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仓储粮堆冷却通风温度和水分变化模拟对比研究

时间:2018-01-11 12:59来源:《粮食储藏》 , 2016 , 45 (1) : 作者:张晓静1,王远成0,高 点击:
小麦储藏过程中,温度和水分是安全储粮的关键因素。迄今为止,相关研究人员设计了多种数学模型来预测通风过程中小麦堆的温度和水分,然而这些模型一般需要占用大量的内存且计算周期很长。本文基于局部热质平衡原理采用Fortran程序设计了一套新的数学模型,有
张晓静1,王远成0,高 帅1,赵会义2,魏 雷2
(1.山东建筑大学热能工程学院,济南 250101;
2.国家粮食局科学研究院,北京 100037)
摘 要:小麦储藏过程中,温度和水分是安全储粮的关键因素。迄今为止,相关研究人员设计了多种数学模型来预测通风过程中小麦堆的温度和水分,然而这些模型一般需要占用大量的内存且计算周期很长。本文基于局部热质平衡原理采用Fortran程序设计了一套新的数学模型,有效地解决了以上问题,并且首次提出R值,使水分传递更加接近实际情况,通过对试验结果和FLUENT模拟结果的比较,验证了该模型的准确性与可行性,对以后指导安全储粮具有非常重要的意义。
关键词:Fortran程序;储粮通风;传热传质
经过长期的实践和研究,人们发现当小麦堆温度低于15℃(小麦安全储藏的温度),小麦堆水分在12~12.5%(安全水分)时,可以有效地避免虫害的发生,抑制粮堆中生物体的生命活动,延缓储粮品质的劣变[1]。就仓机械通风在小麦储藏中具有降温效果显著、费用较低等特点,在确保储粮安全方面,发挥着至关重要的作用。为了掌握通风过程中储粮生态系统变化规律,储藏工作者进行了大量的实地测试工作,以研究特定的天气条件下谷物通风系统的性能和空气流速以及粮堆内部温湿度变化规律。但是通风试验需要投入较大的人力物力,成本较高,试验结果还不具有可重复性。为了减少工作量,Bloome和Shove(1970)[2],Thorpson(1970)[3],Alam和Shove(1971)[4]和Sharma(1973)[5]开发了仿真模型来描述在可变参数通风下热与质量传递现象。由于模型的限制,这些模型不能模拟谷物在整个通风段的温度。Sun Dawen等[6,7]提出了一个谷物冷却的数学模型,并应用该模型模拟了冬季英国东南部的圆筒仓内谷物冷却过程中温度、水分的变化规律。基于热量和质量守衡定律,Jia Canchun[8]等嘲模拟了就仓通风过程中粮仓内储藏小麦的温度变化,但是没有模拟小麦堆水分的变化。王远成等[9]对大型房式仓地上笼粮堆温度和水分变化规律进行了数值模拟研究。
以上模型虽然能比较准确地模拟通风过程中温度和水分的变化,但是一般都存在计算周期长,占用计算机内存大的缺点。本文通过集总参数的方法结合Fortran程序设计了一套新的数学模型。该模型不针对某一特种粮食,而是普遍适用于各种储粮品种。为了与前人模拟结果进行对比,本文对储粮冷却过程中小麦堆的温度和水分变化进行程序模拟和FLUENT模拟,获得在冷却通风条件下小麦堆的温度和水分变化,通过与试验结果的比较也证明这个模型的准确性与可行性。
 
1 物理模型的建立
本文将粮堆划分为相等厚度的谷物薄层,△H为空间增量(cm),Ti为进风温度(℃),Wi为进风空气湿度比率(kg水/kg干空气),To为出风温度(℃),Tw为小麦堆温度(℃),WO为出风空气湿度比率(kg水/kg干空气)。这些粮层间的空气流动的方向如图1所示,建立仿真模型的目的是预测在规定的时间内每一层粮层最终的温度和水分含量。从上一层排出的空气状态被用作输入下一层粮层的条件,此过程被重复,直到一段时间的增量上整个谷物柱上的模拟完成。然后该模型以这段时间增量末期的谷物状态为初始条件,开始模拟在进风状态下下一个时间增量的第一层的小麦状态,然后使用和第一次时间增量相同的程序,模拟了在第二个时间增量的整个小麦堆。不断循环直到完成小麦的整个通风过程。 
2 数学模型的建立
2.1 焓湿关系
Brooke(1967年)[10]给出以焓湿关系来计算空气的属性:
当干球温度Tab大于或等于0℃时,饱和蒸气压ps(g/cm2)由式(1)算得:
Ps=exp[58.8858~12301.69/(491.69+1.8Tdb)~5.169231n(491.69+1.8)Tdb]              (1)
当干球温度Tdb低于0℃时,饱和蒸气压Ps(g/cm2)由式(2)算得:
Ps=exp[27.6452~11286.1489/(491.69+1.8Tdb)~0.460571n(491.69+1.8)Tdb]                (2)
在给定湿度下的气体压力pv(g/cm2)定义为:
Pv=(RH)Ps                                                                                (3)
其中RH是进风的相对湿度,用小数表示。
空气的湿度比率W(每千克空气所含的水)由式(4)给出:
W=O.6219pv/(patm~pv)
其中patm是标准大气压,单位是g/cm2。
空气的比体积vsa(m3/kg)(干空气)定义为:
vsa=0.007573(491.69+1.8Tdb)(1+1.6055W)
                                 (5)
空气的质量流速ma(kg干空气/h)由式(6)给出:
ma=Qa/vsa                                                                                     (6)
其中Qa是空气的体积流量,单位是m3/h。
空气的比热cpa(kcal/kg℃) 由下式给出:
cpa=0.2405+0.44W                                  (7)
自由水分的蒸发潜热ls(kcal/kg水)由式(8)给出:
ls=597.768~0.56983T                            (8)
T是粮堆的温度,单位是℃
空气焓h(kcal/kg干空气)由ASHRAE基本手册给出(1972)[11]为:
h=4.267+0.240Tdb+W(597.386+0.444Tdb) 
                                 (9)
2.2 小麦基本属性
Othmer Huang(1940)[12]推导出了小麦达到平衡时空气的相对湿度RHe(小数)
RHe=exp[(l/ls)ln(2.04816ps)+c]/2.04816ps               
                                                                                                              (10)
l/ls=1+23exp(~0.40M)            (11)
c=~3.34×104M~4.0              (12)
其中l是小麦中水分的蒸发潜热,单位是kcal/kg水;c是常数,M是小麦的水分,单位是干基百分比。
Viravanichai(1971)[13]得到了热量的以下关系,硬红春小麦在温度范围为:
~33.5℃至21.8℃的小麦的比热cpw(kcal/kg℃)值:
cpw=0.250+0.00743M,(~33.5℃~~21.4℃)                            (13)
cpw=0.279+0.00580M,(~21.4℃~~10.8℃)                            (14)
cpw=0.297+0.00708M,(~10.8℃~~0.6℃)                             (15)
cpw=0.245+0.01058M,(0.6℃~8.9℃) 
                                (16)
cpw=0.273+0.00933M,(8.9℃~21.8℃) 
                               (17)
2.3 热湿传递公式
2.3.1 热平衡公式 根据局部热平衡,可以得到以下公式 :
maΔtcpa(Ti~To)+ mgcpw(Tw~To)+(hi~ho)maΔtl/ls=0                          (18)
其中ma是空气的质量流速,单位是kg干空气/h;mg是粮层中的小麦质量,单位是kg;hi是进风的焓,单位是kcal/kg干空气;ho是出风的焓,单位是kcal/kg干空气。
对于干燥过程,可变形为:
空气损失的热=粮堆获得的热+蒸发潜热
2.3.2 水分平衡公式 根据质量守恒原理,可以得到以下公式:
空气损失的水分+粮堆吸收的水分=O
(Wi-Wo)100maΔt+(Mo-Mi)md=0     (19)
其中md是粮层中的固体质量,单位是kg;Mo是在时间增量Δt内模拟的小麦堆水分,单位是干基百分比;Mi是小麦堆的初始水分,单位是干基百分比;Δt是时间增量,单位是h。
对于干燥过程,可变形为:
空气获得的水分=粮堆失去的水分
本模型以空气逐时的温度和相对湿度、粮堆的深度、粮层的厚度、空气流速、谷物的初始水分和初始温度为初始输入数据,各种基础属性由上述公式计算得到。
进风的初始蒸汽压pvi(g/cm2),可使用公式(1)或(2)和(3)利用温度Ti算得。类似地,谷物的水分蒸气压pg(g/cm2),可以利用温度Tw和水分含量Mi,使用公式(1)或(2),(3),(10),(11)和(12)计算得到。
比较pvi,pg,Tw,Ti的关系,存在下面四种可能:
加热干燥小麦Ti>Tw,Pvi<Pg
冷却加湿小麦Ti<Tw,Pvi>Pg
冷却干燥小麦Ti<Tw,Pvi<Pg
加热加湿小麦Ti>Tw,Pvi>Pg
在以上四个过程中,都达到了热质平衡。当水分传递未达到平衡时,出风空气湿度比率可以通过下面的公式计算得到:
                              (20)
其中是空气和小麦在湿度为mi传质温度为Tw或Ti下达到平衡时的空气湿度比率,单位是(kg水/kg干空气)。
R(R以百分比表示)定义为:粮层内实际传递的水分与在平衡状态下传递水分之比。
冷却试验是在温度为6.8~25.O℃的范围内进行的,通过反复的试验,R值应为80。
在-19.O℃至O℃的温度范围调质试验使用的R为经验数值。
 
3 数值方法和初始条件的建立
本文模拟了120cm深的粮堆冷却通风时的温度和湿度。初始条件如表1所示。
 
4 通风实验
通风实验的实验设备是Sharma(1973)[5]在实验室构造出来的如图2。这个设备可以被分成三部分:储存粮食的垂直通风柱,调节空气的空气室,调节穿过粮食的空气的空气分配室。下面是这个设备的简介,更多的细节Sharma(1973)[5]已经给出。
 
通风测试使用的小麦放在由丙烯腈~丁二烯~苯乙烯(ABS)制造的直径为10.16cm的观察管内。观察管的高度是24.13cm,粮层的厚度是15.2cm。沿着观察管设置了6个直径为1.27cm的孔洞,通过孔洞里抽样检测小麦,沿着观察管轴线分布有热电偶。Brooks玻璃管流量计(型号1110)安装在通风柱和排风支管之间的流动管线上,用于测量空气流速。实验开始前后各从取样室抽取小麦样品,后者在烘干箱中130℃下干燥19h,水分含量通过下面公式(21)以干重为基础计算:
 
                                  (21)           
 
 
5 模拟结果比较与分析
将利用程序计算出来的结果(程序值)与实验值和Sharma(1973)的模拟结果(模拟值)以及用FLUENT模拟的结果(FLUENT值)作比较,得到图3。
由模拟结果可以发现,随着通风时间的增加,小麦堆温度逐渐降低,但是小麦没有冷却到空气的干球温度(图3(a)),这是因为在吸附过程中潜热降低。同时由于局部热平衡的作用,随着粮层高度的增加,温度变化越来越缓和[图3(b)、图3(c)、图3(d)]。在通风的前几个小时里,预测温度比测量温度要高,然而在通风的后几个小时里,预测温度比测量温度要低。预测温度和测量温度差距的最大值是0.5℃。通风15h时,粮层内水分出现一个峰值[图4(a)],随着通风时间的增加,峰值升高且峰值后水分含量普遍增加[图4(b)],说明当温度达到平衡时,水分尚未达到平衡。
由图4可知,FLUENT模拟的温度虽然在通风后期趋于稳定,但是与实验结果的误差比程序模拟结果大,且通风前期各层温度都有较大的偏差。FIUENT模拟的小麦堆水分虽然变化趋势与实验结果相同,但是存在较大偏差。而且模拟本文中的实验工况,采用FUENT软件模拟需要5h~6h,而采用FORTRAN程序模拟所需时间仅为几分钟,可见采用Fortran程序模拟小麦堆的冷却通风不仅精确度高而且可以节省大量的时间。
 
6 结论
采用局部热平衡的原理,建立了一套模拟小麦储藏过程中温度和水分的数学模型,借助Fortran程序可以方便地在不同的进风状态下进行模拟,得到不同时刻不同粮层厚度的小麦的温度和水分。由模拟结果得知,储粮通风过程中温度与湿度是相互耦合的。与前人的模型相比,本模型在局部平衡的基础上首次提出了R值,使水分传递更接近于实际情况。通过与测量结果的比较,验证了该模型的准确性与可行性。该模型的突出优点就是占用内存小,运行速度快,操作简单,普适性强,与之前的数学模型相比,有更好的应用价值。
 
参考文献
[1] 王远成,段海峰,张来林.就仓通风时粮堆内部热湿耦合传递过程的数值预测[J].河南工业大学学报,2009,30(6):76~77.
[2] Bloome P D,Shove G C.Near equilibrium simulation of shelled corn drying. ASAE,St. Joseph,Michigan,1970:70~325.
[3] Thompson T L.Temporary storage of high moisture shelled corn Using continuous aeration. ASAE,St.Joseph,Michigan,1970:70~825.
[4] Alam A,Shove G C.Simulated drying of soybeans.ASAE,St.Joseph,l,Michigan,1971:71~816.
[5] Sharma S C.Simulation of heat and mass transfer during aeration of wheat and rapeseed bu1ks.Unpublished M. Sc.Thesis,University of Manitoba,Winnipeg,1973.
[6] Sun D W,Woods J L.Deep~bed simulation of the cooling of stored grain with ambient air: a test bed for ventilation control strategies[J].Journal of Stored Products Research.1997,33(4):299~312
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[8] Jia C C,Sun D W,Cao C W.Computer simulation of temperature changes in a wheat storage bin[J].Journal of Stored Products Research,2001,37(1):165~177
[9] 王远成,张忠杰,吴子丹,等.计算流体力学技术在小麦储藏中的应用[J].中国粮油学报,2008,27(5):86~90.
[10] Brooker D B.Mathematical Model of the Psychrometric Chart.Trans.ASAE,1967:558~560.
[11] ASHRAE.Handbook of fundamentals.american society of heating,Refrigerating and air~conditioning engineers[M],New York,N.Y. 1972.
[12] Othmer D F,Huang H.Correlating vapour pressure and latent heat data,Ind.Eng.Chem. 1940:32,841~846.
[13] Viravanichai S.Effect of moisture content and temperature on specific heat of wheat.Unpublished M.Sc.Thesis,University of manitoba,Winnipeg.1971:52.
 

(责任编辑:lsgy100)
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