平房倉(cāng)谷冷機(jī)選型設(shè)計(jì)探討

◎ 楊迎亞，劉 磊，秦彥霞

（鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450053）

谷冷機(jī)低溫儲(chǔ)糧技術(shù)是儲(chǔ)糧四項(xiàng)新技術(shù)之一，它具有預(yù)防糧食生蟲和發(fā)霉、降低糧食損耗、平衡糧堆溫度和水分、預(yù)防高水分糧發(fā)熱及改善糧食加工品質(zhì)等作用，是確保儲(chǔ)糧安全、品質(zhì)良好的重要保糧手段之一[1]。谷冷機(jī)是一種將空氣降溫、調(diào)濕后，送入糧堆內(nèi)通風(fēng)降溫的設(shè)備，在我國(guó)高溫高濕區(qū)域使用非常普遍。由于谷冷作業(yè)在不同工況下使用效果差異很大，目前并沒有完善的冷負(fù)荷計(jì)算模型，用戶難以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件確定作業(yè)所需的負(fù)荷、時(shí)間等。本文提出一種在不同工況條件下配置谷冷機(jī)的方法。

1　理論依據(jù)

糧倉(cāng)內(nèi)熱量傳遞是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的物理過(guò)程，既有內(nèi)部系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流，又易受外界環(huán)境的影響，倉(cāng)內(nèi)的熱量變化很難動(dòng)態(tài)分析。但根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知：“系統(tǒng)狀態(tài)變化，其熱力學(xué)能的變化只取決于系統(tǒng)的始態(tài)、終態(tài)，而與變化途徑無(wú)關(guān)”。因此在分析谷冷作業(yè)的過(guò)程中，只需要分析系統(tǒng)通過(guò)不同途徑傳遞熱量之和，根據(jù)能量守恒定律，它與谷冷機(jī)排出外界的熱量相等。

2　傳熱途徑分析

在一個(gè)完整的谷冷作業(yè)中，糧倉(cāng)系統(tǒng)熱量的變化主要由以下途徑組成：①倉(cāng)內(nèi)糧食降溫?fù)p失的熱量。②倉(cāng)內(nèi)空氣降溫?fù)p失的熱量。③外環(huán)境通過(guò)倉(cāng)壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的熱量。④倉(cāng)內(nèi)空氣向外界對(duì)流損失的熱量。⑤糧食呼吸作用產(chǎn)生的熱量。分別計(jì)算不同途徑的變化量求和，即可求得谷冷機(jī)冷負(fù)荷。

2.1　谷冷過(guò)程中幾個(gè)重要參數(shù)

（1）溫度。在生產(chǎn)實(shí)際中，倉(cāng)溫由溫度計(jì)直接測(cè)得，表征糧堆上方空氣層的溫度。糧溫由糧情測(cè)控系統(tǒng)測(cè)得（T1T2…Tn），表征糧堆內(nèi)部溫度情況，為便于計(jì)算，將其取算術(shù)平均值：

在后續(xù)計(jì)算中，將倉(cāng)溫、糧溫的變化認(rèn)為隨時(shí)間呈線性關(guān)系，則谷冷過(guò)程中任意時(shí)間溫度記作：

糧溫：

式中：t0為谷冷作業(yè)時(shí)間（h）；T1為谷冷始態(tài)糧溫（℃）；T2為谷冷終態(tài)糧溫（℃）；T3為谷冷始態(tài)倉(cāng)溫（℃）；T4為谷冷終態(tài)倉(cāng)溫（℃）。

（2）熱阻。一般平房倉(cāng)維護(hù)結(jié)構(gòu)由多層材料組成，設(shè)有n層，則倉(cāng)壁的總熱阻表示為：

式中：R為倉(cāng)壁維護(hù)結(jié)構(gòu)總熱阻（℃/kW）；δi為第i層材料的厚度（m）；λi為第i層材料的導(dǎo)熱系數(shù)（kW/m·k）；Ai為第i層材料的傳熱面積（m2）。

（3）濕空氣比焓。在對(duì)流傳熱過(guò)程中，倉(cāng)內(nèi)進(jìn)入或排出的空氣溫度隨時(shí)間發(fā)生變化，這意味著對(duì)流傳遞的熱量也是動(dòng)態(tài)的，因此找出比焓隨溫度變化的函數(shù)，才能計(jì)算對(duì)流過(guò)程中傳遞的熱量。根據(jù)比焓計(jì)算公式，求得常用條件下的比焓值（見表2）。

式中：I為濕空氣的比焓（kJ/kg）；T為溫度（℃）；H為含濕量（kg/kg）；φ為相對(duì)濕度；pv為飽和水蒸氣壓（kPa），見表1。

表1　水蒸氣飽和壓力表（單位：kPa）[3]

表2　常用比焓值表（單位：kJ/kg）

根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)（表2），繪制出比焓與濕度、溫度關(guān)系的曲線，如圖1所示。

圖1　在不同濕度條件下比焓與溫度的關(guān)系圖

經(jīng)觀察，曲線呈指數(shù)形狀，記作I=UeβT，U、β為待定系數(shù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到不同濕度條件下系數(shù)的值（見表3）。

表3　常用濕度條件下系數(shù)表

分析發(fā)現(xiàn)β的值很接近，β主要確定曲線的形狀，圖1中曲線的形狀很相似也說(shuō)明了這一點(diǎn)，故可以用平均值來(lái)代替β，（0.051 3+0.052 3+0.053 2+0.053 9）/4≈0.053。根據(jù)表3數(shù)據(jù)，繪制出參數(shù)U與濕度φ的曲線（見圖2）。從圖中可以看出，U與φ呈線性關(guān)系，同理求出表達(dá)式為U=10.23φ+8.83。將兩個(gè)函數(shù)聯(lián)立，得到比焓關(guān)于濕度和溫度的近似函數(shù)：I=(10.23φ+8.83)e0.053T。后文中比焓值均利用此公式計(jì)算。

圖2　參數(shù)U與濕度φ關(guān)系曲線圖

谷冷機(jī)出風(fēng)口速度。外界空氣進(jìn)入谷冷機(jī)后被冷卻降溫，向外界釋放熱量，降溫、調(diào)濕后的空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)送入倉(cāng)內(nèi)。根據(jù)能量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)谷冷機(jī)散熱量等于進(jìn)、出風(fēng)口的空氣焓差。

式中：P谷為谷冷機(jī)冷負(fù)荷（kW）；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3；q為谷冷機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速（m3/s）；I進(jìn)為谷冷機(jī)進(jìn)風(fēng)口溫度T進(jìn)下的比焓（kJ/kg）；I出為谷冷機(jī)出風(fēng)口溫度T出下的比焓（kJ/kg）。

2.2　不同途徑熱傳遞計(jì)算

（1）倉(cāng)內(nèi)糧食損失的熱量。比熱是指單位質(zhì)量物質(zhì)每升高l ℃時(shí)，所需要的熱能，表征物體吸熱或散熱能力。糧食在谷冷作業(yè)前后釋放的熱量可以利用比熱以及溫度差計(jì)算：

式中：Q1為倉(cāng)內(nèi)糧食損失的熱量（kJ）；c為糧食比熱[kJ/(kg·℃)]；G為糧食存儲(chǔ)量（kg）。

（2）倉(cāng)內(nèi)空氣損失的熱量。倉(cāng)內(nèi)空氣損失的熱量可以用其始態(tài)、終態(tài)的空氣焓變?chǔ)表示?？諝忪实挠?jì)算以裝糧線為界，分為倉(cāng)上層和糧堆內(nèi)兩部分，空氣焓等于空氣質(zhì)量乘以比焓。

式中：Q2為倉(cāng)內(nèi)空氣損失的熱量（kJ）；V倉(cāng)為倉(cāng)上層空間體積（m3）；V糧為糧堆體積（m3）；η為糧食空隙率；I1為始態(tài)糧溫T1下的比焓（kJ/kg）；I2為終態(tài)糧溫T2下的比焓（kJ/kg）；I3為始態(tài)倉(cāng)溫T3下的比焓（kJ/kg）；I4為終態(tài)倉(cāng)溫T4下的比焓（kJ/kg）。

（3）倉(cāng)壁熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)選取溫度稍低的糧溫作為內(nèi)部基準(zhǔn)溫度，對(duì)于任意微小時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量用εQ表示，由于作業(yè)時(shí)間t0單位為h，積分時(shí)將其換算為s。則在整個(gè)作業(yè)時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的能量為：

式中：Q3為通過(guò)倉(cāng)壁傳導(dǎo)的熱量（kJ）；T外為室外環(huán)境平均溫度（℃）；T糧為倉(cāng)內(nèi)任意時(shí)刻糧溫（℃）。

（4）對(duì)流途徑。在谷冷過(guò)程中，谷冷機(jī)不停向倉(cāng)內(nèi)吹進(jìn)一定體積的空氣，此時(shí)倉(cāng)內(nèi)增加這部分空氣含有的內(nèi)能。根據(jù)體積守恒，系統(tǒng)同時(shí)從窗戶排出相同體積的空氣，此時(shí)系統(tǒng)損失這部分內(nèi)能。任意微小時(shí)間內(nèi)能量的變化用εQ表示，系統(tǒng)任意時(shí)間通過(guò)對(duì)流傳遞的凈熱表示為：

式中：I出為谷冷機(jī)出風(fēng)口溫度T出下的比焓（kJ/kg）；I倉(cāng)為任意倉(cāng)溫T倉(cāng)下的空氣比焓（kJ/kg）。

谷冷作業(yè)如果進(jìn)行環(huán)流作業(yè)，則谷冷機(jī)進(jìn)風(fēng)口來(lái)自糧倉(cāng)排出的空氣，即I進(jìn)=I倉(cāng)。不環(huán)流時(shí)，進(jìn)風(fēng)口來(lái)自室外環(huán)境空氣，即I進(jìn)=I外。室外溫度為與谷冷機(jī)出風(fēng)口溫度均為固定值，則I外、I出在下式積分中均為常量。倉(cāng)內(nèi)排出的空氣溫度隨時(shí)間變化，I倉(cāng)為隨時(shí)間變化的函數(shù)。對(duì)流過(guò)程中排出倉(cāng)外的空氣比焓與時(shí)間的關(guān)系式為：

式中：Q4為系統(tǒng)通過(guò)對(duì)流途徑傳遞的凈熱量（kJ）。

（5）糧食呼吸熱。糧食在保管過(guò)程中，糧食會(huì)不斷的進(jìn)行呼吸作用，主要是消耗自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解生成水和二氧化碳，同時(shí)產(chǎn)生熱量。糧食品種、溫度、濕度不同，其呼吸熱功率也不同，糧食呼吸作用產(chǎn)生的熱量表示為：

式中：Q5為糧食呼吸作用釋放的熱量（kJ）；Ph為單位體積糧食呼吸熱功率（kW/m3）。

糧食呼吸強(qiáng)度一般隨溫度、含水量的升高而變強(qiáng)，且新糧的呼吸強(qiáng)度大多高于陳糧，在安全儲(chǔ)糧條件下一般不大于0.003 kW/m3，當(dāng)倉(cāng)溫在15 ℃以下時(shí)，此項(xiàng)可忽略不計(jì)[4]。

3　總結(jié)

3.1　谷冷機(jī)冷負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)前文論述，糧倉(cāng)系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化等于系統(tǒng)與環(huán)境間熱傳遞的凈值，Q4=Q1+Q2+Q3+Q5，將各途徑傳熱公式帶入后，可以求得環(huán)流條件下公式①以及非環(huán)流條件下公式②，與比焓函數(shù)③聯(lián)立，即可求得谷冷機(jī)冷負(fù)荷：

3.2　適用范圍及推論

本文對(duì)倉(cāng)內(nèi)溫度變化的處理是建立在空氣能快速換熱的條件下，表現(xiàn)為倉(cāng)內(nèi)各處溫度均勻、隨時(shí)間線性變化，故此模型適應(yīng)于裝糧高度較低的平房倉(cāng)。

由公式可知，在始態(tài)、終態(tài)條件確定下，谷冷機(jī)負(fù)荷只與作業(yè)時(shí)間有關(guān)，確定一個(gè)參數(shù)即可求得另一個(gè)，可指導(dǎo)庫(kù)區(qū)合理組織谷冷作業(yè)。另外還可以與糧倉(cāng)智能化系統(tǒng)結(jié)合，為其提供數(shù)學(xué)模型，智能化系統(tǒng)根據(jù)糧情測(cè)控系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)以及人工設(shè)定的閾值條件進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，為用戶提供及時(shí)、精確的決策信息。

通過(guò)觀察公式，在谷冷作業(yè)過(guò)程中，倉(cāng)內(nèi)空氣與糧食的降溫?zé)崃渴枪潭ǖ?，?duì)于傳導(dǎo)過(guò)程，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的保溫材料，提高糧倉(cāng)維護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻，對(duì)降低熱傳導(dǎo)量、提高糧堆抗干擾能力、降低夏季復(fù)冷間隔具有積極意義。對(duì)于對(duì)流過(guò)程，谷冷機(jī)進(jìn)風(fēng)口溫度越低，作業(yè)所需冷負(fù)荷越小，因此建議選擇在背陰處或夜間作業(yè)，可以提高使用效率；當(dāng)環(huán)境空氣大于倉(cāng)內(nèi)空氣熱焓時(shí)（I外＞I倉(cāng)），選擇環(huán)流作業(yè)方式更為經(jīng)濟(jì)。