Особенности аэродинамики и тепломассообмена в слое зерна при активном вентилировании

Рассматриваются процессы аэродинамики и теплообмена в металлических силосах при хранении зерновых культур. В таких силосах, представляющих собой большие цилиндрические емкости (диаметр основания 20 м), происходит хранение предварительно высушенного зерна при активном вентилировании. Для предотвращения порчи зерна в силосе требуется подобрать такие режимы хранения, которые не допустят перегрева зерна и выпадения капельной влаги, которая может образовываться на холодных поверхностях корпуса и крыши силоса. Кроме того, необходима минимизация затрат электроэнергии на привод вентиляторов, продувающих воздух сквозь плотный слой зерна.

Для этой задачи была разработана математическая модель [1] и получены результаты решения тепловой задачи (без учета увлажнения вентиляционного воздуха при удалении влаги из зерна), показывающие влияние различных факторов на время прогрева слоя [2].

В данной работе приводятся результаты решения термовлажностной задачи на основе разработанной ранее модели.

Основные допущения математической модели:

1. Движение воздуха в слое зерна одномерное, т.е. параметры потока (температура и влагосодержание воздуха) и параметры зерна (температура и влагосодержание) в слое изменяются только по времени и по вертикальной координате z.
2. Теплофизические свойства зерна и воздуха принимаются постоянными.
3. Влага на поверхности зерна находится в насыщенном состоянии.
4. Существует аналогия между переносом теплоты и массы в воздушном потоке (выполняется соотношение Льюиса). Расчеты осуществлены в пакете имитационного моделирования Matlab Simulink.

На рис 1. приведены расчетные изменения температуры зерна и средней температуры воздуха с течением времени в первой по движению воздуха части слоя зерна высотой 1 м.


Рис. 1. График изменения температуры зерна и средней температуры воздуха с течением времени в первой части слое зерна (z = 1 м).

Для термовлажностной задачи при отводе теплоты от зерна одновременно происходит насыщение воздуха водяными парами, находящимися вблизи поверхности зерна; теплота, отводимая от слоя зерна, затрачивается не только на охлаждение зерна, но и на испарение влаги, поэтому температура зерна меняется быстрее, чем в случае, когда процесс массообмена не учитывается.

Расчет изменения влагосодержания зерна хлебных культур (пшеница, рожь) с течением времени и по высоте металлического зернохранилища для разных скоростей воздуха, охлаждающего зерно, приведен на рис. 2. Начальные температура и влагосодержание наружного воздуха, при которых проведены расчеты, составляют t'_в = 10ºC. x₁’_в = 0, 008 кг влаги/кг сухого воздуха.


Рис. 2. График изменения влагосодержания зерна ω [кг_влаги/кг_{сух.зерна}], с течением времени в последней 10-й части слоя зерна при разных скоростях воздуха.

Видно, что скорость движения воздуха очень сильно влияет на длительность процесса. Поскольку имеет место квадратичная зависимость перепада давлений воздуха в слое от скорости, то мощность на его прокачивание через слой пропорциональна скорости в третьей степени. Это свидетельствует о важности выбора режимов активного вентилирования.

Таким образом, результаты расчетов качественно правильно отражают процесс, однако необходима апробация модели на основании данных о температурах в слое зерна, которые контролируются при его хранении.
Также требуется развитие модели с учетом особенностей протекания процесса, которые в настоящее время не учтены.

Необходимо учесть возможность естественной конвекции при малых скоростях активного вентилирования и переноса теплоты теплопроводностью по зерну от верхних, более нагретых областей вниз, к более холодным. Это явление следует оценить и учесть в том случае, если эффект от него велик.

Практика показывает, что необходим учет теплообмена излучением. Излучение с поверхности силоса обеспечивает дополнительное охлаждение в ночное время, что усугубляет конденсацию. Солнечное излучение на поверхность силоса приводит к дополнительному подогреву зерна в теплое время суток, что ухудшает условия хранения.

Разработанная модель в представленном виде пока не учитывает еще одну важную особенность тепло- и массообмена в силосах – конденсацию влаги из влажного воздуха на вертикальных стенах силоса, контактирующих с холодным наружным воздухом. Для этого требуется рассмотреть тепло- и массообмен в пограничном слое на вертикальной поверхности, покрытой плотной засыпкой, который существенно отличается от тепло- и массообмена в обычном пограничном слое и изучен недостаточно.

Особенную сложность представляет учет внутренних тепловыделений в слое вследствие биологических процессов, протекающих в зерне при его нагреве или увлажнении.

Развитие модели позволит определить режимы активного вентилирования для хранения зерна различных культур в местностях с различными климатическими условиями с учетом изменения температур во времени в течение всего срока хранения с учетом суточных колебаний.

Список литературы
1. Ванцкул А.С., Горячева Е.М., Гаряев А.Б., Сорочинский В.Ф. Исследование влияния различных факторов на время охлаждения слоя зерна в металлических силосах. //Сборник научных трудов VI-ого Международного научно-технического Симпозиума «Современные энерго- и ресурсосберегающие технологии СЭТТ – 2017» Международного научно-технического Форума «Первые международные Косыгинские чтения (11-12 октября 2017 года). Т. 7 / М.: ФГБОУ ВО «РГУ им. А.Н. Косыгина», 2017. С. 1805-1810.
2. Гаряев А.Б., Сорочинский В.Ф., Горячева Е.М. Математическая модель процесса переноса влаги при активном вентилировании зерна в элеваторах. // Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции, посвящѐнной 105-летию со дня рождения А. Н. Плановского «Повышение эффективности процессов и аппаратов в химической и смежных отраслях промышленности« (МНТС ПЛАНОВСКИЙ-2016). М.: ФГБОУ ВО «МГУДТ», 2016. С. 320-324.

Андрей Борисович Гаряев¹ ,
Татьяна Сергеевна Березина,
Владимир Федорович Сорочинский^2
1Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва, Россия;
² ВНИИЗ – филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М.Горбатова»

Статья опубликована в сборнике:
Сушка, хранение и переработка растениеводства: сборник научных трудов Междунар. научно-технич.семинара, посвящ. 175-летию со дня рождения К.А.Тимирязева (22-23 мая 2018 г.). – М. Изд-во «Перо», 2018. – С.72-76.