王遠(yuǎn)成 石天玉 曲安迪 楊開敏 魏 雷

(山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院1,濟(jì)南 250101) (國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院2,北京 100037)

機(jī)械通風(fēng)作為儲(chǔ)糧生態(tài)系統(tǒng)熱濕調(diào)控的方法之一，具有降溫效果顯著、費(fèi)用較低等特點(diǎn)，在確保儲(chǔ)糧安全方面，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。傳統(tǒng)的機(jī)械通風(fēng)方式主要是豎向通風(fēng)，豎向通風(fēng)需要在糧倉(cāng)地面鋪設(shè)通風(fēng)籠(或設(shè)置地槽)。通風(fēng)籠的鋪設(shè)，會(huì)帶來(lái)糧食出入倉(cāng)不便、勞動(dòng)生產(chǎn)率低的問(wèn)題，且不便于機(jī)械化操作。為了解決豎向通風(fēng)存在的弊端，我國(guó)開展了橫向通風(fēng)工藝的研究。橫向通風(fēng)是把通風(fēng)籠垂直安裝在糧倉(cāng)跨度方向的兩個(gè)內(nèi)墻上，俗稱“地上籠上墻”，并通過(guò)吸出式的方式沿著糧倉(cāng)跨度方向進(jìn)行水平通風(fēng)。橫向通風(fēng)避免了地上籠的鋪設(shè)所帶來(lái)的糧食進(jìn)出倉(cāng)的不便，可以實(shí)現(xiàn)糧食進(jìn)出倉(cāng)的機(jī)械化操作，大大地提高了糧食進(jìn)出倉(cāng)的效率。同時(shí)，橫向通風(fēng)時(shí)，氣流在糧堆內(nèi)水平橫向流動(dòng)，糧堆單位面積通風(fēng)量比豎向通風(fēng)提高3～5倍，表觀速度較大，熱濕對(duì)流作用相對(duì)較強(qiáng)，糧溫和水分變化的相對(duì)較快[2]。但是，橫向通風(fēng)相對(duì)于豎向通風(fēng)，由于通風(fēng)路徑長(zhǎng)，通風(fēng)阻力大，且沿著糧倉(cāng)跨度方向的糧堆溫度和水分分層較為明顯。

當(dāng)入倉(cāng)糧食的水分低于安全水分時(shí)，機(jī)械通風(fēng)的目的是降低糧堆溫度的同時(shí)減少通風(fēng)過(guò)程中儲(chǔ)糧水分的丟失。對(duì)于豎向和橫向降溫保水通風(fēng)工藝，國(guó)內(nèi)已有較多研究[3-7]。鑒于目前橫向通風(fēng)工藝存在的問(wèn)題,國(guó)家糧食與物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院提出了分段揭膜雙側(cè)吸出式的“斜向”快速降溫通風(fēng)工藝，如圖1所示。其中，圖1a為中間揭膜兩側(cè)覆膜的

圖1 房式倉(cāng)雙側(cè)吸出式斜流降溫通風(fēng)原理圖

通風(fēng)方式，圖1b為中間覆膜兩側(cè)揭膜的通風(fēng)方式。但是，由于斜向通風(fēng)屬于一種新的通風(fēng)工藝，有許多問(wèn)題還有待于深入細(xì)致的研究。

本研究采用數(shù)值模擬的方法，以國(guó)家糧食與物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院在青海省海東市互助土族自治縣國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)實(shí)驗(yàn)工況為研究對(duì)象，對(duì)雙側(cè)吸出式的“斜向”快速降溫通風(fēng)工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了雙側(cè)吸出式“斜向”通風(fēng)時(shí)降溫保水效果，探究了雙側(cè)吸出式“斜向”通風(fēng)與橫向通風(fēng)相結(jié)合的快速降溫保水通風(fēng)工藝，研究結(jié)果可以為儲(chǔ)糧通風(fēng)操作提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)工況和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

本次進(jìn)行的雙側(cè)吸出式斜流通風(fēng)工藝的實(shí)驗(yàn)倉(cāng)為青?；ブh國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)新庫(kù)區(qū)3號(hào)高大平房倉(cāng)，倉(cāng)房?jī)?nèi)部長(zhǎng)度為48 m，跨度為23 m，糧堆高度6.7 m。本實(shí)驗(yàn)所采用的試供糧食為山東小麥，容重為786 kg/m3，平均水分為12.0%，數(shù)量為6 012.64 t。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為11月下旬，實(shí)驗(yàn)環(huán)境接近于秋冬季氣候。根據(jù)斜向通風(fēng)工藝的要求，確定在糧堆表面覆蓋PA/PE薄膜與否以及覆膜區(qū)域的大小。由于糧堆的實(shí)際寬度為23 m，揭膜方式原則上可以取糧堆寬度的1/3進(jìn)行揭膜，同時(shí)，考慮到中間揭膜適當(dāng)增大一些，有利于提高降溫速率，減小通風(fēng)阻力，因此，分別進(jìn)行了中間揭膜9 m兩側(cè)覆膜7 m，兩側(cè)揭膜7 m中間覆膜9 m，以及中間揭膜3 m兩側(cè)覆膜10 m。鑒于中間揭膜3 m兩側(cè)覆膜10 m的斜向通風(fēng)降溫效果較差，本文只討論前兩種斜向通風(fēng)方式。

本實(shí)驗(yàn)主要采用了局部揭膜雙側(cè)吸出的通風(fēng)方式，糧堆表面分別進(jìn)行雙側(cè)覆膜或中間覆膜，具體通風(fēng)過(guò)程如下：1)11月25日上午10點(diǎn)至11月27日上午7點(diǎn)30分，進(jìn)行雙側(cè)覆膜中間揭膜的斜向通風(fēng)，共通風(fēng)46.5 h。即在糧堆表面南北兩側(cè)沿著長(zhǎng)度方向進(jìn)行覆膜，覆膜寬度為7 m；沿糧倉(cāng)長(zhǎng)度方向，糧面中間進(jìn)行揭膜，揭膜寬度為9 m，且兩側(cè)薄膜與墻壁不密封。然后打開倉(cāng)上的通風(fēng)窗，同時(shí)開啟南北兩側(cè)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)操作。2)11月27日上午9點(diǎn)30至11月28日上午8點(diǎn)30，進(jìn)行雙側(cè)揭膜中間覆膜的斜向通風(fēng)，共通風(fēng)23 h。即在糧堆表面南北兩側(cè)各7 m的區(qū)域揭膜，糧面中間9 m位置進(jìn)行覆膜。然后打開倉(cāng)上的通風(fēng)窗，同時(shí)開啟南北兩側(cè)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)操作。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別測(cè)定4臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和通風(fēng)量，風(fēng)機(jī)型號(hào)為CFLH-11A，功率為11 kW。每?jī)尚r(shí)測(cè)定一次糧溫，水分的測(cè)定采用抽樣方法，進(jìn)行化驗(yàn)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)工況和測(cè)定數(shù)據(jù)如表1、表2及圖2所示，其中，圖2a為中間揭膜通風(fēng)，圖2b為兩側(cè)揭膜通風(fēng)。

圖2 兩側(cè)揭膜和中間揭膜通風(fēng)的實(shí)測(cè)溫度

當(dāng)采用中間揭膜兩側(cè)覆膜的斜向通風(fēng)時(shí)，各層溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖2a所示，當(dāng)采用兩側(cè)揭膜中間覆膜的斜向通風(fēng)時(shí)，各層溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖2b所示。由圖2a和圖2b可見，由于采用的是雙側(cè)吸出式的通風(fēng)方式，糧堆最上層的溫度受氣溫影響較大，溫度先升高后降低，中上層和中層的糧溫的降低效果較好，但中下層及最下層的降溫效果較差，隨時(shí)間的推移甚至還有一定的上升趨勢(shì)，但是糧堆整體的平均溫度還是有所降低的。

通風(fēng)開始至結(jié)束，對(duì)糧堆進(jìn)行3次分區(qū)扦樣，使用105 ℃烘干法檢測(cè)糧食水分。其中第四次僅扦取了表層樣品，其余六次均扦取了上、中、下三層樣品，上層距離糧面0.5 m，下層距離倉(cāng)底0.5 m，中層位于糧堆中心高度。水分檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。通風(fēng)過(guò)程中，糧食平均水分(濕基)在12.0%～12.6%范圍內(nèi)波動(dòng)?？芍?，經(jīng)過(guò)本次通風(fēng)，糧食水分基本沒(méi)有損失，達(dá)到了降溫通風(fēng)的目的，并取得了良好的保水效果。中間揭膜9 m兩側(cè)覆膜7 m斜向通風(fēng)的單位能耗為0.065 kW·h/(t·℃)，兩側(cè)各揭膜7 m中間覆膜9 m斜向通風(fēng)的單位通風(fēng)能耗為0.068 kW·h/(t·℃)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況的各項(xiàng)參數(shù)

表2 通風(fēng)過(guò)程中糧食水分的變化

2 糧堆內(nèi)部流動(dòng)和熱濕耦合傳遞過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)糧堆是均勻分布的多孔介質(zhì)，糧堆內(nèi)部滿足局部熱平衡原理，考慮糧食顆粒的吸濕和解吸濕特性，忽略糧食的呼吸作用和蟲霉生長(zhǎng)的產(chǎn)生的熱量和水分。糧堆內(nèi)部流動(dòng)及熱濕耦合傳遞的控制方程如下[8-11]：

連續(xù)性方程：

(1)

式中：ε為空隙率；ρa(bǔ)為空氣密度；u為糧堆內(nèi)部空氣的表觀速度或達(dá)西速度；t為時(shí)間；為微分算子。

動(dòng)量方程：

(2)

式中：p為通風(fēng)空氣的壓力；μ為空氣的動(dòng)力黏度；dP為谷物顆粒的等效直徑。

能量方程：

(3)

式中：ρb為糧堆的容重；ca、cb分別為空氣和糧堆的比熱；T為糧堆的溫度；keff為糧堆的有效導(dǎo)熱系數(shù)；hs為谷粒吸濕或解吸濕熱；M為糧堆的濕基水分。

水分遷移方程：

(4)

式中：w為糧粒間空氣中的絕對(duì)含濕量；Deff為濕空氣在糧堆中的有效擴(kuò)散系數(shù)；?M/?t為單位時(shí)間內(nèi)糧粒與周圍空氣交換的水分量。

3 數(shù)值方法及數(shù)值模擬條件

3.1 數(shù)值方法

對(duì)控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散，離散格式為二階上風(fēng)差分格式。為了防止迭代過(guò)程的發(fā)散和數(shù)值不穩(wěn)定，對(duì)動(dòng)量方程、能量和標(biāo)量輸運(yùn)方程采用了欠松弛技術(shù)，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。

3.2 通風(fēng)數(shù)值模擬的初始和邊界條件

初始條件：中間揭膜和兩側(cè)揭膜斜向通風(fēng)數(shù)值模擬的各層小麥的初始溫度和水分分別見表3和表4。

表3 中間揭膜9 m斜向通風(fēng)的初始糧溫和水分

表4 兩側(cè)各揭膜7 m斜向通風(fēng)的初始糧溫和水分

入口條件：將入口設(shè)為流量進(jìn)口條件，入口總風(fēng)量為25 400 m3/h。同時(shí)，以通風(fēng)時(shí)進(jìn)風(fēng)口處的溫濕度為數(shù)值模擬的溫濕度條件，中間揭膜和兩側(cè)揭膜斜向通風(fēng)的進(jìn)口條件分別如圖3a和圖3b所示，其中，圖3a為中間揭膜9 m通風(fēng)空氣的溫濕度，圖3b為兩側(cè)揭膜7 m通風(fēng)空氣的溫濕度。

圖3 中間揭膜和兩側(cè)揭膜斜向通風(fēng)入口溫度與濕度隨時(shí)間變化圖

出口條件：出風(fēng)口設(shè)為壓力出口條件。

壁面邊界條件：由于通風(fēng)時(shí)間相對(duì)較短，因此將壁面條件設(shè)為絕熱壁和不滲透條件。

3.3 物性參數(shù)

儲(chǔ)藏糧種為山東小麥，容重為692 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.16 W/(m·℃)，孔隙率為0.43，比熱容為1 790 J/(kg·K)。

3.4 模擬通風(fēng)時(shí)間

中間揭膜9 m斜向通風(fēng)時(shí)間共計(jì)46.5 h，兩側(cè)揭膜7 m斜向時(shí)間共計(jì)23.0 h。

4 數(shù)值模擬研究結(jié)果和分析

4.1 中間揭膜和兩側(cè)揭膜斜向通風(fēng)時(shí)的流場(chǎng)

圖4和圖5分別是雙側(cè)吸出式中間揭膜9 m和兩側(cè)揭膜7 m通風(fēng)的流場(chǎng)圖。圖4和圖5中Y和Z分別為糧堆高度和跨度方向的尺寸。從圖4和圖5可以看出，雙側(cè)吸出式中間揭膜通風(fēng)時(shí)，氣流從通風(fēng)窗進(jìn)入，經(jīng)過(guò)中間揭膜糧面并流過(guò)糧堆，然后進(jìn)入垂直支風(fēng)道和底部的主風(fēng)道流出糧倉(cāng)。雙側(cè)吸出式兩側(cè)揭膜通風(fēng)時(shí)，氣流從通風(fēng)窗進(jìn)入，經(jīng)過(guò)兩側(cè)揭膜的糧面并流過(guò)糧堆，然后進(jìn)入垂直支風(fēng)道和底部的主風(fēng)道流出糧倉(cāng)。

圖4 中間揭膜9 m通風(fēng)的流場(chǎng)圖

圖5 兩側(cè)揭膜7 m通風(fēng)的流場(chǎng)圖

4.2 中間揭膜斜向通風(fēng)時(shí)溫度和水分的數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖6a和圖6b是中間揭膜9 m雙側(cè)吸出式斜流降溫通風(fēng)46.5 h時(shí)糧倉(cāng)長(zhǎng)度一半位置的橫截面上糧堆內(nèi)部的溫度和水分場(chǎng)。從圖6a可以看出，當(dāng)采用中部揭膜9 m雙側(cè)吸出式斜流降溫通風(fēng)時(shí)，冷空氣首先從糧堆中間進(jìn)風(fēng)，房式倉(cāng)中上部的糧食溫度降溫最快，由于存在通風(fēng)死角，糧堆南北兩側(cè)的中上部降溫不明顯；糧堆下部的糧溫下降較慢，最底部2 m處基本沒(méi)有降溫。從圖6b可以看出，在該通風(fēng)工藝下，由于從糧堆中間進(jìn)風(fēng)，且通風(fēng)時(shí)間較短，糧堆上部的水分含量受空氣的濕度變化的影響較小，水分由12%降到11.9%，上層的水分含量略有降低。而糧堆中層的水分含量變化不是很明顯，含水量仍為12%左右，糧堆下層的水分含量沒(méi)有變化。

圖6 中部揭膜9 m通風(fēng)時(shí)間46.5 h時(shí) 不同截面的溫度和水分場(chǎng)

圖7是數(shù)值模擬與實(shí)倉(cāng)測(cè)試溫度結(jié)果的比較。從圖7可知，由于從糧堆中間進(jìn)風(fēng)，上層與中上層的溫度受環(huán)境溫度影響較大，呈下降的趨勢(shì)；中層的溫度先升后降，且降溫速率比較慢；而中下層和下層的溫度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。從圖7可以看出，模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值基本相符，最大誤差小于1.5 ℃左右。

表5為中部揭膜通風(fēng)時(shí)初始水分和通風(fēng)時(shí)間46.5 h時(shí)后糧堆平均水分的比較。從表5可以看出，當(dāng)采用中部揭膜9 m雙側(cè)吸出式斜流降溫通風(fēng)時(shí)，糧堆各層水分略有上升，但變化不大；數(shù)值模擬的整個(gè)糧堆的平均含水量由通風(fēng)前的12.03%增加到12.17%，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值(12.3%)基本吻合。

圖7 中部揭膜9 m斜向通風(fēng)各層的溫度對(duì)比圖

表5 初始水分和通風(fēng)時(shí)間46.5 h時(shí)后實(shí)測(cè)與模擬水分比較

水分上層中上層中層中下層下層平均值初始水分/%12.0—12.0—12.112.03實(shí)測(cè)水分/%12.5—12.2—12.212.30模擬水分/%12.1812.0212.0912.2112.2312.17

4.3 兩側(cè)揭膜斜向通風(fēng)時(shí)溫度和水分的數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖8a和圖8b是兩側(cè)揭膜7 m雙側(cè)吸出式斜流通風(fēng)23.0 h后糧堆內(nèi)部的溫度和水分場(chǎng)。從圖8a可以看出，當(dāng)兩側(cè)各揭膜7 m時(shí)，由于從糧堆兩側(cè)進(jìn)風(fēng)，房式倉(cāng)內(nèi)兩側(cè)(靠近南北墻的部分)的溫度下降得較快，中部由于存在一定的通風(fēng)死角的問(wèn)題，其溫度下降較慢。同時(shí)，由于兩側(cè)各揭膜7 m斜流通風(fēng)是在中部揭膜9 m斜流通風(fēng)之后進(jìn)行的，在跨度方向上，同一高度的糧堆中心區(qū)域的溫度要高于糧倉(cāng)兩側(cè)的溫度，這可能是由于前46.5 h通風(fēng)時(shí)間較短以及中間揭膜寬度設(shè)置的不合理導(dǎo)致糧堆中部通風(fēng)降溫不充分導(dǎo)致的。而且兩側(cè)揭膜通風(fēng)時(shí)間也較短，糧堆下部的糧溫仍然降的很慢，尤其是最底部2 m處，糧溫變化不顯著。

從圖8b可以看出，在該通風(fēng)工藝下，由于從糧堆兩側(cè)進(jìn)風(fēng)，且通風(fēng)時(shí)間較短，上層的水分含量略有降低，而糧堆中層兩側(cè)含水量由12.2%變到12.1%；糧堆中層和下層的水分含量沒(méi)有變化。

圖8 通風(fēng)時(shí)間23 h時(shí)不同截面的溫度場(chǎng)

圖9為兩側(cè)各揭膜7 m雙側(cè)吸出式斜流通風(fēng)數(shù)值模擬與實(shí)倉(cāng)測(cè)試溫度結(jié)果的比較圖。由圖9可以看出，模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值基本相符，最大誤差小于1.5 ℃左右。分析差生誤差的原因，主要有兩個(gè)方面，一是數(shù)值模擬中的熱物性參數(shù)的選取與實(shí)際情況會(huì)有一些出入，二是溫度和水分測(cè)量精度，這些都會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)溫度和水分與數(shù)值模擬結(jié)果有一定的誤差。

表6為兩側(cè)各揭膜7 m雙側(cè)吸出式斜流通風(fēng)時(shí)間23.0 h時(shí)后平均水分的比較。由表6可以看出，當(dāng)采用兩側(cè)各揭膜7 m雙側(cè)吸出式斜流降溫通風(fēng)工藝進(jìn)行降溫時(shí)，糧堆各層水分變化不大，其原因在于通風(fēng)時(shí)間較短，濕分傳遞較少的緣故。同時(shí)，從表6也可以看出，數(shù)值模擬值與實(shí)倉(cāng)測(cè)試值基本吻合，說(shuō)明所建立的數(shù)學(xué)模型具有較好的合理性。

圖9 兩側(cè)各揭膜9 m斜向通風(fēng)各層的溫度對(duì)比圖

表6 初始水分和通風(fēng)時(shí)間23.0 h時(shí)后實(shí)測(cè)與模擬水分比較

水分上層中上層中層中下層下層平均值初始水分/%12.5—12.2—12.212.30實(shí)測(cè)水分/%12.5—12.0—12.312.27模擬水分/%12.4212.2412.1012.1812.2812.24

4.4 橫向通風(fēng)數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由于中間揭膜和兩側(cè)揭膜通風(fēng)時(shí)間較短，而且存在著通風(fēng)短路的問(wèn)題，從而導(dǎo)致的糧堆下層溫度降低不足的問(wèn)題，因此，需要進(jìn)一步采用橫向通風(fēng)，才能降低糧堆底部的糧溫。圖10和圖11分別是不同送風(fēng)溫度時(shí)橫向通風(fēng)24 h后糧堆內(nèi)部的溫度和水分模擬結(jié)果。從中可以看出，在采用了中間揭膜和兩側(cè)揭膜通風(fēng)后，再適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行一段時(shí)間的橫向通風(fēng)，就可以有效地降低糧堆底部的糧溫，而且橫向降溫通風(fēng)過(guò)程中，糧堆水分基本不變。

圖10 送風(fēng)溫度0 ℃時(shí)經(jīng)過(guò)24 h橫向通風(fēng)后的溫度和水分場(chǎng)

圖11 送風(fēng)溫度4 ℃時(shí)經(jīng)過(guò)24 h橫向通風(fēng)后的溫度和水分場(chǎng)

5 結(jié)論

本研究以國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)雙側(cè)吸出式斜流通風(fēng)實(shí)驗(yàn)工況為研究對(duì)象，對(duì)雙側(cè)吸出式的“斜向”快速降溫通風(fēng)工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，比較分析了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，得出了以下結(jié)論：

采用雙側(cè)吸出式揭膜斜流通風(fēng)，可以實(shí)現(xiàn)秋冬季高大平房糧堆上部的快速降溫，同時(shí)，在通風(fēng)空氣濕度合適的情況下，也可以達(dá)到保水效果。但是，由于斜流通風(fēng)的氣流短路的問(wèn)題，底部糧堆降溫效果不明顯，存在著通風(fēng)死角的問(wèn)題。

在進(jìn)行了中間揭膜和兩側(cè)揭膜的斜流通風(fēng)后，再適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行一段時(shí)間的橫向通風(fēng)，就可以有效地降低糧堆底部的糧溫，而且橫向降溫通風(fēng)過(guò)程中，糧堆水分基本不變。

通過(guò)數(shù)值模擬的方法，可以對(duì)雙側(cè)吸出式斜流通風(fēng)的降溫降水過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，并且具有較好的可行性和準(zhǔn)確性。而且數(shù)值模擬技術(shù)可以更為直觀的重現(xiàn)雙側(cè)吸出式斜流通風(fēng)時(shí)糧堆內(nèi)溫度和水分的變化過(guò)程，這為儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)操作提供參考。