一种粮食床通风过程中温度和水分变化的模拟分析方法技术

本发明专利技术公开了一种粮食床通风过程中温度和水分变化的模拟分析方法，所述方法包括：基于粮堆焓平衡方程和水分平衡方程，采用离散化方法将粮食床分成N个节段，采用粮食平衡水分方程计算第1个节段的粮层含水率，然后采用迎风差分格式将温度和水分分配到第2、3、4、······N‑1、N节点的过程。能够合理估计变化的粮食温度和含水率，通风空气的温度和湿度通常在通风过程连续变化，本发明专利技术的方法模拟通风粮堆的热量和水分迁移，给出热量和质量平衡方程的逐步推导，就一维系统假定均一流速的气流通过粮食床，热量也仅在气流方向流动，既可阐明解决问题的原理，又可保证软件程序中简单而整体的代数式。

【技术实现步骤摘要】
一种粮食床通风过程中温度和水分变化的模拟分析方法
本专利技术涉及食品科学
，具体涉及一种粮食床通风过程中温度和水分变化的模拟分析方法。
技术介绍
目前，国家加大了对粮食储运领域应用基础研究，一些学者开始探索粮堆的温度和水分迁移过程，当前国内公开的试验结果主要是采用商业计算流体动力学(CFD)软件进行模拟。该软件包含了连续性方程、动量守恒方程、对流传热方程和水分迁移方程，其运行计算机语言环境是Fluent软件中的Fortran语言,该软件非常昂贵，一般科技工作者和粮库无法利用。探索粮堆温度和水分迁移过程的算法，意义重大。粮堆生态系统中生物与非生物成分之间相互作用，是动态的，每个成分持续地影响其它成分。通风的作用就是运动合适质量的空气穿过粮堆以调节储粮存在的条件。粮食储藏作业的目标就是保持粮食的品质，减少昆虫、螨类、霉菌危害粮食的可能性。为了成功实现这个目标，就要调控储粮生态系统微生境，造成粮食籽粒内、粮堆(空间或籽粒之间)空隙内的物理和化学条件对有害生物是敌对的，而有益于粮食品质保持。在实践应用方面，国家粮食局2002年发布了《储粮机械通风技术规程》(LS/T1202-2002)，提出了允许降温通风的温度条件和湿度条件。在这个储粮技术规程及我国粮食储藏学科的专著中，对通风过程缺乏描述。粮堆降温通风作业往往伴随降水，温度迁移前沿区带早于水分迁移前沿区带，国内对粮堆降温通风期间温度和水分迁移的前沿区带和尾巴区带缺乏研究。与国外粮食品种单一、储存时间短的储粮比较，考虑我国的粮仓仓型、储粮区域、粮食种类品种、储存时间、粮食含水率及杂质含量等因素到通风过程模拟中，有利于节约能耗，降低粮堆水分损失，达到优粮优储的目标。粮堆物理特性的知识提供了粮堆通风作业的原理基础。粮堆的物理特性是内在联系的，并被其它的物理、生物因素所影响。粮堆颗粒间隙的条件包括空气的湿度和温度、有毒气体如熏蒸剂、接触式杀虫剂。颗粒间隙的条件强烈影响粮堆籽粒的条件。粮食颗粒之间的空气温度和湿度是最关键的非生物因子变量，通过通风作业过程调控。粮堆内湿度和干球温度对应于籽粒间隙空气的湿球温度，湿球温度与昆虫群体生长的速率直接相关。在粮堆中霉菌倾向于如何发展，也是粮堆温度和湿度的函数。
技术实现思路
为此，本专利技术提供一种粮食床通风过程中温度和水分变化的模拟分析方法。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术提供一种粮食床通风过程中温度和水分变化的模拟分析方法，所述方法包括：基于粮堆焓平衡方程和水分平衡方程，采用离散化方法将粮食床分成N个节段，采用粮食平衡水分方程计算第1个节段的粮层含水率，然后采用迎风差分格式将温度和水分分配到第2、3、4、······N-1、N节点的过程。本专利技术的一个实施例中，所述离散化方法为：在通风气流方向将粮食床分为N-1层，粮食床的高度是L，每个层长度是Δx，则方程为Δx＝L/(N-1)所述第1个节段的粮层含水率的计算方程为：其中，M是平衡含水率，小数干基表示，ERH是平衡相对湿度，小数表示；系数A、B、C与之对应的国产粮食种类的如表1所示。本专利技术的一个实施例中，所述粮堆焓平衡方程为：式中，M，粮食含水率，干基小数表示；T，粮堆温度，℃；w，粮粒间隙空气的湿度比率，kg水/kg空气；x,一维方向的距离，m；t，通风时间，hr；Hw，粮堆湿化积分热，J/kg；hs，粮堆吸附等热，J/kg；hv，粮堆游离水汽化潜热，J/kg；hv＝hs+Hw。Ca，空气的比热，1.0J/(g·K)；Cσ，粮食的比热，1.3J/(g·K)；C1，水的比热，4.18J/(g·K)；ρa，空气密度，取为1.2kg/m3；ρσ，粮食籽粒的密度，取为1300kg/m3；ρ1，粮堆籽粒间隙水蒸气的密度，等于ρσ·(1-ε)，取为780kg/m3；ε是粮堆空隙率，取0.4；keff，通过粮食床的热传导率，取为0.15W/(m·℃)；fa，通过单位床面积的通风气流速率，kg/(m2·s)。本专利技术的一个实施例中，所述粮堆水分平衡方程为:式中，μa是含有湿蒸气的干空气速率，m/s。将fa＝ρa·μa代入粮食水分平衡方程得：式中，假定水蒸汽和空气具有相同的速率。本专利技术的一个实施例中，所述粮食床水分平衡方程通过下述质量方程解释水分通过粮食床任何附加的运输可能来自水蒸气的扩散：式中，Deff，通过粮食床的水蒸汽扩散率，取为5×10-6m2/h；。本专利技术的一个实施例中，所述粮层水分平衡方程进一步处理为：式中，分别是第p+1，p时刻步态后第i节点的粮食含水率；分别是第p时刻步态后第i+1，i，i-1节点的空气湿度比率；在零时刻步态后第i节点的值(p＝0)是已知的，该水分平衡方程用于计算时刻Δt之后的本专利技术的一个实施例中，所述迎风差分格式为：式中，wi，wi-1分别是第i、i-1节点的粮食颗粒间隙空气的湿度比率。本专利技术的一个实施例中，所述方法包括采用中心差分格式计算粮食床湿度比率、温度和水分速率变化的二阶导数。本专利技术的一个实施例中，所述方法还包括通过算法中对高含水率玉米粮堆涉及储藏真菌引起的呼吸热。本专利技术具有如下优点：本专利技术的粮食床通风过程中温度和水分变化的模拟分析方法，能够合理估计变化的粮食温度和含水率，通风空气的温度和湿度通常在通风过程连续变化，本专利技术的方法模拟通风粮堆的热量和水分迁移，给出热量和质量平衡方程的逐步推导，就一维系统假定均一流速的气流通过粮食床，热量也仅在气流方向流动，既可阐明解决问题的原理，又可保证软件程序中简单而整体的代数式。本专利技术的模拟分析方法试验证明：采用湿度比率0.013kg/kg和20℃空气降温通风35℃和含水率13.5％的稻谷粮堆，稻谷粮堆平均温度和含水率在通风150小时分别是23.57℃和12.42％，在通风200小时分别是21.09℃和12.25％，在通风300小时分别是20.03℃和12.49％。采用湿度比率0.013kg/kg和20℃空气通风35℃和含水率12.0％的大豆粮堆，粮堆平均温度和含水率在通风150小时分别是23.22℃和11.30％，在通风200小时分别是20.89℃和11.20％，在通风300小时分别是20.02℃和11.48％。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粮食床通风过程中温度和水分变化的模拟分析方法，其特征在于，所述方法包括：基于粮堆焓平衡方程和水分平衡方程，采用离散化方法将粮食床分成N个节段，采用粮食平衡水分方程计算第1个节段的粮层含水率，然后采用迎风差分格式将温度和水分分配到第2、3、4、······N-1、N节点的过程。/n

【技术特征摘要】
1.一种粮食床通风过程中温度和水分变化的模拟分析方法，其特征在于，所述方法包括：基于粮堆焓平衡方程和水分平衡方程，采用离散化方法将粮食床分成N个节段，采用粮食平衡水分方程计算第1个节段的粮层含水率，然后采用迎风差分格式将温度和水分分配到第2、3、4、······N-1、N节点的过程。


2.如权利要求1所述的粮食床通风过程中温度和水分变化的模拟分析方法，其特征在于，
所述离散化方法为：在通风气流方向将粮食床分为N-1层，粮食床的高度是L，每个层长度是Δx，则方程为：
Δx＝L/(N-1)
所述第1个节段的粮层含水率的计算方程为：



式中，M是粮食平衡含水率，小数干基表示，ERH是平衡相对湿度，小数表示；T是粮堆温度，℃；系数A、B、C如表1所示；
表1








3.如权利要求1所述的粮食床通风过程中温度和水分变化的模拟分析方法，其特征在于，所述粮堆焓平衡方程为：



式中，M，粮食含水率，干基小数表示；T，粮堆温度，℃；w，粮粒间隙空气的湿度比率，kg水/kg空气；x,一维方向的距离，m；t，通风时间，h；Hw，粮堆湿化积分热，J/kg；hs，粮堆吸附等热，J/kg；hv，粮堆游离水汽化潜热，J/kg；hv＝hs+Hw；
Ca，空气的比热，1.0J/(g·K)；Cσ，粮食的比热，1.3J/(g·K)；C1，水的比热，4.18J/(g·K)；ρa，空气密度，取为1.2kg/m3；ρσ，粮食籽粒的密度，取为1300kg/m3；ρ1，粮堆籽粒间隙水蒸气的密度，等于ρσ(1-ε)，取为780kg/m3；ε是粮堆空隙率，取0.4；keff，通过粮食床的热传导率，取为0.15W/(m·℃)；fa，通过单位床面积的通风气流速率，k...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兴军，管超，赵玉霞，颉宇，陶利思，秦文，
申请(专利权)人：国家粮食和物资储备局科学研究院，国贸工程设计院，
类型：发明
国别省市：北京;11