横向与竖向通风玉米粮层阻力研究

赵会义 魏 雷 李福君 曹 阳

(国家粮食局科学研究院1，北京 100037) (江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心2，南京 210023)

横向与竖向通风玉米粮层阻力研究

赵会义1,2魏 雷1,2李福君1,2曹 阳1,2

(国家粮食局科学研究院1，北京 100037) (江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心2，南京 210023)

利用180 t模拟试验仓测试了横向、下行吸出式、上行压入式竖向通风的玉米粮堆的粮层阻力。结果表明：在0.021～0.06 m3/(s·m2)的单位面积通风量之间，横向通风单位粮层阻力为9.74～28.95 Pa/m，两者关系模型为Y=528x1.032 2(R2=0.998 2)，或，Y=-954.15x2+561.78x-1.648(R2=0.999 2)。在0.004 5～0.089 5 m3/(s·m2)的单位面积通风量之间，下行吸出式竖向通风单位粮层阻力为4.0～85.0 Pa/m；上行压入式竖向通风单位粮层阻力为3.8～70 Pa/m，两者关系模型与横向相近，但系数远大于横向。比较发现：横向通风玉米单位粮层阻力最小，比竖向通风小一倍左右，表明由玉米粮粒组成的多孔介质堆具有各向异性的特点；下行吸出式竖向通风的粮层阻力稍大于上行压入式的粮层阻力；研究结果进一步完善了储粮通风理论，储粮通风系统工程设计和建设方面具有实际应用价值。

储粮通风 横向 竖向 各向异性 粮层阻力

竖向(或称为垂直)通风是目前粮仓最常用的通风形式，实仓条件下竖向通风粮层阻力的详细测试研究较少，张来林等[1]采用直径245 mm，高度2 450 mm的圆管测试了7个不同粮种的上行压入式竖向通风粮层阻力，并得出了相应的幂函数试验公式和系数。杨进等[2]采用高度2 000 mm的料筒测试了不同糙米、小麦、玉米上行压入式竖向通风不同高度的粮层阻力，发现阻力与粮层高度并不呈简单的线性关系。杨英强等[3]采用直径200 mm/高度8 000 mm的料筒测试了大米、稻谷、玉米上行压入式竖向通风粮层阻力，得出“孔隙率趋于稳定的粮食在堆载较高时采用储粮机械通风技术规程[4]所推荐的幂函数公式计算粮层阻力会引起较大偏差”的结论。可以看到上述试验都是用较小直径的料筒进行的测定，而且仅仅做了上行压入式通风试验，没有做吸出式下行式通风试验，完整性不够。

横向通风是一种新的储粮通风方式[5-6]，是利用直接安装并固定在房式仓相对两侧内墙壁上的，高度低于装粮线的通风道，替代竖向通风系统中水平布置于仓房地坪的地上笼或地槽通风道，在粮面实施薄膜密封后，通风机时使气流从一侧风道吸入并横向穿过粮堆后从另一侧风道排出，实施整个粮堆的不揭膜通风和谷冷降温、熏蒸或气调储粮，以及熏蒸气调散气等作业的一种新型储粮通风系统。它可使排出的气流通过风机再送入另一侧的风道，实施环流均温通风、环流谷物冷却、环流熏蒸和环流气调储粮等现代节能储粮技术。因该系统通风时使气流横向或水平穿过粮堆，因此，称之为粮仓横向通风系统。目前现有横向通风粮层阻力测试研究以及横向通风粮层阻力的试验研究和计算方法的文献报道。

为了深入了解横向通风与竖向通风粮层的阻力特性，掌握不同通风方向时粮层阻力的变化规律，本试验在粮食储运中试平台进行了模拟仓玉米横向与竖向通风的试验测试，探究玉米横向与竖向通风粮层不同通风方向和风速条件下的阻力变化规律。从而为发展我国独有的储粮横向通风技术[6]和双向竖向通风技术[7-8]提供参考。

1 试验材料

1.1 试验仓

粮食储运中试平台，180 t大型双层全钢结构模拟仓，净尺寸为长8 800 mm，宽4 200 mm，高7 700 mm，粮食堆高6 000 mm。横向通风时粮堆表面用PA/PE 5层共挤尼龙薄膜密封，竖向通风时粮面不密封。

1.2 试验装置

1.2.1 横向通风设置

在仓房东侧采用了一组3根垂直布置支风道与一根水平布置的主风道连接，主风道的进风口位于仓底部；仓西侧采用了一组4根水平布置支风道与1根垂直布置的主风道连接，主风道的进风口位于仓顶部。主风道不开孔，每条支风道上开有30%桥式孔。风网见图1。

图1 横向通风装置示意图

1.2.2 竖向通风设置

在模拟仓底面为一块冲孔板，冲孔板下面为一夹底空间，与进气风道口连通，通风气流可以从该风道口流入或流出夹底空间，利用底部风道口与风机进口或出口连接，可实现竖向通风时吸出式或压入式通风，见图2。

图2 竖向通风装置示意图

1.3 试验通风设备

采用变频调速风机作为通风气源，型号Y160M2-2，额定风量16 000 m3/h，额定风压2 940 Pa，额定功率15 kW。与仓房底部风口采用PVC硬管连接。风机进出口连接管内径480 mm。

1.4 供试粮食

170 t玉米：北京市密云区2010年产，2011年4月30日入仓，品质指标：容重：723 kg/m3，含水量13.3%，杂质0.9%，脂肪酸值36.8 mgKOH/100 g。

1.5测试仪器

为获得准确的通风系统参数，采用下列测试仪器，埋入式皮托管(埋入粮堆和风道)200根，手持式皮托管2根，手持式数字压力测定仪3台，智能手持式风速仪1台，变频器1台用于风机频率，其中埋入式皮托管事先预埋入粮堆和风道内的各个测试点位置。

2 试验方法

2.1 测点布置

2.1.1 总风量和总阻力测试点

在仓外风机出口的直管段A处(见图2)沿水平和垂直方向各开1个测孔，在该截面采用等面积分环法共设14个测点，用风速仪和毕托管测量A截面各点的风速、动压、全压和静压，了解不同工况时的总风量。

2.1.2 横向通风粮堆测点布置

粮堆水平面共布置东侧1列5行(Ad、Bd、Cd、Dd、Ed)×5层(Ad1～Ad5、Bd1～Bd5、Cd1～Cd5、Dd1～Dd5、Ed1～Ed5)共25个测点，图3给出各测点距墙和间隔尺寸，和西侧1列5行(Ax、Bx、Cx、Dx、Ex)×5层(Ax1～Ax5、Bx1～Bx5、Cx1～Cx5、Dx1～Dx5、Ex1～Ex5)共25个测点，各测点埋入固定式皮托管。粮堆垂直布置的皮托管位置间距为：第1层距底部400 mm，第2层距底部1 600 mm，第3层距底部2 800 mm，第4层距底部4 000 mm，第5层距底部5 200 mm，共2列×5行×5层=50个测点。

图3 横向通风粮堆测压点平面布置示意图

2.1.3 皮托管安装、粮面密封和气密性

首先将皮托管与硅胶管连接，固定在设定位置，向仓内装入玉米，边装玉米边按照图4布置皮托管，布置好后，将硅胶管道引导到粮堆表面的密封薄膜外。试验仓粮堆表面用PA/PE 5层共挤尼龙薄膜压入气调专用槽管，形成单面密封。密封后检测气密性，-300～-150 Pa的半衰期为180 s。

2.1.4 竖向通风粮堆测点布置

在粮堆1 000 mm和4 000 mm的高度层水平安装两层毕托管，每层4行9列共36个测点，两层共72个测点，见示意图4。

图4 竖向通风粮堆在1 000 mm和4 000 mm高度2层毕托管水平安装示意图

2.1.5 竖向通风粮堆底部和粮面空间测试点布置

试验仓顶部的空间距离粮堆表面500 mm处安装5个测点；试验仓底部夹层空间(图2)距离粮仓底面50 mm处安装5个测点，见图5。

图5 顶部与底部空间毕托管安装示意图

2.2 横向通风测试

把通风机进口与模拟仓东侧主风道出口相连接，开启通风机，使环境大气从西侧仓壁风道吸入并横向穿过粮堆从东侧仓壁风道排出，而后经过风机排入大气。通风机电机的频率分别调到50、40、30、20 Hz，每个频率下风机运行稳定后进行测试。

2.2.1 系统总风量测定与计算

利用分环法，采用手持式智能风速仪测定风机出口A截面各点的风速，并换算成截面平均值：

系统平均总风量：Q=3 600×V×S

式中：Q为所测量截面平均风量/m3/h；v为所测量截面上各测点的风速/m/s；V为平均风速/m/s；S为测试截面的流通面积/m2。

2.2.2 横向通风的粮层阻力测定与计算

用埋入式毕托管和手持式数字压力仪测定粮堆内东侧和西侧两截面各点静压值并换算为平均静压：

式中：P为所测量截面平均静压/Pa；P1～Pn为所测量截面上各点静压值/Pa。

单位粮层阻力=粮堆内东侧和西侧两截面平均静压差除以截面间距/Pa/m

粮堆总阻力=每米粮层阻力×粮堆横向距离

2.3 竖向通风测试

把通风机进口与模拟仓东侧主风道出口相连接，开启通风机，使环境大气从仓顶通风口吸入垂直向下穿过粮堆从底部风道排出，而后经过通风机排入大气，进行下行吸出式通风。通风机电机的频率分别调到50、40、30、20、10、5 Hz，每个频率下风机运行稳定后进行测试。

当下行吸出式通风测试完毕后，把通风机出口与模拟仓东侧主风道出口相连接，使环境大气经过通风机后从仓底通风口压入并垂直向上穿过粮堆从顶部风口排出，进行上行压入式通风。重复下行吸出式通风所测参数。

2.3.1 系统总风量

按2.2.1测试和计算系统总风量。

2.3.2 下行吸出式和上行压入式通风的粮层阻力

用埋入式毕托管和手持式数字压力仪测定粮堆1 000 mm和4 000 mm两截面各点静压值并换算为平均静压值，则：

单位粮层阻力Zm=粮堆内1 000 mm和4 000 mm两截面平均静压差除以截面间距，即：Zm=(Z4-Z1)/3。

粮堆总阻力=单位粮层阻力×粮堆垂直距离。

2.4 单位面积通风量和单位通风量计算

单位面积通风量=系统总风量除以与气流垂直方向的粮堆截面积/m3/(s·m2)，也称为粮堆单位面积通风量。

单位通风量/m3/(h·t)=系统总风量除以粮堆总质量

3 结果与分析

3.1 不同单位面积通风量下横向通风粮层阻力

由表1可见，在0.021～0.06 m3/(s·m2)的单位面积通风量之间，横向通风玉米单位粮层阻力为9.74～28.95 Pa/m。这说明，随着单位面积通风量的增加，横向通风粮堆内部的单位粮层阻力也增加，两者呈正相关。试验得到的玉米横向通风单位粮层阻力与单位面积通风量的关系即可以用Shedd幂函数模型1[9](Y=528x1.032 2,R2=0.998 2)表示，也可以用Hunter二项式模型2[9](Y=-954.15x2+561.78x-1.648,R2=0.999 2)表示。

为了便于工程技术应用，分别将玉米横向通风单位粮层阻力与单位面积通风量的关系公式简化成工程用经验式(1)和式(2)：

幂函数公式：

H玉米横向/L=9.81×53.82·u1.032 2=9.81×a×ub

(1)

式中：a=53.82，b=1.032 2

二项式公式：H玉米横向/L=(-954.15u2+561.78u-1.648)

=9.81(-97.26u2+57.27u-0.168)

进一步简化为公式：

H玉米横向/L=9.81×(-97.26u2+57.27u)=9.81×(au+bu2)

(2)

其中：a=57.27，b=-97.26

式中：H玉米横向为玉米横向通风时粮层阻力/Pa；L为气流穿过的粮堆厚度/m；u为粮堆横向通风单位面积通风量/m3/(s·m2)；a、b为根据粮食种类而变化的系数。

表1 横向通风粮层阻力测定值

3.2 不同单位面积通风量下的下行吸出与上行压入式竖向通风的玉米粮层阻力

在0.004 5～0.089 5 m3/(s·m2)的单位面积通风量之间，下行吸出式竖向通风玉米单位粮层阻力为4.0～85.0 Pa/m(表2)；上行压入式竖向通风玉米单位粮层阻力为3.8～70 Pa/m(表3)。

结果说明随着单位面积通风量增加，2种竖向通风模式下，玉米粮堆内部的单位粮层阻力也增加，两者呈正相关。与横向通风相同，下行吸出式和上行压入式竖向通风玉米单位粮层阻力与单位面积通风量的关系可以用二项式或幂函数公式准确表示，见式(3)、式(4)、式(5)、式(6)。

表2 下行吸出式竖向通风玉米粮层阻力测定值

注：粮面空间静压为0 Pa，Zm=(Z4-Z1)/3，余同。

表3 上行压入式竖向通风玉米粮层阻力测定值

下行吸出式竖向通风：

幂函数公式：H玉米吸出竖向(Pa/m)=9.81×97.49×u1.071 2，(R2=0.975 7)

(3)

二项式公式：H玉米吸出竖向(Pa/m)=9.81×(588.2u2+43.09u)，(R2=0.999 5)

(4)

上行压入式竖向通风：

幂函数公式：H玉米压入竖向(Pa/m)=9.81×82.4×u1.037 2，(R2=0.970 6)

(5)

二项式公式：H玉米压入竖向(Pa/m)=9.81×(523.5u2+40.23u) ，(R2=0.999 7)

(6)

3.3 玉米不同通风方式的单位粮层阻力比较及分析

图6是根据幂函数做出的不同通风方向内部粮层阻力比较曲线，可见在相同的单位面积通风量下，横向通风单位粮层阻力最小，比下行吸出式和上行压入式竖向通风小1倍左右，下行吸出式通风的单位粮层阻力略大于上行压入式通风的粮层阻力，但二者较为接近。

图6 玉米横向和竖向通风的单位粮层阻力比较

4 讨论

4.1 玉米粮堆是各向异性的多孔介质堆

试验表明由玉米粮粒组成的多孔介质堆不是各向同性，主要表现在：1)下行吸出式竖向通风的粮堆粮层阻力大于上行压入式竖向通风；2)相同单位面积通风量条件下，横向通风的粮堆内部粮层阻力远小于竖向通风，横向通风玉米单位粮层阻力约为竖向通风的一半。其原因是在相同孔隙率的粮堆，横向通风与竖向通风气流流通的迂曲度[10]、空隙形状尺寸和面积是不同的，横向的气流通迂曲度小，路径短，阻力小。

基于粮堆的各向异性特性，在研究处理粮堆的流体力学和传热传质问题时，应充分考虑粮堆的各向差异性。

4.2 横向和竖向通风的粮层阻力计算经验公式

不管是横向通风还是竖向通风，粮堆各种阻力均可由描述多孔介质的动量方程Hunter二项式公式H粮层=9.81×L×(a×u+b×u2) 计算。也可由Shedd幂函数公式H粮层=9.81×L×a×ub近似计算。

式中：H粮层为通风时粮层阻力/Pa；L为气流穿过的粮层厚度/m；u为粮堆通风气流的表观风速/m/s；a、b为根据通风方向和粮食种类而变化的系数，由表4确定。

表4 横向和竖向通风粮层阻力计算公式系数

二项式公式计算精度优于幂函数公式，但幂函数公式更简单，因此，建议采用幂函数公式进行一般工程计算，基本可满足储存玉米通风工程设计要求。

4.3 平房仓横向通风技术优点[12-14]

平房仓横向通风途径比小，基本接近1，粮堆中气流分布均匀，基本上没有通风死角；不需进出粮时装拆安装在仓墙上的地上笼通风道，不易损坏通风道，不影响进出粮作业，节约了大量的拆卸地上笼的人力、物力和时间；实施冬季不揭膜通风，以及在进行环流通风、环流谷物冷却、环流熏蒸和气调储粮等作业时也不需揭膜，便于现代安全储粮技术实施应用。因此，应用粮仓横向通风系统为粮油仓储企业将获得更好的经济和社会效益。

5 结论

玉米粮堆存在明显的各向异性，横向通风时粮层阻力最小，约为竖向通风的50%，下行吸出式通风的阻力略大于上行压入式通风的粮层阻力。因为玉米籽粒的不规则性，在形成粮堆后，存在各向异性现象。尽管粮堆孔隙率相同，因横向和竖向气流穿过粮堆的迂曲度不同[10]，路径长短差距很大，阻力不同，横向气流的路径明显比竖向通风小，阻力就小很多。玉米粮堆的阻力特征完全符合多孔介质的力学规律，可以用二项式公式精确的描述计算，也可以用近似的幂函数公式描述计算，精度可以满足工程需要。

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Research on Influence of Horizontal and Vertical Ventilation on the Grain Resistance of Corns

Zhao Huiyi1,2Wei Lei1,2Li Fujun2Cao Yang1,2

(Academy of State Administration of Grain1, Beijing 100037) (Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety2, Nanjing 210023)

The resistance of grain layer was measured for the corn mass in vertical ventilation (VV) with horizontal ventilation (HV), downward suction (DS) and upward pressing (UP). The results indicated that the unit grain layer resistance (UGLR) in the horizontal ventilation was 9.74～28.95 Pa/m between 0.021 to 0.06 m3/(s·m2) of air flow sensor (AFS). And UGLR and AFS had the relationship models ofY=528x1.032 2(R2=0.998 2) orY=-954.15x2+561.78x-1.648 (R2=0.999 2). In HV. UGLR of DS and UP of VV were 4.0～85.0 Pa/m and 3.8～70 Pa/m between 0.004 5 and 0.089 5 m3/(s·m2) of AFS, respectively. The relationship models of UGLR and AFS in DS and UP of VV were similar to the horizontal model, but the coefficient of them was more than the horizontal model. By comparing, UGLR of HV was the minimum one, which was less one time than UGLR of VV. The porous media mass of corn composed by grains had a characteristic of anisotropy; UGLR of DS was slightly higher than that of UP. The results further perfected the theory of ventilation for stored grains which had practical applications in design and building of ventilation system for stored grains.

ventilation for stored grains, horizontal ventilation, vertical ventilation, anisotropy, grain layer resistance

TQ646

A

1003-0174(2016)12-0095-06

国家粮食公益性行业科研专项 (201313001-06，201513001-01)

2015-04-29

赵会义，男，1974年出生，博士，化学工程、粮食储运工程

曹阳，男，1958年出生，教授，粮食储运工程