玉米糧堆的通風阻力特性研究

李 巖,林開明,張何英,張來林,吳麗蓉,方江坤

(1.中央儲備糧漳州直屬庫有限公司,福建 漳州 363105;2.福建省儲備糧管理有限公司漳州直屬庫,福建 漳州 363000;3.河南工業(yè)大學糧油食品學院,河南 鄭州 450001;4.中央儲備糧廈門直屬庫有限公司,福建 廈門 361026;5.福建省儲備糧管理有限公司漳浦直屬庫,福建 漳州 363200)

玉米是我國的主要糧食作物之一,年產(chǎn)量僅次于小麥和稻谷,占我國糧食產(chǎn)量的20%以上,通過用作飼料換來菜籃子中豐富的肉蛋奶魚等副食品,滿足了人們對美好生活不斷增長的物質(zhì)需求。隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展進步,其產(chǎn)量逐年增加,再加上國際經(jīng)濟貿(mào)易影響,國家收儲玉米的數(shù)量也日益增加。而玉米籽粒由于胚部大、呼吸旺盛、吸濕性強、富含脂肪等特點,儲糧的穩(wěn)定性相對較差[1],但適量、安全地儲藏玉米對穩(wěn)定市場供給和經(jīng)濟發(fā)展意義重大。

機械通風技術在糧食儲藏行業(yè)得到普遍應用,不僅可以用于糧堆的通風降溫降濕,還是環(huán)流熏蒸、充氮氣調(diào)等儲糧技術應用的基礎[2],是玉米保管儲藏期間應用頻率最高的儲糧技術之一。因此,研究玉米糧堆的通風阻力特性,是玉米安全保管、通風技術應用,乃至通風系統(tǒng)設計、風機規(guī)格選用的基礎。參考以往的研究結果[3-6],借助河南工業(yè)大學設計的糧堆通風性能參數(shù)檢測裝置[7],在糧堆不動的前提下,通過風機接口的轉換,開展壓入式上行通風和吸出式下行通風兩種送風方式進行玉米糧堆通風試驗,研究單位糧層阻力、穿網(wǎng)阻力等相關基礎性能參數(shù)的變化規(guī)律,為玉米保管時機械通風的技術應用、風道設計、風機選擇提供參考。

1 試驗設備及材料

1.1 通風模擬裝置

試驗裝置主箱體尺寸為1 000 mm(長)×1 000 mm(寬)×500 mm(厚),內(nèi)置孔板厚度為2.0 mm;試驗在垂直通風的前提下(見圖1),通過改變風機的送風方式,實現(xiàn)壓入式上行通風和吸出式下行通風的轉換(見圖2)。

圖1 通風模擬裝置示意圖

圖2 壓入式與吸出式的通風示意圖

1.2 試驗糧種

試驗糧種為2022年產(chǎn)美國進口玉米,基本情況見表1。

表1 玉米質(zhì)量情況

1.3 試驗儀器

GHCS-1000型兩用容重器、PB1502-S型電子天平、DHG-9145A型電熱鼓風干燥箱、JFSD-100型電動粉碎機、AX204型電子天平、谷物選篩、靜壓管、YJB-1500型補償式微壓計、TES-1340型熱線式風速儀、YS90L-2型多管風機、L1000-0075G/0110P-T4型高性能矢量變頻器、自制喇叭型風罩[8](Ф上=5 cm、Ф下=30 cm,見圖3)等。

圖3 自制喇叭型風罩示意圖

2 試驗方法

2.1 靜壓值測點布置

糧面共設7個檢測點,具體布點見圖4;每個檢測點分5層檢測,距底部100 mm處為第1層測點,其它4層的間隔為200 mm,依次向上頂部為第5層測點。

圖4 靜壓測定平面布點示意圖

2.2 風速檢測

試驗時,通過調(diào)整風機上變頻器的頻率,確定試驗的風量;當風機運行穩(wěn)定后,在試驗糧堆表面,使用風速儀測得喇叭形風罩頂部小端口處放大的風速值,再換算出實際的糧面表觀風速。

2.3 穿網(wǎng)阻力檢測

穿網(wǎng)阻力是在壓入式通風條件下檢測的。在距孔板中心點左右兩側的5 cm處,各開一個比靜壓管直徑稍大圓孔,將2根靜壓管分別插入兩個小孔中,使靜壓管的前端小孔:1根固定在比孔板高5 mm左右的位置上、另1根固定在比孔板低5 mm左右的位置上;在試驗過程中微調(diào)兩根靜壓管的插入深度,使檢測數(shù)據(jù)的差值最小,此時的位置為檢測穿網(wǎng)阻力的最佳位置;此時測得孔板上下靜壓差值即為穿網(wǎng)阻力。

2.4 參數(shù)測定與計算

試驗在壓入式上行通風和吸出式下行通風條件下進行,通過設置變頻器的不同頻率(10、20、30、40、50 Hz)達到調(diào)節(jié)風機風量的目的,檢測不同風量條件下的糧面表觀風速、糧堆內(nèi)部靜壓值和穿網(wǎng)阻力值,經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到相關通風參數(shù)。

2.4.1風速和風量計算

根據(jù)流體連續(xù)方程(F1×v1=F2×v2),風速儀檢測風速值除以風罩放大倍數(shù)即可計算出實際的糧面表觀風速,進而計算出通風量,見公式(1)。

Q= 3 600×F×v

(1)

式中:Q為風量,m3/h;F為糧面表層面積,m2;v為糧面表觀風速,m/s。

2.4.2單位糧層阻力計算

通風過程中,空氣流穿過單位糧層的壓力損失為單位糧層阻力,見公式(2)。

(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。

2.4.3通風均勻度計算

根據(jù)糧層中的靜壓值分布判斷通風均勻性,求出該糧層靜壓值的平均值和標準差,進而計算通風均勻度,見公式(3)。

(3)

式中:J為通風均勻度;P為糧層內(nèi)的靜壓值,Pa;S為糧層內(nèi)靜壓值的標準差。

3 結果分析

3.1 不同糧面表觀風速下的單位糧層阻力分析

通風過程中,風機運行轉速隨變頻器的頻率改變而變化,從而影響糧面表觀風速、風量、以及糧堆阻力等一系列參數(shù)的變化,具體檢測值見表2、表3。對比表2、表3中數(shù)據(jù)可知,壓入式上行通風時糧面表觀風速由0.041 m/s增加至0.178 m/s,風量由73 m3/h增加至320 m3/h,對應的單位糧層阻力由43.22 Pa/m增加至636.88 Pa/m;而吸出式下行通風呈現(xiàn)同樣的規(guī)律,糧面表觀風速由0.036 m/s增加至0.157 m/s,風量由64 m3/h增加至282 m3/h,對應的單位糧層阻力由39.71 Pa/m增加至490.57 Pa/m。即隨著糧面表觀風速和風量的增加,單位糧層阻力也隨之增加,呈正相關。

表2 壓入式上行通風方式的糧堆阻力相關參數(shù)檢測值

表3 吸出式下行通風方式的糧堆阻力相關參數(shù)檢測值

對不同通風方式下的單位糧層阻力和糧面表觀風速進行曲線擬合,見圖5(a)壓入式通風,(b)吸出式通風。

圖5 不同通風方式單位糧層阻力的擬合曲線圖

從圖5可知,壓入式上行通風方式和吸出式下行通風方式的通風試驗中,玉米糧堆的單位糧層阻力與糧面表觀風速均呈顯著正相關。對比多項式二次函數(shù)和冪函數(shù)擬合的R2值可知,R2值均大于0.99,即多項式二次函數(shù)和冪函數(shù)均能較好地反映單位糧層阻力與糧面表觀風速的關系。相比于冪函數(shù),多項式二次函數(shù)的R2值為0.999 8和0.998 2,更接近于1,這說明多項式二次函數(shù)對玉米糧堆單位糧層阻力的擬合度更高。對比分析糧面表觀風速和單位糧層阻力的數(shù)據(jù)變化規(guī)律可知,兩種通風方式下擬合曲線的斜度均越來越大,也就是說隨著糧面表觀風速的增大,單位糧層阻力亦逐漸增大,且增大幅度逐漸提升。

3.2 不同糧面表觀風速下的穿網(wǎng)阻力分析

對不同糧面表觀風速下的穿網(wǎng)阻力進行曲線擬合,見圖6。從圖6中可以看出,穿網(wǎng)阻力隨著糧面表觀風速的增大而增大,兩者呈顯著正相關,且多項式二次函數(shù)對穿網(wǎng)阻力的擬合度更高。

圖6 不同糧面表觀風速下穿網(wǎng)阻力的擬合曲線圖

對比不同糧面表觀風速下的穿網(wǎng)阻力和糧堆單位糧層阻力可知,糧面表觀風速0.041 m/s時,穿網(wǎng)阻力1.28 Pa,單位糧層阻力43.22 Pa/m,折算后穿網(wǎng)阻力是同厚度糧層阻力的14.8倍;糧面表觀風速0.178 m/s時,穿網(wǎng)阻力32.46 Pa,單位糧層阻力636.88 Pa/m,折算后穿網(wǎng)阻力是同厚度糧層阻力的25.5倍。對比各項指標的增長可知,糧面表觀風速0.041 m/s增加至0.178 m/s,增至4.34倍;單位糧層阻力43.22 Pa/m增加至636.88 Pa/m,增至14.7倍;穿網(wǎng)阻力1.28 Pa增加至32.46 Pa,增至25.4倍。上述數(shù)據(jù)結果說明:在通風時,通過糧面的表觀風速或穿過糧堆的風量越大,其穿網(wǎng)阻力就呈現(xiàn)出多項式或冪函數(shù)式的增大。因此在實際通風作業(yè)中,穿網(wǎng)阻力對通風量、通風效果的影響不容忽視;尤其當大糧堆、深糧層的淺圓倉通風時,4臺風機、大風量通風的做法并不可取,當風機功率一定條件下,巨大的糧層阻力會迫使風機進行減少風量與增大風壓的能量轉換,大風量通風并未取得顯著的降溫效果[9],從流體力學角度解釋了生產(chǎn)中4臺風機與2臺風機通風效果相近的原因。

3.3 糧堆通風均勻度分析

不同通風方式下的玉米糧堆的通風均勻度見圖7、圖8。

圖7 壓入式上行通風玉米糧堆的通風均勻度

圖8 吸出式下行通風玉米糧堆的通風均勻度

從圖7、圖8中可以看出,兩種通風方式下第1層的通風均勻度相對較低,保持在99.3%～99.7%,風量的變化對其影響不大;第3層、第4層、第5層的通風均勻度均在99.8%以上,并未因風量與通風方式的改變而發(fā)生明顯變化。整體而言,兩種通風方式的通風均勻度均可達到99%以上,通風均勻度主要與糧層厚度有關,糧層較薄時通風均勻度相對偏低,糧層越厚、通風均勻度越高。

4 結論

利用糧堆通風性能參數(shù)檢測裝置開展玉米糧堆壓入式上行通風和吸出式下行通風試驗,通過調(diào)整風機運行轉速改變其風量變化,進而對玉米糧堆相關通風特性相關參數(shù)進行測定,對比分析檢測數(shù)據(jù)可知:

(1)隨著糧面表觀風速和風量的增加,單位糧層阻力隨之增加,呈顯著正相關。多項式二次函數(shù)和冪函數(shù)均能較好地反映單位糧層阻力與糧面表觀風速的關系,但多項式二次函數(shù)的擬合度更高。

(2)穿網(wǎng)阻力隨著糧面表觀風速的提高而增大,兩者呈顯著正相關,表觀風速增至4.34倍,單位糧層阻力增至14.7倍,而穿網(wǎng)阻力增至25.4倍,且呈現(xiàn)出多項式二次函數(shù)的變化規(guī)律,即特別在大糧堆、厚糧層的通風作業(yè)中,穿網(wǎng)阻力對風道設計、風機選擇及通風效果的影響不容忽視。

(3)風量和通風方式對玉米糧堆的通風均勻度影響不大,通風均勻度主要與糧層厚度有關,糧層越厚,通風均勻度越高。