Тепловой режим слоя зерна у внутренней стенки металлических силосов

Прирост зерновой емкости осуществляется в последние годы в основном за счет строительства металлических зернохранилищ. Это объясняется меньшими по сравнению с железобетонными силосами капитальными затратами и короткими сроками монтажа. Вместе с тем, металлические элеваторы в ряде случаев требуют отдельной теплоизоляции, отсутствие которой может приводить к существенным ограничениям в их использовании, особенно при значительном изменении климатических условий, характерных для большинства регионов Российской Федерации.

Вследствие высокой теплопроводности ограждающих стальных металлических конструкций силосов превышающих теплопроводность зернового слоя в 350-450 раз, в отличие от железобетонных конструкции, теплопроводность которых сопоставима с теплопроводность зернового слоя, в периферийных участках насыпи, в верхнем слое и у стен силоса, температура зерна вследствие нагрева за счет солнечного излучения может достигать высоких значений - до 40-45°С и даже до 50-55°С, что может приводить к снижению его качества. Кроме того, при последующем охлаждении зерна при суточных колебаниях температуры наружного воздуха на внутренних стенках силоса возможна конденсация водяных паров из воздуха межзернового пространства, что приведет к увлажнению и порче пристенного слоя зерна.

Исследования по изменению температуры пристенного слоя зерна при переменных атмосферных условиях проведены в основном в 80-х годах и их явно недостаточно. Установлено в общем случае [1,2], что влияние нагрева стенки металлического силоса на зерно ограничивается пристенным слоем толщиной 15 - 25 см с наибольшими колебаниями в слое зерна толщиной до 5 см, а также,что в производственных условиях при длительном хранении зерна в металлических силосах, влияние изменения температуры атмосферного воздуха существенно до толщины пристенного слоя и глубине верхнего слоя зерна до 50 см. Вместе с тем, требуют уточнения численные значения и скорость изменения этих величин по толщине пристенного слоя в зависимости от изменения температуры атмосферного воздуха с возможностью их расчета. Такие данные важны для определения режимов хранения зерна в металлических силосах. В соответствии с этим, представляется целесообразным расчетным методом оценить кинетику изменения температуры пристенного слоя зерна.

Оценить влияние металлической стенки на процесс теплопередачи между наружной средой и слоем зерна можно по критерию Био. Значение критерия Био при толщине стенки металлического силоса равной b = 5 мм, теплопроводности металлической стенки à= 50 Вт/(мК) и среднем значении коэффициента теплоотдачи равном ã = 25,0 Вт/(м2.К) при скорости воздушного потока 5-10 м/с будет составлять Bi = 0,0025 << 0,1 +/- 0,2, т.е. термическим сопротивлением металлической стенки можно пренебречь [3] и считать, что температура поверхности зернового слоя равна температуре среды, т.е. тепловые условия на границах зерновой насыпи можно принять в качестве граничных условий первого рода.

Для дальнейших расчетов принимаем следующие допущения: металлический силос с зерном принимаем как полуограниченное тело, т.е. слой зерна с одной стороны ограничен плоскостью, а с другой стороны неограничен в пространстве; теплота передается через слой зерна теплопроводностью, внутренние источники тепла отсутствуют и теплофизические характеристики для слоя зерна постоянны

Для слоя зерна пшеницы влажностью W = 14,0% (Wc = 16,3%) значение коэффициента теплопроводности составляет l = 0,153 Вт / (м·К) и коэффициента температуропроводности, а = 8,11·10-8 м2/с [4].

Формулировка задачи может быть следующей. Начальная температура зерна пшеницы составляет Ø₀ = 10°С. Металлический силос с зерном нагревается при постоянной температуре среды t₀ = 40°С. На бесконечном удалении от поверхности тепловой поток равен нулю, а температура зерна постоянна. В этом случае относительную избыточную температуру можно рассчитать по зависимости [5].

Зная относительную избыточную температуру можно рассчитать температуру пристенного слоя зерна в процессе его нагрева от окружающей среды по зависимости:


Расчет проведем для слоя зерна пшеницы толщиной 0,5; 1; 2; 5; 10 и 30 см при продолжительности прогрева 1; 2; 3; 5; 7; 10 и 15 часов (табл.1).



Зная значение относительной избыточной температуры зерна, можно по уравнению (2) рассчитать изменение температуры зерна при стационарном прогреве металлической стенки силоса (рис. 1).


Как видно из рисунка, с увеличением толщины слоя зерна, т.е. чем дальше от стенки, тем влияние температуры атмосферного воздуха на величину нагрева зерна снижается, но остается существенным до толщины слоя 3-5 см. Пристенный слой зерна толщиной до 3-5 см в течение, например, 7 часов существенно нагревается, при этом слой зерна толщиной от 0,5 до 3 см нагревается до температуры близкой температуре окружающей среды. Слой зерна толщиной от 20 см и выше в условиях передачи теплоты теплопроводностью практически не меняет свою температуру.

В реальных условиях эксплуатации металлических силосов температура в течение суток существенно меняется, повышаясь в течение дня и достигая своего максимального значения к 14-15 часам.

В этом случае при тех же допущениях и с учетом численных значений критериев Био и Фурье для зерна пшеницы при принятых условиях уравнение для расчета относительной избыточной температуры принимает вид [5]:

Температура пристенного слоя зерна в процессе его нагрева от окружающей среды в этом случае определяется по зависимости:


Примем для расчета начальную температуру зерна 10°С, начальную температуру воздуха 10°С скорость нагрева воздуха 3°С/час, толщину пристенного слоя 0,5; 1; 2; 5 и 10 см, продолжительность нагрева 1, 2, 3 и 10 часов (табл.2).


Таким образом, к концу цикла нагрева температура воздуха достигнет 40°С, как и в предыдущем случае при постоянной температуре нагрева.

Зная значения относительной избыточной температуры по уравнению (6) можно рассчитать изменение температуры нагрева пристенного слоя зерна (рис.2, 3)






Как видно из рисунка 3 с увеличением толщины слоя зерна влияние медленного возрастания температуры атмосферного воздуха на величину нагрева зерна существенно до толщины слоя 3 см.

Зная относительную избыточную температуру слоя зерна при принятых условиях расчета можно рассчитать температурные поля в пристенной зоне при разных значениях начальной температуры зерна и атмосферного воздуха, как при нагреве, так и при охлаждении зерна.

Из вышеприведенных примеров видно, что температура в пристенном слое зерна металлического элеватора как при постоянном нагреве за счет солнечного излучения, так и при переменных условиях нагрева может достигать температуры окружающего воздуха.

При этом в пристенном слое будет происходить подсушивание зерна и испарение влаги в межзерновое пристенное пространство, которая в результате последующего охлаждения, при определенных условиях, может конденсироваться на зерне и внутренних металлических поверхностях элеватора.

Список литературы

1. Алексеева, Л. О хранении зерна в металлических силосах [Текст] / Л. Алексеева, Н. Фомин, А. Лугарев, Г. Тян, В. Господинова // Мукомольно-элеваторная и комбикормовая промышленность. - 1980. -№4. -  С.41-43.
2. Бровенко, В.И. Изменение качества зерна пшеницы при хранении в металлических силосах [Текст] / В.И. Бровенко, А.З. Белоконь. Г.Г. Джумагулова // Труды ВНИИЗ. - М.: ЦНИИТЭИ Минзага СССР. 1983. Вып. 101 - С.7-12.
3. Лыков А.В. Теория теплопроводности [Текст] /А.В. Лыков.- М.: Высшая школа, 1967.-600с.
4. Теплофизические характеристики пищевых продуктов и материалов [Текст] / под ред. А.С.Гинзбурга. - М: Пищевая пром-сть. 1975. - 224 с.
5. Пехович А.П., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел [Текст] / А.И. Пехович. В.М. Жидких. - Л.: Энергия. 1968. -304 с. 

 


 

---