储粮生态系统热湿调控机理及在就仓机械通风中的应用

2019-06-08王远成吴子丹俞晓静

中国粮油学报 2019年12期

王远成吴子丹魏雷俞晓静

(山东建筑大学热能工程学院1,济南 250101)

(吉林大学生物与农业工程学院2,长春 130022)

(国家粮食和物资储备局科学研究院3, 北京 100037)

影响储粮生态系统的两个主要物理因素是温度和湿度(水分)，仓储粮堆局部的温度和水分的升高，会导致微生物和害虫的生长，引起储粮的发热和霉变。调节和控制储粮生态系统内部的热湿环境，可以有效地避免虫害的发展和演替，抑制粮堆中微生物的生长，延缓储粮品质的劣变[1]。

就仓机械通风作为储粮生态系统热湿调控的方法之一，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[2]。然而，目前国内在就仓机械通风的实施和操作过程中，由于通风时机的选择不当，通风操作的不合理，以及对储粮生态系统热湿调控机理的模糊不清，往往导致无效通风，甚至是有害的通风，从而造成通风效率低、能耗高、损耗大的问题。为此，国内外专家提出了许多技术方案，针对不同的粮情和不同的通风目的，采用不同的通风方式，从而实现“精准通风”，如“降温保水通风”“降水通风”和“调质通风”等[3-4]。

本研究基于多孔介质热质传递原理和粮粒吸湿/解吸湿理论，分析了通风过程中粮堆内部热湿耦合传递规律，探究了储粮生态系统热湿调控机理及其在就仓机械通风中的应用，为我国的储粮生态系统热湿调控理论的建立和粮库的智能化管理系统的建设提供参考。

1 通风过程中粮堆内部热湿传递机理

粮堆是由粮粒堆积而成的多孔介质，通风过程中粮堆内部的粮粒与粮粒周围空气进行热量和水蒸气的交换，其中的热湿传递过程遵循能量守恒和质量守恒规律。

在通风条件下，粮堆内部流动及热湿耦合传递的控制方程见式(1)～式(7)[5-8]。

流动及阻力方程：

(1)

式中：u为粮堆内部空气的表观速度或达西速度；p为压力；ρa为空气密度；μ为空气的动力黏度；ε为空隙率；dp为谷物颗粒的等效直径；t为时间；为微分算子。

对流传热方程：

(2)

式中：ρb为粮堆的容重；ca、cb为是空气和粮堆的比热；T为粮堆的温度；keff为粮堆的有效导热系数；hs为谷粒吸湿或解吸湿热；M为粮堆的湿基水分。

∂M/∂t=-k(M-Me)

(3)

式中：k为粮粒吸湿/解吸湿经验常数；Me为平衡水分。

(4)

式中：A、B、C为经验常数；RHe为粮粒间空气的平衡相对湿度。

对方程(2)进行数量级分析后[9]，可以得到关联式：

∂T/∂t：u0.75(T-Tair)

(5)

式中：Tair为通风空气的温度；∂T/∂t为温度梯度。

对流传质方程：

(6)

式中：w为粮粒间空气中的绝对含湿量；Deff为湿空气在粮堆中的有效扩散系数；∂M/∂t为单位时间内粮粒与周围空气交换的水分量。

对方程(6)进行数量级分析后[9]，可以得到关联式：

∂M/∂t：u0.75×(RHe-RHair)

(7)

式中：RHair为通风空气的湿度。

式(1)描述的是通风时粮堆内部强迫对流流动及其阻力的矢量形式的动量方程，式(1)右边第三和第四项之和为通风阻力。式(2)左边第一项代表通风时粮堆温度随时间的变化率，第二项代表由于强迫对流作用而发生的热量交换，右边第一项是由于传导而引起的热量扩散，右边第二项表示粮堆的吸湿或解吸湿热量，俗称水分蒸发或吸湿所需要的热量。式(6)是根据整个粮堆内部粮粒间空气中的水蒸气与粮粒蒸发的水蒸气或吸湿的质量守恒而得到的。左边第一项代表粮粒间空气中的水蒸气随时间的变化率，第二项代表由于强迫对流作用而发生的粮粒间水蒸气的对流迁移量，右边第一项是由于粮粒间空气中的水蒸气的扩散通量，右边第二是粮堆中水分时间变化率。

2 热湿传递机理在就仓通风中的应用及分析

2.1 温差对通风效果的影响

从式(5)可以看出，温差越大越有利于粮堆的降温，而且降温速率也越高。在一定的初始粮温情况下，不同送风温度对于改变粮堆温度有较大的影响，送风温度越低，降温效果则越明显。同时，根据式(4)可以知道，在同样的湿度情况下，通风结束的温度越高则水分越低。因此，即使在相同的通风空气湿度下，不同温差也会导致最终的水分有所不同。表1为单位通风量为10 m3/(h·t)、进风空气湿度为65%、粮堆平衡湿度为63.8%时，通风3 d后粮温和水分。从表1中可以看出，在一定的初始粮温下，通风空气的温度越低，则单位时间内粮堆温度下降的越快。而且进风温度较低时，通风终了的平均水分略高一些。

需要注意的是，尽管温差越大，降温效果越好，但温差过大，也可能会导致粮堆结露问题。因此，要防止通风过程中粮堆的结露，必须保证粮粒温度大于通风空气的露点温度。

表1 相同通风量和湿度差下3种送风温度的数值模拟结果

2.2 湿度差对通风效果的影响

从式(7)可以看出，在一定的初始粮堆平衡湿度下，通风空气的湿度决定着通风过程中粮堆水分的变化趋势。若RHe-RHair=0，则通风过程中粮堆的水分变化率为0，即为保水通风；若RHe-RHair>0，则通风过程中粮堆的水分是逐渐降低的，即为降水通风；若RHe-RHair<0，则通风过程中粮堆的水分逐渐升高，即为调质通风。

这是因为当通风空气的湿度大于粮堆的平衡相对湿度时，粮堆大部分时间内都处于吸湿状态，粮堆失水很少或者水分增加；反之，当通风空气的湿度小于粮堆平均的平衡相对湿度时，粮堆处于解吸湿状态，粮堆失水较多。表2是单位通风量为10 m3/(h·t)、粮堆平衡湿度为63.8%时、温差为8 ℃时，进风空气湿度分别为55%、60%和65%的通风3 d的数值模拟结果。可以看出，进风空气的湿度越小，通风结束后粮堆水分越低，而且，随着通风时间进一步增加，失水会更加明显。而当进风湿度大于平衡相对湿度时，粮堆的水分基本上不变；如果进风湿度远远大于粮堆的平衡湿度，且通风时间足够长的话，粮堆的水分会明显增加。因此，送风湿度越低，粮堆的平均水分含量下降越快，当送风湿度达到65%时，粮堆的平均水分含量下降很慢，基本呈不改变的趋势。这说明通风空气的相对湿度是决定粮堆通风水分损失的关键因素，要避免通风过程中的水分损耗，就必须选择合适的进风湿度。

同时，从表2还可以看出，在同样的通风温度情况下，不同的进风湿度，通风结束的粮温是不同的。当通风空气的湿度低于粮堆的平衡湿度时，粮堆会失水，即粮堆内部发生解吸湿，需要消耗热量，因此，通风结束时粮堆温度会低于通风空气温度；反之亦然。当通风空气的湿度高于粮堆的平衡湿度时，粮堆内部发生吸湿，粮堆水分增加，出现吸湿再热的现象，通风结束的粮堆温度反而会高于通风空气温度。这也说明，通风过程中粮堆的流场、温度场、水分场和湿度场是相互耦合的，粮堆内部湿度的不同会导致通风结束的水分差异，并影响到最终的粮温大小。

表2 相同通风量和温度差下3种送风湿度的数值模拟结果

需要注意的是，当进风空气的湿度超过粮堆的平衡湿度时，通风过程中，靠近进风口处的粮堆，通常会因吸湿而导致水分升高，一旦超过安全水分就会造成不安全因素。

另外，考虑仓外大气的温湿度之间的关系，每升高1.0 ℃则空气的湿度降低5%左右，通风过程中，由于空气经过风机加热会产生1.0～1.5 ℃的温升，从而导致空气的湿度降低5%左右。因此，如果是降温保水通风，应该采取吸式上行通风，以保证通风空气的湿度满足保水通风的条件。

2.3 单位通风量和速度对通风效果的影响

从式(2)和式(6)可以看出，其左面的第二项是对流通量，即ca·(ρauT)=caρa(u·T)、ca·(ρauw)=caρa(u·w)。此式说明，速度越大则对流作用越强。显然，通风的表观速度(或者单位通风量)会影响到通风过程中粮堆的温度和水分的变化，在同样的温差和湿度差的情况下，单位通风量越大，则降温效果越明显，水分变化的也较大。

表3是温差为8℃、进风空气湿度为65%、平衡湿度为63.8%条件下，单位通风量分别为5、10、25m3/(h·t)通风3d后粮温和水分。从表3中可以看出，在相同温差和湿度差的情况下，单位通风量越大，则降温效果越好。单位通风量为25m3/(h·t)时的平均粮温在10h就降到了23.13℃，并随着通风第1天以后平均粮温不再变化。单位通风量为10m3/(h·t)时的平均粮温在24h降到了23.75℃，并随着通风时间的延长而维持不变。单位通风量为5m3/(h·t)时的平均粮温在38h才降到24.97℃，并随着通风时间的延长而维持不变。说明单位通风量越大降温速率越高，且到通风后期降温速率会大大降低。这是因为，在其他条件完全相同时，单位通风量大，则意味着通风速度越高，对流换热量越大，降温速率越高。当通风量大于10m3/(h·t)后，通风24h后粮温和水分基本上不再变化。这说明在通风的24h之内，粮堆内部热湿交换业已完成，这可以从图1和图2的各个粮层的温度和水分变化规律得到应正。

从表3中还可以看出，单位通风量为25m3/(h·t)和10m3/(h·t)时，平均水分在24h后就不再改变，并随着通风时间的延长而维持不变。单位通风量为5m3/(h·t)时的平均水分，则在10h前先上升后下降的规律。因此，在相同的进风湿度条件下，对于降温保水通风来说，单位通风量不宜超过10m3/(h·t)。

但是，对于不同的通风类型要根据各自的通风目的选择单位通风量。比如：降水通风时，选择好一定的空气温湿度条件，为了提高降水速率，则需要使用大风量；调质通风时，选择好一定的空气温湿度，为了提高调质效果，则需要使用中等风量进行通风。另外，对于第五储粮和第六储粮生态区，由于每年的冷期比较短，为了抓住机会进行降温通风，可以适当提高单位通风量。

表3 进风温度和湿度相同时3种风量下数值模拟结果

从图1可以看出，单位通风量为5、10、25m3/(h·t)3种工况进行通风时，均能使粮温降低，其中以风量为25m3/(h·t)的工况降温速率最快。通风72h后，冷锋面基本穿过粮堆，粮仓温度较为均匀。3种工况都是通风方向上0.3m的粮层的粮温最先降低，接着2.1m粮层的温度开始降低，以此类推5.5m粮层温度最后降低，最后各个粮层温度趋于稳定。对于整个粮堆的平均温度而言，风量为5m3/(h·t)时通风42h后，平均粮温从30℃降到24.95℃，平均降温幅度为0.12℃/h；风量为10m3/(h·t)时通风24h后，平均粮温从30℃降到23.7℃，平均降温幅度为0.26℃/h；风量为25m3/(h·t)时通风14h后，平均粮温从30℃降到23.0℃，平均降温0.5℃/h。不难看出，风量为25m3/(h·t)时，降温速率最快。

分析图2可以看出，就粮堆的水分而言，3种通风量下，通风方向上0.3m粮层的水分增加，2.1、3.7、5.5m粮层水分是降低的，而且单位通风量为25m3/(h·t)时水分变化幅度大，最终达到稳定状态的时间较早。分析其原因，主要是由于通风空气的湿度高于粮堆初始的平衡湿度，3种通风量下，尽管通风口附近的粮堆都是处于吸湿状态，但是相对而言，单位通风量越大，进入粮堆的空气绝对含湿量越多，粮堆平均水分变化得越快，且达到一定时间后，粮堆平均水分几乎保持不变。

然而在单位通风量相同的情况下，横向与垂直通风效果会有所不同。因为，由于通风面积的差异，而导致表观风速是不同的。式(2)和式(6)中的对流作用也是不同的，表观风速越大则对流作用越强。尽管单位通风量相同，垂直通风时，由于通风面积较大，表观速度相对较小，热湿对流作用相对较弱，粮温和水分变化相对缓慢；而横向通风时，由于通风面积较小，表观速度较大，热湿对流作用相对较强，粮温和水分变化得相对较快。

2.4 通风方向对通风效果的影响

对于对流换热问题，存在着2个矢量场，即速度场与温度梯度场。在流速和流体的物理性质给定的条件下，对流换热强度不仅取决于速度场和温度梯度场大小本身，而且还取决于它们之间的夹角，即取决于速度场、温度梯度场、夹角场的绝对值。对流换热中速度场与温度梯度场的配合能使换热得到强化，此时称之为速度场与温度梯度场协同较好[10]。从式(2)和式(6)可以看出，其左面的第二项是对流通量，即ca·(ρauT)=caρa(u·T)、ca·(ρauw)=caρa(u·w)，u·T、u·w为“点积”，“点积”的数量大小分别为|u||T|cosθ和|u||w|cosθ。速度场u与温度梯度场T的协同体现在3个方面：1)速度与温度梯度间的夹角应尽可能地小，两者应尽量平行；2)速度、温度梯度以及夹角余弦的局部值应该同时比较大，也即，夹角余弦大的地方速度与温度梯度的“点积”也比较大；3)流体速度剖面和温度剖面尽可能均匀(在最大流速和温差一定条件下)。

依据场的协同原理，对于降温通风来说，为了提高降温效果，当粮堆处于冷芯热皮时，可以采用吸式上行通风；当粮堆处于冷皮热芯时，建议采用吸式下行通风，使得降温效率大大增高。但当降水通风时，由于粮堆上部区域的水分相对较高，为了提高降水效果，则宜采用压送上行通风。

由于不同的通风方向，可能会导致通风空气经过通风机被加热，从而使得进入粮堆的空气温度会升高，根据空气的温湿度之间的关系可知，空气每升高1.0℃则空气的湿度降低5%左右的情况，因此，通风过程中，应该选择不同的通风方向，以保证通风空气的温湿度满足各种通风的需求。

3 储粮就仓机械通风的掌控原则

要根据通风目的和要求，如降温保水通风、降水通风或调质通风类型，来选择不同的通风条件、通风时机以及不同的操作方式。

3.1 降水通风的操作条件和方法

允许通风的温度差和湿度差： RHe-RHair=15%～20%，且Tair=10～25℃，T-Tdew>0℃，其中Tdew为通风空气的露点温度。

结束通风的条件：沿着通风方向的粮堆温度梯度≤1℃、水分梯度≤0.5%。

1.2.5 避免选择下肢静脉穿刺。在术中注意保护血管,为避免反复穿刺,可以在术前选择留置针,穿刺时尽量缩短扎止血带的时间,减轻对局部和远端血管的损害下肢血栓发生率是上肢的3倍,应该尽量选择上肢静脉穿刺,避免下肢静脉内膜再损伤加速DVT形成;输液过程中严格执行无菌操作,避免感染,减少微粒进入静脉形成微血栓的概率。并且交由经验较为丰富的护理人员对患者进行穿刺,提高一次成功率。

单位通风量：横向降水通风为15m3/(h·t)左右，垂直降水通风为25～35m3/(h·t)。

通风方向：压入式上行或下行通风。

3.2 降温保水通风的操作条件和方法

允许通风的温度差和湿度差：T-Tair≥8℃，RHair-RHe=0%～10%，且T-Tdew>0℃。

结束通风的条件：沿着通风方向的粮堆温度梯度≤1℃、水分梯度≤0.3%。

单位通风量：横向保水通风为3～5m3/(h·t)左右，垂直保水通风为5～10m3/(h·t)。

通风方向：当粮堆处于冷芯热皮时，采用吸出式上行通风；当粮堆处于冷皮热芯时，采用吸出式下行通风。

3.3 调质通风的操作条件和方法

允许通风的温度差和湿度差：10%≤RHair-RHe，且T-2℃≤Tair≤25℃，T-Tdew>0℃ 、RHair≤90%。

结束通风的条件：沿着通风方向的粮堆温度梯度≤1℃、水分梯度≤0.5%。

单位通风量：横向调质通风为10m3/(h·t)左右，垂直调质通风为15～20m3/(h·t)。

通风方向：吸出式下行(或上行)通风，经过一定时间后，再进行反向通风。

4 实仓应用验证

表4为中储粮临沂、菏泽和泰安库降温保水通风实验结果。其中临沂、菏泽和泰安库实验仓的长宽和装粮高度分别为28m×20m×5m、36m×20m×6m、36m×20m×6m。实验仓存储的小麦分别为2250、3400、3415t。通风过程中，选取夜间较为合适湿度的空气进行间断式的通风。从表4可以看出，实仓实验通风操作符合降温保水通风条件要求，通风结果基本基本达到了降温保水的目的和要求。