一种具有防潮防变质功能的家用储粮罐

周厚蓄

（四川省西昌市第一中学校，四川 凉山彝族自治州 615000）

我国四川、云南、广东等南方地区降水量大，空气湿度高，使得南方家庭里储存的粮食、种子、茶叶等极易受潮变质，造成严重的粮食浪费，降低了人们的生活效率和质量。为此，本文设计了一种具有干燥功能的储粮罐，以防止粮食变潮和变质。目前，常用的干燥设备大多采用热电干燥，比如燃气式、电热丝加热式、PTC自限温元件加热式等。此种干燥方式在一定程度上可以解决谷物的干燥问题，但由于功率大、干燥气流分布不均匀等原因，热电干燥装置存在能耗大、耗时长、干燥不均匀等问题[1]。此外，热电干燥过程中温度较高（一般在60℃以上），可能会对种子等谷物造成损伤，使其失去活性，从而造成资源浪费[2]。因此亟待开发一种便捷、高效、低耗、可在常温下实现干燥的家用储粮罐。除热电干燥以外，另一典型的干燥方法为真空干燥。真空干燥是一种将物料置于负压条件下，并通过适当提高温度以达到负压状态下水的沸点，使物料内的水分沸腾并快速气化的干燥方式[3]。此项技术现多试用于药品浓缩等热敏性产品的工业生产中，比传统热电干燥方法有更高的效率。相比于热电干燥动辄上千瓦的功率，真空干燥装置的功率较低，仅为百余瓦，并且真空干燥过程不受气流等因素的影响，具有干燥时间短、能耗低以及均匀性好等优点。因此，本文基于真空干燥的原理，设计了一种具有防潮防变质功能的家用储粮罐，可以使粮食在潮湿多雨环境下保持干燥，长期储存。

1 设计方案

图1为真空干燥的原理图。图中显示，随着环境压力的逐渐下降，水的气化温度显著降低，因此在真空条件下更易实现低温汽化。基于此项原理，本文开发设计了一种具有真空干燥功能的防潮防变质的储粮罐。

图1 真空干燥原理图

如图2所示，本文设计的具有防潮防变质功能的储粮罐由干燥桶和真空泵两部分组成，具有强制干燥和辅助干燥两种工作模式。其中，干燥桶用以盛放粮食，其底部设计有格栅和干燥垫，用以支撑粮食和辅助干燥。真空泵通过管道与干燥桶相连，用以降低桶内的绝对压力，进行强制干燥，促进干燥桶内的水分气化和排出；真空泵可设置每月工作2～4次进行强制干燥，每次采用间断式抽气的模式——抽气降压和保持低压相结合。工作时，抽气阀门开启，真空泵开始抽气，干燥桶内逐渐变为真空状态，当到达极限压力时，关闭抽气阀门及真空泵，使干燥桶保持密闭低压状态；而后，第二次开启抽气阀与真空泵，降低压力和水蒸气含量后，关闭抽气阀门，保持桶内真空，让水分继续汽化……如此循环3次后，开启排气阀门，真空干燥桶与大气连通恢复常压，强制干燥完成。

图2 真空干燥系统结构解析图

当真空泵不工作时，储粮罐进入辅助干燥模式，桶内的干燥垫通过吸收储粮罐中多余的水分，保持罐内干燥，随着时间的进行，干燥垫的吸水量也逐渐趋于饱和；干燥垫的吸水量达到饱和后，真空泵开始工作进行强制干燥，干燥垫内吸收的水分率先发生解析，水分被排出罐外，干燥垫恢复吸水能力，又可继续起到吸收水分保持储粮罐内干燥的作用。当一次强制干燥过程结束以后，保持储粮罐密闭状态则可使罐内长期维持干燥，防止粮食受潮变质。

图3 O形橡胶圈密封示意图

图4 大米在具有真空干燥功能储粮罐中的质量变化情况

特别地，为保证真空干燥桶的易开易合和良好的密封性，本装置内采用O形橡胶配合高强度的有机玻璃构成压紧式真空密封结构，橡胶材料为透气性差、常用于气密性密封的丁基橡胶，如图3（A～D）所示。O形橡胶圈装入密封槽后，其截面承受桶盖的压力而产生弹性变形，见图3（A）。不承载时，橡胶圈因自身具有的弹性力作用而对接触面产生一个预接触应力，见图3（B）。承载时，随着真空桶内外压差逐渐增大，O形橡胶圈发生位移，移向低压侧，进一步加大弹性变形，紧逼和封闭了密封间隙，见图3（C）。卸载后，由于预接触应力的存在仍能保证密封效果。基于O形橡胶圈的密封原理，本文设计的真空桶的开口结构如图3（D）所示。

2 实验及性能分析

为检测具有真空干燥功能的家用储粮罐的防潮和干燥效果，本文以大米为例进行了储存和干燥实验。实验过程为：将重约50 kg的大米放入储粮罐，打开真空泵和抽气阀门，强制干燥开始，干燥桶内逐渐变为真空状态，干燥垫内的水分和桶内的水分逐渐气化排出，大米的质量明显减少；大约3 min后停止抽气，保持真空干燥桶的密闭低压状态，让桶内的水分持续气化，大米的质量缓慢减小；随后第二次开启真空泵和抽气阀门，降低干燥桶内的压强，促进桶内水分进一步气化，大米质量再次显著减小；约1 min后停止抽气，继续保持干燥桶内密闭低压状态，桶内水分缓慢气化排出，按如此工作模式，抽气—暂停总共3次后完成干燥。而后，储粮罐处于密闭状态，在桶内干燥垫的辅助作用下，储粮罐内可持续保持干燥，从而防止粮食变潮变质。

实验结果如图4所示：第0～4 min，真空泵（功率约200 W）开启进行强制干燥，桶内大米中水分迅速气化并排出，从而使大米质量减少了约0.5 g；第4～7 min，关闭真空泵，桶内仍为真空状态，大米中的水分缓慢气化，使大米质量减少了约0.25 g，此时气态水增多，使桶内真空度逐渐下降，水分气化速率降低；第7～8 min，第二次开启真空泵进行强制干燥，排出桶内多余水分提升桶内真空度，大米中的水分再次气化，减少量约为0.2 g；第8～11 min，第二次关闭真空泵，同理，大米中的水分在密闭真空状态下缓慢气化，减少量约为0.2 g；第11～12 min，第三次开启真空泵，强制干燥排出水分，再次促进大米中水分气化，使其质量减少约0.2 g；第12 min后，第三次关闭真空泵和抽气阀门，大米中的水分缓慢气化，减少约0.1 g。强制干燥模式下，由于水分的气化和排出，大米总质量从50 kg降为48.5 kg左右。随后，储粮罐进入辅助干燥模式后，干燥桶保持密闭，在干燥垫的作用下，可保证大米质量长时间不变，即无水分进入大米中，从而实现长期干燥储存。

3 结论

基于真空干燥原理，本文设计了一种具有真空干燥功能的防潮防变质储粮罐，用以解决我国潮湿多雨的南方地区粮食、种子等易受潮变质的问题。防潮防变质储粮罐由真空泵和干燥桶两部分组成，干燥内桶的开口部分采用O形橡胶圈配合高强度有机玻璃构成压紧式密闭结构，既保证了储粮罐的密封性，又满足了储粮罐易开易合的要求。该储粮罐有强制干燥和辅助干燥两种工作模式。强制干燥模式为通过真空泵抽气实现干燥桶内水分的气化和排出，真空泵采用间断式抽气的方式——抽气降压和保持低压相结合，每次抽气—暂停3次可在低能耗下排出水分，而后进入辅助干燥模式。辅助干燥模式通过真空桶内的干燥垫维持干燥桶内的干燥状态，从而防止在高湿度环境中粮食变潮变质。本文设计的这种具有真空干燥功能的防潮防变质储粮罐适用于各大中小型城市，尤其适合空气湿度高、降水量大的南方地区使用。