Технологическая схема хранения зерна в металлических силосах большой емкости

Введение.
Народнохозяйственное значение зерна в значительной степени определяется тем, что большие объемы зерна при соответствующих условиях могут храниться в течение длительного времени без существенного изменения качества и товарной ценности [1].

В металлических силосах большой емкости (МСБЕ) наиболее неблагоприятные условия хранения складываются в верхней части зерновой насыпи [2]. Инструкция рекомендует контролировать относительную влажность воздуха в надзерновом пространстве силоса с помощью психрометра Ассмана. В случае превышения относительной влажности воздуха в силосе по сравнению с относительной влажностью наружного воздуха рекомендуется обеспечить вентилирование надзернового пространства.

Выполнить это требование инструкции не представляется возможным, так как не указана периодичность контроля, а люки для обслуживания в крышах МСБЕ для длительного хранения зерна расположены, как правило, на высоте 20 м.

Исходя из этого была поставлена задача - разработать технологическую схему хранения зерна в МСБЕ с контролем показателей критической скорости фильтрации в зерно вой массе в режиме реального времени.

Объекты и методы исследований.
Для измерения параметров воздуха использовали сертифицированные, серийно выпускаемые автономные регистраторы данных, имеющие следующие габариты: 100x25x23 мм. Эти регистраторы одновременно измеряют и записывают темпера туру и относительную влажность воздуха в месте своего расположения. Периодичность записей регулируется от двух секунд до двадцати четырех часов. В наших ис следованиях запись параметров воздуха производилась каждые 30 мин, или в течение суток осуществляли 48 измерений.

Погрешность измерения температуры в пределах -40...+70 °C составляет 2 °C, погрешность измерения относительной влажности воздуха в пределах 1О...95% составляет 5%. Периоды, в которых измеренное значение относительной влажности составляло 95% и более, относили к нежелательным для хранения, учитывая возможность образования конденсата.



Из представленных на рис. 1 данных следует, что впервые 9 суток хранения температура воздуха в надзерновом пространстве (под крышей силоса) соответствовала температуре наружного воздуха, изменявшейся в пределах 6“ 13 °C. Влагосодержание практически не изменялось и составляло около 7 г/м 3. В последующие сутки наблюдалось резкое понижение темпера туры наружного воздуха до -2 °C, но температура над зерном повысилась и в от дельные сутки составляла свыше 18 °C.

Также повысилось влагосодержание до 12 г/м 3. Представленные данные свидетельствуют о наличии движения воздуха внутри МСБЕ. Косвенно этот процесс подтверждают данные по уменьшению темпов охлаждения и сорбции влаги в верхнем слое за счет подогрева из глубинных слоев зерна и выброса влаги в надзерновое пространство. При повышении температуры в верхней части силоса наблюдали периоды повышения относительной влажности до 95% и более, при которых возможно образование конденсата.

При хранении зерна в МСБЕ требуется принудительное вентилирование над зернового пространства (под крышей) [3].
Вентилирование необходимо проводить при повышении температуры над зерном относительно температуры наружного воздуха более 10 °C [4]. Прекращают вентилирование при достижении равенства температур внутри и снаружи силоса.
Нами была предложена и апробирована типовая технологическая схема хранения зерна в металлических силосах большой емкости. Схема расположения термометрии приведена для силосов вместимостью 10 000т (рис. 2).




В конструкции МСБЕ не предусмотрен постоянный контроль количества воздуха, обращающегося внутри силоса. Силосы не оборудованы измерительной аппаратурой для контроля расхода воздуха.

При малых скоростях фильтрации воздуха десорбированная влага из зерна оседает на поверхности зерновой массы, что приводит к ее увлажнению.

Для избегания оседания влаги на поверхность зерновой массы необходимо вентилировать ее при скоростях фильтрации, обеспечивающих вынос влаги за пределы силоса.

Было предложено регулировать количество нагнетаемого воздуха изменением массы вентилируемого зерна. Этот способ не требует капитальных затрат, но требует знаний по управлению воздушными потоками. Чем меньше масса зерна, тем больше расход воздуха. Устанавливается объем воздуха, при котором в наиболее нагруженной центральной части силоса обеспечивается критическая скорость фильтрации.

Под «критической скоростью фильтрации» понимается минимальное ее значение, обеспечивающее вынос влаги за пределы зернохранилища.


Результаты и их обсуждение.
В МСБЕ воздух неравномерно движется в зерновой массе. Около стен силоса воздух имеет большую скорость по сравнению с центральной частью. Это обосновано различием высот насыпного зернового слоя зерна, который в центре более высокий, чем у стен. Разность высот возникает вследствие загрузки силоса через одно отверстие в центре крыши, из-за этого в нем образуется конусообразная насыпь. Эпюру скоростей воздуха на границе выхода из зерновой массы от центра до стены можно описать следующей формулой:



где V_х - скорость фильтрации воздуха на выходе из зерновой массы на расстоянии х от центра силоса, м/с;
Р - давление воздуха в нижней части насыпи, Па;
h - высота слоя зерна около вертикаль ной стенки силоса, мм;
R - радиус силоса, мм;
х - переменная величина расстояния от центра силоса до его стенки, мм;
а - угол естественного откоса зерна, град.;
А и n - эмпирические коэффициенты, приведены в табл. 1.





На рис. 3 приведены эпюры скоростей фильтрации воздуха от центра до стенки в двух силосах диаметром 12,5 м (R = 6,25 м) вместимостью 2000т и диаметром 28,3 м (R = 14,15 м) вместимостью 10 000т. Высота слоя зерна около вертикальной стенки соответствовала 15 м и 20 м при одинаковом давлении 3000 Па в нижней части слоя. При большей высоте слоя имели меньшие значения скоростей фильтрации и меньший расход воздуха.

Около стенки силоса скорость воздуха зависит от высоты слоя и одинакова для силосов различного диаметра при одинаковом давлении в нижней части. В силосах с большим диаметром имеется больший разброс значений скоростей фильтрации по поверхности зерновой массы.

Например, в силосе диаметром 12,5 м скорость воздуха в центре составила 0,039м /с, а около стены 0,046м/с, разность равна 0,007м/с. В силосе диаметром 28,3 м скорость воздуха в центре составила 0,034 м/с, около стены такая же скорость 0,046 м /с, разность равна 0,012 м/с.

Для силоса диаметром 12,5 м скорость фильтрации 0,007м/с со ответствует расходу воздуха 3000 м3/ч.
Для силоса диаметром 28,3 м скорость фильтрации 0,012 м / с соответствует расходу воздуха свыше 27 0 00 м3/ч.
Для компенсации не равномерности распределения воздуха требуются дополнительные затраты электроэнергии.

Требуемая критическая скорость фильтрации в центре силоса обеспечивается при подаче воздуха в объеме, соответствующем значению средне взвешенной скорости, и при давлении снизу, соответствующем критической скорости в центре.

Максимальное давление воздуха в нижней части зерна вычисляется по формуле:



где Н - высота вертикальной стенки силоса, мм;
V - критическая скорость фильтрации, м/с.

Подставив выражение (3) в формулу (2), получим следующую зависимость для вычисления средневзвешенной скорости фильтрации:



где х - координата средневзвешенной скорости фильтрации, мм.

Координату средневзвешенной скорости фильтрации вычисляли, используя формулу (4) и (5) для МСБЕ диаметром 8~40 м при равенстве высот зернового слоя и стенки силоса 15-20 м. Координата практически не зависит от высоты стенки, изменяется в силосах различного диаметра. Значения координаты, полученной расчетом для МСБЕ с различными диаметрами, представлены в табл. 2.



С целью предупреждения развития процесса самосогревания зерна рекомендуется систему мониторинга температуры внутри зерновой массы оборудовать сигнализацией или устройством автоматического включения системы вентиляторов при повышении температуры более 7 °C в течение 2-3 суток на двух и более датчиках. При опасности возникновения самосогревания зерновой массы ее вентилирование осуществляют при любых погодных условиях.

Для обеспечения и контролирования подачи нормативного объема воздуха в зерновую массу предлагается оснастить силос промышленным дифманометром например ДНМП, с помощью которого из меряют перепад давления внутри силоса в слое с фиксированной толщиной три метра, тогда перепад давления для этого слоя будет функцией одной переменной - скорости фильтрации.

Исходя из массы вентилируемого зерна, площади сечения силоса и нормативной удельной подачи воздуха вычисляют минимальное значение скорости фильтрации Затем по формуле, приведенной выше, вычисляют минимально допустимый перепад давления, значение которого отмечают на циферблате дифманометра (рис. 4).



Включают систему активного вентилирования (САВ), если показания дифманометра будут меньше отметки min на циферблате, в этом случае необходим: уменьшать массу вентилируемого зерна до тех пор, пока показания не совпадут с отметкой, лежащей в диапазоне min - max. Только тогда будет обеспечена нормативная подача воздуха в зерновую массу, зерно сохранено от развития плесеней хранения и эффективно проведено охлаждение зерна. При меньших температурах зерно имеет более длительные сроки хранения: так, пшеница при температуре 10 °C и влажности от 11 до 15% может храниться до двенадцати месяцев без изменения показателей качества [5].

При вентилировании воздухом, имеющим относительную влажность больше предельно допустимого значения, возможно оценить повышение влажности зерна по следующей формуле:




где ΔW- приращение влажности зерна, %;
φ_ф - относительная влажность атмосферного воздуха, %;
φд - допустимая относительная влажность, %;
ΔТ - разность температур зерна и атмосферного воздуха, °C;
T - температура атмосферного воздуха, °C.

Вычисляют по формуле (5) средневзвешенное значение скорости фильтрации воздуха. Затем вычисляют перепад давления в слое толщиной Зм по следующей формуле:



где ΔР - перепад давления воздуха в слое зерна толщиной три метра, Па.

Включают вентилятор. Если дифмонометр покажет значение перепада давления меньше вычисленного по формуле (7), то уменьшают массу зерна в силосе. Зерно выгружают до тех пор, пока показание на дифмонометре не совпадет с вычисленным значением. В этом случае в зерновую массу будет подаваться объем воздуха, обеспечивающий критическую скорость фильтрации в центральной части силоса, гарантируя вынос десорбированной из зерна влаги за пределы зернохранилища.


Выводы.
Технология безопасного активного вентилирования зерна в металлических силосах заключается в следующем:
1. МСБЕ оборудуют контрольно измерительным прибором давления воздуха (рис. 4). Снаружи устанавливают дифмонометр для измерения перепада давления воздуха в слое зерна толщиной от 2,5 до 3,5 м. Нижняя точка отбора давления не менее 1 м от воздухораспределительной решетки силоса.
2. В МСБЕ допускается хранение зерна влажностью не более 14%. Вентилирование допускается при параметрах наружного воздуха, исключающих дополнительное увлажнение зерна. Температура наружного воздуха должна быть ниже температуры зерна не менее чем на 5 °C.
Значения относительной влажности воздуха не должны превышать предельных значений.

М.А. Беляева*, д-р техн, наук, профессор; И.А. Кечкин**, аспирант
*Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова, Москва
**ВНИИ зерна - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН

DOI 10.24411/0235-2486-2020-10012
УДК 631.243.32

 

---