小麥糧堆的通風(fēng)阻力特性研究

方江坤 李巖 方智毅 張來(lái)林 吳東亮 張何英

摘要：糧食的安全儲(chǔ)藏與機(jī)械通風(fēng)技術(shù)密切相關(guān)，通風(fēng)過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)的變化會(huì)直接影響糧堆的通風(fēng)效果，而小麥作為中國(guó)的主要儲(chǔ)糧品種之一，研究小麥糧堆的通風(fēng)阻力特性具有重要意義。試驗(yàn)研究了不同通風(fēng)方式下小麥糧堆阻力特性相關(guān)參數(shù)的變化情況，結(jié)果表明：小麥糧堆的單位糧層阻力、穿網(wǎng)阻力均與糧面表觀風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系，且當(dāng)糧面表觀風(fēng)速較大時(shí)，穿網(wǎng)阻力的增長(zhǎng)幅度高于單位糧層阻力的增長(zhǎng)幅度。小麥糧堆的通風(fēng)均勻度與糧層厚度呈正相關(guān)，通風(fēng)量對(duì)小麥糧堆的通風(fēng)均勻度影響不大。

關(guān)鍵詞：小麥；機(jī)械通風(fēng)；單位糧層阻力；穿網(wǎng)阻力

中圖分類號(hào)：S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230316

Study on resistance characteristics during the ventilation in wheat pile

Fang Jiangkun1， Li Yan2， Fang Zhiyi1， Zhang Lailin3， Wu Dongliang4， Zhang Heying5

（ 1. Fujian Grain Reserves Co.， Ltd. Zhangpu Depot， Zhangzhou， Fujian 363200； 2. Sinograin Zhangzhou Depot Ltd. Company， Zhangzhou， Fujian 363105； 3. School of Food Science and Technology， Henan University of Technology， Zhengzhou， Henan 450001； 4. Sinograin Xiamen Depot Ltd. Company， Xiamen， Fujian 361026； 5. Fujian Grain Reserves Co.， Ltd. Zhangzhou Depot， Zhangzhou， Fujian 363000 ）

Abstract： The safe storage of grain is closely related to the mechanical ventilation technology during the ventilation will directly affect the ventilation effect of grain piles. As one of the main grain storage varieties in China， it is important to study the ventilation resistance characteristics of the wheat pile. The variation of the resistance characteristics of wheat pile under different ventilation modes was studied. The results showed that the resistance of unit grain layer and the resistance of net are positively correlated with the surface wind speed of the wheat pile. When the surface wind speed of wheat pile was higher， the increasing range of the resistance through the net was higher than that of the unit grain layer. The ventilation uniformity of wheat pile was positively correlated with the grain layer thickness， the ventilation volume has little influence on the ventilation uniformity of wheat pile.

Key words： wheat， mechanical ventilation， resistance of unit grain layer， resistance of the net

小麥作為三大谷物之一，是我國(guó)重要的糧食作物，多年來(lái)年產(chǎn)量占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的20%以上，且小麥經(jīng)加工制作成各種各樣的食物，是人類獲取能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要來(lái)源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)小麥口糧消費(fèi)占小麥消費(fèi)總量的95%以上[1]，這也就決定了我國(guó)糧食儲(chǔ)備必須有大量的小麥儲(chǔ)備，且要保證儲(chǔ)糧安全。由于小麥屬耐儲(chǔ)耐高溫品種，具有較好的儲(chǔ)糧穩(wěn)定性，因此多作為長(zhǎng)期儲(chǔ)備糧種。

機(jī)械通風(fēng)不僅是糧食儲(chǔ)藏行業(yè)使用最多、應(yīng)用最普遍的一項(xiàng)儲(chǔ)糧技術(shù)[2]，還是補(bǔ)冷均溫、環(huán)流熏蒸、充氮?dú)庹{(diào)等儲(chǔ)糧技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)。機(jī)械通風(fēng)的實(shí)質(zhì)是糧堆的換氣過(guò)程，根據(jù)流體力學(xué)原理，氣流穿過(guò)糧堆必然會(huì)造成能量損失，即糧堆通風(fēng)阻力的產(chǎn)生，這是影響機(jī)械通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用效果的主要因素[3]。了解通風(fēng)阻力的構(gòu)成、研究糧層阻力的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而選用合適的風(fēng)機(jī)，是取得良好通風(fēng)效果的前提條件[4-5]。楊曉帆等[6]對(duì)比不同檢測(cè)方法后，認(rèn)為采用糧堆內(nèi)靜壓值判斷機(jī)械通風(fēng)均勻度是一種相對(duì)較好的檢測(cè)手段。本研究借助河南工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的糧堆通風(fēng)性能參數(shù)檢測(cè)裝置[7]，以糧堆內(nèi)靜壓值檢測(cè)為基礎(chǔ)，開展壓入式上行通風(fēng)和吸出式下行通風(fēng)兩種通風(fēng)方式下小麥糧堆的通風(fēng)阻力特性研究，探尋單位糧層阻力、穿網(wǎng)阻力等參數(shù)的變化規(guī)律，為機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 通風(fēng)模擬裝置

試驗(yàn)裝置主箱體尺寸1 000 mm×1 000 mm×500 mm，內(nèi)置孔板厚度2.0 mm；試驗(yàn)在垂直通風(fēng)的前提下（見(jiàn)圖1），通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的送風(fēng)方式，實(shí)現(xiàn)壓入式上行通風(fēng)和吸出式下行通風(fēng)的轉(zhuǎn)換。

1.1.2 試驗(yàn)糧種

試驗(yàn)糧種為2022年安徽產(chǎn)小麥，色澤、氣味正常，其他質(zhì)量指標(biāo)情況見(jiàn)表1。

1.1.3 試驗(yàn)儀器

YJB-1500型補(bǔ)償式微壓計(jì)：上海隆拓儀器設(shè)備有限公司；TES-1340型熱線式風(fēng)速儀：臺(tái)灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司；YS90L-2型多管風(fēng)機(jī)：河南未來(lái)機(jī)電工程有限公司；L1000-0075G/0110P-T4型高性能矢量變頻器：南京雷歐電器科技有限公司；自制喇叭型風(fēng)罩（Ф上=5 cm、Ф下=30 cm，見(jiàn)圖2）等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 靜壓值測(cè)點(diǎn)布置

糧面共設(shè)7個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，具體布點(diǎn)見(jiàn)圖3；每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分5層檢測(cè)，距底部100 mm處為第1層測(cè)點(diǎn)，其他4層的間隔為200 mm，依次向上，頂部為第5層測(cè)點(diǎn)。

1.2.2 風(fēng)速檢測(cè)

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)上變頻器的頻率確定試驗(yàn)的風(fēng)量；當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，在試驗(yàn)糧堆表面，使用風(fēng)速儀測(cè)得喇叭形風(fēng)罩頂部小端口處放大的風(fēng)速值，再換算出實(shí)際的糧面表觀風(fēng)速。

1.2.3 穿網(wǎng)阻力檢測(cè)

穿網(wǎng)阻力在壓入式上行通風(fēng)條件下檢測(cè)。在距孔板中心點(diǎn)左右兩側(cè)5 cm處，各開一個(gè)比靜壓管直徑稍大的圓孔，將2根靜壓管分別插入兩個(gè)小孔中，使一根靜壓管的前端小孔固定在比孔板高5 mm左右的位置、另一根固定在比孔板低5 mm左右的位置；在試驗(yàn)過(guò)程中微調(diào)兩根靜壓管的插入深度，使檢測(cè)數(shù)據(jù)的差值最小時(shí)的位置為檢測(cè)穿網(wǎng)阻力的最佳位置；此時(shí)測(cè)得孔板上下靜壓差值即為穿網(wǎng)阻力。

1.2.4 參數(shù)測(cè)定與計(jì)算

試驗(yàn)在壓入式上行通風(fēng)和吸出式下行通風(fēng)條件下進(jìn)行，通過(guò)設(shè)置變頻器的不同頻率（10、20、30、40、50 Hz）達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的目的，檢測(cè)不同風(fēng)量條件下小麥糧堆的糧面表觀風(fēng)速、糧堆內(nèi)部靜壓值和穿網(wǎng)阻力值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到相關(guān)通風(fēng)參數(shù)。

（1） 風(fēng)速和風(fēng)量：根據(jù)流體連續(xù)方程（F1×v1= F2×v2），風(fēng)速儀實(shí)測(cè)風(fēng)速值除以風(fēng)罩放大倍數(shù)即可計(jì)算出實(shí)際的糧面表觀風(fēng)速，進(jìn)而計(jì)算出通風(fēng)量，見(jiàn)式（1）。

式中：Q為風(fēng)量，m3/h；F為糧面表層面積，m2；v為糧面表觀風(fēng)速，m/s。

（2）單位糧層阻力：在通風(fēng)過(guò)程中，空氣流穿過(guò)單位糧層的壓力損失為單位糧層阻力，見(jiàn)式（2）。

式中：Z為單位糧層阻力，Pa/m；P5為第5層的靜壓均值，Pa；P1為第1層的靜壓均值，Pa；L為第5層與第1層間的距離，m。

（3）通風(fēng)均勻度：根據(jù)糧層中的靜壓值分布判斷通風(fēng)均勻性，求出該糧層靜壓值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而計(jì)算通風(fēng)均勻度，見(jiàn)式（3）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同糧面表觀風(fēng)速下的單位糧層阻力

在兩種通風(fēng)方式下，分別通過(guò)變頻器調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，從而影響小麥糧堆的糧面表觀風(fēng)速、風(fēng)量以及單位糧層阻力等一系列參數(shù)變化，各參數(shù)的檢測(cè)值如表2、表3所示。對(duì)比表2、表3可知，隨著變頻器頻率的增大，壓入式上行通風(fēng)時(shí)糧面表觀風(fēng)速由0.031 m/s增加至0.178 m/s，風(fēng)量由55 m3/h增加至321 m3/h，對(duì)應(yīng)的單位糧層阻力由60.34 Pa/m增加至867.63 Pa/m，漲幅807.29 Pa/m，增加13.4倍；而吸出式下行通風(fēng)呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，糧面表觀風(fēng)速由0.029 m/s增加至0.157 m/s，風(fēng)量由52 m3/h增加至282 m3/h，對(duì)應(yīng)的單位糧層阻力由59.77 Pa/m增加至685.65 Pa/m，漲幅625.88 Pa/m，增加10.5倍。即壓入式上行通風(fēng)和吸出式下行通風(fēng)條件下，隨著糧面表觀風(fēng)速和風(fēng)量的增加，小麥糧堆的單位糧層阻力也隨之增加，均呈正相關(guān)，且壓入式上行通風(fēng)方式下糧堆通風(fēng)阻力漲幅相對(duì)較大。

對(duì)小麥糧堆的單位糧層阻力和糧面表觀風(fēng)速進(jìn)行曲線擬合處理，相比于其他函數(shù)，多項(xiàng)式二次函數(shù)和冪函數(shù)呈現(xiàn)出較高的擬合度，也就是說(shuō)多項(xiàng)式二次函數(shù)和冪函數(shù)均能較好地反映小麥糧堆的單位糧層阻力與其糧面表觀風(fēng)速的關(guān)系。對(duì)比多項(xiàng)式二次函數(shù)和冪函數(shù)擬合曲線的R2值可知，多項(xiàng)式二次函數(shù)的擬合度更高（R2≥0.99）。具體曲線趨勢(shì)如圖4所示。

由圖4可知，不論是壓入式上行通風(fēng)，還是吸出式下行通風(fēng)，小麥糧堆的單位糧層阻力與其糧面表觀風(fēng)速均呈正相關(guān)，且壓入式上行通風(fēng)條件下的單位糧層阻力高于吸出式下行通風(fēng)。對(duì)比不同糧面表觀風(fēng)速下的糧堆單位糧層阻力的變化情況可知，兩種通風(fēng)方式下擬合曲線的斜度均越來(lái)越大，即小麥糧堆的糧面表觀風(fēng)速越大，其單位糧層阻力越大，單位糧層阻力的漲幅隨之逐漸增大。以壓入式上行通風(fēng)為例，糧面表觀風(fēng)速由0.031 m/s增大至0.075 m/s時(shí)，單位糧層阻力由60.34 Pa/m增大至183.81 Pa/m，糧面表觀風(fēng)速漲幅0.044 m/s，單位糧層阻力漲幅123.47 Pa/m；而當(dāng)糧面表觀風(fēng)速由0.145 m/s增大至0.178 m/s時(shí)，單位糧層阻力由555.84 Pa/m增大至867.63 Pa/m，糧面表觀風(fēng)速漲幅為0.033 m/s，單位糧層阻力漲幅為311.79 Pa/m。即糧面表觀風(fēng)速較小時(shí)，單位糧層阻力漲幅較小，糧面表觀風(fēng)速數(shù)值較大時(shí)，即使風(fēng)速增幅較小，單位糧層阻力亦大幅度增加。

2.2 不同糧面表觀風(fēng)速下的穿網(wǎng)阻力

對(duì)不同糧面表觀風(fēng)速下的穿網(wǎng)阻力進(jìn)行曲線擬合，其多項(xiàng)式二次函數(shù)和冪函數(shù)均呈現(xiàn)較高的擬合度，具體如圖5所示。

由圖5可知，穿網(wǎng)阻力隨著糧面表觀風(fēng)速的增大而逐漸增大，兩者呈正相關(guān)。多項(xiàng)式二次函數(shù)擬合曲線的R2值為0.985 6，冪函數(shù)擬合曲線的R2值為0.988 9，說(shuō)明冪函數(shù)對(duì)穿網(wǎng)阻力與糧面表觀風(fēng)速之間關(guān)系的擬合度更高。

根據(jù)不同糧面表觀風(fēng)速下小麥糧堆的單位糧層阻力，將對(duì)應(yīng)的穿網(wǎng)阻力折算成同厚度的糧層阻力。對(duì)比不同糧面表觀風(fēng)速下的穿網(wǎng)阻力和單位糧層阻力可知，糧面表觀風(fēng)速0.031 m/s時(shí)，單位糧層阻力為60.34 Pa/m，穿網(wǎng)阻力為2.0 Pa，穿網(wǎng)阻力是同厚度糧層阻力的16.6倍；而糧面表觀風(fēng)速0.178 m/s時(shí)，單位糧層阻力為867.63 Pa/m，穿網(wǎng)阻力為47.75 Pa，穿網(wǎng)阻力是同厚度糧層阻力的27.5倍。也就是說(shuō)，小麥糧堆在通風(fēng)過(guò)程中，通過(guò)糧面的表觀風(fēng)速或穿過(guò)糧堆的風(fēng)量越大，對(duì)應(yīng)的穿網(wǎng)阻力越大，且增長(zhǎng)幅度高于單位糧層阻力的增長(zhǎng)幅度。即機(jī)械通風(fēng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，穿網(wǎng)阻力對(duì)糧堆通風(fēng)效果的影響不容忽視，不能一味地追求大風(fēng)量通風(fēng)[8]。

2.3 小麥糧堆的通風(fēng)均勻度

不同通風(fēng)方式下小麥糧堆的通風(fēng)均勻度如圖6、圖7所示。對(duì)比通風(fēng)均勻度的變化情況可知，吸出式下行通風(fēng)時(shí)的通風(fēng)均勻度稍高于壓入式上行通風(fēng)；同種通風(fēng)條件下，不同通風(fēng)量對(duì)應(yīng)的通風(fēng)均勻度沒(méi)有明顯差異，即通風(fēng)量對(duì)小麥糧堆的通風(fēng)均勻度影響不大。按照糧層厚度橫向比較發(fā)現(xiàn)，小麥糧堆第1層的通風(fēng)均勻度相對(duì)偏低，在98.7%與99.5%之間波動(dòng)，無(wú)明顯規(guī)律；隨著糧層厚度的增加，第2層高于第1層、第3層高于第2層，第4層、第5層與第3層均保持在99.9%左右。即隨著糧層厚度的增加，通風(fēng)均勻度逐漸增大，即小麥糧堆的通風(fēng)均勻度與糧層厚度呈正相關(guān)。

3 結(jié) 論

以糧堆通風(fēng)性能參數(shù)檢測(cè)裝置為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)節(jié)穿透糧堆的通風(fēng)量，研究壓入式上行通風(fēng)和吸出式下行通風(fēng)方式下小麥糧堆的通風(fēng)阻力特性相關(guān)參數(shù)變化情況，對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）小麥糧堆的單位糧層阻力隨糧面表觀風(fēng)速的增大而增大，兩者呈明顯正相關(guān)。相較于冪函數(shù)，多項(xiàng)式二次函數(shù)能更好地反映小麥糧堆的單位糧層阻力與其糧面表觀風(fēng)速的關(guān)系。壓入式上行通風(fēng)方式下糧堆通風(fēng)阻力的漲幅相對(duì)較大，且糧面表觀風(fēng)速較大時(shí)單位糧層阻力漲幅隨之增大。

（2）穿網(wǎng)阻力隨著糧面表觀風(fēng)速的增大而逐漸增大，呈正相關(guān)，且增長(zhǎng)幅度高于單位糧層阻力的增長(zhǎng)幅度。冪函數(shù)對(duì)穿網(wǎng)阻力與糧面表觀風(fēng)速之間關(guān)系的擬合度更高。機(jī)械通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，不能一味地追求大風(fēng)量通風(fēng)。

（3）小麥糧堆的通風(fēng)均勻度在吸出式下行通風(fēng)條件下稍高于壓入式上行通風(fēng)，且隨著糧層厚度的增加，通風(fēng)均勻度逐漸增大，即小麥糧堆的通風(fēng)均勻度與糧層厚度正相關(guān)。同種通風(fēng)條件下，通風(fēng)量對(duì)小麥糧堆的通風(fēng)均勻度影響不大。

參 考 文 獻(xiàn)

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