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      高大平房倉強(qiáng)制循環(huán)雙層屋面隔熱性能的模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析

      2022-02-20 04:14:18王曉東關(guān)彥成肖昭然崔偉華
      中國糧油學(xué)報 2022年1期
      關(guān)鍵詞:架空層糧堆層間

      陳 雁, 王曉東, 關(guān)彥成, 肖昭然, 崔偉華

      (河南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,鄭州 450001)

      溫度是儲藏過程中影響糧食品質(zhì)的重要物理指標(biāo)[1]。隨著儲藏溫度的升高,稻谷發(fā)芽率、整精米率、出糙率及過氧化氫酶活動度均呈現(xiàn)下降趨勢,改變儲藏溫度以及空氣相對濕度,對大米糊化特性將產(chǎn)生不同程度的影響[2,3]。已有研究發(fā)現(xiàn),在儲藏過程中通過糧倉圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入倉房的熱量約有80%源自倉頂,且主要為太陽輻射得熱,采用有效的屋面隔熱措施是儲藏過程中延緩糧堆溫升的重要手段[4]。居住建筑中利用雙層屋面進(jìn)行隔熱取得了較多研究成果[5-9]。Giacomo等[10]運(yùn)用Fluent比較了居住建筑不同高度雙層屋面開閉式工況隔熱效果,指出即使開口高度僅有5~10 cm,產(chǎn)生自然對流的效果也明顯優(yōu)于閉式工況。Abdou 等[11]通過數(shù)值計算方法分析了雙層屋面間自然對流換熱的隔熱性能。周胤[12]與趙黎[13]通過數(shù)值模擬分析了居住建筑不同高度、板面溫度、入口風(fēng)速工況下雙層平板間溫度、速度場分布。Biwole等[14]通過模擬研究了架空層高度、板面輻射率對架空層內(nèi)自然對流強(qiáng)度以及板面溫度影響,認(rèn)為影響架空層隔熱性能主要因素包括架空板、屋頂輻射率、隔熱板厚度及架空層凈高度,當(dāng)凈高度超過10 cm時架空層內(nèi)不會出現(xiàn)明顯自然對流。糧食倉房與居住建筑相比,房屋結(jié)構(gòu)存在較大差異,屋面坡度、跨度和投影面積比等外形幾何特點(diǎn)以及承重抗風(fēng)性能等方面也有諸多不同。雙層屋面在糧食倉房中應(yīng)用,尚需考慮儲糧環(huán)境與人居環(huán)境的溫度參數(shù)控制不同以及由此采用的室內(nèi)氣流組織所帶來的影響[15-18]。研究雙層屋面通風(fēng)隔熱的效果,需要結(jié)合倉房內(nèi)的糧堆參數(shù)進(jìn)行[19-22]。外部熱環(huán)境通過屋面、墻體等圍護(hù)結(jié)構(gòu)對倉房內(nèi)的溫、濕度參數(shù)產(chǎn)生影響,糧食本身由于呼吸作用也會使糧堆參數(shù)發(fā)生改變[23,24],要實(shí)現(xiàn)有效的控制反饋,進(jìn)而采取通風(fēng)等措施使糧溫穩(wěn)定在期望水平,就需要對這一過程進(jìn)行合理、準(zhǔn)確的預(yù)測。本實(shí)驗(yàn)在前期對倉房屋面自然通風(fēng)隔熱研究的基礎(chǔ)上[25],基于實(shí)倉測試數(shù)據(jù)和相似準(zhǔn)則,建立模擬實(shí)驗(yàn)倉,并考慮現(xiàn)役倉房屋面改造后抗風(fēng)性能和荷載要求,通過設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)來強(qiáng)化架空層內(nèi)空氣流動,根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)與CFD軟件數(shù)值分析結(jié)果,提出可供設(shè)計參考的倉房屋面隔熱結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)。

      1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

      1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計

      實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)相似原理設(shè)計[26],由模擬平房倉與數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)組成,如圖1所示。模擬平房倉長、寬和檐高均為1 m,儲糧高度為0.6 m,倉頂與水平面夾角21.8°,倉頂結(jié)構(gòu)與實(shí)際儲糧平房倉幾何相似,如圖2所示。實(shí)驗(yàn)采用2019年產(chǎn)未脫殼秈稻,與實(shí)際儲存介質(zhì)的物理性質(zhì)一致。模擬倉房材料為8 mm厚有機(jī)玻璃,倉壁外敷設(shè)2 cm厚保溫隔熱棉。根據(jù)鄭州地區(qū)實(shí)際輻射特點(diǎn),采用等量日輻射照度設(shè)定屋面輻射板強(qiáng)度,通過調(diào)節(jié)輻射板功率將儲藏周期分為3個過程,即1.5 h低輻射量(355 W/m2)、3 h高輻射量(660 W/m2)和1.5 h低輻射量來模擬實(shí)際儲藏過程中一日之內(nèi)屋面輻射變化特點(diǎn),與相似實(shí)驗(yàn)邊界條件要求相匹配。倉底布置送風(fēng)地籠,地籠直徑0.05 m,采用2 mm厚度PVC管材制做,壁面均勻開設(shè)直徑4~5 mm送風(fēng)孔,送風(fēng)地籠通過三通等構(gòu)件在倉內(nèi)底部形成“口”字形送風(fēng)道,以均勻送風(fēng)。在倉頂上方架設(shè)8 mm厚有機(jī)玻璃板形成雙層屋面,兩層面板之間通過12根直徑10 mm的有機(jī)玻璃圓柱支撐。屋脊上方架空板中心位置開有兩個直徑80 mm的通風(fēng)口,該位置通過螺栓固定軸流風(fēng)機(jī),對架空層進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)。

      注:1 數(shù)據(jù)記錄儀;2 數(shù)據(jù)采集儀;3 輻射板;4 軸流風(fēng)機(jī);5 自然通風(fēng)窗口;6 冷風(fēng)輸入管;7 冷風(fēng)機(jī);8 通風(fēng)地籠。圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

      圖2 實(shí)驗(yàn)倉實(shí)體結(jié)構(gòu)(未裝糧)

      模擬實(shí)驗(yàn)主要測量設(shè)備包括34970A溫度采集儀、Rotronic 濕度采集儀以及手持風(fēng)速儀,數(shù)據(jù)測量精度分別為0.01 ℃、0.01%RH及0.01 m/s,每隔30 s采集一次數(shù)據(jù)。糧堆內(nèi)部共布置27個測溫點(diǎn),分為3層,距離地面高度分別為0.15、0.4、0.55 m,每層9個測溫點(diǎn)分別位于該層中心以及近壁面0.15 m處,如圖3所示;另設(shè)置倉內(nèi)空氣測點(diǎn),倉頂、架空板溫度測點(diǎn)以及外界環(huán)境溫度測點(diǎn)。模擬實(shí)驗(yàn)倉內(nèi)設(shè)2個濕度測點(diǎn),分別位于糧堆與倉內(nèi)空氣中心。

      注:1 倉外環(huán)境;2 架空板;3 有機(jī)玻璃倉頂;4 倉內(nèi)空氣;5 儲糧線;6 Ⅰ層測點(diǎn);7 Ⅱ?qū)訙y點(diǎn);8 Ⅲ層測點(diǎn)。圖3 實(shí)驗(yàn)平房倉中溫度測點(diǎn)布置圖(單位:mm)

      1.2 對比實(shí)驗(yàn)分組

      實(shí)驗(yàn)倉底設(shè)置通風(fēng)地籠對糧堆進(jìn)行溫度控制,使每組實(shí)驗(yàn)糧堆初始溫度接近一致。根據(jù)架空層設(shè)置與否將實(shí)驗(yàn)分為無架空層自然儲藏和設(shè)置架空層兩種情況,共13組。實(shí)驗(yàn)過程中,主要控制參數(shù)為架空層層間凈高度(0.05~0.10 m)及架空層進(jìn)口風(fēng)速v,具體分組參數(shù)如表1所示。

      表1 架空層實(shí)驗(yàn)變量設(shè)計

      2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

      2.1 無架空層自然儲藏狀態(tài)溫度場分析

      倉頂溫度與輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)相同的變化趨勢:升溫過程中,低輻射量條件下倉頂溫度在45.2~47.3 ℃之間,高輻射量條件下升高至55~57.2 ℃;隨著倉頂熱量的傳入,倉內(nèi)空氣溫度逐漸升高至34.6 ℃,如圖4所示。倉內(nèi)空氣升溫速率由實(shí)驗(yàn)初始時的3.6 ℃/h逐漸降至終了階段的0.2 ℃/h,表明在接近實(shí)際輻射條件的高溫環(huán)境下,倉內(nèi)空氣溫度升高存在一定的限度。糧溫變化趨勢與倉內(nèi)空氣基本一致(圖5)。由于糧堆導(dǎo)熱系數(shù)較小(0.167 W/m·K),屋面輻射熱進(jìn)入倉內(nèi)后沿垂直方向衰減較快,不同糧層溫度平均值存在明顯差異。Ⅰ層糧溫均值分別高出Ⅱ?qū)印ⅱ髮蛹s6.3 ℃和8.1 ℃,表明糧堆中、下部受倉頂輻射影響較小,儲藏溫度較為穩(wěn)定。

      圖4 倉內(nèi)溫度、倉頂溫度及環(huán)境溫度

      圖5 各層糧堆平均溫度

      2.2 層間凈高度對隔熱效果的影響

      本組實(shí)驗(yàn)采用2種不同對比風(fēng)量G,分別設(shè)置為60 m3/h和114.6 m3/h。由自然儲藏對照倉結(jié)果可知,在實(shí)驗(yàn)熱環(huán)境下,倉頂、倉內(nèi)空氣以及糧堆上部溫度明顯升高,中下部溫度變化較小。依據(jù)上部溫度變化可判斷強(qiáng)制循環(huán)屋面的隔熱效果。倉頂外側(cè)同時存在架空板-倉頂之間的輻射傳熱和倉頂-層內(nèi)空氣對流換熱兩種過程。架空層凈高度對兩個過程均有影響:給定層間風(fēng)量時,層間凈高度增加使層內(nèi)主流風(fēng)速降低,倉頂表面對流換熱系數(shù)下降,通過空氣流動使倉頂降溫的效果變差;另一方面,層間凈高度增加后,架空板-倉頂間輻射傳熱量將減少,應(yīng)根據(jù)兩者的綜合影響效果,確定最佳層間高度。如圖6所示,實(shí)驗(yàn)工況下,風(fēng)量G=60 m3/h時最佳高度0.07 m,風(fēng)量G=114.6 m3/h時,最佳高度δ=0.09 m。與自然儲藏對照倉實(shí)驗(yàn)相比,采用架空層通風(fēng)的設(shè)計能夠有效降低糧堆上部溫升,2組實(shí)驗(yàn)風(fēng)量工況下糧堆表層溫升分別處于1.70~4.22 ℃與1.69~4.12 ℃范圍內(nèi),明顯低于對照倉。

      圖6 不同風(fēng)量下Ⅰ層糧堆平均溫度

      2.3 儲藏實(shí)驗(yàn)中濕度變化

      圖7所示為自然儲藏對照實(shí)驗(yàn)與層間凈高度δ=0.05 m、層間風(fēng)量G=60 m3/h架空層工況下,糧堆中心及倉內(nèi)空氣的相對濕度變化。實(shí)驗(yàn)過程中,相對濕度變化幅度與溫度具有明顯的相關(guān)性。對照實(shí)驗(yàn)中,倉內(nèi)空氣與糧堆中心相對濕度波動范圍較大,分別為9.27%與2.32%;架空層實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)δ=0.05 m、G=60 m3/h時,倉內(nèi)空氣與糧堆中心相對濕度變化幅度分別為1.45%與0.37%,采用架空層的其余11組實(shí)驗(yàn)中,糧堆中心濕度變化均處于-1.25%~2.72%范圍之間,表明強(qiáng)制循環(huán)屋面能夠有效減小倉內(nèi)糧堆相對濕度變化。

      圖7 不同工況中倉內(nèi)濕度、糧堆濕度

      3 強(qiáng)制循環(huán)隔熱屋面的數(shù)值模擬

      實(shí)驗(yàn)表明,層間凈高度δ與通風(fēng)量G對糧堆升溫均有影響,本文基于商用CFD軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化計算,研究不同層間凈高度δ、通風(fēng)量G工況下倉房內(nèi)的溫度變化,以確定能夠有效抑制糧堆溫升的兩因素間的合理匹配。

      3.1 物理模型

      以模擬平房倉為研究對象,計算域按物理性質(zhì)劃分為空氣流體區(qū)和糧堆多孔介質(zhì)區(qū)。采用ANSYS ICEM建立全尺寸幾何模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)定數(shù)值模擬所需參數(shù)。為簡化運(yùn)算,模擬過程采用以下假設(shè):架空層、倉內(nèi)空氣為理想不可壓縮流體;架空層風(fēng)速入口為均勻送風(fēng);糧堆為多孔介質(zhì)顆粒,忽略自身呼吸熱;倉體保溫考慮為絕熱條件,忽略連接處的散熱。

      3.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

      基于ANSYS ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分,主要采用六面體網(wǎng)格,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對速度梯度及溫度梯度較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密,整體數(shù)量約4.65×105,網(wǎng)格質(zhì)量檢測結(jié)果表明接近標(biāo)準(zhǔn)六面體網(wǎng)格(Determinant2×2×2數(shù)≥0.85),最小角度均大于18°,符合計算所需的網(wǎng)格質(zhì)量要求。采用k-ε湍流模型,計算涉及的材料熱物理參數(shù)如表2所示。

      表2 數(shù)值分析所用材料熱物性參數(shù)[27]

      初始條件和邊界條件為:

      初始條件:t=0 s時,糧堆溫度為293.18 K,倉內(nèi)及架空層內(nèi)空氣溫度為291.15 K;

      邊界條件:倉頂、倉壁和倉外空氣溫度分別根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)通過UDF文件進(jìn)行定義,倉底設(shè)置為絕熱邊界條件;

      入口/出口邊界條件:架空層入口為速度入口邊界條件,入口風(fēng)溫為環(huán)境空氣溫度,出風(fēng)口為自然出流邊界條件。數(shù)值模擬計算周期為6 h,求解步長20 s,共1 080個時間步。

      3.3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

      通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比(層間凈高度δ=0.05 m、風(fēng)量G=60 m3/h),以糧堆Ⅰ層測點(diǎn)溫度值為例,中心測點(diǎn)處兩者相對誤差范圍為2.07%~3.05%,最大誤差值為0.875 ℃;Ⅰ層平均溫度相對誤差范圍為2.74%~7.35%,最大誤差值為1.83 ℃,均在允許范圍內(nèi)。模擬采取的理想假設(shè)是造成誤差的主要原因。

      3.4 數(shù)值模擬分析

      3.4.1 強(qiáng)制循環(huán)隔熱屋面的效果

      圖8為對照倉自然儲藏狀態(tài)與架空層凈空高度δ=0.05 m、層間風(fēng)量G=60 m3/h時數(shù)值模擬得到的溫度場云圖。對照倉模式下,倉頂溫度最終升至53.04 ℃,倉內(nèi)空氣平均溫度47.01 ℃,糧堆表面溫度達(dá)到34.87 ℃,在倉頂附近形成了相對高溫區(qū);架空層模式能夠有效降低倉內(nèi)空氣以及糧堆整體溫度升幅,如圖10b所示,倉頂、倉內(nèi)空氣、糧堆表面平均溫度分別為38.76、33.59、21.88 ℃,且倉頂附近沒有形成明顯熱量聚積區(qū)。表明架空層中的空氣流動有效抑制了倉內(nèi)溫升。

      圖8 實(shí)驗(yàn)倉垂直截面溫度云圖

      3.4.2 架空層凈高度對隔熱性能的影響

      圖9為入口風(fēng)速v=0.05 m/s時架空層凈高度δ變化條件下的溫度云圖。圖9可以看到,邊界層交匯位置逐漸后移,表明提高架空層凈高度能夠有效延長架空層內(nèi)入口段長度,增大局部對流換熱系數(shù)。與δ=0.02 m工況相較,δ=0.08 m工況下倉頂溫度從27.97 ℃降為23.81 ℃(表3),有效抑制了頂部升溫。隨著架空層高度增加,在δ=0.06 m時,架空層倉頂出口流體溫度已不受架空板板表面溫度影響。

      圖9 架空層凈高度對層間溫度場的影響

      從表3也可看到,當(dāng)架空層凈高度在0.06~0.08 m范圍時,層間得熱率下降幅度減緩(該指標(biāo)為傳入倉內(nèi)熱量與架空板上表面得熱量之比,其值越小說明架空層隔熱效果越顯著),保持在8.99%~10.25%,表明在0.05 m/s入口風(fēng)速下,該工況隔熱性能較為理想,架空層凈高度已達(dá)適宜值。

      表3 v=0.05 m/s條件下不同架空層凈高度δ的計算結(jié)果

      3.4.3 架空層入口風(fēng)速對隔熱性能的影響

      圖10為凈高度δ=0.05 m,在入口風(fēng)速v變化工況下的數(shù)值模擬結(jié)果。出口處空氣溫度隨入口風(fēng)速增加逐漸下降,表明上方傳入的熱量被有效帶出層外;架空板與倉頂之間的溫差在14.22~16.53 ℃范圍內(nèi),層間空氣垂直于屋面方向的溫度梯度隨進(jìn)風(fēng)深度的增加逐漸減小,說明層間空氣在流動中溫度逐漸升高,換熱性能下降。在v=0.02 m/s工況中,出口處在垂直于屋面方向仍存在明顯的溫度梯度,表明流動空氣并未有效隔絕架空板傳入的熱量。由圖10c可知,當(dāng)入口風(fēng)速提高到0.06 m/s時出口處不再產(chǎn)生明顯的溫度梯度。

      圖10 架空層入口風(fēng)速對層間溫度場的影響

      結(jié)合速度云圖11可知,架空層高度為0.05 m時,架空層入口風(fēng)速在0.05 m/s~0.06 m/s條件下,架空中存在明顯的上浮氣流,而貼近屋面板處則形成層流底層,顯著降低了上方熱量的傳入。從消耗動力的角度考慮,此時進(jìn)一步增大入口風(fēng)速并不經(jīng)濟(jì)。

      圖11 δ=0.02 m,v=0.03 m/s工況層間速度場

      4 結(jié)論

      高溫季節(jié)中,平房倉采用強(qiáng)制循環(huán)雙層屋面可有效隔絕倉頂傳入的外界熱量,延緩糧堆表層溫度上升速率,將糧堆整體溫度控制于常溫范圍內(nèi)(25 ℃)。

      架空層設(shè)計受其凈空高度與入口風(fēng)速共同制約,給定架空層高度時,入口風(fēng)速存在最優(yōu)值,在δ=0.05 m時,入口風(fēng)速v=0.05~0.06 m/s能夠達(dá)到較好的隔熱效果,繼續(xù)增大入口風(fēng)速隔熱性能無顯著變化;增加層間凈高度能夠加強(qiáng)隔熱效果,但需要同時增加風(fēng)量,因而導(dǎo)致能耗升高。

      采用強(qiáng)制循環(huán)的架空層其隔熱性能的優(yōu)化需要在增加層內(nèi)風(fēng)量與提升架空層高度之間尋找最佳匹配設(shè)計。與增加層間凈高度δ相比,提高入口風(fēng)速v更為顯著地增強(qiáng)隔熱效果,其原理在于利用入口段效應(yīng),減小了速度邊界層、溫度邊界層的厚度,將溫度梯度控制在靠近架空板附近,避免了上方熱量傳入倉房。

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