一种精准控温的粮食储藏模拟装置
技术领域
本实用新型涉及一种粮食储藏模拟装置，具体涉及一种精准控温的粮食储藏模拟装置。
背景技术
“民为国基，谷为民命”。粮食是国民生存和国家发展的主要资源，粮食安全是国家安全的重要基础，因此，粮食储备对确保我国粮食安全的“长治久安”具有十分重要的意义。我国粮食储备量大，且储藏周期长，科学合理地减少品质损耗和降低保管能耗一直是我国粮食行业关注的重点，因而，探究储粮生态系统中温度、湿度、气体成分等因素对粮食的影响就尤为重要。现有研究技术中，储粮实仓研究存在环境条件不可控，人工干预措施较多，试验成本较大等诸多不便因素，因此，逐渐开始使用容器进行模拟储藏研究。
CN208060495U公开了一种粮食储藏模拟试验仓，是采用空调产生的热风或冷风进入温度调节腔内通过内壁的传导来对储粮室进行控温的。但是，由于气体的体积不稳定性，易被压缩与膨胀，比热容低等原因，利用气体控温又存在传热不均，局部温度过高或过低，部分死角部位无法达到控温效果，热量散失较快，控温精度不高，最高只能达到±0.5℃的精确度等技术缺陷。
CN108184444A公开了一种具有恒温控制功能的粮食储存装置，是对内部粮食控温，起到储存粮食的作用。但是，就储存粮食方面，该装置中加热装置恒定在粮堆内部，只能对局部粮食加热，粮堆受热不均，易出现粮堆结露、发霉等问题，无法模拟环境温度，难以起到模拟储藏研究的作用。
CN205510992U公开了一种具有恒温控制功能的粮食储存装置，是对内部粮食控温，起到储存粮食的作用。但是，就储存粮食方面，虽然该装置相较上者解决了受热不均的问题，但采用的是电加热装置，不具备制冷效果，不适于夏季储存粮食或高温地区储存粮食，无法模拟环境温度，难以起到模拟储藏研究的作用。
CN109060873A公开了一种粮食质热传递和结露参数检测装置及方法，是在实验仓相对的两个仓壁分别连接气流冷源、气流热源来维持温差，促使实验仓内粮堆发生结露现象以研究粮食的质热传递及结露规律。但是，该装置是对特殊情况（结露现象）的研究，侧重领域不同，无法对整仓进行常规环境温度的模拟，难以模拟粮堆整体在不同温度环境下的变化机理，同时由于该装置采用气流冷源、气流热源控温，控温均匀性、精度较差。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种能高度仿真模拟粮食储藏实仓，准确模拟包括储粮气体组成、气体流速及温湿度差异等各种储粮影响因子，探究储粮生态系统的变化规律，控温精确、稳定，低损耗传热的精准控温的粮食储藏模拟装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种精准控温的粮食储藏模拟装置，包括仓体、液质冷媒控温单元和控气单元；所述仓体的仓壁设有控温层，仓体的顶部设有可移动顶盖，仓体的底部、控温层及可移动顶盖夹层内设有保温层；所述控温层下端外侧设有进水口，与液质冷媒控温单元的出水口连接；所述控温层上端外侧设有出水口和溢水口，分别与液质冷媒控温单元的进水口连接；所述仓体底部内侧中央设有地上笼，地上笼纵向与两侧仓壁相接，并在仓壁上设有通入地上笼的进气口，该进气口与控气单元的制氮装置和通风装置连接；所述仓体上端设有出气口，与控气单元的制氮装置连接；所述仓体内的上部设有与仓体外的测控面板连接的粮情测控机、氮气浓度检测仪和电子温湿计；所述粮情测控机上连接有分布于仓体内部的测温电缆。
本实用新型装置摈弃了现有普遍使用的气质冷媒，由于气体的体积不稳定性，易被压缩与膨胀，比热容低等原因，利用气质冷媒控温存在传热不均，局部温度过高或过低，部分死角部位无法达到控温效果，热量散失较快，控温精度不高等技术缺陷，而盘管等其它控温方式又存在空隙，无法密布整个空间，导致传热不均等问题。而本实用新型采用液质冷媒进行控温，相较气体或盘管等其它控温方式，液质控温具有分布均匀、传热高效、控温精度高等优势。本实用新型装置所使用的液质冷媒控温单元为外置装置，相较内置的方式可有效的避免加热、制冷装置产生热量对控温层和仓体造成影响，有效提高控温精度，同时外置的方式可方便控温系统的养护，维修，更换升级等问题。
控温层中采取循环下进上出的方式，能保证液质冷媒流速的恒定，有利于控温的稳定性，而若采用上进下出的方式，则出水口容易由水泵带来的初始速度以及液质冷媒自身重力作用，导致流速大于进水口，冷媒会以最短路径流向出水口，形成线状，不利于实现面位上的均匀控温，导致控温层内液质分布不均。
溢流孔的设计是为了当进水口的流量大于出水口的流量时，能有效的对控温层中的液质冷媒进行泄压，避免控温层的破坏。通过粮情测控机、氮气浓度检测仪和电子温湿计对粮堆各部位粮温、仓内氮气浓度、仓温仓湿等信息进行监测，方便操作人员对仓内信息的掌握。所述仓壁上设有的通入地上笼的进气口，通过三通管与控气单元的制氮装置和通风装置连接；所述仓体的出气口通过三通管与控气单元的制氮装置和外界大气连接。
本实用新型装置的工作过程为：在仓体内装满粮食后，关闭可移动顶盖，通过液质冷媒控温单元将液质冷媒由控温层下端外侧的进水口注入控温层中，液质冷媒在控温层中循环后，通过控温层上端外侧的出水口和溢水口返回液质冷媒控温单元；控气单元通过通风装置经仓壁上设有的通入地上笼的进气口吸出空气或通过制氮装置经仓壁上设有的通入地上笼的进气口注入氮气；同时，仓体外的测控面板控制或读取粮情测控机、氮气浓度检测仪和电子温湿计上的数值。
优选地，所述控温层为中空结构，并由导流机构将控温层由下至上分隔为密闭的导流通道。所述导流机构设计的核心目的在于：1）调整冷媒流动路径，对冷媒进行再分布，确保冷媒能充分的和控温层的每一处及时进行换热；2）使冷媒流动顺畅，即流动过程中的阻力小，热量不至于沉积在个别处，影响均匀性，同时也能避免阻力太大，造成动能转化为热能，影响控温的准确度。液质冷媒沿导流机构分隔的导流通道在控温层中循环。
优选地，所述控温层外侧的进水口、出水口和溢水口与密封导流通道的进水端和出水端相匹配。
优选地，所述溢水口和出水口在同一导流区域内，且溢水口高于出水口≥6cm。溢水口必须高于出水口的目的是为了保证控温层有足够高的液位，即高于粮堆表层的液位。
优选地，所述导流机构与仓体底面呈2～8°，并在控温层内螺旋平行向上延伸至控温层顶端，相邻各层的导流机构之间的相对垂直距离相等且为16～70cm。若导流机构的倾斜角太小，则盘绕的圈数会增加，导流通道的间隔就会变小，当间隔小到一定程度，反而会增加流动阻力，同时导流路径变长，动能转化为热能也会增多；若导流机构的倾斜角太大，则流动阻力大，循环置换效率低，且导流通道间隔增大，影响控温的均匀性。因此，合适的倾斜角能保证较小的流动阻力，同时方便液质冷媒的排出，不至于堵塞沉积在控温层中。而螺旋向上延伸至顶部的设计，使得冷媒流动的路径覆盖全仓表面无死角，流动阻力小，循环置换效率更高，控温更均匀。
优选地，所述导流机构与仓体底面平行，导流机构将控温层均分为2n+1层，且在设有进水口、出水口和溢水口一侧的控温层内还设有n个连续且纵向呈“S”形的导流机构，该“S”形导流机构最上端和最下端的弧形外侧分别朝向出水口和进水口，且水平导流机构与各个弧形外侧相接，水平导流机构与各个弧形内侧相离9～30cm。所述n≥1。弧形的结构可将冷媒的动能转化为势能，既能减少动能的损失，加快循环的速率，又能较好的避免动能因阻力太大的作用转化为热能。
优选地，所述“S”形导流机构的上下弧形相切，弧形半径为0.4～0.8m，圆弧角度为60～70°。
优选地，在设有进水口、出水口和溢水口一侧的控温层内相邻各层的导流机构相互平行，且与仓体底面呈20～30°，相邻各层的导流机构之间相对垂直距离相等且为30～50cm，并在另三侧的控温层内与仓体底面平行延伸。较小的倾斜角可较好的减少冷媒流动的阻力，降低动能的损失，加快循环的速率，而相较于螺旋平行向上延伸的导流机构，该导流机构的优点在于能分担一部分压力，一侧导流机构阶梯式的设计能增大受力面积，减少仓体底部的压力。
优选地，所述控温层的厚度为9～11mm。根据冷媒与304不锈钢材质的单位面积热量交换必须相等以及各自比热容，密度及相关公式计算，综合考虑实际传热过程中的热损失，控温层厚度以 9～11mm为最佳。
优选地，所述控温层两侧外部设有加强筋，并用螺丝固定。用螺丝将加强筋固定在控温层两侧的方式，利用了加强筋强度高、不易形变的特点，通过分摊螺丝单点承受的拉力，避免螺丝固定处控温层壁面的局部形变，从而提高承压的上限，起到抗压作用，保证控温层壁面不发生形变。
优选地，所述加强筋在相对垂直距离每20～30cm设置一根。
优选地，所述加强筋为中空钢条，宽度为6～10cm、厚度为1～3cm。所述中空钢条由2～4mm厚的304不锈钢板制成。所述中空钢条中填充有聚苯乙烯泡沫塑料板。
优选地，所述螺丝固定的距离为20～40cm。
优选地，所述保温层为可拆卸的双层结构，内层为聚苯乙烯泡沫塑料板，外层为钢板，所述聚苯乙烯泡沫塑料板的厚度均为2～4cm。仓壁保温层的内层聚苯乙烯泡沫塑料板与加强筋外形相契合。所述钢板优选3mm厚的304不锈钢板。所述双层结构可防止储藏系统的内外热量交换，保证了控温的稳定性。采用聚苯乙烯泡沫塑料板作为保温材料能更好的接近实仓情况，模拟度更高，同时该保温材料具有优良的保温隔热性，卓越的高强度抗压性，优质的憎水、防潮性，质地轻、使用方便，稳定性、防腐性好，环保等诸多优点。
优选地，所述控温层外的保温层上端设有与控温层顶端外侧相匹配的卡扣。所述卡扣使得保温层方便拆卸。
优选地，所述可移动顶盖内侧设有与仓体的仓壁连接的电动液压推杆。
优选地，所述可移动顶盖内侧设有与仓体的仓壁上沿密封匹配的聚氨酯泡沫塑料条。聚氨酯泡沫塑料条具有高密度，抗压，回复性强，密封性好等优点。
优选地，所述地上笼为弧形风网，风网上布满鱼鳞式气孔。所述地上笼的设计可保证地上笼各处风量均匀，且不易堵塞，从而使得气调过程中粮堆各部位风量的均匀性。
优选地，所述地上笼的长与仓体尺寸匹配，宽为30～50cm，高为20～35cm，厚度为1.0～3.0mm。
优选地，所述鳞式气孔的尺寸为10×5×1mm。
优选地，所述测温电缆由仓体顶部四角及中央垂下，每根测温电缆上设有≥3个测温点，其中包括1个位于粮堆中央的测温点，最上端和最下端的测温点距离粮堆顶端或仓底的距离为0.1～0.2m。测温电缆可随时监测粮堆各部位粮温的情况。
优选地，所述仓体外侧设有把手，所述仓体底部设有地轮。所述把手和地轮的安装可方便仓体随其它装置移动。
优选地，连接的管道上均设有球阀。所有管口均设有球阀，以保证气密、水密性。
优选地，所述制氮装置由空压机、空气净化组件、冷干机和变压吸附塔依次连接。通过控气单元的制氮装置来模拟控制仓内的气体组分。空气净化组件可除掉气体中尘埃等粒子，防止堵塞变压吸附塔内分子筛；冷干机可除掉气体中的水分并降低气体温度。
优选地，所述冷干机上设有排水口。
优选地，所述通风装置为吸出式风机。通过控气单元的通风装置来模拟控制仓内的气体流速。相较压入式风机使仓体内气流由下至上，易让粮堆表面较轻的粮粒四处飘散，通风装置采用吸出式风机，可有效避免粮面的破坏。
优选地，所述液质冷媒控温单元内设有水泵、测温装置、加热装置、制冷装置和数控模块。测温装置对液质冷媒控温单元内液质的温度进行实时检测，及时反馈给数控模块来启停加热装置与制冷装置，对液质进行加热或制冷来达到设定的温度。
本实用新型装置的基体材料优选3mm厚的304不锈钢。
本实用新型装置的有益效果如下：本实用新型装置利用液体介质调控仓壁温度，高度仿真模拟粮食储藏实仓，实现对仓体的高效低损耗传热和精确控温，并在确保温度控制精确性与稳定性的前提下，创造性提出了多种适宜于液质控温的夹层导流结构，在整个仓体内环境无控温死角，在保温、控温、均温等方面的设计使其控温精度达±0.1℃，从而实现对粮仓外界环境温度的模拟；通过控气单元调控仓体内部气体环境，实现对粮仓内部气体环境的模拟；通过对仓体内部参数的监测，可实现包括储粮气体组成、气体流速及温湿度差异等各种储粮影响因子的精确模拟及相关实验，探究储粮生态系统的变化规律。
附图说明
图1是本实用新型实施例1一种精准控温的粮食储藏模拟装置的仓体一侧的纵截面图（连接液质冷媒控温单元）；
图2是本实用新型实施例1一种精准控温的粮食储藏模拟装置的仓体另一侧的纵截面图（连接控气单元）；
图3是本实用新型实施例1一种精准控温的粮食储藏模拟装置的控温层和保温层的纵截面图；
图4是本实用新型实施例1一种精准控温的粮食储藏模拟装置的控温层纵截面展开图；
图5是本实用新型实施例1一种精准控温的粮食储藏模拟装置的控温层主视图；
图6是本实用新型实施例2一种精准控温的粮食储藏模拟装置的控温层纵截面展开图；
图7是本实用新型实施例3一种精准控温的粮食储藏模拟装置的控温层纵截面展开图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。
本实用新型装置的基体材料选用3mm厚的304不锈钢；本实用新型实施例所使用的装置或部件，如无特殊说明，均通过常规商业途径获得。
一种精准控温的粮食储藏模拟装置实施例1
如图1～5所示，所述装置包括仓体1、液质冷媒控温单元2和控气单元3；所述仓体1的仓壁设有1cm厚的控温层1-1（长1.5m，宽1.0m，高1.3m），仓体1的顶部设有可移动顶盖1-2，仓体1的底部、控温层1-1及可移动顶盖1-2外设有保温层1-3；所述控温层1-1下端外侧设有进水口1-1-1，与液质冷媒控温单元2的出水口2-1连接；所述控温层1-1上端外侧设有出水口1-1-2和溢水口1-1-3，分别与液质冷媒控温单元2的进水口2-2连接；所述仓体1底部内侧中央设有地上笼1-4（长1m，宽0.4m，高0.26m），地上笼1-4纵向与两侧仓壁相接，并在仓壁上设有通入地上笼1-4的进气口1-1-4，该进气口1-1-4通过三通管与控气单元3的制氮装置3-1和吸出式风机3-2连接；所述仓体1上端设有出气口1-5，通过三通管与控气单元3的制氮装置3-1和外界大气连接；所述仓体1内的上部设有与仓体1外的测控面板1-6连接的粮情测控机1-7、氮气浓度检测仪1-8和电子温湿计1-9；所述粮情测控机1-7上连接有分布于仓体1内部的测温电缆1-7-1；
所述控温层1-1为中空结构，并由导流机构1-1-5将控温层1-1由下至上分隔为密闭的导流通道；所述控温层1-1外侧的进水口1-1-1、出水口1-1-2和溢水口1-1-3与密封导流通道的进水端和出水端相匹配；所述溢水口1-1-3和出水口1-1-2在同一导流区域内，且溢水口1-1-3高于出水口1-1-2 10cm；所述导流机构1-1-5与仓体1底面呈5.0°，并在控温层1-1内螺旋平行向上延伸至控温层1-1顶端，相邻各层的导流机构1-1-5之间的相对垂直距离相等且为43.2cm；所述控温层1-1的厚度为10mm；所述控温层1-1两侧外部设有加强筋1-1-6，并用螺丝1-1-6-1固定；所述加强筋1-1-6在相对垂直距离每25cm设置一根，所述加强筋1-1-6为中空钢条，宽度为8cm、厚度为2cm，所述中空钢条由3mm厚的304不锈钢板制成，所述中空钢条中填充有聚苯乙烯泡沫塑料板；所述螺丝1-1-6-1固定的距离：控温层1-1宽一侧为33cm（近仓顶2条加强筋1-1-6）和25cm（近仓底2条加强筋1-1-6），控温层1-1长一侧为37.5cm（近仓顶2条加强筋1-1-6）和30cm（近仓底2条加强筋1-1-6）；
所述保温层1-3为可拆卸的双层结构，内层为厚度4cm的聚苯乙烯泡沫塑料板，仓壁保温层1-3的内层聚苯乙烯泡沫塑料板与加强筋1-1-6外形相契合，外层为3mm厚的304不锈钢板；所述控温层1-1外的保温层1-3上端设有与控温层1-1顶端外侧相匹配的卡扣1-3-3；所述可移动顶盖1-2内侧设有与仓体1的仓壁连接的电动液压推杆1-2-1；所述可移动顶盖1-2内侧设有与仓体1的仓壁上沿密封匹配的聚氨酯泡沫塑料条1-2-2；所述地上笼1-4为弧形风网，风网上布满鱼鳞式气孔；所述地上笼1-4的尺寸为1000×400×250mm，厚度为1.5mm，鳞式气孔的尺寸为10×5×1mm；所述测温电缆1-7-1由仓体1顶部四角及中央垂下，每根测温电缆上设有3个测温点1-7-1-1，其中包括1个位于粮堆中央的测温点，最上端和最下端的测温点1-7-1-1距离粮堆顶端或仓底的距离为0.15m；所述仓体1外侧设有把手1-10，所述仓体1底部设有地轮1-11；连接的管道上均设有球阀1-12；
所述制氮装置3-1由空压机3-1-1、空气净化组件3-1-2、冷干机3-1-3和变压吸附塔3-1-4依次连接；所述冷干机3-1-3上设有排水口3-1-3-1；所述液质冷媒控温单元2内设有水泵2-3、测温装置2-4、加热装置2-5、制冷装置2-6和数控模块2-7。
本实用新型装置的工作过程为：在仓体1内装满粮食后，关闭可移动顶盖1-2，通过液质冷媒控温单元2将液质冷媒由控温层1-1下端外侧的进水口1-1-1注入控温层1-1中，液质冷媒沿导流机构1-1-5分隔的导流通道在控温层1-1中循环后，通过控温层1-1上端外侧的出水口1-1-2和溢水口1-1-3返回液质冷媒控温单元2；控气单元3通过吸出式风机3-2经仓壁上设有的通入地上笼1-4的进气口1-1-4吸出空气或通过制氮装置3-1经仓壁上设有的通入地上笼1-4的进气口1-1-4注入氮气；同时，仓体1外的测控面板1-6控制或读取粮情测控机1-7、氮气浓度检测仪1-8和电子温湿计1-9上的数值。
经检测，本实用新型装置能调控仓壁温度，对仓体进行精确控温，在保温、控温、均温等方面的设计使其控温精度达±0.1℃。
一种精准控温的粮食储藏模拟装置实施例2
本实用新型实施例与实施例1的区别仅在于：如图6所示，所述导流机构1-1-5与仓体1底面平行，导流机构1-1-5将控温层1-1均分为3层，且在设有进水口1-1-1、出水口1-1-2和溢水口1-1-3一侧的控温层1-1内还设有1个连续且纵向呈“S”形的导流机构1-1-5，该“S”形导流机构1-1-5最上端和最下端的弧形外侧分别朝向出水口1-1-2和进水口1-1-1，且水平导流机构1-1-5与各个弧形外侧相接，水平导流机构1-1-5与各个弧形内侧相离20cm；所述“S”形导流机构1-1-5的上下弧形相切，弧形半径为0.60m，圆弧角度为66.0°。余同实施例1。
经检测，本实用新型装置能调控仓壁温度，对仓体进行精确控温，在保温、控温、均温等方面的设计使其控温精度达±0.1℃。
一种精准控温的粮食储藏模拟装置实施例3
本实用新型实施例与实施例1的区别仅在于：如图7所示，在设有进水口1-1-1、出水口1-1-2和溢水口1-1-3一侧的控温层1-1内相邻各层的导流机构1-1-5相互平行，且与仓体1底面呈23.4°，相邻各层的导流机构1-1-5之间垂直距离相等且为39.8cm，并在另三侧的控温层1-1内与仓体1底面平行延伸。余同实施例1。
经检测，本实用新型装置能调控仓壁温度，对仓体进行精确控温，在保温、控温、均温等方面的设计使其控温精度达±0.1℃。
