具有吸湿和呼吸特性的仓储粮堆内热湿耦合传递规律的研究

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粮食进行长时间的储藏,温度和水分含量是需要特别关注的两个参数,它们对粮食的发热、霉变有很重要的影响,决定了粮食品质的好坏。大气温度的作用以及粮食作为生命体本身具有的吸湿/解吸湿和呼吸作用,是引起粮堆内热量传递和水分迁移的主要因素。鉴于此,本文选取小麦为研究对象,研究了小麦的吸湿/解吸湿和呼吸作用引起的粮堆水分和温度变化。在粮堆中,由于温度梯度的原因,水分不断从高温区域向低温区域运动,这有能会使低温区域水分超过粮堆储藏的安全水分,此时,粮堆微生物大量繁殖,有可能会引起粮堆变质。极端的情况下,空气遇到过冷的粮堆表面,甚至有可能会低于露点温度,然后会导致水分在粮仓的壁面或者粮堆表面凝结,使这个区域的水分含量增加。这时需要采取人工措施(如通风、晾晒)来降低水分,以防止小麦发生霉变。本课题首先运用宏观体积法与局部热平衡原理,并且分析了主要由大气温度变化引起的自然对流的影响,同时考虑吸湿/解吸湿和呼吸作用对温度和水分的影响,进而构建粮堆内部的水分迁移、温度传递的数学模型。本课题研究的是高度为10m、半径5m的圆筒仓,由于圆筒仓为轴对称图形,故选取圆筒仓的一个任意轴向截面的一半作为本文将要计算的几何模型。并且通过与Kishor K. Khankari的模拟结果和实验结果加以对比,验证了本文所建立模型的可行性。本文研究了冬季与夏季两大类工况,大气温度取逐日变化的温度,以100天为个周期。粮堆初温为-10℃近似看做冬季工况,粮堆初温为30℃近似看做夏季工况,冬季和夏季工况均模拟了初始水分12%和14%的情况,所有工况又分考虑呼吸源项和不考虑呼吸源项两种情况,以便对比分析小麦呼吸作用引起水分和温度的变化。冬季工况下,整个周期的温度均低于入库时的粮温(30℃),由于粮堆和大气之间存在温度差,随时间的变化,粮堆的温度从内到外逐渐降低;夏季工况下,整个周期的温度均高于入库时的粮温(-10℃),随时间的变化,与冬季工况类似,粮堆内部也会逐渐产生温度差,粮堆的温度从内到外逐渐升高。在冬季工况下,粮堆内部的温度较高,边界温度较低,在温度梯度的作用下,粮堆水分主要向求解区域的上边界和右边界迁移,并且水分梯度主要集中在求解区域的上边界、右边界和底边界的右侧,这可以为粮堆的安全储藏提供指导;夏季工况下,粮堆水分迁移是从上边界、右边界和底边界的右侧向求解区域内部传输,水分梯度主要发生在上边界、右边界和下边界的右侧。由于水蒸气组分守恒和流体流动的共同作用,粮堆的边界处水分含量偏低。但是,夏季工况下粮堆内部水分升高幅度不如冬季工况那么显著,这主要是因为夏季工况下,小麦的初始粮温较低,小麦的呼吸很弱,因此由呼吸作用产生的水分也较少。
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