淺談淺圓倉的風(fēng)道設(shè)計*

吳 瓊，鄭 頌，張來林，董曉歡，戚 浩

（1.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,鄭州 450001；2.福建省儲備糧管理有限公司長樂直屬庫，福建 長樂 350217；3.中央儲備糧廈門直屬庫有限公司，福建 廈門 361026；4.中國儲備糧管理集團有限公司福建分公司，福州 350007）

淺圓倉是中轉(zhuǎn)與儲備兼用倉型，在我國30多年的應(yīng)用當(dāng)中，淺圓倉因占地面積小、進出糧操作快捷、機械化程度高、儲糧穩(wěn)定性好、節(jié)省人工等優(yōu)點越來越受到倉儲行業(yè)的青睞[1]，現(xiàn)已成為國內(nèi)倉庫建設(shè)中的主流倉型，也是現(xiàn)代化糧庫的重要標(biāo)志。

淺圓倉儲糧具有糧堆大、糧層厚的特點，儲糧機械通風(fēng)及環(huán)流系統(tǒng)是保證淺圓倉儲糧安全的關(guān)鍵技術(shù)和其它儲糧技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，通過通風(fēng)道及環(huán)流系統(tǒng)，可以對糧堆實施通風(fēng)降溫、補冷均溫、熏蒸殺蟲和充氮氣調(diào)等多種作業(yè)，消除儲糧安全隱患、確保糧食的質(zhì)量與安全。在實際生產(chǎn)中，不同糧庫通風(fēng)作業(yè)的通風(fēng)效果與用電量相差極大，且通風(fēng)未達(dá)到預(yù)期效果的現(xiàn)象時有發(fā)生。在淺圓倉內(nèi)如何合理進行風(fēng)道的設(shè)計與布置，已成為設(shè)計與建設(shè)單位亟待解決的難題。

儲糧機械通風(fēng)時，通風(fēng)效果的評價關(guān)鍵在于風(fēng)機能否在克服通風(fēng)阻力的同時仍能保持一定的風(fēng)速帶動空氣流動，從而達(dá)到快速、節(jié)能和良好通風(fēng)效果的要求。通風(fēng)阻力受風(fēng)機參數(shù)、糧堆性質(zhì)、空氣在糧堆中的流動特點等多種因素共同影響，因此在風(fēng)道設(shè)計時了解糧堆的氣流規(guī)律以及不同因素間的相互關(guān)系對設(shè)計能否滿足生產(chǎn)需求至關(guān)重要。

1 糧堆通風(fēng)中影響各參數(shù)變化的因素[2]

1.1 糧堆通風(fēng)的氣流規(guī)律

在儲糧機械通風(fēng)過程中，通風(fēng)效果與電量消耗受流體運動規(guī)律的影響。風(fēng)量與風(fēng)速的關(guān)系如下式所示：

式中：Q為糧堆通風(fēng)量，m3/h；F為與氣流方向垂直的糧堆截面積，m2；υ表觀為糧面表觀風(fēng)速，即空氣流出糧面時的速度，m/s。

由風(fēng)量計算公式可知，當(dāng)倉房建成后，糧堆通風(fēng)的方式也隨之確定，糧堆通風(fēng)橫截面積為一定值，此時風(fēng)量與風(fēng)速成正比關(guān)系，即風(fēng)量越大、在糧堆內(nèi)的風(fēng)速就越大。

1.2 糧堆通風(fēng)的總阻力

在糧堆通風(fēng)時，需依靠風(fēng)機提供的風(fēng)壓動力來克服氣流穿過風(fēng)道及糧堆時產(chǎn)生的阻力。通風(fēng)的總阻力H總主要包括風(fēng)道阻力、穿孔阻力和糧層阻力，由下式計算：

式中：H總為通風(fēng)系統(tǒng)總阻力（Pa），隨通風(fēng)用途與糧堆高低不同而變，通常平房倉不大于1 000 Pa，降溫通風(fēng)的H總由表1選定；H糧層為氣流穿過整個糧層時的阻力，Pa；H穿孔為穿過風(fēng)道表面篩孔的阻力，Pa；H風(fēng)道為穿過整個送風(fēng)道的阻力，Pa。

表1 降溫通風(fēng)的H總表

對小糧堆和薄糧層進行通風(fēng)時，由于通風(fēng)系統(tǒng)較為簡單，常在工程上對通風(fēng)總阻力進行簡化計算，主要計算H糧層，而忽略阻力值較小的H風(fēng)道、H穿孔。但在大糧堆和厚糧層進行大風(fēng)量通風(fēng)時，糧層阻力、風(fēng)道阻力及穿孔阻力都會成倍增加，尤其穿孔阻力增加更急劇，從而使通風(fēng)量急劇下降，通風(fēng)預(yù)期效果大打折扣。根據(jù)張來林等[3]通過實驗室糧堆通風(fēng)模型試驗研究得出的通風(fēng)時不同地上籠（或地槽）通風(fēng)孔徑、穿孔阻力的變化，穿孔阻力可達(dá)通風(fēng)總壓力1/3以上，因此在大糧堆、厚糧層的通風(fēng)設(shè)計中不應(yīng)忽視穿孔阻力在通風(fēng)過程中對通風(fēng)量、通風(fēng)效果的影響。另外，儲糧通風(fēng)研究中還缺乏氣流通過篩網(wǎng)的穿孔阻力值的詳細(xì)資料，仍需進一步研究，為儲糧通風(fēng)風(fēng)道設(shè)計提供依據(jù)。

1.3 糧堆通風(fēng)的糧層阻力

糧層阻力與風(fēng)速的關(guān)系如下式所示：

式中：H糧層為散裝糧堆的糧層阻力，Pa；h為糧層的厚度，m；υ表觀為糧面的表觀風(fēng)速，宜在0.01～0.15 m/s之間，m/s；β壓實為大糧堆、厚糧層的壓實系數(shù)，在1.2～1.5之間；a、b為與糧種等因素有關(guān)的阻力系數(shù)，不同糧食阻力系數(shù)見表2。

表2 不同糧食阻力系數(shù)a、b

由糧層阻力計算公式可知，通風(fēng)時的風(fēng)速與糧層阻力成冪指數(shù)關(guān)系，倉房堆裝糧食后，糧堆高度為一定值，公式中的系數(shù)a和b由糧種決定，糧堆風(fēng)速是決定糧層通風(fēng)阻力的唯一因素，風(fēng)速越大，阻力則越大。當(dāng)風(fēng)速較低時，糧堆通風(fēng)形成阻力較小，可使用小功率風(fēng)機，耗電量較低；當(dāng)風(fēng)速增大時，糧堆內(nèi)的阻力值以冪指數(shù)形式增長，通風(fēng)時需要的風(fēng)機功率也逐漸增大，耗電量隨之上升。

1.4 糧堆通風(fēng)中風(fēng)量與風(fēng)壓的轉(zhuǎn)換

機械通風(fēng)時，空氣從通風(fēng)機獲得能量升高壓力，而通風(fēng)機本身則消耗外部供給能量才能運轉(zhuǎn)，通風(fēng)機在單位時間內(nèi)傳遞給空氣的能量稱為通風(fēng)機的有效功率N有效。由于通風(fēng)機在運轉(zhuǎn)過程中軸承內(nèi)部有摩擦損失，空氣在通風(fēng)機中流動也有能量損失，因此，實際消耗在通風(fēng)機軸上的功率（軸功率）要大于有效功率，軸功率N軸與有效功率N有效、風(fēng)量及風(fēng)壓間的關(guān)系如下：

式中：N有效為通風(fēng)機在單位時間內(nèi)傳遞給空氣的能量，kW；η風(fēng)機為通風(fēng)機實際效率，%；Q為通風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)量，m3/s；H為通風(fēng)機產(chǎn)生的全壓，Pa。

由風(fēng)機功率計算公式可知，當(dāng)風(fēng)機功率一定時，其輸出的風(fēng)量與風(fēng)壓呈反比關(guān)系，即風(fēng)量與風(fēng)壓會相互轉(zhuǎn)換；在阻力較大的通風(fēng)場合，需要提高風(fēng)機風(fēng)壓而減小風(fēng)量，以維持風(fēng)機正常的工作。

綜上所述，在儲糧機械通風(fēng)過程中，當(dāng)倉房和風(fēng)機確定后，糧堆通風(fēng)面積與風(fēng)機功率均為定值，通風(fēng)過程中的風(fēng)量與風(fēng)速成正比關(guān)系、風(fēng)速與風(fēng)壓（即阻力）成冪指數(shù)關(guān)系，而風(fēng)機輸出的風(fēng)量與風(fēng)壓則呈反比關(guān)系，因此當(dāng)通風(fēng)阻力較大時，風(fēng)機運行特點為大風(fēng)壓、小風(fēng)量。

2 淺圓倉內(nèi)風(fēng)道的布置

2.1 淺圓倉風(fēng)道的布置形式

淺圓倉內(nèi)沿中軸線方向通常布有3～7個卸糧口，因此通風(fēng)道大都在中軸線兩側(cè)對稱設(shè)計布置。從1998年以來淺圓倉中使用較多的通風(fēng)風(fēng)道種類如圖1所示，兩組通風(fēng)布置形式的有放射形、梳子形和“圭”字形等風(fēng)道，四組通風(fēng)布置形式的有“豐”字形風(fēng)道和環(huán)形風(fēng)道[4]，生產(chǎn)中與風(fēng)道布置數(shù)對應(yīng)配備的有2臺或4臺風(fēng)機兩種通風(fēng)形式。

圖1 現(xiàn)有淺圓倉使用的風(fēng)道形式

2.2 淺圓倉不同通風(fēng)形式的比較

根據(jù)不同通風(fēng)道的布置形式，淺圓倉儲糧通風(fēng)采用哪種風(fēng)道布置形式的通風(fēng)效果更好？尤其新建淺圓倉的堆糧高度達(dá)20～30 m、倉容量達(dá)10 000～20000 t，其單倉容量遠(yuǎn)大于1998年建設(shè)的淺圓倉，對儲糧通風(fēng)技術(shù)提出了更高要求。設(shè)計與使用者因擔(dān)心厚糧堆通風(fēng)會出現(xiàn)穿不透的現(xiàn)象，無法保證儲糧安全，認(rèn)為超大糧堆的倉型需采用多風(fēng)道和多風(fēng)機的通風(fēng)模式，如四組獨立風(fēng)道或環(huán)形風(fēng)道的布置形式、使用4臺風(fēng)機通風(fēng)，但事實證明這是一個認(rèn)知誤區(qū)。

在淺圓倉的通風(fēng)面積、堆糧高度和使用的風(fēng)機型號等參數(shù)都相同的條件下，從通風(fēng)時糧層阻力計算的表3中可看出，使用4臺風(fēng)機通風(fēng)產(chǎn)生的單位糧阻是2臺同類風(fēng)機的2.498倍。使用2臺風(fēng)機通風(fēng)，即便是30 m堆糧高度的淺圓倉，使用7.5 kW以下功率的風(fēng)機，糧層阻力不超過600 Pa；使用功率大于11 kW的風(fēng)機，其糧層阻力只有風(fēng)壓的1/2～2/3，因而風(fēng)機風(fēng)量和通風(fēng)效果不會因阻力值變化受到影響。使用4臺風(fēng)機對淺圓倉進行通風(fēng)，風(fēng)機功率大于11 kW時，糧層阻力接近風(fēng)機的全壓，且風(fēng)機功率越大、糧層阻力值越大，甚至超過風(fēng)機的風(fēng)壓值；依據(jù)風(fēng)機功率為定值時、風(fēng)量與風(fēng)壓轉(zhuǎn)換的流體力學(xué)原理，當(dāng)系統(tǒng)阻力隨厚糧層、高風(fēng)速急劇增大時，會促使風(fēng)機增大風(fēng)壓、降低風(fēng)量的轉(zhuǎn)換，尋求達(dá)到新的平衡點，以維持風(fēng)機的正常運轉(zhuǎn)，代價是通風(fēng)效果顯著下降，從理論上解釋了使用多臺風(fēng)機后通風(fēng)效果沒有顯著增長的原因。廣東新沙港糧庫淺圓倉使用同類型的2臺風(fēng)機與4臺風(fēng)機的通風(fēng)比較試驗的結(jié)果表明，4臺風(fēng)機的通風(fēng)效果并無顯著提高，但功率消耗卻增大1倍[5]。因此，新沙港糧庫從2000年使用淺圓倉始，糧堆通風(fēng)一直采用2組風(fēng)道、2臺風(fēng)機的布置形式。

表3 不同通風(fēng)條件下的糧層阻力計算表

因此，應(yīng)用效果和計算結(jié)果均表明淺圓倉內(nèi)布置2組風(fēng)道的方案要優(yōu)于4組風(fēng)道，其優(yōu)勢在于：①在淺圓倉的兩側(cè)各建一組環(huán)流系統(tǒng)，整個設(shè)計所需的通風(fēng)口、風(fēng)機、谷冷設(shè)備等數(shù)量比4組風(fēng)道減少一半，降低建造成本；②單位通風(fēng)量少一半，通風(fēng)阻力小，降溫效果與4臺風(fēng)機相比無顯著差異，但耗電量減少一半；③用于氣體均布與糧堆內(nèi)均溫補冷兩種功能的環(huán)流管合并，簡化環(huán)流系統(tǒng)的設(shè)計，且在使用谷冷機降溫或補冷時，2臺谷冷機與環(huán)流管、通風(fēng)口直接對接，操作快捷，能量損失小，冷卻效果更好。

根據(jù)淺圓倉實際通風(fēng)作業(yè)時要求出風(fēng)面大、通風(fēng)阻力小、通風(fēng)效果好、施工管理方便、有利于倉儲作業(yè)操作等特點，比較現(xiàn)有的風(fēng)道，從中選擇出“圭”字形風(fēng)道（圖1c）較為合適，其優(yōu)點在于：①支風(fēng)道為直長管道，結(jié)構(gòu)簡單、施工方便；②風(fēng)道出風(fēng)面大、通風(fēng)阻力小，通風(fēng)降溫或冷卻的效果好；③采用倉底的橫向通風(fēng)方式可消除倉底中央部位的糧食積熱（圖2）[6]；④熏蒸殺蟲時，可在主風(fēng)道內(nèi)實施風(fēng)道投藥，操作簡單、補投藥方便。

圖2 采用橫向通風(fēng)方式消除倉底中央部位的糧食積熱

3 淺圓倉風(fēng)道設(shè)計時的注意事項

3.1 從倉門出糧的落地式淺圓倉宜采用地槽風(fēng)道

為方便進出糧操作，倉內(nèi)無卸糧口、從倉門出糧的落地式淺圓倉，宜采用地槽風(fēng)道，與地上籠風(fēng)道相比，其優(yōu)點為：①地槽風(fēng)道不影響擋糧門的開啟，縮短開門時間；②地槽風(fēng)道不影響清倉設(shè)備在倉內(nèi)的出倉作業(yè)；③地槽風(fēng)道雖在建倉時投資較大，但有利于機械化出倉操作、減少工人作業(yè)量，節(jié)省作業(yè)成本，隨著招人難、用工貴的矛盾更加突出后，地槽風(fēng)道的優(yōu)勢會更加明顯。

3.2 避免采用窄風(fēng)道、小通風(fēng)口方案

在儲糧通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中，通常選取較大單位通風(fēng)量(q值)，這樣設(shè)計的風(fēng)道出風(fēng)面較大：糧情正常時可采用小風(fēng)量通風(fēng)，通風(fēng)效果好、糧食失水少、還能達(dá)到節(jié)能目的；糧情異常時，可大風(fēng)量通風(fēng)，及時消除隱患，確保糧食安全。若設(shè)計時忽略生產(chǎn)中可能出現(xiàn)糧情異常情況，只考慮正常糧情采用小風(fēng)量通風(fēng)的情景，將淺圓倉內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計成窄風(fēng)道、小通風(fēng)口，在糧情異常時采用大風(fēng)量通風(fēng)，會出現(xiàn)通風(fēng)阻力大、時間長、效果差的現(xiàn)象，還會給糧庫帶來較大地經(jīng)濟損失，也違背通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計原則，設(shè)計單位在糧倉設(shè)計時應(yīng)與使用方講明此方案的不合理性與存在的弊端。風(fēng)道寬度和通風(fēng)口大小與淺圓倉直徑、堆糧高度有關(guān)，在采用2組獨立風(fēng)道布置時，建議風(fēng)道寬度≥500 mm，通風(fēng)口≥φ500 mm。

3.3 環(huán)流管布置的位置要靠近通風(fēng)口

在大糧堆、厚糧層的儲糧保管中，風(fēng)道通風(fēng)口與環(huán)流管配合使用，構(gòu)成淺圓倉的通風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)，在風(fēng)機作用下，借助于環(huán)流系統(tǒng)可實現(xiàn)化學(xué)藥劑、高濃度氮氣、谷冷機冷氣在淺圓倉內(nèi)的均勻分布，達(dá)到殺蟲、補冷、均溫等目的，從而確保儲糧穩(wěn)定與安全。因此，在設(shè)計布置環(huán)流管安放位置時，要注意靠近通風(fēng)口，對于架空式淺圓倉，尤其要注意倉內(nèi)的環(huán)流管如何與倉外的谷冷機等設(shè)備對接（圖3a），為此，在倉下圍壁上開窗（圖3b），方便倉外設(shè)備與通風(fēng)口、環(huán)流管對接，這是是一種較好的設(shè)計布置方案。

圖3 淺圓倉下圍壁上開窗，方便倉外設(shè)備與通風(fēng)口、環(huán)流管對接

另外，在入糧初期，采取開啟風(fēng)機朝風(fēng)道送風(fēng)的作法，可減少在入倉、糧食覆蓋風(fēng)道時雜質(zhì)對風(fēng)道表面篩孔的堵塞現(xiàn)象，提高作業(yè)時的通風(fēng)效果。

4 小結(jié)

通過對儲糧通風(fēng)機械的阻力、風(fēng)速等通風(fēng)性能參數(shù)間的關(guān)系進行定性分析，討論了儲糧通風(fēng)中風(fēng)速與風(fēng)壓的變化規(guī)律，并比較了不同風(fēng)道形式的通風(fēng)效果，得出淺圓倉選用2組獨立的“圭”字形風(fēng)道布置形式更為合適。如要設(shè)計出高效的糧倉通風(fēng)系統(tǒng)，還需要對各種形式通風(fēng)進行定量分析。以后準(zhǔn)備在通風(fēng)性能檢測裝置上，開展對不同風(fēng)量下穿孔阻力的變化研究，為淺圓倉風(fēng)道合理設(shè)計提供依據(jù)。