机械通风玉米穗储粮仓在黄淮海地区的试验

崔相全，张宗超，韩梦龙，赵 峰，李寒松※，于贤龙，龚魁杰，慈文亮

（1. 山东省农业机械科学研究院，济南 250100；2. 山东省农业科学院作物研究所，济南 250100）

0 引 言

中国粮食产后损失严重，每年粮食产量的8%～14%在产后环节被损失掉[1]，粮食行业“产后护理”空间巨大。黄淮海轮作区因农时抢收抢种，玉米收获时普遍含水率较高，一般在20%～30%之间，最高含水率35%以上[2]，玉米储藏普遍存在以下问题：场院和道路晾晒受场地限制、人工费高、虫鼠雀害严重且遇阴雨天粮食极易霉烂发芽[3-9]；高含水率玉米果穗不易直接进行脱粒（脱粒的最佳水分为18.3%左右）[10]，直接脱粒容易导致破损、裂纹及胚芽不完整；加之国家禁用煤炭、秸秆焚烧，使用天然气、电力等能源烘干成本又过高（占到粮价的8%左右）[11]，国内目前从事玉米穗储藏研究的主要集中在东北地区，东北玉米收割时间比较晚，含水率低，农户所用穗储粮仓仓容也比较小，且大都不用机械通风[12-20]，不太适合黄淮海地区的玉米穗储藏。国外从事粮食通风储藏研究较多，大量研究证明，通风策略与流场分布均匀性是影响粮食通风储藏的两个重要因素[21-26]。Lukasse等建立了马铃薯通风贮藏仓内流场的数值模型，准确的预测了储存过程中马铃薯内部气流的温度变化[27]。Daniela等分析了储粮仓内通风干燥过程，结果显示，通风策略能够使仓内温度梯度小于3 ℃，同时能够防止进风口的物料过度干燥或受潮[28]。Garg和Maier基于数值模拟分析了粮食储藏仓内气流的不均匀分布，通过在仓底部设置环形风管可以将空气输送至近壁面区域谷物而有效提高气流分布均匀性[29]。但对于玉米果穗通风储藏国外研究很少见，Kibar等设计了大型玉米储藏仓结构和通风系统，确定了钢筋混泥土水平贮存结构与通风装置功率，保证了玉米品质的不变质和采后营养成分的保存[30]。但钢筋混泥土结构造价较高，且不易于设备的灵活使用，难以适应中国黄淮海地区玉米干燥储藏。

为了解决目前黄淮海地区玉米高含水脱粒容易破损、清洁能源烘干成本高和鲜穗大规模储藏容易霉变等制约玉米产后初加工的瓶颈性问题，为探索新型农业经营主体产后低损保质初加工新模式，设计并制造了一种机械通风玉米穗储粮仓，结合大气环境进行正负压就仓干燥试验，该粮仓可以满足黄淮海地区玉米鲜穗的就仓干燥除湿和贮藏需求，减少霉变等品质损失，提高农户的收入，并为粮食安全提供了保障。

1 总体结构设计

1.1 总体结构

机械通风玉米穗储粮仓，包括储粮仓、送风系统（包括风机，正、负压风道和风道切换阀门、自然通风风道等）、数据采集系统（包括温度传感器、湿度传感器等）及控制系统（包括PLC控制器、显示屏、控制箱等）等组成。整机结构如图1所示。

1.2 工作原理

工作原理：利用常温大风量降水原理和专门设计的仓内正负压通风风道与自然通风风道，风机作为鼓风机、引风机交替运行，完成粮仓的呼吸作业（由内向外呼气和由外向内吸气），采用温度、湿度传感器实时采集仓内温度和湿度，配合PLC控制系统，粮仓内呼吸作业与缓苏作业交替运行，实现大宗鲜玉米穗的保质干燥贮藏。大型组合式机械通风玉米穗储粮仓的正常工作状态有3种：自然通风状态、正压通风状态、负压通风状态。当传感器检测到粮温与室外空气的温差达到设定值以上时，控制系统即可开启风机3进行通风作业，白天由于外界空气温度高、湿度小，采用压入式通风，利于空气将仓内物料中的高湿气体吹出来；夜晚由于空气温度低，湿度大，采用吸出式通风，利于将物料内的高湿气体吸出来；在正压通风状态、负压通风状态呼吸换风过程中均设有缓苏期，与正负风压间隔运行，以便达到玉米内外温湿度一致。当温度传感器检测到粮温与室外空气的温差达到设定值以下时，风机关闭即可转为自然通风状态。强制通风可促使仓内粮堆气体与仓外大气交换，从而调节控制仓内果穗的温湿度，降低粮食呼吸强度，抑制虫害和微生物生长，延缓粮食品质下降，安全储粮。

1.3 主要部件的设计

零部件设计包括粮仓、通风风道、控制系统等的设计，这些关键零部件直接影响着机器的性能，因此在设计时要注意结构的合理性。

1.3.1 粮仓主要结构的设计

粮仓采用钢管做骨架、钢丝网为受力件，储粮仓的四周和底面均有钢丝网覆盖，底面再加一层比较密的防鼠网，制成一长方体4 m×4 m×3 m装粮空间，且钢管均为可拆卸组装式；储粮仓底部四脚及中间均布支撑立柱，储粮仓底面通过支撑立柱悬空。

仓顶采用高于顶部0.5 m的弓字形日光棚顶结构，既不影响通风、日光照射，还省去了职守人员的看护，不怕雨雪。储粮仓四周均为挂接门4（见图1），门上也有钢丝网，方便玉米果穗的存取。中间还设有自然通风风道6，系用钢丝网围成的网状结构，上下均通大气，起到像烟囱向上吸风的作用。为加强粮温监测，在储粮仓内部四周及上下粮层之间布置温度传感器若干及相应的控制系统，根据温度和时间的要求来自动控制风机3的开闭。

风机选用9-19-5A离心风机，功率7.5 kW，风机风量的计算参照文献[31-32]。

1.3.2 控制系统的设计

控制系统采用PLC编程控制，手机APP远程控制系统界面如图2所示，可以在手机上就能方便地远程控制风机的开闭和按需切换或调整干燥模式。

2 粮仓内部流场数值模拟

机械通风玉米穗储粮仓内部的流场分布对玉米仓储过程脱水与品质变化具有重要影响。流场分布不均可能会导致不同部位玉米自身温度与水分存在差异大，而导致发热、霉变的发生。为了实现玉米穗储粮仓流场的均匀分布，本文对仓内部流场进行建模分析，并对仓结构进行优化。

2.1 网格划分

为了提高计算效率，加速收敛过程，采用结构化网格，实现区域的边界拟合。如图3所示，建立穗储粮仓的物理模型，并使用ICEM CFD软件对其进行网格划分，并对其网格独立性进行检验，最终确定网格数量为3 041 064。

2.2 数学模型的建立

将装满玉米果穗的储粮仓假设为均匀连续的多孔介质体，为了简化计算，在研究过程中作如下基本假设：

1）储粮仓为各项同性的连续介质，孔隙内气流均匀流动；

2）气体为理想气体，不可压缩；

3）忽略呼吸等生理活动产生的热量。

储粮仓内部流场采用三维稳态流动模型进行数值计算，依据质量守恒定律，连续方程如下

式中ε为玉米果穗堆孔隙率，%；ρair为空气密度，kg/m3；为空气的速度矢量，m/s。

对于自由流动区域内的流体，基于动量守恒定律，采用Navier-Stokes方程描述其运动方程

式中P为空气压力，Pa。

对于储粮仓内玉米果穗内的空气，Brinkman在Navier-Stokes方程基础上引入黏性应力给出了达西定律的拓展形式。本文采用Brinkman方程对储粮仓中玉米果穗内的空气流动的动量守恒方程

式中τ为黏性力张量，Pa；u为速度，m/s；k为常量。

数值模拟计算通过ANSYS FLUENT 14.0.0（ANSYS Inc.，Canonsburg，Pennsylvania，USA）软件进行。使用Lamniar模型处理层流流动，质量守恒收敛依据为10-4的残差精度，其他残差精度设置为10-5。速度作为进口边界条件，假定进口方向垂直于边界。压力作为出口边界条件，给定标准大气压作为压力边界值。无滑移边界条件，采用标准壁面函数法进行修正。

3 试验设计

根据设计要求并在总结上一年度设计试验中发现的问题进行了改进，重新设计并制造出JSWZTF-480型机械通风玉米穗储粮仓样机1台。

3.1 试验材料

2020年9月25日，在山东省农业机械科学研究院试验基地选用当年种植品种登海605#，含水率30%左右（含水率高的玉米穗最好凉晒几天）的刚收割的湿玉米穗（去掉玉米叶及绒须等杂质，杂质容易堵塞玉米穗之间的间隙，影响通风效果）作为试验材料，对设计的机械通风玉米穗储粮仓样机的工作性能进行了装仓试验。图4为玉米穗储粮仓试验现场。

3.2 试验仪器

干燥箱、容重器、粉碎机、水分测试仪、湿度计等常规检验化验设备。

3.3 试验方法

仓内共设有4组温度、湿度传感器分别布置在仓的西南角偏上处、南面中部、北面中部、东北角偏下处，深入粮仓内400 mm，分别对应点1、点2、点3和点4，测水分取样时也在这4个点附近取样。在试验期内进行取样、检测，籽粒含水率入仓前记录一次，以后从4个传感器附近点位按5、10、15 d等间隔检测一次，刚入仓时检测频次要多，试验末期检测频次可少，储藏过程中共测8次，其余指标将4个点位采样混合后测定一次。测定的各项指标中，温度和湿度由控制系统实时自动记录，脂肪酸值测定按GB/T15684—2015，其余指标按GB/T1353—2018，数据由农业农村部食品质量监督检验测试中心（济南）出具检测证明。

4 结果与分析

4.1 储粮仓内部流场分布均匀性分析

图5 展示了正压通风（呼气）模式下的穗储粮仓内部气流迹线。由图可知，气流经两个正负压通风风道进入储粮仓后经玉米穗空隙向四周扩散，部分气体经粮仓外壁排放至大气环境中，另外一部分经正负压通风风道间的自然通风风道排出粮仓。

图6 展示了在正压通风与负压吸风模式下的储粮仓内部水平截面的速度场分布图。由图可知，正压通风与负压吸风两个模式下具有相似的速度场分布，且速度分布较均匀。如图6a所示，在正压通风模式下，气流在粮仓内部运动过程中随气流方向速度逐渐降低，主要的原因是随着气流向粮仓外部扩散，扩散面逐渐增大。而在负压通风模式下（图6b），气流由粮仓外与自由通风通道吸入，经过玉米穗空隙最终流向正负压通风风道，运动过程中随气流方向速度逐渐增加。

因为气流在粮仓内部与玉米穗接触，气流随运动方向温度逐渐降低而湿度逐渐提高，这导致气流的干燥能力下降。在负压吸风模式下，气流随运动方向速度不断提高，在一定程度上弥补了由于温度下降、湿度提高导致的干燥能力下降，有利于粮仓内、外部玉米穗的均匀脱水。

干贮一体仓流场分布均匀性是设计关键点，气流流动弱的区域粮食品质会下降。环温高于仓温时以呼气为主，环温低于仓温时以吸气为主。从图6也可看出，图中蓝色部位中间颜色最深处经分析可能由于气流速度慢，热交换能力差，此处玉米穗水分下降效果可能差。

4.2 温度湿度曲线

仓内温度和湿度由布置在仓内四周的温湿度传感器自动检测（见图7），控制系统实时自动记录，温度湿度曲线由软件画出。从曲线上可以看出，装仓后前5d最关键，也是产生热量最多的时候，降水也最快，是智能调控的重点时段，这几天仓内温度也比环境温度高，以后仓内温度基本上比环境温度低了，仓内湿度则比环境湿度要大的多，这也说明玉米水分的散发比较明显。智能调控仓内作业的主要参数是仓内与环境温度差，而不是仓内的相对湿度，强风作业时会带走果穗表面的湿热，使仓内温度降低而相对湿度变化很少。正常运行状态下昼间粮温低于环温、夜间粮温高于环温，也就是说波动幅度上粮温低于环境温度。自然情况下仓内热湿气体上移，特别是后半夜及凌晨时分，处理不当会引起上部粮面结露，严重时籽粒会生芽，因此，防止上部湿气的聚集是防结露的重点。

4.3 玉米水分变化情况

储粮仓由于通风效果好，水分散失快，所以仓中储藏的玉米短时间快速降水，后玉米水分值平稳下降，仅经过80 d的存放，至玉米出仓时，玉米的水分已经低于标准安全水分值，而不使用机械通风的玉米穗储粮仓通常要4～6个月才能降到安全水分，可见机械通风玉米穗储粮仓的效果明显，优势也是很大的。从图8可看出点2和点3处的玉米穗含水率明显比点1、点4处的高，点2和点3正好位于速度场分布图上蓝色中间颜色较深部分，这也进一步验证了数学模型的有效性，有待下一步试验时进行改进。

4.4 玉米芯水分变化情况

由图9可以看出，储藏初期，玉米芯水分快速下降，之后玉米芯水分下降趋势明显，降幅比较大。由于玉米芯降水幅度较大，没有标准容重参数指标，因此玉米芯因水分变化引起的质量变化不可计量。玉米芯水分值作为穗储玉米储藏环境的一部分，影响着玉米粒水分变化，它们之间的对应关系有待考证。

4.5 品质分析

试验从2020年9月25日开始，至12月15日止，仓内玉米水分基本降到安全水分，因受场地时间限制，试验终止。在粮食出仓过程中分层取样，并对脱粒后的玉米提取综合样进行各项指标检测。在试验期内取样、检测数据记录见表1。由表1可见仓内玉米脂肪酸值随着贮藏时间的延长，总体是处于上升趋势，从24.6变为39.9 mg/100 g，数值变动范围不大，均不超过70 mg/100 g，为宜存可安全储藏；容重随着玉米水分的下降有所增大；霉变粒、不完善粒、杂质等仍保持很低的比例，霉变粒增加比较少；色泽气味正常。果穗最先霉变部位是失去籽粒果皮保护的失粒、破损处残留的干性物质，因此，区别鸟吃、虫咬和防磕碰果穗入仓对霉变的控制十分重要。柔性装粮的关键在于鲜果穗自由落粮的垂直距离不大于0.5 m。既要保证仓上部空气的正常进出，也要防止雨雪由仓顶的渗入，是实现规模化干贮一体智能控制且免人工值守的关键，粮仓的侧面潲雨一般不会对果穗的就仓干燥和品质产生影响。

由此可见机械通风玉米穗储粮仓可以有效达到自然降水，有效延缓脂肪酸值的升高，防霉防鼠，保证粮食品质，实现安全储粮。由于储粮仓储存的是玉米穗，只能在入仓、出仓时进行分层取样，而储藏期间无法均衡取样，品质指标不能完全反应储藏期间的粮食特性，有待进一步完善。

表1 测试数据记录汇总表Table 1 Main structure and performance parameters

4.6 经济社会效益分析

采用机械通风玉米穗储粮仓储存的粮食，由于采用离地通风、呼吸换风、防露防雨、洁净柔性入仓等技术，解决了传统储粮鼠害、霉变、结露、破损等问题，平均减损率达5%以上，通过自然通风、正负压通风降水干燥，比机械烘干的粮食表皮柔韧性提高，质量好，卖价高且省去热力烘干能源消耗和环境污染，其营养成分不但可以得到穗轴的继续供养而且风干过程中不易被破坏，能够保持粮食原有的风味，在市场上具有明显的竞争力，满足农民“待价而沽”和藏粮于民的需求，一般玉米刚收获时价格压的较低，农民惜售，储藏一个冬季，等明年春天择机销售，每斤粮食能比刚收获时多卖0.20～0.25元，为合作社湿粮集中收购提供了途径，当年就能基本收回设备投资，大大增加了农民的收入，并且节能环保，为国家粮食安全奠定了基础。

5 结 论

1）机械通风玉米穗储粮仓，利用常温大风量降水原理和专门设计的仓内正负压通风风道与自然通风风道，能够满足黄淮海轮作区玉米收获的作业特点，可以实现玉米鲜果穗的就仓干燥问题，经过80 d的贮藏，玉米的水分已经低于标准安全水分值，玉米脂肪酸值为39.9 mg/100 g，为宜存，容重为740 g/L，霉变粒0.6%，不完善粒0.4%，杂质0.07%，色泽气味正常，解决了高含水鲜穗直接脱粒对玉米籽粒的损伤，也解决了采用热源烘干带来的高成本、焦糊粒、高温急热速冷引起的籽粒裂纹破粒、烟尘污染等问题；

2）机械通风玉米穗储粮仓，由于能够有效防霉变、防鼠，玉米籽粒颜色金黄，粒型完整，质量优于脱粒储藏，仅择机销售一项，每斤粮食能比刚收获时多卖0.20～0.25元，实现农民“待价而沽”和藏粮于民的需求，经济和社会效益显著；

3）基于防霉变的干贮一体化参数控制技术具有能实时远程监控环境、仓内温湿度等参数，按需切换或远程调整干燥呼吸模式，自动实现果穗仓正负风压除湿技术和果穗仓呼吸换风模式（正负风压）及缓苏间隔运行，并且果穗仓风路交换均匀，实现远程操控自动运行；

4）具备积木式模块化结构件设计、并基于实际产量的变容积模块化组装，实现了玉米产后免摊晒、免烘干的全程“不落地”干燥入仓技术新模式，为合作社等新型农业经营主体找到了一种低成本玉米产后干贮一体的初加工实用技术，解决黄淮海地区玉米属地化保质“最后一公里”问题，提升黄淮海地区玉米产后全程机械化水平，推动黄淮海地区玉米干燥装备发展。