小麥糧堆的通風阻力特性研究

方江坤 李巖 方智毅 張來林 吳東亮 張何英

摘要：糧食的安全儲藏與機械通風技術密切相關，通風過程中各項參數的變化會直接影響糧堆的通風效果，而小麥作為中國的主要儲糧品種之一，研究小麥糧堆的通風阻力特性具有重要意義。試驗研究了不同通風方式下小麥糧堆阻力特性相關參數的變化情況，結果表明：小麥糧堆的單位糧層阻力、穿網阻力均與糧面表觀風速呈正相關關系，且當糧面表觀風速較大時，穿網阻力的增長幅度高于單位糧層阻力的增長幅度。小麥糧堆的通風均勻度與糧層厚度呈正相關，通風量對小麥糧堆的通風均勻度影響不大。

關鍵詞：小麥；機械通風；單位糧層阻力；穿網阻力

中圖分類號：S512.1 文獻標志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230316

Study on resistance characteristics during the ventilation in wheat pile

Fang Jiangkun1， Li Yan2， Fang Zhiyi1， Zhang Lailin3， Wu Dongliang4， Zhang Heying5

（ 1. Fujian Grain Reserves Co.， Ltd. Zhangpu Depot， Zhangzhou， Fujian 363200； 2. Sinograin Zhangzhou Depot Ltd. Company， Zhangzhou， Fujian 363105； 3. School of Food Science and Technology， Henan University of Technology， Zhengzhou， Henan 450001； 4. Sinograin Xiamen Depot Ltd. Company， Xiamen， Fujian 361026； 5. Fujian Grain Reserves Co.， Ltd. Zhangzhou Depot， Zhangzhou， Fujian 363000 ）

Abstract： The safe storage of grain is closely related to the mechanical ventilation technology during the ventilation will directly affect the ventilation effect of grain piles. As one of the main grain storage varieties in China， it is important to study the ventilation resistance characteristics of the wheat pile. The variation of the resistance characteristics of wheat pile under different ventilation modes was studied. The results showed that the resistance of unit grain layer and the resistance of net are positively correlated with the surface wind speed of the wheat pile. When the surface wind speed of wheat pile was higher， the increasing range of the resistance through the net was higher than that of the unit grain layer. The ventilation uniformity of wheat pile was positively correlated with the grain layer thickness， the ventilation volume has little influence on the ventilation uniformity of wheat pile.

Key words： wheat， mechanical ventilation， resistance of unit grain layer， resistance of the net

小麥作為三大谷物之一，是我國重要的糧食作物，多年來年產量占全國糧食總產量的20%以上，且小麥經加工制作成各種各樣的食物，是人類獲取能量和營養物質的主要來源。據統計，國內小麥口糧消費占小麥消費總量的95%以上[1]，這也就決定了我國糧食儲備必須有大量的小麥儲備，且要保證儲糧安全。由于小麥屬耐儲耐高溫品種，具有較好的儲糧穩定性，因此多作為長期儲備糧種。

機械通風不僅是糧食儲藏行業使用最多、應用最普遍的一項儲糧技術[2]，還是補冷均溫、環流熏蒸、充氮氣調等儲糧技術的應用基礎。機械通風的實質是糧堆的換氣過程，根據流體力學原理，氣流穿過糧堆必然會造成能量損失，即糧堆通風阻力的產生，這是影響機械通風技術應用效果的主要因素[3]。了解通風阻力的構成、研究糧層阻力的數學模型，進而選用合適的風機，是取得良好通風效果的前提條件[4-5]。楊曉帆等[6]對比不同檢測方法后，認為采用糧堆內靜壓值判斷機械通風均勻度是一種相對較好的檢測手段。本研究借助河南工業大學設計的糧堆通風性能參數檢測裝置[7]，以糧堆內靜壓值檢測為基礎，開展壓入式上行通風和吸出式下行通風兩種通風方式下小麥糧堆的通風阻力特性研究，探尋單位糧層阻力、穿網阻力等參數的變化規律，為機械通風系統的設計與應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 通風模擬裝置

試驗裝置主箱體尺寸1 000 mm×1 000 mm×500 mm，內置孔板厚度2.0 mm；試驗在垂直通風的前提下（見圖1），通過改變風機的送風方式，實現壓入式上行通風和吸出式下行通風的轉換。

1.1.2 試驗糧種

試驗糧種為2022年安徽產小麥，色澤、氣味正常，其他質量指標情況見表1。

1.1.3 試驗儀器

YJB-1500型補償式微壓計：上海隆拓儀器設備有限公司；TES-1340型熱線式風速儀：臺灣泰仕電子工業股份有限公司；YS90L-2型多管風機：河南未來機電工程有限公司；L1000-0075G/0110P-T4型高性能矢量變頻器：南京雷歐電器科技有限公司；自制喇叭型風罩（Ф上=5 cm、Ф下=30 cm，見圖2）等。

1.2 試驗方法

1.2.1 靜壓值測點布置

糧面共設7個檢測點，具體布點見圖3；每個檢測點分5層檢測，距底部100 mm處為第1層測點，其他4層的間隔為200 mm，依次向上，頂部為第5層測點。

1.2.2 風速檢測

試驗時，通過調整風機上變頻器的頻率確定試驗的風量；當風機運行穩定后，在試驗糧堆表面，使用風速儀測得喇叭形風罩頂部小端口處放大的風速值，再換算出實際的糧面表觀風速。

1.2.3 穿網阻力檢測

穿網阻力在壓入式上行通風條件下檢測。在距孔板中心點左右兩側5 cm處，各開一個比靜壓管直徑稍大的圓孔，將2根靜壓管分別插入兩個小孔中，使一根靜壓管的前端小孔固定在比孔板高5 mm左右的位置、另一根固定在比孔板低5 mm左右的位置；在試驗過程中微調兩根靜壓管的插入深度，使檢測數據的差值最小時的位置為檢測穿網阻力的最佳位置；此時測得孔板上下靜壓差值即為穿網阻力。

1.2.4 參數測定與計算

試驗在壓入式上行通風和吸出式下行通風條件下進行，通過設置變頻器的不同頻率（10、20、30、40、50 Hz）達到調節風機風量的目的，檢測不同風量條件下小麥糧堆的糧面表觀風速、糧堆內部靜壓值和穿網阻力值，經數據處理得到相關通風參數。

（1） 風速和風量：根據流體連續方程（F1×v1= F2×v2），風速儀實測風速值除以風罩放大倍數即可計算出實際的糧面表觀風速，進而計算出通風量，見式（1）。

式中：Q為風量，m3/h；F為糧面表層面積，m2；v為糧面表觀風速，m/s。

（2）單位糧層阻力：在通風過程中，空氣流穿過單位糧層的壓力損失為單位糧層阻力，見式（2）。

式中：Z為單位糧層阻力，Pa/m；P5為第5層的靜壓均值，Pa；P1為第1層的靜壓均值，Pa；L為第5層與第1層間的距離，m。

（3）通風均勻度：根據糧層中的靜壓值分布判斷通風均勻性，求出該糧層靜壓值的平均值和標準差，進而計算通風均勻度，見式（3）。

2 結果與分析

2.1 不同糧面表觀風速下的單位糧層阻力

在兩種通風方式下，分別通過變頻器調整風機的運行轉速，從而影響小麥糧堆的糧面表觀風速、風量以及單位糧層阻力等一系列參數變化，各參數的檢測值如表2、表3所示。對比表2、表3可知，隨著變頻器頻率的增大，壓入式上行通風時糧面表觀風速由0.031 m/s增加至0.178 m/s，風量由55 m3/h增加至321 m3/h，對應的單位糧層阻力由60.34 Pa/m增加至867.63 Pa/m，漲幅807.29 Pa/m，增加13.4倍；而吸出式下行通風呈現同樣的規律，糧面表觀風速由0.029 m/s增加至0.157 m/s，風量由52 m3/h增加至282 m3/h，對應的單位糧層阻力由59.77 Pa/m增加至685.65 Pa/m，漲幅625.88 Pa/m，增加10.5倍。即壓入式上行通風和吸出式下行通風條件下，隨著糧面表觀風速和風量的增加，小麥糧堆的單位糧層阻力也隨之增加，均呈正相關，且壓入式上行通風方式下糧堆通風阻力漲幅相對較大。

對小麥糧堆的單位糧層阻力和糧面表觀風速進行曲線擬合處理，相比于其他函數，多項式二次函數和冪函數呈現出較高的擬合度，也就是說多項式二次函數和冪函數均能較好地反映小麥糧堆的單位糧層阻力與其糧面表觀風速的關系。對比多項式二次函數和冪函數擬合曲線的R2值可知，多項式二次函數的擬合度更高（R2≥0.99）。具體曲線趨勢如圖4所示。

由圖4可知，不論是壓入式上行通風，還是吸出式下行通風，小麥糧堆的單位糧層阻力與其糧面表觀風速均呈正相關，且壓入式上行通風條件下的單位糧層阻力高于吸出式下行通風。對比不同糧面表觀風速下的糧堆單位糧層阻力的變化情況可知，兩種通風方式下擬合曲線的斜度均越來越大，即小麥糧堆的糧面表觀風速越大，其單位糧層阻力越大，單位糧層阻力的漲幅隨之逐漸增大。以壓入式上行通風為例，糧面表觀風速由0.031 m/s增大至0.075 m/s時，單位糧層阻力由60.34 Pa/m增大至183.81 Pa/m，糧面表觀風速漲幅0.044 m/s，單位糧層阻力漲幅123.47 Pa/m；而當糧面表觀風速由0.145 m/s增大至0.178 m/s時，單位糧層阻力由555.84 Pa/m增大至867.63 Pa/m，糧面表觀風速漲幅為0.033 m/s，單位糧層阻力漲幅為311.79 Pa/m。即糧面表觀風速較小時，單位糧層阻力漲幅較小，糧面表觀風速數值較大時，即使風速增幅較小，單位糧層阻力亦大幅度增加。

2.2 不同糧面表觀風速下的穿網阻力

對不同糧面表觀風速下的穿網阻力進行曲線擬合，其多項式二次函數和冪函數均呈現較高的擬合度，具體如圖5所示。

由圖5可知，穿網阻力隨著糧面表觀風速的增大而逐漸增大，兩者呈正相關。多項式二次函數擬合曲線的R2值為0.985 6，冪函數擬合曲線的R2值為0.988 9，說明冪函數對穿網阻力與糧面表觀風速之間關系的擬合度更高。

根據不同糧面表觀風速下小麥糧堆的單位糧層阻力，將對應的穿網阻力折算成同厚度的糧層阻力。對比不同糧面表觀風速下的穿網阻力和單位糧層阻力可知，糧面表觀風速0.031 m/s時，單位糧層阻力為60.34 Pa/m，穿網阻力為2.0 Pa，穿網阻力是同厚度糧層阻力的16.6倍；而糧面表觀風速0.178 m/s時，單位糧層阻力為867.63 Pa/m，穿網阻力為47.75 Pa，穿網阻力是同厚度糧層阻力的27.5倍。也就是說，小麥糧堆在通風過程中，通過糧面的表觀風速或穿過糧堆的風量越大，對應的穿網阻力越大，且增長幅度高于單位糧層阻力的增長幅度。即機械通風技術在實際應用過程中，穿網阻力對糧堆通風效果的影響不容忽視，不能一味地追求大風量通風[8]。

2.3 小麥糧堆的通風均勻度

不同通風方式下小麥糧堆的通風均勻度如圖6、圖7所示。對比通風均勻度的變化情況可知，吸出式下行通風時的通風均勻度稍高于壓入式上行通風；同種通風條件下，不同通風量對應的通風均勻度沒有明顯差異，即通風量對小麥糧堆的通風均勻度影響不大。按照糧層厚度橫向比較發現，小麥糧堆第1層的通風均勻度相對偏低，在98.7%與99.5%之間波動，無明顯規律；隨著糧層厚度的增加，第2層高于第1層、第3層高于第2層，第4層、第5層與第3層均保持在99.9%左右。即隨著糧層厚度的增加，通風均勻度逐漸增大，即小麥糧堆的通風均勻度與糧層厚度呈正相關。

3 結 論

以糧堆通風性能參數檢測裝置為基礎，通過調節穿透糧堆的通風量，研究壓入式上行通風和吸出式下行通風方式下小麥糧堆的通風阻力特性相關參數變化情況，對比分析試驗結果可知：

（1）小麥糧堆的單位糧層阻力隨糧面表觀風速的增大而增大，兩者呈明顯正相關。相較于冪函數，多項式二次函數能更好地反映小麥糧堆的單位糧層阻力與其糧面表觀風速的關系。壓入式上行通風方式下糧堆通風阻力的漲幅相對較大，且糧面表觀風速較大時單位糧層阻力漲幅隨之增大。

（2）穿網阻力隨著糧面表觀風速的增大而逐漸增大，呈正相關，且增長幅度高于單位糧層阻力的增長幅度。冪函數對穿網阻力與糧面表觀風速之間關系的擬合度更高。機械通風技術應用過程中，不能一味地追求大風量通風。

（3）小麥糧堆的通風均勻度在吸出式下行通風條件下稍高于壓入式上行通風，且隨著糧層厚度的增加，通風均勻度逐漸增大，即小麥糧堆的通風均勻度與糧層厚度正相關。同種通風條件下，通風量對小麥糧堆的通風均勻度影響不大。

參 考 文 獻

[1] 王若蘭.糧油儲藏學[M].北京：中國輕工業出版社，2009：298.

[2] 趙會義，張宏宇，李福君，等.我國儲糧機械通風技術發展[J].糧油食品科技，2015，23（S1）：4-10.

[3]張來林.儲糧機械通風技術[M].鄭州：鄭州大學出版社，2014：116-117.

[4] 楊進，楊國峰.糧層深度與糧層阻力關系的試驗分析[J].中國糧油學報，2001（2）：47-49.

[5] 尉堯方，王遠成，王興周，等.儲糧通風模型的構建及其應用分析[J].山東建筑大學學報，2017，32（3）：251-257.

[6] 楊曉帆，李宗良，盧獻禮.糧倉機械通風均勻性的檢測方法比較[J].鄭州工程學院學報，2004（4）：36-38.

[7] 張來林，陶金亞，陳朝，等.糧堆通風性能參數檢測裝置： CN201420643851[P].2015-02-18.

[8] 吳瓊，鄭頌，張來林，等.淺談淺圓倉的風道設計[J].糧食加工，2022，47（3）：96-100.