玉米粮堆的通风阻力特性研究

李 岩,林开明,张何英,张来林,吴丽蓉,方江坤

(1.中央储备粮漳州直属库有限公司,福建 漳州 363105;2.福建省储备粮管理有限公司漳州直属库,福建 漳州 363000;3.河南工业大学粮油食品学院,河南 郑州 450001;4.中央储备粮厦门直属库有限公司,福建 厦门 361026;5.福建省储备粮管理有限公司漳浦直属库,福建 漳州 363200)

玉米是我国的主要粮食作物之一,年产量仅次于小麦和稻谷,占我国粮食产量的20%以上,通过用作饲料换来菜篮子中丰富的肉蛋奶鱼等副食品,满足了人们对美好生活不断增长的物质需求。随着农业科技的发展进步,其产量逐年增加,再加上国际经济贸易影响,国家收储玉米的数量也日益增加。而玉米籽粒由于胚部大、呼吸旺盛、吸湿性强、富含脂肪等特点,储粮的稳定性相对较差[1],但适量、安全地储藏玉米对稳定市场供给和经济发展意义重大。

机械通风技术在粮食储藏行业得到普遍应用,不仅可以用于粮堆的通风降温降湿,还是环流熏蒸、充氮气调等储粮技术应用的基础[2],是玉米保管储藏期间应用频率最高的储粮技术之一。因此,研究玉米粮堆的通风阻力特性,是玉米安全保管、通风技术应用,乃至通风系统设计、风机规格选用的基础。参考以往的研究结果[3-6],借助河南工业大学设计的粮堆通风性能参数检测装置[7],在粮堆不动的前提下,通过风机接口的转换,开展压入式上行通风和吸出式下行通风两种送风方式进行玉米粮堆通风试验,研究单位粮层阻力、穿网阻力等相关基础性能参数的变化规律,为玉米保管时机械通风的技术应用、风道设计、风机选择提供参考。

1 试验设备及材料

1.1 通风模拟装置

试验装置主箱体尺寸为1 000 mm(长)×1 000 mm(宽)×500 mm(厚),内置孔板厚度为2.0 mm;试验在垂直通风的前提下(见图1),通过改变风机的送风方式,实现压入式上行通风和吸出式下行通风的转换(见图2)。

图1 通风模拟装置示意图

图2 压入式与吸出式的通风示意图

1.2 试验粮种

试验粮种为2022年产美国进口玉米,基本情况见表1。

表1 玉米质量情况

1.3 试验仪器

GHCS-1000型两用容重器、PB1502-S型电子天平、DHG-9145A型电热鼓风干燥箱、JFSD-100型电动粉碎机、AX204型电子天平、谷物选筛、静压管、YJB-1500型补偿式微压计、TES-1340型热线式风速仪、YS90L-2型多管风机、L1000-0075G/0110P-T4型高性能矢量变频器、自制喇叭型风罩[8](Ф上=5 cm、Ф下=30 cm,见图3)等。

图3 自制喇叭型风罩示意图

2 试验方法

2.1 静压值测点布置

粮面共设7个检测点,具体布点见图4;每个检测点分5层检测,距底部100 mm处为第1层测点,其它4层的间隔为200 mm,依次向上顶部为第5层测点。

图4 静压测定平面布点示意图

2.2 风速检测

试验时,通过调整风机上变频器的频率,确定试验的风量;当风机运行稳定后,在试验粮堆表面,使用风速仪测得喇叭形风罩顶部小端口处放大的风速值,再换算出实际的粮面表观风速。

2.3 穿网阻力检测

穿网阻力是在压入式通风条件下检测的。在距孔板中心点左右两侧的5 cm处,各开一个比静压管直径稍大圆孔,将2根静压管分别插入两个小孔中,使静压管的前端小孔: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;在试验过程中微调两根静压管的插入深度,使检测数据的差值最小,此时的位置为检测穿网阻力的最佳位置;此时测得孔板上下静压差值即为穿网阻力。

2.4 参数测定与计算

试验在压入式上行通风和吸出式下行通风条件下进行,通过设置变频器的不同频率(10、20、30、40、50 Hz)达到调节风机风量的目的,检测不同风量条件下的粮面表观风速、粮堆内部静压值和穿网阻力值,经数据处理得到相关通风参数。

2.4.1风速和风量计算

根据流体连续方程(F1×v1=F2×v2),风速仪检测风速值除以风罩放大倍数即可计算出实际的粮面表观风速,进而计算出通风量,见公式(1)。

Q= 3 600×F×v

(1)

式中:Q为风量,m3/h;F为粮面表层面积,m2;v为粮面表观风速,m/s。

2.4.2单位粮层阻力计算

通风过程中,空气流穿过单位粮层的压力损失为单位粮层阻力,见公式(2)。

(2)

式中:Z为单位粮层阻力,Pa/m;P5为第5层的静压均值,Pa;P1为第1层的静压均值,Pa;L为第5层与第1层间的距离,m。

2.4.3通风均匀度计算

根据粮层中的静压值分布判断通风均匀性,求出该粮层静压值的平均值和标准差,进而计算通风均匀度,见公式(3)。

(3)

式中:J为通风均匀度;P为粮层内的静压值,Pa;S为粮层内静压值的标准差。

3 结果分析

3.1 不同粮面表观风速下的单位粮层阻力分析

通风过程中,风机运行转速随变频器的频率改变而变化,从而影响粮面表观风速、风量、以及粮堆阻力等一系列参数的变化,具体检测值见表2、表3。对比表2、表3中数据可知,压入式上行通风时粮面表观风速由0.041 m/s增加至0.178 m/s,风量由73 m3/h增加至320 m3/h,对应的单位粮层阻力由43.22 Pa/m增加至636.88 Pa/m;而吸出式下行通风呈现同样的规律,粮面表观风速由0.036 m/s增加至0.157 m/s,风量由64 m3/h增加至282 m3/h,对应的单位粮层阻力由39.71 Pa/m增加至490.57 Pa/m。即随着粮面表观风速和风量的增加,单位粮层阻力也随之增加,呈正相关。

表2 压入式上行通风方式的粮堆阻力相关参数检测值

表3 吸出式下行通风方式的粮堆阻力相关参数检测值

对不同通风方式下的单位粮层阻力和粮面表观风速进行曲线拟合,见图5(a)压入式通风,(b)吸出式通风。

图5 不同通风方式单位粮层阻力的拟合曲线图

从图5可知,压入式上行通风方式和吸出式下行通风方式的通风试验中,玉米粮堆的单位粮层阻力与粮面表观风速均呈显著正相关。对比多项式二次函数和幂函数拟合的R2值可知,R2值均大于0.99,即多项式二次函数和幂函数均能较好地反映单位粮层阻力与粮面表观风速的关系。相比于幂函数,多项式二次函数的R2值为0.999 8和0.998 2,更接近于1,这说明多项式二次函数对玉米粮堆单位粮层阻力的拟合度更高。对比分析粮面表观风速和单位粮层阻力的数据变化规律可知,两种通风方式下拟合曲线的斜度均越来越大,也就是说随着粮面表观风速的增大,单位粮层阻力亦逐渐增大,且增大幅度逐渐提升。

3.2 不同粮面表观风速下的穿网阻力分析

对不同粮面表观风速下的穿网阻力进行曲线拟合,见图6。从图6中可以看出,穿网阻力随着粮面表观风速的增大而增大,两者呈显著正相关,且多项式二次函数对穿网阻力的拟合度更高。

图6 不同粮面表观风速下穿网阻力的拟合曲线图

对比不同粮面表观风速下的穿网阻力和粮堆单位粮层阻力可知,粮面表观风速0.041 m/s时,穿网阻力1.28 Pa,单位粮层阻力43.22 Pa/m,折算后穿网阻力是同厚度粮层阻力的14.8倍;粮面表观风速0.178 m/s时,穿网阻力32.46 Pa,单位粮层阻力636.88 Pa/m,折算后穿网阻力是同厚度粮层阻力的25.5倍。对比各项指标的增长可知,粮面表观风速0.041 m/s增加至0.178 m/s,增至4.34倍;单位粮层阻力43.22 Pa/m增加至636.88 Pa/m,增至14.7倍;穿网阻力1.28 Pa增加至32.46 Pa,增至25.4倍。上述数据结果说明:在通风时,通过粮面的表观风速或穿过粮堆的风量越大,其穿网阻力就呈现出多项式或幂函数式的增大。因此在实际通风作业中,穿网阻力对通风量、通风效果的影响不容忽视;尤其当大粮堆、深粮层的浅圆仓通风时,4台风机、大风量通风的做法并不可取,当风机功率一定条件下,巨大的粮层阻力会迫使风机进行减少风量与增大风压的能量转换,大风量通风并未取得显著的降温效果[9],从流体力学角度解释了生产中4台风机与2台风机通风效果相近的原因。

3.3 粮堆通风均匀度分析

不同通风方式下的玉米粮堆的通风均匀度见图7、图8。

图7 压入式上行通风玉米粮堆的通风均匀度

图8 吸出式下行通风玉米粮堆的通风均匀度

从图7、图8中可以看出,两种通风方式下第1层的通风均匀度相对较低,保持在99.3%～99.7%,风量的变化对其影响不大;第3层、第4层、第5层的通风均匀度均在99.8%以上,并未因风量与通风方式的改变而发生明显变化。整体而言,两种通风方式的通风均匀度均可达到99%以上,通风均匀度主要与粮层厚度有关,粮层较薄时通风均匀度相对偏低,粮层越厚、通风均匀度越高。

4 结论

利用粮堆通风性能参数检测装置开展玉米粮堆压入式上行通风和吸出式下行通风试验,通过调整风机运行转速改变其风量变化,进而对玉米粮堆相关通风特性相关参数进行测定,对比分析检测数据可知:

(1)随着粮面表观风速和风量的增加,单位粮层阻力随之增加,呈显著正相关。多项式二次函数和幂函数均能较好地反映单位粮层阻力与粮面表观风速的关系,但多项式二次函数的拟合度更高。

(2)穿网阻力随着粮面表观风速的提高而增大,两者呈显著正相关,表观风速增至4.34倍,单位粮层阻力增至14.7倍,而穿网阻力增至25.4倍,且呈现出多项式二次函数的变化规律,即特别在大粮堆、厚粮层的通风作业中,穿网阻力对风道设计、风机选择及通风效果的影响不容忽视。

(3)风量和通风方式对玉米粮堆的通风均匀度影响不大,通风均匀度主要与粮层厚度有关,粮层越厚,通风均匀度越高。