橫向與豎向通風玉米糧層阻力研究

趙會義 魏 雷 李福君 曹 陽

(國家糧食局科學研究院1，北京 100037) (江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心2，南京 210023)

橫向與豎向通風玉米糧層阻力研究

趙會義1,2魏 雷1,2李福君1,2曹 陽1,2

(國家糧食局科學研究院1，北京 100037) (江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心2，南京 210023)

利用180 t模擬試驗倉測試了橫向、下行吸出式、上行壓入式豎向通風的玉米糧堆的糧層阻力。結果表明：在0.021～0.06 m3/(s·m2)的單位面積通風量之間，橫向通風單位糧層阻力為9.74～28.95 Pa/m，兩者關系模型為Y=528x1.032 2(R2=0.998 2)，或，Y=-954.15x2+561.78x-1.648(R2=0.999 2)。在0.004 5～0.089 5 m3/(s·m2)的單位面積通風量之間，下行吸出式豎向通風單位糧層阻力為4.0～85.0 Pa/m；上行壓入式豎向通風單位糧層阻力為3.8～70 Pa/m，兩者關系模型與橫向相近，但系數遠大于橫向。比較發現：橫向通風玉米單位糧層阻力最小，比豎向通風小一倍左右，表明由玉米糧粒組成的多孔介質堆具有各向異性的特點；下行吸出式豎向通風的糧層阻力稍大于上行壓入式的糧層阻力；研究結果進一步完善了儲糧通風理論，儲糧通風系統工程設計和建設方面具有實際應用價值。

儲糧通風 橫向 豎向 各向異性 糧層阻力

豎向(或稱為垂直)通風是目前糧倉最常用的通風形式，實倉條件下豎向通風糧層阻力的詳細測試研究較少，張來林等[1]采用直徑245 mm，高度2 450 mm的圓管測試了7個不同糧種的上行壓入式豎向通風糧層阻力，并得出了相應的冪函數試驗公式和系數。楊進等[2]采用高度2 000 mm的料筒測試了不同糙米、小麥、玉米上行壓入式豎向通風不同高度的糧層阻力，發現阻力與糧層高度并不呈簡單的線性關系。楊英強等[3]采用直徑200 mm/高度8 000 mm的料筒測試了大米、稻谷、玉米上行壓入式豎向通風糧層阻力，得出“孔隙率趨于穩定的糧食在堆載較高時采用儲糧機械通風技術規程[4]所推薦的冪函數公式計算糧層阻力會引起較大偏差”的結論。可以看到上述試驗都是用較小直徑的料筒進行的測定，而且僅僅做了上行壓入式通風試驗，沒有做吸出式下行式通風試驗，完整性不夠。

橫向通風是一種新的儲糧通風方式[5-6]，是利用直接安裝并固定在房式倉相對兩側內墻壁上的，高度低于裝糧線的通風道，替代豎向通風系統中水平布置于倉房地坪的地上籠或地槽通風道，在糧面實施薄膜密封后，通風機時使氣流從一側風道吸入并橫向穿過糧堆后從另一側風道排出，實施整個糧堆的不揭膜通風和谷冷降溫、熏蒸或氣調儲糧，以及熏蒸氣調散氣等作業的一種新型儲糧通風系統。它可使排出的氣流通過風機再送入另一側的風道，實施環流均溫通風、環流谷物冷卻、環流熏蒸和環流氣調儲糧等現代節能儲糧技術。因該系統通風時使氣流橫向或水平穿過糧堆，因此，稱之為糧倉橫向通風系統。目前現有橫向通風糧層阻力測試研究以及橫向通風糧層阻力的試驗研究和計算方法的文獻報道。

為了深入了解橫向通風與豎向通風糧層的阻力特性，掌握不同通風方向時糧層阻力的變化規律，本試驗在糧食儲運中試平臺進行了模擬倉玉米橫向與豎向通風的試驗測試，探究玉米橫向與豎向通風糧層不同通風方向和風速條件下的阻力變化規律。從而為發展我國獨有的儲糧橫向通風技術[6]和雙向豎向通風技術[7-8]提供參考。

1 試驗材料

1.1 試驗倉

糧食儲運中試平臺，180 t大型雙層全鋼結構模擬倉，凈尺寸為長8 800 mm，寬4 200 mm，高7 700 mm，糧食堆高6 000 mm。橫向通風時糧堆表面用PA/PE 5層共擠尼龍薄膜密封，豎向通風時糧面不密封。

1.2 試驗裝置

1.2.1 橫向通風設置

在倉房東側采用了一組3根垂直布置支風道與一根水平布置的主風道連接，主風道的進風口位于倉底部；倉西側采用了一組4根水平布置支風道與1根垂直布置的主風道連接，主風道的進風口位于倉頂部。主風道不開孔，每條支風道上開有30%橋式孔。風網見圖1。

圖1 橫向通風裝置示意圖

1.2.2 豎向通風設置

在模擬倉底面為一塊沖孔板，沖孔板下面為一夾底空間，與進氣風道口連通，通風氣流可以從該風道口流入或流出夾底空間，利用底部風道口與風機進口或出口連接，可實現豎向通風時吸出式或壓入式通風，見圖2。

圖2 豎向通風裝置示意圖

1.3 試驗通風設備

采用變頻調速風機作為通風氣源，型號Y160M2-2，額定風量16 000 m3/h，額定風壓2 940 Pa，額定功率15 kW。與倉房底部風口采用PVC硬管連接。風機進出口連接管內徑480 mm。

1.4 供試糧食

170 t玉米：北京市密云區2010年產，2011年4月30日入倉，品質指標：容重：723 kg/m3，含水量13.3%，雜質0.9%，脂肪酸值36.8 mgKOH/100 g。

1.5測試儀器

為獲得準確的通風系統參數，采用下列測試儀器，埋入式皮托管(埋入糧堆和風道)200根，手持式皮托管2根，手持式數字壓力測定儀3臺，智能手持式風速儀1臺，變頻器1臺用于風機頻率，其中埋入式皮托管事先預埋入糧堆和風道內的各個測試點位置。

2 試驗方法

2.1 測點布置

2.1.1 總風量和總阻力測試點

在倉外風機出口的直管段A處(見圖2)沿水平和垂直方向各開1個測孔，在該截面采用等面積分環法共設14個測點，用風速儀和畢托管測量A截面各點的風速、動壓、全壓和靜壓，了解不同工況時的總風量。

2.1.2 橫向通風糧堆測點布置

糧堆水平面共布置東側1列5行(Ad、Bd、Cd、Dd、Ed)×5層(Ad1～Ad5、Bd1～Bd5、Cd1～Cd5、Dd1～Dd5、Ed1～Ed5)共25個測點，圖3給出各測點距墻和間隔尺寸，和西側1列5行(Ax、Bx、Cx、Dx、Ex)×5層(Ax1～Ax5、Bx1～Bx5、Cx1～Cx5、Dx1～Dx5、Ex1～Ex5)共25個測點，各測點埋入固定式皮托管。糧堆垂直布置的皮托管位置間距為：第1層距底部400 mm，第2層距底部1 600 mm，第3層距底部2 800 mm，第4層距底部4 000 mm，第5層距底部5 200 mm，共2列×5行×5層=50個測點。

圖3 橫向通風糧堆測壓點平面布置示意圖

2.1.3 皮托管安裝、糧面密封和氣密性

首先將皮托管與硅膠管連接，固定在設定位置，向倉內裝入玉米，邊裝玉米邊按照圖4布置皮托管，布置好后，將硅膠管道引導到糧堆表面的密封薄膜外。試驗倉糧堆表面用PA/PE 5層共擠尼龍薄膜壓入氣調專用槽管，形成單面密封。密封后檢測氣密性，-300～-150 Pa的半衰期為180 s。

2.1.4 豎向通風糧堆測點布置

在糧堆1 000 mm和4 000 mm的高度層水平安裝兩層畢托管，每層4行9列共36個測點，兩層共72個測點，見示意圖4。

圖4 豎向通風糧堆在1 000 mm和4 000 mm高度2層畢托管水平安裝示意圖

2.1.5 豎向通風糧堆底部和糧面空間測試點布置

試驗倉頂部的空間距離糧堆表面500 mm處安裝5個測點；試驗倉底部夾層空間(圖2)距離糧倉底面50 mm處安裝5個測點，見圖5。

圖5 頂部與底部空間畢托管安裝示意圖

2.2 橫向通風測試

把通風機進口與模擬倉東側主風道出口相連接，開啟通風機，使環境大氣從西側倉壁風道吸入并橫向穿過糧堆從東側倉壁風道排出，而后經過風機排入大氣。通風機電機的頻率分別調到50、40、30、20 Hz，每個頻率下風機運行穩定后進行測試。

2.2.1 系統總風量測定與計算

利用分環法，采用手持式智能風速儀測定風機出口A截面各點的風速，并換算成截面平均值：

系統平均總風量：Q=3 600×V×S

式中：Q為所測量截面平均風量/m3/h；v為所測量截面上各測點的風速/m/s；V為平均風速/m/s；S為測試截面的流通面積/m2。

2.2.2 橫向通風的糧層阻力測定與計算

用埋入式畢托管和手持式數字壓力儀測定糧堆內東側和西側兩截面各點靜壓值并換算為平均靜壓：

式中：P為所測量截面平均靜壓/Pa；P1～Pn為所測量截面上各點靜壓值/Pa。

單位糧層阻力=糧堆內東側和西側兩截面平均靜壓差除以截面間距/Pa/m

糧堆總阻力=每米糧層阻力×糧堆橫向距離

2.3 豎向通風測試

把通風機進口與模擬倉東側主風道出口相連接，開啟通風機，使環境大氣從倉頂通風口吸入垂直向下穿過糧堆從底部風道排出，而后經過通風機排入大氣，進行下行吸出式通風。通風機電機的頻率分別調到50、40、30、20、10、5 Hz，每個頻率下風機運行穩定后進行測試。

當下行吸出式通風測試完畢后，把通風機出口與模擬倉東側主風道出口相連接，使環境大氣經過通風機后從倉底通風口壓入并垂直向上穿過糧堆從頂部風口排出，進行上行壓入式通風。重復下行吸出式通風所測參數。

2.3.1 系統總風量

按2.2.1測試和計算系統總風量。

2.3.2 下行吸出式和上行壓入式通風的糧層阻力

用埋入式畢托管和手持式數字壓力儀測定糧堆1 000 mm和4 000 mm兩截面各點靜壓值并換算為平均靜壓值，則：

單位糧層阻力Zm=糧堆內1 000 mm和4 000 mm兩截面平均靜壓差除以截面間距，即：Zm=(Z4-Z1)/3。

糧堆總阻力=單位糧層阻力×糧堆垂直距離。

2.4 單位面積通風量和單位通風量計算

單位面積通風量=系統總風量除以與氣流垂直方向的糧堆截面積/m3/(s·m2)，也稱為糧堆單位面積通風量。

單位通風量/m3/(h·t)=系統總風量除以糧堆總質量

3 結果與分析

3.1 不同單位面積通風量下橫向通風糧層阻力

由表1可見，在0.021～0.06 m3/(s·m2)的單位面積通風量之間，橫向通風玉米單位糧層阻力為9.74～28.95 Pa/m。這說明，隨著單位面積通風量的增加，橫向通風糧堆內部的單位糧層阻力也增加，兩者呈正相關。試驗得到的玉米橫向通風單位糧層阻力與單位面積通風量的關系即可以用Shedd冪函數模型1[9](Y=528x1.032 2,R2=0.998 2)表示，也可以用Hunter二項式模型2[9](Y=-954.15x2+561.78x-1.648,R2=0.999 2)表示。

為了便于工程技術應用，分別將玉米橫向通風單位糧層阻力與單位面積通風量的關系公式簡化成工程用經驗式(1)和式(2)：

冪函數公式：

H玉米橫向/L=9.81×53.82·u1.032 2=9.81×a×ub

(1)

式中：a=53.82，b=1.032 2

二項式公式：H玉米橫向/L=(-954.15u2+561.78u-1.648)

=9.81(-97.26u2+57.27u-0.168)

進一步簡化為公式：

H玉米橫向/L=9.81×(-97.26u2+57.27u)=9.81×(au+bu2)

(2)

其中：a=57.27，b=-97.26

式中：H玉米橫向為玉米橫向通風時糧層阻力/Pa；L為氣流穿過的糧堆厚度/m；u為糧堆橫向通風單位面積通風量/m3/(s·m2)；a、b為根據糧食種類而變化的系數。

表1 橫向通風糧層阻力測定值

3.2 不同單位面積通風量下的下行吸出與上行壓入式豎向通風的玉米糧層阻力

在0.004 5～0.089 5 m3/(s·m2)的單位面積通風量之間，下行吸出式豎向通風玉米單位糧層阻力為4.0～85.0 Pa/m(表2)；上行壓入式豎向通風玉米單位糧層阻力為3.8～70 Pa/m(表3)。

結果說明隨著單位面積通風量增加，2種豎向通風模式下，玉米糧堆內部的單位糧層阻力也增加，兩者呈正相關。與橫向通風相同，下行吸出式和上行壓入式豎向通風玉米單位糧層阻力與單位面積通風量的關系可以用二項式或冪函數公式準確表示，見式(3)、式(4)、式(5)、式(6)。

表2 下行吸出式豎向通風玉米糧層阻力測定值

注：糧面空間靜壓為0 Pa，Zm=(Z4-Z1)/3，余同。

表3 上行壓入式豎向通風玉米糧層阻力測定值

下行吸出式豎向通風：

冪函數公式：H玉米吸出豎向(Pa/m)=9.81×97.49×u1.071 2，(R2=0.975 7)

(3)

二項式公式：H玉米吸出豎向(Pa/m)=9.81×(588.2u2+43.09u)，(R2=0.999 5)

(4)

上行壓入式豎向通風：

冪函數公式：H玉米壓入豎向(Pa/m)=9.81×82.4×u1.037 2，(R2=0.970 6)

(5)

二項式公式：H玉米壓入豎向(Pa/m)=9.81×(523.5u2+40.23u) ，(R2=0.999 7)

(6)

3.3 玉米不同通風方式的單位糧層阻力比較及分析

圖6是根據冪函數做出的不同通風方向內部糧層阻力比較曲線，可見在相同的單位面積通風量下，橫向通風單位糧層阻力最小，比下行吸出式和上行壓入式豎向通風小1倍左右，下行吸出式通風的單位糧層阻力略大于上行壓入式通風的糧層阻力，但二者較為接近。

圖6 玉米橫向和豎向通風的單位糧層阻力比較

4 討論

4.1 玉米糧堆是各向異性的多孔介質堆

試驗表明由玉米糧粒組成的多孔介質堆不是各向同性，主要表現在：1)下行吸出式豎向通風的糧堆糧層阻力大于上行壓入式豎向通風；2)相同單位面積通風量條件下，橫向通風的糧堆內部糧層阻力遠小于豎向通風，橫向通風玉米單位糧層阻力約為豎向通風的一半。其原因是在相同孔隙率的糧堆，橫向通風與豎向通風氣流流通的迂曲度[10]、空隙形狀尺寸和面積是不同的，橫向的氣流通迂曲度小，路徑短，阻力小。

基于糧堆的各向異性特性，在研究處理糧堆的流體力學和傳熱傳質問題時，應充分考慮糧堆的各向差異性。

4.2 橫向和豎向通風的糧層阻力計算經驗公式

不管是橫向通風還是豎向通風，糧堆各種阻力均可由描述多孔介質的動量方程Hunter二項式公式H糧層=9.81×L×(a×u+b×u2) 計算。也可由Shedd冪函數公式H糧層=9.81×L×a×ub近似計算。

式中：H糧層為通風時糧層阻力/Pa；L為氣流穿過的糧層厚度/m；u為糧堆通風氣流的表觀風速/m/s；a、b為根據通風方向和糧食種類而變化的系數，由表4確定。

表4 橫向和豎向通風糧層阻力計算公式系數

二項式公式計算精度優于冪函數公式，但冪函數公式更簡單，因此，建議采用冪函數公式進行一般工程計算，基本可滿足儲存玉米通風工程設計要求。

4.3 平房倉橫向通風技術優點[12-14]

平房倉橫向通風途徑比小，基本接近1，糧堆中氣流分布均勻，基本上沒有通風死角；不需進出糧時裝拆安裝在倉墻上的地上籠通風道，不易損壞通風道，不影響進出糧作業，節約了大量的拆卸地上籠的人力、物力和時間；實施冬季不揭膜通風，以及在進行環流通風、環流谷物冷卻、環流熏蒸和氣調儲糧等作業時也不需揭膜，便于現代安全儲糧技術實施應用。因此，應用糧倉橫向通風系統為糧油倉儲企業將獲得更好的經濟和社會效益。

5 結論

玉米糧堆存在明顯的各向異性，橫向通風時糧層阻力最小，約為豎向通風的50%，下行吸出式通風的阻力略大于上行壓入式通風的糧層阻力。因為玉米籽粒的不規則性，在形成糧堆后，存在各向異性現象。盡管糧堆孔隙率相同，因橫向和豎向氣流穿過糧堆的迂曲度不同[10]，路徑長短差距很大，阻力不同，橫向氣流的路徑明顯比豎向通風小，阻力就小很多。玉米糧堆的阻力特征完全符合多孔介質的力學規律，可以用二項式公式精確的描述計算，也可以用近似的冪函數公式描述計算，精度可以滿足工程需要。

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Research on Influence of Horizontal and Vertical Ventilation on the Grain Resistance of Corns

Zhao Huiyi1,2Wei Lei1,2Li Fujun2Cao Yang1,2

(Academy of State Administration of Grain1, Beijing 100037) (Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety2, Nanjing 210023)

The resistance of grain layer was measured for the corn mass in vertical ventilation (VV) with horizontal ventilation (HV), downward suction (DS) and upward pressing (UP). The results indicated that the unit grain layer resistance (UGLR) in the horizontal ventilation was 9.74～28.95 Pa/m between 0.021 to 0.06 m3/(s·m2) of air flow sensor (AFS). And UGLR and AFS had the relationship models ofY=528x1.032 2(R2=0.998 2) orY=-954.15x2+561.78x-1.648 (R2=0.999 2). In HV. UGLR of DS and UP of VV were 4.0～85.0 Pa/m and 3.8～70 Pa/m between 0.004 5 and 0.089 5 m3/(s·m2) of AFS, respectively. The relationship models of UGLR and AFS in DS and UP of VV were similar to the horizontal model, but the coefficient of them was more than the horizontal model. By comparing, UGLR of HV was the minimum one, which was less one time than UGLR of VV. The porous media mass of corn composed by grains had a characteristic of anisotropy; UGLR of DS was slightly higher than that of UP. The results further perfected the theory of ventilation for stored grains which had practical applications in design and building of ventilation system for stored grains.

ventilation for stored grains, horizontal ventilation, vertical ventilation, anisotropy, grain layer resistance

TQ646

A

1003-0174(2016)12-0095-06

國家糧食公益性行業科研專項 (201313001-06，201513001-01)

2015-04-29

趙會義，男，1974年出生，博士，化學工程、糧食儲運工程

曹陽，男，1958年出生，教授，糧食儲運工程