小麦粮堆的通风阻力特性研究

2023-10-04方江坤李岩方智毅张来林吴东亮张何英

粮食科技与经济 2023年3期

关键词：小麦

方江坤李岩方智毅张来林吴东亮张何英

摘要：粮食的安全储藏与机械通风技术密切相关，通风过程中各项参数的变化会直接影响粮堆的通风效果，而小麦作为中国的主要储粮品种之一，研究小麦粮堆的通风阻力特性具有重要意义。试验研究了不同通风方式下小麦粮堆阻力特性相关参数的变化情况，结果表明：小麦粮堆的单位粮层阻力、穿网阻力均与粮面表观风速呈正相关关系，且当粮面表观风速较大时，穿网阻力的增长幅度高于单位粮层阻力的增长幅度。小麦粮堆的通风均匀度与粮层厚度呈正相关，通风量对小麦粮堆的通风均匀度影响不大。

关键词：小麦；机械通风；单位粮层阻力；穿网阻力

中图分类号：S512.1 文献标志码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230316

Study on resistance characteristics during the ventilation in wheat pile

Fang Jiangkun1， Li Yan2， Fang Zhiyi1， Zhang Lailin3， Wu Dongliang4， Zhang Heying5

（ 1. Fujian Grain Reserves Co.， Ltd. Zhangpu Depot， Zhangzhou， Fujian 363200； 2. Sinograin Zhangzhou Depot Ltd. Company， Zhangzhou， Fujian 363105； 3. School of Food Science and Technology， Henan University of Technology， Zhengzhou， Henan 450001； 4. Sinograin Xiamen Depot Ltd. Company， Xiamen， Fujian 361026； 5. Fujian Grain Reserves Co.， Ltd. Zhangzhou Depot， Zhangzhou， Fujian 363000 ）

Abstract： The safe storage of grain is closely related to the mechanical ventilation technology during the ventilation will directly affect the ventilation effect of grain piles. As one of the main grain storage varieties in China， it is important to study the ventilation resistance characteristics of the wheat pile. The variation of the resistance characteristics of wheat pile under different ventilation modes was studied. The results showed that the resistance of unit grain layer and the resistance of net are positively correlated with the surface wind speed of the wheat pile. When the surface wind speed of wheat pile was higher， the increasing range of the resistance through the net was higher than that of the unit grain layer. The ventilation uniformity of wheat pile was positively correlated with the grain layer thickness， the ventilation volume has little influence on the ventilation uniformity of wheat pile.

Key words： wheat， mechanical ventilation， resistance of unit grain layer， resistance of the net

小麥作为三大谷物之一，是我国重要的粮食作物，多年来年产量占全国粮食总产量的20%以上，且小麦经加工制作成各种各样的食物，是人类获取能量和营养物质的主要来源。据统计，国内小麦口粮消费占小麦消费总量的95%以上[1]，这也就决定了我国粮食储备必须有大量的小麦储备，且要保证储粮安全。由于小麦属耐储耐高温品种，具有较好的储粮稳定性，因此多作为长期储备粮种。

机械通风不仅是粮食储藏行业使用最多、应用最普遍的一项储粮技术[2]，还是补冷均温、环流熏蒸、充氮气调等储粮技术的应用基础。机械通风的实质是粮堆的换气过程，根据流体力学原理，气流穿过粮堆必然会造成能量损失，即粮堆通风阻力的产生，这是影响机械通风技术应用效果的主要因素[3]。了解通风阻力的构成、研究粮层阻力的数学模型，进而选用合适的风机，是取得良好通风效果的前提条件[4-5]。杨晓帆等[6]对比不同检测方法后，认为采用粮堆内静压值判断机械通风均匀度是一种相对较好的检测手段。本研究借助河南工业大学设计的粮堆通风性能参数检测装置[7]，以粮堆内静压值检测为基础，开展压入式上行通风和吸出式下行通风两种通风方式下小麦粮堆的通风阻力特性研究，探寻单位粮层阻力、穿网阻力等参数的变化规律，为机械通风系统的设计与应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 通风模拟装置

试验装置主箱体尺寸1 000 mm×1 000 mm×500 mm，内置孔板厚度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。

1.1.2 试验粮种

试验粮种为2022年安徽产小麦，色泽、气味正常，其他质量指标情况见表1。

1.1.3 试验仪器

YJB-1500型补偿式微压计：上海隆拓仪器设备有限公司；TES-1340型热线式风速仪：台湾泰仕电子工业股份有限公司；YS90L-2型多管风机：河南未来机电工程有限公司；L1000-0075G/0110P-T4型高性能矢量变频器：南京雷欧电器科技有限公司；自制喇叭型风罩（Ф上=5 cm、Ф下=30 cm，见图2）等。

1.2 试验方法

1.2.1 静压值测点布置

粮面共设7个检测点，具体布点见图3；每个检测点分5层检测，距底部100 mm处为第1层测点，其他4层的间隔为200 mm，依次向上，顶部为第5层测点。

1.2.2 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。

1.2.3 穿网阻力检测

穿网阻力在压入式上行通风条件下检测。在距孔板中心点左右两侧5 cm处，各开一个比静压管直径稍大的圆孔，将2根静压管分别插入两个小孔中，使一根静压管的前端小孔固定在比孔板高5 mm左右的位置、另一根固定在比孔板低5 mm左右的位置；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。

1.2.4 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小麦粮堆的粮面表观风速、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。

（1）风速和风量：根据流体连续方程（F1×v1= F2×v2），风速仪实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，见式（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）单位粮层阻力：在通风过程中，空气流穿过单位粮层的压力损失为单位粮层阻力，见式（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。

（3）通风均匀度：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，见式（3）。

2 结果与分析

2.1 不同粮面表观风速下的单位粮层阻力

在两种通风方式下，分别通过变频器调整风机的运行转速，从而影响小麦粮堆的粮面表观风速、风量以及单位粮层阻力等一系列参数变化，各参数的检测值如表2、表3所示。对比表2、表3可知，随着变频器频率的增大，压入式上行通风时粮面表观风速由0.031 m/s增加至0.178 m/s，风量由55 m3/h增加至321 m3/h，对应的单位粮层阻力由60.34 Pa/m增加至867.63 Pa/m，涨幅807.29 Pa/m，增加13.4倍；而吸出式下行通风呈现同样的规律，粮面表观风速由0.029 m/s增加至0.157 m/s，风量由52 m3/h增加至282 m3/h，对应的单位粮层阻力由59.77 Pa/m增加至685.65 Pa/m，涨幅625.88 Pa/m，增加10.5倍。即压入式上行通风和吸出式下行通风条件下，随着粮面表观风速和风量的增加，小麦粮堆的单位粮层阻力也随之增加，均呈正相关，且压入式上行通风方式下粮堆通风阻力涨幅相对较大。

对小麦粮堆的单位粮层阻力和粮面表观风速进行曲线拟合处理，相比于其他函数，多项式二次函数和幂函数呈现出较高的拟合度，也就是说多项式二次函数和幂函数均能较好地反映小麥粮堆的单位粮层阻力与其粮面表观风速的关系。对比多项式二次函数和幂函数拟合曲线的R2值可知，多项式二次函数的拟合度更高（R2≥0.99）。具体曲线趋势如图4所示。

由图4可知，不论是压入式上行通风，还是吸出式下行通风，小麦粮堆的单位粮层阻力与其粮面表观风速均呈正相关，且压入式上行通风条件下的单位粮层阻力高于吸出式下行通风。对比不同粮面表观风速下的粮堆单位粮层阻力的变化情况可知，两种通风方式下拟合曲线的斜度均越来越大，即小麦粮堆的粮面表观风速越大，其单位粮层阻力越大，单位粮层阻力的涨幅随之逐渐增大。以压入式上行通风为例，粮面表观风速由0.031 m/s增大至0.075 m/s时，单位粮层阻力由60.34 Pa/m增大至183.81 Pa/m，粮面表观风速涨幅0.044 m/s，单位粮层阻力涨幅123.47 Pa/m；而当粮面表观风速由0.145 m/s增大至0.178 m/s时，单位粮层阻力由555.84 Pa/m增大至867.63 Pa/m，粮面表观风速涨幅为0.033 m/s，单位粮层阻力涨幅为311.79 Pa/m。即粮面表观风速较小时，单位粮层阻力涨幅较小，粮面表观风速数值较大时，即使风速增幅较小，单位粮层阻力亦大幅度增加。

2.2 不同粮面表观风速下的穿网阻力

对不同粮面表观风速下的穿网阻力进行曲线拟合，其多项式二次函数和幂函数均呈现较高的拟合度，具体如图5所示。

由图5可知，穿网阻力随着粮面表观风速的增大而逐渐增大，两者呈正相关。多项式二次函数拟合曲线的R2值为0.985 6，幂函数拟合曲线的R2值为0.988 9，说明幂函数对穿网阻力与粮面表观风速之间关系的拟合度更高。

根据不同粮面表观风速下小麦粮堆的单位粮层阻力，将对应的穿网阻力折算成同厚度的粮层阻力。对比不同粮面表观风速下的穿网阻力和单位粮层阻力可知，粮面表观风速0.031 m/s时，单位粮层阻力为60.34 Pa/m，穿网阻力为2.0 Pa，穿网阻力是同厚度粮层阻力的16.6倍；而粮面表观风速0.178 m/s时，单位粮层阻力为867.63 Pa/m，穿网阻力为47.75 Pa，穿网阻力是同厚度粮层阻力的27.5倍。也就是说，小麦粮堆在通风过程中，通过粮面的表观风速或穿过粮堆的风量越大，对应的穿网阻力越大，且增长幅度高于单位粮层阻力的增长幅度。即机械通风技术在实际应用过程中，穿网阻力对粮堆通风效果的影响不容忽视，不能一味地追求大风量通风[8]。

2.3 小麦粮堆的通风均匀度

不同通风方式下小麦粮堆的通风均匀度如图6、图7所示。对比通风均匀度的变化情况可知，吸出式下行通风时的通风均匀度稍高于压入式上行通风；同种通风条件下，不同通风量对应的通风均匀度没有明显差异，即通风量对小麦粮堆的通风均匀度影响不大。按照粮层厚度横向比较发现，小麦粮堆第1层的通风均匀度相对偏低，在98.7%与99.5%之间波动，无明显规律；随着粮层厚度的增加，第2层高于第1层、第3层高于第2层，第4层、第5层与第3层均保持在99.9%左右。即随着粮层厚度的增加，通风均匀度逐渐增大，即小麦粮堆的通风均匀度与粮层厚度呈正相关。