环境湿度向棉包内部传导特性研究

文/周万怀 张雪东 梁后军 刘从九 周 刚

1 引言

棉花是仅次于粮食的大宗农作物，也是重要的纺织原材料，还是重要的战略物资，关系到国计民生。棉花储备能够缓解棉花供需矛盾，稳定棉花市场，对维护民生和保障战略安全具有重要作用。近年来，我国的棉花库存始终保持在高位震荡，其中2010—2014年间，我国棉花库存高速增长，由400万吨左右大幅上升至1446万吨左右，2015年开始国内棉花库存逐步回落，近两年维持在800万吨上下。棉花在长期储备期间，受外部环境和内部因素的影响时有霉变、阴燃等灾害发生，如何预防棉花仓储灾害已经成为亟待解决的问题。

棉花纤维具有吸湿放热的特性，在潮湿的环境条件下将加速棉花中微生物的生长和繁殖，微生物在生长和繁殖的过程中又不断地释放热量，尤其是在高密度棉包内部本身与外界环境热量交换不通畅，热能蓄积、积温升高，轻则导致单个棉包内部霉变，重则导致棉包阴燃，继而给整个棉花仓库带来灾难性后果。尽管棉花在库存储期间会有倒垛检查程序，但因倒垛检查过程耗时、费力、工作量巨大，通常倒垛频次较低，这就导致棉包内部品质变异的现象时有发生。

目前，国内外研究的主要焦点在于棉花仓储火灾的预防方面，如：对棉花阴燃热通量的研究，密度对棉花阴燃温度的影响研究，样本大小对阴燃特性的影响，不同湿度棉花热分解过程的试验分析和动力学计算，棉花的热辐射引燃试验等。以上研究多是针对棉花霉变和火灾发生后的检测研究，而对灾害发生前的早期预警机理研究得较少。本文主要以标准I型棉包为研究对象，通过3D立体湿度监测网络，实时监测样品棉包所处的环境湿度与棉包内部湿度的变化状况，初步探索实际存储环境中环境湿度与棉包内部湿度的传导特性。为进一步建立存储环境下棉包内外湿度传导模型，基于湿度变化实现棉包内部品质变异或阴燃等灾害的早期预警提供新思路。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验材料为标准I型棉包，其长、宽、高分别为（1.4±0.03）m、（0.53±0.01）m和（0.70±0.15）m，每个棉包的质量约为（227±10）kg。标准I型棉包使用液压打包机逐层压实，再用塑钢带、铁丝等材料捆扎，最后使用纯棉布袋、塑料包装袋或其他材质的外包装封装而成，密度接近0.4t/m。为了尽可能反映出不同气候环境下的棉花长期仓储时的吸放湿特性，分别在我国棉花的主产区新疆的南疆、北疆地区以及具有典型内陆气候特征的安徽省淮南市各选一个棉花仓储库，在每个库随机抽取3个近年生产的棉包进行为期半年的在线跟踪监测。详细监测点分布、试验棉包基本信息见表1。

表1 试验棉包分布及基本信息

2.2 布点位置选择

为了能够反映棉包内部不同位置受环境湿度影响的情况，沿棉包的L（长）、W（宽）和H（高）方向设计了3×2×5的三维立体监测网络，用于监测棉包内部湿度变化规律，这些传感器的布局情况如图1B所示。另外还设置了第31号和第32号传感器分别用于监测棉包取样口湿度和外部储存环境湿度。

图1 温湿度传感器布局图

其中，Y轴与Z轴构成棉包中切面，X轴为棉包长度方向的一端。沿X轴方向设置0cm和15cm 两个深度层次，沿Y轴方向设置20cm、45cm和70cm 3个深度层次，沿Z轴方向设置15cm、25cm、35cm、45cm和55cm5个深度层次。根据长方体的对称特性，按照以上方式布设的监测点能够广泛代表棉包内部其它各处的湿度。棉包内部各传感器的坐标分布详见表2。

表2 棉包内部温湿度监测传感器坐标

2.3 监测系统设计

设计了一种用于保护传感器的舱体装置，主舱体长40mm、外径14mm、内径9mm，舱体前端带有的圆锥体，能够有效降低置入传感器时所受到的阻力，传感器置于主舱体内，为了确保湿度顺利传导和交换，主舱体四周环绕设有6行×7列的孔洞，舱体尾部使用密封塞封堵，保护内部电路板不受挤压；为了便于按指定坐标位置向棉包内部布设传感器，设计了一套包括定位、旋压和推进等机构组成的专用传感器置入装置。此外，还设计了湿度在线监测与数据传输系统，传感器在单片机的控制下监测湿度，通过RS485总线将数据传输到采集器，再通过无线装置将数据传输到服务器，通过Web端可以实时查看服务器上存储的监测数据。

3 结果与讨论

3.1 环境湿度变化趋势

由于在各监测点的测试棉包均集中堆放，它们所处的环境湿度极为相近，因此在后续分析中将每个监测点的3个样品棉包的环境湿度视为统一的环境湿度，由各监测点的3个棉包的32号传感器所监测的湿度取平均求得，据此得出库尔勒、博乐和淮南3个监测点的环境湿度变化趋势如图2所示。

图2 各监测点环境湿度变化趋势

由图2大致可以看出3个监测点的环境湿度均经历了由低到高、再回落的趋势。不同的是：首先，3个监测点的环境湿度高低存在显著差异，位于中东部的淮南监测点环境湿度明显高于西北内陆的库尔勒和博乐监测点的环境湿度，即使同在西北内陆的库尔勒和博乐监测点环境湿度相差也非常巨大；其次，不同监测点的环境湿度在变化趋势上有一定差异，可以看出位于中东部的淮南监测点环境湿度从10月份开始监测时持续上升，直至次年2月份环境湿度到达高位并保持在高位震荡，而库尔勒监测点的环境湿度在1月中旬达到最高，随后明显回落。各监测点环境湿度的最大值、最小值、平均值和四分位数等基本统计量见图3。可以看出3个监测点的环境湿度分布区间呈现高、中、低3个档次，均无任何超出[Q1-1.5×IQR ，Q3+1.5×IQR]范围的异常数据（Q3为上四分位数，Q1为下四分位数，IQR=Q3-Q1为四分位间距）。

图3 环境湿度基本统计量

3.2 棉包内外湿度总体相关性分析

图4展示了各传感器监测的湿度与环境湿度的基本变化趋势。由该趋势图可以看出：一方面，对于环境湿度较低的库尔勒和博乐而言，环境湿度与棉包内部湿度的变化趋势差异大，而对于环境湿度较高的淮南而言，环境湿度与棉包内部湿度的变化趋势相似度较高；另一方面，棉包内部各传感器监测湿度的变化趋势相似度均较高。对棉包内外湿度相关性分析结果显示3个监测点环境湿度与棉包内部湿度的平均相关系数r分别为0.083、0.126和0.534，显然库尔勒和博乐监测点棉包内外湿度无明显相关性，淮南监测点棉包内外湿度呈现强线性相关；对棉包内部各传感器监测湿度相关性分析结果显示，平均相关系数r分别为0.694、0.872和0.928，均为强线性相关。以上分析结果表明，当环境湿度较低时，棉包以内部湿度平衡和传导为主，受环境湿度影响较小；而当环境湿度较大时，环境湿度对棉包内部湿度的影响开始显现，棉包湿度平衡受内部湿度和环境湿度的双重影响。由于本文主要研究环境湿度对棉包内部湿度的影响，因此后续分析将不再分析库尔勒和博乐监测数据。

图4 棉包内部各传感器监测湿度与环境湿度的变化趋势

3.3 基于深度的分层变化趋势

假设湿度在棉包内部沿不同方向传导特性均相同，则棉包表面或浅层处更容易受环境因素影响，相反棉包内部深处受环境因素影响较小。根据以上假设，首先按照传感器到棉包表面深度，结合图1和表2，将传感器依次归类到11.5cm、15cm、20cm、25cm和26.5cm5个深度组别，详细分组情况见表3。

表3 按到棉包表面最小距离的传感器分组

图5展示了该分组模式下淮南监测点棉包内外各组别湿度变化趋势，宏观上可以看出环境湿度与棉包内部各组别传感器监测湿度整体趋势具有一定的相似性，传感器监测湿度曲线的拐点相较于环境湿度曲线拐点均有一定的时间延迟，这说明环境湿度影响了棉包内部的湿度。

图5 按距离棉包表面最小距离分层温度变化趋势

对环境湿度与各组别传感器监测棉包内部湿度进行相关性分析，结果如表4所示。可以看出位于11.5cm、15cm和20cm深度的第1、第2和第3组的内部湿度与环境湿度为强相关，位于25cm和26.5cm深度的第4和第5组的内部湿度与环境湿度为中度相关；然而，同时也可以看出第2和第3组的内部湿度与环境湿度的相关性明显好于第1组内部湿度与环境湿度的相关性。由此可见，上述假设“湿度在棉包内部沿不同方向传导特性均相同”不成立。分析其原因，主要因为棉花在打包过程中被分层压实后再使用铁丝或塑钢带等材料捆扎而成，这可能导致湿度在不同方向上的传导特性产生了差异。因此，后续将从长、宽和高3个方向分析湿度在棉包内部的传导特性。

表4 按到棉包表面最小距离组棉包内外湿度相关性分析结果

3.4 高（Z轴）方向湿度变化趋势

以传感器在Z轴方向上的深度为分组依据，将在Z轴方向上具有相同深度的传感器归为一组，每个组别传感器所构成的平面均垂直于Z轴，按照上述规则可将传感器分为15cm、25cm、35cm、45cm和55cm5个组别，结合图2可知它们到棉包表面的最小距离分别为15cm、25cm、35cm、25cm和15cm，具体分组详情见表5。该分组模式与I型棉包打包的过程相吻合，即沿Z轴方向不断分组压实而成。因此在该分组模式下可将棉包视为多个独立的薄层堆叠而成的长方体，在物理结构上具有明显的分层特性。

表5 Z轴方向5组传感器分组

按上述方式对传感器进行分组，将组内多个传感器所监测的湿度均值作为相应分组的湿度，得出如图6所示的棉包内部各组湿度的基本变化趋势。可以看出：首先，棉包内外湿度的曲线具有大致相似的走势，两者具有一定的相关度；其次，棉包内部各组湿度相关性明显好于环境湿度与棉包内部湿度的相关性；最后，环境棉包内外湿度存在显著的时差特征，环境湿度曲线的各拐点与棉包内部湿度曲线相对应的拐点之间呈现规律性时滞，延迟一般在10天以内。

表6展示了该分组模式下棉包内外湿度的相关性分析结果。可见，位于Z轴方向15 cm（第1、5组）、25 cm（第2、4组）和35 cm（第3组）3个深度的棉包内部湿度与环境湿度的平均相关系数r分别为0.678、0.473和0.412，平均RMSE分别为4.451、5.724和6.478。这表明在高（Z轴）方向上，棉包内部湿度与环境湿度的相关度随深度的增加而降低。

图6 Z轴方向5组棉包内部湿度变化趋势

表6 Z轴方向5组棉包内外湿度的相关性分析结果

进一步将X轴深度纳入分组依据，对表5中所列分组进一步细分，例如：第1组中的1号、11号、21号传感器和6号、16号、26号传感器在Z轴上具有相同的深度，但它们在X轴上的深度不同，于是将它们进一步划分为两个组别，分别对应为第1和第2组，以此类推将表5中的5个组别拆分成10个组别。按上述分组方式分别计算各组湿度均值，得出了与图6相似的棉包内部各组湿度的基本变化趋势，此处不再赘述。相关性分析结果见表7，可以看出位于棉包外侧的第1、2、4、6、8、9和10组的湿度与环境湿度的平均相关系数r为0.562、RMSE为5.255，而位于内侧的第3、5和7组的湿度与环境湿度的平均相关系数r为0.498、RMSE为5.749。以上分析表明，在Z轴和X轴两个方向上深度越浅棉包内外湿度相关性越好，反之深度越深棉包内外湿度相关性越差。

表7 X轴与Z轴方向10组棉包内外湿度相关性分析结果

3.5 长（Y轴）方向湿度变化趋势

以传感器在Y轴方向上的深度为分组依据，将在Y轴方向上具有相同深度的传感器归为一组，每个组别传感器所构成的平面均垂直于Y轴，按照上述分组规则，可以将传感器沿Y轴方向划分为20cm、45cm和70cm3个深度组别，结合图2可知它们到棉包表面的距离也分别为20cm、45cm和70cm，具体分组详情见表8。在这个方向上棉花纤维呈现无规律的纵横交错，不再具有类似于3.4中的分层特性。

表8 Y轴方向3组传感器分组

按上述分组方式计算各个组别的传感器所监测的湿度均值，得出如图7所示的棉包内外各组湿度变化基本趋势，可以看出与图6中的湿度变化趋势基本类似，此处不再赘述。

图7 Y轴方向3组湿度变化趋势

表9展示了该分组模式下棉包内外湿度的相关性分析结果。可见，位于Y轴方向20cm（第1组）、45cm（第2组）和70cm（第3组）三个组别的棉包内外湿度的平均相关系数r分别为0.623、0.497和0.539，平均RMSE分别为4.731、5.944和5.297，显然位于20cm深处的第1组传感器监测湿度与环境湿度相关性最高，然而45cm深处的第2组传感器监测湿度与环境湿度的相关度却低于70cm深处的第3组传感器监测湿度与环境湿度的相关度。

表9 Y轴方向3组棉包内外湿度相关性分析结果

进一步将X轴深度纳入分组依据，对表8中所列分组进一步细分，如第1～5号传感器和第6～10号传感器在Y轴上具有相同的深度，但它们在X轴上的深度不同，于是将它们进一步划分为两个组别，分别对应为第1和第2组，以此类推将表8中的3个组别拆分成6个组别。按上述分组方式分别计算各组别湿度均值，得出了与图7相似的棉包内部各组湿度的基本变化趋势。相关性分析结果见表10，可以看出位于棉包外侧的第2、4和6组的湿度与环境湿度的平均相关系数r为0.558、RMSE为5.255，而位于内侧的第1、3和5组的湿度与环境湿度的平均相关系数r为0.541、RMSE为5.452，相关性差异较小。以上分析结果表明在长（Y轴）方向上，在较浅处时棉包内外湿度相关度与深度成反比，但随着深度的增加，棉包内外湿度相关度受深度的影响逐渐减弱。

表10 Y轴与X轴方向6组棉包内外湿度相关性分析结果

3.6 宽（X轴）方向湿度变化趋势

以传感器在X轴方向上的深度为分组依据，将在X轴方向上具有相同深度的传感器归为一组，每个组别传感器所构成的平面均垂直于X轴，按照上述规则可将传感器分为0 cm和15 cm两个组别，结合图2可知它们到棉包表面的距离分别为26.5 cm和11.5 cm，具体分组详情见表11。

表11 X轴方向3组传感器分组

图8展示了在该分组模式下棉包内外湿度变化趋势。可以看出棉包内部两组湿度的一致性较3.3～3.5节有所提升，宏观变化趋势方面与3.3～3.5节并无显著差异，此处不再详细分析。

图8 X轴方向2组湿度变化趋势

表12展示了该分组模式下棉包内外湿度的相关性分析结果。可见，位于X轴方向0 cm（第1组）和15 cm（第2组）两组棉包内部湿度与环境湿度的平均相关系数r分别为0.553和0.561，平均RMSE分别为5.342和5.198，可以看出两个深度的湿度与环境湿度均属于强线性相关，且相关性差异非常小，分析其主要原因可能在于棉包沿X轴方向的纵深较浅，且沿X轴方向棉花纤维自然错落，并不像沿Z轴方向一样具有明显的分组特征，从而导致在X轴方向上环境湿度能够较好地传导到棉包内部深处。

表12 X轴方向2组棉包内外湿度的相关性分析结果

4 结论

以上研究结果表明：首先，环境湿度较低时，棉包内部湿度受环境湿度影响较小，湿度平衡主要受棉包内部初始湿度的影响，环境湿度较高时，棉包内部湿度受环境湿度的影响得以体现。其次，到棉包表面距离小于20 cm时，环境湿度与棉包内部湿度的相关度较高，到棉包表面距离大于20 cm时，环境湿度对棉包内部湿度的影响逐渐减低。再次，环境湿度对棉包内部传导具有一定的方向性，在高（Z轴）方向上，棉包内部湿度与环境湿度的相关度随深度的增加而降低，棉包内外湿度相关度与深度成反比；在长（Y轴）方向上，在较浅处时棉包内外湿度相关度与深度成反比，但随着深度的增加，棉包内外湿度相关度与深度不再成反比关系；在宽（X轴）方向上，由于整体跨度较小，棉包内部各处湿度均受到环境湿度的显著影响，且深度对棉包内外湿度相关度的影响不大。本研究初步探索了环境湿度向棉包内部传导的基本规律，不足之处在于长（Y轴）和宽（X轴）方向上的传感器分层较少，无法建立环境湿度向棉包内部传导的数学模型。