静态粮堆冷却与干燥通风温湿度模拟研究

张晓静,王远成,潘钰, 尉尧方, 高帅

(山东建筑大学 教育部可再生能源建筑利用技术实验室, 山东 济南 250101)



静态粮堆冷却与干燥通风温湿度模拟研究

张晓静,王远成*,潘钰, 尉尧方, 高帅

(山东建筑大学 教育部可再生能源建筑利用技术实验室, 山东 济南 250101)

小麦储藏过程中，温度和水分是安全储粮的关键因素，通风过程中小麦堆的温度和水分的模拟研究对于安全储粮具有指导意义。文章基于局部热质平衡原理采用Fortran程序建立了一套新的数学模型，围绕静态粮堆冷却与干燥通风过程，通过对不同通风情况下粮堆温度和水分变化的模拟研究，阐明了粮堆通风过程中温度和水分变化的一般规律。结果表明:对于小麦堆的干燥过程，小麦堆的温度先升高达到峰值26 ℃后又逐渐趋近于进风温度，随着通风时间的增加，小麦堆水分普遍降低；对于小麦的冷却过程，小麦堆的温度随着进风状态的改变而改变；通过模拟结果以及实验结果的对比分析，文中模型对温度的模拟结果的误差最大只有2 ℃，测量和预测水分的最大差值为1.19%。

Fortran程序；储粮通风；传热传质

0　引言

粮食储藏过程中，水分和温度是特别重要的两个参数。环境温度的季节性变化，会导致粮堆内热量传递和水分迁移，继而引起粮堆局部的温度和水分的升高，从而导致微生物和害虫的生长，使得粮仓中的粮食变得不安全[1]。粮堆的呼吸作用会消耗粮食的干物质，同时呼吸过程会产生热量和水分，如果粮堆通风情况不好，有可能引起粮堆的“出汗”甚至“结顶”[2]。

经过长期的实践和研究，人们发现当小麦堆温度低于 15 ℃(小麦安全储藏的温度)，小麦堆水分在 12%～12.5%(安全水分)时，可以有效地避免虫害的发生，抑制粮堆中生物体的生命活动，延缓储粮品质的劣变[3]。通风过程中粮堆内部的流动是一个非常复杂的过程，它与粮堆热物性参数和粮食生物特性等多种因素有关，而且涉及到流体力学、传热学[4],工业通风[5]、生物学以及多孔介质内部的流动传递理论[6]。在机械通风方面，我国近几年一些技术力量较好的国储库在研究人员指导下进行了研究和试验，提出原始水分在16.5%～18.0% 左右的粮食，利用机械通风完全可均匀地将其干燥于安全水分之内[7]。就仓机械通风在小麦储藏中具有降温效果显著、费用较低等特点，在确保储粮安全方面，发挥着至关重要的作用。

为了掌握通风过程中储粮生态系统变化规律，储藏工作者进行了大量的实地测试工作，以研究特定的天气条件下谷物通风系统的性能和空气流速以及粮堆内部温湿度变化规律。但是通风实验需要投入较大的人力物力，成本较高，实验结果还不具有可重复性。为了减少工作量，Sharma开发了仿真模型来描述在可变参数通风下热与质量传递现象[8]。由于模型的限制，这些模型不能模拟谷物在整个通风段的温度。基于热量和质量守衡定律，Jia等模拟了就仓通风过程中粮仓内储藏小麦的温度变化，但是没有模拟小麦堆水分的变化[9]。王平等对平房仓横向通风降温进行了模拟研究[10]，吕宗旺等以CFD技术对粮仓进行了降温模拟[11]，王远成等对大型房式仓地上笼粮堆温度和水分变化规律[12]和圆筒仓内自然对流对粮堆热湿传递的影响[13]以及仓储粮堆内热湿耦合传递[14]进行了数值模拟研究。

以上发展的模型虽然能比较准确地模拟通风过程中温度和水分的变化，但是一般都存在计算周期长，占用计算机内存大的缺陷。而且在设定初始条件的时候，大都需要知道所模拟粮种的导热系数等参数，而粮种的这些热物性参数受粮食水分以及粮温的影响比较大，目前国内对这方面的统计数据尚不完善。文章通过集总参数的方法结合Fortran程序设计了一套新的数学模型。该模型不针对某一特种粮食，而是普遍适用于各种储粮品种，只需要在原程序的基础上修改粮食的比热容即可。文章对储粮过程中小麦堆的温度和水分变化进行模拟，获得在不同通风条件下小麦堆的温度和水分，通过与试验结果的比较也证明这个模型的准确性与可行性。

1　模型的建立

1.1物理模型的建立

文章将粮堆划分为相等厚度的谷物薄层，这些粮层间的空气流动的方向如图1所示，其中，ΔH为空间增量，Ti为进风温度，Wi为进风空气湿度比率，To为出风温度，Tw为小麦堆温度，Wo为出风空气湿度比率。建立仿真模型的目的是预测在规定的时间内每一层粮层最终的温度和水分含量。从上一层排出的空气状态被用作输入下一层粮层的条件，此过程被重复，直到一段时间的增量上整个谷物柱上的模拟完成。然后该模型以这段时间增量末期的谷物状态为初始条件，开始模拟在进风状态下下一个时间增量的第一层的小麦状态，然后使用和第一次时间增量相同的程序，模拟了在第二个时间增量的整个小麦堆。不断循环直到完成小麦的整个通风过程。

图1　粮层间空气流动方向示意图

1.2数学模型的建立

1.2.1焓湿关系

Brooke提出焓湿关系式来计算空气的属性[15]。

当干球温度Tdb大于或等于0 ℃时，饱和蒸气压Ps1(g/cm2)由式(1)计算为

Ps1=exp[58.8858-12301.69/(491.69+1.8Tdb)-5.16923ln(491.69+1.8Tdb)]

(1)

当干球温度Tdb低于0 ℃时，饱和蒸气压Ps2(g/cm2)由式(2)计算为

Ps2=exp[27.6452-11286.1489/(491.69+1.8Tdb)-0.46057ln(491.69+1.8Tdb)]

(2)

在给定湿度下的情况下，气体压力为Pv=(RH)PS，其中，RH为进风的相对湿度。

空气的湿度比率W=0.6219Pv/(Patm-Pv)，Patm是标准大气压，g/cm2。

空气的比体积vsa=0.007573(491.69+1.8Tdb)(1+1.6055W)。

空气的质量流速ma=Qa/vsa；Qa是空气的体积流量，m3/h。空气的比热cpa=0.2405+0.44W，自由水分的蒸发潜热ls=597.768-0.56983T， T是粮堆的温度，℃

空气焓h由ASHRAE基本手册中的式(3)计算为[16]h=4.267+0.240Tdb+W(597.386+0.444Tdb)

(3)

1.2.2小麦基本属性

Othmer等[17]推导出了小麦达到平衡时空气的相对湿度RHe(小数) 由式(4)计算为RHe=exp[(l/ls)ln(2.04816Ps)+c]/2.04816Ps

(4)

式中：l是小麦中水分的蒸发潜热，kcal/kg水;l/ls=1+23exp(-0.470 M);c=-3.34×104M-4.0;M是小麦的水分，干基百分比l/ls为1+23exp(-0.40M)。

Viravanichai[18]研究了热量的以下关系，硬红春小麦在温度范围为-33.5 至21.8 ℃的小麦的比热cpw(kcal/kg·℃)值由式(5)～(9)表示为

cpw1=0.250+0.00743M(-33.5 ～-24.1 ℃)

(5)

cpw2=0.279+0.00580M(-21.4 ～-10.8 ℃)

(6)

cpw3=0.297+0.00708M(-10.8 ～3.6 ℃)

(7)

cpw4=0.245+0.01058M(0.6 ～8.9 ℃)

(8)

cpw5=0.273+0.00933M(8.9 ～21.8 ℃)

(9)

1.2.3热湿传递公式

作为中国改革开放的前沿，云南具有优越的区位优势，是“一带一路”、孟中印缅经济走廊、中国—中南半岛经济走廊的重要节点，是中国唯一可以同时从陆上沟通东南亚、南亚的省，并可以通过中东联接欧洲、非洲，开拓西向贸易通道的省份。独特的区位优势，决定了云南将在“一带一路”建设中发挥不可替代的作用。

2.3.1热平衡公式

(1) 根据局部热平衡，可以得到式(10)计算为

maΔtcpa(Ti-To)+mgcpw(Tw-To)+(hi-ho)maΔt l/ls=0

(10)

式中：ma为空气的质量流速，kg干空气/h；mg为粮层中的小麦质量，kg；hi、ho分别为进风的焓，kcal/kg干空气。

对于干燥过程，可变形为

空气损失的热=粮堆获得的热+蒸发潜热

(2) 水分平衡公式

根据质量守恒原理，可以得到式(11)计算为

(Wi-Wo)100maΔt+(Mo-Mi)md=0

(11)

式中：md是粮层中的固体质量，kg；Mo是在时间增量Δt内模拟的小麦堆水分，干基百分比；Mi是小麦堆的初始水分，干基百分比；Δt是时间增量，h。

对于干燥过程，可变形为

空气获得的水分=粮堆失去的水分

文中模型以空气逐时的温度和相对湿度、粮堆的深度、粮层的厚度、空气流速、谷物的初始水分和初始温度为初始输入数据，各种基础属性由上述公式计算得到。

比较Pvi和Pg、Tw和Ti的关系，存在下面四种可能：

加热干燥小麦 Ti>Tw,Pvi

冷却加湿小麦 Ti>Tw,Pvi>Pg

冷却通风小麦 Ti

加热加湿小麦 Ti>Tw,Pvi>Pg

在以上四个过程中，都达到了热质平衡。为了发展数学模型，文中模型假设在空气温度下首先发生水分传递，然后发生热量传递。假设达到平衡时，小麦堆的出风温度和小麦堆的温度是相同的。同样的，小麦堆的出风空气湿度比率和小麦堆的比湿达到平衡。而实际在小麦堆通风过程中，温度的变化对小麦堆的影响比水分变化快。因此，当已经达到温度平衡时，水分平衡还没有达到。邻近通风结束阶段时，小麦堆的水分和温度与空气都达到平衡。

当水分传递未达到平衡时，出风空气湿度比率可以由式(12)表示为

(12)

R(R以百分比表示)定义为：粮层内实际传递的水分与在平衡状态下传递水分之比。

干燥和调质实验是在温度为6.8～25.0 ℃的范围内进行的，通过反复的实验，R值应为80。在-19.0～0 ℃的温度范围调质测试使用的R为经验数值。

R值在小麦堆粮层厚度和空气流速一定的情况下取决于空气和小麦的状态。

1.3数值方法和初始条件

文章模拟了Sharma[8]在实验室做的实验工况，得出了120cm深的粮堆干燥通风和冷却通风时的温度和湿度,实验条件见表1。

表1　用于通风模型的变量

2　通风实验

通风实验的原理图如图2所示。实验设备可以被分成三部分：储存粮食的垂直通风柱，调节空气的空气室，调节穿过粮食的空气的空气分配室。下面是这个设备的简介，更多的细节Sharma已经给出[8]。

图2　通风实验原理图

通风测试使用的小麦放在由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)制造的直径为10.16cm的观察管内。观察管的高度为24.13cm，粮层的厚度为15.2cm。沿着观察管设置了6个直径为1.27cm的孔洞，通过孔洞里抽样检测小麦，沿着观察管轴线分布有热电偶。Brooks玻璃管流量计(型号1110)安装在通风柱和排风支管之间的流动管线上，用于测量空气流速。系统采用机械通风，处理过的空气在风机的作用下经过空气室穿过全孔板对粮食进行通风。

3　模拟结果分析

将文章利用程序计算出来的结果(程序值)与实验值和Sharma的模拟结果(模拟值)[8]作比较，得到以下图形。

3.1工况1下模拟结果分析

工况1是在进风参数恒定的状态下进行模拟的，模拟结果如图3、4所示。

由模拟结果可以发现，随着通风时间的增加，小麦堆温度逐渐升高，达到峰值后逐渐趋于进风温度(如图3(a)所示)，在解吸湿过程中小麦释放潜热，使得底层小麦堆的温度在通风的前几个小时里高于测量温度而在通风后期预测温度又低于测量温度，这个差值最大可达到2 ℃。同时由于局部热平衡的作用，随着粮层高度的增加，温度变化越来越缓和(如图3(b)所示)。通风15h时，粮层内水分出现一个峰值(如图4(a)所示)，随着通风时间的增加，峰值小幅降低且峰值后水分含量普遍降低(如图4(b)所示)，说明当温度达到平衡时，水分尚未达到平衡。

3.2工况2下模拟结果分析

工况2是在进风参数随时间不断变化的状态下进行模拟的，模拟结果如图5、6、7所示。

图3　小麦堆各层温度随时间变化图(a)小麦堆第1层；(b)小麦堆第5层

图4　不同时刻下小麦堆各层水分变化图(a)15 h ；(b)25 h

图5　不同R值对小麦堆水分含量的影响图(80 h)

低R值表征水分传递较少，即从空气和小麦中带走少量显热。而高R值表征水分传递较多，即从空气和小麦中带走大量显热。由模拟结果可知最终模拟R值等于80最切合实际(如图5所示)。通风前期，第一粮层的预测温度比测量温度要高。这个差值最大到2 ℃(如图6(a)所示)。这是因为当空气流过粮层时，它的湿度趋向于平衡湿度。因此，在较上面的粮层里，空气的湿度与平衡时的湿度差值很小。这就会使得达到平衡时水分传递的实际速率比最大传递速率的80%大，即上层粮层的R值应该比80大，这也是通风前期预测水分低于测量水分(如图7所示)的原因。模型预测的小麦堆温度取决于在吸附过程中空气潜热的增加。在通风的前几个小时内，最高可传送水分的百分比是最低的。因此，R值应该比80小。这可能是在通风初期的几个小时里预测温度比测量温度低(如图6(b)所示)的原因。

图6　小麦堆各层温度随时间变化图(a)小麦堆第1层；(b)小麦堆第7层

图7　80 h后小麦堆各层水分变化图

在这些实验中测量和预测水分的最大差值为1.19%。产生差值的原因有可能和以下因素有关：(1)由于在每个实验中小麦和空气的状态不同，取相同的R值是不准确的；(2)R值的变化预示着水分含量的变化；(3)粮层的边缘效应，进风相对湿度和小麦堆水分含量的测量误差。

4　结论

通过上述研究可知：

(1) 储粮通风过程中温度与湿度是相互耦合的。

(2) 对于小麦堆的干燥过程，小麦堆的温度先升高达到峰值后(26 ℃)又逐渐降低并趋近于进风温度(22 ℃)，随着通风时间的增加，小麦堆水分峰值降低且峰值后水分含量普遍降低；对于小麦的冷却过程，小麦堆的温度随着进风状态的改变而改变，水分含量与实验结果比较吻和。

(3) 通过与前人模拟结果以及实验结果的比较发现，文中模型具有更高的准确性，温度模拟结果的误差最大只有2 ℃，测量和预测水分的最大差值为1.19%。文中模型在局部平衡的基础上首次提出了R值，使水分传递更接近于实际情况。

(4) 通过与测量结果的比较，验证了该模型的准确性与可行性。该模型的突出优点就是占用内存小，运行速度快，操作简单，普适性强，与之前的数学模型相比，有更好的应用价值。

[1]杨广靖,任云虹,贾金，等. 我国粮食储藏的现状及发展趋势[J].粮食加工，2012， 37(1):60-63.

[2]王远成, 武传欣, 段海峰. 粮食储藏过程中粮堆内部热湿耦合传递过程对粮食品质变化的影响研究[C].中国粮油储藏学会第六届年会报告，德宏：中国粮油储藏学会,2009.

[3]王远成, 段海峰, 张来林.就仓通风时粮堆内部热湿耦合传递过程的数值预测[J].河南工业大学学报,2009,30(6):76-77.

[4]陶文铨.数值传热学[M].西安:交通大学出版社,1998.

[5]孙一坚，沈恒根. 工业通风[M].北京：中国建筑工业出版社,2010.

[6]林瑞泰.多孔介质传热传质引论[M].北京:科学出版社,1995.

[7]汤文良，狄育慧.关于我国粮仓的通风技术及低温储藏技术[J].洁净与空调技术,2013,3(1):44-46.

[8]SharmaS.C. .Simulationofheatandmasstransferduringaerationofwheatandrapeseedbu1ks[J].UnpublishedM.Sc.Thesis,UniversityofManitoba,Winnipeg, 1973(31):104-105.

[9]JiaC.C.，SunD.W.，CaoC.W..Computersimulationoftemperaturechangesinawheatstoragebin[J]．JournalofStoredProductsResearch. 2001, 37( 1) : 165 -177.

[10]王平，周焰，曹阳，等.平房仓横向通风降温技术研究[J]. 粮油仓储科技通讯2011( 2)：20.

[11]吕宗旺，冯黎明，孙福艳.粮仓通风CFD技术研究[J].河南工业大学学报，2013,34(6):105-109.

[12]王远成,张忠杰,吴子丹，等.计算流体力学技术在小麦储藏中的应用[J].中国粮油学报，2008,27(5):86-90.

[13]王远成, 亓伟, 张中涛,等. 圆筒仓内自然对流对粮堆热湿传递的影响研究[J].水动力学研究与进展A,2015,25(4):487-496.

[14]王远成,白忠权,张中涛，等.仓储粮堆内热湿耦合传递的数值模拟[J].中国粮油学报,2015,3(11):64-66.

[15]BrookerD.B..Mathematicalmodelofthepychometrics[J].Chart.Trans.ASAE,1967,11( 10): 558-560.

[16]Ashrae.HandbookofFundamentals[M].NewYork:AmericanSocietyofHeating,RefrigeratingandAir-conditioningEngineer,1972.

[17]OthmerD.F,HuangH. .Correlatingvapourpressureandlatentheatdata[J],Ind.Eng.Chem. 1940,32: 841-846.

[18]ViravanichaiS..EffectofMoisturecontentandtemperatureonspecificheatofwheat[D].Winnipeg:Vniverstityofmanitoba, 1971.

(学科责编：吴芹)

Simulation of temperature and moisture in static grainstorageduringcoolanddryventilation

Zhang Xiaojing,Wang Yuancheng*, Pan Yu, et al.

(Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building of the National Education Ministry, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

Thetemperatureandmoisturecontentiscriticaltoachievingsafewheatstorage.Theresearchershavedesignedavarietyofmathematicalmodelstopredictthetemperatureandmoisturecontentofwheatduringventilation,whichgenerallytakesalotofmoneyandtime.TheproblemcanbesolvedeffectivelybyanewmathematicalmodelbasedonlocalheatandmassbalanceprincipleandFortranprogram.Itmakesthesimulationresearchofgraintemperatureandmoistureindifferentventilationconditionsandexploresthegenerallawofgraintemperatureandmoisturevariation.Theresultsshow:thetemperatureofwheatrisespeakfirstandthenapproachesthetemperatureofincomingairgraduallyduringthedryingventilation,andthemoistureofwheatdecreasesgenerallywiththeincreaseofventilationtime;thetemperatureofthewheatchangeswiththeconditionofincomingairduringcoolingventilation.Themodelhashigheraccuracycomparedwiththeprevioussimulationresultsandexperimentalresults,anditexists2 ℃errorintemperatureand1.19%errorinmoistercontentonly.Themodelisuniversalandpracticalfordifferentkindsofgrainanditisverysignificantfortheguidanceofwheatstorage.

Fortranprogramcalculation;ventilationofwheatstorage;heatandmasstransfer

2015-11-06

国家自然基金项目(51276102)；国家粮食公益专项项目(201313001)；国家粮食公益专项项目(2015449-001-03)

张晓静(1990-)，女，在读研究生，主要从事多孔介质热质传递等方面的研究.E-mail:930065394@qq.com

*:王远成(1963-)，男,教授,博士，主要从事复杂系统的传热传质等方面的研究.E-mail:wycjn1@163.com

1673-7644(2016)01-0047-06

TS205

A