外熱源對立筒倉糧堆滲流通風控溫系統(tǒng)性能影響的試驗研究

王曉東 陳 雁 丁永剛 宋宏洋 代賢達

(河南工業(yè)大學 土木工程學院，鄭州 450001)

我國是產(chǎn)糧和儲糧大國，糧食產(chǎn)后損失較為嚴重，儲糧損耗占糧食產(chǎn)后總損失的40.3%[1]。位于我國南方地區(qū)的立筒倉儲糧由于冬季蓄冷量不足和夏季環(huán)境高溫的影響，糧堆的溫度場分布易呈現(xiàn)為“熱皮冷芯”，儲糧質(zhì)量難以得到保證，需要對糧堆進行通風降溫以保證安全度夏。太陽輻射是糧堆得熱的主要原因，研究倉外熱源對儲糧通風降溫過程的影響具有重要的現(xiàn)實意義。

為研究糧堆參數(shù)變化和其自身特性，國內(nèi)外進行了大量相關工作。Quemada-villagomez等[2]在自然儲藏的條件下對糧堆的溫度和濕度分布進行了模擬研究，探討了環(huán)境對儲糧熱濕分布的影響。為進一步顯現(xiàn)儲糧環(huán)境對糧堆溫濕度的影響，多采用人工干預(加熱、加壓等)的方式進行研究[3-5]。目前關于儲存條件與儲糧質(zhì)量相關性的研究可為儲糧的風險評估提供一定的參考[6-9]。為對儲糧環(huán)境進行合理計算，已有研究考慮了糧堆自身特性對計算模型進行優(yōu)化，主要優(yōu)化內(nèi)容包括倉內(nèi)通風傳熱、糧堆內(nèi)部氣流阻力以及通風過程中靜壓分布等[10-15]。而數(shù)值模擬的計算精度與模型選擇、網(wǎng)格劃分方式均具有一定的相關性，目前研究已從模型精度對比和優(yōu)化網(wǎng)格劃分方法逐步深入[16-17]。針對在不同工況下的糧堆熱濕傳遞規(guī)律，王遠成等[18-22]對自然對流和谷冷通風的工況進行了數(shù)值模擬及數(shù)學分析，分析了糧堆內(nèi)參數(shù)的變化規(guī)律。

關于儲糧環(huán)境優(yōu)化，國內(nèi)相關研究多采用試驗和模擬相結合的方法，為改進糧堆通風方式和儲糧環(huán)境預測提供了一定參考[23-25]。而針對我國南方地區(qū)常見的“熱皮冷芯”現(xiàn)象，近年來研究也逐步深入。我國糧庫的“熱皮”厚度及“熱皮冷芯”現(xiàn)象出現(xiàn)時間與地理位置、儲存條件相關[26-27]。以鋼板淺圓倉和平房倉為例，尹君等[28-29]運用糧溫擬合算法、Matlab模擬軟件和WU模型構建糧堆溫度場模型，指出在夏季淺圓倉和平房倉中的糧堆存在“冷芯”現(xiàn)象，并給出了解決糧堆表層易結露的解決方案，但上述研究并未針對糧堆“熱皮”進行有效控制。

由于在夏季糧堆通風控溫過程中太陽輻射對糧堆溫度產(chǎn)生了不可忽略的影響，本研究擬建立具有倉頂外輻射熱源和滲流通風控溫系統(tǒng)的立筒倉，采用試驗方法對不同方案下糧堆的滲流通風控溫效果進行研究，旨在為立筒倉滲流通風控溫系統(tǒng)的工程應用提供一定的參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及設備

本試驗采用的儲糧種類為脫殼后的秈米，密度824 g/L，含水率9.93%，孔隙率37.5%。試驗過程中，所使用的數(shù)據(jù)采集設備為Agilent數(shù)據(jù)采集儀(34 970A)和Rotronic多通道溫濕度記錄儀(HL-NT3-D)；通風控溫設備為硅晶電熱膜取暖器(NDYC-25C-WG)、移動空調(diào)單冷一體機(JHS A001C)、管道排風機(DPT10-23-1)。其中硅晶電熱膜取暖器最大制熱功率2 500 W，移動空調(diào)單冷一體機最大制冷功率2 610 W，試驗過程中立筒倉頂部所受輻射強度平均值為566 W，與試驗所在地(鄭州)典型氣象年法向直射輻射強度的最大平均日間輻射量(668 W)相差15%左右。

1.2 試驗臺設計

本研究所設計的滲流通風控溫系統(tǒng)由空調(diào)機、排風機、織物風道和通風地籠組成。在通風控溫時，空調(diào)機的冷空氣由送風口進入試驗倉，可在糧堆上方形成穩(wěn)定的冷空氣層，進而隔斷倉頂傳入的熱量和降低糧堆上層溫度，同時借助地籠的引流作用使得送入糧堆的冷空氣盡可能在貼壁位置的糧堆進行換熱，最后利用排風機引出倉外。

模擬試驗倉位于河南省鄭州市，試驗倉直徑為0.8 m、高度為1.0 m、倉壁厚5 mm，倉底和倉壁附有橡塑保溫材料，厚度為2 cm。環(huán)形織物風道直徑為0.1 m，在糧堆上方0.2 m處沿倉內(nèi)壁布置，用以通入冷空氣，送風裝置為JHS A001C移動空調(diào)單冷一體機；通風地籠的直徑為0.05 m，在倉內(nèi)底部貼內(nèi)壁布置，用以引導上方冷空氣貼壁換熱，由管道引出試驗倉，排風裝置為DPT10-23-1管道排風機。為有效表述糧堆內(nèi)不同位置的溫度變化，根據(jù)測量點位分布將三角形測點數(shù)據(jù)的平均值定義為糧堆內(nèi)芯參數(shù)，將圓形測點數(shù)據(jù)的平均值定義為糧堆外皮參數(shù)，方形測點數(shù)據(jù)為糧堆內(nèi)外相對濕度數(shù)據(jù)。滲流通風控溫系統(tǒng)示意圖及測點布置見圖1。

1.倉體；2.織物風道；3.通風地籠 Ⅰ.相對濕度測點；Ⅱ.糧堆外皮測點；Ⅲ.糧堆內(nèi)芯測點 1.Warehouse body; 2. Fabric air duct; 3. Ventilated ground cage Ⅰ.Relative humidity measuring point; Ⅱ.Measuring point at the skin of grain bulk; Ⅲ.Measuring point at the core of grain bulk圖1 滲流通風控溫系統(tǒng)示意圖及測點布置Fig.1 Schematic diagram of seepage ventilation temperature control system and measurement point layout

模擬試驗倉中的裝糧高度為0.6 m，試驗倉左側為送風口，其兩側接空調(diào)機和織物風道，用以送入冷空氣對糧堆進行降溫；試驗倉右側為出風口，其兩側接排風機和通風地籠的引出管道，用以排出通風換熱后的空氣。倉頂上方0.5 m處放置硅晶電熱膜取暖器，用以在試驗過程中對糧堆進行升溫。試驗臺整體布置見圖2。

1.空調(diào)機；2.立筒倉；3.排風機；4.加熱器；5.數(shù)據(jù)采集設備 1.Air conditioner; 2.Silo; 3.Exhaust fan; 4.Heater; 5.Data acquisition equipment圖2 試驗臺整體布置圖Fig.2 Overall layout of the test bench

1.3 試驗方案及數(shù)據(jù)分析

1.3.1試驗方案

在試驗過程中室溫維持在25 ℃左右，試驗開始后首先進行糧堆升溫，當糧堆均溫到達30 ℃后，通過滲流通風控溫系統(tǒng)對糧堆進行降溫試驗，入口冷空氣溫度約18 ℃，通風降溫時間為24 h。本研究以通風量和有/無倉頂外輻射熱源為試驗因素，設計4種試驗方案，探究在不同試驗方案下的滲流通風控溫系統(tǒng)的性能。

方案Ⅰ和方案Ⅱ：有倉頂外輻射熱源，通風量分別為28.26和35.95 m3/h；方案Ⅲ和方案Ⅳ：無倉頂外輻射熱源，通風量分別為28.26和35.95 m3/h。

1.3.2數(shù)據(jù)分析

溫度采集設備為Agilent數(shù)據(jù)采集儀，精度為±0.1 ℃；濕度采集設備為HL-NT3-D多通道溫濕度記錄儀，精度為±2%。溫度、濕度數(shù)據(jù)采集間隔均為10 min。使用Microsoft Excel 2010，Origin 2021軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結果與分析

2.1 通風控溫前糧堆參數(shù)分析

在通風控溫前，糧堆高度方向截面溫度云圖見圖3。降溫之前溫度場具有熱分層現(xiàn)象，且各層溫度相對均勻，溫度從上至下逐步降低。在升溫過程中糧堆上層受輻射影響較大，糧堆受熱輻射影響的深度在0.3 m左右，在糧堆內(nèi)部最大溫差約為12 ℃。在此工況下若要對糧堆高溫區(qū)域進行有效控制，需進行通風降溫。

圖3 糧堆降溫前溫度云圖Fig.3 The temperature cloud of grain bulk before cooling

2.2 不同方案下糧堆參數(shù)變化

不同方案下糧堆平均溫度變化見圖4。降溫24 h后，有倉頂外輻射熱源的工況，其平均溫度下降幅度相較于無外倉頂外輻射熱源工況更小，通風量為28.26 m3/h時有外倉頂外輻射熱源(方案Ⅰ)和無倉頂外輻射熱源工況(方案Ⅲ)降溫結束時的糧堆平均溫度分別為26.12 和24.92 ℃，而通風量為35.95 m3/h時倉頂外輻射熱源(方案Ⅱ)和無倉頂外輻射熱源工況(方案Ⅳ)降溫結束時的糧堆平均溫度分別為23.15 和22.77 ℃，去除倉頂外輻射熱源后的糧堆降溫效果更為明顯。對比在通風量一致的前提下倉頂外輻射熱源對糧堆溫度的影響可知：通風量為28.26 m3/h時去除倉頂外輻射熱源后糧堆平均溫度下降2.72 ℃，通風量為35.95 m3/h時去除倉頂外輻射熱源后其平均溫度下降2.13 ℃，故在通風量增大后外界熱環(huán)境對糧堆降溫的影響有所減弱。

觀察各組降溫速度變化可以看出，經(jīng)過一定時長的高速降溫階段后糧堆降溫速度顯著下降，因此在本研究中規(guī)定：在降溫速率高于0.01 ℃/min為高效降溫段。在試驗中，當有倉頂外輻射熱源時(方案Ⅰ、Ⅱ)，高效降溫段時長分別為90和160 min，在高效降溫段終了時其糧堆平均溫度分別為27.54 和26.61 ℃；當無倉頂外輻射熱源時(方案Ⅲ、Ⅳ)高效降溫段時長均為230 min，在高效降溫段終了時糧堆平均溫度分別為24.89和24.95 ℃。因此在有倉頂外輻射熱源的工況下，通風量增大后高效降溫段時長會有所增加，其溫度隨之降低，而在無倉頂外輻射熱源工況下，高效降溫段時長和高效降溫段終了時的溫度并未出現(xiàn)明顯差異。

在升溫和滲流通風控溫過程中，糧堆上方空氣層區(qū)域濕度和糧堆粒間相對濕度均低于60%，波動幅度不超過10%。

方案Ⅰ和方案Ⅱ：有倉頂外輻射熱源，通風量分別為28.26和35.95 m3/h；方案Ⅲ和方案Ⅳ：無倉頂外輻射熱源，通風量分別為28.26和35.95 m3/h。下圖同。 Schemes Ⅰ and Ⅱ have radiant heat source outside the silo roof, and the ventilation rates are 28.26 and 35.95 m3/h， respectively; Schemes Ⅲ and Ⅳ have no radiant heat source outside the silo roof, and the ventilation rates are 28.26 and 35.95 m3/h, respectively. Same as the Figs below.圖4 4種試驗方案下糧堆平均溫度隨時間的變化Fig.4 The average temperature change of grain bulk with time under 4 test schemes

2.3 不同方案下糧堆外皮和內(nèi)芯溫度變化

在4種試驗方案下，糧堆外皮和內(nèi)芯溫度隨時間的變化見圖5。由圖5(a)可見，在具備倉頂外輻射熱源的工況下，增大通風量后糧堆外皮的溫度進一步下降，降溫結束時方案Ⅰ、Ⅱ的糧堆外皮溫度差值為1.56 ℃；而在無倉頂外輻射熱源的工況下，不同通風量下的外皮位置溫度變化趨勢基本一致，在降溫結束時方案Ⅲ、Ⅳ的外皮位置溫度差值僅為0.30 ℃。因此糧堆外皮位置的溫度在有倉頂外輻射熱源的工況下受通風量的影響較大。由圖5(b)可以看出，在4種方案下糧堆內(nèi)芯溫度均呈先升后降的變化趨勢，變化幅度在1.2 ℃以內(nèi)，均小于糧堆外皮位置的降溫幅度。受糧堆上層高溫的影響在降溫開始后的一定時間內(nèi)會出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象，其溫度上升幅度均在0.50 ℃以內(nèi)。在無外倉頂外輻射熱源、通風量為35.95 m3/h的方案下通風控溫前后糧堆內(nèi)芯溫度變化量最大(Δt=1.11 ℃)，但仍遠小于糧堆外皮位置的溫度變化量，說明在該滲流通風控溫系統(tǒng)下糧堆內(nèi)芯位置溫度受通風的影響程度小于外皮位置。

2.4 糧堆溫度云圖分析

有倉頂外輻射熱源工況下，通風控溫結束時糧堆高度方向截面溫度云圖見圖6。通風量為28.26 m3/h工況下通風控溫24 h后，糧堆下層溫度相對較低，糧堆中、上層中間位置溫度較高，且其高溫區(qū)域的面積延伸至糧堆上層，說明在通風量為28.26 m3/h時糧堆上方的冷空氣層并未完全隔斷外界傳入的熱量。在有倉頂外輻射熱源時，通風量由28.26 m3/h增至35.95 m3/h后，糧堆上層區(qū)域溫度得到有效控制，其中上層貼壁區(qū)域儲糧的溫度控制效果最為明顯(溫度降低2.17 ℃)，外界傳入的熱量被基本隔斷；在通風量增至35.95 m3/h后通風控溫結束時，平均溫度下降1.2 ℃，外皮位置溫度由26.27 ℃降至24.71 ℃，內(nèi)芯位置溫度由26.16 ℃降至25.46 ℃，外皮和內(nèi)芯的溫度降幅為1.56和0.70 ℃。因此在有倉頂外輻射熱源的工況下增大通風量可有效降低糧堆溫度，該滲流通風控溫系統(tǒng)可在對糧堆內(nèi)芯影響較低的前提下對外皮位置的溫度進行控制，此外在糧堆下方風量匯集區(qū)域的溫度相對糧堆底層其他區(qū)域較低。

圖6 有倉頂外熱源時不同風量下(方案Ⅰ、Ⅱ)滲流通風控溫后糧堆溫度云圖Fig.6 The temperature cloud of grain bulk after temperature control by seepage ventilation under different air volume in case of heat source outside the silo roof (schemes Ⅰ and Ⅱ)

無倉頂外輻射熱源的工況下，通風控溫結束時糧堆高度方向截面溫度云圖見圖7。沒有外界輻射熱量傳入后，糧堆上層溫度均可以得到有效控制。通風量為28.26 m3/h工況下通風控溫24 h后，糧堆高溫區(qū)域集中于糧堆內(nèi)芯位置，而糧堆外皮位置溫度相對較低，內(nèi)芯和外皮的溫差為1.50 ℃，通風對糧堆外皮位置控溫效果相對于內(nèi)芯位置更為明顯(圖7(a))。通風量由28.26 m3/h增至35.95 m3/h后，通風控溫結束時糧堆平均溫度下降了0.39 ℃，外皮位置溫度由24.43 ℃降至24.35 ℃，內(nèi)芯位置溫度由26.16 ℃降至25.46 ℃，外皮和內(nèi)芯的溫度降幅為0.30 ℃、0.08 ℃(圖7(b))。相比于有倉頂外輻射熱源工況，無倉頂外輻射熱源工況下增大通風量對于糧堆各位置溫度的影響較弱。

圖7 無倉頂外熱源時不同風量下(方案Ⅲ、Ⅳ)滲流通風控溫后糧堆溫度云圖Fig.7 The temperature cloud of grain bulk after temperature control by seepage ventilation under different air volume in case of no heat source outside the silo roof (schemes Ⅲ and Ⅳ)

對比相同通風量下倉頂外輻射熱源對糧堆控溫效果的影響可知，在通風量為28.26 m3/h時降溫后糧堆外皮位置溫度降低2.97 ℃，內(nèi)芯位置溫度降低1.73 ℃；通風量為35.95 m3/h時降溫后糧堆外皮位置溫度降低2.15 ℃，內(nèi)芯位置溫度降低1.10 ℃，因此有倉頂外輻射熱源工況下，增大通風量會強化滲流通風控溫系統(tǒng)對糧堆外皮位置的控溫性能，其原因在于通風量的增大強化了糧堆上層空氣的隔熱性能、增加了輸入糧堆的冷量。

2.5 經(jīng)濟性分析

結合實際應用，有、無倉頂外輻射熱源的工況可分別類比為日間和夜晚，結合在不同方案下滲流通風控溫系統(tǒng)的控溫性能，對該系統(tǒng)的經(jīng)濟性做如下分析：

1)通風量增大后糧堆外皮位置溫度降幅低于內(nèi)芯，但在有倉頂外輻射熱源的工況下糧堆外皮位置溫度降幅更為明顯，說明低通風量的工況難以抵消外界傳熱，而在通風量增大后外界傳熱被有效隔斷，糧堆控溫效果更為明顯；

2)在日間有外部熱源情況下對糧堆進行降溫，無論通風量高低，滲流通風降溫效果均弱于無倉頂外輻射熱源的情況。以鄭州地區(qū)典型氣象年中具有法向直射輻射強度最大值的一天(9月7日)為參考，分析該立筒倉得熱量變化規(guī)律，具有滲流通風控溫系統(tǒng)的立筒倉應分時段采用不同通風量的工況運行，其中通風量與輸入糧堆冷量呈正相關。典型氣象年中9月7日分時段通風時具有滲流通風控溫系統(tǒng)的糧堆能量變化見圖8?？梢?10:00—17:00時段內(nèi)，立筒倉糧堆因太陽輻射的得熱量明顯高于因滲流通風的輸入冷量，若在該時段進行高通風量的降溫，會由于輸入冷量無法抵消太陽輻射傳熱量而使糧堆升溫，故應減少通風量，降低該時段糧堆升溫風險；若為消除通風升溫的風險，需要提高輸入冷量至太陽輻射量峰值，但會大幅增加制冷、通風設備成本和運行成本；在其他時段內(nèi)進行通風則不會出現(xiàn)糧堆升溫的情況。因此在日間應以較低通風量運行，以通風隔熱為主；在夜間應以高通風量運行，以糧堆降溫為主。

圖8 典型氣象條件下分時段通風滲流通風控溫系統(tǒng)對糧堆能量變化的影響Fig.8 Influence of seepage ventilation and temperature control system on energy change of grain bulk during ventilation in different periods under typical meteorological conditions

3 結 論

本研究建立了具有倉頂外輻射熱源和滲流通風控溫系統(tǒng)的立筒倉，以有/無倉頂外輻射熱源和通風量為試驗因素，研究其對糧堆滲流通風控溫系統(tǒng)性能的影響；結合試驗倉所在地典型氣象條件，對滲流通風控溫系統(tǒng)的應用進行經(jīng)濟性分析，得到結論如下：

1)倉頂外輻射熱源對糧堆的影響深度約0.3 m，糧堆內(nèi)部會出現(xiàn)明顯的熱分層現(xiàn)象；有倉頂外輻射熱源工況下使用滲流通風控溫系統(tǒng)進行糧堆降溫，增大通風量可更為有效地隔斷外界傳熱。

2)在通風降溫過程中，糧堆溫度變化存在高效降溫段，其高效降溫段時長在有倉頂外輻射熱源的工況下隨通風量上升而增加(由90 min延長至160 min)，在倉頂外輻射熱源的工況下變化通風量后高效降溫段時長并未發(fā)生明顯變化(230 min)；該滲流通風控溫系統(tǒng)在降溫過程中糧堆粒間相對濕度均低于60%，表明利用該滲流通風控溫系統(tǒng)進行通風控溫不易出現(xiàn)糧堆結露現(xiàn)象。

3)存在倉頂外輻射熱源時，立筒倉滲流通風控溫系統(tǒng)可在影響糧堆內(nèi)芯溫度較小的前提下控制糧堆外皮溫度，在通風量增大后，糧堆外皮位置控溫效果更為明顯；在去除倉頂外輻射熱源后，通風量增大使得糧堆外皮位置的控溫效果有所減弱，外皮位置溫度降幅縮小0.82 ℃。

4)實際應用中，由于日間太陽輻射的動態(tài)變化，該滲流通風控溫系統(tǒng)在日間應以隔斷外界傳熱為目的保持低通風量運行，在夜晚以降低糧堆溫度為目的保持高通風量運行。