通風過程中進風相對濕度對倉儲糧堆溫度和水分的影響研究

王 藝，戚禹康，孔令今

通風過程中進風相對濕度對倉儲糧堆溫度和水分的影響研究

王 藝，戚禹康，孔令今

（山東建筑大學 熱能工程學院, 山東 濟南 250101）

溫度和水分含量是兩個重要的物理變量，在研究谷物儲存時品質變化起到很大作用。通風用于冷卻糧堆并保持溫度恒定，以防止水分遷移。良好的通風條件對糧倉內存儲安全有顯著影響。目前，通風空氣相對濕度對糧堆水分影響的研究相對較少。采用數值模擬和實驗研究相結合的方式，探索和比較因不同進風相對濕度而引起的通風過程中倉儲的小麥溫度和水分變化規(guī)律。結果表明：進風相對濕度較低時冷卻干燥效率更高，小麥糧堆降溫更快速，并將昆蟲和霉菌的活動保持在較低水平。

小麥貯藏；水分含量；調濕機；相對濕度；通風

圓筒倉內的微環(huán)境是由溫度、水分、干物質損耗、谷蠹等構成的復雜生態(tài)系統(tǒng)。對圓筒倉儲糧通風微環(huán)境進行模擬研究，可為糧食的安全儲藏提供理論依據。研究發(fā)現，小麥儲藏糧堆溫度<15 ℃，水分在12%~12.5%之間時有利于安全儲藏，可以有效避免蟲害的發(fā)生，抑制糧堆中生命體的活動，延緩糧食的劣變?？諝鉁囟群拖鄬穸仁怯绊懝任飪Σ仄焚|和陳化的兩個重要因素[1]。一旦小麥糧堆入庫，其質量就受倉儲系統(tǒng)控制和管理的影響。近幾年來，在儲藏期間通過通風冷卻糧食的方法越來越受到關注，因為它提供了一種在降低殺蟲劑水平的同時又控制昆蟲的可能性[2-4]。

Thrope[5]認為糧堆內的物性參數對通風過程非常重要，糧堆縫隙間空氣的溫度和濕度尤其需要關注，糧食的生物特性使得通風過程中的糧食會出現吸濕和解吸濕的可能，風機中空氣溫度和水分對糧堆降溫降水過程有明顯的影響。當糧粒間空氣的相對濕度低于65%時，微生物無法繁殖[6]，倉儲小麥的品質與糧堆的安全水分含量有關。因此，低成本的通風系統(tǒng)將成為糧堆儲存和冷卻的一種有效方式[5]。一些研究人員開發(fā)并驗證了數學模型，預測通風過程中倉儲糧堆熱量的傳遞[6-9]。但這些研究的側重點主要是通風溫度對小麥倉儲環(huán)境的影響，很少從進風濕度方面進行探究。

研究基于通風實際數據采集，結合CFD模擬分析，研究通風干燥糧食過程中通風空氣濕度對糧堆水分的影響，并根據模擬結果得出更合理的通風方式，使小麥在最佳的環(huán)境下儲存，以期為機械通風濕度的選擇提供依據。

1 材料與方法

1.1 谷物儲存系統(tǒng)實驗裝置

采用黃淮冬麥區(qū)的周麥18號小麥，使用通風干燥實驗裝置，風機和金屬圓柱形筒倉進行實驗（如圖1）。調濕機用于產生低相對濕度（RH）的空氣。通過濕度計監(jiān)測空氣特性。通過控制風機速度來調節(jié)氣流。設置一組連接數據采集的溫濕度傳感器測量系統(tǒng)來記錄溫度和糧堆濕度的測量值。

圖1 谷物儲存系統(tǒng)實驗裝置圖

倉儲谷物的平衡水分含量與相對濕度RH有關。霉菌生長和螨蟲繁殖在相對濕度為65%時停止。改進的亨德森方程（1）用于預測溫度為30 ℃和不同相對濕度（40%，50%和60%）條件下的平衡水分含量。

式中：為平衡水分含量，%（干基）；為溫度，℃；RH為相對濕度，%；B、C和N為顆特定谷物的經驗常數，B = 2.31×10-5，C = 55.815和N = 2.29。

1.2 數值模擬的方法

連續(xù)性方程如式（2）表達。

動量方程如式（3）表達。

對流傳熱方程如式（4）表達。

對整個糧堆來說，其水分遷移過程可以如式（5）表達。

2 結果與分析

在實驗和模擬期間，小麥水分含量的變化如圖2所示?？梢钥闯鰧嶒灪湍M得到的結果非常相似。在整個研究期間，所有情況下的安全水分含量幾乎保持不變。在冷卻初期，糧堆間溫度梯度的驅動力和糧粒間空氣濕度的蒸汽壓差是造成水分損失的驅動力，使小麥的水分含量迅速下降。在通風期結束時，水分含量下降至小麥糧堆的平衡水分，借助小麥吸附等溫線預測了小麥的平衡相對濕度。從夏季到冬季，對于12%和14%的初始濕基含水量，安全儲存條件下的平衡相對濕度保持小于70%[14]。圖2表示在通風的初始階段有較高的脫水率，隨后逐漸趨向于不變。對于不同的相對濕度值，實驗數據與模擬結果無顯著差異。

圖2 小麥糧堆在30 ℃時的平衡水分含量

圖3所示為冷卻通風期間，小麥糧堆頂部、中心和底部的粒間空氣的相對濕度。筒倉中小麥糧堆的三個不同部分在冷卻過程中的冷卻時間不同。小麥糧堆表層相對濕度較高，其相對濕度的上升是表層小麥吸熱的結果，在該過程中小麥釋放水分并使粒間空氣濕潤。由此驗證了環(huán)境空氣的相對濕度影響谷物的冷卻效率[13]。

圖3 小麥糧堆在30 ℃時三個區(qū)域粒間空氣的相對濕度變化

在夏季，當環(huán)境溫度在夜間降低到所需溫度閾值以下時，使用自動控制器打開鼓風機進行通風，從而利用一天當中最冷的空氣送入糧倉以達到令人滿意的冷卻效果[14]。但夜間的相對濕度較高，可達到70%以上，可以采用干燥實驗裝置降低進風空氣的相對濕度，既能保證冷卻過程適當又減少了通風的使用時間。

在小麥糧堆頂部，離空氣進風入口最遠且被冷卻時間最長。小麥溫度高于環(huán)境溫度，約為32 ℃。圖4a表示了谷物的冷卻時間較短，冷卻速度較快，達到了29 ℃的溫度。如圖4b所示，由于底部的小麥初始溫度約為40 ℃，當該層在進風溫度和相對濕度分別為30 ℃和50%條件下進行強制通風時，小麥溫度在5 h內降至28 ℃。對小麥進行快速冷卻必須將溫度較低的環(huán)境空氣吹入到溫度較高的谷粒中，且溫差增大會使冷卻速度加快。如圖4所示，設置4~6 ℃的溫差使糧堆冷卻速度較快。對于初始溫度分別為41.5 ℃和37.1 ℃的高溫小麥，在研究結束時筒倉內的溫差分別為12.5 ℃和7.8 ℃。粒間空氣的高相對濕度分別從89.7%和80.5%降至77%和60.7%。進風相對濕度為60%時，相對濕度差約為12.5%，進風相對濕度為50%時，相對濕度差約為19.8%。

3 結論

當進風相對濕度分別為40%、50%、60%時，經比較發(fā)現40%的空氣能快速使谷物冷卻干燥，由此驗證了環(huán)境空氣相對濕度影響谷物的冷卻效率，進風相對濕度較低時冷卻干燥效率更高。

采用除濕裝置可以獲得合適的有效通風效果，低濕度的進風濕度效果更明顯，這是因為進風相對濕度低于糧堆平衡相對濕度時，濕差變大使糧粒處于解吸濕狀態(tài)，糧粒吸熱使周圍空氣溫度降低，進風濕度更低使糧粒解吸濕更快，降溫效果更明顯。根據這項研究的結果，低濕度的氣流可以使得小麥糧堆降溫更快速，昆蟲和霉菌的活動保持在較低水平。

圖4 小麥糧堆在30 ℃時三個區(qū)域谷物的溫度變化

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Study on the influence of inlet air relative humidity on temperature and moisture of warehouse grain stack during ventilation

WANG Yi, QI Yu-kang, KONG Ling-jin

(College of Thermal Energy Engineering, Shandong Jianzhu University, Ji’nan, Shandong 250101, China)

Temperature and moisture content are two important physical variables that play a considerable role in the study of quality changes during grain storage. Ventilation is used to cool the grain pile and keep the temperature constant to prevent moisture migration. Good ventilation conditions have a significant impact on the storage safety in the granary. At present, the research on the influence of relative humidity of ventilation air on the moisture of the grain reactor is relatively rare. The changes of grain temperature and moisture during ventilation caused by different inlet air relative humidity were explored and compared by a combination of numerical simulation and experimental research in this paper. According to the results, the cooling and drying efficiency is higher when the relative humidity of the inlet is lower, which makes the wheat grain pile cool more quickly and keeps the activities of insects and molds at a lower level.

wheat storage; moisture content; humidity control machine; relative humidity; ventilation

TS205.9；S379.5

A

1007-7561(2020)02-0125-05

2019-10-11

國家重點專項（2016YFD0400100,2016YFD0401002）；國家糧食公益專項（201513001）

10.16210/j.cnki.1007-7561.2020.02.021

王藝，1996年生，女，碩士，研究方向為建筑環(huán)境中熱濕傳遞過程的研究.