基于溫度場(chǎng)與熱流密度的儲(chǔ)糧倉(cāng)型研究

郝立群

(遼寧省糧食科學(xué)研究所，沈陽(yáng) 110032)

我國(guó)糧食產(chǎn)量在獲得連續(xù)增長(zhǎng)后，糧食儲(chǔ)存數(shù)量也迅猛遞增，為了擴(kuò)大糧食儲(chǔ)存量，建設(shè)了各類儲(chǔ)糧倉(cāng)房，既有標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)糧倉(cāng)房，也有“非標(biāo)準(zhǔn)倉(cāng)”[1]。這些倉(cāng)房為糧食儲(chǔ)存提供便利，同時(shí)呈多孔介質(zhì)狀態(tài)[2]的糧食，受太陽(yáng)輻射[3]、倉(cāng)內(nèi)外溫度傳導(dǎo)、糧堆內(nèi)孔隙間熱對(duì)流等邊界條件的變化，破壞了原先穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，或產(chǎn)生不利于糧食安全儲(chǔ)存的溫度場(chǎng)[4]與熱流密度(熱流量)變化。由于整個(gè)傳熱過(guò)程與初終態(tài)間的變化分別涉及熱力學(xué)與傳熱學(xué)兩個(gè)范疇的問(wèn)題，為此，本研究制作了實(shí)驗(yàn)倉(cāng)，對(duì)不同糧種進(jìn)行溫度與熱流量測(cè)試，并在不同型式的倉(cāng)房中驗(yàn)證，以期為選擇適合于安全儲(chǔ)糧、“綠色儲(chǔ)糧”[5]要求的儲(chǔ)糧型式、圍護(hù)材料提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 糧種

玉米、稻谷、小麥、大豆。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)倉(cāng)

圖1 實(shí)驗(yàn)倉(cāng)外形圖

實(shí)驗(yàn)倉(cāng)主體由鋼板制作而成，長(zhǎng)1 m、寬1 m、高1.5 m，見(jiàn)圖1。設(shè)有進(jìn)糧口-進(jìn)人孔、出糧口、通風(fēng)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、溫度測(cè)試系統(tǒng)、熱流量測(cè)試系統(tǒng)等。加熱系統(tǒng)由下加熱板、上加熱板、側(cè)加熱板組成，可單體加熱或組合加熱，并根據(jù)需要可不設(shè)置或加設(shè)不同材料保溫層。溫度測(cè)試系統(tǒng)由主機(jī)、顯示器、控制器、測(cè)溫電纜、倉(cāng)內(nèi)溫濕度傳感器等構(gòu)成。每個(gè)倉(cāng)內(nèi)布置2組測(cè)溫電纜，每組9根，距側(cè)加熱板設(shè)置處每隔10 cm布設(shè)1根、連續(xù)布設(shè)至0.9 m處、組間距0.5 m，每根測(cè)溫電纜長(zhǎng)1 m，布置9個(gè)溫度傳感器、間距10 cm，見(jiàn)圖2。每個(gè)加熱板及保溫板分別設(shè)置兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。測(cè)溫電纜測(cè)試范圍-40～60 ℃，加熱板測(cè)點(diǎn)測(cè)試范圍-40～120 ℃，檢測(cè)速度≤128 點(diǎn)/s，分辨率≤0.1 ℃，誤差≤±0.5 ℃。熱流量測(cè)試系統(tǒng)由TNL-3RL多通道溫度熱流采集儀與JZRL-2熱流量傳感器組成。熱流量傳感器測(cè)量范圍-500～500 W/m2，分辨率0.1 W/m2，精度±5%，靈敏度15～100 μV·m2/W，響應(yīng)時(shí)間1 min，環(huán)境溫度-30～70 ℃。依加熱方式不同，分別在距側(cè)加熱板、糧層表面10、20 cm處設(shè)置熱流量傳感器。

表1 實(shí)倉(cāng)測(cè)試倉(cāng)房情況

表2 玉米實(shí)驗(yàn)倉(cāng)在不同保溫措施、不同加熱方式中糧溫、熱流量升幅表

圖2 實(shí)驗(yàn)倉(cāng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.3 實(shí)倉(cāng)

選擇3個(gè)未做保溫處置淺圓倉(cāng)、2個(gè)未做保溫處置筒倉(cāng)、2個(gè)未做保溫處置鋼板倉(cāng)、3個(gè)未做保溫處置平房倉(cāng)、3個(gè)吊頂保溫處置平房倉(cāng)、2個(gè)整倉(cāng)保溫處置平房倉(cāng)，測(cè)試系統(tǒng)按照LS/T 1203糧情測(cè)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)倉(cāng)單日升溫實(shí)驗(yàn)

對(duì)實(shí)驗(yàn)倉(cāng)分別進(jìn)行9 h下加熱、側(cè)加熱、上加熱及上方與側(cè)方同時(shí)加熱升溫實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展垂直、水平、穿過(guò)空氣層及模擬實(shí)倉(cāng)傳導(dǎo)升溫規(guī)律研究，加熱板溫度保持在55～60 ℃左右，次日通風(fēng)降溫。之后加設(shè)單層15 mm厚高效保溫板實(shí)驗(yàn)。溫度與熱流量測(cè)試周期為每小時(shí)1次。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)倉(cāng)連續(xù)升溫實(shí)驗(yàn)

由于糧倉(cāng)受熱是連續(xù)多日的，為此進(jìn)行連續(xù)加熱一周實(shí)驗(yàn)，其中5 d加熱9 h，加熱板溫度保持在55～60 ℃左右，2 d不加熱。之后加設(shè)單層、雙層15 mm厚高效保溫板實(shí)驗(yàn)。溫度測(cè)試周期為每0.5 h 1次。

1.2.3 實(shí)倉(cāng)溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

選擇1個(gè)筒倉(cāng)、3個(gè)平房倉(cāng)，在外界溫度較高的3月至10月期間，進(jìn)行連續(xù)溫度測(cè)試，測(cè)試周期為每天1次。選擇3個(gè)淺圓倉(cāng)、1個(gè)筒倉(cāng)、2個(gè)鋼板倉(cāng)、5平房倉(cāng)，在外界溫度最高的季節(jié)，進(jìn)行單日溫度測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行熱流量測(cè)試。倉(cāng)房情況見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)倉(cāng)單日升溫實(shí)驗(yàn)

依照單日升溫實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)比側(cè)加熱與上加熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果，熱流量在水平方向傳遞速度比通過(guò)空氣層傳播要明顯。上加熱與側(cè)加熱同時(shí)進(jìn)行，即模擬實(shí)倉(cāng)傳導(dǎo)升溫實(shí)驗(yàn)，熱流量最高值比側(cè)加熱最高值低，而糧食溫升卻比側(cè)加熱高，究其原因，熱流量為側(cè)加熱與上加熱熱流量的平均值。實(shí)驗(yàn)表明，組合方式比單一方式溫升要快。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際儲(chǔ)糧結(jié)果不同。如平房倉(cāng)、筒式倉(cāng)，表層糧食溫升比靠近倉(cāng)壁糧食溫升要高，一是倉(cāng)頂與倉(cāng)墻所使用材料不同、其導(dǎo)熱系數(shù)不同。二是倉(cāng)墻需承受側(cè)壓力，普遍要比倉(cāng)頂厚，保溫效果相對(duì)要好。三是與倉(cāng)頂、倉(cāng)墻接受太陽(yáng)輻射面積、角度有關(guān)。而罩棚倉(cāng)，表層糧食溫升比靠近四周的糧食溫升要高，是太陽(yáng)輻射與外界溫度傳導(dǎo)共同作用的結(jié)果。

因下加熱實(shí)驗(yàn)熱流量傳感器無(wú)法插入糧堆底部，因此未做熱流量數(shù)據(jù)對(duì)比。綜合多次溫升實(shí)驗(yàn)，不同加熱方式、不同保溫方式糧溫升高起始時(shí)間見(jiàn)圖3。溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，下加熱方式升溫速度高于側(cè)加熱、上加熱方式升溫速度，而上加熱與側(cè)加熱同時(shí)進(jìn)行，升溫速度最快。

圖3 實(shí)驗(yàn)倉(cāng)不同加熱方式溫升起始時(shí)間圖

表3 不同加熱方式各糧層糧溫與熱流量相關(guān)性分析

表4 不同品種、不同糧層厚度溫升表

對(duì)三種加熱方式糧溫與熱流量24組數(shù)值，進(jìn)行相關(guān)性分析，見(jiàn)表3。

在α=0.05時(shí)，自由度=n-2=22，查相關(guān)檢驗(yàn)表，得R0.05=0.404。因R>R0.05，在α=0.05顯著性檢驗(yàn)水平上，能夠取得熱流量數(shù)值的各糧層與其對(duì)應(yīng)的糧溫呈線性關(guān)系明顯。除未設(shè)保溫板側(cè)加熱外，其他單日升溫實(shí)驗(yàn)20 cm處糧層均未測(cè)量到熱流量值，與實(shí)驗(yàn)所用熱流量傳感器的分辨率、靈敏度有關(guān)。在實(shí)倉(cāng)測(cè)試中，同樣未測(cè)到距倉(cāng)壁10、20 cm處熱流量。

2.2 實(shí)驗(yàn)倉(cāng)連續(xù)升溫實(shí)驗(yàn)

依照連續(xù)升溫實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行連續(xù)側(cè)加熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

隨加熱板加熱、停止，10 cm處糧溫不斷抬升，并呈現(xiàn)顯著的相關(guān)波動(dòng)變化，見(jiàn)圖4，每天最高峰值滯后加熱停止時(shí)間3.0 h。20 cm處糧溫呈穩(wěn)步增高態(tài)勢(shì)，見(jiàn)圖5。30 cm之后各層糧溫則不受其影響，呈現(xiàn)遞增狀態(tài)。加設(shè)單層、雙層保溫板，可使近加熱板10 cm 處最高糧溫由30.2 ℃降至23.7、21.4 ℃，溫升由15.2 ℃降至8.7、6.4 ℃，20 cm處最高糧溫由21.6 ℃降至19.6、17.5 ℃，溫升由6.6 ℃降至4.6、2.5 ℃。加設(shè)保溫板對(duì)于阻止糧食溫升明顯，儲(chǔ)糧模式向有利于安全儲(chǔ)糧方向發(fā)生改變，“熱皮”厚度明顯降低[6]。

圖4 玉米實(shí)驗(yàn)倉(cāng)連續(xù)側(cè)加熱10 cm處溫度對(duì)比圖

圖5 玉米實(shí)驗(yàn)倉(cāng)連續(xù)側(cè)加熱20 cm處溫度對(duì)比圖

不同保溫方式10 cm處糧溫時(shí)間序列圖形，可分解為趨勢(shì)變動(dòng)(分量)與日變動(dòng)(分量)2個(gè)類型[7]。對(duì)不同保溫方式10 cm處糧溫5個(gè)加熱周期內(nèi)240組測(cè)試數(shù)值，建立趨勢(shì)分量數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行相關(guān)性分析[7,8]，見(jiàn)表5。

表5 不同保溫方式10cm處糧溫趨勢(shì)分量數(shù)學(xué)模型與相關(guān)性分析

在α=0.05時(shí)，自由度=n-2=238，查相關(guān)檢驗(yàn)表，得R0.05=0.168。因R>R0.05，在α=0.05顯著性檢驗(yàn)水平上，不同保溫方式10 cm處糧溫趨勢(shì)分量呈線性關(guān)系明顯，其中未設(shè)保溫板10 cm處糧溫趨勢(shì)分量見(jiàn)圖6。

圖6 玉米實(shí)驗(yàn)倉(cāng)未設(shè)保溫板10 cm處趨勢(shì)分量

對(duì)不同保溫方式10 cm處糧溫每個(gè)加熱周期內(nèi)48組測(cè)試數(shù)值，建立日分量正態(tài)分布數(shù)學(xué)模型N(μ，σ2)，將日分量正態(tài)分布進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換，以未設(shè)保溫板10 cm處糧溫第2 d日分量為例，見(jiàn)圖7，對(duì)變換后的概率密度做相關(guān)性分析及t-分布檢驗(yàn)[7,8]，見(jiàn)表6。

圖7 玉米實(shí)驗(yàn)倉(cāng)未設(shè)保溫板10 cm處第2天日分量

在α=0.05時(shí)，自由度=n-2=46，查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表，得R0.05=0.285，因R>R0.05，在α=0.05顯著性檢驗(yàn)水平上呈線性關(guān)系顯著。在α=0.05時(shí)，查t-分布表，得t0.975(46)=2.013，因t>t0.975(46)，在α=0.05顯著性檢驗(yàn)水平上呈線性關(guān)系顯著。因此不同保溫方式10 cm處糧溫日分量為正態(tài)分布。

不同保溫方式20 cm處糧溫時(shí)間序列圖形，表現(xiàn)為趨勢(shì)變動(dòng)1個(gè)類型，由趨勢(shì)分量構(gòu)成[7]。對(duì)不同保溫方式20 cm處糧溫7個(gè)加熱周期內(nèi)336組數(shù)值，建立趨勢(shì)分量數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行相關(guān)性分析，見(jiàn)表7。

在α=0.05時(shí)，自由度=n-2=334，查相關(guān)檢驗(yàn)表，得R0.05=0.108。因R>R0.05，在α=0.05顯著性檢驗(yàn)水平上，不同保溫方式20 cm處糧溫趨勢(shì)分量呈二項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系相關(guān)性顯著。

不同保溫方式連續(xù)側(cè)加熱，10 cm處糧溫時(shí)間序列圖形的趨勢(shì)分量為線性關(guān)系、日分量為正態(tài)分布，20 cm及后續(xù)糧層厚度的糧溫時(shí)間序列圖形的趨勢(shì)分量擬合為二項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。若調(diào)整連續(xù)加熱一周實(shí)驗(yàn)方案為加熱2 d、不加熱1 d、再加熱2 d、不加熱1 d、再加熱1 d，雖然7 d內(nèi)獲得的熱量相同，但10 cm處糧溫時(shí)間序列圖形將發(fā)生改變，將由趨勢(shì)分量、日分量、不規(guī)則分量等構(gòu)成，20 cm及后續(xù)糧層厚度的糧溫時(shí)間序列圖形將無(wú)明顯變化。實(shí)際儲(chǔ)糧中，因測(cè)溫點(diǎn)位置距表層、距倉(cāng)壁0.5 m以外，測(cè)試次數(shù)為每天1次或2～3 d 1次，從而測(cè)量不到10、20 cm處的糧溫變化及日分量，其糧溫時(shí)間序列圖形將由長(zhǎng)期趨勢(shì)分量、季節(jié)分量、不規(guī)則分量及年循環(huán)分量構(gòu)成，見(jiàn)圖8。對(duì)于未設(shè)保溫板、加設(shè)單層保溫板、加設(shè)雙層保溫板實(shí)驗(yàn)，可比作無(wú)圍護(hù)儲(chǔ)糧方式、無(wú)保溫措施儲(chǔ)糧倉(cāng)、加設(shè)保溫措施儲(chǔ)糧倉(cāng)。若單層保溫板的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、組合的加熱方式、升溫降溫時(shí)間設(shè)置適合，可模擬各種無(wú)保溫措施儲(chǔ)糧倉(cāng)實(shí)倉(cāng)狀態(tài)。若雙層保溫板的各自厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、組合的加熱方式、升溫降溫時(shí)間設(shè)置適合，可模擬各種加設(shè)保溫措施儲(chǔ)糧倉(cāng)實(shí)倉(cāng)狀態(tài)。

表6 不同保溫方式10cm處糧溫日分量數(shù)學(xué)模型、概率密度相關(guān)性分析及t-分布檢驗(yàn)

表7 不同保溫方式20 cm處糧溫趨勢(shì)分量數(shù)學(xué)模型及相關(guān)性分析

表8 不同保溫形式不同倉(cāng)型距儲(chǔ)糧表層下0.5 m處糧溫

圖8 實(shí)倉(cāng)連續(xù)測(cè)試表層下0.5 m處糧溫圖

2.3 實(shí)倉(cāng)溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

依照實(shí)倉(cāng)實(shí)驗(yàn)方法，在外界氣溫較高的季節(jié)，對(duì)1個(gè)筒倉(cāng)、3個(gè)平房倉(cāng)進(jìn)行連續(xù)溫度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8、表8，各倉(cāng)平均糧溫均低于15 ℃。在外界溫度最高的季節(jié)，進(jìn)行單日溫度測(cè)試各倉(cāng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，4種儲(chǔ)糧條件差異較大的倉(cāng)型，其平均糧溫均低于15 ℃。若依照儲(chǔ)糧模式判定規(guī)則“平均溫度低于15 ℃”這一指標(biāo)，均可判定為低溫儲(chǔ)糧模式，而表層下0.5 m處最高糧溫差異較大，淺圓倉(cāng)、未保溫平房倉(cāng)高于30 ℃，筒倉(cāng)低于30 ℃，吊頂保溫與整倉(cāng)保溫平房倉(cāng)低于25 ℃，若依照儲(chǔ)糧模式判定規(guī)則“最高溫度限制”這一指標(biāo)，則分別相差一個(gè)儲(chǔ)糧模式，由此說(shuō)明判定標(biāo)準(zhǔn)有不盡合理之處?！捌骄Z溫”作為判定指標(biāo)意義并不大，在實(shí)際儲(chǔ)糧中，因“平均溫度”指標(biāo)的存在，當(dāng)局部糧溫超過(guò)“最高溫度限制”指標(biāo)，或?qū)⒉槐徽J(rèn)為糧倉(cāng)標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)，而被認(rèn)為是偶然發(fā)生的現(xiàn)象。若將“最高溫度”作為溫度判定的唯一指標(biāo)，則可將糧倉(cāng)級(jí)別問(wèn)題展現(xiàn)出來(lái)。一些看似相同的倉(cāng)儲(chǔ)條件，因技術(shù)細(xì)節(jié)差異、氣密性不同、地域不同、人員水平不同、管理方式不同，表現(xiàn)出的儲(chǔ)糧結(jié)果不盡相同。因此，應(yīng)通過(guò)加設(shè)符合GB 29890標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的倉(cāng)體保溫、強(qiáng)化氣密性、防潮隔熱等干預(yù)措施，提高糧倉(cāng)建設(shè)的倉(cāng)儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)最高糧溫、最高倉(cāng)溫有所限定，使原有溫度場(chǎng)模型有所改變，減少“熱皮”厚度[6]，最大程度消除人為因素、管理因素對(duì)儲(chǔ)糧狀況的影響。

3 結(jié)論

處于距倉(cāng)壁和表層糧面10 cm處的糧層溫度受外界溫度影響最劇烈，表現(xiàn)為呈線性函數(shù)關(guān)系的趨勢(shì)分量與呈正態(tài)分布的日分量，20 cm及之后的糧層溫度僅表現(xiàn)為呈二項(xiàng)式函數(shù)或線性函數(shù)關(guān)系的趨勢(shì)分量。也可以說(shuō)10 cm厚的糧層起到良好的溫度阻隔效應(yīng)，同時(shí)也給糧食儲(chǔ)藏帶來(lái)了安全隱患。為消除這種隱患，需要對(duì)儲(chǔ)糧倉(cāng)設(shè)置高效保溫措施。在逐步加設(shè)保溫材料的實(shí)驗(yàn)中，呈正態(tài)分布的日分量逐漸變得平滑，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)、保溫層厚度、材料間的擬合度適合時(shí)，將消除呈正態(tài)分布的日分量。

平房倉(cāng)墻體通常為磚混結(jié)構(gòu)、倉(cāng)頂為混凝土結(jié)構(gòu)，磚墻導(dǎo)熱系數(shù)為0.40 W/(m·K)、混凝土墻體導(dǎo)熱系數(shù)為2.0 W/(m·K)，不能滿足長(zhǎng)期儲(chǔ)存糧食的需求，應(yīng)對(duì)倉(cāng)體進(jìn)行整體保溫處置，以達(dá)到安全儲(chǔ)糧之目的。淺圓倉(cāng)、筒倉(cāng)因其墻體、跨度高大，為滿足結(jié)構(gòu)上的要求以鋼筋混凝土為主體材料，其導(dǎo)熱系數(shù)不能滿足長(zhǎng)期儲(chǔ)存糧食的需要，這類倉(cāng)型更適合短期周轉(zhuǎn)所用。