CN114216928A - 粮堆气流阻力与传热特性测量用模拟粮仓装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种粮堆气流阻力与传热特性测量用模拟粮仓装置及测量方法，模拟粮仓装置包括装置架和竖向加载机构，装置架上设置有竖向布置的模拟筒仓，模拟筒仓的底部为进气口，进气口连接有气源，进气口处设置有气体分布板，竖向加载机构包括能在模拟筒仓内腔中上下移动的加载板，加载板上设置有透风孔，竖向加载机构还包括通过第一铰接结构与装置架铰接相连的加载杠杆及用于对加载杠杆加载的加载结构，加载杠杆位于模拟筒仓的下侧，竖向加载机构还包括设置于模拟筒仓外围的竖向布置的传力架，传力架上端与加载板相连，传力架下端通过第二铰接结构与加载杠杆相连。本发明解决了现有的竖向加载形式结构复杂且会增加产品高度的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及粮食存储安全技术领域，尤其涉及一种粮堆气流阻力与传热特性测量用模拟粮仓装置及测量方法。
背景技术
我国是产粮大国，同时也是储藏粮食最多的国家之一。粮食储藏是将谷物从收获到加工过程中必不可少的一个阶段，粮食在粮仓的储藏过程中，由于储藏过程中的温度、湿度不合适，容易出现结露、虫害、霉变等问题，这是粮食损失的主要原因。
为了消除或减少储藏过程中粮堆温度和湿度变化，需要持续监测仓内粮堆的气流及温湿度状况。粮仓中通常采用机械通风除去谷物中的多余水分或降低谷物的温度。通风过程在很大程度上取决于流经散状谷物空气的气流阻力，通过粮堆的空气不均匀流动可能导致粮食降温不均匀，使粮堆存在局部高温点。
粮堆中不同堆高处的竖向压力分布不同，随着粮堆深度的增加，粮堆的竖向压力增加，使得粮堆被压缩密实，也就是说不同深度的粮堆空隙率不同，空隙率在粮堆内部是分布不均匀的。孔隙率是通风设计优化及其智能控制的重要特征参数，它会影响谷物曲折度、干燥相界面的有效蒸发面积、粮堆的热传导系数和粮堆中的气流阻力，因此研究受压作用下粮堆的气流阻力与传热特性具有重要意义。
现有的大部分通风装置忽视了粮堆竖向压力作用下，粮堆内部孔道的复杂性，对通风期间散装谷物中的气流阻力与温度传递研究偏差较大，难以预测仓内粮食与气体间的相互作用情况。也有通过在粮堆上面设置液压缸对粮堆进行竖向加载，这种加载方式需要设置较高的反力支架，结构复杂，设置成本较高，且会导致整个模拟粮仓高度较高，对模拟粮仓整体强度要求较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种粮堆气流阻力与传热特性测量用模拟粮仓装置，以解决现有的竖向加载形式结构复杂且会增加产品高度的技术问题；本发明的目的还在于提供一种使用该模拟粮仓装置的测量方法。
为解决上述技术问题，本发明中粮堆气流阻力与传热特性测量用模拟粮仓装置的技术方案如下：
粮堆气流阻力与传热特性测量用模拟粮仓装置，包括装置架和竖向加载机构，其特征在于：装置架上设置有竖向布置的模拟筒仓，模拟筒仓的底部为进气口，进气口连接有气源，进气口处设置有气体分布板，竖向加载机构包括能在模拟筒仓内腔中上下移动的加载板，加载板上设置有透风孔，竖向加载机构还包括通过第一铰接结构与装置架铰接相连的加载杠杆及用于对加载杠杆加载的加载结构，加载杠杆位于模拟筒仓的下侧，竖向加载机构还包括设置于模拟筒仓外围的竖向布置的传力架，传力架上端与加载板相连，传力架下端通过第二铰接结构与加载杠杆相连。
加载结构包括用于设置于加载杠杆一端的加载砝码，第二铰接结构位于第一铰接结构与加载砝码之间，加载砝码距离第二铰接结构的距离是第一、第二铰接结构之间间距的4～15倍。
加载结构还包括用于套设于加载杠杆一端的平衡锤，平衡锤、加载砝码分别位于加载杠杆的两端。
传力架包括位于模拟筒仓两侧的传力杆、固定于传力杆上端的上传力板和固定于传力杆下端的下传力板，第二铰接结构设置于下传力板与加载杠杆之间，上传力板上螺纹连接有竖向布置的加载杆，加载杆的下端与加载板相连。
模拟筒仓的筒壁上沿上下方向开设有至少两组筒壁测压孔，各组筒壁测压孔均包括至少两个沿模拟筒仓周向间隔布置的所述筒壁测压孔，模拟筒仓装置还包括通过软管与各筒壁测压孔相连的微压计。
模拟粮仓装置还包括用于使用时分布于模拟筒仓内部的温湿度传感器。
模拟筒仓上设置有沿上下方向布置的高度刻度。
装置架包括下工作台和固定于下工作台上端的上工作台，下工作台包括台面和工作台支腿，下工作台的台面上于所述上工作台的外围设置有供传力架在上下方向上穿过的传力架穿孔，上工作台为竖向布置的筒形结构，气体分布板和模拟筒仓固定于上工作台的上端，气源通过连接筒与模拟筒仓的进气口相连，连接筒位于上工作台的内腔中。
下工作台的台面下侧固定有竖向布置的固定杆，第一铰接结构设置于固定杆下端与加载杠杆之间。
本发明中测量方法的技术方案为：
该方法包括以下步骤，第一步，将粮食颗粒分层倒入到模拟筒仓中，每次装入的粮食层摊平处理，粮食颗粒构成的模拟粮堆中分布有温湿度传感器，温湿度传感器排列分布成沿竖向间隔布置的至少两组，各组温湿度传感器均包括至少两个沿模拟筒仓径向间隔分布的所述温湿度传感器；
第二步，调节加载板的高度，使加载板与模拟粮堆的顶部表面接触，调节平衡锤，使加载杠杆处于平衡姿态，保持传力架竖直布置；
第三步，在加载砝码不对加载杠杆加载的条件下，模拟自然储粮状态，气源以固定流量向模拟筒仓底部吹气，微压计通过测压孔测量对应位置气流压力；
第四步，通过加载砝码分级对加载杠杆加载，改变加载板对模拟粮堆的压力值，模拟不同储粮高度状态，与第三步相同的流量气体向模拟筒仓底部吹气，得到不同储粮高度下粮堆的气流阻力；
第五步，调节气源对模拟筒仓底部的送风量，设置多组不同风量的送风工况，在加载砝码不对加载杠杆加载的条件下，得到不同风量下粮堆的气流阻力；
第六步，在加载砝码不对加载杠杆加载的条件下，调节送风温度，设置多组不同温度的送风工况，通过温湿度传感器记录粮堆温湿度随时间变化的竖直；改变加载板对模拟粮堆的压力，记录温湿度数据。
本发明的有益效果为：本发明中，利用模拟筒仓下侧的加载杠杆对加载板施加作用力，加载杠杆的作用力通过传力架传递给位置考上的加载板，这样就大大降低了对设备所需的整体高度，不需设置反力支架，竖向加载机构的结构简单，利用杠杆原理对模拟粮堆进行加载，可以模拟出范围较广的加载力，从而模拟不同高度粮堆的竖向压力分布，随着粮堆深度的增加，竖向压力增加，使得粮堆被压缩密实，本发明可以通过较简单的结构，较低的设备高度模拟出不同高度粮堆下孔隙率的变化规律。
附图说明
图1是本发明中粮堆气流阻力与传热特性测量用模拟粮仓装置的一个实施例的结构示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是图1中模拟筒仓、加载板和传力架的配合示意图；
图4是图1中连接筒的结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是图1中气体分布板的结构示意图；
1、下工作台；2、上工作台；3、模拟筒仓；4、加载板；5、加载杆；6、传力架；7、加载杠杆；8、固定杆；9、连接筒；10、气体分布板；11、连接螺栓；12、气路；13、涡街流量计；14、气源；15、筒壁测压孔；16、软管；17、微压计；18、温湿度传感器；19、平衡锤；20、加载砝码；21、上传力板；22、下传力板；23、第一铰接结构；24、第二铰接结构；25、传力杆；26、连接筒法兰。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。
本发明中粮堆气流阻力与传热特性测量用模拟粮仓装置的实施例如图1～6所示：包括装置架、竖向加载机构和竖向布置的模拟筒仓3，装置架包括下工作台1和固定于下工作台1上端的上工作台2，下工作台1包括台面和工作台支腿，上工作台2为竖向布置的筒形结构，上工作台2的底部通过螺栓固定于下工作台的台面上。
模拟筒仓3由透明材料制成，模拟筒仓3的外周设置有沿上下方向布置的高度刻度，模拟筒仓筒螺栓固定于上工作台的上端，模拟筒仓3的底部为进气口，模拟筒仓与上工作台之间设置有气体分布板10，气体分布板上均匀分布有透气孔。
模拟粮仓装置还包括通过连接筒9与进气口相连的气源14，气源14包括鼓风机，连接筒9位于上工作台的内腔中，连接筒9为变径筒，其包括上下布置的大径段、小径段以及连接于大径段与小径段之间的过渡段，大径段的上端与模拟筒仓3的底部相连，鼓风机通过气路12与连接筒的下端相连，气路上设置有涡街流量计13和电加热器(图中未示出)。
模拟筒仓的筒壁上沿上下方向开设有两组上下间隔布置的筒壁测压孔15，各组筒壁测压孔15均包括多个沿模拟筒仓周向间隔布置的筒壁测压孔15，模拟筒仓装置还包括通过软管与各筒壁测压孔相连的微压计17。模拟粮仓装置还包括用于使用时分布于模拟筒仓内部的温湿度传感器18，在使用时，温湿度传感器18排列分布成沿竖向间隔布置的至少两组，各组温湿度传感器均包括至少两个沿模拟筒仓径向间隔分布的所述温湿度传感器。
竖向加载机构包括能在模拟筒仓内腔中上下移动的加载板4，加载板4上设置有透风孔，竖向加载机构还包括通过第一铰接结构23与下工作台铰接相连的加载杠杆7及用于对加载杠杆加载的加载结构，本实施例中的加载结构为加载砝码20，根据需要可以在加载杠杆的一端挂上合适重量的加载砝码。加载杠杆通过第二铰接结构24与传力架6下端相连，第二铰接结构24位于第一铰接结构23与加载砝码20之间，加载砝码20距离第二铰接结构24的距离是第一、第二铰接结构之间间距的12倍。加载杠杆7位于模拟筒仓的下侧，竖向加载机构还包括设置于模拟筒仓外围的竖向布置的传力架6，传力架6上端与加载板4相连，传力架6下端通过第二铰接结构24与加载杠杆7相连。本实施例中的第一铰接结构、第二铰接结构均包括铰接轴和铰接孔，铰接结构属于现有技术，其具体结构不再详述。
在本实施例中，传力架6包括位于模拟筒仓两侧的传力杆25、固定于传力杆上端的上传力板21和固定于传力杆下端的下传力板22，第二铰接结构24设置于下传力板22与加载杠杆7之间，上传力板21上螺纹连接有竖向布置的加载杆5，加载杆5的下端与加载板4相连，加载杠杆7位于下传力板22的上侧。
加载结构还包括用于套设于加载杠杆一端的平衡锤19，平衡锤19、加载砝码20分别位于加载杠杆7的两端。通过改变平衡锤19在加载杠杆上的位置或者改变平衡锤的重量来调节加载杠杆上未连接加载砝码时的平衡姿态。
下工作台的台面下侧固定有竖向布置的固定杆8，加载杠杆7通过第一铰接结构23与固定杆8下端铰接相连。下工作台的台面上于上工作台的外围设置有供传力架6在上下方向上穿过的传力架穿孔。
使用时，加载砝码对加载杠杆的作用力，可以经下传力板、传力杆、上传力板、加载杆传递到加载板上，进而传递给模拟筒仓中的模拟粮堆，从而对模拟粮堆上端施压，以模拟出不同高度粮堆所受到的不同压力。加载杠杆的设置，利用力臂结构，这样加载砝码的重量不需要太大，方便操作人员对加载砝码进行取放；且加载砝码的位置较低，操作方便的同时，也大大降低了产品的总高和重心高度，一方面有利于产品稳定性的提高，另外也降低了对使用空间高度的限制要求；加载杆、上传力板、下传力板形成了稳定的框架传力结构。
一种使用模拟粮仓装置的测量方法的实施例如图1～6所示，该实施例中的模拟粮仓装置与上述各模拟粮仓装置实施例结构相同，在此不再详述。
该测量方法包括以下步骤，第一步，将粮食颗粒分层倒入到模拟筒仓中，每次装入的粮食层摊平处理，粮食颗粒构成的模拟粮堆中分布有温湿度传感器，温湿度传感器排列分布成沿竖向间隔布置的至少两组，各组温湿度传感器均包括至少两个沿模拟筒仓径向间隔分布的所述温湿度传感器，本实施例中，温湿度传感器设置于相邻封层粮食颗粒的分层界面处，比如说在下面一层粮食颗粒倒入模拟筒仓中后，将粮食颗粒摊平，然后布置温湿度传感器的位置，随后再将靠上一层的粮食颗粒倒入模拟筒仓中，该方法有利于保证温湿度传感器的位置稳定，最上一面一层粮食颗粒具有模拟筒仓顶部的距离为30～70mm，优选为50mm，记录此时模拟粮堆上表面的刻度值h；
第二步，旋转加载杆，调节加载板的高度，使加载板与模拟粮堆的顶部表面接触，调节平衡锤，使加载杠杆处于平衡姿态，保持传力架竖直布置；
第三步，在加载砝码不对加载杠杆加载的条件下，模拟自然储粮状态，气源以固定流量Q向模拟筒仓底部吹气，吹气温度为T1，微压计通过测压孔测量对应位置气流压力。热风经模拟粮堆的粮堆底部吹入模拟粮堆，选取两根软管，将一根软管的一端与其中一个筒壁测压孔相连，该筒壁测压孔的高度为hj，另一跟软管的一端与连接筒相连，两根软管的另一端分别连接到微压计上测量粮堆的总压值P与静压值Pi，进而得到圆柱形仓一个高度段hj的气流阻力。将一根软管的一端拔出，穿入到另一高度处的测压孔内，侧得不同高度处的气流阻力值。
气路内的气流速度：
式中：ν为气路内的空气流速，单位为m/s；Q为气路内的流量，单位为m3/s；r为模拟筒仓的半径，单位为m。
计算模拟粮堆的气流阻力为：
式中：
为粮堆单位高度处的气流阻力，单位为Pa/m，ν为气路内的空气流速，单位为m/s；a1、b1为气流阻力模型常数。
第四步，通过加载砝码分级对加载杠杆加载，改变加载板对模拟粮堆的压力值，模拟不同储粮高度状态，与第三步相同的流量气体向模拟筒仓底部吹气，得到不同储粮高度下粮堆的气流阻力，具体的，加载砝码对加载杠杆的加载等级分别为12.5、25、50、75、100、125、150、175和200kPa，模拟了30m真实粮堆高度下的粮食荷载压力，每加载一级前，需要通过平衡锤调节加载杠杆平衡，每次加载后记录模拟粮堆上表面对应的刻度hi，比如说，第一次加载，模拟粮堆上表面对应的刻度为h1，第六次加载，模拟粮堆上表面对应的刻度为h2，根据模拟粮堆上表面的位移量，能够计算出每次加载后粮食颗粒压缩后的堆积密度；
式中：Di为粮食颗粒压缩后的堆积密度，单位为kg/m3；D0为未压缩的堆积密度，单位为kg/m3；h为粮食初始高度，单位为m；hi为粮食压缩后的高度，单位为m。
通过加载砝码分级对加载杠杆加载，模拟不同储粮高度状态，采用步骤三中的计算方式，可以得到不同加载等级下模拟粮堆的气流阻力。
第五步，调节气源对模拟筒仓底部的送风量，设置多组不同风量的送风工况，在加载砝码不对加载杠杆加载的条件下，得到不同风量下粮堆的气流阻力；
第六步，在加载砝码不对加载杠杆加载的条件下，调节送风温度，设置多组不同温度的送风工况，通过温湿度传感器记录粮堆温湿度随时间变化的数值；改变加载板对模拟粮堆的压力，记录温湿度数据，通过计算得到不同压力作用下的传热效率。
传热效率的计算方法为：
式中：ηe为传热效率；ε为粮堆的孔隙率；ρs为粮堆的密度，单位为kg/m3；m为粮食的初始质量，单位为kg；mi为通风后的粮食质量，单位为kg；hfg为水蒸发的潜热，单位为J/kg；V为粮食体积，单位为m3，Cp为粮食的比热容，单位为J/kggK；T为粮堆初始温度，单位为℃；Ti为粮食通风后的温度，单位为℃。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.粮堆气流阻力与传热特性测量用模拟粮仓装置，包括装置架和竖向加载机构，其特征在于：装置架上设置有竖向布置的模拟筒仓，模拟筒仓的底部为进气口，进气口连接有气源，进气口处设置有气体分布板，竖向加载机构包括能在模拟筒仓内腔中上下移动的加载板，加载板上设置有透风孔，竖向加载机构还包括通过第一铰接结构与装置架铰接相连的加载杠杆及用于对加载杠杆加载的加载结构，加载杠杆位于模拟筒仓的下侧，竖向加载机构还包括设置于模拟筒仓外围的竖向布置的传力架，传力架上端与加载板相连，传力架下端通过第二铰接结构与加载杠杆相连。
2.根据权利要求1所述的模拟粮仓装置，其特征在于：加载结构包括用于设置于加载杠杆一端的加载砝码，第二铰接结构位于第一铰接结构与加载砝码之间，加载砝码距离第二铰接结构的距离是第一、第二铰接结构之间间距的4~15倍。
3.根据权利要求2所述的模拟粮仓装置，其特征在于：加载结构还包括用于套设于加载杠杆一端的平衡锤，平衡锤、加载砝码分别位于加载杠杆的两端。
4.根据权利要求1所述的模拟粮仓装置，其特征在于：传力架包括位于模拟筒仓两侧的传力杆、固定于传力杆上端的上传力板和固定于传力杆下端的下传力板，第二铰接结构设置于下传力板与加载杠杆之间，上传力板上螺纹连接有竖向布置的加载杆，加载杆的下端与加载板相连。
5.根据权利要求1所述的模拟粮仓装置，其特征在于：模拟筒仓的筒壁上沿上下方向开设有至少两组筒壁测压孔，各组筒壁测压孔均包括至少两个沿模拟筒仓周向间隔布置的所述筒壁测压孔，模拟筒仓装置还包括通过软管与各筒壁测压孔相连的微压计。
6.根据权利要求1所述的模拟粮仓装置，其特征在于：模拟粮仓装置还包括用于使用时分布于模拟筒仓内部的温湿度传感器。
7.根据权利要求1所述的模拟粮仓装置，其特征在于：模拟筒仓上设置有沿上下方向布置的高度刻度。
8.根据权利要求1~7任意一项所述的模拟粮仓装置，其特征在于：装置架包括下工作台和固定于下工作台上端的上工作台，下工作台包括台面和工作台支腿，下工作台的台面上于所述上工作台的外围设置有供传力架在上下方向上穿过的传力架穿孔，上工作台为竖向布置的筒形结构，气体分布板和模拟筒仓固定于上工作台的上端，气源通过连接筒与模拟筒仓的进气口相连，连接筒位于上工作台的内腔中。
9.根据权利要求8所述的模拟粮仓装置，其特征在于：下工作台的台面下侧固定有竖向布置的固定杆，第一铰接结构设置于固定杆下端与加载杠杆之间。
10.一种使用如权利要求1~8任意一项所述的模拟粮仓装置的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，第一步，将粮食颗粒分层倒入到模拟筒仓中，每次装入的粮食层摊平处理，粮食颗粒构成的模拟粮堆中分布有温湿度传感器，温湿度传感器排列分布成沿竖向间隔布置的至少两组，各组温湿度传感器均包括至少两个沿模拟筒仓径向间隔分布的所述温湿度传感器；
第二步，调节加载板的高度，使加载板与模拟粮堆的顶部表面接触，调节平衡锤，使加载杠杆处于平衡姿态，保持传力架竖直布置；
第三步，在加载砝码不对加载杠杆加载的条件下，模拟自然储粮状态，气源以固定流量向模拟筒仓底部吹气，微压计通过测压孔测量对应位置气流压力；
第四步，通过加载砝码分级对加载杠杆加载，改变加载板对模拟粮堆的压力值，模拟不同储粮高度状态，与第三步相同的流量气体向模拟筒仓底部吹气，得到不同储粮高度下粮堆的气流阻力；
第五步，调节气源对模拟筒仓底部的送风量，设置多组不同风量的送风工况，在加载砝码不对加载杠杆加载的条件下，得到不同风量下粮堆的气流阻力；
第六步，在加载砝码不对加载杠杆加载的条件下，调节送风温度，设置多组不同温度的送风工况，通过温湿度传感器记录粮堆温湿度随时间变化的数值；改变加载板对模拟粮堆的压力，记录温湿度数据。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| GB673415A (en) * | 1949-03-31 | 1952-06-04 | Otto Hermann Strub Roessler | Improvements in or relating to the treatment of grain in silos |
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2021
- 2021-11-19 CN CN202111410449.1A patent/CN114216928A/zh active Pending
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