竖向压力作用下仓储稻谷堆的热湿耦合传递规律研究_袁亚豪.pdf

收稿日期：基金项目：国家粮食公益性行业科研专项（）；河南省科技研发计划联合基金项目（）；河南省科技研发计划联合基金项目（）；省属高校基本科研业务费专项资金项目（）作者简介：袁亚豪（），男，硕士，研究方向为粮堆多场耦合理论。通信作者：刘超赛（），男，博士，研究方向为散体物料多场耦合理论与安全储粮技术。竖向压力作用下仓储稻谷堆的热湿耦合传递规律研究袁亚豪，黄达城，刘超赛，卢敬然，葛蒙蒙，刘文磊（河南工业大学土木工程学院，河南郑州）摘 要：通过散装粮堆多场耦合试验，研究仓储稻谷堆单元体静态储藏 的过程中，在竖向压力从 增大到 热质传递过程中的温湿度分布及变化规律。结果表明：在平均室温 、室内平均相对湿度%、初始粮温 、初始湿度%的条件下，时稻谷堆高温与低温控制区平均温度变化率前 为%、%，后 为%、%；时高温与低温控制区平均温度变化率前 为%、%，后 为%、%。平均相对湿度变化率在 和 时分别为%、%。过渡区平均相对湿度逐渐降低后进入稳定状态，平均相对湿度与温度梯度符合二次函数关系，且过渡区稳态平均相对湿度为函数峰值点，随着竖向压力的增大而降低。关键词：稻谷堆；温度梯度；相对湿度；竖向压力 ，（，）：,%,%,%,%,%,%,:;中图分类号：文献标志码：文章编号：（）稻谷是我国三大粮食作物之一，其储藏安全关系 国 家 稳 定。年，全 国 稻 谷 总 产 量 为 万，为节省储粮成本，现有仓储方式仍以大体积散装储藏为主，储藏期间稻谷易产生较大粮食与油脂 年第 卷第 期的压缩变形。稻谷自身具有生物活性，温度与水分是影响稻谷安全储藏的重要因素，研究仓储稻谷堆热湿耦合传递规律对于保证稻谷储藏安全具有重要意义。目前已有很多关于粮堆热质传递的研究，等对金属筒仓内不同位置粮食温度和水分进行监测，发现筒仓内有足够大的温度梯度驱动湿空气运动，促使水分迁移。等 提出了描述粮堆质量扩散的方程，完善了粮堆热湿传递模型。等 考虑粮堆内部产热和自然对流传热，修正热湿耦合模型，预测粮仓中谷物温度随环境温度的变化趋势。等对糙米热物理性质参数化，建立了用于预测环境温度变化时仓中糙米温度和水分变化的数学模型。陈桂香等 通过单元体试验分析了竖向压力对粮堆热湿传递的影响规律。王远成等建立仓储稻谷热湿耦合与稻谷黄变模型，分析了稻谷堆内部温度、水分变化及黄变规律。戚禹康等建立谷堆与谷粒的热湿关系，发现静态储藏时对流作用是影响粮堆与籽粒温度变化和水分迁移的主要因素。现有粮堆热湿传递研究中往往忽略粮食自重对粮堆热湿传递的影响。本文通过稻谷堆单元体热湿耦合传递试验，研究竖向压力对稻谷堆热湿传递的影响，得出储藏环境中相对稳定的温湿度变化曲线，并进一步分析温湿度变化特征，建立温度梯度与过渡区平均相对湿度之间关系模型，以期为提高稻谷仓储安全管理提供技术支持。材料与方法 试验材料籼稻（长粒型），产自长江中下游一带。仪器与设备散装粮堆多场耦合试验装置，河南工业大学自主研发。试验方法 稻谷粮仓预处理为使稻谷堆初始相对湿度分布均匀，将籼稻样品密封放置于 、相对温度为%的恒温恒湿室储藏 ，并定时翻动密封袋，之后将稻谷样品烘干至含水率为%（湿基）。散装粮堆多场耦合试验装置工作过程试验装置主要由高低温控制系统、储粮试验仓、粮堆温湿度数据采集系统、计算机辅助处理和恒温恒湿室等组成。利用导热管连接温度控制系统与控温仓壁，再通过调整控温设备制热与制冷功能设定试验边界温度，通过泵机将控温系统内的液态导热介质分别送入 个控温仓壁内的循环导热管，以保证控温仓壁温度恒定，进而模拟实际储粮过程中的各种局部温差，再由温湿度数据采集系统对粮堆内各监测点不同时刻的温湿度数据进行采集，最后使用计算机对数据进行分析处理，获得直观的数据文档及变化曲线图。测试稻谷堆内温湿度变化方法为使试验仓储粮环境尽可能真实反映实际粮仓储藏环境，该试验通过控制边界条件模拟最不利的秋季储粮环境，以研究稻谷堆内部热湿传递特性，试验仓温湿度测点布置由图 所示：定义测点、附近为高温控制区，测点、附近为过渡区，测点、附近为过渡区低温控制区。图 测点布置方案根据长江中下游地区秋季气候特点，将恒温恒湿室的温度调整为 ，相对湿度控制在%（实际温湿度会有细微波动），将稻谷原粮静置于恒温恒湿室内，使粮食温湿度与环境温湿度达到平衡状态；在试验仓内非控温仓壁铺设保温棉，以确保试验仓内热湿传递在整体上只沿着高温仓壁向低温仓壁传递；试验仓仓壁涂薄层凡士林，将稻谷以自由落体的方式分层装入试验仓，并根据图 进行温湿度传感器埋设，待装粮结束后，将粮食表面平整后再铺上保温棉与垫层并放置气囊，然后盖上仓盖并将气囊与伺服装置连接，最后调试数据采集系统；打开伺服加载系统，设置目标压力为、，控制伺服装置，开启气阀进行阶段性加载并利用数据采集系统记录竖向压力数据，达到目标压力后加载结束；开启温度控制系统，将高温与低 年第 卷第 期 粮食与油脂温壁分别设定为 、，高温仓壁 后达到，低温仓壁 后达到 ，且仓壁温度保持稳定；利用温湿度数据采集系统实时记录稻谷堆热湿传递过程中各测点温湿度，试验自然储藏。结果与分析 温度变化试验仓关于中垂面对称且沿中垂面法向试验条件一致，因此本文选取稻谷堆中垂面（平面 ）进行分析。由图 可知：个竖向压力作用下稻谷堆内同一测点温度变化规律相似。稻谷堆在温差作用下储藏 期间，由于控温仓壁与粮堆持续的热交换，中垂面上高温控制区测点温度快速上升，下稻谷堆平均温度变化率为%，下平均温度变化率为%；低温控制区测点温度快速降低，下稻谷堆平均温度变化率为 ，下平均温度变化率%。内高温控制区与低温控制区形成的温差快速增大。在储藏 期间，稻谷堆高温与低温控制区平均温度变化率在 时分别为%、%，时分别为%、%。后高温与低温控制区测点温度变化减缓且随着时间增加逐渐达到平稳状态。图 不同竖向压力下稻谷堆中垂面温度变化 温度梯度温度梯度是引起热量传递的主要因素，同时也会间接影响水分迁移活动，致使多孔介质体内部湿度分布发生改变，形成动态平衡，使粮堆内部存在局部高温高湿点。为进一步研究稻谷堆中垂面上温度梯度的变化所表现出的非线性特征，实现对储粮期间温度分布及变化速率较为精确的预测，对稻谷堆中垂面高温与低温控制区温度均值在 轴方向温度梯度（以下简称温度梯度）的变化进行拟合，拟合结果由图 所示。温度梯度与储藏时间的非线性关系见式（）。（）（）式中：表示温度梯度；、均为试验拟合参数，其中 表示温度梯度变化幅度，与温度梯度曲线曲率相关，反映温度梯度上升阶段的陡急程度，取值在 到 之间；表示储藏时间，当 趋于无穷时，温度梯度趋于稳定值。由图 和表 可知：在 的传热过程中，稻谷中垂面温度梯度增长较快，近似为线性增长，且竖向压力越大稻谷温度梯度增长越慢。这是由于随着竖向压力的增大，稻谷堆发生较大的压缩变形，稻谷籽粒被压缩，籽粒接触面上的剪应力克服籽粒间的摩阻力时，沿接触面产生相互滑移错动，籽粒间较大的孔隙被填充，稻谷堆孔隙率减小，谷堆中对流传热减弱或者消失，热传导效率提高，竖向图 稻谷堆中垂面温度梯度变化及拟合表 相关试验参数 粮食与油脂 年第 卷第 期压力较大的粮堆更快趋于平衡。在 的传热过程中，温度梯度非线性增长特征明显，温度梯度的增长减缓。在 的传热过程中，稻谷中垂面温度梯度逐渐趋于稳定值，传热过程进入稳态（即热湿平衡状态），且竖向压力越大，温度梯度变化幅度越小。相对湿度变化由图 可知：在水分迁移过程中，低温控制区的测点、相对湿度增加较明显，表明在温度梯度作用下，稻谷籽粒解吸湿，水分由高温控制区向低温控制区迁移，低温控制区底部水分聚集较多；过渡区的测点、相对湿度减少较明显，表明过渡区顶部水分散失最多；过渡区在高温区与低温区之间，当热量向控温仓壁传递时，过渡区温差逐渐增大，顶部压力集中，水分散失效率最大；其他区域测点相对湿度变化较小。图 稻谷堆中垂面相对湿度变化 因稻谷堆过渡区为主要水分散失区域，选取过渡区相对湿度作进一步分析。由图 所示：过渡区平均相对湿度随储藏时间的增加而降低，并逐渐趋于平缓；随着竖向压力的增加，过渡区平均相对湿度降低程度越大，竖向压力为、时，其对应的相对湿度分别降低%、%、%；在竖向压力作用下，稻谷堆内部热传导效率增加，温差增大，水分迁移加快。图 稻谷堆中垂面过渡区平均相对湿度变化 温度梯度与相对湿度关系在实际储粮过程中，粮堆内部环境及仓外气候环境的变化构成非稳定储藏状态，稻谷堆内温度梯度使其内部水分发生迁移活动，直到新的热湿平衡形成，温湿度重新分布。因此可建立温度梯度与过渡区平均相对湿度关系模型。通过试验数据分析，在稻谷静态储藏过程中，微弱的微气流作用下，水分迁移过程较缓，相对湿度在较短时间间隔内变化微小，且随着温度梯度逐渐稳定，相对湿度也将重新分布并逐渐趋于平衡状态。温度梯度 与过渡区平均相对湿度 之间的关系可用二次函数关系式（）来描述，通过（）式变形可得式（）。（）|（）式中：、均为二次函数的常数项及系数。各竖向压力作用下的稻谷堆温度梯度与湿度的试验数据拟合参数见表。表 试验拟合参数 拟合得到的二次函数曲线段如图 中曲线段所示，可以较好地描述温度梯度与过渡区平均相对湿度变化关系。年第 卷第 期 粮食与油脂图 稻谷堆中垂面温度梯度与过渡区平均相对湿度关系拟合 结论通过散装粮堆多场耦合试验，研究仓储稻谷堆单元体静态储藏过程中在竖向压力从 增大到 热质传递过程中的温湿度分布及变化规律。结果表明：在平均室温 、室内平均相对湿度%、初始粮温 、初始湿度%的条件下，稻谷堆静态储藏 过程中，高温与低温控制区平均温度变化率前 较为明显，且 在 时最大，时最小。后 变化减缓且逐渐趋于稳定；过渡区为主要水分散失区域，平均相对湿度变化率在 和 时分别为%、%，且过渡区平均相对湿度逐渐降低后进入稳定状态；平均相对湿度与温度梯度符合二次函数关系，过渡区稳态平均相对湿度为函数峰值点，随着竖向压力的增大而降低。仓储系统进行冷却干燥时考虑粮深因素可以更好地保障储粮安全，本研究可为提高稻谷仓储安全管理提供技术支持。参考文献 中华人民共和国国家统计局 中国统计年鉴 北京:中国统计出版社,尹阳阳 储藏温度和水分对稻谷品质的影响 郑州:河南工业大学,:,():,():,():,():,():陈桂香,刘超赛,蒋敏敏,等 储料竖向压力对粮仓中小麦粮堆湿热传递的影响 农业工程学报,():刘文磊,陈桂香,陈家豪,等 储粮压力对玉米粮堆温度场影响的实验与模拟研究 中国粮油学报,():王远成,余海,杨开敏,等 仓储稻谷热湿耦合传递及黄变的数值模拟 农业工程学报,():戚禹康,王远成,鲁子枫,等 稻谷自然储藏多尺度热湿耦合传递研究 中国粮油学报,():粮食与油脂 年第 卷第 期