Установка для исследования процессов охлаждения и вентилирования зерна

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. Минимально допустимая подача воздуха в металлическом силосе принята равной 10 м3/ч•т [6].

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 [7], 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°С. Скорость фильтрации воздуха изменяли от 4 до 22 см/с.

Объекты и методы исследования: в металлический силос закладывают на хранение и затем охлаждают зерно влажностью не более 14% и температурой не более 40° С, вентилируют при скоростях фильтрации не более 6 см/с.
В силосах для хранения зерна, высота которых составляет около 20м, для обеспечения скорости фильтрации свыше 6 см/с потребуются значительные затраты энергии. При вентилировании зерна в металлическом силосе параметры зерна и воздуха существенно отличаются от параметров ранее проведенных исследований. Для изучения процесса охлаждения зерна в диапазоне изменений параметров характерных для металлического силоса создана настоящая установка (рис.1).

 
Для измерения давления к штуцерам под номерами 1,2 и 3,4 (рис.1) подключают дифференциально цифровой и спиртовой микроманометр МНН, показания которых позволяют рассчитать расход воздуха и скорость фильтрации в зерне. Регулировка расхода воздуха и скорости фильтрации происходит при помощи винтовой задвижки.

Стендовая установка позволяет изучить изменения температуры и влажности воздуха межзернового пространства при вентилировании слоя зерна высотой 1 метр, шириной 0,42 метра и длиной 0,8 м. для изменяемых значений температуры и относительной влажности подаваемого воздуха.

Стенки установки выполнены из теплоизоляционного материала, благодаря этому засыпаемое зерно, можно рассмотреть, как элемент слоя зерновой массы внутри реального металлического силоса на удалении от его стенки на 50 сантиметров и более, так как при данном расстоянии высокая теплопроводность металлической стенки не оказывает на зерновую массу никакого воздействия [8].

Емкость стендовой установки, наполняемая зерном (рис.1), имеет следующие габариты: ширина – 42 см, высота 1 метр, длина – 80 см, её рабочий объем составляет 0,336 м³ . Вместимость от 250 до 280 килограмм в зависимости от культуры и насыпной массы.
Для начала проведения исследований температура зерновой массы должна быть в пределах 27-30 градусов и влажностью не выше 14 % и не ниже 11%. Для получения зерновой массы с указанными характеристиками стендовая установка должны иметь возможность нагрева, увлажнения и последующего охлаждения.

Перед началом проведения эксперимента зерно необходимо подготовить. Зерновая масса должна быть однородна по заданным значениям температуры и влажности. Для этих целей на экспериментальной установке используется увлажнитель, нагревательный кабель и вентилятор, подающий наружный воздух с известной относительной влажностью и температурой (рисунок 1).

Нагревательный кабель был выбран с учетом внешних характеристик (размеров стенда, разности температур атмосферного воздуха), его нагрев составляет до 70 градусов по Цельсию. Шаг укладки нагревательный кабеля в зерновой массе составил 10 см между слоями, данное условие необходимо учитывать, так как при кондуктивном нагреве зерна на расстоянии более двадцати сантиметров необходимо затрачивать большое количество времени и энергии, а при расстояниях свыше 30 сантиметров нагрев зерна практически не происходит, так как зерновая масса имеет низкий коэффициент температуропроводности [8].

Для фиксации относительной влажности воздуха межзернового пространства и температуры использовали сертифицированные, серийно выпускаемые автономные регистраторы 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 60 минут, или в течение суток 24 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 устанавливались в зерновую массу, как показано на рисунке 2. ТВ2 и ТВ6 записывали параметры с пограничных областей: в местах соприкосновения зерновой массы и металлической решетки, в месте контакта зерновой массы с воздухом. Все приборы были установлены на удалении 25 см друг от друга по вертикали и находились строго друг под другом.

Результаты исследований: при проведении эксперимента нагрев зерновой массы продолжался 4 часа, за это время её температура увеличилась на 11 градусов, с 19 до 30 градусов. Дальнейший нагрев зерновой массы производить было нецелесообразно, так как согласно практике, зерно на хранение после уборки, особенно в южных районах страны поступает с температурой 25 – 30 градусов и влажностью 13 – 13,5 %, а в некоторых случаях, после предварительной сушки в зерносушилках [9].
При нагреве зерновой массы в корпусе установки разброс температуры по слоям составил в пределах одного градуса. Данные представлены на рисунке 3.
 

 
Стоит отметить что разброс температуры по слоям 2-4 составил менее одного градуса. Резкое увеличение температуры наблюдалось только в слоях под номером 1 и 5. Объясняется это тем, что они находятся в пограничных условиях. Слой 1 соприкасается с металлической решеткой, у которой теплопроводность на порядок выше зерна, поэтому происходит скачок температуры. Слой 5 соприкасается с воздушной средой и забор тепла провода происходит неравномерно, как на слоях под номерами 2-4, так как нижняя часть нагревательного провода находится в зерне, а верхняя в воздушной среде.

Подробно проанализировав данные, полученные при помощи автономных регистраторов пришли к выводу, что при помощи нагревательного кабеля удалось добиться равномерного нагрева зерновой массы. Так конечная температура зерновой массы составила 28-31 градусов. Прирост температуры зерна составил 11 градусов за 4 часа.

Для увлажнения зерновой массы перед воздухозаборником (рисунок 1) установлен увлажнитель, распыляющий 1000 мл жидкости в час. Для того, чтобы происходило увлажнение зерновой массы, а не её сушка очень важно подобрать режим работы оборудования или скорость прохождения воздуха через зерно. При расходе воздуха 410 м3 /ч и как следствие высоких скоростях прохождения воздуха через зерновую массу 34 см/с, наблюдается вынос влаги из зерна (рис. 4).

 
Относительная влажность воздуха в межзерновом пространстве составляла 50 %, подаваемый воздух имел относительную влажность 80%. В начале опыта в средних и верхних слоях (2-5, рис.5) было зафиксировано увеличение относительной влажности до 70 процентов, но уже через 20 минут относительная влажность воздуха в межзерновом пространстве стала уменьшаться. Увлажнение зерна не произошло, так как скорость прохождения воздуха через зерновую массу была высокой и влага не смогла остаться на поверхности зерна. Взятые пробы зерна из разных слоев зерновой массы и определение их влажности в лаборатории согласно ГОСТ [10] показали, что влажность зерна уменьшилась с 10,5 до 10,2 %. Продолжительность увлажнения зерновой массы на стендовой установке составила 3 часа.

Что бы избежать показанного выше эффекта, необходимо правильно подобрать режим подачи воздуха. При проведении эксперимента на стендовой установке расход воздуха составлял 75 м3/час, а скорость фильтрации воздуха в зерновой массе 6,3 см/с, что близко к нормативным значениям подачи воздуха [11]. В результате проведенного эксперимента был получен прирост относительной влажности воздуха межзернового пространства на 5 % с 58% до 63%, а разброс относительной влажности по слоям составил менее 5% (рисунок 5).

 
Определение влажности зерна по слоям в лаборатории показали ее увеличение с 10,5% до 11%.
Выводы: В результате проведенных экспериментов на стендовой установке удалось получить однородную зерновую массу с заданными характеристиками по температуре и влажности [12].
При помощи нагревательного кабеля удалось добиться равномерного нагрева зерновой массы, её конечная температура составила 28-31 градусов. Прирост температуры зерна составил 11 градусов за 4 часа.
При помощи увлажнителя был получен прирост относительной влажности воздуха межзернового пространства на 5 % с 58% до 63%, а разброс относительной влажности по слоям составил менее 5%. Длительность проведения эксперимента составила 3 часа. За это время влажность зерна увеличилась на 0,5 % с 10,5 до 11 %.
 
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. Агропромышленный портал России [электронный ресурс]. Активное вентилирование в силосах элеваторов. Режим доступа: – http://agroportal24.ru/hranenie-zerna/3003-aktivnoe-ventilirovanie-v-silosahelevatorov.html – (Дата обращения: 04.01.2012). 
7. Сорочинский В.Ф. Кинетика охлаждения зерна после сушки на установках активного вентилирования, 22-23 сентября 2015. – С. 8.
8. Лугарёв А.Л. Хранение зерновых масс ячменя в металлических силосах, М. 1981. –С. 115.
9. Жидко В.И., Резчиков В.А., Уколов В.С. Зерносушение и зерносушилки, М., Колос, 1982. – С. 105.
10. ГОСТ 13586.5-93 Зерно. Метод определения влажности, М., 1993. – С. 13.
11. Инструкция по активному вентилированию зерна и маслосемян (техника и технология) // ЦНИИТЭИ Минхлебопродуктов СССР, М., 1989. – С. 61.
12. Зерно Он-Лайн [электронный ресурс]. Общая характеристика свойств зерновой массы. Режим доступа: – https://www.zol.ru/n/1566f, (Дата обращения: 08.09.2012).
 
   

---