平房仓谷冷机选型设计探讨

◎ 杨迎亚，刘 磊，秦彦霞

（郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450053）

谷冷机低温储粮技术是储粮四项新技术之一，它具有预防粮食生虫和发霉、降低粮食损耗、平衡粮堆温度和水分、预防高水分粮发热及改善粮食加工品质等作用，是确保储粮安全、品质良好的重要保粮手段之一[1]。谷冷机是一种将空气降温、调湿后，送入粮堆内通风降温的设备，在我国高温高湿区域使用非常普遍。由于谷冷作业在不同工况下使用效果差异很大，目前并没有完善的冷负荷计算模型，用户难以根据现场条件确定作业所需的负荷、时间等。本文提出一种在不同工况条件下配置谷冷机的方法。

1　理论依据

粮仓内热量传递是一个相当复杂的物理过程，既有内部系统的热传导、热对流，又易受外界环境的影响，仓内的热量变化很难动态分析。但根据热力学第一定律可知：“系统状态变化，其热力学能的变化只取决于系统的始态、终态，而与变化途径无关”。因此在分析谷冷作业的过程中，只需要分析系统通过不同途径传递热量之和，根据能量守恒定律，它与谷冷机排出外界的热量相等。

2　传热途径分析

在一个完整的谷冷作业中，粮仓系统热量的变化主要由以下途径组成：①仓内粮食降温损失的热量。②仓内空气降温损失的热量。③外环境通过仓壁围护结构传导的热量。④仓内空气向外界对流损失的热量。⑤粮食呼吸作用产生的热量。分别计算不同途径的变化量求和，即可求得谷冷机冷负荷。

2.1　谷冷过程中几个重要参数

（1）温度。在生产实际中，仓温由温度计直接测得，表征粮堆上方空气层的温度。粮温由粮情测控系统测得（T1T2…Tn），表征粮堆内部温度情况，为便于计算，将其取算术平均值：

在后续计算中，将仓温、粮温的变化认为随时间呈线性关系，则谷冷过程中任意时间温度记作：

粮温：

式中：t0为谷冷作业时间（h）；T1为谷冷始态粮温（℃）；T2为谷冷终态粮温（℃）；T3为谷冷始态仓温（℃）；T4为谷冷终态仓温（℃）。

（2）热阻。一般平房仓维护结构由多层材料组成，设有n层，则仓壁的总热阻表示为：

式中：R为仓壁维护结构总热阻（℃/kW）；δi为第i层材料的厚度（m）；λi为第i层材料的导热系数（kW/m·k）；Ai为第i层材料的传热面积（m2）。

（3）湿空气比焓。在对流传热过程中，仓内进入或排出的空气温度随时间发生变化，这意味着对流传递的热量也是动态的，因此找出比焓随温度变化的函数，才能计算对流过程中传递的热量。根据比焓计算公式，求得常用条件下的比焓值（见表2）。

式中：I为湿空气的比焓（kJ/kg）；T为温度（℃）；H为含湿量（kg/kg）；φ为相对湿度；pv为饱和水蒸气压（kPa），见表1。

表1　水蒸气饱和压力表（单位：kPa）[3]

表2　常用比焓值表（单位：kJ/kg）

根据计算的数据（表2），绘制出比焓与湿度、温度关系的曲线，如图1所示。

图1　在不同湿度条件下比焓与温度的关系图

经观察，曲线呈指数形状，记作I=UeβT，U、β为待定系数。对数据进行回归分析，得到不同湿度条件下系数的值（见表3）。

表3　常用湿度条件下系数表

分析发现β的值很接近，β主要确定曲线的形状，图1中曲线的形状很相似也说明了这一点，故可以用平均值来代替β，（0.051 3+0.052 3+0.053 2+0.053 9）/4≈0.053。根据表3数据，绘制出参数U与湿度φ的曲线（见图2）。从图中可以看出，U与φ呈线性关系，同理求出表达式为U=10.23φ+8.83。将两个函数联立，得到比焓关于湿度和温度的近似函数：I=(10.23φ+8.83)e0.053T。后文中比焓值均利用此公式计算。

图2　参数U与湿度φ关系曲线图

谷冷机出风口速度。外界空气进入谷冷机后被冷却降温，向外界释放热量，降温、调湿后的空气经风机送入仓内。根据能量守恒定律，单位时间内谷冷机散热量等于进、出风口的空气焓差。

式中：P谷为谷冷机冷负荷（kW）；ρ为空气密度，取1.2 kg/m3；q为谷冷机出风口风速（m3/s）；I进为谷冷机进风口温度T进下的比焓（kJ/kg）；I出为谷冷机出风口温度T出下的比焓（kJ/kg）。

2.2　不同途径热传递计算

（1）仓内粮食损失的热量。比热是指单位质量物质每升高l ℃时，所需要的热能，表征物体吸热或散热能力。粮食在谷冷作业前后释放的热量可以利用比热以及温度差计算：

式中：Q1为仓内粮食损失的热量（kJ）；c为粮食比热[kJ/(kg·℃)]；G为粮食存储量（kg）。

（2）仓内空气损失的热量。仓内空气损失的热量可以用其始态、终态的空气焓变ΔH表示。空气焓的计算以装粮线为界，分为仓上层和粮堆内两部分，空气焓等于空气质量乘以比焓。

式中：Q2为仓内空气损失的热量（kJ）；V仓为仓上层空间体积（m3）；V粮为粮堆体积（m3）；η为粮食空隙率；I1为始态粮温T1下的比焓（kJ/kg）；I2为终态粮温T2下的比焓（kJ/kg）；I3为始态仓温T3下的比焓（kJ/kg）；I4为终态仓温T4下的比焓（kJ/kg）。

（3）仓壁热传导。热传导选取温度稍低的粮温作为内部基准温度，对于任意微小时间内传导的热量用εQ表示，由于作业时间t0单位为h，积分时将其换算为s。则在整个作业时间内传导的能量为：

式中：Q3为通过仓壁传导的热量（kJ）；T外为室外环境平均温度（℃）；T粮为仓内任意时刻粮温（℃）。

（4）对流途径。在谷冷过程中，谷冷机不停向仓内吹进一定体积的空气，此时仓内增加这部分空气含有的内能。根据体积守恒，系统同时从窗户排出相同体积的空气，此时系统损失这部分内能。任意微小时间内能量的变化用εQ表示，系统任意时间通过对流传递的净热表示为：

式中：I出为谷冷机出风口温度T出下的比焓（kJ/kg）；I仓为任意仓温T仓下的空气比焓（kJ/kg）。

谷冷作业如果进行环流作业，则谷冷机进风口来自粮仓排出的空气，即I进=I仓。不环流时，进风口来自室外环境空气，即I进=I外。室外温度为与谷冷机出风口温度均为固定值，则I外、I出在下式积分中均为常量。仓内排出的空气温度随时间变化，I仓为随时间变化的函数。对流过程中排出仓外的空气比焓与时间的关系式为：

式中：Q4为系统通过对流途径传递的净热量（kJ）。

（5）粮食呼吸热。粮食在保管过程中，粮食会不断的进行呼吸作用，主要是消耗自身营养物质分解生成水和二氧化碳，同时产生热量。粮食品种、温度、湿度不同，其呼吸热功率也不同，粮食呼吸作用产生的热量表示为：

式中：Q5为粮食呼吸作用释放的热量（kJ）；Ph为单位体积粮食呼吸热功率（kW/m3）。

粮食呼吸强度一般随温度、含水量的升高而变强，且新粮的呼吸强度大多高于陈粮，在安全储粮条件下一般不大于0.003 kW/m3，当仓温在15 ℃以下时，此项可忽略不计[4]。

3　总结

3.1　谷冷机冷负荷计算

根据前文论述，粮仓系统内部能量的变化等于系统与环境间热传递的净值，Q4=Q1+Q2+Q3+Q5，将各途径传热公式带入后，可以求得环流条件下公式①以及非环流条件下公式②，与比焓函数③联立，即可求得谷冷机冷负荷：

3.2　适用范围及推论

本文对仓内温度变化的处理是建立在空气能快速换热的条件下，表现为仓内各处温度均匀、随时间线性变化，故此模型适应于装粮高度较低的平房仓。

由公式可知，在始态、终态条件确定下，谷冷机负荷只与作业时间有关，确定一个参数即可求得另一个，可指导库区合理组织谷冷作业。另外还可以与粮仓智能化系统结合，为其提供数学模型，智能化系统根据粮情测控系统收集的数据以及人工设定的阈值条件进行实时分析，为用户提供及时、精确的决策信息。

通过观察公式，在谷冷作业过程中，仓内空气与粮食的降温热量是固定的，对于传导过程，通过设计合理的保温材料，提高粮仓维护结构热阻，对降低热传导量、提高粮堆抗干扰能力、降低夏季复冷间隔具有积极意义。对于对流过程，谷冷机进风口温度越低，作业所需冷负荷越小，因此建议选择在背阴处或夜间作业，可以提高使用效率；当环境空气大于仓内空气热焓时（I外＞I仓），选择环流作业方式更为经济。