基于數(shù)值預測的稻谷橫向降溫保水通風最佳濕度研究

王遠成 俞曉靜 石天玉 尹 君

(山東建筑大學熱能工程學院1,濟南 250101)

(國家糧食和物資儲備局科學研究院2,北京 100037)

就倉機械通風作為儲糧生態(tài)系統(tǒng)熱濕調控的方法之一，具有降溫效果顯著、費用較低等特點，在確保儲糧安全方面，發(fā)揮著至關重要的作用[1]。傳統(tǒng)的就倉機械通風是垂直向上或向下通風，垂直通風需要在糧倉地面鋪設通風籠(或設置地槽)。通風籠的鋪設，會帶來糧食出入倉的不便、勞動生產率低的問題，且不便于機械化操作。為了解決垂直通風的不利問題，我國開展了橫向通風工藝的研究。橫向通風是把通風籠垂直安裝在糧倉跨度方向的兩個內墻上，俗稱“地上籠上墻”，并通過吸出式的方式沿著糧倉跨度方向進行水平通風。橫向通風避免了地上籠的鋪設所帶來的糧食進出倉的不便，可以實現(xiàn)糧食進出倉的機械化操作，大大地提高了糧食進出倉的效率[2]。

當入倉糧食的水分低于安全水分時，就倉機械通風的目的是降低糧堆溫度的同時減少通風過程中儲糧水分的丟失。對于垂直降溫保水通風工藝，國內已有研究[3]，然而，目前國內外對于橫向降溫保水通風工藝的研究相對較少[4-7],尤其是橫向降溫保水通風問題還有待進一步研究。

本實驗基于多孔介質熱濕耦合傳遞和糧粒吸濕/解吸濕理論，采用數(shù)值模擬的方法，對稻谷橫向保水降溫通風過程中通風空氣濕度對保水的效果進行了預測研究，分析了一定初始糧溫和水分時通風空氣溫濕度對降溫保水效果的影響，得到了稻谷橫向降溫保水通風的最佳濕度。

1 通風過程中糧堆內部熱濕傳遞機理

糧堆是由糧粒堆積而成的多孔介質，通風過程中糧堆內部的糧粒與糧粒周圍空氣進行熱量和水蒸氣的交換，其中的熱濕傳遞過程遵循能量守恒和質量守恒規(guī)律。在通風條件下，糧堆內部熱濕耦合傳遞的控制方程如下[8-11]：

對流傳熱方程：

(1)

式中：ρb為糧堆的容重；ca、cb分別為空氣和糧堆的比熱；T為糧堆的溫度；t為時間；為微分算子；ρa為空氣密度；u為糧堆內部空氣的表觀速度或達西速度；keff為糧堆的有效導熱系數(shù)；hs為谷粒吸濕或解吸濕熱；ε為空隙率；M為糧堆的濕基水分。

?M/?t=-k(M-Me)

(2)

式中：k為糧粒吸濕/解吸濕經驗常數(shù)；Me為平衡水分。

(3)

式中：A、B、C為經驗常數(shù);RHe為糧粒間空氣的平衡相對濕度。

對流傳濕方程：

(4)

式中：w為糧粒間空氣中的絕對含濕量；Deff為濕空氣在糧堆中的有效擴散系數(shù)；?M/?t為單位時間內糧粒與周圍空氣交換的水分量。

2 數(shù)值模擬的模型和工況參數(shù)

本實驗模擬的對象為高大平房倉，其長度為50 m、跨度為27 m和24 m，高為12.5 m，其中的裝糧高度為6 m。由于糧倉的長度遠大于跨度和糧堆的高度，且通風方向為跨度方向，所以，長度方向上的溫度梯度遠遠小于跨度方向。因此，選取糧倉跨度方向的2D模型作為數(shù)值模擬對象，如圖1所示。通風過程中，氣流從左側的進風口進入主風道，并通過安裝在主風道上的垂直支風道而進入糧堆，空氣橫穿整個糧堆后，從糧倉右側的通風道排出倉外。為了考察不同的糧堆初始平衡濕度與通風空氣濕度差值下，通風過程中不同過流斷面上溫度和水分變化情況，沿跨度方向選取5個截面，5個截面距離左側倉壁的距離分別為0.8、7.2、13.5、19.8、26.2 m。

圖1 模型和橫向通風流場圖

數(shù)值模擬的儲糧品種為稻谷，其物性參數(shù)分別為：容重為600 kg/m3，初始水分為15%，初始糧溫為25 ℃，初始平衡濕度為76.5%?？紫堵蕿?.6，導熱系數(shù)為0.11 W/(m·K)。3個工況的模擬條件見表1，其中，工況一、工況二和工況三的糧倉跨度為27 m，工況四的糧倉跨度為24 m。工況一、工況二和工況三的進風溫度相同且為17 ℃，進風濕度分別為76.5%、 71.5%和81.5%。糧堆初始平均溫度為25 ℃，其與通風空氣的溫差為8 ℃，噸糧通風量為5 m3/(h·t)，表觀速度為0.022 4 m/s。工況四的進風溫度為17 ℃，進風濕度分別為76.5%，糧堆初始平均溫度為25 ℃，其與通風空氣的溫差為8 ℃，噸糧通風量為5 m3/(h·t)，表觀速度為0.022 4 m/s。

表1 三種通風濕度工況下的初始參數(shù)和通風條件

3 數(shù)值預測結果和分析

3.1 工況一的糧堆溫度和水分的變化規(guī)律

表2是工況一(27 m跨度且濕度差為0%)在不同通風時間內糧堆平均溫度和水分。從表2可以看出，通風2 d后糧堆平均溫度降至18.4 ℃，其后的糧堆平均溫度保持18.4 ℃不變。通風24 h的溫度平均變化率最高，為5.7 ℃/d，通風48 h的溫度平均變化率為3.3 ℃/d，通風72 h的溫度平均變化率為2.2 ℃/d，通風240 h的溫度平均變化率最低，為0.5 ℃/d。這說明通風過程中，早期的通風降溫效果明顯，后期降溫速率大大下降。繼續(xù)延長通風時間只會增加能耗，屬于無效通風。綜合表2數(shù)據，選定6 d(144 h)為不同進風濕度工況的通風模擬時間。同時，從表2中還發(fā)現(xiàn)，通風24 h時糧堆平均水分由15%降到14.93%，下降了0.07%，通風48 h糧堆平均水分降到14.90%，減少了0.1%，其后，隨著通風時間的延長，糧堆平均水分基本不變，說明工況一的保水效果較好。

表3為工況四(24 m跨度且濕度差為0%)在不同通風時間內糧堆平均溫度和水分。從表3可以發(fā)現(xiàn)，由于工況四與工況一的糧倉跨度不同，其他條件皆相同。因此，工況四和工況一表現(xiàn)出相同的規(guī)律，只是由于工況四通風距離相對于工況一通風距離較短，因此，通風過程中，相同時刻糧溫下降更快更多，水分降低得相對較少。

表2 工況一不同通風時間內糧堆平均溫度和水分

表3 工況四不同通風時間內糧堆平均溫度和水分

由圖2a可以看出，通風開始時，靠近進風口處的糧堆首先降溫，距離垂直支風道0.8 m處的糧層溫度在6 h內降到17.4 ℃，其后隨著通風的進行，該層糧溫不再改變。距離垂直支風道7.2 m處的糧堆溫度在通風12 時候降到了17.8 ℃，其后的時間保持不變。距離垂直支風道13.5 m處的糧堆溫度，在通風24 h時降到了18.4 ℃，其后的時間保持不變。距離垂直支風道19.8 m處的糧堆溫度，在通風30 h時降到了18.9 ℃，其后的時間保持不變。距離垂直支風道26.2 m處的糧堆溫度，在通風36 h時降到了19.5 ℃，其后的時間保持不變。而通風30 h時，糧堆平均溫度降到18.4 ℃，其后的時間保持不變。

由圖2b可以看出，在開始通風時，由于在糧堆初始溫度與通風空氣溫差為8 ℃的前提下，即使通隨著冷鋒前沿不斷向前移動，進入下游糧層的空氣狀態(tài)已經發(fā)生改變，即進入下游糧層的空氣溫度逐漸升高，空氣的蒸汽分壓逐漸增高，下游糧層與周圍空氣的蒸汽分壓差值越來越小，而且通風空氣的濕度與糧堆初始平衡濕度相同，下游糧層的解吸濕作用越來越弱，但糧粒表面的蒸汽分壓仍然大于進風空氣的蒸汽分壓，下游各糧層都是處于解吸濕狀態(tài)，而導致水分降低。通風24 h之后，7.2 m糧層的水分降到14.90%，其后的時間不再變化；通風48 h之后，13.5 m糧層的水分降到14.89%，其后的時間不再變化；通風48 h之后，19.8 m糧層的水分降到14.90%，其后的時間不再變化；通風90 h之后，26.2 m糧層的水分降到14.90%，其后的時間不再變化；通風48 h之后，整個糧堆平均水分降到14.90%，其后的時間不再變化。

圖2 工況一通風過程中不同糧層溫度和水分變化

風空氣的濕度為100%，糧粒表面的蒸汽分壓仍然大于進風空氣的蒸汽分壓，所以在通風開始時，糧堆內部都是處于解吸濕狀態(tài)的。盡管通風空氣的濕度與糧堆初始平衡濕度相同，由于糧粒表面的蒸汽分壓(2 424.4 Pa)大于送風空氣的蒸汽分壓(1 481.0 Pa)，靠近進風口處的糧堆首先進行解吸濕，距離垂直支風道0.8 m處的糧層水分先下降，6 h時由15.0%降到14.91%；其后，隨著該層糧溫的降低，糧粒表面的蒸汽分壓迅速下降；而空氣的溫度由于糧堆的加熱，溫度升高，導致糧粒周圍空氣的蒸汽分壓增大，并大于糧粒表面的蒸汽分壓。從而進入長期吸濕過程，即6 h后該糧層的水分開始上升，通風144 h后，該層糧食水分升高到15.05%。

從圖2還可以看出，通風18 h之后，冷鋒前沿已穿過整個糧倉，通風36 h之后，冷鋒后沿才穿過整個糧倉。通風24 h之后，濕鋒(水分)前沿已穿過整個糧倉，通風90 h之后，濕鋒(水分)后沿才穿過整個糧倉。顯然，通風過程中，糧堆內部冷濕前(后)沿移動速度是不同的，冷鋒前(后)沿移動速度遠大于濕鋒前(后)沿的移動速度。

同時，由表2和表3可知，通風時間達到48 h候，糧堆的平均溫度和水分不再變化，由此，對于橫向降溫保水通風來說，考慮到降溫是主要目的，通風時間不宜超過3 d，通風時間超過3 d后則屬于無效通風。但是，鑒于本實驗模擬的條件屬于谷冷通風的性質，即通風空氣的溫濕度基本恒定，而實際的通風條件，可能會由于空氣溫濕度的逐時變化，而有所波動，加之實際糧堆孔隙率分布的各向異性和非均勻性特征，因此，通風時間可以延長1～2 d，這樣也可以避免無效通風以及通風后糧溫的反彈。

3.2 工況二(濕度差為-5%)的糧堆溫度和水分的變化規(guī)律

表4是工況二在不同通風時間內糧堆平均溫度和水分變化規(guī)律。從表4中可以看出，隨著通風的不斷進行，糧堆平均溫度逐漸下降，6 d后糧堆平均溫度降至18.3 ℃。通風24 h的溫度平均變化率最高，為5.7 ℃/d，通風48 h的溫度平均變化率為3.3 ℃/d，通風72 h的溫度平均變化率為2.2 ℃/d，通風336 h的溫度平均變化率最低，為0.5 ℃/d。同時，從表4中可以發(fā)現(xiàn)，通風過程中糧堆的平均水分也是不斷減小的，通風6 d(144 h)糧堆平均水分由15%降到14.66%，顯然，相對于工況一來說，工況二的保水效果變差。

圖3a為通風6 d(144 h)沿跨度方向的5個過流斷面上溫度隨時間的變化曲線，由圖3a 可以看出，當糧堆初始溫度為25 ℃、進風溫度為17 ℃時，糧堆平均溫度降到18.3 ℃。距離左側墻壁0.8 m的糧層，由于進風溫度與糧堆溫度差值大，熱量交換大，且靠近進風口，該糧層溫度最先開始下降且降幅很大，通風6 h后平均溫度為16.9 ℃且趨于平穩(wěn)。通風132 h之后，7.2、13.5、19.8 m和26.2 m 4個糧層溫分別降為17.6、18.3、18.9 ℃和19.6 ℃，平均糧為18.3 ℃。

表4 工況二不同通風時間內糧堆平均溫度和水分

圖3 工況二通風過程中不同糧層溫度和水分變化

圖3b為通風6 d(144 h)沿跨度方向的5個過流斷面上水分隨時間的變化曲線，由圖3b可以看出，初始水分為15%的糧堆，送風濕度為71.5%的通風條件下，在開始通風時，由于糧堆表面的蒸汽分壓始終大于送風空氣的蒸汽分壓，且通風空氣的濕度比糧堆初始濕度低5%，因此，靠近進風口處的糧堆先發(fā)生解吸濕現(xiàn)象，表現(xiàn)為0.8 m處的糧層水分首先開始下降。隨著通風的進行，下游各個糧層也都是處于解吸濕狀態(tài)而不斷失水，通風結束時糧倉內平均水分降為14.66%。比較工況一和工況二，可以看出，工況二的通風過程中整個糧堆屬于解吸濕過程，水分降低的幅度大于工況一。

從表4和圖3可知，如果通風時間進一步延長，糧堆的溫度和水分還會進一步下降，原因在于，工況二的通風空氣濕度比糧堆初始平衡濕度低5%，通風過程中，糧堆始終處于解吸濕狀態(tài)，根據熱力學原理可以推知，糧堆失水(水分蒸發(fā))必然要消耗熱量，因此，若通風時間足夠長，則最終糧堆會低于通風空氣的溫度，且初始水分越高則越明顯。這種現(xiàn)象，在表6中的數(shù)據得到體現(xiàn)。

3.3 工況三(濕度差為5%)的糧堆溫度和水分的變化規(guī)律

表5是工況三在不同通風時間內糧堆平均溫度和水分變化規(guī)律，通風3 d后糧堆平均溫度降至19.5 ℃，其后糧堆平均溫度基本保持19.5 ℃不變。其中，通風24 h的溫度平均變化率最高，為2.8 ℃/d，通風48 h的溫度平均變化率為2.6 ℃/d，通風72 h的溫度平均變化率為1.8 ℃/d，通風144 h的溫度平均變化率最低，為0.9 ℃/d。從表5中還可以發(fā)現(xiàn)，通風過程中糧堆的平均水分也是不斷減小的，通風6 d(144 h)糧堆平均水分由15%降到14.75%，相對于工況一來說，保水效果變差，但相對于工況二來說，水分下降地相對較少。 然而，相對于工況二來說，糧堆溫度下降地較少，降溫效果變差。分析其原因，主要是由于工況三的通風空氣濕度比糧堆初始平衡濕度高5%，通風過程中，糧堆處于吸濕狀態(tài)，根據熱力學原理可知，此時糧堆會出現(xiàn)“吸濕再熱”的現(xiàn)象，因此，最終糧堆溫度會高于通風空氣的溫度。這種現(xiàn)象，在表6中的數(shù)據得到體現(xiàn)。

表5 工況三不同通風時間內糧堆平均溫度和水分

表6 不同初始水分時各種通風溫濕度條件下糧堆的最終溫度

圖4a所示為通風6 d(144 h)沿跨度方向的5個豎直截面上溫度隨時間的變化曲線，可以看到，距離左側墻壁0.8 m的糧層，由于靠近垂直支風道，該糧層溫度最先開始下降且降幅最大。通風時間24、36、48 h和60 h后，7.2、13.5、19.8 m和26.2 m糧層的溫度都不再改變。從糧堆的平均溫度來說，通風結束時糧倉內的平均溫度比進風溫度高，這是因為糧倉中吸濕過程會放出汽化潛熱，導致糧堆吸濕再熱，溫度有所升高。

圖4 工況三通風過程中不同糧層溫度和水分變化

由圖4b可以看出，初始水分為15%的糧堆，送風濕度為81.5%的通風條件下，在開始通風6 h后，靠近進風口處的糧堆首先進行解吸濕，此時糧堆表面的蒸汽分壓大于送風空氣的蒸汽分壓，表現(xiàn)為0.8 m處的糧層水分小幅度下降；隨之進入長期吸濕過程，通風90 h后該糧層的水分達到15.43%，高于糧堆的初始水分值。沿著空氣的流動方向，除了進口附近的糧層外，由于進入各個糧層的空氣溫度升高、濕度降低，導致各個糧層蒸汽分壓始終低于糧粒表面蒸汽分壓，所以在糧堆中下游區(qū)域發(fā)生解吸濕過程。所以，盡管通風空氣的濕度高于糧堆初始平衡濕度5%，此時，糧堆依然是失水的。

由熱力學原理可以推知，由于通風空氣濕度比糧堆初始平衡濕度高5%，當通風時間足夠長時，糧堆的水分可能會進一步升高。因此，由于進風口處的糧堆的吸濕作用，導致其水分升高，甚至會超過安全水分，反而不利于安全儲糧。

4 實驗驗證

4.1 實驗儀器設備和方案

實驗倉的尺寸是按照實際倉房的尺寸大小等比例縮小制作的，長寬高分別為1.5 m×1.0 m×1.0 m(裝糧高度)。在實驗倉內部，沿著長度方向設有網狀隔板，已形成一個空氣夾層，空氣夾層厚度為0.05 m，以保證橫向通風的均勻性。

圖5 實驗倉實體圖

為了測定通風過程中糧堆內部的通風阻力和溫度、濕度以及水分的變化情況，將靜壓測頭和溫濕水一體化糧情系統(tǒng)的傳感器埋入糧堆。糧堆內部的壓力通過橡皮管傳感到電子壓力儀，壓力儀為德圖Testo512-2，其測量精度為±0.1%?！皽貪袼惑w化多參數(shù)糧情檢測系統(tǒng)”由深圳市中天惠豐科技有限公司提供，它的工作原理是根據吸濕平衡原理，通過溫濕度傳感器獲得的糧堆內部溫濕度數(shù)據，進而計算出糧堆內部的平衡水分。該系統(tǒng)的溫濕度測量精度分別為±0.3 ℃和±3%，平均水分測量精度為±0.5%。為了在線檢測和記錄通風過程中糧堆內部溫濕度和水分的變化數(shù)據，沿著糧堆高度方向分3層布置溫濕度傳感器，第1層距糧層表面以下20 cm，第3層距實驗倉底20 cm，第2層位于第1層和第3糧層中間。沿著寬度方向每層截面上均勻分布9個傳感器，共計27個溫濕度傳感器。另外，實驗值為了獲得進風溫濕度數(shù)據，還分別在通風道進出口位置安裝了2個溫濕度傳感器。

橫向通風實驗的YS-7312風機功率為0.75 kW。風機通過變頻器來調控風機風量大小，渦輪流量計記錄的實驗風量為4.2 m3/h，折合單位通風風量為5 m3/(h·t)。為了滿足橫向降溫保水通風的溫濕度條件，實驗中使用ECD25AS型恒溫恒濕空調送風作為橫向通風的冷源。ECD25AS型恒溫恒濕空調的控溫度范圍為10～35 ℃，精度為±0.5 ℃；控濕范圍為35%～85%，精度為±0.3%。該設備的制冷量為3.5 kW，電加熱功率為2 kW，電極加濕為2 kg/h，最大風量為700 m3/h。

4.2 實驗數(shù)據與數(shù)值模擬結果的比較

實驗進行了3個工況，通風時間共進行了24 h，實驗中每隔4 h采集1次溫度和水分數(shù)據。為了保證采集數(shù)據的準確性，實驗前采用LDS-1S電腦水分測定儀，對溫濕水一體化多參數(shù)糧情監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器采集數(shù)據進行校核，并且在橫向通風實驗前后1 h分別用LDS-1S電腦水分測定儀對糧堆進行水分測定(見表7)。由表7可知實驗倉中糧堆平均水分與模擬的平均水分吻合較好，其中的溫度的做大誤差為0.7 ℃，水分的最大誤差為0.3%。

表7 三種實驗通風濕度工況下的初始參數(shù)和通風條件

5 結論

本實驗采用數(shù)值預測與實驗相結合的方法，對溫度差為8 ℃和噸糧通風量為5 m3/(h·t)情況下，3種濕度差時稻谷橫向保水降溫通風過程中溫度和水分變化規(guī)律進行了預測和實驗研究，分析了一定初始糧溫和水分時通風空氣濕度對降溫保水效果的影響。

糧堆與通風空氣溫度差和噸糧通風量一定時，糧堆與通風空氣濕度差是決定通風過程中糧堆水分變化的主要因素。當通風空氣的濕度低于糧堆平衡濕度5%時，通風3～6 d，糧堆都會失水，而且失水相對較多，失水范圍0.23%～0.34%；當通風空氣的濕度高于糧堆平衡濕度5%時，通風3～6 d，糧堆也會失水，但其失水量為其次，失水范圍0.17%～0.25%；當通風空氣的濕度等于糧堆平衡濕度時，通風3～6 d，糧堆都會失水很少，失水范圍0.10%～0.11%。因此，濕度差為0%時，保水效果最好。

當糧堆與通風空氣溫度差和噸糧通風量一定時，糧堆與通風空氣濕度差也會影響糧堆的溫度。當通風空氣濕度低于糧堆平衡濕度5%時，隨著通風的不斷進行，糧堆平均溫度逐漸下降，6 d后糧堆平均溫度降至18.3 ℃；當通風空氣濕度高于糧堆平衡濕度5%時，通風3 d后糧堆平均溫度降至19.5 ℃，其后的時間內糧堆平均溫度基本保持19.5 ℃不變；當通風空氣濕度等于糧堆平衡濕度時，通風2 d后糧堆平均溫度降至18.4 ℃，其后的時間內糧堆平均溫度保持18.4 ℃不變。因此，濕度差為0%時，降溫速率高、降溫效果最好。

對于橫向降溫保水通風來說，當濕度差為0%時，通風時間達到48 h時，糧堆的平均溫度和水分不再變化，考慮到降溫是主要目的，通風時間不宜超過3 d，通風時間超過3 d后則屬于無效通風。而且當通風空氣濕度大于糧堆初始平衡濕度時，由于進風口處糧堆的吸濕作用，若通風時間過長，導致其水分升高，甚至會超過安全水分，反而不利于安全儲糧。實際通風時，考慮到空氣溫濕度是逐時變化的，通風時間可以延長1～2 d。