王遠(yuǎn)成 季振江 王雙林 曲安迪 杜傳致

(山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院1,濟(jì)南 250101)(河北清苑國家糧食儲備庫2,保定 071100)(中儲糧成都糧食儲藏科學(xué)研究所3,成都 610000)

影響糧食儲存的兩個重要因素是溫度和水分，經(jīng)過長期的實踐和研究，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)糧食溫度低于 15℃(糧食安全儲藏的溫度)時，糧食水分在 12%～14.0%(不同儲糧生態(tài)區(qū)域以及不同糧種會有差異)時，可以有效地避免蟲害的發(fā)生，抑制糧堆中生物體的生命活動，延緩儲糧品質(zhì)的劣變。Holmes[1]在研究報告中指出，水分和溫度將直接影響糧食的霉變和蟲害進(jìn)而導(dǎo)致糧食的損失。因此控制糧堆內(nèi)溫度和水分的變化，是糧食存儲的重要技術(shù)手段。就倉機(jī)械通風(fēng)在糧食儲藏中具有降溫效果顯著、費(fèi)用較低等特點，在確保儲糧安全方面，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2]。1971 年 Sinha[3]提出，減少儲糧變質(zhì)的一種方法是通過冷卻干燥通風(fēng)把它降低到一個安全溫度和安全水分。1990 年 Wilkin等[4]提出，糧食儲藏期間通過冷卻通風(fēng)降低儲糧溫度可以有效控制蟲害，并減少殺蟲劑的使用。

目前研究糧堆內(nèi)部熱濕傳遞過程的方法有現(xiàn)場觀測方法(實倉測試)，現(xiàn)場觀測方法所得到的結(jié)果無疑是可靠的，但現(xiàn)場觀測方法需要投入較大的人力物力，成本較高，而且結(jié)果不具有可重復(fù)性?；谟嬎懔黧w動力學(xué)的數(shù)值模擬方法是國外近年發(fā)展起來的一種研究流動、傳熱傳質(zhì)等現(xiàn)象的新方法，它可以形象地再現(xiàn)流動、熱濕傳遞過程的情景，為研究儲糧通風(fēng)問題提供了一個較好的途徑和手段[5]。

本研究以中儲糧成都糧食儲藏科學(xué)研究所完成的垂直向上通風(fēng)(通常稱為正向通風(fēng))的實驗工況為研究對象，采用數(shù)值模擬方法，對實驗工況進(jìn)行了完整的數(shù)值模擬，分析了在垂直向上的機(jī)械通風(fēng)過程中糧食溫度和水分的變化規(guī)律，并比較分析了實驗數(shù)據(jù)與計算機(jī)模擬結(jié)果，檢驗了模型的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，模擬了同樣的通風(fēng)條件下垂直向下(通常稱為反向通風(fēng))通風(fēng)時實驗倉內(nèi)部稻谷溫度和水分變化規(guī)律，探究了垂直向上和垂直向下通風(fēng)時的降水效果差異，并從理論上分析了其原因，以期為糧庫的儲糧通風(fēng)操作提供參考。

1 實驗裝置和實驗工況

本實驗糧倉的長寬高分別為1.5 m、1.0 m和1.8 m，底部為全開孔地板，四壁絕熱，頂部為出風(fēng)口，實驗臺如圖1所示。糧堆的高度為1.6 m，進(jìn)風(fēng)口直徑110 mm，全開孔地板開孔率25%，出風(fēng)口直徑250 mm。通風(fēng)機(jī)的型號為CF-11 No.1.5，風(fēng)機(jī)最高風(fēng)壓912 Pa，最大風(fēng)量800 m3/h，實測風(fēng)壓風(fēng)量分別為550 Pa和330 m3/h。采用自動通風(fēng)控制系統(tǒng)進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集和通風(fēng)控制，當(dāng)環(huán)境濕度低于75%時進(jìn)行通風(fēng)，至8月31日結(jié)束通風(fēng)時共通風(fēng)169.1 h，耗電28.7 kW·h。

通風(fēng)降水實驗的糧食種類為雜交秈稻，質(zhì)量為1 350 kg， 8月10日開始通風(fēng)，8月31通風(fēng)結(jié)束。初始平均濕基水分18.5%，為了測定糧食水分，事先在糧堆內(nèi)部一定的位置預(yù)埋200 g袋裝稻谷，預(yù)埋袋為網(wǎng)狀編織袋，以保證通風(fēng)透氣性能。而且由于袋裝樣品質(zhì)量較少，對周圍糧堆溫度和水分影響較小。通風(fēng)期間的快速取出預(yù)埋袋糧食，并進(jìn)行水分的測定，測定糧食水分變化情況如表1所示。采用糧情系統(tǒng)自動記錄糧溫，倉內(nèi)對角線上布置測溫線3根(底部處掛在地板的掛鉤上)，共布置測溫點8層，每層9個測溫點，每層測溫點間的距離為20 cm，第1層為下層，距底板約20 cm，1～7層埋入糧堆內(nèi)，8層位于糧層表面，實驗過程中，每10 min自動采集一次溫度數(shù)據(jù)。實測溫度變化數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 垂直向上通風(fēng)實驗裝置圖

時間1(下)層2(中下)層3(中)層4(中上)層5(上)層全倉平均原始樣19.318.419.419.416.118.5通風(fēng)12.0 h15.717.818.619.016.317.5通風(fēng)47.7 h13.617.418.118.616.616.9通風(fēng)97.3 h11.112.214.017.016.714.2通風(fēng)131.1 h10.710.911.714.716.712.9通風(fēng)169.1 h10.811.011.211.612.311.4

注：1層為最底層，5層為最上層，底層埋袋位于全開孔地板上，其他各層間距約30 cm。

表2 實測糧食溫度變化

注：*8層為最底層，1層為最上層(糧面層)，各層間距約20 cm。

2 數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)糧堆是連續(xù)性的、均勻分布的多孔介質(zhì)，糧堆內(nèi)部滿足局部熱濕平衡原理，考慮糧食顆粒的吸濕和解吸濕特性，忽略糧食的呼吸作用和蟲霉生長的產(chǎn)生的熱量和水分。糧堆內(nèi)部流動及熱濕耦合傳遞的控制方程如下[6-7]：

2.1.1 連續(xù)性方程

(1)

動量方程

(2)

2.1.2 能量方程

(3)

2.1.3 水分遷移方程

(4)

式中：ε為空隙率；ρa(bǔ)為空氣密度；ρb為糧堆的容重；dp為谷物顆粒的等效直徑；u為糧堆內(nèi)部空氣的表觀速度或達(dá)西速度；p為壓力；t為時間；為微分算子；ca、cb分別為空氣和糧堆的比熱；T為糧堆絕對溫度；W為糧堆的水分；keff為糧堆的有效導(dǎo)熱系數(shù)；μ為空氣的動力粘度。w為糧粒間空氣的絕對含濕量，Deff為糧粒間空氣中的含濕量通過糧堆的有效擴(kuò)散系數(shù)，hs為谷粒解吸或吸附熱。

2.2 數(shù)值方法

2.2.1 初始和邊界條件

按照實驗中分為5層測試稻谷水分的原則，對稻谷的初始溫度和水分同步進(jìn)行了5層分布的設(shè)置處理，通風(fēng)開始時實驗倉內(nèi)稻谷的初始溫度和水分見表3。入口風(fēng)量為330 m3/h，進(jìn)口溫度為隨著時間變化的環(huán)境溫度，送風(fēng)濕度為隨著時間變化的環(huán)境濕度，本次模擬邊界條件(通風(fēng)條件)是不斷變化的，即進(jìn)風(fēng)口的溫濕度是不斷變化的。

表3 初始糧溫和水分

2.2.2 數(shù)值方法

對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有限體積的離散，采用二階迎風(fēng)格式，計算質(zhì)量守恒方程、空氣流動的N-S和Brinkman方程、水汽遷移方程、對流傳熱方程和干燥速率方程時采用欠松弛因子的辦法使計算快速準(zhǔn)確，對壓力和速度的耦合采用SIMLPE算法，設(shè)置以上參數(shù)并進(jìn)行初始化進(jìn)行數(shù)值模擬。采用亞松弛方法來實現(xiàn)控制迭代。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 垂直向上通風(fēng)過程中糧堆溫度變化的模擬結(jié)果及分析

圖2是垂直向上通風(fēng)過程中稻谷的溫度變化的模擬和實測結(jié)果。由圖2a～圖2e可知在通風(fēng)一段時間后，糧食各層溫度的實測值和模擬值的變化趨勢幾乎一致，各層溫度值的最大誤差在2 ℃以內(nèi)，整個糧堆溫度的平均誤差為0.7 ℃。從圖2a～2b可以看出，由于通風(fēng)氣流溫度是不斷變化的，通風(fēng)口附近的糧溫隨著通風(fēng)溫度的改變而變化劇烈，上部糧溫變化相對緩慢。分析其原因在于，垂直向上機(jī)械通風(fēng)過程中，由于糧堆中存在熱阻，熱量在糧堆各層中的傳遞有遲滯效應(yīng)，這也是通風(fēng)結(jié)束時，糧堆中各層之間有溫度梯度的原因。以圖2b為例，當(dāng)外界空氣溫度升高時，在距離入風(fēng)口較近位置的糧層溫度升高，而距入風(fēng)口位置較遠(yuǎn)處的糧層溫度沒有受到影響，糧溫變化較小。

圖2f是垂直向上通風(fēng)過程中模擬的各層糧溫分布圖，可以看出，從1～8層從下至上的糧溫是隨著通風(fēng)風(fēng)溫而變化的。通風(fēng)時間為12.4 h時，各層溫度普遍降低至28 ℃左右。當(dāng)通風(fēng)時間為48.1 h時，除了最上面兩層糧層溫度為30 ℃，下面糧層溫度皆降低至25 ℃左右。當(dāng)通風(fēng)時間為97.7 h時，溫度降低十分顯著，自上至下，溫度從28～21 ℃之間變化。當(dāng)通風(fēng)時間為131.1 h時，各層溫度又有所回升。當(dāng)通風(fēng)時間為169.1 h時，由于通風(fēng)氣流溫度升高導(dǎo)致各糧層溫度又重新達(dá)到30 ℃以上，但此時各層間溫度梯度已經(jīng)變得很小。

圖2 垂直向上通風(fēng)時各層平均溫度實測值與模擬值的對比及各層平均溫度的變化圖

3.2 垂直向上通風(fēng)過程中糧堆水分變化的模擬結(jié)果及分析

圖3是垂直向上通風(fēng)過程中稻谷的水分變化的模擬和實測結(jié)果?？梢钥闯觯捎谕L(fēng)過程在控濕措施，即始終保持通風(fēng)氣流的濕度小于75%。此時，通風(fēng)氣流的濕度始終小于糧堆內(nèi)部的平衡相對濕度，根據(jù)解吸濕理論，糧堆內(nèi)部的水分是逐漸降低的，尤其是在通風(fēng)的47.7 h內(nèi)，通風(fēng)口附近稻谷水分下降最為明顯，上部區(qū)域稻谷水分變化緩慢。隨著通風(fēng)的不斷進(jìn)行，上部的水分最終也降低下來。由圖3a～圖3e可知，糧食各層水分實測值與模擬值的變化趨勢也基本一致，各層水分值的最大誤差在2%以內(nèi)，整個糧堆水分的平均誤差為1.1%。圖3f是通風(fēng)過程中各層模擬水分的變化圖，可以看出，在通風(fēng)過程中，各層水分總體趨勢都是逐步下降的，但水分鋒面遷移較溫度鋒面移動地慢。通風(fēng)初始階段，糧堆底部，即靠近通風(fēng)口處的水分首先降低；隨著通風(fēng)時間的不斷增加，上面各層糧堆的水分也開始降低，但相對于溫度變化而言，水分變化的過程較為緩慢。具體地說，當(dāng)通風(fēng)時間達(dá)到12.4 h時，僅有最下面兩層的水分含量變化比較明顯，其他糧層的水分含量的變化非常的小。當(dāng)通風(fēng)時間為48.1 h時，中下層的水分含量也有所明顯降低，且與最下層的水分含量相差不大，但中層及其以上的水分含量仍變化不明顯。當(dāng)通風(fēng)時間為97.7 h時，而下層及中下層的水分含量已經(jīng)顯著降至10%左右，中層和中上層的水分含量也明顯產(chǎn)生了降低，此時只有最上層糧堆的水分含量還沒有顯著的降低。當(dāng)通風(fēng)時間達(dá)到131.1 h時，五個糧層的水分含量都有了很顯著的降低，但最上層仍然有著較高的水分含量。當(dāng)通風(fēng)時間達(dá)到169.1 h時，所有糧層的水分都已經(jīng)降低至較為一致的水平。

通過以上分析和比較，可以看出，采用數(shù)值模擬方法可以有效地反映通風(fēng)過程在糧堆內(nèi)部溫度和水分的變化規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)之所以有誤差，主要是由于稻谷的孔隙率、平衡水分、糧?？障兜挠厍室约拔鼭?解吸濕速率常數(shù)的取值，國內(nèi)目前還沒有可靠的數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬中都是參考國外的數(shù)據(jù)而設(shè)定的，因此，在模擬水分遷移的過程中，必然會出現(xiàn)一定的誤差。下一步，將對模型進(jìn)行修正，逐步調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使得模擬結(jié)果更加接近實際。

圖3 垂直向上通風(fēng)時各層平均水分實測與模擬值的對比及各層水分平均變化圖

3.3 垂直向下通風(fēng)的數(shù)值模擬與垂直向上通風(fēng)模擬結(jié)果的比較

為了比較不同通風(fēng)方向的降水效果，采用相同的初始和邊界條件，即稻谷初始溫度、初始水分、通風(fēng)氣流的溫濕度和通風(fēng)量與垂直向上通風(fēng)時的相同，模擬了垂直向下通風(fēng)過程中實驗倉內(nèi)稻谷的溫度和水分變化規(guī)律。圖4和圖5是垂直向上和向下通風(fēng)時流場布圖。

圖4 垂直向上通風(fēng)的流場圖

圖5 垂直向下通風(fēng)流的場圖

圖6和圖7是垂直向上通風(fēng)與垂直向下通風(fēng)的效果的數(shù)值模擬結(jié)果的比較。從圖6和圖7中可以看出，相同的糧堆初始溫度和水分、相同的通風(fēng)條件，兩種不同的通風(fēng)方向時，最終糧溫非常接近，但最終的水分則不相同。即盡管兩種通風(fēng)方向的降溫效果完全相同，但降水效果卻不一樣。相對于垂直向上通風(fēng)而言，垂直向下的通風(fēng)時，更有利于降水。分析原因，主要是由于沿著糧層溫度梯度方向通風(fēng)(從糧層溫度底處向溫度高處通風(fēng))可有效提高出口溫度，從而增大出口的絕對含濕量，提高降水速率。

這種現(xiàn)象，可以從理論上進(jìn)行分析。根據(jù)熱力學(xué)原理，可知進(jìn)出口氣流含絕對濕度din、dout與進(jìn)出口氣流溫度T和相對濕度RH成正比，即d=0.622·RH·Psb/(B-RH·Psb)(kg/kg),B為大氣壓，Psb為飽和蒸汽分壓。通風(fēng)過程中糧堆水分的變化量M=ρqf(dout-din)，其中，ρ為空氣密度，qf為通風(fēng)量。在通風(fēng)量一定的情況下，(dout-din)越大，則M越大。當(dāng)進(jìn)倉氣流溫度和相對濕度一定時，即din相同時，dout越大，M也就越大。所以，提高出倉氣流溫度和相對濕度可以加快糧食水分的降低。因而，沿著糧層溫度梯度方向通風(fēng)(從糧層溫度底處向溫度高處通風(fēng))，可以有效提高降水率。從表3可以看出，實驗倉內(nèi)部上層糧溫低于底層的糧溫，垂直向上通風(fēng)是逆溫度梯度的通風(fēng)，而垂直向下通風(fēng)則是沿著溫度梯度方向的通風(fēng)。因此，垂直向下通風(fēng)更有利于降水。

圖6 垂直向上和向下通風(fēng)時糧溫比較

圖7 垂直向上和向下通風(fēng)時水分比較

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方法，模擬分析了糧堆內(nèi)溫度和水分在垂直機(jī)械通風(fēng)過程中的變化規(guī)律并與實測值進(jìn)行了對比分析，驗證了該模型的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，探究了垂直向上(正向)和垂直向下(反向)通風(fēng)時的降水效果。研究結(jié)論如下：

垂直通風(fēng)過程中，糧堆各層溫度和水分的實測值和模擬值的變化趨勢幾乎一致，而且各層之間的實測值和模擬值平均誤差在0.7 ℃和1.1%以內(nèi)，數(shù)值模擬方法可以有效和形象地反映通風(fēng)過程中糧堆內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)規(guī)律。

就倉通風(fēng)時，控制通風(fēng)氣流的濕度，使之小于糧堆內(nèi)部平衡濕度，可以實現(xiàn)就倉降水通風(fēng)，從而達(dá)到就倉降水通風(fēng)的目的。

相比較而言，在通風(fēng)條件相同時，沿著糧堆溫度梯度方向通風(fēng)，降水效果更加明顯。