白小麦粮堆通风期间粮粒间隙空气的含湿量及效果评价研究*

闫恩峰 ，姜玉山 ，薛德军 ，李兴军

（1.山东平原龙门粮食储备库，山东 平原 253100；2.国家粮食和物资储备局科学研究院昌平中试基地，北京 102209）

谷物粮堆孔隙率35%～55%、热绝缘特性造就其能够传递和保持低温低湿的空气特性[1-3]。干粮堆平衡相对湿度范围30%～65%可以抑制螨类和微生物生长，储粮昆虫安全管理粮堆微气候17～22℃[1]。粮堆降温通风目的就是形成粮粒被低温低湿空气所包围[1-3]。国内目前对粮堆籽粒间隙空气特性研究相对较少。

空气/水汽系统的研究领域叫湿测量学（psy-chrometry）。 在给定压强下，空气和水汽混合物的所有特性是已知的。气象台报道的是大气干球温度，而粮食储藏学常常采用空气的湿球温度，它对确定粮堆通风的条件很重要[4]。湿球温度采用干湿球温度计测定。粮食储藏常用的空气特性是露点温度，露点温度是水蒸汽开始浓缩为液态水的温度，可利用露点湿度计准确测定空气的湿度[4]。国内缺乏粮堆露点温度的计算机软件分析方法。

在国内，不同目的粮堆机械通风操作一般比较粮堆与大气的温度差、平衡绝对湿度、露点温度[5-6]，而对粮粒间隙空气的参数变化报道有限。粮堆通风操作中需要确定通风空气的相对湿度（RH），通常将粮堆测温电缆测定的各点温度和粮堆扦样测定的含水率代入吸附平衡水分方程就可以确定。本研究采用牛顿和拉弗逊迭代法编程计算的方法，求解粮堆籽粒间隙空气的露点温度，并分析白小麦粮堆通风期间粮粒间隙空气RH、含湿量和露点温度的变化规律，以期为我国小麦粮堆精准化智能通风提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 实仓降温通风试验

本试验在山东平原龙门粮食储备库20号高大平房仓进行。仓房长36.52 m、宽23.22 m，装粮高度5.98 m。储存的小麦，产地是山东平原县，品种是白色硬质冬小麦，数量 4 131.7 t。仓房通风系统组成是，单边4个通风口，采用一机两道地上笼通风方式，风网途径比为1:1.41。采用轴流风机通风，单侧轴流风机两台，风机型号 YS90S-4，功率1.1kW，风压220Pa，风量7433 m3/h，送风方式是吸出上行式。

通风时间段是2019年12月4～29日。通风条件设置是智能控制间歇式通风，2019年12月4～15日，通风条件：温度≤12℃，湿度条件65%～85%；12月16～29日，通风条件：温度≤6℃，湿度条件65%～85%。风机运行总计时间286 h。

1.2 分析指标

1.2.1 粮堆水分:9个扦样点在粮面分布如图1。每点再纵深4个扦样点，共36份样品。水分含量测定采用采用LDS-1G谷物水分测定仪。

图1 白小麦粮堆降温通风水分测定扦样点分布

1.2.2 粮堆温度：粮面布置有54根测温电缆，每根4个测温点，共216个温度传感器。

1.2.3 粮粒间隙空气的相对湿度、含湿量及露点温度分析

1.2.3.1 粮粒间隙空气相对湿度和含湿量

式中，RH为粮粒间隙空气的相对湿度 （%），M为粮食水分（%），T 为粮食温度（℃），a、b、c 为测定的白麦 MCPE 方程系数[7－8]。

式中，W 为粮粒间隙空气的含湿量（kg/kg），Patm为101 325 Pa，Ps为粮食温度T（℃）时的饱和水蒸汽压。

1.2.3.2 粮粒间隙空气露点温度

如果已知露点温度Tdp对应的含湿量Wdp，鉴于饱和蒸汽压强也是温度的函数[4,9]，方程（5）左边是露点温度Tdp的函数，可表达为:

目标是求解Tdp值，方程（6）满足f(Tdp)=0。利用牛顿迭代法解方程（6），代数式：

方程（7）的唯一变量是Tdp，其它都是恒值。饱和水汽压仅是Tdp的函数，f(Tdp)对Tdp的依赖来自表达式Ps(Tdp)。

将方程（9）和（10）代入方程（8），将代数式方程（8）按照牛顿迭代法编程进行运算。当连续湿球温度Tw之间的差值绝对值小于特定误差10－6，即：，这个迭代过程就被停止。

1.2.4 降温通风效果评价

通风作业单位能耗采用方程（11）计算[10]：

其中δ为单位冷却通风效率kW·h/(t·℃);Tf为风机运转时数;P为风机的额定功率 （kW）;W为粮食的吨数;ΔT为降温通风前后粮堆温度差（°C）。

理论降温通风时数算法参考Navarro和Calder-son方法[11]，考虑的因素包括粮食吨数、比热、温度差及校正因子，以及单位通风量、粮粒间空气比重变化、焓值差及校正因子。

1.2.5 数据分析

采用随机区组试验设计，数据以平均值±标准差表示。LSD（最小显著差异法）检验中同一列不相同小写字母表示样品之间差异显著（p＜0.05）。

2 结果分析

2.1 通风期间粮堆最高粮温、最低粮温及平均粮温的变化

从图2A看出，在一个月的上行吸出式降温通风作业中，前72 h降温通风中，粮堆一层最高粮温线性升高，二层最高粮温保持不变，三层和四层最高粮温持续降低，在72 h之后，它们都快速降低。如图2B，在前7 d降温通风中，一层最低粮温先升高再保持不变，而二层最低粮温缓慢减少，三层最低粮温快速减少，四层最低粮温先快速减少，然后反弹。之后，一、二、三层最低粮温持续降低，而四层最低粮温持续反弹。如图2C，全仓最高粮温与平均粮温近似线性减少，全仓最低粮温前72 h持续减少，之后11 d反弹，然后再降低。极差温度是粮堆最高温度减去最低温度。全仓极差温度在前72 h先增加、然后持续降低。

图2 通风期间小麦粮堆最高、最低、平均粮温的变化

2.2 粮堆最高、最低、平均温度对应的相对湿度、含湿量及露点温度的变化

从图3看出，从粮堆最高温度解析的对应相对湿度、含湿量及露点温度变化趋势是相似的。全仓平均的最高粮温对应的这些指标的变化是，RH由61.1%降低到 56.4%（图 3A），含湿量由 14.9 g/kg 降低到 5.8 g/kg （图 3B）， 露点温度由 20.2 ℃降低到6.2 ℃（图 3C）。

图3 粮堆最高温度对应的相对湿度、含湿量及露点温度的变化

从图4看出，从粮堆最低温度解析的对应相对湿度、含湿量及露点温度变化趋势也是相似的。全仓平均的最低粮温对应的这些指标的变化是，RH由53.7%降低到50.4%（图4A），含湿量由3.5g/kg降低到2.0g/kg(图4B)，露点温度由-0.8℃降低到-8.4℃(图 4C)。

图4 粮堆最低温度对应的相对湿度、含湿量及露点温度的变化

从图5看出，从粮堆平均温度解析的对应相对湿度、含湿量及露点温度变化趋势是相似的。全仓平均粮温对应的这些指标的变化是，RH由58.9%降低到53.4%(图5A)，含湿量由9.5 g/kg降低到3.4 g/kg(图 5B)，露点温度 13.3℃降低到-1.5℃(图 5C)。

图5 粮堆平均温度对应的相对湿度、含湿量及露点温度的变化

2.3 降温通风效果评价

从表1看出，对中温带地区4 132 t小麦平房仓，采用2台1.1 kW的轴流风机进行上行吸出式通风，粮堆平均温度降低了14.3℃，粮堆水分不丢失，实际通风时数为286 h，而理论通风时数为279.4 h（焓值差校正因子取为1.0），单位能耗为0.0085 kW·h/（t·℃）， 远远低于 LS/T 1202-2002 储粮机械通风技术规程规定的地上笼通风单位能耗界限值0.040 kW·h/（t·℃），与同条件下非间歇式通风降温相比节约能耗40%。

表1 白小麦高大平房仓降温通风效果评价

3 讨论

粮堆通风调控的两个关键因子是粮堆内温度和含水率[1-6]。这两个变量完全依赖通风所用空气的温度和湿度以及通风时粮食的含水率。我国储粮机械通风技术规程LS/T 1202-2002中，粮食不同目的通风作业中，通过比较粮堆与大气的温度、含湿量、露点温度[5，12]。 LS/T 1202-2002 中含湿量以 mm Hg 表示，而国外通用的单位是kg水/kg干空气 （湿度比率）。粮食储藏常用的空气湿特性是露点温度，露点温度是湿蒸汽开始浓缩为液态水的温度，对通风空气和粮面上空空气可利用露点湿度计准确测定空气的湿度。但是，对于粮粒间隙空气的露点温度很难采用露点湿度计测定。本研究基于粮食平衡水分原理，假定降温通风期间粮堆水分不丢失，分析降温通风期间粮堆各层的RH和含湿量。同时采用牛顿和拉弗逊迭代的方法编著计算机软件解出了粮堆各层的露点温度。

本研究显示，粮堆通风降温过程中全仓平均最高粮温对应的RH由61.1%降低到56.4%，含湿量由14.9 g/kg降低到5.8 g/kg，露点温度由20.2℃降低到6.2℃；全仓平均最低粮温对应的RH由53.7%降低到50.4%，含湿量由3.5 g/kg降低到2.0 g/kg，露点温度由-0.8℃降低到-8.4℃；全仓平均粮温对应的RH由58.9%降低到53.4%，含湿量由9.5 g/kg降低到3.4 g/kg，露点温度13.3℃降低到-1.5℃。

4 结论

（1）对中温带地区小麦平房仓，采用2台1.1 kW的轴流风机进行上行吸出式通风，实际通风时数为286 h，而理论通风时数为279.4 h（焓值差校正因子为1.0），粮堆平均温度降低了14.3℃，粮堆水分不丢失，可以利用理论降温通风时数进行秋冬季通风时科学选择风机，合理化粮堆通风作业方案，提高通风效果。

（2）通风过程中全仓平均粮温对应的RH由58.9%降低到53.4%，含湿量由9.5 g/kg降低到3.4 g/kg，露点温度13.3℃降低到-1.5℃。这些参数对我国粮食智能化精准通风控制具有一定的参考价值。