基于絕對水勢圖的儲糧通風作業(yè)管理初探

吳文福 陳思羽,2 韓 峰 張亞秋 張忠杰 吳子丹

(吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院1，長春 130022) (佳木斯大學機械工程學院2，佳木斯 154007) (國家糧食局科學研究院3，北京 100037)

基于絕對水勢圖的儲糧通風作業(yè)管理初探

吳文福1陳思羽1,2韓 峰1張亞秋1張忠杰3吳子丹1

(吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院1，長春 130022) (佳木斯大學機械工程學院2，佳木斯 154007) (國家糧食局科學研究院3，北京 100037)

基于吉布斯自由能及熱力學第一、二定律，深入分析糧食倉儲過程中糧食籽粒及空氣的水分遷移，建立了糧食籽粒和空氣的絕對水勢計算模型，解析基于能量場的濕熱糧堆通風條件。以小麥為例，繪制初始溫度為20 ℃，含水量為14.5%(w.b.)的小麥絕對水勢圖，建立了基于絕對水勢能的小麥機械通風窗口，通過判斷空氣當前狀態(tài)點處在小麥通風窗口的位置，快速準確的判斷糧食是否需要進行調(diào)質(zhì)、降溫或降水通風作業(yè)。在小型儲糧倉的通風試驗中，試驗開始時空氣絕對濕度10.24 mmHg，絕對水勢能981.99 kJ/kg，糧食絕對濕度14.44 mmHg，絕對水勢能1 040.56 kJ/kg，系統(tǒng)判斷并執(zhí)行降水通風。通風結(jié)束后糧食的絕對水勢能由最初1 040.56 kJ/kg降到994.16 kJ/kg，預(yù)測倉內(nèi)平均降水0.5%，實際降水0.49%，滿足實際要求。利用谷物與空氣的絕對水勢能進行通風判斷和圖形化管理機械通風作業(yè)，相比于原始低效的溫、濕度處理方法，此圖形化管理能時時反映糧食與空氣的當前狀態(tài)，快速準確的進行通風判斷，減少無效和低效通風，降低了能耗，提高了工作效率。

糧食倉儲 通風 絕對水勢 濕熱調(diào)控

儲糧過程中，影響倉內(nèi)生態(tài)變化的主要因素是糧堆及倉儲環(huán)境的濕度和溫度。濕熱糧堆與空氣溫度和濕度的梯度會造成能量遷移。國內(nèi)外很多學者針對糧食干燥[1-5]及儲藏[6-7，9-11]過程中濕熱遷移做了大量的研究。Neil等[12]指出隨著溫度的升高，水分子的激發(fā)態(tài)提高，然而較高的溫度增加了水分子之間的距離，減少了水分子之間的吸引力，隨著溫度的增加，這種狀態(tài)導(dǎo)致了物料含水率的降低。Bupet等[13]表明隨著溫度的增加，水分子所需打破吸附物和吸附劑之間吸引力的能量逐漸減小，從而加速了解吸過程。

儲糧機械通風能夠降低或均衡糧堆溫度和含水率，保持糧食品質(zhì)，是有效的綠色安全儲糧方法[14]。中國糧倉的通風管理經(jīng)歷了由人工經(jīng)驗判斷到模型圖表判定，由人工到自動化和智能化控制的過程[15-18]。但是，在機械通風時，往往會伴隨能耗過大、過度通風等現(xiàn)象，造成儲糧水分損失，直接影響糧庫經(jīng)濟效益及糧食加工品質(zhì)[19-21]。目前，針對儲糧通風過程能量遷移的研究較少，實際管理中易出現(xiàn)過度通風，導(dǎo)致能源過度消耗。本研究基于濕熱糧堆水分遷移的動力學分析，將絕對水勢引入儲糧機械通風管理中，在描述空氣與糧食能量狀態(tài)的絕對水勢圖上，分析糧食與空氣的絕對水勢的變化趨勢來確定水分的遷移方向，為實現(xiàn)高效、合理、節(jié)能通風提供了參考。

1 濕熱糧堆水分遷移的動力學解析

從能量角度看，糧堆內(nèi)的溫、濕度梯度導(dǎo)致了系統(tǒng)的熱功轉(zhuǎn)換。根據(jù)熱力學第一定律，在系統(tǒng)的熱功轉(zhuǎn)換過程中，系統(tǒng)吸收熱量一部分轉(zhuǎn)換成自身的內(nèi)能，另一部分對外做功。內(nèi)能本質(zhì)上是物質(zhì)的分子動能和分子間相互作用勢能的總和?；诩妓棺杂赡芗盁崃W第一、二定律，系統(tǒng)中的吉布斯自由能：

G=E+pV-TS

(1)

式中：G為自由能/kJ；E為內(nèi)能/kJ；p為壓強/Pa；V為體積/m3；S為熵，kJ/KT；T為溫度/℃。移項得：

TdS=dE+pdV-dG

(2)

由于焓定義的熱力學第一定律的解析式為：

dh=dE+pdV+vdp

(3)

式中：h為理想氣體的焓/kJ/kg，本試驗指在等溫條件下，糧食內(nèi)部水分在溫度為Tg時的汽化潛熱。將式(3)帶入式(2)得：

TdS=dh-vdp-dG

(4)

對式(4)兩邊積分得：

(5)

其中，

(6)

(7)

式中：Rv為水蒸氣氣體常數(shù)，0.461 9 kJ/(kg·K)；Ta為空氣的熱力學溫度/K。式(7)體現(xiàn)了在等溫條件下，糧食水分由液態(tài)變成氣態(tài)對環(huán)境所做的功，等于水分從環(huán)境中獲得的能量。

(8)

式中：ps為飽和水蒸氣分壓/Pa；Tg為水蒸氣的溫度/K；G為水蒸氣從糧食內(nèi)部遷移到糧食表面蒸發(fā)單位質(zhì)量水分消耗的自由能，在數(shù)值上等同于水分與糧食的結(jié)合能[22-23]。

結(jié)合上述分析，得到從物料中汽化、蒸發(fā)所需能量計算式:

(9)

式中：q為從糧食中汽化蒸發(fā)單位質(zhì)量的水分所消耗的熱能/kJ/kg。

依據(jù)分析可知，從糧食中汽化、蒸發(fā)水分所消耗的熱能由三部分組成，分別是水分汽化潛熱、水分對外界環(huán)境做的功、水分的結(jié)合能。糧食內(nèi)部液態(tài)水分從外部獲得熱能后，克服糧食內(nèi)部阻力做功，從糧食內(nèi)部遷移到達糧食表面過程需要消耗水蒸氣分壓，其來自于內(nèi)部飽和蒸汽壓與糧食表面水蒸氣分壓之間的壓差。而水分從糧食中蒸發(fā)遷移至空氣中，必須要克服水分與糧食之間的結(jié)合能。糧食水分遷移是熱功轉(zhuǎn)換與傳遞做功的結(jié)果，消耗系統(tǒng)的熱能。

因此，在整個蒸發(fā)過程中，水分發(fā)生了遷移，總能為：

(10)

糧食內(nèi)部水分遷移所消耗的能為：

(11)

水分從糧食表面向空氣遷移所需能為：

(12)

令

(13)

(14)

則

Δ=q-qg=Eg-Ea

(15)

式中：Eg為糧食的水分遷移勢/kJ/kg；Ea為空氣的水分遷移勢/kJ/kg；qg為糧食內(nèi)部水分遷移所消耗的能kJ/kg。

當Δ=0時，總功與糧食內(nèi)部消耗的能相等，糧食水分與空氣水分處于平衡狀態(tài)，不發(fā)生遷移。糧食的水分遷移勢與空氣的水分遷移勢相等Eg=Ea。

當Δ<0時，總功小于糧食內(nèi)部遷移所消耗的能，糧食消耗內(nèi)能對外做功，糧食內(nèi)部結(jié)合能減小，水分子與位點結(jié)合所需能量小，糧食水分增加?？諝馑窒蚣Z食表面遷移，糧食處于吸附狀態(tài)?？諝獾乃诌w移勢大于糧食的水分遷移勢Ea>Eg。

當Δ>0時，總功大于糧食內(nèi)部遷移所消耗的能，糧食從環(huán)境中獲得能量使水分子脫離位點的束縛，水分從糧食內(nèi)部向空氣遷移，糧食處于解吸狀態(tài)。糧食的水分遷移勢大于空氣的水分遷移勢Eg>Ea。

2 基于能量場的濕熱糧堆通風條件

2.1 谷物與空氣的絕對水勢

2.1.1 絕對水勢

糧食平衡絕對濕度和空氣絕對濕度是儲糧通風判斷的重要參數(shù)。2002年建立的LS/T 1202—2002《儲糧機械通風技術(shù)規(guī)程》中指標之一是儲糧與大氣的平衡絕對濕度[24]。李興軍等[25]擬合并繪制了小麥、稻谷及玉米的平衡絕對濕度曲線及平衡相對濕度曲線。曲線中溫度的變化對通風中處于干燥或吸濕狀態(tài)的糧食絕對濕度影響顯著。因此，在通風過程中采用平衡絕對濕度進行條件判斷。基于能量分析，令

Ejg=RvTg·ln(EAHg)

(16)

Eja=RvTa·ln(AHa)

(17)

式中：EAHg為溫度Tg條件下糧食的平衡絕對濕度(水汽分壓值)/Pa；AHa為溫度為Ta時，空氣的絕對濕度/Pa；Ejg為糧食的絕對水分遷移勢/kJ/kg；Eja是空氣的絕對水分遷移勢/kJ/kg。則：Ejg=Eja，糧食水分與空氣水分處于平衡狀態(tài)；Eja>Ejg，空氣水分向糧食表面遷移，糧食處于吸附狀態(tài)；Ejg>Eja，水分從糧食內(nèi)部向空氣遷移，糧食處于解吸狀態(tài)。

2.1.2 絕對濕度

吳子丹等[14提出了絕對濕度的表達式(18)，利用式(18)可計算不同溫度及水分條件下，糧食的平衡絕對濕度。式中：EAH為糧堆內(nèi)任一點的糧食平衡絕對濕度/Pa；M為糧食濕基含水率/%；t為該點的糧食溫度/℃；A1、A2、B1、B2、D為不同糧種解吸和吸附不同狀態(tài)下的擬合系數(shù)。

不同溫度及相對濕度條件下，空氣的絕對濕度值[15]可由式(19)計算。式中：AHα為空氣絕對濕度/Pa；RHα為空氣相對濕度/%；tα為空氣溫度/℃。

將式(18)與式(19)分別帶入式(16)與式(17)可求出糧食與空氣的絕對水分遷移勢簡稱絕對水勢。

87.72×133.3

(18)

133.3

(19)

2.2 基于絕對水勢的濕熱糧堆自然通風條件解析

2.2.1 絕對濕度圖

目前，中國儲糧通風過程中需要根據(jù)糧堆溫度、糧食含水率、空氣溫度、空氣濕度以及不同糧食品種等參數(shù)，按照有關(guān)公式或圖表計算糧堆平衡濕度、倉內(nèi)倉外的絕對濕度等。

現(xiàn)在通風管理中使用的絕對濕度圖，可以方便查定倉內(nèi)糧食對應(yīng)的平衡絕對濕度及露點溫度，但是由于絕對濕度曲線過于密集，在圖中對于描繪溫度相近且含水率不同的倉內(nèi)多點糧食平衡絕對濕度很困難。圖1為現(xiàn)在通風管理中使用的小麥解吸及吸附絕對濕度圖。例如，溫度在20 ℃時，濕基含水率為14%和16.5%的小麥在圖中差別并不顯著，依照現(xiàn)行通風標準，很難在絕對濕度圖上實現(xiàn)準確的多點通風圖形化管理。

為了彌補現(xiàn)有方法的不足，本研究將能量判斷法引入通風管理中，繪制了絕對水勢圖。在絕對水勢圖中，即使多個糧食點的解吸線與吸附線同時繪出也能清晰的反映糧倉內(nèi)糧食的當前狀態(tài)及通風過程中糧食與空氣的能量遷移，并可通過比較糧食和空氣絕對水勢所在的窗口位置直接進行通風管理。

圖1 小麥吸附及解吸絕對濕度圖

2.2.2 絕對水勢圖

以初始溫度20 ℃，初始濕基含水率14.5%的小麥為例，分析糧食在自然通風和機械通風過程中的絕對水勢變化及通風條件。

小麥在自然通風過程中的絕對水勢圖，如圖2。由于我國通風規(guī)程中絕對濕度使用的單位mmHg，且1 mmHg=133.3 Pa在繪圖中使用mmHg表達絕對濕度更為簡潔，可作為絕對濕度的單位。

注：A1為糧食露點溫度，F(xiàn)為糧食溫度，M為糧食初始狀態(tài)點，CN為空氣飽和絕對水勢線。圖2中，帶□線表示小麥的吸附線，帶○線表示小麥的解吸線。A1BC為降溫窗，A1B1C1為降水窗，A2B2C2D2為調(diào)質(zhì)窗，★為空氣狀態(tài)點。圖2 基于絕對水勢的小麥自然通風窗口

若空氣溫度及絕對濕度線匯合在星1位置時，處于降溫窗內(nèi)，可進行自然降溫通風。在通風過程中，糧食溫度及絕對濕度逐漸下降，糧食與空氣的絕對水勢差逐漸減小。隨著糧食位置點向空氣位置點遷移，糧食與空氣的相對位置不斷發(fā)生變化，當空氣位置點不處于糧食位置點對應(yīng)的降溫窗時，不再適宜自然降溫通風。

若空氣當前溫度及絕對濕度線匯合在星2位置時，處于降水窗內(nèi)。此時，糧食的絕對水勢大于空氣的絕對水勢，糧食表面水分向空氣遷移，糧食處于解吸狀態(tài)，可進行自然降水通風。

若空氣當前溫度及絕對濕度線匯合在星3位置時，處于調(diào)質(zhì)窗內(nèi)，空氣的絕對水勢大于糧食的絕對水勢，空氣水分向糧食表面遷移，糧食處于吸附狀態(tài)，可進行自然調(diào)質(zhì)通風。

2.3 基于絕對水勢的濕熱糧堆機械通風條件解析

2.3.1 小麥機械降溫通風

小麥在機械降溫通風中的絕對水勢圖，如圖3。若小麥與空氣初始狀態(tài)分別處于位置點1時，糧堆溫度與空氣溫度的溫差大于8 ℃，空氣與小麥的溫、濕度均滿足降溫通風條件要求，空氣狀態(tài)點1位于降溫通風窗口A1B1C之內(nèi)，可進行降溫通風。在機械通風過程中，糧食的絕對水勢不斷減小，空氣的絕對水勢不斷增加，糧食的位置點向空氣初始狀態(tài)點遷移，糧食與空氣的相對位置點不斷發(fā)生變化。經(jīng)過一段時間通風，空氣與糧堆的狀態(tài)點遷移到點2時，糧堆與大氣的溫差大于4 ℃，空氣的當前狀態(tài)點2位于通風窗口A2B2C內(nèi)，可持續(xù)降溫通風；隨著持續(xù)通風，糧食當前狀態(tài)遷移到位置3時，空氣的當前狀態(tài)點3位于通風窗口A3B3C外，不宜進行降溫通風。

圖3 基于絕對水勢的小麥機械通風降溫窗口

2.3.2 小麥機械通風降水窗

圖4為初始溫度20 ℃，含水量14.5%(w.b.)的小麥機械通風降水窗，點D、E、F分別是解吸露點溫度，吸附露點溫度和糧食溫度。若糧堆初始狀態(tài)位于點M，大氣當前狀態(tài)處于位置點1，此時，Ejg>Eja水分從糧食內(nèi)部向空氣遷移，糧食處于解吸狀態(tài)。依據(jù)現(xiàn)行標準，大氣初始狀態(tài)點處于降水通風窗口ABC之內(nèi)，滿足降水通風條件要求，可以進行降水通風；若大氣當前狀態(tài)處于位置2，Eja>Ejg空氣水分向糧食表面遷移，糧食處于吸附狀態(tài)，處于降水通風窗口ABC之外，不能進行機械降水通風。

圖4 基于絕對水勢的小麥機械通風降水窗口

2.3.3 小麥機械通風調(diào)質(zhì)窗

在調(diào)質(zhì)通風過程中Eja>Ejg，空氣水分向糧食表面遷移，糧食處于吸附狀態(tài)。圖5為糧溫20 ℃小麥的機械調(diào)質(zhì)通風窗口。若糧堆位置處于M點，大氣當前狀態(tài)處于位置點1，點G、H、F分別是解吸露點溫度，大氣露點溫度和糧食溫度。利用絕對水勢調(diào)質(zhì)通風窗口進行判斷，大氣狀態(tài)點處于調(diào)質(zhì)通風窗口ABCDE之內(nèi)，可以進行調(diào)質(zhì)通風。其中，C點為20 ℃大氣的飽和絕對濕度。同理，若大氣當前狀態(tài)點位于調(diào)質(zhì)通風窗口ABCDE之外，則不允許調(diào)質(zhì)通風。

圖5 基于絕對水勢的小麥機械通風調(diào)質(zhì)窗口

3 基于絕對水勢能的通風試驗

目前，對于倉儲糧溫度場的相關(guān)研究已經(jīng)有很多[27-28]，而針對倉內(nèi)濕度場及其調(diào)控的研究較少。本文以試驗倉內(nèi)玉米的水分為調(diào)控對象，通過機械通風促使倉外環(huán)境空氣與倉內(nèi)空氣交換，調(diào)整儲糧倉內(nèi)空氣的溫度和濕度。由于倉內(nèi)環(huán)境溫濕度發(fā)生變化，破壞了通風前倉內(nèi)糧食籽粒與其周圍空氣的平衡態(tài)。溫濕度差的存在導(dǎo)致了能量遷移，從而改變了糧食的溫度和水分。溫度和濕度梯度是能量轉(zhuǎn)移的條件，能量遷移是水分和溫度變化的一種體現(xiàn)形式，本次試驗從能量遷移的角度進行分析，改變原有的通風判斷形式，讓糧情管理更簡單便捷。

試驗設(shè)備：小型通風儲糧倉、通風設(shè)備及溫濕度采集系統(tǒng)，小型倉內(nèi)共有64個溫度采集點，在倉內(nèi)中心軸線位置有4個溫濕度采集點。試驗物料為玉米。試驗地點：吉林農(nóng)業(yè)大學食品學院實驗基地。主要儀器設(shè)備如表1所示，倉內(nèi)傳感器分布如圖6。

圖6 溫度傳感器分布

表1 主要試驗儀器設(shè)備

名稱規(guī)格/型號量程精度小型儲糧倉1600mm×1315mm×5290mm容積：35t電纜式溫度傳感器18B20-55～125℃±05℃溫濕度傳感器SHT100%～100%RH±45%RH離心風機4-72C-36A全壓：1578～989Pa

小型儲糧倉內(nèi)玉米入倉時間為2014年4月，糧層高為3 m，入倉前玉米初始含水量約為12.8%。2014年5月31開始通風試驗，本次通風試驗利用風機，由糧倉底部經(jīng)過帶孔山形板對試驗倉進行通風。

試驗開始時，倉外環(huán)境平均溫度為22 ℃，倉內(nèi)糧食平均溫度為25.05 ℃，倉外環(huán)境相對濕度為53%，倉內(nèi)糧食的平均相對濕度為65%。本次試驗?zāi)繕耍簜}內(nèi)糧食平均降水0.5%。

本試驗通過自制溫濕度采集系統(tǒng)，實時采集倉內(nèi)溫濕度，通過系統(tǒng)計算并比較空氣的絕對水勢能與倉內(nèi)玉米的平均絕對水勢能大小來控制是否繼續(xù)通風。試驗開始時，空氣的絕對水勢能為981.99 kJ/kg；糧食平均含水量為12.69%，絕對水勢能為1 040.56 kJ/kg；最終糧食的平均含水量應(yīng)為12.19%，對應(yīng)狀態(tài)的絕對水勢能應(yīng)為992.441 kJ/kg。隨著通風的進行，空氣與倉內(nèi)糧食的溫濕度不斷變化，糧食的絕對水勢能不斷下降，當空氣的絕對水勢能等于糧食平均水分為12.19%的絕對水勢能時，本次通風試驗結(jié)束。從倉內(nèi)中心軸線處預(yù)埋的溫濕度傳感器附近，取樣測得倉內(nèi)糧食的平衡水分如表2所示。

表2 糧倉內(nèi)各層平衡水分

通過計算，空氣初始與通風結(jié)束參數(shù)如表3，糧倉內(nèi)部平均參數(shù)如表4。

表3 空氣狀態(tài)參數(shù)

表4 糧食平衡狀態(tài)參數(shù)

在降水通風試驗中，預(yù)測降水0.5%，實際降水0.49%，滿足要求。

4 結(jié)論

4.1 分析基于能量場的濕熱糧堆通風條件，建立了糧堆谷物和空氣的絕對水勢模型。通過分析糧食與空氣的絕對水勢能量變化，將能量化觀念引入糧倉機械通風作業(yè)管理。

4.2 以含水量14.5%，糧溫20 ℃的小麥為例，在絕對水勢圖上建立了適合糧倉機械通風管理的降溫、降水和調(diào)質(zhì)窗口，形成了糧倉機械通風濕熱調(diào)控的新方法，為深化糧食濕熱調(diào)控的能量化分析提供借鑒。

4.3 利用小型儲糧倉進行通風試驗。試驗前，倉內(nèi)玉米平均含水量為12.69%，絕對水勢能為1 040.56 kJ/kg；通風試驗后，倉內(nèi)玉米平均絕對水勢能為994.16 kJ/kg,水分為12.20%。預(yù)測降水0.5%，實際降水0.49%，利用絕對水勢能進行通風判斷，可以滿足試驗要求。

利用谷物與空氣的絕對水勢能進行通風判斷和圖形化管理，相比于原始低效的溫、濕度處理方法能時時反映糧食與空氣的當前狀態(tài)，快速準確的進行通風判斷，減少無效和低效通風，降低了能耗，提高了工作效率，為糧食的儲藏與干燥過程中的濕熱遷移提供了參考。

[1]吳文福.玉米干燥品質(zhì)控制機理和方法的研究[D].長春：吉林大學，2003

Wu W F.Study on quality control principles and methods of drying maize[D].Changchun:Jilin University,2003

[2]尹麗妍.玉米低溫真空干燥特性及數(shù)學模型的研究[D].長春：吉林大學，2007

Yin L Y.Research on the characteristics and mathematical model of corn low-temperature vacuum drying[D].Changchun：Jilin University，2007

[3]徐澤敏.稻谷真空干燥品質(zhì)控制機理及食味特性的研究[D].長春：吉林大學，2008

Xu Z M.Study on paddy rice vacuum drying quality control and taste value characteristic[D].Changchun: Jilin University，2008

[4]徐澤敏，殷涌光，楊松波，等.基于水勢的稻谷真空干燥過程中水分遷移的試驗研究[J]．糧油加工.2007，(10)：110-112

Xu Z M，Yin Y G，Yang S B，et al.Experimental study on rice moisture migration based on water potential in the process of vacuum drying[J].Cereals and Oil Processing,2007，(10):110-112

[5]尹麗妍．基于水勢的玉米真空干燥傳熱傳質(zhì)模型及介電特性的研究[D].長春：吉林大學，2011

Yin L Y.The research of heat and mass transfer model and dielectric properties of maize under vacuum drying conditions based on water potential[D].Changchun:Jilin University，2011

[6]楊春輝．高水分玉米熱風真空組合干燥特性的研究[D].長春：吉林大學，2012

Yang C H.Research on characteristics of high moisture corn combination of hot air and vacuum drying[D].Changchun:Jilin University，2012

[7]尹君，吳子丹，張忠杰，等.不同倉型的糧堆溫度場重現(xiàn)及對比分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31(1)：281-287

Yin J,Wu Z D,Zhang Z J,et al.Comparison and analysis of temperature field reappearance in stored grain of different warehouses[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2015,31(1):281-287

[8]Jian F,Digvir S J,White N D.Specific heat,thermal diffusivity,and bulk density of genetically modified canola with high oil content at different moisture contents,temperatures and storage times[J].Transaction of the ASABE,2013,56(3):1077-1083

[9]Ali M S,Al-Amri,Sirclkhiitim K,et al.Application of a mass transfer model for simulation and prediction of moisture distribution in stored corn grains[J].Scientific Journal of King Faisal University(Basic and Applied Sciences),2004,5:197-213

[10]Wang J,Christakis N,Patel M K,et al.A computational model of coupled heat and moisture transfer with phase change in granular sugar during varying environmental conditions[J].Numerical Heal Transfer.Pari A,2004,45:751-776

[11]Gaston A,Abalon R,Bartosik R.E,et al.Mathematical modeling of heat and moisture transfer of w heat stored in plastic bags(silo bags)[J].Biosystems Engineering,2009,104:72-85

[12]Neila B,Nourhene B,Nabil K.Moisture desorption-adsorption isotherms and isosteric heats of sorption of Tunisian olive leaves[J].Industrial Crops and Products,2008,28:162-176

[13]Bup D N,Abi F C,Tenin D,et al.Effect of cooking on moisture sorption isotherms of shea nut(VitellariaparadoxaGaertn.)kernels part II:modeling and properties of sorbed watery[J].Food and Bioprocess Technology,2013,6:3273-3283

[14]吳子丹.綠色生態(tài)低碳儲糧新技術(shù)[M].北京：中國科學出版社，2011:295-318

[15]吳子丹.儲糧機械通風的計算機控制[J].糧食儲藏，1987，16(4):28-31

Wu Z D.Grain storage mechanical aeration system under the control of computer[J].Grain Storage,1987,16(4):28-31

[16]吳子丹.再談儲糧機械通風的計算機控制[J].糧食儲藏，1991，20(3):3-9

Wu Z D.Talk about grain aeration system under the control of computer[J].Grain Storage,1987,16(4):28-31

[17]吳子丹，李興軍.利用CAE 方程調(diào)控我國稻谷倉庫通風[J].中國糧油學報，2011，26(2):74-78

Wu Z D,Li X J.The use of CAE model for controlling aeration in a Chinese rough rice depot[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association,2011，26(2):74-78

[18]吳子丹，李興軍.大米和大豆CAE 方程及平衡絕對曲線圖研究[J].中國糧油學報，2013，28(1):76-81

Wu Z D,Li X J.Study on CAE model and the curve graphs of equilibrium absolute humidity of rice and soybean[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association,2013,28(1):76-81

[19]沈宗海.儲糧智能化通風控制數(shù)學模型[J].糧食儲藏，2008，37(4)：41-44

Shen Z H.Mathematic models of automatic controlling aeration system in grain storage[J].Grain Storage,2008,37(4):41-44

[20]曹毅,趙春雨,崔國華,等.儲糧機械通風智能管理控制系統(tǒng)及其控制方法[P].中國專利：200510047851.2

[21]鞏藹.糧食儲藏安全危害與控制[J].河南工業(yè)大學學報(社會科學版)，2009，5(1)：11-14

Gong A.Establishing the quality control system of grain storage and transport[J].Journal of Henan University of Technology(Social Science),2009,5(1):11-14

[22]李長友，麥智煒，方壯東.糧食水分結(jié)合能與熱風干燥動力解析法[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(7)：236-242

Li C Y,Mai Z W,Fang Z D.Analytical study of grain moisture binding energy and hot air drying dynamics[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2014,30(7):236-242

[23]李長友，馬興灶，方壯東，等.糧食干燥熱能結(jié)構(gòu)與解析法[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(9)：220-228.

Li C Y,Ma X Z,Fang Z D,et al.Thermal energy structure of grain drying by analytical method[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2014,30(9):220-228

[24]LS/T 1202—2002,儲糧機械通風技術(shù)規(guī)程[S].北京：國家糧食局糧食行政管理司，2002

[25]李興軍，吳子丹.糧堆平衡絕對濕度和露點溫度的查定方法[J].糧食加工，2011，36(4):34-36

LiX J,Wu Z D.Determination of grain stack’s equilibrium absolute humidity and dew point temperature[J].Grain processing,2011,36(4):34-36.

[26]陳龍，吳文福，秦驍，等.基于絕對水勢圖的糧倉遠程智能通風測控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31(4)：299-305.

Chen L,Wu W F,Qin X,et al.Remote intelligent measurement and control system for granary aeration based on absolute water potential diagram[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2015,31(4):299-305

[27]尹君，吳子丹，吳曉明，等.基于溫濕度場耦合的糧 堆離散測點溫度場重現(xiàn)分析[J].中國糧油學報，2014，29(12)：95-101

Yin J,Wu Z D,Wu X M,et al.Analysis of temperature field recurrence in discrete points of stored grain based on coupling of temperature and humidity fields[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association,2014,29(12):95-101

[28]張燕君，謝曉偉.大型糧倉溫度分布反演數(shù)學模型的研究[J].光學技術(shù)，2012，38(3)：288-294

Zhang Y J,Xie X W.The application of fiber Bragg grating temperature testing system in the barn[J].Optical Technique,2012,38(3):288-294.

The Moisture Migration of Heat and Humidity Grain Bulk and Granary Aeration Management

Wu Wenfu1Chen Siyu1,2Han Feng1Zhang Yaqiu1Zhang Zhongjie3Wu Zidan1

(College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University1, Changchun 130022) (College of Mechanical Engineering, Jiamusi University2, Jiamusi 154007) (Academy of the State Administration of Grains3, Beijing 100037)

Aeration system was used to reduce the deterioration of stored grain by cooling the grain reached a safe temperature. Grain in storage was subject to moisture migration caused by differences in grain temperature. In order to explore the quality and heat transfer characteristics of grain and surrounding environment, moisture migration between grain and air was analyzed based on the Gibbs free energy and the first and second law of thermodynamics. The absolute water potential models of grain and air were built by the energy field analysis. Result showed that when the total energy was equal to the energy consumption of grain internal migration, the water content of grain and air kept each other in balance; when less than the energy consumption of grain internal migration, the grain internal binding energy decreased and the air moisture transferred to the surface of grain in the adsorption state; when more than the energy consumption of grain internal migration, the water molecules broke away from the bondage of locus by obtaining the energy through the environment and the water content of grain transferred to the air from the surface of grain in the desorption state. According to the grain aeration management standards, the absolute water potential diagram was adopted to improve the aeration management by the analysis of aeration condition based on the energy field, which provided theoretical foundation for the energy analysis of grain heat and humidity control. With wheat, for example, the cooling window, the precipitation window and the tempering window were built in the absolute water potential diagram and aeration system controlled the aeration operation after judging the current atmosphere position in the aeration window of absolute water potential diagram. In the decreasing water experiment, temperature and humidity were

by the capture system and aeration system was managed by calculating and comparing the absolute water potential of air and grain. At the beginning of the experiment , the air absolute water potential was 981.99 kJ/kg, the average moisture content was 12.69%and the grain absolute water potential was 1 040.56 kJ/kg; the average moisture content was 12.20% and the grain absolute water potential was 994.16 kJ/kg at the end of the experiment. The prediction of average moisture was 12.19% and the actual average moisture decreased was 0.49% meeting the standards. At present, aeration system needs many parameters to control the process of aeration, such as grain temperature, grain moisture content, air temperature, air humidity etc.. These parameters are fit to calculate the equilibrium absolute humidity of grain and the absolute humidity of air in accordance with the relevant calculation formula or charts. In the complex absolute humidity diagram, the granary administrator had to judge whether the granary need the aeration and choose appropriate operation mode of aeration. In this paper, the absolute water potential diagram was used to replace the original absolute humidity diagram. It could manage aeration system by judging any point current position of grain and air in the absolute water potential diagram. Compared with the original inefficient processing method of temperature and humidity, the graphical management could always reflect the current state and energy migration of the grain and air. It reduced inefficient aeration and the energy consumption and speeds up the working efficiency.

grain storage, aeration, absolute water potential, heat and humidity control

S379

A

1003-0174(2017)11-0100-08

“十三五”國家重點研發(fā)計劃(2017YFD0401 003-01)。

2017-03-22

吳文福，男，1965年出生，教授，博士生導(dǎo)師，農(nóng)業(yè)機械測試與控制技術(shù)、農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)、智能機械

吳子丹，男，1955年出生，研究員，糧食儲藏、糧食流通