Исследование влияния различных факторов на время охлаждения слоя зерна в металлических силосах

В настоящее время актуальной является проблема поддержания температурно-влажностного режима при хранении зерна в металлических силосах. Это связано с их интенсивным строительством и со значительными потерями зерна в результате несоблюдений условий хранения.

Температурно-влажностный режим зависит в этом случае от погодных условий (температуры и влагосодержания воздуха, подаваемого на активное вентилирование), свойств зерна и его начальной температуры, а так же скорости движения воздуха в слое. При этом скорость воздуха в слое зерна определяет время процесса термовлажностной обработки и аэродинамические потери. Для эффективного хранения необходим выбор скорости воздуха в зависимости от температуры, влажности воздуха и свойств зерновых культур.

Для выбора режима активной вентиляции необходимо разработать математическую модель процесса. При математическом описании сделаны следующие допущения [1]: продольное перемешивание газовой фазы отсутствует, слой имеет однородную порозность, в нем отсутствуют застойные зоны и явления проскока и рециркуляции воздуха.

Математическое описание процесса охлаждения и осушки зерна, записанное в одномерном приближении приведено [2]. Оно представляет собой систему дифференциальных уравнений, в которой неизвестными функциями являются температура и влагосодержание воздуха в слое, а так же температура и влагосодержание зерна. Данная система позволяет определить их изменения во времени и по высоте слоя. В систему дифференциальных уравнений входит также уравнение, описывающее зависимость безразмерного коэффициента теплоотдачи Nu от Re в слое [3], а также соотношения, связывающие температуру, парциальное давление и влагосодержание влажного воздуха на линии насыщения. Следует отметить, что процесс описывается этой моделью приближенно, поскольку не учитывается перенос влаги внутри отдельного зерна от его центра к его поверхности. В части расчета влагосодержания модель требует в будущем уточнения с учетом изменения коэффициентов диффузии влаги и массоотдачи единичной зерновки [4]. Тем не менее, описание процесса охлаждения слоя зерна, продуваемого холодным воздухом, в том случае, если не учитывается влагоперенос, описывается моделью достаточно строго. В случае отсутствия массообмена модель принимает вид:

 
Данная система решена в среде имитационного моделирования Mathlab Simulink, что позволяет автоматизировать процесс расчета и наглядно представлять результаты. Данная модель позволила исследовать влияние на процесс охлаждения таких факторов, как скорость движения воздуха, начальная температура воздуха, вид зерновой культуры, хранящейся в силосе. Исследовались три зерновые культуры, которые выбраны таким образом, чтобы характеристики зерна существенно различались: пшеница, кукуруза, рапс. Необходимые данные для расчета для каждой зерновой культуры приведены в таблице 1.
 

 
Исследования проводились для скорости движения воздуха от 2 см/с до 10 см/с, и температуры воздуха от 5 °С до 15 °С. Высота слоя зерна составляла при этом 10 м, начальная температура зерна в слое равна 30 °С.

Влияние скорости воздуха на длительность процесса охлаждения является существенным. Зависимости температур от времени в верхнем слое пшеницы представлены на рис. 1. Видно, что при увеличении скорости от 2 см/с до 10 см/с время охлаждение слоя с температуры 30°С до 15°С уменьшается от 10,4·10⁵ до 4,1·10⁵ секунд (от 288 до 114 часов).
 

 
Влияние начальной температуры воздуха представлено на рисунке 3. На основании графика можно сделать вывод, что общая продолжительность охлаждения верхнего слоя зерна до температуры воздуха слабо зависит от начальной температуры воздуха. Однако скорость этого процесса будет существенно разной и увеличиваться с увеличением градиента температур для разных зерновых культур (рис. 2).

Влияние параметров зерновых культур представлено на рис. 3.

Таким образом, полученная математическая модель и программа расчета позволяет проводить расчеты тепловых режимов для различных зерновых культур, причем, как при постоянных, так и при изменяющихся скоростях и температурах воздуха на входе в силос. Решение тепловой задачи станет основной для решения задачи с изменением влагосодержания зерна.
 
ЛИТЕРАТУРА

1. Рудобашта С. П. Теплотехника, М.: Перо, 2015. 627 с.
2. Гаряев А.Б., Сорочинский В.Ф., Горячева Е.М. Математическая модель процесса переноса влаги при активном вентилировании зерна в элеваторах. // Сб. науч. тр. Международной научно-технической конференции, посвящённой 105-летию со дня рождения А. Н. Плановского «Повышение эффективности процессов и аппаратов в химической и смежных отраслях промышленности». М.: ФГБОУ ВО МГУДТ, 2016. Т. 1 С. 320-324
3. А.Н. Плановский, В.И. Муштаев, В.М. Ульянов. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности. М.: Химия, 1979. 228 с.
4. Сорочинский В.Ф. Изменение коэффициентов диффузии влаги и массоотдачи единичной зерновки в процессах сушки и охлаждения. // Сб.науч.тр. 1-ой Междунар. науч.- практ. конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)». М.: МГАУ, 2002. Т.4. С.76-79.

   

---