吊頂隔熱對高大平房倉糧堆溫度影響研究

劉文磊，王 軍，張宏偉

河南工業(yè)大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001

我國是世界產(chǎn)糧大國，同時也是儲藏糧食較多的國家之一。儲糧生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)熱的主要原因為糧堆內(nèi)生物體的呼吸產(chǎn)熱以及季節(jié)變化引起的糧食表面溫度的升高[1]。在整個糧食儲藏周期中，由于倉內(nèi)溫度、水分過高造成了大量的糧食損失。高大平房倉由于糧堆高與倉儲體積大，倉體材料隔熱性能差，隨周圍環(huán)境溫度變化明顯，夏季糧堆溫度遠高于安全儲糧溫度，低溫儲糧是保證倉內(nèi)糧堆安全與品質(zhì)的關鍵。

靜態(tài)儲糧期間，由太陽輻射與外界溫度通過糧倉壁面?zhèn)鬟f至倉內(nèi)的熱量，是引起糧溫升高的主要原因。通過在倉房內(nèi)利用保溫隔熱架設吊頂，能有效降低糧堆上部氣流向下傳導的熱量，從而降低糧堆溫度。

國內(nèi)外已有諸多學者通過試驗與模擬研究了倉內(nèi)架設保溫隔熱吊頂后糧堆溫度的變化。艾全龍[2]對架設了保溫隔熱吊頂?shù)募Z倉進行溫度監(jiān)測試驗，結果表明采用吊頂后倉溫以及表面糧溫都有明顯下降。安西友等[3]通過對倉內(nèi)進行吊頂隔熱處理，有效降低了夏季倉內(nèi)糧堆的整體溫度。孫振北[4]對倉內(nèi)吊頂控溫進行了試驗研究，得出進行隔熱改造后倉溫、上部及整倉糧溫有明顯下降。魏金高等[5]用PEF板對倉內(nèi)糧堆進行覆蓋，能夠有效控制糧堆溫度上升，達到隔熱的目的。Ruska 等[6]對儲存在圓柱試驗箱中的小麥溫度加載當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)進行數(shù)值模擬，得到了小麥高溫區(qū)域發(fā)生在糧堆頂部表面及中心處。李志民等[7-8]對不同類型糧倉在各種外界環(huán)境變化下的現(xiàn)場檢測，得出了不同工況下糧堆溫度的變化規(guī)律。張忠杰等[9]利用CFD對不同尺寸糧倉靜態(tài)儲糧的溫度變化進行了模擬，得出了糧倉長寬方向糧堆溫度變化具有與外界環(huán)境相同的趨勢。蔣華偉等[10-11]建立了糧堆單一溫度場的數(shù)學模型，模擬了糧堆內(nèi)部發(fā)熱狀態(tài)下溫度場變化。金立兵等[12]通過實測與模擬相結合，得到了地下儲糧倉一年內(nèi)不同月份溫度場隨時間的變化情況。錢永剛等[13]通過CFD模擬了采用架空隔熱層時糧倉倉頂?shù)臏囟茸兓?，結果表明架空隔熱層以及空氣流動的速度對倉頂溫度有明顯影響。許鵬[14]對平房倉糧面鋪設冷氣囊隔熱層進行數(shù)值模擬，將模擬結果與實測數(shù)據(jù)相比，糧溫得到了有效抑制。

作者利用COMSOL軟件分別建立了架設隔熱吊頂前后靜態(tài)儲糧的高大平房倉三維物理模型，對糧倉及糧堆的傳熱過程進行了數(shù)值模擬。分析了架設隔熱材料后糧堆表面平均溫度與整倉的平均糧溫變化，并與不架設隔熱吊頂結果進行對比。

1 模型模擬

1.1 高大平房倉吊頂隔熱系統(tǒng)物理模型

模擬所選的平房倉為浙江某高大平房倉，倉房長×寬×高為29.37 m×20.44 m×8.2 m，糧堆高度為6 m，平房倉墻體采用空心磚墻結構，房頂采用預應力混凝土板，倉底為混凝土地面，倉內(nèi)屋架下安裝保溫隔熱吊頂?？疾鞙熟o態(tài)儲糧期間溫度的變化，模擬對象為平房倉結構、保溫隔熱吊頂以及內(nèi)部的糧堆區(qū)域。利用COMSOL軟件建立高大平房倉吊頂隔熱系統(tǒng)三維物理模型如圖1所示，計算域由糧堆與倉內(nèi)上部空氣層2個體區(qū)域組成。對糧倉整體物理模型采用非結構網(wǎng)格進行劃分，對局部采取細化操作共劃分為170多萬個網(wǎng)格。

圖1 高大平房倉吊頂隔熱系統(tǒng)三維物理模型

1.2 COMSOL模擬參數(shù)設置

1.2.1 外部儲糧條件

在靜態(tài)儲糧過程中外界環(huán)境溫度是糧堆溫度變化的主導因素。實測糧庫倉房2017年外界氣溫變化情況，結果如圖2所示?？芍饨绛h(huán)境溫度一般在0 ℃以上，7～9月為全年較高氣溫，此時糧堆溫度可達到最高。

圖2 浙江某高大平房倉2017年各月外界氣溫變化

對圖2曲線進行近似擬合得出外界環(huán)境溫度變化函數(shù)，

T=-0.606 4(t/2 592 000-7.07)2+197.42,

(1)

式中：T為外界環(huán)境溫度，K；t為時間，s。

以上一年度12月底的平均溫度作為倉內(nèi)糧堆以及倉壁的初始溫度，以2017年實測倉房的外界溫度作為外界環(huán)境溫度，模擬計算一年內(nèi)糧堆溫度變化，每個月按30 d進行計算。

1.2.2 壁面邊界條件

糧倉壁面受外界環(huán)境溫度變化影響明顯，倉壁溫度變化直接影響靜態(tài)儲糧過程中糧堆溫度。在長時間儲糧過程中對倉壁的太陽輻射與對流換熱是外部傳熱的主要因素，在加載太陽輻射模型時，外界實際環(huán)境以及對倉頂與四周壁面的太陽輻射量不盡相同，計算結果不僅復雜而且會造成較大誤差。將倉頂四周壁面的太陽輻射轉化為倉壁熱的吸收溫度，與外界環(huán)境溫度組成綜合溫度進行計算，倉房底面為絕熱壁面。

1.2.3 稻谷糧堆屬性

在COMSOL軟件處理過程中會將倉內(nèi)糧堆作為獨立的多孔介質(zhì)來計算，稻谷籽粒間存在空隙，倉內(nèi)空氣會在孔隙流動過程中攜帶熱量的傳遞。糧堆靜態(tài)儲糧過程中的傳熱研究主要涉及稻谷堆的導熱系數(shù)、比熱容、密度與孔隙率等參數(shù)，它們對數(shù)學模型的構建以及模擬計算產(chǎn)生很大影響。平房倉內(nèi)儲存糧種為江西產(chǎn)秈稻，根據(jù)實測以及相關資料得到其具體參數(shù)。

1.2.4 隔熱材料屬性

平房倉所用的吊頂材料為聚氨酯保溫板，是以聚氨酯硬泡為芯材，單面軋花鋁板合成的復合板材，材料導熱系數(shù)低且具有良好的隔熱效果。吊頂安裝不會破壞原有倉房屋架結構，倉頂壁面所吸收的熱量需要通過隔熱吊頂再傳導入糧倉內(nèi)部，在夏季高溫期間能有效降低糧堆溫度的升高，隔熱吊頂能夠起到明顯作用。

COMSOL數(shù)值模擬過程中準確設置參數(shù)對糧堆內(nèi)熱傳遞的計算有很大影響。COMSOL數(shù)值模擬靜態(tài)儲糧過程中各邊界條件與材料屬性的參數(shù)設置如表1所示。

表1 COMSOL數(shù)值模擬的相關條件和材料參數(shù)設置

1.3 糧堆內(nèi)熱傳導(控制)方程

倉內(nèi)糧堆在儲藏期間都需遵守質(zhì)量守恒、動量守恒以及能量守恒方程[15]，在COMSOL數(shù)值模擬過程中會自動代入平衡方程進行求解。

質(zhì)量守恒方程：

(2)

式中:ρa、ρf分別為空氣密度、參考溫度下的空氣密度，kg/m3；t為時間，s；μf為參考溫度下的空氣速度，m/s；xf為x方向變化量。

動量量守恒方程：

(3)

式中:φμ為空氣速度變化量，m/s；K為糧堆的滲透率；?p為水蒸氣分壓梯度；δy為定溫狀態(tài)下水分含量變化而引起的分壓變化量；g為重力加速度，m/s2；β為空氣膨脹系數(shù)；T0、T為參考溫度、當前溫度，K。

能量守恒方程：

(4)

式中:ρg為稻谷糧堆的干密度,kg/m3;ρa為空氣密度，kg/m3；Cg為稻谷糧堆的比熱容，kJ/(kg·K);Ca為空氣的比熱容，kJ/(kg·K)；Kg為稻谷糧堆的導熱系數(shù)，W/(m·K)；hfg為常量，為2 476.55 kJ/kg；Wg為干基水分，%；qh為呼吸釋放熱量,kJ；Yco2為糧堆呼吸每天CO2釋放率。

在靜態(tài)儲糧過程中不存在強制的對流換熱與通風過程，糧堆與孔隙之間的氣流溫差可以忽略，故不考慮由溫度變化引起的自然對流傳熱。糧倉是由倉壁與糧堆間的熱傳導為主，熱量傳導的數(shù)學模型為：

Q=-kT,

(5)

式中：Q為熱通量密度，kJ/(m2·s)；k為糧堆的熱傳導系數(shù)，W/(m·K)；T為糧堆的溫度，K。

2 模擬結果與分析

通過COMSOL軟件數(shù)值模擬了高大平房倉靜態(tài)儲糧一年內(nèi)糧堆溫度變化，對比不架設隔熱吊頂與架設隔熱吊頂后倉內(nèi)整體糧堆的平均溫度以及上層糧堆平均溫度，得出靜態(tài)儲糧過程中熱傳導規(guī)律，驗證了架設吊頂材料的隔熱性能。

2.1 不架設隔熱吊頂倉內(nèi)糧溫分布

圖3為高大平房倉不架設隔熱吊頂靜態(tài)儲糧一年內(nèi)糧堆溫度變化情況。由圖3可知，糧堆溫度受外界季節(jié)性氣溫變化影響明顯。在靜態(tài)儲糧前3個月時，倉內(nèi)糧堆處于較低溫度，隨著外界環(huán)境溫度逐漸上升，靠近糧倉壁面處的糧堆溫度上升較快，并逐漸向糧堆內(nèi)部進行熱傳遞；靜態(tài)儲糧6個月時，外界環(huán)境溫度保持持續(xù)上升趨勢，倉內(nèi)空氣受環(huán)境溫度變化影響后上升比較明顯，距倉壁較遠處糧堆溫度也有一定幅度上升；靜態(tài)儲糧9個月時，外界環(huán)境溫度相比一年內(nèi)最高溫度略有下降，但糧堆之間溫度的傳導是緩慢而持續(xù)的過程，糧堆內(nèi)部溫度仍呈現(xiàn)緩慢升高的趨勢。由于外界溫度對倉壁影響最為明顯，倉壁附近處糧堆溫度會出現(xiàn)小幅度下降；靜態(tài)儲糧12個月時，外界環(huán)境達到最低溫度，倉壁面處糧溫達到最低，距倉壁1～3 m處會出現(xiàn)相對高溫帶，主要是由于糧堆的熱傳導性較差，內(nèi)部溫度不能及時傳遞出去從而形成相對高溫帶。由于倉內(nèi)熱傳導難以傳遞到糧堆底部，在整個靜態(tài)儲糧過程中倉內(nèi)中心及底部糧堆溫度一直保持較低狀態(tài)。

圖3 不架設隔熱吊頂一年內(nèi)糧堆溫度變化

2.2 架設隔熱吊頂后倉內(nèi)糧溫分布

圖4為高大平房倉內(nèi)架設隔熱吊頂后靜態(tài)儲糧一年內(nèi)的糧堆溫度變化情況。由圖4可知，架設隔熱吊頂后倉內(nèi)糧溫分布與不加隔熱吊頂時變化趨勢及傳熱過程基本一致。在春季儲糧期間，由于外界環(huán)境溫度較低，倉壁溫度通過隔熱吊頂傳導后倉內(nèi)整體糧溫變化幅度較小，與不架設隔熱吊頂整體糧溫基本一致；在夏秋季儲糧期間，外界環(huán)境溫度大幅度提高，倉壁溫度會明顯高于糧堆溫度，在架設隔熱吊頂后，倉壁向糧堆所進行的傳熱過程首先要經(jīng)過隔熱層，由于隔熱材料具有較低的導熱系數(shù)，在夏秋季由倉壁傳導至糧堆的熱量會有明顯幅度的降低，糧堆整體平均溫度相較不設隔熱吊頂明顯降低；在冬季儲糧期間，外界環(huán)境溫度達到最低，糧倉壁面向倉內(nèi)傳遞過程與不設隔熱吊頂相似，倉內(nèi)糧堆中心及底部溫度處于較低狀態(tài)，兩種倉內(nèi)糧堆平均溫度在冬季期間基本相同。

圖4 架設隔熱吊頂一年內(nèi)糧堆溫度變化

2.3 隔熱效果比較分析

2.3.1 架設隔熱吊頂前后倉內(nèi)整體糧堆平均溫度的比較

通過對比倉內(nèi)架設隔熱吊頂前后每季度的溫度分布，在COMSOL軟件中提取出靜態(tài)儲糧過程中整體糧堆平均溫度。架設隔熱吊頂前后每月糧堆整體平均溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 架設吊頂前后倉內(nèi)糧堆整體平均溫度曲線

由圖5可知，架設吊頂前后倉內(nèi)糧堆整體平均溫度變化趨勢相似，糧堆整體溫度也呈現(xiàn)出季節(jié)變化的特征，夏季期間糧堆整體溫度上升較快，冬季期間整體糧溫會有所下降。架設吊頂后糧堆整體平均溫度相較不架設時平均下降2～3 ℃，隔熱吊頂對整體平均糧溫有一定影響，但由于倉內(nèi)糧堆內(nèi)部存在大部分低溫區(qū)域，整體平均溫度在增加隔熱吊頂后下降并不明顯。

2.3.2 架設隔熱吊頂前后倉內(nèi)上層平均糧溫的比較

通過對比倉內(nèi)架設隔熱吊頂前后每季度的溫度分布，在COMSOL軟件中提取出靜態(tài)儲糧過程中倉內(nèi)上層平均糧溫。根據(jù)架設隔熱吊頂前后上層平均糧溫隨時間變化的規(guī)律繪制出溫度變化曲線，結果如圖6所示。

圖6 架設吊頂前后倉內(nèi)上層平均糧溫曲線

由圖6可知，架設吊頂前后倉內(nèi)上層平均糧溫相較整體平均糧溫上升幅度大，上層糧堆平均溫度均會高于整體平均糧溫。架設吊頂后上層平均糧溫相較不架設時平均下降3～4 ℃，這是由于上層糧堆離倉頂壁面較近，熱傳導更直接與持續(xù)，吊頂可以起到有效隔熱作用，控制上層糧溫的上升幅度。

3 結論

靜態(tài)儲糧過程中倉內(nèi)糧溫隨外界環(huán)境變化較大。當外界溫度升高時，壁面處的糧堆溫度上升較快，隨著糧食與壁面之間的距離增加，糧堆溫度變化緩慢。糧堆溫度隨外界環(huán)境溫度變化明顯，并表現(xiàn)出隨季節(jié)變化的趨勢。架設隔熱吊頂前后，糧堆溫度分布趨勢相同。對比架設吊頂前后倉內(nèi)糧堆整體平均溫度，架設吊頂后糧堆整體平均溫度相較不架設時平均下降2～3 ℃，整體平均溫度在架設隔熱吊頂后有一定程度下降。對比架設吊頂前后倉內(nèi)上層平均糧溫，架設吊頂后上層平均糧溫相較不架設時平均下降3～4 ℃，架設隔熱吊頂能明顯降低上層糧溫。