环境温度向棉包内部传导分层特性研究

文/周万怀 李浩 徐守东

1 引言

棉花是重要的战略物资，关乎国计民生。2010—2014年，我国棉花库存由约400万吨大幅度上升至1446万吨；2015—2020年受多种因素影响，我国棉花库存维持在800万吨上下震荡[1]。棉花在库存储期间，通常在同一库房内码垛堆放有成千上万的标准棉包。尽管会有倒垛检查程序，但因堆倒垛的过程耗时、费力、工作量巨大，堆倒垛的频次通常较低，棉包内部品质变异甚至是阴燃的现象时有发生[2-5]。因此，研究棉包内部品质变异和阴燃等灾害的预警方法十分必要。

目前国内外研究主要针对棉花阴燃的燃烧特性，如对棉花阴燃热通量的研究[6]，棉花密度对棉花阴燃着火温度的影响[7]，样本大小对阴燃特性的影响[8]，不同湿度棉花热分解过程的试验分析和动力学计算[9]，棉花的热辐射引燃试验[10]等。其中虽然也有以CO气体为试验对象，并提出将烟雾传感器和CO 传感器相结合的主动吸气式火灾探测方法，但这些往往建立在棉花阴燃的后期，达不到棉垛早期预警的作用。

本文通过在标准I型棉包内部布设立体网状温度监测点，按位置置入高精度温度传感器，基于无线传输系统实时记录在库存储的样品棉包所处环境温度、棉包内部各个传感器监测温度，分析和建立棉包所处环境温度与棉包内部不同深度监测点温度之间的关系，为进一步建立棉包内外温度传导模型，基于温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

试验选用如图1所示的标准Ⅰ型棉包为研究对象，该型棉包使用水压机分层压实后再用塑钢带、铁丝等材料捆扎，最后使用棉布、塑料或其他材质的外包装封装成图1所示状态[11-12]。其标准包型为长方体状，长、宽、高分别约为140cm、53cm和70cm，单包重约227kg[13-14]。

图1 I型棉包

为了尽可能反映出我国不同气候的产棉、储棉、用棉地区的棉包在不同条件下的吸放湿特性，在新疆南疆、新疆北疆和安徽各选一个棉花仓储库为监测点，每个库抽取近一年生产的3个在库存储棉包进行跟踪监测。监测点分布及样品棉包基本信息见表1。

表1 试验棉包分布及基本信息

2.2 布点位置选择

本试验中对每个试验棉包均设置32个传感器，第31号和第32号传感器用于检测棉包外的环境温度，其余30个传感器分别沿图2（A）中的L、W和H方向构成3×2×5的网状监测结构，布局如图2（B）所示。

图2 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70cm3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温度监测点能够广泛代表棉包内部其他各处的温度。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 传感器封装

由于棉包密度大、传感器置入时需要承受较大的阻力和压力，因此设计了一种如图3所示的不锈钢传感器封装舱体。舱体长40mm、外径14mm、内径9mm；舱体前端的椎体能够有效减小传感器置入时的阻力，装载传感器的舱室四周环绕布设6行×7列的孔洞，确保舱内外温度能够自由平衡；舱体尾部使用密封塞封堵，保护内部电路板不受挤压。

图3 传感器的封装

2.4 传感器的置入

如前文所述，置入传感器时不仅需要克服巨大的阻力，更为重要的是还要对传感器进行分层定位。为此设计了一套包括定位、旋压和推进等机构组成的专用推进装置，如图4所示。其中，1～3、6和7起整体支撑和姿态矫正作用，4、5、13分别为旋压螺杆和带有标尺的推进杆，8～10、12为传感器及封装舱体。

图4 旋压式推进装置

2.5 监测系统设计

温度在线监测系统构成如图5所示。温度传感器在单片机的控制下监测温度，监测数据通过RS485总线传输到采集器，再经过无线装置传输到数据服务器，可通过电脑或手机实时查看监测情况。实际监测时为每个棉包配置一台采集器，负责采集对应棉包的监测数据，采集频次设置为6次/h。为确保数据安全，在采集器内部对测量数据进行备份，系统设计了在测试的空闲期对传感器进行断电保护的功能。

图5 监测系统原理示意图

3 结果与讨论

3.1 环境温度变化趋势

在每个监测点，测试棉包均集中存放在相同的仓库内，因此它们的环境温度极为相近，在后续分析中将各监测点的3个棉包的环境温度取平均作为对应监测点的环境温度，据此得出3个监测点的环境温度变换趋势如图6所示。

图6 各监测点环境温度变化趋势

可以看出各监测点的环境温度整体上随季节变换的升降趋势具有一定的相似性，但升降幅度存在显著差异。如：南北疆的同期温度显著低于内陆同期温度，南方同期温度显著高于北方同期温度，北疆的博乐最高温度18.15 ℃、最低温度-6.85 ℃、最大温差25℃，而内陆的淮南监测点最高温度21.09 ℃、最低温度5.52 ℃、最大温差15.57℃。

3.2 高（Z轴）方向温度变化趋势

该分层方式将在X轴和Y轴方向上处于同一平面内的传感器归为一组，传感器分组详情见表3。结合图2可以看出，在该分层模式下每个组别的传感器构成的平面均垂直于Z轴，这与I型棉包打包的过程相吻合，即沿Z轴方向不断分层压实而成。因此在该分层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3 Z轴方向5层传感器分组

按上述方式对传感器进行分层，将层内多个传感器所监测的温度均值作为相应分层的温度，得出如图7所示的棉包内部各层温度变化基本趋势。

图7 Z轴方向5层棉包内部温度变化趋势

可见，不同监测点的棉包内部温度变化趋势存在明显的宏观差异。主要体现在以下几点：首先，棉包内部温度范围呈现较大的地域差异。其次，不同监测点棉包内部温度与环境温度的趋同性差异明显，如：博乐和库尔勒监测点的棉包内部各层温度差异显著，而淮南监测点棉包内部各层温度差异甚微。再次，棉包内部温度变化滞后性存在显著差异，从图7可以看出库尔勒、博乐和淮南3个监测点棉包内部温度的谷底区域分别大致为监测时段的第50～100天、第80～110天和第140～165天。进一步分析棉包内部各层温度与环境温度之间的一致性，从相关系数可以看出，各层温度与环境温度的相关性均较高，无论是浅层还是深层的温度与环境温度的相关系数均在0.99以上，这说明棉包内部各层的温度变化趋势均与环境温度变化趋势高度相近；另一方面也可以看出，外侧的第1层和第5层的温度与环境温度的相关系数略高于内部各层与环境温度的相关性，体现了一些细微的差异。从均方根误差（Root Mean Squared Error，RMSE）可以看出，外侧的第1层和第5层的温度与环境温度差异明显小于深处的第2、第3和第4层的温度与环境温度的差异。以上分析结果表明环境温度沿Z轴方向传导时随着深度增加，棉包内外温度的差异逐渐增大。

进一步细分分层方式，同时将X轴和Z轴深度作为分组依据，从更加细分的角度分析不同位置的传感器监测的棉包内部温湿度与环境温湿度之间的相关性，具体分组情况见表4。

表4 X轴与Z轴方向10层传感器分组

仍将层内多个传感器所监测的温度均值作为相应分层的温度，得出如图8所示的棉包内部各层温度变化基本趋势。

由图8观察可大致得出与图7相似的结论，即库尔勒、博乐和淮南3个监测点棉包内部温度范围呈现较大的地域差异，不同监测点棉包内部温度与环境温度的趋同性差异明显，棉包内部温度变化滞后性存在显著差异。

图8 X轴与Z轴方向10层温度变化趋势

进一步分析棉包内部各层温度与环境温度之间的一致性，从相关系数来看，各层温度与环境温度依旧保持较高的相关性，这说明尽管分层方式有所变化，但棉包内部各层的温度与环境温度仍旧高度相关；另一方面，在Z轴方向上的外层（第1、第5、第6和第10层）温度与环境温度的相关系数均高于内层（第2～4层和第7～9层），在X轴方向上，外层温度（第6～10层）与环境温度的相关系数同样高于内层温度（第1～5层）与环境温度的相关系数。从RMSE角度来看，X轴方向和Z轴方向上的外层温度与环境温度差异也均小于内层温度与环境温度的差异。以上分析结果表明温度沿X轴和Z轴方向传导时，内外温度变化节奏吻合度较高，随深度的增加内外温度差异增大。

3.3 长（Y轴）方向温度变化趋势

该分层方式将在X轴和Z轴方向上处于同一平面的传感器归为一组，每个组别的传感器均与Y轴垂直，沿Y轴方向共分为3个深度级别，分别是20 cm、45 cm和70 cm。在这个方向上棉花纤维呈现无规律的纵横交错，不再具有3.2中分层模式下的分层特性。具体传感器分组见表5。

表5 Y轴方向3层传感器分组

图9展示了在该分层模式下棉包内部温度变化趋势。在宏观层面上与3.2节并无显著差异，此处不再详细分析。

图9 Y轴方向3层温度变化趋势

对当前分层模式下各层温度与环境温度之间的相关性进行分析，从相关系数来看，浅层温度与环境温度的相关系数不再大于深层温度与环境温度的相关系数；从RMSE角度来看，浅层温度与环境温度的一致性也不再比深层温度与环境温度的一致性更高。此外，该分层模式下内部温度与环境温度之间的RMSE较3.2节中的RMSE小。由此可见，环境温度沿Y轴方向的传导损耗未随深度增加而增大，这与3.2节的分析结果不同。

进一步细分分层方式，同时将X轴和Y轴深度作为分组依据，从更加细分的角度分析不同位置的传感器监测的棉包内部温湿度与环境温湿度之间的相关性，具体分组情况见表6。

表6 X轴与Y轴方向6层传感器分组

图10展示了在该分层模式下棉包内部温度变化趋势。同样，在宏观层面上与3.2和3.3节并无显著差异，此处不再详细分析。

图10 X、Y轴方向3层温度变化趋势

对当前分层模式下各层温度与环境温度之间的相关性分析，从相关系数来看，浅层（第2、第4和第6层）温度和深层（第1、第3和第5层）温度与环境温度相关系数互有高低；与之类似，浅层温度和深层温度与环境温度的RMSE同样互有高低。由此可见，在该分层模式下环境温度向棉包内部传导时与沿Y轴传导时类似，内外温度差与深度不构成反比关系。

3.4 宽（X轴）方向温度变化趋势

该分层方式将在Y轴和Z轴方向上处于同一平面的传感器归为一组，每个组别的传感器均与X轴垂直，沿X轴方向共分为两个深度级别，对应X轴坐标分别是0cm和15cm，具体传感器分组见表7。

表7 Z轴方向3层传感器分组

图11展示了在该分层模式下棉包内部温度变化趋势。在宏观层面上与3.2节和3.3节并无显著差异，此处不再详细分析。

图11 X轴方向2层温度变化趋势

从当前分层模式下各层温度与环境温度之间的相关系数来看，浅层温度与环境温度的相关系数略大于深层温度与环境温度的相关系数；从RMSE角度来看，浅层温度与环境温度的一致性明显好于深层温度与环境温度的一致性。由此可见，环境温度沿X轴方向传导时棉包内外温度差异受深度影响较显著，这与3.2节中温度沿Z轴方向传导时的结论类似。

3.5 按距离棉包表面最小距离分层变化趋势

该分层方式按照距离棉包表面的最小距离将传感器划分为如表8所示的5个组别，同样取组内传感器监测温度的均值为相应组别的温度。

表8 按距离棉包表面最小距离的传感器分组

图12展示了该分层模式下棉包内部各层温度变化趋势，由宏观趋势来看与其他分层方式无明显差别。

图12 按距离棉包表面最小距离分层温度变化趋势

表9和表10详述了当前分层模式下各层温度与环境温度之间的相关性。从表9中的相关系数来看，位于较浅位置的第1和第2层温度与环境温度的相关性略高于位于较深位置的第3～5层温度与环境温度的相关性；从表10中的RMSE来看，位于11.5 cm深度的第一层温度与环境温度的均方根误差大于位于15 cm深的第二层温度与环境温度的均方根误差，而进一步向更深处传导时随深度的差增加内外温度差越来越大。

表9 按距离棉包表面最小距离分层内部温度与环境温度的相关系数

表10 按距离棉包表面最小距离分层内部温度与环境温度的均方根误差

4 结论

以上分析结果表明：首先，棉包内部不同深度的温度变化趋势与环境温度的变化趋势整体相似度高，从温度变化的相关性角度来看，沿棉包长（Y轴）、宽（X轴）、高（Z轴）方向上棉包内外温度相关系数最低分别为0.993、0.992和0.990，这说明环境温度与棉包内部温度传导时滞较小，温度变化同步特性较好；其次，从均方根误差的角度来看，沿棉包长（Y轴）、宽（X轴）、高（Z轴）方向上棉包内外温度的均方根误差存在较大差异，沿X轴和Z轴方向传导时棉包内外温度差异随深度增加而明显增大，而沿Y轴方向传导时棉包内外温度差异并未随深度变化而显著不同，这说明温度沿不同方向传导损耗不尽相同。最后，环境温度向棉包内部传导损耗基本与深度成反比例。