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我國儲糧機械通風技術發展
日期:2017-10-13 10:10 浏覽次數: 字號:[ ]

1 我国储粮通风技术的发展历程

我國儲糧機械通風技術,已有50余年的曆史,早在20世紀五十年代,武漢、北京、南京、蘇州等地的糧食部門就采用前蘇聯的機械通風裝置,對稻谷和大米進行了機械通風降溫的試驗,取得了一些經驗。原糧食部糧食科研所在1958年編寫的《貯糧機械通風參考資料》中,選編了原蘇聯的“倉庫和大谷倉中谷物機械通風”和“玉米穗的機械通風”兩篇文章和美國1957年《農業工程》雜志“儲藏谷物的通風冷卻”一文。該時期是我國儲糧機械通風的起步時期。

上世紀五十年代後期,江蘇省糧食部門就開始對儲糧進行單管通風降溫試驗。六十年代予以推廣,並在單管通風的基礎上,進行了多管通風。到了七十年代初進行了地槽通風試驗,七十年代末又摸索運用存氣箱進行機械通風,並在八十年代迅速發展。據統計到1985年底,江蘇省全省機械通風設備已有2450台套,其中:單管通風機1604套,多管通風機38套,離心式通風機808台。配備機械通風設備的倉容和用機械通風方法處理的糧食數量逐年增加,1965年機械通風儲糧約15萬噸;1978年機械通風倉容爲95萬噸,機械通風儲糧已達75萬噸;20世紀80年代,儲糧機械通風技術在中國得到研究和推廣應用,到1985年,機械通風倉容達250萬噸,機械通風儲糧達200萬噸。

在九十年代,我國的機械通風儲糧技術不斷提高。1991年商業部糧食儲運局制定了“機械通風儲糧技術規程(試行)”。自1998年以來,通過三批大規模國家糧食儲備庫建設,推廣儲糧“四合一”技術,機械通風的設計、應用都得到顯著提高。2002年1月國家糧食局對原“機械通風儲糧技術規程(試用)”進行了修訂,作爲新的糧食行業標准進行實施,標志著我國儲糧通風技術應用進入了一個新階段。

到2005年底,全國有16910萬噸倉房實現了機械通風,12575萬噸倉房實現了計算機糧情檢測,9071萬噸倉房配備了環流熏蒸設備,配備有谷物冷卻機751台。2010年“四合一”儲糧新技術獲得國家科技進步等獎

目前,储粮通风技术是“四合一”儲糧技术中应用广且效果显著的储粮技术,普及率几乎达到100%。

2 儲糧通風技術應用進展

2.1 控溫儲糧通風技術

控溫儲糧通風技術是利用冬季通风,降低粮堆温度并在粮堆內部储存大量冷源的技术。利用該技术可以提高夏季粮堆热稳定性,是行之有效的节能减损方法。

(1)均溫補冷控溫儲糧技術

均溫補冷技術是利用糧堆自然冷源,采用糧堆內部環流和在需要時利用小型谷冷機補充一定冷源的均溫補冷方式,以降低局部高溫糧層糧溫爲主,降低整體糧溫爲輔,以最小的能耗達到低溫儲糧目的。

均溫補冷技術裝備涵蓋了均衡糧溫技術、補充冷源技術、保溫隔熱技術,充分利用了糧堆固有冷量,當回流空氣溫度較低時谷冷機自動關閉壓縮機運行環流均溫模式,當回流空氣溫度高于一定值時,小型谷冷機自動開啓壓縮機補充部分冷源,高效節能。高彬彬等采用小型谷冷機環流均溫補冷技術,單位耗能爲國家標准的12%~60%,受環境影響小,適用範圍廣,自動化程度高,方便快捷,滿足多種通風降溫模式。該技術逐步推廣到浙江省和江蘇省廣大糧庫,成爲稻谷低溫和控溫儲糧的主要技術裝備。

(2)淺層地能控溫儲糧技術

傳統的谷冷機采用氣源式制冷機,由于谷冷機一般在夏季使用,受高溫影響,降低了制冷效率。如果采用水冷式制冷機,利用埋管式水循環系統采集淺層地能的冷量保持冷卻水溫處于較低的恒溫狀態,可提高制冷機效率,節約能源。黃波等應用該技術的單位能耗0.2kWh/t,比國家谷物冷卻機標准節能60%,系統的能效比達到3.05

浅层地能是一种环保、可持续发展的低温资源,浅层地能控温储粮技术利用浅层地能作冷源,爲仓房提供持续、稳定、高效的冷量,可以实现低温、保鲜、节能等目的,是一种绿色科学的储粮技术。

(3)膜下環流通風控溫技術

2009年4月,中儲糧總公司在北京、山西、內蒙古、遼甯、吉林、黑龍江、西安、蘭州、新疆等分公司轄區全面應用膜下環流通風技術。該技術特征是:在倉房內每組地上籠通風道上連接一組糧面環流管和一台環流風機,作業時采用薄膜壓蓋封閉糧堆,利用環流風機和布設在糧堆內的通風管道,將糧堆內冬季降溫通風蓄存的冷源,與糧堆表層在夏季高溫季節形成的積熱適時的進行交換,使糧堆內各部位糧溫基本達到平衡,有效控制和降低表層糧溫,從而實現整倉糧食全面低溫(准低溫),同時控制水分損失。

2.2 儲糧節能減損通風技術

在储粮通风时,减少储粮水分损耗,降低通风能耗,保持储糧食用品质,在安全储存糧食的前提下,争取效益的最大化,成爲近年研究的重要课题。2008年,王远成等利用节能保水轴流通风机开展节能保水通风应用试验,取得良好效果和显著经济效益,一個通风季节能耗和储粮水分损耗均降低1.7倍。2010年崔忠艾等闡述了保水降温通风的技术特点爲:控制通过粮堆的通风量小于临界单位通风量,逆温度梯度方向通风,选择适合的温湿度时机,及时判断通风过程状态、确定合理的目标粮温,控制合理的气流温差,选用节能保水双向风机。保水通風技術在全國糧庫開始大規模推廣應用节能保水通风技术现已成爲粮库安全保质储粮的基本操作工艺。

2.3 就仓干燥通风技术

(1)插管式就倉幹燥技術應用

爲解决糧食收获时水分高,糧食晾晒困难和机械烘干能力不足的问题。2004年,插管式就倉幹燥技術和成套設備得以應用和推廣,該成果填补了我国糧食干燥技术的一项空白,爲解决高水分糧食干燥问题开创了一条经济、合理、有效的技术途径。插管式就倉幹燥技術設備主要部分是由立體插管風道和主風道通風軟管組成。設備移動靈活,適應性廣,對糧堆大小、高低不限。根據糧堆情況,立體插管可單組使用或多組並用,而且可以打入糧堆不同的深度;可以消除地上籠通風死角,解決無地上籠需通風降水的問題和風道堵塞、地上籠布置不合理的降水問題;通過逐步提管分層進行通風,降水較均勻,解決了底部糧食水分丟失嚴重的問題;可以對糧堆任何部位的糧食進行處理,如糧食在儲藏期間由于濕熱擴散等原因,造成水分轉移分層並引起局部發熱。

但是該項技術應用時需要進行大量埋插管工作,降水通風過程中還需要逐步提管分層進行通風,操作繁瑣,勞動強度大,通風時機要求高,加熱裝置不節能等,使技術推廣應用受到影響。

(2)太陽能輔助熱泵就倉幹燥的技術應用

2006年“太陽能輔助熱泵就倉幹燥項目”列入國家十一五國家科技支撐計劃項目(糧食幹燥新技術裝備和設施研究開發),2007年開展了太陽能輔助熱泵就倉幹燥技術實倉應用試驗.代彥軍等總結了太陽能輔助熱泵就倉幹燥系統設計和實倉應用取得的成果。2010年該項目在鄭州通過國家科技部驗收。

太阳能辅助热泵就仓干燥系统由太阳能辅助热泵加热装置、粮仓送回风装置、通风地上笼和翻粮机械组成。环境空氣经太阳能辅助热泵加热装置被加热,被处理后的气流经粮仓送风装置送入粮仓,经仓内通风地上笼系统进行气流分配,形成均匀通风,對糧食自下而上进行干燥,干燥期间合理使用翻粮机械翻动糧食,以降低干燥过程的不均勻性。太阳能集热器采用全并联形式排列,集热器与热泵系统采用并联方式运行,热泵系统的冷凝器与蒸发器都爲铝翅片铜管式换热器。考虑到粮堆的阻力,分别单独设立太阳能集热器风机、冷凝器风机以及蒸发器风机,与粮仓送风系统组成整个干燥通风系统。工作模式分太阳能集热器与热泵联合加热通风,热泵单独加热通风,以及热泵除湿干燥通风等几种方式。太阳能辅助热泵就仓干燥流程工艺由太阳能辅助热泵干燥系统、通风地上笼送风系统以及糧食翻滚机械三大系统组成。加热系统可以保证干燥的高效性、低能耗以及安全性;通风地上笼保证了糧食水平方向上的干燥均勻性,搅拌机械则可以实现糧食垂直方向的干燥平均性,以及达到提高干燥效率,缩短干燥时间的效果。

太陽能輔助熱泵就倉幹燥技術是我國新能源利用政策中的一個重要組成部分,利用太陽能對糧食就倉幹燥,不僅對能源的可持續發展有重要意義,而且可以充分發揮糧食就倉幹燥溫度要求低的特點,實現太陽能的高效利用,可以彌補太陽能的間歇性與能量密度低的缺點,而且利用熱泵可以回收一部分從糧倉內出來的空氣潛熱。這將對實現高效、快速、安全的幹燥作業非常有意義。

2.4 儲糧通風新技術應用

(1)平房倉圭字形通風系統實倉應用技術

传统U型通风系统易在仓房底部和四角产生通风不均匀和存在通风死角问题。圭字形通风系统是一种新型通风道结构形式,满足通风降温、降水、谷物冷卻和就仓干燥的工艺技术要求,2010年黄麗波等首次试验證實了平房仓圭字形通风系统具有良好均勻性。实验测试表明,其通风阻力与一机三道相似,优于一机两道,但通风均勻性优于所有U字形通风道,避免了通风死角。該技术现已在全国大范围推广。

(2)平房倉橫向通風技術

传统平房仓竖向通风系统存在的主要问题是仓房地面遍布通风道,进出粮时需人工装拆,严重影响机械化进出仓作业,作业环境差,劳动强度大。粮堆橫向通风是一种全新的储粮通风方式,它是利用直接安装并固定在房式仓相對两侧内墙壁上的,高度低于装粮线的通风道,替代垂直通风系统中水平布置于地面的地上笼或地槽通风道,在猎撴实施薄膜密封后,通风时使气流从一侧风道吸入并橫向穿过粮堆后从另一侧风道排出,实施整个粮堆的不揭膜通风作业的一种新型储粮通风系统;該系统也可使排出的气流通过风机再送入另一侧的风道,实施环流均温通风、环流谷物冷卻、环流熏蒸和气调储粮等现代节能储粮新技术。由于該系统通风时使气流橫向水平穿过粮堆,因此称之爲粮仓橫向通风系统。平房仓橫向通风与竖向通风具有完全不同的技术特征:一是所有支风道固定安装在两侧檐墙上,免去糧食进出仓时装拆地上笼,仓房地面整洁,有利于实现糧食进出仓全程机械化作业;二是通风和储藏周期猎撴可全程覆膜,免去以前一個储藏周期需要多次覆膜、揭膜的麻烦;三是通风气流途径比减小到1.16以下,通風均勻性比豎向通風更好;四是采用負壓吸出式通風,氣流在糧堆內水平橫向流動,糧堆單位面積通風量比豎向通風提高35倍,通風氣流在糧堆內的流動路徑比豎向通風增加35倍,進入糧堆的氣體介質冷量、有效濃度等利用率大大提高,尾氣浪費極少,濕熱交換強度增強,峰面遷移速度和通風效率大幅度提高,有利于提高通風和環流各項安全儲糧工藝技術應用效果,達到儲糧期間節能減排與保質減損目的。

平房倉橫向通風技術的實施應用,不但是儲糧通風方式的一次變革,也將對房式倉糧食進出倉和收儲工藝技術帶來革命性影響,對推動房式倉實現糧食儲運機械化、自動化、智能化和綠色保鮮儲糧具有重要意義。

2.5 储粮通风智能控制技术

智能通風系統技術是近十年快速發展的儲糧通風控制技術,其特點是:通過糧情測控系統自動采集糧堆的糧情數據,利用專家的知識和經驗建立數學模型,根據不同通風目的,准確判斷通風條件,捕捉最佳時機,遠程控制軸流風機、離心風機等糧倉通風設備和糧倉門窗的開啓,進行智能化通風,避免低效通風、無效通風、過度通風和有害通風現象的發生,系統還可自動積累通風經驗,提高智能水平,能夠在糧庫通風決策與通風控制方面起到一個通風專家的作用,通過合理組合不同通風模式,提高通風效率、降低通風能耗,有效控制糧倉的儲糧環境和糧食品質,降低儲糧成本,從而實現節能減損安全儲糧的目標,同時大幅度減輕糧庫保管人員的勞動強度,改善糧庫工作環境。

1987年吳子丹等報道了儲糧機械通風的計算機控制系統,隨後又提出了窗口理論和CAE方程。2006年中儲糧總公司在全國不同生態儲糧區建立了10個智能通風示範庫,掀起了在全國推廣應用的高潮。目前智能儲糧通風技術已在全國大範圍推廣應用,但離智能化的目標還相差甚遠,主要問題是糧倉缺乏即時檢測糧堆溫度、濕度、水分、氣體等多參數檢測系統,不能全面了解和判斷糧堆糧情狀況;缺乏建立在綜合糧情基礎上的專家分析決策系統,不能根據實時糧情改變通風模式和參數,無法做到精准通風。因此,完善糧堆多參數檢測技術、建立專家分析決策系統及發展糧堆通風氣流組織理論和多場耦合理論,是儲糧通風智能化的關鍵。

3 儲糧通風理論進展

3.1 大糧堆具有各向異性

國家糧食局科學研究院通過在180模擬倉進行的小麥、玉米、稻谷三大糧種的多向通風試驗研究,發現各糧種不同通風方向單位糧層阻力具有明顯差異,大糧堆具有顯著各向異性,一些糧種橫向通風單位糧層阻力遠低于竖向通风,这一发现爲橫向通风技术应用奠定了理论基础。研究同时发现,产生各向异性的原因是有效孔隙率的不同,各方向的有效孔隙率可采用测量該方向单位粮层阻力的方法获得。这一方法爲粮堆多场耦合理论研究和计算机模擬仿真提供了重要手段。

3.2 糧堆阻力計算方法

(1)各糧種的糧堆各個通風方向的阻力特征完全符合多孔介質的力學規律,阻力計算公式的形式各方向完全相同,可以用多孔介質的滲流二項式定律即Hunter(1983)二項式公式精確的描述計算,也可以用近似的Shedd(1953)儲糧機械通風技術規程(LS/T 1202-2002)中的冪函數形式公式描述計算,且精度可以滿足工程需要。但各通風方向計算公式的系數各不相同。

(2)竖向通风粮堆存在明显的表层附加阻力,定义爲粮堆表层阻力,粮堆表层阻力与粮堆高度无关,可以用Shedd(1953)形式的幂函数公式近似描述计算,且精度可以满足工程需要。

(3)竖向通风粮堆阻力爲表层阻力与內部粮层阻力之和,由于粮层阻力与粮堆高度成正比,而粮堆表层阻力与粮堆高度无关,粮堆总阻力并不与粮堆高度呈严格的正比关系,因此粮堆阻力的正确计算方法爲粮堆內部粮层阻力与表层阻力两部分之和,爲储粮通风系统的设计和使用提供了理论支撑,具有重要的理論和工程價值。

3.3 通風設施阻力計算方法

2013年4月至8月,通过對实仓不同通风设施在不同风量条件下的大量测试试验研究,获得平房仓一机二道、一机三道、一机四道和圭字形布置时,支风道直径爲500mm和400mm两种标准形式地上笼风网的管网特性曲线,以及浅圆仓梳状通风道風網的管網特性曲线。试验表明各种通风系统的管网特性曲线可由相同形式的幂函数公式精确的描述;试验确定了各类风网阻力的工程化计算公式,解决了不同风网设施的阻力计算问题,爲储粮通风系统的设计和使用提供了理论支撑,具有重要的理論和工程價值。

3.4 橫向通風理論

相關實驗室研究得出的橫向通風主要理論結果是:

(1)同樣單位通風量條件下,橫向通風單位面積通風量即糧堆內表觀風速比豎向通風提高35倍,這是橫向通風過程中濕熱傳遞規律不同于豎向通風的關鍵影響因素。

(2)橫向通風的阻力約與該方向糧堆有效孔隙率βB及糧食平均粒徑d的成正比,稻谷和玉米等糧種橫向通風通風的有效孔隙率比豎向通風大1.2~1.4倍,這些糧種的橫向通風單位糧層阻力是豎向通風的40%~50%。

(3)糧堆傳熱和傳濕速度與單位面積通風量(糧堆表觀風速)的0.49次方成正比,由于橫向通風時單位面積通風量較大,可以采用較小的單位通風量達到相同通風效果。

(4)糧堆有效孔隙率可以通過測定糧堆單位孔隙率的方法獲得。

(5)归纳提出了工程化的橫向通风设施及糧堆阻力計算方法和公式。

以上成果爲橫向通风技术实仓应用奠定了理论基础。

3.5 通風條件和狀態判別控制理論

吳子丹等對糧食水分吸著“S”型曲線的線性區段進行數學擬合,産生了經驗式的EMC/ERH方程,即CAE方程。該方程用于計算機控制的糧食通風過程。將CAE方程輸入計算機,建立控制模型,並且與檢測糧溫、氣溫和相對濕度的糧情檢測系統結合,可以實現糧食通風的智能化控制。通過跟蹤氣溫、糧溫和濕度的變化,根據通風模型和通風窗口理論判斷結論控制通風機的運行。

3.6 儲糧保水通風理論

王远成等通过深入研究粮堆通风失水的原理,得出储粮通风失水数学模型及工程化计算公式和保水通风临界单位通风量计算方法,创立了一套保水通风工艺,爲保水通风技术应用奠定了理论基础。

3.7 糧堆模擬仿真理論進展

數值模擬技術在儲糧通風中應用的曆史並不長,國外從上個世紀八十年代開始應用CFD(computational Fluid Dynamics,简称CFD)技術對糧食儲藏過程中流動、熱濕傳遞現象進行數值模擬研究,國內則是近幾年才開始應用CFD對糧食儲藏通風過程進行數值模擬分析。

Metzger J F等人1983年提出了針對通風儲存小麥的一個模型,並使用CFD模擬強迫對流換熱和水分在垂直方向的傳遞及分布。Chang C S等人1993年和1994年提出一個基于熱質平衡理論的數學模型,並采用CFD方法預測了小麥通風儲藏過程中溫度和水分含量的分布規律,數值研究是基于有限差分方法,包括代表強迫對流傳熱傳質的源項。Smith E A 1996年采用有限元的方法對就仓干燥通风时底部具有水平通风道的锥形粮仓內部的速度和压力场进行了模擬分析。SUN DA WEN等人1997年提出一個針對谷物冷卻的數學模型,并应用該模型模擬了冬季英國東南部的圓筒倉內谷物冷卻過程中溫度、水分的變化規律。基于熱量和質量定律,2001Jia Canchun模擬了就倉通風過程中糧倉內儲藏小麥的溫度變化但是没有模擬小麥水分的变化。Iguaz A等人2004年提出了一個針對周期通風的儲藏大米的模型,並采用CFD方法預測了仓内温度的变化。Garg DMaier D E 2006年使用CFD软件(Fluent6.3)模擬分析了大型圆筒仓中粮粒非均匀分布时通风过程中粮仓內部的流场的分布规律。Daniela de Carvalho Lopes等人2006年基于CFD的方法編制一個软件程序AERO模擬使用變環境參數做條件的圓筒倉糧食通风过程中的温度的变化规律,而且糧食发热因素也被考慮。Lukasse L J S等人2007年建立了农产品就仓通风时仓内微气候动力学模型,并對土豆储存过程中的温度和水分进行了預測分析。Lukaszuk J等人2009年采用数值模擬的方法研究了几种粮粒在不同堆积方式情况下的通风阻力。

王远成等人2010年基于CFD技术對就仓降温冷却通风以及非人工干预情况下粮堆內部的温度和水分的变化過程進行了数值模擬研究并与实验结果进行了比较。主要研究成果包括:(1)根据局部热质平衡原理和吸湿解吸湿理论,建立了深层粮堆內部热湿耦合传递的數學模型。(2)采用计算流体动力学技术(CFD)對浅圆仓内粮堆的温度和水分随通风气流温度和水分改变而变化的规律进行了数值模擬研究。(3)采用CFD的方法,橫向谷冷通風時糧堆空氣內部流動、热量传递和水分迁移過程進行了數值分析證實大型房式倉橫向通風時糧堆內部具有快速降溫效果和良好均勻性(4)采用CFD的方法,橫向充氮气调時糧堆空氣內部氮气流動擴散過程進行了數值分析證實大型房式倉橫向充氮時糧堆內部氮气具有快速分布和良好均勻性(5)建立和验证了熏蒸剂(磷化氢)的對流扩散和吸附模型,並采用CFD方法對圆筒仓内谷物熏蒸过程中磷化氢浓度进行了数值預測。(6)基于有限元的方法模擬分析了外界气温和小麥分别爲273K和293K、293K和293K,小麥初始水分爲14%和18%时直径爲10m和高度爲10m的充满小麥的圆筒仓內部的自然對流流動和热湿迁移过程,重点研究了近似冬季和夏季仓储粮堆內部温度和水分的动态变化规律。(7)采用CFD的方法,對平房仓圭字形通风系统通風時糧堆空氣內部流動過程進行了數值分析證實圭字形通風道具有快速降溫效果和良好均勻性

4 儲糧通風技術展望

我國儲糧通風技術裝備經曆了從簡陋的竹籠通風和儲氣箱通風裝置發展到全金属地上笼和地槽通风系统;从以离心风机爲主体的通风机械到以混流风机、轴流风机和双向风机爲主体的通风机械。储粮通风的方式从以U字形通风道和圭字形爲代表的竖向通风方式发展到最新的橫向通风方式。储粮通风技术的操作控制方式从移动式人工连接风机、人工判断通风时机和通风过程发展到自动判断通风时机、自动完成通风操作的全自动通风过程。通风过程控制参数从定性分析憑經驗選擇到定量分析自動計算储粮通风的目标从安全保质发展到节能减损和保量保鲜。随着近期储粮多参数粮情检测技术、信息技术、智能控制技术和粮堆多场耦合控制理论发展,以及太阳能光伏和浅层地能等新型能源利用技术及橫向通风技术在粮库的推广应用,储粮通风技术必将朝着以保持储粮商品价值和口感等食用品质爲目标的智能化方向发展。

储粮机械通风技术今后的研究方向:建立健全适合于工程应用的粮堆空氣流動及传热传质基本理论和多场耦合应用理论体系,完善储粮通风过程中各种参数之间的关系方程和工程计算公式,解决储粮通风过程中定量分析各种参数变化规律和计算问题,建立以多参数粮情检测数据爲基础的专家分析决策控制系统,建立和完善以太阳能光伏等新型能源利用技术爲背景和保量保鲜储粮爲目标的储粮通风控制模型和控制方法及配套的硬件系统,真正实现储粮通风操作精准化和智能化。