Влияние скорости фильтрации воздуха на зерновую массу в металлическом силосе

Введение
Основным способом хранения в металлических емкостях, по инструкциям [1,2] и Правилам безопасности является хранение зерна в сухом и очищенном состояниях [3]. Известно, что на сроки хранения влияют не только влажность и чистота, но и температура зерна, закладываемого на хранение [4]. Чем меньше температура, тем продолжительнее сроки хранения. Требуемые состояния зерна по влажности и чистоте достигают в процессе послеуборочной обработки зерна (сушка, очистка и т. д.). Охлаждают зерно, как правило, в силосе с помощью установок активного вентилирования наружным воздухом, имеющим более низкую температуру по сравнению с зерном. Исследованиями Казахского филиала ВНИИЗ и Зернового Треста Венгерской Народной Республики установлено, что малые удельные подачи воздуха на тонну зерна способствуют развитию плесеней хранения и ухудшению качества зерна [5]. Предположительно при таких режимах недостаточно скорости воздушному потоку для выноса из зернохранилища дополнительной влаги, сорбированной воздухом из зерна. Эта влага оседает в верхней части насыпи и способствует развитию негативных процессов при хранении.

Норматив для определения объема нагнетаемого воздуха в зависимости от массы зерна не учитывает скорости воздуха. При вентилировании в одном и том же силосе разных масс зерна будут различные скорости воздуха. Влияние скорости воздуха на процесс охлаждения зерна изучен в работе [6], но для зерна после сушки и для специальной охладительной колонки. Высота колонки не превышает 6м. В исследованиях зерно имело следующие исходные параметры: влажность от 15 до 18,5%; температуру от 37 до 55 0С. Скорость фильтрации воздуха изменяли от 4 до 22 см/с. [7]

Объекты и методы исследования
Для изучения других диапазонов влажности: от 11 до 15%, скорости фильтрации и температурных режимов была использована экспериментальная установка (рис. 1), позволяющая изучить процесс охлаждения зерна при помощи активного вентилирования в заданных температурных и влажностных диапазонах при различных скоростях фильтрации воздуха.


Для эксперимента использовалось зерно влажностью 14% и температурой 17°C. При помощи нагревательного кабеля зерно в стендовой установке было нагрето до температуры 30°C, влажность зерна в конце эксперимента оставила 13,5%. Влажность зерновой массы определялась при помощи размещенных на разных уровнях друг под другом на расстоянии 20 см тестеров (мешочков с зерном), которые при окончании нагрева зерновой массы были извлечены для определения влажности. Во всех пяти тестерах влажность зерна составила от 13,3 до 13,6%, что говорит об однородности зерновой массы, так как данное отклонение лежит в погрешности способа измерения влажности зерна согласно ГОСТ [8].

Разброс температуры по слоям составил не более 1°C, что также говорит об однородности зерновой массы по температуре. Данные были получены при помощи сертифицированных, серийно выпускаемых автономных регистраторов данных, имеющие следующие габариты: 100×25×23 миллиметра. Эти регистраторы одновременно измеряют и записывают температуру и относительную влажность воздуха в месте своего расположения.

Периодичность записи регулируется от 2 секунд до 24 часов, в наших исследованиях запись параметров воздуха производили через 10 минут, или в течение суток 144 измерения. Погрешность измерения температуры в пределах от -40°С до 70°С составляет 2°С, погрешность измерения относительной влажности воздуха в пределах от 10% до 95% составляет 5%. Автономные регистраторы с 1 по 6 устанавливались в зерновую массу друг под другом по вертикали на расстоянии 25 см, согласно рисунку 2. ТВ2 и ТВ6 записывали параметры с пограничных областей: в местах соприкосновения зерновой массы и металлической решетки, в месте контакта зерновой массы с воздухом соответственно. Все приборы были установлены на удалении 25 см друг от друга по вертикали и находились строго друг под другом. ТВ1 вел запись входных параметров относительной влажности и температуры забираемого воздуха с улицы.


Результаты исследований
Зерно, нагретое до 30°С и влажностью 13,5%, стали остужать при помощи активного вентилирования, моделируя тем самым реальные условия вентилирования зерновой массы, хранящейся в металлических силосах. При охлаждении зерна наружным воздухом, с помощью дроссельной заслонки, менялся расход, как следствие изменялась скорость фильтрации воздуха, проходящего через зерновую массу. При полном открытии дроссельной заслонки расход воздуха составил 146 м3 /час, тогда скорость фильтрации составила 12 см/с, с учетов сопротивления зернового слоя. При такой высокой скорости фильтрации наблюдался вынос влаги из зерна и,  как следствие, влажность зерна в конце эксперимента уменьшилась на 2% и составила 11% (рисунок 3). Потеря влажности составила более 2% за 4 часа применения активного вентилирования в режиме максимального расхода воздуха.

При данном режиме необходимо обеспечить беспрепятственное воздухоотведение из верхней части установки, так как в противном случае выносимая влага будет конденсироваться на верхней крышке и стенках, что, в конечном счете, приведет к увлажнению верхних слоев зерновой массы и образованию «корки» на них. Кроме охлаждения, данный режим можно использовать и для подсушивания зерна, но для этого необходимо учесть в конструкции металлического силоса правильное отведение воздуха из верхней части силоса.


Минимально допустимая подача воздуха в металлическом силосе принята равной 10 м3/ч*т [9]. Для оценки эффективности применения активного вентилирования более целесообразно использовать скорость фильтрации, так как на расход воздуха влияет большое число параметров: утечки в металлическом силосе, сопротивление решетки, расположение воздухораспределительных каналов, мощность вентиляторов. Исходя из этого даже соблюдение норматива подачи воздуха на уровне 10 м3/ч* т не гарантирует сохранность зерна. При пересчете на массу хранимого зерна и габариты современного металлического силоса, собранного по технологии производителя скорость фильтрации проходящего воздуха через зерновую массу при использовании системы активного вентилирования в нем составляет от 2,5 до 5 см/с. Для определения скорости фильтрации предлагается оснастить силос промышленным дифманометром, например, ДНМП, с помощью которого измеряют перепад давления внутри силоса в слое фиксированной толщиной, например, 3 м. Тогда перепад давления для этого слоя будет функцией одной переменной – скорости фильтрации [10].

На стендовой установке были подробно рассмотрены режимы подачи воздуха, при которых скорость фильтрации находилась в диапазоне от 2,5 до 5 см/с, а также выходила за их пределы.

При применении активного вентилирования с помощью дроссельной заслонки 8 (рис.1) перепад давления на трубе Вентури был задан 97 Па при замере дифманометром, расход воздуха составил 42 м3/час, скорость фильтрации составила 3,5 см/с.

Температура уличного воздуха составляла 0°С, а его относительная влажность 35%. В данном режиме установка работала на протяжении 4 часов. В итоге за данный промежуток времени температура зерновой массы понизилась с 30 до 11°С, относительная влажность воздуха межзернового пространства уменьшилась с 55 до 42%, а влажность зерна практически не изменилась и составила 13,3%. Верхняя крышка установки и стенки остались сухими, можно сделать выводы, что влага, перенесенная воздушным потоком от нижних к верхним слоям зерновой массы, была удалена из системы.

После остановки вентилирования зерновая масса была оставлена на 30 часов, в течение этого времени температура зерновой массы составила 12,5°С, относительная влажность воздуха межзернового пространства 47%, а влажность зерна 13,3%. Обработанные данные по слоям представлены на рисунке 4. Как из него видно при заданной скорости фильтрации прохождения воздуха через зерновую массу 3,5 см/с происходит эффективное охлаждение зерна, лишняя влага не остается на стенках и крышке хранилища, что не приводит к увлажнению поверхностного слоя зерна, удаляется через воздухоотводные каналы. Так как относительная влажность подаваемого воздуха была ниже относительной влажности воздуха межзернового пространства внесение влаги из внешней среды не произошло. Стоит отметить, что данный режим является оптимальным, так как при нем минимальны электрические затраты на активное вентилирование, а охлаждение и хранение зерна соответствует необходимым нормативам инструкции по хранению зерна, масло семян, муки и крупы.


При скорости фильтрации менее 2,5 см/с происходит увлажнение верхних слоев зерновой массы. За счет движения воздушных масс с низу вверх при активном вентилировании переносимая влага от нижних слоев к верхним поднимается над зерном, но выталкивающей силы не хватает для её выведения через воздухоотводные каналы. В следствие чего происходит её конденсирование на верхней крышке и боковых стенках, и последующее увлажнение верхних слоёв зерновой массы.


Как видно из рисунка 5, начальная относительная влажность воздуха межзернового пространства составляла 42%, после включения системы активного вентилирования со скоростью фильтрации воздуха менее 2,5 см/с относительная влажность воздуха в верхних слоях увеличилась до 58%, а влажность зерна возросла с 13,5% до 14,3%. Стоит отметить, что в нижних слоях зерновой массы относительная влажность воздуха межзернового пространства и влажность зерна уменьшилась с 42% до 32% и с 13,5% до 13% соответственно. Анализируя полученные данные можно прийти к выводу, что при скорости фильтрации менее 2,5 см/с необходимо принимать меры для её увеличения. Сделать это можно уменьшив сопротивление зернового слоя, улучшив систему воздухораспределения, модернизировав решетку или установив дополнительную систему воздухоотведения в верхней части силоса.

Выводы
В результате проведенных экспериментов на стендовой установке удалось:
  • перейти от удельного нормативного параметра расхода воздуха 10 м3/ч*т к скорости фильтрации;
  • изучить влагоперенос от нижних слоев к верхним при использовании активного вентилирования для скоростей фильтрации воздуха от 0,5 до 5 см/с;
  • дать рекомендации по изменению конструкции металлического силоса при несоблюдении минимально допустимого значения скорости фильтрации воздуха 2,5 см/с путем уменьшения сопротивления зернового слоя (регулируя высоту насыпи), улучшения системы воздухораспределения и воздухоотведения, модернизации решетки металлического силоса или установки дополнительного вентилятора для принудительного проветривания верхнего слоя и надзернового пространства металлического силоса;
  • рассмотреть различные скорости фильтрации и прийти к выводу, что для обеспечения нормативных показателей при активном вентилировании хранящейся зерновой массы согласно инструкции, необходимо обеспечить скорость фильтрации воздуха более или равной 2,5 см/с;
  • для определения скорости фильтрации предлагается оснастить силос промышленным дифманометром, например, ДНМП, с помощью которого измеряют перепад давления внутри силоса в слое фиксированной толщиной, например, 3 метра. Тогда перепад давления для этого слоя будет функцией одной переменной – скорости фильтрации.

Список использованных источников
1. Ковалев Ю.П. Временная инструкция по хранению зерна в металлических зернохранилищах. ЦНИИТЭИ Минзага СССР, М., 1979. – С. 46.
2. Инструкция № 9-7-88 «По хранению зерна, маслосемян, муки и крупы», Приказ Минхлебопродуктов СССР от 24 июня 1988. № 185.- С. 32.
3. Алешин А.В. Изменения в ПБ 14-586-03 утвержденные приказом №457 от 15.11.16. – С. 15.
4. Разворотнев А.С. Отчет ВНИИЗ по заданию 0586-2014-0009 «Разработать критерии применимости типов металлических силосов для хранения зерна колосовых культур с целью обеспечения сохранности качества зерна и повышения рентабельности предприятий для климатических условий Юга России», М., 2016. – С. 34.
5. Отчет ВНИИЗ по работе 4.11. «Временная инструкция по хранению зерна в Металлических зернохранилищах» М., 1980. - С. 45.
6. Сорочинский В.Ф. Кинетика охлаждения зерна после сушки на установках активного вентилирования, 22-23 сентября 2015. – С. 8.
7. Кечкин И.А. Установка для исследования процессов охлаждения и вентилирования зерна, Сборник научных трудов XI Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов отделения сельскохозяйственных наук Российской академии наук/ВНИХИ – филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН. – М.: – ВНИХИ – филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова», 2017. – С. 128
8. ГОСТ 13586.5-93 Зерно. Метод определения влажности, М., 1993.- С.13.
9. Докипедия [электронный ресурс]. Приказ Минхлебопродукта СССР от 24 июня 1988 г. N 185 "Об утверждении инструкции по хранению зерна, масло семян, муки и крупы" (Докипедия: Приказ Минхлебопродукта СССР от 24 июня 1988 г. N 185 "Об утверждении инструкции по хранению зерна, масло семян, муки и крупы") Режим доступа: - http://dokipedia.ru/document/5294101 - (Дата обращения: 15.08.2018).
10. Кечкин И.А. ОБЕСПЕЧЕНИЕ СОХРАННОСТИ ЗЕРНА В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИЛОСАХ БОЛЬШОЙ ВМЕСТИМОСТИ. Аллея науки. 2018. Т. 2. № 3 (19). - С. 362.

 
Автор: Кечкин И.А.
Научный руководитель: Гавриченков Ю.Д. – к.т.н.
ВНИИЗ - филиал «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН

Статья опубликована в сборнике:
Интенсификация пищевых производств: от идеи к практике/ Сборник научных трудов ХII международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов организаций в сфере сельскохозяйственных наук/ ВНИИК – филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, 2018. – М., ВНИИК, 2018. – С. 136-144.

 
Наверх ↑