儲糧倉橫向保水通風的數(shù)值模擬及對比研究

俞曉靜王遠成戚禹康

(山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101)

0 引言

稻谷的儲存過程中，糧堆內(nèi)部的溫度和濕度分布是影響安全儲存的重要因素。為使糧堆的溫度和水分都處于安全儲存范圍內(nèi)，糧倉通常采用機械通風的方式，其能夠有效抑制霉菌及蟲害的滋生，使糧食得到安全儲存[1]。豎向通風系統(tǒng)的通風道設置在糧倉地面，裝糧儲糧時需耗費大量人力，而橫向通風系統(tǒng)的通風道設置于墻壁，有利于糧堆內(nèi)外的熱濕交換，糧倉內(nèi)溫度和水分分布更為均勻[2]。為保證倉內(nèi)稻谷在通風降溫的同時水分不丟失，需要對其進行降溫保水通風，合理控制糧堆的溫度和水分，因此，研究儲糧通風過程中的熱濕傳遞尤為重要。隨著計算機技術的發(fā)展和進步，國內(nèi)外眾多學者開始借助基于流體力學的數(shù)值模擬軟件，以預測分析通風糧堆內(nèi)的熱濕環(huán)境[3]。Thrope[4]基于傳熱傳質(zhì)的守恒方程建立一維模型，研究糧堆的物性參數(shù)對通風過程的影響，此方法代數(shù)計算比較繁瑣，且對復雜情況欠缺考慮。Wang等[5]和Gao等[6]利用數(shù)值模擬方法對谷物的降溫干燥過程進行了分析，忽略了糧堆內(nèi)部水分的分布。劉新濤等[7]借助數(shù)值模擬軟件，研究淺圓倉內(nèi)自然對流對糧堆溫度場的影響。陳桂香等[8]建立了高大平房倉的三維物理模型，預測干燥通風過程的熱濕耦合規(guī)律。沈邦灶等[9]對比分析了糧面覆膜密閉與不覆膜密閉糧種情況下的通風降溫效果。王遠成等[10-11]深入研究大型房式倉中糧堆通風過程的溫度和水分變化規(guī)律，將實驗實測與數(shù)值模擬相結(jié)合，建立了準確描述糧堆熱濕耦合規(guī)律的數(shù)學模型。尉堯方等[12]通過試驗臺的搭建，發(fā)現(xiàn)實測數(shù)值與模擬結(jié)果誤差不大，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

文章基于到通風糧堆內(nèi)部的熱濕耦合傳遞特性，借助數(shù)值模擬方法，對比分析送風濕度不同的3種工況下糧倉內(nèi)溫度和水分的分布，以此確定最佳的送風條件，確保在降低糧溫的同時不丟失水分，得到的結(jié)果對儲糧的通風過程有現(xiàn)實指導意義。

1 平房倉儲糧通風模型的建立

1.1 物理模型

數(shù)值模擬的對象為高大平房倉，糧倉跨度為27 m、高為12.5 m，糧堆高度為6 m。通風方式為橫向通風，噸糧通風量為5 m3/(h·t)，在壓差作用下空氣穿過糧堆，經(jīng)由南側(cè)通風道排出倉外，完成如圖1所示的通風過程[13]。

圖1 糧倉橫向通風示意圖

1.2 參數(shù)設置

糧倉內(nèi)儲糧品種為稻谷，容重為600 kg/m3，初始濕基水分為15%，初始糧溫為25℃，孔隙率為0.6，導熱系數(shù)為0.11 W/(m·K)。文章對進風相對濕度不同的3種工況進行模擬研究，通風溫差皆為8℃，詳細通風參數(shù)值見表1。計算糧堆的初始相對濕度由式(1)表示為

式中:W為谷物濕基平衡水分，%；T為谷物溫度，℃；A、B和C皆為取決于谷物品種的等溫常數(shù)；r為糧堆的相對濕度，%。

表1 3種通風濕度工況下的初始參數(shù)表

由此計算出糧堆的初始相對濕度為76.5%，確定3種工況的進風相對濕度分別為76.5%、71.5%和81.5%，與糧堆初始相對濕度的濕差分別為0%、5%和-5%。

1.3 數(shù)學模型

基于局部熱平衡和多孔介質(zhì)的流動和傳熱傳質(zhì)理論，在糧堆內(nèi)部的通風過程，本質(zhì)上可以視為稻谷顆粒堆積而成的多孔介質(zhì)與周圍空氣進行熱濕耦合傳遞的過程，由此建立糧堆內(nèi)部橫向通風過程中的傳熱傳質(zhì)和熱濕傳遞模型[14]。

1.3.1 連續(xù)性方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，建立糧堆內(nèi)的質(zhì)量守恒方程由式(2)表示為

式中:ε為孔隙率；ρa為空氣密度，kg/m3；t為時間，s；u為氣流的表觀速度[15]，m/s；?為哈密頓算子。

1.3.2 動量守恒方程

糧堆內(nèi)流動空氣的動量的變化率滿足動量守恒原理，推導出糧堆的動量守恒方程由式(3)表示為

式中:ρ為糧食密度，kg/m3；Si為糧堆阻力項[16]。

1.3.3 水分遷移方程

根據(jù)局部熱平衡理論可以推導出水分遷移方程由式(4)表示為

式中:w為糧粒間的絕對含濕量，kg/kg；Deff為粒間空氣水分通過糧堆的有效擴散系數(shù)，m2/s；Sw為吸濕解吸濕的源項。

1.3.4 對流傳熱方程

儲糧內(nèi)部的熱量傳遞過程滿足熱力學第一定律，考慮到糧堆這一多孔介質(zhì)中空氣的焓和糧粒的相[17]，根據(jù)能量守恒方程可得對流換熱方程由式(5)表示為

式中:ca、cg、cw分別為空氣的比熱、糧食的比熱和水的比熱，J/(kg· K)；Keff為糧堆的有效導熱系數(shù)，W/(m2·K)，取值為為熱源項。

2 儲糧橫向進風濕度不同時的模擬分析

2.1 儲糧橫向通風的流場

橫向通風糧堆內(nèi)部的流場如圖2所示。沿糧倉長度方向等距的分布通風道，由于糧面有覆膜，冷空氣由北側(cè)的主風道口進入，沿水平方向穿過整個稻谷糧堆，在南側(cè)出風口流出，糧堆區(qū)域的流線分布均勻。

圖2 橫向通風的流場圖

高大平房倉任意一個縱截面的流線分布皆如圖2所示，因此，可以選用二維流場示意圖，研究橫向通風時糧倉內(nèi)部空氣的流動方向和流速。進口和出口處空氣流速較大，達0.09 m/s，糧堆內(nèi)部各點處的表觀風速保持一致，其值為0.03 m/s。

2.2 工況一的結(jié)果和分析

橫向通風時，由于糧倉長度方向相對于糧倉高度和跨度方向的溫度和水分的梯度較小，分析糧倉內(nèi)部溫度和水分分布規(guī)律時，可以將其簡化為二維問題進行研究。進風道和出風道分別位于糧倉跨度方向的最左側(cè)和最右側(cè)。

2.2.1 糧堆溫度的變化規(guī)律

進風濕度為76.5%時，糧堆溫度隨通風時間的變化如圖3所示，對房式倉進行為期336 h的橫向通風模擬，稻谷糧堆由北向南沿跨度方向逐漸降溫。稻谷糧堆的初始溫度為25℃，送風溫差為8℃，即送入糧堆的空氣溫度為17℃，通風結(jié)束時糧堆的平均溫度降至18.4℃，降幅為6.6℃。倉間的初始溫度同樣為25℃，糧面的揭膜不影響熱傳導，通風過程中糧堆上部的倉間空氣區(qū)域溫度下降緩慢，明顯滯后于糧堆內(nèi)部的溫度下降。

圖3(a)為通風24 h的溫度分布云圖，冷鋒面前沿穿過糧堆中部，中北部的稻谷與周圍空氣發(fā)生熱交換，形成溫度均勻的北側(cè)低溫區(qū)，以及待冷卻的南側(cè)高溫區(qū)。圖3(b)為通風48 h的溫度分布云圖，冷鋒面前沿穿過整個糧堆，冷鋒面平均每1 h向前推進1 m，稻谷糧堆的均溫降至18.4℃。圖3(c)為通風72 h的溫度分布云圖，糧堆各處溫度均下降至＜19.5℃，相較于通風48 h的溫度云圖，糧堆的個別區(qū)域的溫度小幅度下降，溫度分布更加均勻。通風96、120、144和336 h的溫度分布云圖分別如圖3(d)～(g)所示，溫度的分布無明顯變化，結(jié)合表2中數(shù)據(jù)可知，通風48 h后糧堆的平均溫度降為18.4℃后不再發(fā)生變化。圖3(h)為通風144 h的不同糧層溫度隨時間的變化曲線圖，將距離進風道位置不同的5個豎直截面選取為不同糧層，其中靠近進風口0.8 m的糧堆最先接觸到進風空氣，由于進風空氣和糧堆之間存在溫差，糧堆向周圍空氣放熱，該糧層溫度最先開始下降，降幅為7.6℃，降幅很大；通風6 h后平均溫度降為17.4℃且趨于平穩(wěn)。由圖3(h)可以看出，沿跨度方向，同一通風時間，距離進風道越遠的糧層溫度越高，這是因為進風空氣不斷從糧堆中吸熱，導致溫度升高，與距離遠的糧層之間傳遞的熱量逐漸降低所致。糧層距離進風道越遠，降低到同一溫度所需的通風時間越長，原因是冷鋒面由北向南地穿過整個糧倉需要時間，距離遠的糧層降到進風口附近糧層的溫度需要更長的通風時間。

圖3 糧堆溫度隨通風時間的變化圖

在進風濕度為76.5%時，不同通風時間的溫度和水分變化值見表2。通風24、48、72 h的溫度平均變化率分別為5.7、3.3、2.2℃/d，而通風336 h的溫度平均變化率為0.5℃/d，由此可見，隨著通風天數(shù)的增加，平均溫度變化速率逐漸降低。因此，通風過程中，早期的通風降溫效果明顯，后期不明顯，為無效通風，而繼續(xù)延長通風時間，只會增加能耗。由此選定144 h為不同進風濕度工況的通風模擬時間，研究糧堆內(nèi)部的熱濕耦合規(guī)律。

2.2.2 糧堆水分的變化規(guī)律

進風濕度為76.5%時糧堆水分隨通風時間的變化如圖4所示。對房式倉進行為期336 h的橫向通風模擬，稻谷糧堆的水分沿跨度方向從北側(cè)開始下降，整體水分值變化較小，圖4(a)～(g)中藍色倉間區(qū)域的水分為0%，這是由于倉間為空氣而非稻谷糧堆，通風只對糧堆的水分變化有影響。稻谷糧堆的初始水分為15%，送風空氣的濕度為76.5%，送風濕差為0%，通風結(jié)束時糧堆的平均水分降至14.90%，降幅為0.1%。

圖4 糧堆水分隨通風時間的變化圖

圖4(a)為通風24 h的水分分布云圖，水分鋒面前沿穿過糧堆中部，糧堆中北部的稻谷與周圍空氣發(fā)生質(zhì)量交換，糧堆的平均水分降低至14.93%，此時南側(cè)水分高于北側(cè)水分。圖4(b)為通風48 h的水分分布云圖，水分鋒面前沿穿過整個糧堆，水分鋒面平均每1 h向前推進0.8 m，水分分布較均勻，稻谷糧堆的平均水分降至14.90%。在進風道附近的糧堆水分升高，原因是通風后糧粒表面蒸汽分壓降低，糧堆從蒸汽分壓高的周圍空氣中吸收水分。圖4(c)為通風72 h的水分分布云圖，糧堆內(nèi)部的解吸濕過程滯后于吸濕過程，因此，相較于通風48 h的水分云圖，糧堆中下部由于解吸濕過程的發(fā)生，丟失更多的水分。圖4(d)、(e)、(f)分別為通風96、120和144 h的水分分布云圖，可以看出水分的分布無明顯變化。圖4(g)為通風336 h的水分分布云圖，糧堆的水分分布更加均勻，結(jié)合表2可知，平均水分有所下降，降低至14.89%。圖4(h)為通風144 h的不同糧層水分隨時間的變化曲線圖，靠近進風口0.8 m的糧堆先發(fā)生解吸濕過程，此時糧粒表面的蒸汽分壓大于送風空氣的蒸汽分壓，水分由糧粒表面向進風空氣傳遞，表現(xiàn)為0.8 m處的糧層水分先下降；隨之進入長期吸濕過程，通風空氣的蒸汽分壓逐漸增大，糧粒從送風空氣中吸水，通風66 h后水分相比初始水分略有升高。由圖4(h)可知，由于水分鋒面由北向南開始移動，沿空氣流動方向水分依次下降，通風結(jié)束時水分皆約降為14.90%，水分變化較小接近于初始水分，原因是糧堆初始平衡濕度和進風空氣濕度相等，吸濕和解吸濕過程很快達到動態(tài)平衡。

2.3 工況二的結(jié)果和分析

2.3.1 糧堆溫度的變化規(guī)律

進風濕度為71.5%時，糧堆溫度隨通風時間的變化如圖5所示，對房式倉進行為期144 h的橫向通風模擬，稻谷糧堆由北向南沿跨度方向逐漸降溫。稻谷糧堆的初始溫度為25℃，送風溫差為8℃，即送入糧堆的空氣溫度為17℃，通風結(jié)束時糧堆的平均溫度降至18.4℃，降幅為6.6℃。倉間的初始溫度同樣為25℃，通風結(jié)束時糧堆上部的倉間空氣區(qū)域溫度下降明顯滯后于糧堆內(nèi)部的溫度下降。圖5(a)為通風144 h的溫度分布云圖，冷鋒面前沿已穿過整個糧堆，糧堆內(nèi)部溫度分布較均勻，糧堆各處溫度均下降至＜20℃，由于通風跨度大，糧倉北側(cè)和南側(cè)溫差為3℃。圖5(b)為通風144 h的不同糧層溫度隨時間的變化曲線圖，靠近進風口0.8 m的糧堆最先接觸到進風空氣，由于進風空氣和糧堆之間存在溫差，糧堆向周圍空氣放熱，該糧層溫度最先開始下降，且降幅最大為8.1℃，通風6 h后平均溫度降為16.9℃且趨于平穩(wěn)。由圖5(b)可以看出沿跨度方向，同一通風時間，距離進風道越遠的糧層溫度越高，這是因為冷空氣溫度雖始終低于糧粒表面溫度，但其流經(jīng)距離近的糧層時吸熱溫度升高，與距離遠的糧層之間傳遞的熱量逐漸降低。將糧堆溫度降低到20℃這一相同溫度，0.8、13.5 m的糧層分別需要3.5和39 h，而26.2 m的糧層則需要122.5 h，其通風時間最長，原因是冷鋒面由北向南的穿過整個糧倉需要時間，距離進風道越遠所需通風時間越長。通風132 h之后，各個糧層糧粒不再與周圍空氣發(fā)生熱量傳遞，溫度分別降為16.9、17.6、18.3、18.9和19.6℃后保持不變。

圖5 糧堆溫度隨通風時間的變化圖

進風濕度為71.5%時，不同通風時間的溫度和水分變化值見表3。通風24、48、72 h的溫度平均變化率分別為2.6、2.4、1.9℃/d，而通風144 h的溫度平均變化率為1.1℃/d。因此，隨通風天數(shù)的增加，平均溫度變化速率逐漸降低。糧堆達到相對理想的溫度時，可以適當減少通風天數(shù)以降低能耗。

表3 工況二不同通風時間的溫度和水分值表

2.3.2 糧堆水分的變化規(guī)律

進風濕度為71.5%時糧堆水分隨通風時間的變化如圖6所示，對房式倉進行為期144 h的橫向通風模擬，稻谷糧堆的水分沿跨度方向從北側(cè)開始下降，整體水分值下降，圖6(a)中藍色倉間區(qū)域的水分為0%，由于倉間為空氣而非稻谷糧堆，通風只對糧堆的水分變化有影響，所以倉間水分為零。稻谷糧堆的初始水分為15%，送風空氣的濕度為76.5%，送風濕差為-5%，通風結(jié)束時糧堆的平均水分降至14.68%，降幅為0.32%。

圖6(a)為通風144 h的水分分布云圖，水分鋒面前沿已穿過整個糧堆，糧堆內(nèi)部水分分布較均勻，由于糧粒表面解吸濕過程的發(fā)生，糧堆各處有丟水現(xiàn)象，水分均≤14.70%。圖6(b)為通風144 h的不同糧層水分隨時間的變化曲線圖，通風開始后，糧粒表面的蒸汽分壓大于送風空氣的蒸汽分壓，糧粒表面的水分傳遞到進風空氣中，發(fā)生解吸濕過程，靠近進風口0.8 m的糧堆最先接觸到進風空氣，表現(xiàn)為0.8 m處的糧層水分先下降。由圖6(b)可知，同一通風時間，距離進風道越遠的糧層水分越高，這是由于水分鋒面由北向南穿過整個糧堆需要時間。進風空氣的濕度是變化的，但送風蒸汽分壓始終低于糧粒表面蒸汽分壓，解吸濕過程會在糧堆各處不斷發(fā)生，各個糧層的水分皆處于下降趨勢。結(jié)合表3可知，通風結(jié)束時糧倉內(nèi)平均水分降為14.68%，送風濕度為71.5%時，該通風過程在糧堆溫度降低的同時，水分持續(xù)丟失。

圖6 糧堆水分隨通風時間的變化圖

2.4 工況三的結(jié)果和分析

2.4.1 糧堆溫度的變化規(guī)律

進風濕度為81.5%時糧，堆溫度隨通風時間的變化如圖7所示，對房式倉進行為期144 h的橫向通風模擬，稻谷糧堆由北向南沿跨度方向逐漸降溫。稻谷糧堆的初始溫度為25℃，送風溫差為8℃，即送入糧堆的空氣溫度為17℃，通風結(jié)束時糧堆的平均溫度降至19.5℃，降幅為5.5℃。倉間的初始溫度同樣為25℃，通風結(jié)束時糧堆上部的倉間空氣區(qū)域溫度下降明顯滯后于糧堆內(nèi)部的溫度下降。通風144 h的溫度分布云圖如圖7(a)所示，冷鋒面前沿已穿過整個糧堆，糧堆內(nèi)部溫度分布較均勻，糧堆各處溫度均下降至＜20.5℃，由于通風跨度大，糧倉北側(cè)和南側(cè)的溫差為3.5℃。通風144 h的不同糧層的溫度隨時間的變化曲線圖如圖7(b)所示，靠近進風口0.8 m的糧堆最先接觸到進風空氣，由于進風空氣和糧堆之間存在溫差，糧堆向周圍空氣放熱，該糧層的溫度最先開始下降，而且降幅很大。通風114 h后平均溫度降為17.6℃且趨于平穩(wěn)。由圖7(b)可以看出，沿跨度方向，同一通風時間，距離進風道越遠的糧層溫度越高，這是因為冷空氣溫度雖然始終低于糧粒表面的溫度，但是其流經(jīng)距離近的糧層時吸熱溫度升高，與距離遠的糧層之間傳遞的熱量逐漸降低。將糧堆溫度降低到20℃時，0.8、13.5 m糧層分別需要4.5和34 h，而19.8 m糧層需要127 h，通風時間最長，其原因是冷鋒面由北向南穿過整個糧倉需要一定時間，距離進風道越遠所需通風時間越長。通風126 h之后，各個糧層的糧粒不再與周圍的空氣發(fā)生熱量傳遞，溫度保持不變。

圖7 糧堆溫度隨通風時間的變化圖

在進風濕度為81.5%時，不同通風時間的溫度和水分變化值見表4。通風144 h后，糧堆平均溫度幾乎不下降，但水分卻持續(xù)丟失。通風24、48、72、144 h的溫度平均變化率分別為2.8、2.6、1.8和0.9℃/d，由此可見，隨著通風天數(shù)的增加，平均溫度變化速率逐漸降低。早期的通風降溫效果明顯，后期不明顯，為無效通風。繼續(xù)延長通風時間，只會增加能耗。

表4 工況三不同通風時間的溫度和水分值表

2.4.2 糧堆水分的變化規(guī)律

進風濕度為81.5%時，糧堆水分隨通風時間的變化如圖8所示，對房式倉進行為期144 h的橫向通風模擬，稻谷糧堆的水分沿跨度方向從北側(cè)開始下降，糧堆內(nèi)部水分分布較均勻。圖8(a)中藍色倉間區(qū)域的水分為0%，這是由于倉間為空氣而非稻谷糧堆，通風只對糧堆的水分變化有影響。稻谷糧堆的初始水分為15%，送風空氣的濕度為81.5%，送風濕差為5%，通風結(jié)束時糧堆的平均水分降至14.77%，降幅為0.23%。

圖8(a)所示為通風144 h的水分分布云圖，水分鋒面前沿已穿過整個糧堆。在進風道附近的糧堆水分升高，原因是此處的進風濕度和蒸汽分壓皆高于糧粒表面的濕度和蒸汽分壓，糧堆從周圍空氣中吸收水分。其他區(qū)域由于糧粒表面解吸濕過程的發(fā)生，糧堆有丟水現(xiàn)象。圖8(b)所示為通風144 h的不同糧層水分隨時間的變化曲線圖，靠近進風口0.8 m處的糧堆在通風6 h時先發(fā)生解吸濕過程，此時糧粒表面的蒸汽分壓大于送風空氣的蒸汽分壓，糧粒丟水，隨即進入長期吸濕過程，該糧層從進風濕度大的空氣中吸收水分，通風90 h后該糧層的水分高于初始的水分值，而在通風結(jié)束時，0.8 m處糧層的水分升高為15.43%。送風空氣的濕度沿跨度方向逐漸減小，導致送風蒸汽分壓終低于糧粒表面蒸汽分壓，所以在糧倉的中南區(qū)域發(fā)生解吸濕過程，通風結(jié)束時水分仍會小幅度下降。由于糧倉跨度大，橫向通風形式下空氣流過的路徑長，濕度高的進風空氣只與進口附近的糧堆有強烈的水分交換，而對其他區(qū)的域影響甚微。

圖8 糧堆水分隨通風時間的變化圖

3 結(jié)論

基于熱濕耦合的數(shù)學模型，對平房倉內(nèi)的稻谷糧堆進行橫向通風的數(shù)值模擬，對比分析了3種不同送風濕度工況下糧倉內(nèi)的溫度和水分變化規(guī)律，得出以下結(jié)論:

(1)進風空氣與糧堆的相對濕度差為0%時，糧堆內(nèi)部吸濕和解吸濕過程很快達到動態(tài)平衡，通風結(jié)束時糧堆水分丟失最少；進風空氣相對濕度過大或過小時，水分由糧堆向空氣方向轉(zhuǎn)移，糧堆內(nèi)部的水分大幅度下降。因此，送風溫度一定的情況下，應該選取濕差小的進風空氣濕度作為最佳送風條件，這樣才能保證降溫的同時，糧堆水分不降低或降低很小。

(2)給定進風溫、濕度的條件下，通風時間越長，能耗越大，在通風144 h之后糧倉內(nèi)部的平均溫度基本沒有變化，因此，橫向通風時間不宜過長，通風120～144 h即可，否則糧堆內(nèi)部會丟失更多的水分。

(3)與傳統(tǒng)豎直通風方式相比，通風時間相同時，采用橫向通風方式糧堆的溫度平均變化率更大，可以實現(xiàn)高效降溫的效果。

橫向通風至糧堆內(nèi)部溫度基本不變時，可以改為右側(cè)風道進風、左側(cè)風道出風的反向通風，對高溫區(qū)域進行降溫，可以有效降低糧堆的平均溫度，而豎直通風風道置于地面，無法進行反向通風。