuǎn)換過程，使糧溫控制在15～19℃的準(zhǔn)低溫范圍。

2.1 T29、T30和T31儲(chǔ)糧倉每日外溫、倉溫變化

5月下旬，當(dāng)?shù)貧鉁亻_始升高，平均氣溫達(dá)到28℃以上。-05-20，T29倉溫達(dá)到23.4℃、T30倉溫達(dá)到20.1℃、T31倉溫則為19.5℃，T30倉空調(diào)溫度設(shè)為20℃并開始運(yùn)行；-06-03，T31倉溫達(dá)到21℃，空調(diào)溫度設(shè)為20℃并開始運(yùn)行，以保證儲(chǔ)糧倉內(nèi)空間溫度控制在20℃以下；每天檢測(cè)外溫、倉溫和糧溫。

表3為-06-03—-06-18期間T29、T30和T31儲(chǔ)糧倉每日的外溫與倉溫，圖2為溫度變化曲線。從表3和圖2可以看出，試驗(yàn)期間外溫變化較大，但T30和T31儲(chǔ)糧倉的倉溫變化不大，而未作處理的T29對(duì)照倉倉溫明顯高于T30和T31儲(chǔ)糧倉的倉溫，T30和T31儲(chǔ)糧倉的倉溫基本控制在20℃左右。

表3 T29、T30和T31儲(chǔ)糧倉每日外溫與倉溫 ℃

圖2 T29、T30、T31儲(chǔ)糧倉外溫與倉溫變化曲線圖

2.2 T31儲(chǔ)糧倉每日外溫、倉溫和糧溫的變化

表4為-06-03—-06-18期間T31試驗(yàn)倉的外溫、倉溫和糧溫，圖3為溫度變化曲線。

圖3 T31試驗(yàn)倉的外溫、倉溫與糧溫變化曲線圖

從表4和圖3可以看出,雖然外溫變化比較大，但T31試驗(yàn)倉倉溫基本控制20℃左右，糧溫基本控制在16℃左右，達(dá)到準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧的標(biāo)準(zhǔn)。

表4 T31儲(chǔ)糧倉每日外溫、倉溫和糧溫 ℃

2.3 T30和T31儲(chǔ)糧倉每日耗電量的變化

T30、T31儲(chǔ)糧倉啟動(dòng)空調(diào)后，每天在9：00和16:00二次記錄電表讀數(shù)，從而計(jì)算出每天的用電量。

從表5和圖4可以看出，-06-03—-06-18，除-06-03(T31倉首日啟動(dòng))以外，其他時(shí)間，T31試驗(yàn)倉的每日用電量均低于或等于T30對(duì)照倉的用電量。

表5 T30和T31儲(chǔ)糧倉每日用電量 kW·h

圖4 T30和T31儲(chǔ)糧倉每日用電量對(duì)比

2.4 T30和T31儲(chǔ)糧倉用電總量對(duì)比

根據(jù)表5數(shù)據(jù)，計(jì)算出T30和T31儲(chǔ)糧倉-06-03--06-18日用電總量，用電總量對(duì)比見圖5。

圖5 T30和T31儲(chǔ)糧倉用電總量對(duì)比

從圖5可以看出，T31試驗(yàn)倉用電總量明顯低于T30對(duì)照倉。根據(jù)6月份當(dāng)月兩個(gè)試驗(yàn)倉耗電總量對(duì)比，可以計(jì)算出T31試驗(yàn)倉比T30對(duì)照倉的耗電量節(jié)約了12%。

3 結(jié)論

經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試表明，應(yīng)用相變材料與空調(diào)制冷組合式準(zhǔn)低溫溫控技術(shù)后，儲(chǔ)糧倉的密閉、隔熱性能非常好，能有效將倉內(nèi)的溫度控制在20℃以下，可以抑制害蟲的發(fā)生，達(dá)到準(zhǔn)低溫綠色儲(chǔ)糧的標(biāo)準(zhǔn)。

采用相變材料的T31試驗(yàn)倉用電量明顯小于T30對(duì)照倉，說明在溫度變化的過程中，相變儲(chǔ)能材料發(fā)揮了良好的溫度調(diào)節(jié)作用。

本次試驗(yàn)的研究結(jié)果為相變儲(chǔ)能材料在準(zhǔn)低溫綠色生態(tài)儲(chǔ)糧方面提供了新的研究方向。

[1] 張仁元.相變材料與相變儲(chǔ)能技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2] 史 巍，王傳濤．相變材料研究綜述[J]．硅酸鹽通報(bào)，2015，34(12)：3 517-3 522.

[3] 劉 寅，王 薇，侯業(yè)茂．糙米準(zhǔn)低溫倉制冷系統(tǒng)研究[J]．河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(2)：63-65.

(責(zé)任編輯：俞蘭苓)

Combined quasi low temperature grain storage technology based on phase change material and air conditioning refrigeration

REN Li-hui1，2，ZHAO Xue-gong1,2，GAO Shu-cheng1,2

(1．Liaoning Grain Science Research Institute，Shenyang 110032，China； 2．National Grain-Corn Drying Engineering Research Center，Shenyang 110032，China)

According to the phase change material for energy conversion mechanism, we studied the phase change material and air conditioning refrigeration combined temperature control technology.By the technical reconstruction of existing storage silos,we carried on the quasi low temperature grain storage test. The results showed that the phase change energy storage material was suitable for green ecological grain storage, and energy consumption had reduced, with the effect of equilibrium temperature,which provided a kind of new material and technology for quasi low temperature storage .

phase change material; air conditioning refrigeration; grain storage; quasi low temperature; application research

2016-10-17；

2017-02-28

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2015020787)。

任麗輝(1970-)，女，工程師，碩士，主要從事糧油機(jī)械、儲(chǔ)藏、干燥等方面的科研和設(shè)計(jì)工作。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.03.004

S379.2

A

1003-6202(2017)03-0012-04