王 藝，戚禹康，孔令今

通風(fēng)過(guò)程中進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)糧堆溫度和水分的影響研究

王 藝，戚禹康，孔令今

（山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250101）

溫度和水分含量是兩個(gè)重要的物理變量，在研究谷物儲(chǔ)存時(shí)品質(zhì)變化起到很大作用。通風(fēng)用于冷卻糧堆并保持溫度恒定，以防止水分遷移。良好的通風(fēng)條件對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)存儲(chǔ)安全有顯著影響。目前，通風(fēng)空氣相對(duì)濕度對(duì)糧堆水分影響的研究相對(duì)較少。采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式，探索和比較因不同進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度而引起的通風(fēng)過(guò)程中倉(cāng)儲(chǔ)的小麥溫度和水分變化規(guī)律。結(jié)果表明：進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度較低時(shí)冷卻干燥效率更高，小麥糧堆降溫更快速，并將昆蟲(chóng)和霉菌的活動(dòng)保持在較低水平。

小麥貯藏；水分含量；調(diào)濕機(jī)；相對(duì)濕度；通風(fēng)

圓筒倉(cāng)內(nèi)的微環(huán)境是由溫度、水分、干物質(zhì)損耗、谷蠹等構(gòu)成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)圓筒倉(cāng)儲(chǔ)糧通風(fēng)微環(huán)境進(jìn)行模擬研究，可為糧食的安全儲(chǔ)藏提供理論依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，小麥儲(chǔ)藏糧堆溫度<15 ℃，水分在12%~12.5%之間時(shí)有利于安全儲(chǔ)藏，可以有效避免蟲(chóng)害的發(fā)生，抑制糧堆中生命體的活動(dòng)，延緩糧食的劣變。空氣溫度和相對(duì)濕度是影響谷物儲(chǔ)藏品質(zhì)和陳化的兩個(gè)重要因素[1]。一旦小麥糧堆入庫(kù)，其質(zhì)量就受倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)控制和管理的影響。近幾年來(lái)，在儲(chǔ)藏期間通過(guò)通風(fēng)冷卻糧食的方法越來(lái)越受到關(guān)注，因?yàn)樗峁┝艘环N在降低殺蟲(chóng)劑水平的同時(shí)又控制昆蟲(chóng)的可能性[2-4]。

Thrope[5]認(rèn)為糧堆內(nèi)的物性參數(shù)對(duì)通風(fēng)過(guò)程非常重要，糧堆縫隙間空氣的溫度和濕度尤其需要關(guān)注，糧食的生物特性使得通風(fēng)過(guò)程中的糧食會(huì)出現(xiàn)吸濕和解吸濕的可能，風(fēng)機(jī)中空氣溫度和水分對(duì)糧堆降溫降水過(guò)程有明顯的影響。當(dāng)糧粒間空氣的相對(duì)濕度低于65%時(shí)，微生物無(wú)法繁殖[6]，倉(cāng)儲(chǔ)小麥的品質(zhì)與糧堆的安全水分含量有關(guān)。因此，低成本的通風(fēng)系統(tǒng)將成為糧堆儲(chǔ)存和冷卻的一種有效方式[5]。一些研究人員開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)通風(fēng)過(guò)程中倉(cāng)儲(chǔ)糧堆熱量的傳遞[6-9]。但這些研究的側(cè)重點(diǎn)主要是通風(fēng)溫度對(duì)小麥倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的影響，很少?gòu)倪M(jìn)風(fēng)濕度方面進(jìn)行探究。

研究基于通風(fēng)實(shí)際數(shù)據(jù)采集，結(jié)合CFD模擬分析，研究通風(fēng)干燥糧食過(guò)程中通風(fēng)空氣濕度對(duì)糧堆水分的影響，并根據(jù)模擬結(jié)果得出更合理的通風(fēng)方式，使小麥在最佳的環(huán)境下儲(chǔ)存，以期為機(jī)械通風(fēng)濕度的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 谷物儲(chǔ)存系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

采用黃淮冬麥區(qū)的周麥18號(hào)小麥，使用通風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)裝置，風(fēng)機(jī)和金屬圓柱形筒倉(cāng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（如圖1）。調(diào)濕機(jī)用于產(chǎn)生低相對(duì)濕度（RH）的空氣。通過(guò)濕度計(jì)監(jiān)測(cè)空氣特性。通過(guò)控制風(fēng)機(jī)速度來(lái)調(diào)節(jié)氣流。設(shè)置一組連接數(shù)據(jù)采集的溫濕度傳感器測(cè)量系統(tǒng)來(lái)記錄溫度和糧堆濕度的測(cè)量值。

圖1 谷物儲(chǔ)存系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

倉(cāng)儲(chǔ)谷物的平衡水分含量與相對(duì)濕度RH有關(guān)。霉菌生長(zhǎng)和螨蟲(chóng)繁殖在相對(duì)濕度為65%時(shí)停止。改進(jìn)的亨德森方程（1）用于預(yù)測(cè)溫度為30 ℃和不同相對(duì)濕度（40%，50%和60%）條件下的平衡水分含量。

式中：為平衡水分含量，%（干基）；為溫度，℃；RH為相對(duì)濕度，%；B、C和N為顆特定谷物的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，B = 2.31×10-5，C = 55.815和N = 2.29。

1.2 數(shù)值模擬的方法

連續(xù)性方程如式（2）表達(dá)。

動(dòng)量方程如式（3）表達(dá)。

對(duì)流傳熱方程如式（4）表達(dá)。

對(duì)整個(gè)糧堆來(lái)說(shuō)，其水分遷移過(guò)程可以如式（5）表達(dá)。

2 結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)和模擬期間，小麥水分含量的變化如圖2所示?？梢钥闯鰧?shí)驗(yàn)和模擬得到的結(jié)果非常相似。在整個(gè)研究期間，所有情況下的安全水分含量幾乎保持不變。在冷卻初期，糧堆間溫度梯度的驅(qū)動(dòng)力和糧粒間空氣濕度的蒸汽壓差是造成水分損失的驅(qū)動(dòng)力，使小麥的水分含量迅速下降。在通風(fēng)期結(jié)束時(shí)，水分含量下降至小麥糧堆的平衡水分，借助小麥吸附等溫線預(yù)測(cè)了小麥的平衡相對(duì)濕度。從夏季到冬季，對(duì)于12%和14%的初始濕基含水量，安全儲(chǔ)存條件下的平衡相對(duì)濕度保持小于70%[14]。圖2表示在通風(fēng)的初始階段有較高的脫水率，隨后逐漸趨向于不變。對(duì)于不同的相對(duì)濕度值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果無(wú)顯著差異。

圖2 小麥糧堆在30 ℃時(shí)的平衡水分含量

圖3所示為冷卻通風(fēng)期間，小麥糧堆頂部、中心和底部的粒間空氣的相對(duì)濕度。筒倉(cāng)中小麥糧堆的三個(gè)不同部分在冷卻過(guò)程中的冷卻時(shí)間不同。小麥糧堆表層相對(duì)濕度較高，其相對(duì)濕度的上升是表層小麥吸熱的結(jié)果，在該過(guò)程中小麥釋放水分并使粒間空氣濕潤(rùn)。由此驗(yàn)證了環(huán)境空氣的相對(duì)濕度影響谷物的冷卻效率[13]。

圖3 小麥糧堆在30 ℃時(shí)三個(gè)區(qū)域粒間空氣的相對(duì)濕度變化

在夏季，當(dāng)環(huán)境溫度在夜間降低到所需溫度閾值以下時(shí)，使用自動(dòng)控制器打開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，從而利用一天當(dāng)中最冷的空氣送入糧倉(cāng)以達(dá)到令人滿意的冷卻效果[14]。但夜間的相對(duì)濕度較高，可達(dá)到70%以上，可以采用干燥實(shí)驗(yàn)裝置降低進(jìn)風(fēng)空氣的相對(duì)濕度，既能保證冷卻過(guò)程適當(dāng)又減少了通風(fēng)的使用時(shí)間。

在小麥糧堆頂部，離空氣進(jìn)風(fēng)入口最遠(yuǎn)且被冷卻時(shí)間最長(zhǎng)。小麥溫度高于環(huán)境溫度，約為32 ℃。圖4a表示了谷物的冷卻時(shí)間較短，冷卻速度較快，達(dá)到了29 ℃的溫度。如圖4b所示，由于底部的小麥初始溫度約為40 ℃，當(dāng)該層在進(jìn)風(fēng)溫度和相對(duì)濕度分別為30 ℃和50%條件下進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)，小麥溫度在5 h內(nèi)降至28 ℃。對(duì)小麥進(jìn)行快速冷卻必須將溫度較低的環(huán)境空氣吹入到溫度較高的谷粒中，且溫差增大會(huì)使冷卻速度加快。如圖4所示，設(shè)置4~6 ℃的溫差使糧堆冷卻速度較快。對(duì)于初始溫度分別為41.5 ℃和37.1 ℃的高溫小麥，在研究結(jié)束時(shí)筒倉(cāng)內(nèi)的溫差分別為12.5 ℃和7.8 ℃。粒間空氣的高相對(duì)濕度分別從89.7%和80.5%降至77%和60.7%。進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度為60%時(shí)，相對(duì)濕度差約為12.5%，進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度為50%時(shí)，相對(duì)濕度差約為19.8%。

3 結(jié)論

當(dāng)進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度分別為40%、50%、60%時(shí)，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)40%的空氣能快速使谷物冷卻干燥，由此驗(yàn)證了環(huán)境空氣相對(duì)濕度影響谷物的冷卻效率，進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度較低時(shí)冷卻干燥效率更高。

采用除濕裝置可以獲得合適的有效通風(fēng)效果，低濕度的進(jìn)風(fēng)濕度效果更明顯，這是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度低于糧堆平衡相對(duì)濕度時(shí)，濕差變大使糧粒處于解吸濕狀態(tài)，糧粒吸熱使周圍空氣溫度降低，進(jìn)風(fēng)濕度更低使糧粒解吸濕更快，降溫效果更明顯。根據(jù)這項(xiàng)研究的結(jié)果，低濕度的氣流可以使得小麥糧堆降溫更快速，昆蟲(chóng)和霉菌的活動(dòng)保持在較低水平。

圖4 小麥糧堆在30 ℃時(shí)三個(gè)區(qū)域谷物的溫度變化

[1] 王小萌, 吳文福, 尹君, 等. 基于溫濕度場(chǎng)云圖的小麥糧堆霉變與溫濕度耦合分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2018, 34(10): 260- 266.

[2] WANG Y, DUAN H, ZHANG H, et al. Modeling on heat and mass transfer in stored wheat during forced cooling ventilation[J]. J. Thermal Sci., 2010, 19(2): 167-172.

[3] CASCADA M E, ARTHUR F H, AKDOGAN H. Temperature monitoring and aeration strategies for stored wheat in the central plains[C]. CIGR XVth World Congress, Chicago, Illinois, USA July 28-July 31, 2002.

[4] COLLINS L E, CONYERS S T. Moisture content gradient and ventilation in stored wheat affect movement and distribution of Oryzaephilus surinamensis and have implications for pest monitoring[J]. J. Stored Prod Res., 2009, 45: 32-39.

[5] THORPE G R. Modelling heat and mass transfer phenomena in bulk stored grains[C]. Proceedings of the 6 th International Working Conference on Stored-product Protection, 1995, 1: 359- 366.

[6] HEMIS M, CHOUDHARY R, WASTON D G. A coupled mathematical model for simultaneous microwave and convective drying of wheat seeds[J]. Biosystems Eng., 2012, 112(3): 202- 209.

[7] SUN D W, WOODS J L. Deep-bed simulation of the cooling of stored grain with ambient air: a test bed for ventilation control strategies[J]. J. Stored Prod. Res., 1997, 33(4): 299-312.

[8] LOPES D C, MARTINS J H, MELO E C, et al. Aeration simulation of stored grain under variable air ambient conditions[J]. Postharvest Biol. Technol, 2006, 42: 115-120.

[9] HAMMAMI F, BEN MABROUK S, MAMI A.Modelling and simulation of heat exchange and moisture content in a cereal storage silo[J]. Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, 2016, 22: 207- 220.

[10] ONDIER G O, SIEBENMORGEN T J, MAUROMOUSTAKOS A. Low-temperature, low-relative humidity drying of rough rice[J]. J. Food Eng, 2010, 100: 445-550.

[11] BEN MABROUK S, KHIARI B, SASSI M.Modelling of heat and mass transfer in tunnel dryer[J]. Appl. Thermal Eng, 2006, 26: 2110-2118.

[12] LOPES D C, MARTINS J H, FILHO A F L, et al. Aeration strategy for controlling grain storage based on simulation and on real data acquisition[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2008, 63: 140-146.

[13] AKDOGAN H, CASADA M E. Climatic humidity effects on controlled summer aeration in the hard red winter wheat belt[J]. Trans. ASAE, 2006,49(4): 1077-1087.

Study on the influence of inlet air relative humidity on temperature and moisture of warehouse grain stack during ventilation

WANG Yi, QI Yu-kang, KONG Ling-jin

(College of Thermal Energy Engineering, Shandong Jianzhu University, Ji’nan, Shandong 250101, China)

Temperature and moisture content are two important physical variables that play a considerable role in the study of quality changes during grain storage. Ventilation is used to cool the grain pile and keep the temperature constant to prevent moisture migration. Good ventilation conditions have a significant impact on the storage safety in the granary. At present, the research on the influence of relative humidity of ventilation air on the moisture of the grain reactor is relatively rare. The changes of grain temperature and moisture during ventilation caused by different inlet air relative humidity were explored and compared by a combination of numerical simulation and experimental research in this paper. According to the results, the cooling and drying efficiency is higher when the relative humidity of the inlet is lower, which makes the wheat grain pile cool more quickly and keeps the activities of insects and molds at a lower level.

wheat storage; moisture content; humidity control machine; relative humidity; ventilation

TS205.9；S379.5

A

1007-7561(2020)02-0125-05

2019-10-11

國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)（2016YFD0400100,2016YFD0401002）；國(guó)家糧食公益專項(xiàng)（201513001）

10.16210/j.cnki.1007-7561.2020.02.021

王藝，1996年生，女，碩士，研究方向?yàn)榻ㄖh(huán)境中熱濕傳遞過(guò)程的研究.