局部高水分稻谷粮堆发热温度模拟初步分析

张崇霞， 严晓平， 蒋雪梅， 朱延光， 何 洋， 马一铭

(中储粮成都储藏研究院有限公司，成都 610091)

全世界，大约有三分之一的粮食损失于收获后储藏管理环节[1]。对粮食水分、温度和害虫感染的控制不当是引起储粮损耗的重要原因。粮食的高水分含量和高的粮温容易引发粮堆发热点。粮堆中发热点的不断发展，会导致发热点内粮食的损坏。粮堆中一旦出现局部温度异常点，由于粮堆为热的不良导体，产生的热量无法有效扩散引起热量聚集，进而粮温不断攀升[2]。

目前，对粮堆中的温度进行监测也是粮库中普遍采用的方法。同时，国内外学者对粮仓内部温度场及相关指标监测做了大量的研究，以期找到更为科学、有效的对发热点进行判断的方法[3,4]。尹君等[5]利用温度传感器阵列监测了钢板浅圆仓内小麦粮堆不同季节、不同位点的温度变化情况。王小萌等[6]通过构建温、湿度场云图，检测二氧化碳气体浓度和储藏霉菌变化，揭示温、湿度场与粮堆霉变的时空耦合关系。Jia等[7]建立了二维圆筒仓粮堆温度场模型。Hammamia等[8]对筒仓内温度场和水分含量变化进行了模拟研究。韩枫[4]对二氧化碳监测法对储粮早期霉变位点定位做了研究。这些研究丰富了储粮生态系统理论体系，为粮情监测提供了新的思路[9]。

虽然这方面的研究较多，但基于建立模型的成熟度不够，或对粮堆中的湿度、二氧化碳进行监测的难度和成本问题，目前在粮库中，仍然是采用温度监测的方式，对储粮粮情进行监测。因此，怎样利用已采集的温度粮情数据对粮堆的异常点进行监测和预判已成为研究的重点，本文对偏高水分稻谷粮堆发热点的温度变化进行了分析，以期为发热点的发现、监测和控制提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

采用2019年产于四川广汉的籼稻兆优5431，初始含水量为13.5%，容重为580 g/L，杂质含量为0.7%。

1.2 主要仪器设备

数字式粮情检测系统，LDZX-100KBS型立式压力蒸汽灭菌器，JSC-800L型智能恒温恒湿培养箱，AL204分析天平。

1.3 实验方法

1.3.1 籼稻水分调节

将含水量13.5%的籼稻喷雾着水，边加水边搅拌，逐步调到水分为22.2%，然后装入整理箱密封好，置于4 ℃冰箱平衡14 d。调制后，测定稻谷最终水分为22.3%。

1.3.2 模拟仓装置

模拟仓装置如图1，为底面尺寸94 cm×94 cm、高80 cm长方体。四周为厚度10.6 mm的PE压合蜂窝板，底座和顶盖为PE塑料注塑而成。

图1 模拟仓图

1.3.3 储藏模拟设置

模拟仓内放置两种不同含水量的稻谷，稻谷粮堆高度为0.8 m，将含水量为22.3%的稻谷装到体积为0.4 m×0.4 m×0.4 m的不锈钢网正方体结构中，再将装满稻谷的不锈钢网正方体置于模拟仓中心部位，其余部位稻谷含水量为13.5%。

1.4 测量指标及方法

1.4.1 温度

采用数字式粮情检测系统检测发热点温度变化，此系统包括温度传感器、主机、分机和软件监测系统。温度传感器布置在粮堆的中垂面上，传感器探头精度为±0.4 ℃。从图1可以看出，每层有温度监测点3个，分3层，共9个温度监测点。

1.4.2 水分含量

实验开始和结束时，在各温度监测点取样检测水分含量。方法参照GB/T 21305—2007 谷物及谷物制品水分的测定。

1.4.3 霉菌总数

实验开始和结束时，在各温度监测点取样检测霉菌总数。方法参照GB 4789.15—2016 食品微生物学检验 霉菌和酵母计数。

1.5 统计方法

选取发热点温度监测数据，使用Matlab处理数据，利用cubic插值法绘制发热点温度场云图。使用Origin处理实验中的温度数据，绘制变化曲线和进行线性拟合。

2 结果与分析

2.1 发热点总体温度变化规律

对于高水分稻谷粮堆在1～39 d的储藏过程中，由图2可以看出温度呈现先升高后下降的变化规律。第1～9 d为升温阶段，第9～11 d，各温度监测点粮温相继达到最高值，其中发热点中心点B2最高温度为43.8 ℃，距离B2点0.2 m的B1、B3、A2、C2点最高温度在37.1～38.7 ℃，距离B2点0.28 m的A1、C1、A3、C3点最高温度在32.1～34.9 ℃。在随后的降温阶段，根据各监测点降温速率大小，可大致分为3个阶段。同一温度监测点，在降温第1阶段的降温速率大于在降温第2阶段的降温速率。在降温第3阶段，各监测点温度变化平缓，缓慢与环境温度趋于一致。

图2 各监测点温度变化曲线

2.2 发热点升温阶段的变化规律

从图3可以看出，第1天中心点B2温度偏低为21.6 ℃，这是由于实验开始时稻谷从冰箱中取出，温度未完全平衡到室温。第2～6 d，粮温缓慢上升，但粮堆最高温度区域位于B2点及偏下区域，第9 d温度最高点移至B2。因为仓底有较好的保温隔热作用，实验初期最低温度点在B2及下方区域，随着高水分稻谷自身呼吸和微生物生长繁殖产热，最高温度区域在B2及下方，后期热量不断堆积，当产热速率远大于四周热量传递差值时，温度最高点出现在高水分粮堆的中心点B2。

对各监测点在1～9 d的数据进行线性拟合得到各点温度(Y，℃)与储藏时间(X，d)的拟合曲线(详见表1)。由表1可以看出拟合得到方程的调整系数值均在0.96以上，模型精度高。对得到的方程进行方差分析，结果表明各点温度与储藏时间线性关系极显著。从拟合曲线的斜率可以看出，高水分稻谷形成的发热点，温度上升速度最快的为B2点，其升温速率为2.893 ℃/d。其次为位于B2点正下方的B1点，其升温速率为2.048 ℃/d。位于B2点周围的A2、C2、B3点，温度上升速度差异不大，其升温速率分别为1.586、1.562、1.531 ℃/d。温度上升交慢的为距离B2点0.28 m的A1、A3、C1点，其升温速率分别为1.028、1.092、1.153 ℃/d。温度上升最慢的为C3点，其升温速率为0.747 ℃/d。B1、A2、C2、B3距离B2均为0.2 m，但B1升温速率高于后3者，这可能与B1接近模拟仓底部，仓底有较好的保温隔热作用，粮食自身呼吸和微生物生长繁殖产生的热量难以散失有关。

表1 各温度监测点拟合曲线(升温阶段)

2.3 发热点降温阶段的变化规律

从图4可以看出，在降温阶段，距中心点B2相同距离的各点，降温速率基本一致，温度云图上等值线呈现以B2点为中心的同心圆。在降温第1阶段(第12～23 d)，进行线性拟合得到各监测点温度(Y，℃)与储藏时间(X，d)的拟合曲线，由表2可以看出得到方程的调整系数值均在0.9以上，模型精度高。对得到的方程进行方差分析(详见表3)，结果表明各监测点温度与储藏时间线性关系极显著。从拟合曲线的斜率可以看出，各监测点温度呈线性下降，降温速率差异不大，在0.244～0.572 ℃/d之间。降温速率最快的为B2点，为0.572 ℃/d，其次为距离B2点0.2 m的B3、B1、C2、A2点，为0.450、0.447、0.420、0.407 ℃/d。降温速率最低的为距离B2点0.28m的A3、C1、C3、A1点，为0.362、0.278、0.265 d、0.244 ℃/d。在第2阶段(第27～32 d)，进行线性拟合得到各监测点温度(Y，℃)与储藏时间(X，d)的拟合曲线,详见表2。各监测点降温速率差异，同降温第1阶段类似：不同监测点降温速率差异小，降温速率最快的为B2点，其次为B3、B1、C2、A2点，再次为A3、C1、C3、A1。在降温第3阶段(第35～39 d)，进行线性拟合得到B2点温度(Y，℃)与储藏时间(X，d)的拟合曲线，其余各监测点温度与储藏时间不呈线性关系。

图3 温度场云图(升温阶段)

图4 温度场云图(降温阶段)

表2 各温度监测点拟合曲线(降温阶段)

发热点形成后，降温缓慢。在降温阶段，随储藏时间延长，各监测点降温速率不断减小。这意味着发热点一旦形成，若不及时采取措施，热量容易堆积，如果粮堆杂质较高、或外界环境温度较高，产生大量湿热转移，极易形成局部发热点，造成局部粮食发霉变质。

2.4 含水量和霉菌总数变化

表3为实验前后不同监测点的含水量和霉菌总数变化情况，从表4可以看出，实验开始时各监测点含水量为22.3%，储藏39 d后含水量降至14.8%～16.4%，稻谷含水量趋于安全水分。霉菌总数从实验开始时的3.2×104cfu/g，升高到7.0×106～2.5×107cfu/g。

表3 各温度监测点拟合曲线方差分析(降温阶段)

很多学者认为，粮食发热点热量主要来源是微生物的呼吸作用[1]。从实验霉菌总数的变化也可以看出，实验结束时霉菌总数含量高于开始时2～3个数量级。发热点温度在达到峰值后逐渐降低，主要是因为高温将发热点粮食逐渐干燥，霉菌生长的适宜条件被破坏。

表4 储藏39d后各监测点水分和霉菌总数变化

3 结论

通过在普通稻谷粮堆中加入高含水量稻谷形成发热点，对粮堆温度场进行分析，得到以下结论：

在升温阶段，随储藏时间延长，各点温度呈线性增长。发热点的物理中心点也是温度最高点，最高温度43.8℃。中心点及中心点下层区域升温速率高于其他区域，中心点升温速率为2.893 ℃/d，位于中心点下方0.2 m监测点升温速率为2.048 ℃/d。在降温阶段，降温速率不断减小。根据降温速率变化分为3个阶段，在第1、2、3阶段，中心点降温速率分别为0.572、0.303、0.090 ℃/d。

发热点的升温速率大于降温速率，表明发热点形成初期，对其进行处理十分必要，一旦发热点形成，若不采取恰当措施将发热点消除，其温度会迅速攀升，对粮堆危害大，容易引起湿热转移、结露、局部粮食发霉变质等问题。