儲糧通風模型的構建及其應用分析

尉堯方，王遠成，*，王興周，朱帥，都昌起，魯子楓，張曉靜

（1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東濟南250101；2.山東省糧油收儲有限公司 魯中儲備庫，山東 昌樂262400）

儲糧通風模型的構建及其應用分析

尉堯方1，王遠成1，*，王興周2，朱帥2，都昌起2，魯子楓1，張曉靜1

（1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東濟南250101；2.山東省糧油收儲有限公司 魯中儲備庫，山東 昌樂262400）

溫度和水分是小麥安全儲存過程中2個非常重要的影響因素，對糧堆通風過程進行模擬仿真可以實現(xiàn)糧堆通風過程中糧溫和水分含量的有效監(jiān)控，確保儲糧安全。文章基于多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)理論，建立了糧堆內(nèi)的通風模型，運用Fortran編程對儲糧通風時糧堆內(nèi)部熱濕耦合傳遞過程及溫度和水分變化規(guī)律進行了數(shù)值求解，并在昌樂縣魯中糧庫通風期間進行了6 d的通風實驗測試，將模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比。結(jié)果表明:模型預測的溫度、水分含量與其相應的實測數(shù)值的變化趨勢相吻合，糧堆的水分含量最大相差0.93%，溫度差值最大為2.1℃，偏差在可接受范圍內(nèi)；相同的工況下，采用建立的通風模型，F(xiàn)ortran編程模擬時間僅為0.256 s，耗時短，模型操作方便；通過程序調(diào)整物理參數(shù)，該模型也可以應用于其他具有復雜生物特性的物質(zhì)儲存中，有利于物質(zhì)的安全儲存，減少儲存中的損耗。

多孔介質(zhì)；儲糧；通風模型；Fortran編程；模擬

0 引言

糧食安全關系著國民經(jīng)濟的發(fā)展和社會穩(wěn)定。2016年我國糧食總產(chǎn)量高達6億t，但只有80%～90%的糧食能夠被合理利用。導致這一損失的主要原因是糧食在儲藏過程中被昆蟲和真菌侵蝕使糧食品質(zhì)發(fā)生劣變［1］。Holmes指出溫度和水分的影響會導致霉菌、細菌、螨蟲等的出現(xiàn)，進而使得糧食在儲存過程中產(chǎn)生了損失［2］。經(jīng)過長期的實踐和研究，人們發(fā)現(xiàn)當糧食儲藏溫度在15℃，糧食安全儲藏水分為15%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。因此，對糧堆進行冷卻干燥通風，適當?shù)乜刂萍Z堆的溫度和水分，可以實現(xiàn)糧食的安全儲藏［3］。

糧堆通風期間其內(nèi)部流動過程復雜，不僅與糧堆熱物性參數(shù)和小麥理化特性有關，而且還涉及流體力學、工程熱力學、傳熱學、生物學以及多孔介質(zhì)內(nèi)部的流動傳熱傳質(zhì)理論［4］。機械通風通過引入糧倉外的冷空氣與糧堆中的濕熱空氣進行熱質(zhì)交換，使糧食保持在安全的溫度和水分含量。適時選擇機械通風為糧倉安全儲存發(fā)揮了重要作用。隨著研究的深入，馮黎明等開展了糧倉通風降溫的實驗研究［5］。呂宗旺等通過建立實倉物理模型進行CFD數(shù)值模擬，通過對比模擬結(jié)果和實驗結(jié)果優(yōu)化通風數(shù)學模型［6］。王遠成等對大型房式倉地上籠糧堆溫度和水分的變化規(guī)律和圓筒倉內(nèi)自然對流對糧堆熱濕傳遞的影響以及倉儲糧堆內(nèi)糧食溫度和水分變化規(guī)律進行了數(shù)值模擬［7-10］。張曉靜等通過搭建實驗臺驗證了程序模擬結(jié)果的可靠性［11］。

針對上述文獻中采用的數(shù)值模擬計算周期長、占用內(nèi)存大、對計算機配置要求高等問題，文章采用Fortran編程設計了一套新的數(shù)學模型，對通風過程中糧堆內(nèi)部的溫度和水分變化進行了模擬，并在昌樂縣魯中糧庫進行為期6 d的通風實驗測試。最后將實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進行對比，以驗證該模型的準確性和可行性。

1 儲糧通風模型的建立

1.1 物理模型

實驗選取了魯中糧庫40號倉進行了垂直通風實驗測試研究。糧倉為平房倉，長 ×寬為27.48 m ×23.34 m；糧種為小麥，容重為770 kg／m3，裝糧高度為5.5 m，糧庫實際庫存2738.16 t。風機型號為YS90S-4（風機為1.1 kW的軸流風機，風量為12812 m3／h，風壓為232 Pa），通風口數(shù)量為4個，風機安裝位置如圖1所示。噸糧通風量為3.68 m3／（h·t），通風形式為一機兩道式，通風籠采用魚鱗式通風道，通風開孔率為25%。通風籠尺寸和位置如圖2所示。

圖1 40號倉通風系統(tǒng)圖

實驗中，4層糧倉分別為下層、中下層、中上層、上層。40號倉采用的是垂直上通風形式，通風時打開糧倉南立面兩個軸流風機，風機抽吸糧倉頂部空氣至室外，造成糧倉內(nèi)部負壓環(huán)境，在壓差作用下空氣從下部通風口進入地上籠穿過糧堆并被排出室外，完成糧倉的通風過程［12］。通風示意圖如圖3所示。

圖2 40號倉通風籠平面布置圖／mm

圖3 垂直上通風示意圖／m

1.2 數(shù)學模型

糧堆是由糧食顆粒堆積而成的，是一種典型的多孔介質(zhì)。通風的過程是糧粒與周圍空氣進行熱濕交換的過程，即多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)過程。通過建立熱平衡公式、水分平衡公式等來描述糧堆內(nèi)的熱濕傳遞過程。

1.2.1 熱平衡公式

根據(jù)局部熱平衡理論，熱平衡公式可以由式（1）表示為

式中:ma為空氣的質(zhì)量，kg／h；Δt為時間增量，h；mg為糧層中的小麥質(zhì)量，kg；cpw為小麥的比熱值，kcal／（kg·℃）；hi、h0分別 為進 風焓、出風 焓，kcal／kg；Tw、T0、Ti分別為糧堆內(nèi)部溫度、進風溫度、出風溫度，℃；l為小麥水分中的蒸發(fā)潛熱，kcal／kg；ls為自由水分的蒸發(fā)潛熱，kcal／kg。

Viravanichai給出了Tw在-33.5至21.8℃時的小麥的cpw值，由式（2）［13］表示為

l／ls和ls的計算公式由式（3）、（4）［14］表示為

式中:M為小麥的水分含量（干基）。

1.2.2 水分平衡公式

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，水分平衡公式由式（5）表示為

式中:md為糧層中的固體質(zhì)量，kg；Wi為空氣的初始濕度比率；W0為時間增量Δt內(nèi)空氣的濕度比率；M0為時間增量 Δt內(nèi)模擬的小麥對水分（干基）；Mi為小麥堆的初始水分（干基）。

1.2.3 模型實現(xiàn)

模型是根據(jù)薄層理論基于局部熱質(zhì)平衡原理和熱濕耦合規(guī)律采用集總參數(shù)的方法建立的。倉儲糧堆是一種復雜的多孔介質(zhì)，其復雜性主要表現(xiàn)在2個方 面 ［15］:

（1）倉儲散裝小麥糧堆孔隙不確定，因為小麥籽粒的堆放形態(tài)具有隨意性；

（2）小麥堆與普通多孔介質(zhì)不同，由于其本身具有的生物特性，使其具有吸濕和解吸濕的性質(zhì)。

空氣流經(jīng)糧堆進行熱質(zhì)交換，若以小麥堆整體作為研究對象，會使問題復雜化。因此，為方便模型建立，根據(jù)薄層理論將小麥堆沿氣流方向劃分為相同厚度的薄層，以薄層為基礎進行數(shù)值模擬計算［16］。

基于Fortran語言將建立的數(shù)學模型編程，對公式求解。程序運行初始，需要調(diào)入進風狀態(tài)參數(shù)文件，文件內(nèi)容包括空氣逐時的溫度和相對濕度、糧堆的深度、糧層的厚度、空氣流速、谷物的初始水分和初始溫度等，運行程序，可以得到糧食通風后的溫度、濕度、水分含量等值。將模擬數(shù)值和實驗所測的數(shù)值利用origin軟件繪制圖表，可以直觀地進行對比分析。Fortran運行界面如圖4所示。

圖4 程序運行界面圖

2 儲糧模型初始參數(shù)及實驗數(shù)據(jù)測定

2.1 實驗數(shù)據(jù)測定

魯中糧庫40號倉具體通風時間為2016年10 月22日上午8時～2016年10月28日上午8時，通風時長為144 h，為降溫降水通風過程。進入糧倉內(nèi)的空氣是室外大氣，室外空氣溫濕度用溫濕度儀進行逐時的監(jiān)測及記錄。用糧情監(jiān)測系統(tǒng)對糧食溫度進行逐時的監(jiān)測。溫度傳感器采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)式數(shù)字溫度傳感器DS1820，熱電偶測溫范圍為-55～+125℃，測溫誤差≤±0.5℃。其測溫探頭布置在糧堆高度0.8、2.3、3.8、5.3 m處，每層選取5個探頭，平面布置如圖5所示。

圖5 測點布置平面圖／m

同樣在測糧食水分時，在這些測溫點取樣，測定糧食的水分含量。取樣時做好標記，且每次取樣應裝滿存放袋，以滿足筒式糧食水分快速測定儀的使用要求。將樣品帶回實驗室靜置3 h，使糧食溫度達到室溫，然后用筒式糧食水分快速測定儀QLY-T型（青州巨豐）測定每個樣品的水分含量，如圖6所示。此筒式糧食水分快速測定儀具有讀數(shù)穩(wěn)定、直觀、方便、測量精度高、測試速度快的特點，適用于測定小麥的水分含量。最后對每一層樣品的水分含量取平均值，作為所在糧層糧食的水分含量。

圖6 QLY-T型水分測定儀圖

進風的表觀風速通過在通風口處利用L型畢托管、壓力計，采用分環(huán)法測得［17］。具體測量方法如下:

（1）根據(jù)通風口內(nèi)徑480 cm將圓管截面分為4個面積相等的同心圓環(huán)，在各圓環(huán)的中心線上布置測點，經(jīng)計算畢托管直管插入長度分別為15、50、93、155、325、387、430、464 cm，在直管相應位置做標記。

（2）為正確選擇測量點斷面，確保測點在氣流流動平穩(wěn)的直管段，在距端口2 m處的風管上進行水平和豎直方向穿孔，皮托管測量時應當將全壓孔對準氣流方向，以指向桿指示，靜壓在氣流的垂直方向上。測量點插入孔應避免漏風，可防止該斷面上氣流干擾。用皮托管只能測得管道斷面上某一點的流速，但計算流量時要用平均流速，由于斷面流量分布不均勻，因此斷面上應多測幾點，以求取平均值。風速測定如圖7所示。

圖7 風速測定示意圖

（3）將壓差轉(zhuǎn)換成表觀風速，其換算由式（6）

圖8 進風溫度圖

3 模型模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比分析

3.1 糧堆溫度的對比分析

糧庫通風144 h后，運用Fortran程序得出的溫度、水分含量值與測試數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖10所示。

圖10中，通風前糧堆中心溫度高、上下層糧溫低。因為夏季糧食入庫以來，室外氣溫高，不能進行很好的通風，糧食堆積起來之后由于中心處糧堆的熱量不能有效的散出，造成中心溫度高于上層和下層的溫度。由圖10（a）～（c）可知，通風結(jié)束后每層的糧堆都得到了有效的降溫。圖10（d）中上層糧食表示為

式中:ρ為空氣密度，取1.2 kg／m3；ΔP為各測點壓差值的平均值，Pa；v為空氣流速，m3／s。

2.2 初始參數(shù)設定

取得相關參數(shù)后，對通風過程進行程序模擬，經(jīng)回歸分析，糧層厚度取15.2 cm，具體通風參數(shù)見表1。為驗證模型的準確性，程序模擬時設置的時間步長為4 h，每隔4 h程序會調(diào)取相應時刻的溫度、相對濕度值進行運算并輸出結(jié)果值，程序總運行時間為0.256 s，進風溫度、相對濕度分別如圖8、9所示。溫度先上升然后通風一段時間后溫度有所下降最后達到平衡，原因是剛開始通風的時候糧倉下層由于釋放潛熱導致上層糧食溫度上升，隨著通風時間的延長糧食溫度開始下降。程序模擬的糧溫和糧情檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)值具有相同的變化趨勢，程序模擬的糧食溫度比系統(tǒng)的測量值普遍偏低，但模擬結(jié)果與實驗結(jié)果最大溫差為2.13℃，在溫度預測誤差允許范圍內(nèi)。

表1 糧庫測定的初始參數(shù)

圖9 進風相對濕度圖

3.2 糧堆水分含量的對比分析

在不同時刻下，隨著糧堆高度的增加小麥水分的對比結(jié)果如圖11所示。

圖10 糧堆各層溫度隨通風時間的變化圖

圖11 糧堆各層水分隨著通風時間的變化圖

就糧食水分而言，由圖11（a）～（d）可知:在通風時，糧堆自下往上糧食水分存在上層水分比下層水分高的現(xiàn)象，并且隨著通風時間的延長，上下層水分差值越來越小。通風24 h時水分含量的程序模擬值和實測值相差很小，通風96 h時，程序模擬的水分含量比實際測量值普遍偏低，這是因為通風后期經(jīng)過傳熱傳質(zhì)籽粒間空氣與通風前期相比更接近于平衡狀態(tài)，使得水分的實際傳遞速率要更大。且通風結(jié)束后，糧堆內(nèi)部的水分含量平均值為12.5%，這將有效的防止蟲害和霉變，有利于提高儲糧的穩(wěn)定性。程序模擬的水分含量與人工取樣實際測量的值變化趨勢相同，模擬值與實驗值的最大差值出現(xiàn)在通風96 h時，2.3 m糧堆處，僅差0.93%。通過對兩者水分含量的對比分析進一步了驗證這一模型的準確性和可靠性。

4 結(jié)論

基于局部熱平衡原理，采用Fortran編程模擬了昌樂糧庫不同糧層的糧食溫度和水分隨時間的變化情況，并與實驗測得數(shù)據(jù)對比分析表明:

（1）程序模擬的糧食溫度、水分含量與其相應的實測值變化趨勢相吻合，糧堆的水分含量最大相差0.93%，溫度差值最大為2.1℃。雖然存在偏差，但偏差不大，在可接受范圍內(nèi)。驗證了模型的準確性和可靠性，通過分析誤差產(chǎn)生的原因?qū)⑦M一步完善模型。

（2）相同的的模擬工況下，采用文章建立的模型模擬時間僅為0.256 s，耗時短，且模型操作方便，占用內(nèi)存小，相比于其他流體模擬軟件具有更大的優(yōu)勢。

（3）通過昌樂糧庫實倉測試驗證了由Fortran程序設計的數(shù)學模型的實用性。通過程序調(diào)整物性參數(shù)，模型也可以應用于其他具有復雜生物特性的物質(zhì)儲存中，將有利于物質(zhì)的安全儲存，減少儲存過程的損耗，從而提高經(jīng)濟效益，也對以后的安全儲糧有著重要的指導意義。

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（學科責編：趙成龍）

Construction and application analysis of ventilation model for grain storage

Yu Yaofang1，Wang Yuancheng1，*，Wang Xingzhou2，et al.
（1.School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Luzhong Grain Depot of Shandong Creal＆Oil Reserve Ltd.Co，Changle 262400，China）

The temperature and moisture content of wheat in the safe storage process is two very important factors，and the simulation of the grain filling process can realize the real-time and effective monitoring of the grain moisture content in the process of grain storage ventilation，and ensure the safety of grain storage.The paper，based on the heat and mass transfer in the porousmedium theory，established the model of grain interior ventilation，and by using Fortran programming to numerical simulation the internal heat coupled moisture transfer process and the variation of temperature and water of ventilation in the grain silo，made a test in Changle County of Shandong Province during grain storage ventilation for 6 days.Through the comparison of simulation results and measured data，the results show:the change trend of temperature and moisture content is consistent with the measured value of model prediction，the maximum difference of moisture content of grain is 0.93%，the maximum temperature difference is 2.1℃，deviations are within acceptable limits；in the same condition，the ventilation model，F(xiàn)ortran programming simulation time is only 0.256 s，the model with short time，convenient operation；through the process of adjusting the physical parameters，themodel can also be applied to other complex biological characteristics of thematerial storage，and it is beneficial to create a safety storage environment and reduce the loss in storage.

porousmedium；grain storage；ventilation model；Fortran programming；simulation

TS205

A

1673-7644（2017）03-0251-07

2017-04-18

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0400100，2016YFD0401002）；國家糧食公益專項（201513001）；國家自然基金資助項目（51276102）

尉堯方（1992-），女，在讀碩士，主要從事多孔介質(zhì)熱質(zhì)傳遞等方面的研究.E-mail:yuyaofangde＠163.com

*：王遠成（1963-），男，教授，博士，主要從事復雜系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)等方面的研究.E-mail:wycjn1＠163.com