白小麥糧堆通風(fēng)期間糧粒間隙空氣的含濕量及效果評(píng)價(jià)研究*

閆恩峰 ，姜玉山 ，薛德軍 ，李興軍

（1.山東平原龍門糧食儲(chǔ)備庫(kù)，山東 平原 253100；2.國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院昌平中試基地，北京 102209）

谷物糧堆孔隙率35%～55%、熱絕緣特性造就其能夠傳遞和保持低溫低濕的空氣特性[1-3]。干糧堆平衡相對(duì)濕度范圍30%～65%可以抑制螨類和微生物生長(zhǎng)，儲(chǔ)糧昆蟲安全管理糧堆微氣候17～22℃[1]。糧堆降溫通風(fēng)目的就是形成糧粒被低溫低濕空氣所包圍[1-3]。國(guó)內(nèi)目前對(duì)糧堆籽粒間隙空氣特性研究相對(duì)較少。

空氣/水汽系統(tǒng)的研究領(lǐng)域叫濕測(cè)量學(xué)（psy-chrometry）。 在給定壓強(qiáng)下，空氣和水汽混合物的所有特性是已知的。氣象臺(tái)報(bào)道的是大氣干球溫度，而糧食儲(chǔ)藏學(xué)常常采用空氣的濕球溫度，它對(duì)確定糧堆通風(fēng)的條件很重要[4]。濕球溫度采用干濕球溫度計(jì)測(cè)定。糧食儲(chǔ)藏常用的空氣特性是露點(diǎn)溫度，露點(diǎn)溫度是水蒸汽開始濃縮為液態(tài)水的溫度，可利用露點(diǎn)濕度計(jì)準(zhǔn)確測(cè)定空氣的濕度[4]。國(guó)內(nèi)缺乏糧堆露點(diǎn)溫度的計(jì)算機(jī)軟件分析方法。

在國(guó)內(nèi)，不同目的糧堆機(jī)械通風(fēng)操作一般比較糧堆與大氣的溫度差、平衡絕對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度[5-6]，而對(duì)糧粒間隙空氣的參數(shù)變化報(bào)道有限。糧堆通風(fēng)操作中需要確定通風(fēng)空氣的相對(duì)濕度（RH），通常將糧堆測(cè)溫電纜測(cè)定的各點(diǎn)溫度和糧堆扦樣測(cè)定的含水率代入吸附平衡水分方程就可以確定。本研究采用牛頓和拉弗遜迭代法編程計(jì)算的方法，求解糧堆籽粒間隙空氣的露點(diǎn)溫度，并分析白小麥糧堆通風(fēng)期間糧粒間隙空氣RH、含濕量和露點(diǎn)溫度的變化規(guī)律，以期為我國(guó)小麥糧堆精準(zhǔn)化智能通風(fēng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)倉(cāng)降溫通風(fēng)試驗(yàn)

本試驗(yàn)在山東平原龍門糧食儲(chǔ)備庫(kù)20號(hào)高大平房倉(cāng)進(jìn)行。倉(cāng)房長(zhǎng)36.52 m、寬23.22 m，裝糧高度5.98 m。儲(chǔ)存的小麥，產(chǎn)地是山東平原縣，品種是白色硬質(zhì)冬小麥，數(shù)量 4 131.7 t。倉(cāng)房通風(fēng)系統(tǒng)組成是，單邊4個(gè)通風(fēng)口，采用一機(jī)兩道地上籠通風(fēng)方式，風(fēng)網(wǎng)途徑比為1:1.41。采用軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)，單側(cè)軸流風(fēng)機(jī)兩臺(tái)，風(fēng)機(jī)型號(hào) YS90S-4，功率1.1kW，風(fēng)壓220Pa，風(fēng)量7433 m3/h，送風(fēng)方式是吸出上行式。

通風(fēng)時(shí)間段是2019年12月4～29日。通風(fēng)條件設(shè)置是智能控制間歇式通風(fēng)，2019年12月4～15日，通風(fēng)條件：溫度≤12℃，濕度條件65%～85%；12月16～29日，通風(fēng)條件：溫度≤6℃，濕度條件65%～85%。風(fēng)機(jī)運(yùn)行總計(jì)時(shí)間286 h。

1.2 分析指標(biāo)

1.2.1 糧堆水分:9個(gè)扦樣點(diǎn)在糧面分布如圖1。每點(diǎn)再縱深4個(gè)扦樣點(diǎn)，共36份樣品。水分含量測(cè)定采用采用LDS-1G谷物水分測(cè)定儀。

圖1 白小麥糧堆降溫通風(fēng)水分測(cè)定扦樣點(diǎn)分布

1.2.2 糧堆溫度：糧面布置有54根測(cè)溫電纜，每根4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，共216個(gè)溫度傳感器。

1.2.3 糧粒間隙空氣的相對(duì)濕度、含濕量及露點(diǎn)溫度分析

1.2.3.1 糧粒間隙空氣相對(duì)濕度和含濕量

式中，RH為糧粒間隙空氣的相對(duì)濕度 （%），M為糧食水分（%），T 為糧食溫度（℃），a、b、c 為測(cè)定的白麥 MCPE 方程系數(shù)[7－8]。

式中，W 為糧粒間隙空氣的含濕量（kg/kg），Patm為101 325 Pa，Ps為糧食溫度T（℃）時(shí)的飽和水蒸汽壓。

1.2.3.2 糧粒間隙空氣露點(diǎn)溫度

如果已知露點(diǎn)溫度Tdp對(duì)應(yīng)的含濕量Wdp，鑒于飽和蒸汽壓強(qiáng)也是溫度的函數(shù)[4,9]，方程（5）左邊是露點(diǎn)溫度Tdp的函數(shù)，可表達(dá)為:

目標(biāo)是求解Tdp值，方程（6）滿足f(Tdp)=0。利用牛頓迭代法解方程（6），代數(shù)式：

方程（7）的唯一變量是Tdp，其它都是恒值。飽和水汽壓僅是Tdp的函數(shù)，f(Tdp)對(duì)Tdp的依賴來自表達(dá)式Ps(Tdp)。

將方程（9）和（10）代入方程（8），將代數(shù)式方程（8）按照牛頓迭代法編程進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)連續(xù)濕球溫度Tw之間的差值絕對(duì)值小于特定誤差10－6，即：，這個(gè)迭代過程就被停止。

1.2.4 降溫通風(fēng)效果評(píng)價(jià)

通風(fēng)作業(yè)單位能耗采用方程（11）計(jì)算[10]：

其中δ為單位冷卻通風(fēng)效率kW·h/(t·℃);Tf為風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)數(shù);P為風(fēng)機(jī)的額定功率 （kW）;W為糧食的噸數(shù);ΔT為降溫通風(fēng)前后糧堆溫度差（°C）。

理論降溫通風(fēng)時(shí)數(shù)算法參考Navarro和Calder-son方法[11]，考慮的因素包括糧食噸數(shù)、比熱、溫度差及校正因子，以及單位通風(fēng)量、糧粒間空氣比重變化、焓值差及校正因子。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。LSD（最小顯著差異法）檢驗(yàn)中同一列不相同小寫字母表示樣品之間差異顯著（p＜0.05）。

2 結(jié)果分析

2.1 通風(fēng)期間糧堆最高糧溫、最低糧溫及平均糧溫的變化

從圖2A看出，在一個(gè)月的上行吸出式降溫通風(fēng)作業(yè)中，前72 h降溫通風(fēng)中，糧堆一層最高糧溫線性升高，二層最高糧溫保持不變，三層和四層最高糧溫持續(xù)降低，在72 h之后，它們都快速降低。如圖2B，在前7 d降溫通風(fēng)中，一層最低糧溫先升高再保持不變，而二層最低糧溫緩慢減少，三層最低糧溫快速減少，四層最低糧溫先快速減少，然后反彈。之后，一、二、三層最低糧溫持續(xù)降低，而四層最低糧溫持續(xù)反彈。如圖2C，全倉(cāng)最高糧溫與平均糧溫近似線性減少，全倉(cāng)最低糧溫前72 h持續(xù)減少，之后11 d反彈，然后再降低。極差溫度是糧堆最高溫度減去最低溫度。全倉(cāng)極差溫度在前72 h先增加、然后持續(xù)降低。

圖2 通風(fēng)期間小麥糧堆最高、最低、平均糧溫的變化

2.2 糧堆最高、最低、平均溫度對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度、含濕量及露點(diǎn)溫度的變化

從圖3看出，從糧堆最高溫度解析的對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度、含濕量及露點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)是相似的。全倉(cāng)平均的最高糧溫對(duì)應(yīng)的這些指標(biāo)的變化是，RH由61.1%降低到 56.4%（圖 3A），含濕量由 14.9 g/kg 降低到 5.8 g/kg （圖 3B）， 露點(diǎn)溫度由 20.2 ℃降低到6.2 ℃（圖 3C）。

圖3 糧堆最高溫度對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度、含濕量及露點(diǎn)溫度的變化

從圖4看出，從糧堆最低溫度解析的對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度、含濕量及露點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)也是相似的。全倉(cāng)平均的最低糧溫對(duì)應(yīng)的這些指標(biāo)的變化是，RH由53.7%降低到50.4%（圖4A），含濕量由3.5g/kg降低到2.0g/kg(圖4B)，露點(diǎn)溫度由-0.8℃降低到-8.4℃(圖 4C)。

圖4 糧堆最低溫度對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度、含濕量及露點(diǎn)溫度的變化

從圖5看出，從糧堆平均溫度解析的對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度、含濕量及露點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)是相似的。全倉(cāng)平均糧溫對(duì)應(yīng)的這些指標(biāo)的變化是，RH由58.9%降低到53.4%(圖5A)，含濕量由9.5 g/kg降低到3.4 g/kg(圖 5B)，露點(diǎn)溫度 13.3℃降低到-1.5℃(圖 5C)。

圖5 糧堆平均溫度對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度、含濕量及露點(diǎn)溫度的變化

2.3 降溫通風(fēng)效果評(píng)價(jià)

從表1看出，對(duì)中溫帶地區(qū)4 132 t小麥平房倉(cāng)，采用2臺(tái)1.1 kW的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行上行吸出式通風(fēng)，糧堆平均溫度降低了14.3℃，糧堆水分不丟失，實(shí)際通風(fēng)時(shí)數(shù)為286 h，而理論通風(fēng)時(shí)數(shù)為279.4 h（焓值差校正因子取為1.0），單位能耗為0.0085 kW·h/（t·℃）， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 LS/T 1202-2002 儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程規(guī)定的地上籠通風(fēng)單位能耗界限值0.040 kW·h/（t·℃），與同條件下非間歇式通風(fēng)降溫相比節(jié)約能耗40%。

表1 白小麥高大平房倉(cāng)降溫通風(fēng)效果評(píng)價(jià)

3 討論

糧堆通風(fēng)調(diào)控的兩個(gè)關(guān)鍵因子是糧堆內(nèi)溫度和含水率[1-6]。這兩個(gè)變量完全依賴通風(fēng)所用空氣的溫度和濕度以及通風(fēng)時(shí)糧食的含水率。我國(guó)儲(chǔ)糧機(jī)械通風(fēng)技術(shù)規(guī)程LS/T 1202-2002中，糧食不同目的通風(fēng)作業(yè)中，通過比較糧堆與大氣的溫度、含濕量、露點(diǎn)溫度[5，12]。 LS/T 1202-2002 中含濕量以 mm Hg 表示，而國(guó)外通用的單位是kg水/kg干空氣 （濕度比率）。糧食儲(chǔ)藏常用的空氣濕特性是露點(diǎn)溫度，露點(diǎn)溫度是濕蒸汽開始濃縮為液態(tài)水的溫度，對(duì)通風(fēng)空氣和糧面上空空氣可利用露點(diǎn)濕度計(jì)準(zhǔn)確測(cè)定空氣的濕度。但是，對(duì)于糧粒間隙空氣的露點(diǎn)溫度很難采用露點(diǎn)濕度計(jì)測(cè)定。本研究基于糧食平衡水分原理，假定降溫通風(fēng)期間糧堆水分不丟失，分析降溫通風(fēng)期間糧堆各層的RH和含濕量。同時(shí)采用牛頓和拉弗遜迭代的方法編著計(jì)算機(jī)軟件解出了糧堆各層的露點(diǎn)溫度。

本研究顯示，糧堆通風(fēng)降溫過程中全倉(cāng)平均最高糧溫對(duì)應(yīng)的RH由61.1%降低到56.4%，含濕量由14.9 g/kg降低到5.8 g/kg，露點(diǎn)溫度由20.2℃降低到6.2℃；全倉(cāng)平均最低糧溫對(duì)應(yīng)的RH由53.7%降低到50.4%，含濕量由3.5 g/kg降低到2.0 g/kg，露點(diǎn)溫度由-0.8℃降低到-8.4℃；全倉(cāng)平均糧溫對(duì)應(yīng)的RH由58.9%降低到53.4%，含濕量由9.5 g/kg降低到3.4 g/kg，露點(diǎn)溫度13.3℃降低到-1.5℃。

4 結(jié)論

（1）對(duì)中溫帶地區(qū)小麥平房倉(cāng)，采用2臺(tái)1.1 kW的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行上行吸出式通風(fēng)，實(shí)際通風(fēng)時(shí)數(shù)為286 h，而理論通風(fēng)時(shí)數(shù)為279.4 h（焓值差校正因子為1.0），糧堆平均溫度降低了14.3℃，糧堆水分不丟失，可以利用理論降溫通風(fēng)時(shí)數(shù)進(jìn)行秋冬季通風(fēng)時(shí)科學(xué)選擇風(fēng)機(jī)，合理化糧堆通風(fēng)作業(yè)方案，提高通風(fēng)效果。

（2）通風(fēng)過程中全倉(cāng)平均糧溫對(duì)應(yīng)的RH由58.9%降低到53.4%，含濕量由9.5 g/kg降低到3.4 g/kg，露點(diǎn)溫度13.3℃降低到-1.5℃。這些參數(shù)對(duì)我國(guó)糧食智能化精準(zhǔn)通風(fēng)控制具有一定的參考價(jià)值。