浅谈浅圆仓的风道设计*

吴 琼，郑 颂，张来林，董晓欢，戚 浩

（1.河南工业大学粮油食品学院,郑州 450001；2.福建省储备粮管理有限公司长乐直属库，福建 长乐 350217；3.中央储备粮厦门直属库有限公司，福建 厦门 361026；4.中国储备粮管理集团有限公司福建分公司，福州 350007）

浅圆仓是中转与储备兼用仓型，在我国30多年的应用当中，浅圆仓因占地面积小、进出粮操作快捷、机械化程度高、储粮稳定性好、节省人工等优点越来越受到仓储行业的青睐[1]，现已成为国内仓库建设中的主流仓型，也是现代化粮库的重要标志。

浅圆仓储粮具有粮堆大、粮层厚的特点，储粮机械通风及环流系统是保证浅圆仓储粮安全的关键技术和其它储粮技术应用的基础，通过通风道及环流系统，可以对粮堆实施通风降温、补冷均温、熏蒸杀虫和充氮气调等多种作业，消除储粮安全隐患、确保粮食的质量与安全。在实际生产中，不同粮库通风作业的通风效果与用电量相差极大，且通风未达到预期效果的现象时有发生。在浅圆仓内如何合理进行风道的设计与布置，已成为设计与建设单位亟待解决的难题。

储粮机械通风时，通风效果的评价关键在于风机能否在克服通风阻力的同时仍能保持一定的风速带动空气流动，从而达到快速、节能和良好通风效果的要求。通风阻力受风机参数、粮堆性质、空气在粮堆中的流动特点等多种因素共同影响，因此在风道设计时了解粮堆的气流规律以及不同因素间的相互关系对设计能否满足生产需求至关重要。

1 粮堆通风中影响各参数变化的因素[2]

1.1 粮堆通风的气流规律

在储粮机械通风过程中，通风效果与电量消耗受流体运动规律的影响。风量与风速的关系如下式所示：

式中：Q为粮堆通风量，m3/h；F为与气流方向垂直的粮堆截面积，m2；υ表观为粮面表观风速，即空气流出粮面时的速度，m/s。

由风量计算公式可知，当仓房建成后，粮堆通风的方式也随之确定，粮堆通风横截面积为一定值，此时风量与风速成正比关系，即风量越大、在粮堆内的风速就越大。

1.2 粮堆通风的总阻力

在粮堆通风时，需依靠风机提供的风压动力来克服气流穿过风道及粮堆时产生的阻力。通风的总阻力H总主要包括风道阻力、穿孔阻力和粮层阻力，由下式计算：

式中：H总为通风系统总阻力（Pa），随通风用途与粮堆高低不同而变，通常平房仓不大于1 000 Pa，降温通风的H总由表1选定；H粮层为气流穿过整个粮层时的阻力，Pa；H穿孔为穿过风道表面筛孔的阻力，Pa；H风道为穿过整个送风道的阻力，Pa。

表1 降温通风的H总表

对小粮堆和薄粮层进行通风时，由于通风系统较为简单，常在工程上对通风总阻力进行简化计算，主要计算H粮层，而忽略阻力值较小的H风道、H穿孔。但在大粮堆和厚粮层进行大风量通风时，粮层阻力、风道阻力及穿孔阻力都会成倍增加，尤其穿孔阻力增加更急剧，从而使通风量急剧下降，通风预期效果大打折扣。根据张来林等[3]通过实验室粮堆通风模型试验研究得出的通风时不同地上笼（或地槽）通风孔径、穿孔阻力的变化，穿孔阻力可达通风总压力1/3以上，因此在大粮堆、厚粮层的通风设计中不应忽视穿孔阻力在通风过程中对通风量、通风效果的影响。另外，储粮通风研究中还缺乏气流通过筛网的穿孔阻力值的详细资料，仍需进一步研究，为储粮通风风道设计提供依据。

1.3 粮堆通风的粮层阻力

粮层阻力与风速的关系如下式所示：

式中：H粮层为散装粮堆的粮层阻力，Pa；h为粮层的厚度，m；υ表观为粮面的表观风速，宜在0.01～0.15 m/s之间，m/s；β压实为大粮堆、厚粮层的压实系数，在1.2～1.5之间；a、b为与粮种等因素有关的阻力系数，不同粮食阻力系数见表2。

表2 不同粮食阻力系数a、b

由粮层阻力计算公式可知，通风时的风速与粮层阻力成幂指数关系，仓房堆装粮食后，粮堆高度为一定值，公式中的系数a和b由粮种决定，粮堆风速是决定粮层通风阻力的唯一因素，风速越大，阻力则越大。当风速较低时，粮堆通风形成阻力较小，可使用小功率风机，耗电量较低；当风速增大时，粮堆内的阻力值以幂指数形式增长，通风时需要的风机功率也逐渐增大，耗电量随之上升。

1.4 粮堆通风中风量与风压的转换

机械通风时，空气从通风机获得能量升高压力，而通风机本身则消耗外部供给能量才能运转，通风机在单位时间内传递给空气的能量称为通风机的有效功率N有效。由于通风机在运转过程中轴承内部有摩擦损失，空气在通风机中流动也有能量损失，因此，实际消耗在通风机轴上的功率（轴功率）要大于有效功率，轴功率N轴与有效功率N有效、风量及风压间的关系如下：

式中：N有效为通风机在单位时间内传递给空气的能量，kW；η风机为通风机实际效率，%；Q为通风机产生的风量，m3/s；H为通风机产生的全压，Pa。

由风机功率计算公式可知，当风机功率一定时，其输出的风量与风压呈反比关系，即风量与风压会相互转换；在阻力较大的通风场合，需要提高风机风压而减小风量，以维持风机正常的工作。

综上所述，在储粮机械通风过程中，当仓房和风机确定后，粮堆通风面积与风机功率均为定值，通风过程中的风量与风速成正比关系、风速与风压（即阻力）成幂指数关系，而风机输出的风量与风压则呈反比关系，因此当通风阻力较大时，风机运行特点为大风压、小风量。

2 浅圆仓内风道的布置

2.1 浅圆仓风道的布置形式

浅圆仓内沿中轴线方向通常布有3～7个卸粮口，因此通风道大都在中轴线两侧对称设计布置。从1998年以来浅圆仓中使用较多的通风风道种类如图1所示，两组通风布置形式的有放射形、梳子形和“圭”字形等风道，四组通风布置形式的有“丰”字形风道和环形风道[4]，生产中与风道布置数对应配备的有2台或4台风机两种通风形式。

图1 现有浅圆仓使用的风道形式

2.2 浅圆仓不同通风形式的比较

根据不同通风道的布置形式，浅圆仓储粮通风采用哪种风道布置形式的通风效果更好？尤其新建浅圆仓的堆粮高度达20～30 m、仓容量达10 000～20000 t，其单仓容量远大于1998年建设的浅圆仓，对储粮通风技术提出了更高要求。设计与使用者因担心厚粮堆通风会出现穿不透的现象，无法保证储粮安全，认为超大粮堆的仓型需采用多风道和多风机的通风模式，如四组独立风道或环形风道的布置形式、使用4台风机通风，但事实证明这是一个认知误区。

在浅圆仓的通风面积、堆粮高度和使用的风机型号等参数都相同的条件下，从通风时粮层阻力计算的表3中可看出，使用4台风机通风产生的单位粮阻是2台同类风机的2.498倍。使用2台风机通风，即便是30 m堆粮高度的浅圆仓，使用7.5 kW以下功率的风机，粮层阻力不超过600 Pa；使用功率大于11 kW的风机，其粮层阻力只有风压的1/2～2/3，因而风机风量和通风效果不会因阻力值变化受到影响。使用4台风机对浅圆仓进行通风，风机功率大于11 kW时，粮层阻力接近风机的全压，且风机功率越大、粮层阻力值越大，甚至超过风机的风压值；依据风机功率为定值时、风量与风压转换的流体力学原理，当系统阻力随厚粮层、高风速急剧增大时，会促使风机增大风压、降低风量的转换，寻求达到新的平衡点，以维持风机的正常运转，代价是通风效果显著下降，从理论上解释了使用多台风机后通风效果没有显著增长的原因。广东新沙港粮库浅圆仓使用同类型的2台风机与4台风机的通风比较试验的结果表明，4台风机的通风效果并无显著提高，但功率消耗却增大1倍[5]。因此，新沙港粮库从2000年使用浅圆仓始，粮堆通风一直采用2组风道、2台风机的布置形式。

表3 不同通风条件下的粮层阻力计算表

因此，应用效果和计算结果均表明浅圆仓内布置2组风道的方案要优于4组风道，其优势在于：①在浅圆仓的两侧各建一组环流系统，整个设计所需的通风口、风机、谷冷设备等数量比4组风道减少一半，降低建造成本；②单位通风量少一半，通风阻力小，降温效果与4台风机相比无显著差异，但耗电量减少一半；③用于气体均布与粮堆内均温补冷两种功能的环流管合并，简化环流系统的设计，且在使用谷冷机降温或补冷时，2台谷冷机与环流管、通风口直接对接，操作快捷，能量损失小，冷却效果更好。

根据浅圆仓实际通风作业时要求出风面大、通风阻力小、通风效果好、施工管理方便、有利于仓储作业操作等特点，比较现有的风道，从中选择出“圭”字形风道（图1c）较为合适，其优点在于：①支风道为直长管道，结构简单、施工方便；②风道出风面大、通风阻力小，通风降温或冷却的效果好；③采用仓底的横向通风方式可消除仓底中央部位的粮食积热（图2）[6]；④熏蒸杀虫时，可在主风道内实施风道投药，操作简单、补投药方便。

图2 采用横向通风方式消除仓底中央部位的粮食积热

3 浅圆仓风道设计时的注意事项

3.1 从仓门出粮的落地式浅圆仓宜采用地槽风道

为方便进出粮操作，仓内无卸粮口、从仓门出粮的落地式浅圆仓，宜采用地槽风道，与地上笼风道相比，其优点为：①地槽风道不影响挡粮门的开启，缩短开门时间；②地槽风道不影响清仓设备在仓内的出仓作业；③地槽风道虽在建仓时投资较大，但有利于机械化出仓操作、减少工人作业量，节省作业成本，随着招人难、用工贵的矛盾更加突出后，地槽风道的优势会更加明显。

3.2 避免采用窄风道、小通风口方案

在储粮通风系统设计中，通常选取较大单位通风量(q值)，这样设计的风道出风面较大：粮情正常时可采用小风量通风，通风效果好、粮食失水少、还能达到节能目的；粮情异常时，可大风量通风，及时消除隐患，确保粮食安全。若设计时忽略生产中可能出现粮情异常情况，只考虑正常粮情采用小风量通风的情景，将浅圆仓内通风系统设计成窄风道、小通风口，在粮情异常时采用大风量通风，会出现通风阻力大、时间长、效果差的现象，还会给粮库带来较大地经济损失，也违背通风系统的设计原则，设计单位在粮仓设计时应与使用方讲明此方案的不合理性与存在的弊端。风道宽度和通风口大小与浅圆仓直径、堆粮高度有关，在采用2组独立风道布置时，建议风道宽度≥500 mm，通风口≥φ500 mm。

3.3 环流管布置的位置要靠近通风口

在大粮堆、厚粮层的储粮保管中，风道通风口与环流管配合使用，构成浅圆仓的通风环流系统，在风机作用下，借助于环流系统可实现化学药剂、高浓度氮气、谷冷机冷气在浅圆仓内的均匀分布，达到杀虫、补冷、均温等目的，从而确保储粮稳定与安全。因此，在设计布置环流管安放位置时，要注意靠近通风口，对于架空式浅圆仓，尤其要注意仓内的环流管如何与仓外的谷冷机等设备对接（图3a），为此，在仓下围壁上开窗（图3b），方便仓外设备与通风口、环流管对接，这是是一种较好的设计布置方案。

图3 浅圆仓下围壁上开窗，方便仓外设备与通风口、环流管对接

另外，在入粮初期，采取开启风机朝风道送风的作法，可减少在入仓、粮食覆盖风道时杂质对风道表面筛孔的堵塞现象，提高作业时的通风效果。

4 小结

通过对储粮通风机械的阻力、风速等通风性能参数间的关系进行定性分析，讨论了储粮通风中风速与风压的变化规律，并比较了不同风道形式的通风效果，得出浅圆仓选用2组独立的“圭”字形风道布置形式更为合适。如要设计出高效的粮仓通风系统，还需要对各种形式通风进行定量分析。以后准备在通风性能检测装置上，开展对不同风量下穿孔阻力的变化研究，为浅圆仓风道合理设计提供依据。