王遠成 吳子丹 魏 雷 俞曉靜

(山東建筑大學熱能工程學院1,濟南 250101)

(吉林大學生物與農業(yè)工程學院2,長春 130022)

(國家糧食和物資儲備局科學研究院3, 北京 100037)

影響儲糧生態(tài)系統(tǒng)的兩個主要物理因素是溫度和濕度(水分)，倉儲糧堆局部的溫度和水分的升高，會導致微生物和害蟲的生長，引起儲糧的發(fā)熱和霉變。調節(jié)和控制儲糧生態(tài)系統(tǒng)內部的熱濕環(huán)境，可以有效地避免蟲害的發(fā)展和演替，抑制糧堆中微生物的生長，延緩儲糧品質的劣變[1]。

就倉機械通風作為儲糧生態(tài)系統(tǒng)熱濕調控的方法之一，具有降溫效果顯著、費用較低等特點，在確保儲糧安全方面，發(fā)揮著至關重要的作用[2]。然而，目前國內在就倉機械通風的實施和操作過程中，由于通風時機的選擇不當，通風操作的不合理，以及對儲糧生態(tài)系統(tǒng)熱濕調控機理的模糊不清，往往導致無效通風，甚至是有害的通風，從而造成通風效率低、能耗高、損耗大的問題。為此，國內外專家提出了許多技術方案，針對不同的糧情和不同的通風目的，采用不同的通風方式，從而實現(xiàn)“精準通風”， 如“降溫保水通風”“降水通風”和“調質通風”等[3-4]。

本研究基于多孔介質熱質傳遞原理和糧粒吸濕/解吸濕理論，分析了通風過程中糧堆內部熱濕耦合傳遞規(guī)律，探究了儲糧生態(tài)系統(tǒng)熱濕調控機理及其在就倉機械通風中的應用，為我國的儲糧生態(tài)系統(tǒng)熱濕調控理論的建立和糧庫的智能化管理系統(tǒng)的建設提供參考。

1 通風過程中糧堆內部熱濕傳遞機理

糧堆是由糧粒堆積而成的多孔介質，通風過程中糧堆內部的糧粒與糧粒周圍空氣進行熱量和水蒸氣的交換，其中的熱濕傳遞過程遵循能量守恒和質量守恒規(guī)律。

在通風條件下，糧堆內部流動及熱濕耦合傳遞的控制方程見式(1)～式(7)[5-8]。

流動及阻力方程：

(1)

式中：u為糧堆內部空氣的表觀速度或達西速度；p為壓力；ρa為空氣密度；μ為空氣的動力黏度；ε為空隙率；dp為谷物顆粒的等效直徑；t為時間；為微分算子。

對流傳熱方程：

(2)

式中：ρb為糧堆的容重；ca、cb為是空氣和糧堆的比熱；T為糧堆的溫度；keff為糧堆的有效導熱系數(shù)；hs為谷粒吸濕或解吸濕熱；M為糧堆的濕基水分。

?M/?t=-k(M-Me)

(3)

式中：k為糧粒吸濕/解吸濕經驗常數(shù)；Me為平衡水分。

(4)

式中：A、B、C為經驗常數(shù)；RHe為糧粒間空氣的平衡相對濕度。

對方程(2)進行數(shù)量級分析后[9]，可以得到關聯(lián)式：

?T/?t：u0.75(T-Tair)

(5)

式中：Tair為通風空氣的溫度；?T/?t為溫度梯度。

對流傳質方程：

(6)

式中：w為糧粒間空氣中的絕對含濕量；Deff為濕空氣在糧堆中的有效擴散系數(shù)；?M/?t為單位時間內糧粒與周圍空氣交換的水分量。

對方程(6)進行數(shù)量級分析后[9]，可以得到關聯(lián)式：

?M/?t：u0.75×(RHe-RHair)

(7)

式中：RHair為通風空氣的濕度。

式(1)描述的是通風時糧堆內部強迫對流流動及其阻力的矢量形式的動量方程，式(1)右邊第三和第四項之和為通風阻力。式(2)左邊第一項代表通風時糧堆溫度隨時間的變化率，第二項代表由于強迫對流作用而發(fā)生的熱量交換，右邊第一項是由于傳導而引起的熱量擴散，右邊第二項表示糧堆的吸濕或解吸濕熱量，俗稱水分蒸發(fā)或吸濕所需要的熱量。式(6)是根據(jù)整個糧堆內部糧粒間空氣中的水蒸氣與糧粒蒸發(fā)的水蒸氣或吸濕的質量守恒而得到的。左邊第一項代表糧粒間空氣中的水蒸氣隨時間的變化率，第二項代表由于強迫對流作用而發(fā)生的糧粒間水蒸氣的對流遷移量，右邊第一項是由于糧粒間空氣中的水蒸氣的擴散通量，右邊第二是糧堆中水分時間變化率。

2 熱濕傳遞機理在就倉通風中的應用及分析

2.1 溫差對通風效果的影響

從式(5)可以看出，溫差越大越有利于糧堆的降溫，而且降溫速率也越高。在一定的初始糧溫情況下，不同送風溫度對于改變糧堆溫度有較大的影響，送風溫度越低，降溫效果則越明顯。同時，根據(jù)式(4)可以知道，在同樣的濕度情況下，通風結束的溫度越高則水分越低。因此，即使在相同的通風空氣濕度下，不同溫差也會導致最終的水分有所不同。表1為單位通風量為10 m3/(h·t)、進風空氣濕度為65%、糧堆平衡濕度為63.8%時，通風3 d后糧溫和水分。從表1中可以看出，在一定的初始糧溫下，通風空氣的溫度越低，則單位時間內糧堆溫度下降的越快。而且進風溫度較低時，通風終了的平均水分略高一些。

需要注意的是，盡管溫差越大，降溫效果越好，但溫差過大，也可能會導致糧堆結露問題。因此，要防止通風過程中糧堆的結露，必須保證糧粒溫度大于通風空氣的露點溫度。

表1 相同通風量和濕度差下3種送風溫度的數(shù)值模擬結果

2.2 濕度差對通風效果的影響

從式(7)可以看出，在一定的初始糧堆平衡濕度下，通風空氣的濕度決定著通風過程中糧堆水分的變化趨勢。若RHe-RHair=0，則通風過程中糧堆的水分變化率為0，即為保水通風；若RHe-RHair>0，則通風過程中糧堆的水分是逐漸降低的，即為降水通風；若RHe-RHair<0，則通風過程中糧堆的水分逐漸升高，即為調質通風。

這是因為當通風空氣的濕度大于糧堆的平衡相對濕度時，糧堆大部分時間內都處于吸濕狀態(tài)，糧堆失水很少或者水分增加；反之，當通風空氣的濕度小于糧堆平均的平衡相對濕度時，糧堆處于解吸濕狀態(tài)，糧堆失水較多。表2是單位通風量為10 m3/(h·t)、糧堆平衡濕度為63.8%時、溫差為8 ℃時，進風空氣濕度分別為55%、60%和65%的通風3 d的數(shù)值模擬結果?？梢钥闯?，進風空氣的濕度越小，通風結束后糧堆水分越低，而且，隨著通風時間進一步增加，失水會更加明顯。而當進風濕度大于平衡相對濕度時，糧堆的水分基本上不變；如果進風濕度遠遠大于糧堆的平衡濕度，且通風時間足夠長的話，糧堆的水分會明顯增加。因此，送風濕度越低，糧堆的平均水分含量下降越快，當送風濕度達到65%時，糧堆的平均水分含量下降很慢，基本呈不改變的趨勢。這說明通風空氣的相對濕度是決定糧堆通風水分損失的關鍵因素，要避免通風過程中的水分損耗，就必須選擇合適的進風濕度。

同時，從表2還可以看出，在同樣的通風溫度情況下，不同的進風濕度，通風結束的糧溫是不同的。當通風空氣的濕度低于糧堆的平衡濕度時，糧堆會失水，即糧堆內部發(fā)生解吸濕，需要消耗熱量，因此，通風結束時糧堆溫度會低于通風空氣溫度；反之亦然。當通風空氣的濕度高于糧堆的平衡濕度時，糧堆內部發(fā)生吸濕，糧堆水分增加，出現(xiàn)吸濕再熱的現(xiàn)象，通風結束的糧堆溫度反而會高于通風空氣溫度。這也說明，通風過程中糧堆的流場、溫度場、水分場和濕度場是相互耦合的，糧堆內部濕度的不同會導致通風結束的水分差異，并影響到最終的糧溫大小。

表2 相同通風量和溫度差下3種送風濕度的數(shù)值模擬結果

需要注意的是，當進風空氣的濕度超過糧堆的平衡濕度時，通風過程中，靠近進風口處的糧堆，通常會因吸濕而導致水分升高，一旦超過安全水分就會造成不安全因素。

另外，考慮倉外大氣的溫濕度之間的關系，每升高1.0 ℃則空氣的濕度降低5%左右，通風過程中，由于空氣經過風機加熱會產生1.0～1.5 ℃的溫升，從而導致空氣的濕度降低5%左右。因此，如果是降溫保水通風，應該采取吸式上行通風，以保證通風空氣的濕度滿足保水通風的條件。

2.3 單位通風量和速度對通風效果的影響

從式(2)和式(6)可以看出，其左面的第二項是對流通量，即ca·(ρauT)=caρa(u·T)、ca·(ρauw)=caρa(u·w)。此式說明，速度越大則對流作用越強。顯然，通風的表觀速度(或者單位通風量)會影響到通風過程中糧堆的溫度和水分的變化，在同樣的溫差和濕度差的情況下，單位通風量越大，則降溫效果越明顯，水分變化的也較大。

表3是溫差為8℃、進風空氣濕度為65%、平衡濕度為63.8%條件下，單位通風量分別為5、10、25m3/(h·t)通風3d后糧溫和水分。從表3中可以看出，在相同溫差和濕度差的情況下，單位通風量越大，則降溫效果越好。單位通風量為25m3/(h·t)時的平均糧溫在10h就降到了23.13℃，并隨著通風第1天以后平均糧溫不再變化。單位通風量為10m3/(h·t)時的平均糧溫在24h降到了23.75℃，并隨著通風時間的延長而維持不變。單位通風量為5m3/(h·t)時的平均糧溫在38h才降到24.97℃，并隨著通風時間的延長而維持不變。說明單位通風量越大降溫速率越高，且到通風后期降溫速率會大大降低。這是因為，在其他條件完全相同時，單位通風量大，則意味著通風速度越高，對流換熱量越大，降溫速率越高。當通風量大于10m3/(h·t)后，通風24h后糧溫和水分基本上不再變化。這說明在通風的24h之內，糧堆內部熱濕交換業(yè)已完成，這可以從圖1和圖2的各個糧層的溫度和水分變化規(guī)律得到應正。

從表3中還可以看出，單位通風量為25m3/(h·t)和10m3/(h·t)時，平均水分在24h后就不再改變，并隨著通風時間的延長而維持不變。單位通風量為5m3/(h·t)時的平均水分，則在10h前先上升后下降的規(guī)律。因此，在相同的進風濕度條件下，對于降溫保水通風來說，單位通風量不宜超過10m3/(h·t)。

但是，對于不同的通風類型要根據(jù)各自的通風目的選擇單位通風量。比如：降水通風時，選擇好一定的空氣溫濕度條件，為了提高降水速率，則需要使用大風量；調質通風時，選擇好一定的空氣溫濕度，為了提高調質效果，則需要使用中等風量進行通風。另外，對于第五儲糧和第六儲糧生態(tài)區(qū)，由于每年的冷期比較短，為了抓住機會進行降溫通風，可以適當提高單位通風量。

表3 進風溫度和濕度相同時3種風量下數(shù)值模擬結果

從圖1可以看出，單位通風量為5、10、25m3/(h·t)3種工況進行通風時，均能使糧溫降低，其中以風量為25m3/(h·t)的工況降溫速率最快。通風72h后，冷鋒面基本穿過糧堆，糧倉溫度較為均勻。3種工況都是通風方向上0.3m的糧層的糧溫最先降低，接著2.1m糧層的溫度開始降低，以此類推5.5m糧層溫度最后降低，最后各個糧層溫度趨于穩(wěn)定。對于整個糧堆的平均溫度而言，風量為5m3/(h·t)時通風42h后，平均糧溫從30℃降到24.95℃，平均降溫幅度為0.12℃/h；風量為10m3/(h·t)時通風24h后，平均糧溫從30℃降到23.7℃，平均降溫幅度為0.26℃/h；風量為25m3/(h·t)時通風14h后，平均糧溫從30℃降到23.0℃，平均降溫0.5℃/h。不難看出，風量為25m3/(h·t)時，降溫速率最快。

分析圖2可以看出，就糧堆的水分而言，3種通風量下，通風方向上0.3m糧層的水分增加，2.1、3.7、5.5m糧層水分是降低的，而且單位通風量為25m3/(h·t)時水分變化幅度大，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間較早。分析其原因，主要是由于通風空氣的濕度高于糧堆初始的平衡濕度，3種通風量下，盡管通風口附近的糧堆都是處于吸濕狀態(tài)，但是相對而言，單位通風量越大，進入糧堆的空氣絕對含濕量越多，糧堆平均水分變化得越快，且達到一定時間后，糧堆平均水分幾乎保持不變。

然而在單位通風量相同的情況下，橫向與垂直通風效果會有所不同。因為，由于通風面積的差異，而導致表觀風速是不同的。式(2)和式(6)中的對流作用也是不同的，表觀風速越大則對流作用越強。盡管單位通風量相同，垂直通風時，由于通風面積較大，表觀速度相對較小，熱濕對流作用相對較弱，糧溫和水分變化相對緩慢；而橫向通風時，由于通風面積較小，表觀速度較大，熱濕對流作用相對較強，糧溫和水分變化得相對較快。

2.4 通風方向對通風效果的影響

對于對流換熱問題，存在著2個矢量場，即速度場與溫度梯度場。在流速和流體的物理性質給定的條件下，對流換熱強度不僅取決于速度場和溫度梯度場大小本身，而且還取決于它們之間的夾角，即取決于速度場、溫度梯度場、夾角場的絕對值。對流換熱中速度場與溫度梯度場的配合能使換熱得到強化，此時稱之為速度場與溫度梯度場協(xié)同較好[10]。從式(2)和式(6)可以看出，其左面的第二項是對流通量，即ca·(ρauT)=caρa(u·T)、ca·(ρauw)=caρa(u·w)，u·T、u·w為“點積”，“點積”的數(shù)量大小分別為|u||T|cosθ和|u||w|cosθ。速度場u與溫度梯度場T的協(xié)同體現(xiàn)在3個方面：1)速度與溫度梯度間的夾角應盡可能地小，兩者應盡量平行；2)速度、溫度梯度以及夾角余弦的局部值應該同時比較大，也即，夾角余弦大的地方速度與溫度梯度的“點積”也比較大；3)流體速度剖面和溫度剖面盡可能均勻(在最大流速和溫差一定條件下)。

依據(jù)場的協(xié)同原理，對于降溫通風來說，為了提高降溫效果，當糧堆處于冷芯熱皮時，可以采用吸式上行通風；當糧堆處于冷皮熱芯時，建議采用吸式下行通風，使得降溫效率大大增高。但當降水通風時，由于糧堆上部區(qū)域的水分相對較高，為了提高降水效果，則宜采用壓送上行通風。

由于不同的通風方向，可能會導致通風空氣經過通風機被加熱，從而使得進入糧堆的空氣溫度會升高，根據(jù)空氣的溫濕度之間的關系可知，空氣每升高1.0℃則空氣的濕度降低5%左右的情況，因此，通風過程中，應該選擇不同的通風方向，以保證通風空氣的溫濕度滿足各種通風的需求。

3 儲糧就倉機械通風的掌控原則

要根據(jù)通風目的和要求，如降溫保水通風、降水通風或調質通風類型，來選擇不同的通風條件、通風時機以及不同的操作方式。

3.1 降水通風的操作條件和方法

允許通風的溫度差和濕度差： RHe-RHair=15%～20%，且Tair=10～25℃，T-Tdew>0℃，其中Tdew為通風空氣的露點溫度。

結束通風的條件：沿著通風方向的糧堆溫度梯度≤1℃、水分梯度≤0.5%。

1.2.5 避免選擇下肢靜脈穿刺。在術中注意保護血管,為避免反復穿刺,可以在術前選擇留置針,穿刺時盡量縮短扎止血帶的時間,減輕對局部和遠端血管的損害下肢血栓發(fā)生率是上肢的3倍,應該盡量選擇上肢靜脈穿刺,避免下肢靜脈內膜再損傷加速DVT形成;輸液過程中嚴格執(zhí)行無菌操作,避免感染,減少微粒進入靜脈形成微血栓的概率。并且交由經驗較為豐富的護理人員對患者進行穿刺,提高一次成功率。

單位通風量：橫向降水通風為15m3/(h·t)左右，垂直降水通風為25～35m3/(h·t)。

通風方向：壓入式上行或下行通風。

3.2 降溫保水通風的操作條件和方法

允許通風的溫度差和濕度差：T-Tair≥8℃，RHair-RHe=0%～10%，且T-Tdew>0℃。

結束通風的條件：沿著通風方向的糧堆溫度梯度≤1℃、水分梯度≤0.3%。

單位通風量：橫向保水通風為3～5m3/(h·t)左右，垂直保水通風為5～10m3/(h·t)。

通風方向：當糧堆處于冷芯熱皮時，采用吸出式上行通風；當糧堆處于冷皮熱芯時，采用吸出式下行通風。

3.3 調質通風的操作條件和方法

允許通風的溫度差和濕度差：10%≤RHair-RHe，且T-2℃≤Tair≤25℃，T-Tdew>0℃ 、RHair≤90%。

結束通風的條件：沿著通風方向的糧堆溫度梯度≤1℃、水分梯度≤0.5%。

單位通風量：橫向調質通風為10m3/(h·t)左右，垂直調質通風為15～20m3/(h·t)。

通風方向：吸出式下行(或上行)通風，經過一定時間后，再進行反向通風。

4 實倉應用驗證

表4為中儲糧臨沂、菏澤和泰安庫降溫保水通風實驗結果。其中臨沂、菏澤和泰安庫實驗倉的長寬和裝糧高度分別為28m×20m×5m、36m×20m×6m、36m×20m×6m。實驗倉存儲的小麥分別為2250、3400、3415t。通風過程中，選取夜間較為合適濕度的空氣進行間斷式的通風。從表4可以看出，實倉實驗通風操作符合降溫保水通風條件要求，通風結果基本基本達到了降溫保水的目的和要求。

表4 降溫保水通風實倉實驗結果

注：表4的部分數(shù)據(jù)由中儲糧山東省分公司提供。通風空氣的溫度和濕度分別為分段通風時間加權平均的溫度和濕度。

5 結論

本研究基于多孔介質熱質傳遞原理和糧粒吸濕/解吸濕理論，探究了儲糧生態(tài)系統(tǒng)熱濕調控機理，分析和討論了溫度差、濕度差、單位通風量和通風方向對儲糧通風過程中糧溫和水分的影響。

糧堆的溫度與通風空氣的溫度差是決定通風降溫效果的關鍵因素，其他參數(shù)相同的情況下，溫差越大則降溫越快，且通風終了水分相對略高。

糧堆的平衡相對濕度與通風空氣的相對濕度差，是決定通風過程中糧堆水分變化的關鍵因素。其他參數(shù)相同的情況下，濕度差越大則糧堆水分變化得越小。所以，對于不同的通風類型和通風目的，要選擇合適濕度差。另外，當通風空氣的濕度大于糧堆初始的平衡相對濕度時，糧堆水分可能會升高，而且可能出現(xiàn)“吸濕再熱”的現(xiàn)象。

在通風溫濕度差相同的情況下，單位通風量越大，則糧堆內部的溫度和水分變化率越大；同時，即使在單位通風量相同時，由于不同的通風方式，而導致通風過流面積的不同，而造成通風時的表觀速度的不同，也會影響糧堆溫度和水分的變化率。

在單位通風量、溫濕度差相同的情況下，合理的通風方向，可以提高降溫速率；同時由于風機的加熱而導致進入糧堆溫濕度的變化，也會影響到通風結束時糧堆的溫度和水分。