Technology for Monitoring and Control of Air Flows Inside Metal Silos during Grain Storage

全文:

Введение

Для сохранения урожая зерновых в России к 2035 г., по экспертной оценке, потребуется дополнительно построить зернохранилища вместимостью свыше 84 млн т [1]. Имеющийся дефицит емкостей для хранения, очевидно, будет устранен введением в эксплуатацию металлических силосов, которые используются во всем мире. В России за последние 16 лет ежегодно вводились в эксплуатацию металлические емкости вместимостью около 1 млн т. В отличие от традиционно строившихся элеваторов из железобетонных конструкций металлические силосы более экономичны. Они имеют меньший срок строительства в 1,5–2 раза, на 15–20 % меньшие капитальные затраты и не менее 20 % – снижение текущих затрат на содержание зданий. По сравнению с напольными складами в металлических силосах механизированы погрузочно-разгрузочные работы с зерном. Недостатком этих силосов является невозможность гарантированно сохранить в условиях умеренного климата верхний слой зерна массой около 2 % от общего объема [2]. В странах с жарким климатом такой недостаток силосов отсутствует. Сохранение верхнего слоя зерна в металлических силосах в климатических условиях нашей страны – актуальная задача.

На сохранность зерна существенное влияние оказывают температура и влажность воздуха, окружающего зерновую массу и находящегося внутри ее [3; 4]. Повышенные температура и влажность являются благоприятной средой для развития бактерий, грибов, плесеней, насекомых и других негативных процессов, снижающих стойкость зерна к хранению и приводящих к потерям массы и качества. В металлическом силосе вследствие высокой проводимости тепла и температуры ограждающих стен воздух под крышей в надзерновом пространстве изменяет свои параметры в зависимости от погодных условий и физиологических процессов, протекающих в зерновой массе. Параметры воздуха внутри зерновой массы изменяются значительно медленнее и практически не зависят от погодных условий.  Зерновая масса обладает низкой температуропроводностью и теплопроводностью. На изменение параметров воздуха в межзерновом пространстве влияют физио-логические процессы, протекающие в зерновой массе при хранении. В процессе дыхания компонент зерновой массы выделяется тепло, приводящее к повышению температуры и нередко к случаям самосогревания зерна. Предотвратить этот процесс позволяет вентилирование зерновой массы¹.

В металлических силосах с плоским дном, предназначенных для хранения, предусмотрены две вентиляционные установки и устройство для мониторинга температуры во внутреннем объеме. Одна установка предназначена для вентилирования надзернового  пространства под крышей. В верхней части силоса или на крыше устанавливаются осевые (крышные), вытяжные вентиляторы, которые осуществляют замену воздуха в надзерновом пространстве. Приток наружного воздуха обеспечивается через кольцевой зазор между вертикальной стенкой силоса и крышей. Другая установка предназначена для активного вентилирования зерновой массы, замены воздуха во внутреннем объеме силоса, в том числе и в межзерновом пространстве. Наружный более холодный воздух нагнетается в зерновую массу снизу через перфорацию в плоском дне. Выводится воздух из силоса в верхней части через кольцевой зазор между стенкой и крышей в дефлекторы. Устройство для мониторинга температуры представляет собой вертикально натянутый внутри силоса трос с датчиками температуры. Расстояние между датчиками не более 1,5 м. Показания датчиков выводят на пульт управления.

В конструкции металлических силосов не предусмотрен мониторинг количества воздуха, обращающегося внутри силоса. Силосы не оборудованы  измерительной аппаратурой контроля расхода воздуха, подаваемого в зерновую массу. Известно, что при активном вентилировании происходит перераспределение влаги в массе зерна. При малых скоростях фильтрации десорбированная из зерна влага оседает на поверхности зерновой массы, приводит к дополнительному увлажнению и развитию негативных процессов [5]. В процессе хранения в надзерновом пространстве под крышей силоса (особенно в осенне-зимний период при охлаждении атмосферы ниже 0 °С) образуется конденсат, который выпадает на поверхность зерновой массы и также увлажняет зерно.

Настоящая статья посвящена разработке технологии, исключающей увлажнение поверхностного слоя зерна при хранении в металлических силосах, выведению алгоритма безопасного активного вентилирования зерна и алгоритма вентилирования надзернового пространства под крышей силоса.

Обзор литературы

В нормативно-технической документации, а также в инструкциях по эксплуатации металлических силосов отечественных и зарубежных компаний-изготовителей не изложены методы управления воздушными потоками. В силосах, укомплектованных одинаковым вентиляционным оборудованием, хранятся различные зерновые культуры. Аэродинамические характеристики зерновых культур отличаются друг от друга. Например, потери давления воздуха на одном метре высоты зерна при фильтрации со скоростью 0,037 м/с по данным составят: пшеницы – около 110 Па, кукурузы – около 30 Па, проса – около 280 Па, ржи – около 120 Па. При активном вентилировании требуется регулировка установки для каждой культуры. Для металлических силосов установлен единый норматив  объема воздуха, нагнетаемого в зерновую массу.

В инструкциях активное  вентилирование  в металлических силосах рекомендовано осуществлять при удельном расходе воздуха не менее 10 м³/ч на одну тонну. Однако этот норматив недостаточно объективен. В работах ряда ученых установлено, что воздушный поток внутри силоса неравномерно распределяется в зерновой массе [6]. Около стен силоса воздух имеет большую скорость по сравнению с центральной частью. Это обосновано различием высот слоя зерна: в центре слой более высокий, чем у стен. Разность высот возникает вследствие загрузки силоса через одно отверстие в центре крыши, в силосе образуется конусообразная насыпь. Размеры конусной части насыпи зависят от диаметра силоса. Высота конусной части выше в силосах, имеющих больший диаметр. Чем больше диаметр силоса, тем меньший объем воздуха проходит через центральную часть насыпи при средней удельной подаче. Действующий норматив установлен около 30 лет назад на основе исследований в силосе диаметром 15,2 м. В настоящее время строят силосы диаметром от 8 до 40 м. Объединенным нормативом подачи воздуха для всех зерновых культур и типоразмеров силосов могла бы быть критическая скорость фильтрации, при которой обеспечивается вынос влаги за пределы силоса. В зерновую массу необходимо нагнетать воздух в объеме с учетом неравномерности распределения в насыпи, при котором устанавливается критическая (нормативная) скорость фильтрации в центральной части. При таком режиме активного вентилирования будет обеспечен вынос влаги за пределы силоса и исключено выпадение ее на поверхностный слой [7].

Для описания аэродинамических параметров зерновых культур в плотном слое в литературе используют следующую формулу Рамзина:

P = 9,81 ∙ A ∙ h ∙ vⁿ,             (1)

где P – потери давления в зерновом слое, Па;  A и n – эмпирические коэффициенты, приведены  в таблице 1 для различных культур; h – высота слоя, мм; v – скорость фильтрации – расход воздуха, отнесенный к площади зерновой массы, м/с.

 

Таблица 1 Значения коэффициентов A и n для различных культур

Table 1 Values of factors A and n for different cultures

 

Культура / Culture	А	n	Культура / Culture	А	n
Пшеница / Wheat	1,41	1,43	Кукуруза / Corn	0,67	1,55
Рожь / Rye	1,76	1,41	Горох / Peas	0,82	1,51
Овес / Oats	1,64	1,42	Гречиха / Buckwheat	1,76	1,41
Ячмень / Barley	1,44	1,43	Просо / Millet	2,34	1,38

 

Коэффициенты в таблице 1 получены В. Ф. Самочетовым экспериментально при скоростях фильтрации свыше 0,1 м/с. Фактические скорости фильтрации в металлических силосах, по данным О. М. Бинело, не превышают 0,05 м/с [8]. Требуется экспериментально подтвердить правомерность использования значений эмпирических коэффициентов  для этих режимов вентилирования. В ряде работ формула (1) применена для мониторинга количества воздуха, нагнетаемого в зерновую массу [8; 9]. Предлагается измерять перепад давления в слое фиксированной толщиной внутри зерновой насыпи. По формуле (1) вычисляют среднюю скорость фильтрации, затем средний расход воздуха через массу зерна и удельную подачу. Технологическая схема хранения зерна в металлическом силосе с мониторингом расхода воздуха представлена на рисунке 1.

 

 

 

 

Рис. 1. Технологическая схема хранения зерна в металлическом силосе с мониторингом расхода
воздуха: 1 – осевой вентилятор; 2 – присоединение к дифманометру; 3 – дифманометр для
измерения давления воздуха; 4 – схема расположения термоподвесок в поперечном сечении
силоса; ΔP = f(V_f) – изменение давления как функция скорости фильтрации

 

Fig. 1. Process diagram of grain storage in metal silo with air flow monitoring: 1 – axial fan;
2 – accession to a manometer; 3 – manometer for measurement air pressure; 4 – diagram of positioning
for thermal supports in cross section of silo; ΔP = f(V_f) – pressure change as a function of filtration rate

 

 

В металлических силосах в соответствии с нормативной документацией разрешается хранение зерна влажностью не более 14 %. Вентилирование допускается воздухом, имеющим параметры, исключающие дополнительное увлажнение зерна. Температура наружного воздуха должна быть ниже температуры зерна не менее чем на 5 °С. В инструкциях не определены предельные параметры атмосферного воздуха, при которых не происходит увлажнение зерна при вентилировании. В некоторых зарубежных инструкциях, например испанской фирмы Kordoba, дана таблица предельной относительной влажности наружного воздуха. В таблице разность температур зерна и атмосферы не превышает 8 °С. Зерно влажностью 14 % допускается вентилировать воздухом, имеющим 100 % влажность. Требуется разработать таблицу в более широком диапазоне разности температур: с учетом условий хранения в умеренном климате РФ. Разность температур может достигать более 30 °С. Вентилирование воздухом с влажностью, близкой к 100 %, недопустимо.

Для контроля и управления установкой вентилирования надзернового пространства силоса в инструкциях рекомендовано измерять относительную влажность воздуха под крышей и снаружи при помощи психрометра Ассмана. Включать установку требуется при превышении влажности воздуха над зерном по сравнению с влажностью воздуха снаружи.

В инструкции не указаны периодичность контроля, а также значение превышения влажности воздуха внутри относительно влажности снаружи. Выполнить на практике предложенные в инструкции условия контроля влажности не представляется возможным: высота силосов около 20 м. Также нецелесообразно вентилировать подкрышное пространство при состоянии превышения влажности воздуха внутри относительно наружной, но не менее точки росы.  В этом случае нет опасности выпадения конденсата.

Разработать алгоритм управления установкой вентилирования подкрышного пространства силоса возможно на основе анализа данных изменений температуры и относительной влажности воздуха внутри в верхней части силоса  и снаружи. Наблюдения за изменениями параметров воздуха целесообразно провести в период от закладки зерна с температурой не менее 20 °С до устойчивого охлаждения атмосферы ниже 0 °С. Такое соотношение температур характерно для умеренного климата. Похожие исследования для условий жаркого климата выполнены в зарубежных работах² [10].

В наших работах опубликованы графики изменений температуры и влажности воздуха в силосе и снаружи [11–13]. Полученные данные подтверждают неустойчивое состояние верхнего слоя зерна при хранении в металлическом силосе. Внутри в верхнем слое  на глубине около 70 мм и на поверхности зерновой насыпи может образоваться конденсат. В этих местах  относительная влажность воздуха достигает 100 % в отдельные периоды хранения. Часто предельное насыщение влагой воздуха наблюдается в надзерновом пространстве под крышей. Начинаются эти процессы при устойчивом понижении наружной температуры ниже нуля, составляющей не менее половины времени в течение месяца. Высказано предположение о том, что внутри силоса происходит насыщение воздуха влагой, близкой 100 %, при двух вариантах: 100 % относительной влажности воздуха снаружи (дождливая погода) и выбросе тепла под крышу из глубинных слоев зерновой массы.

Для подтверждения изложенных выше вариантов насыщения влагой воздуха требуется более детально изучить соотношение параметров воздуха внутри силоса и снаружи в следующие периоды хранения. Периоды повышения температуры над зерном относительно наружной температуры и периоды 100 % влажности наружного воздуха.

Материалы и методы

Потери давления и расход воздуха при вентилировании зерна измерялись в производственных и лабораторных условиях. В производственных силосах измерения выполнялись при вентилировании пшеницы, овса и сои, в лаборатории – при вентилировании пшеницы и сои.

Перед выполнением замеров в силосах выравнивался поверхностный слой посредством выгрузки части зерна в течение 15 мин. В силосах измерялись: перепад давления в слоях фиксированной толщины, давление воздуха в нижнем слое над перфорированной решеткой и расход воздуха, нагнетаемый в силос. Перепад давления измерялся в следующих силосах и культурах. В пшенице – толщина слоя 2,95 м в силосе фирмы RIELA вместимостью 2 000 т, заполненном свыше 50 %. В зерне сои – толщина слоя 2,0 и 3,0 м в силосе фирмы GSCOR вместимостью 10 000 т, загруженном полностью. Давление в нижнем слое измерялось при вентилировании овса толщиной 0,5 м в силосе RIELA вместимостью 3 000 т и при вентилировании пшеницы слоем более 10 м в силосе той же фирмы вместимостью 2 000 т.

Перепад и давление измерялись U-образным манометром, заполненным водой. При охлаждении атмосферы до 0 °С и ниже  использовался дифманометр-напоромер ДНМП. Расход воздуха, нагнетаемый в силос, измерялся в воздуховоде между вентилятором и силосом по общепринятой методике с применением пневмометрической трубки Пито.

В лабораторных условиях вентилировалась пшеница с высотой слоя 1 м, а соя с высотой 0,22 м. Измерялись давление воздуха в нижнем слое и расход воздуха. Для измерения давления использовался спиртовой микроманометр. Расход воздуха измерялся при помощи сужающих устройств: трубы Вентури и диафрагмы.

Температура и относительная влажность воздуха измерялись в верхней части внутри силосов вместимостью 2 000 и 10 000 т. Силосы были заполнены соответственно на 90 % и 100 % сухим зерном пшеницы влажностью менее 14 % урожая текущего года. В силосе на 2 000 т наблюдения осуществлялись в течение двух месяцев (сентябрь–октябрь 2016 г.), в силосе на 10 000 тонн наблюдали в течение пяти месяцев (октябрь 2017 г.–февраль 2018 г.). Внутри силоса и снаружи параметры воздуха измерялись одновременно через каждые 30 мин, в сутки – 24 измерения.

Для измерения температуры и относительной влажности воздуха использовались автономные регистраторы Логгер 100-ТВ. В силосах регистраторы помещались: в верхнем слое зерна на глубине около 70 мм; в надзерновом пространстве ‒ посередине между крышей и зерном на расстоянии около 200–300 мм от крыши и на поверхности зерна. Снаружи регистраторы устанавливались около силоса с северной стороны на высоте 1,5–2,0 м от земли. Погрешность измерения температуры, в диапазоне от –40 °С до +70 °С, составляла не более 2 °С; погрешность измерения относительной влажности, в диапазоне от 10 % до 95 %, составляла не более 5 %.

При анализе данных  температуры и относительной влажности, измеренных регистраторами, дополнительно рассчитывалось влагосодержание. По этому показателю можно оценить количество конденсата, выпадающего при охлаждении воздуха.

Помимо данных регистраторов использовались показания системы штатного мониторинга температуры, установленной внутри зерновой массы в силосе. Наблюдения осуществлялись в тех же силосах, в которых были установлены регистраторы, и дополнительно еще в пяти вместимостью по 10 000 т, заполненных пшеницей. В одном из дополнительно наблюдаемых силосов зафиксирован процесс самосогревания, представленный ниже в разделе «Результаты исследования». Показаны температуры, зафиксированные датчиками, установленными на термоподвеске в центре силоса на высоте от 1,0 до 13,0 м от днища. Расстояние между датчиками – 1,5 м.

Таблицу предельных значений относительной влажности воздуха для вентилирования разрабатывали для пшеницы и ячменя. При этом использовались данные равновесной влажности, опубликованные в одной из наших работ, а также общеизвестные таблицы изменения относительной влажности воздуха от температуры [13–15]. Данные для ячменя можно использовать для ржи, равновесные значения влажности этих культур практически одинаковые.

Результаты исследования

В таблице 2 представлены результаты аэродинамических испытаний. Из данных таблицы 2, фактических потерь давления, определены эмпирические коэффициенты для зерна сои (A = 0,22; n = 1,10).

 

Таблица 2 Сравнение расчетных и экспериментальных значений потерь давления воздуха в различных зерновых культурах при вентилировании со скоростью менее 0,15 м/с

Table 2 Comparison of calculated and experimental values of air pressure losses in different grain crops during ventilation with speed less than 0.15 m/s

 

V, м/с	Потеря давления ΔР, Па / Pressure loss ΔP, Pa		Зерновая культура / Grain crop		Толщина слоя, мм / Thickness of a layer, mm	Место измерения давления / Place of measurement of pressure
	Фактическое / Actual	Расчетное / Settlement	Наименование / Name	Влажность / Humidity
0,033	320	310	пшеница / wheat	13,5	2 950	Перепад давления в металлическом силосе / Pressure drop in metal silo
0,027	220	233	пшеница / wheat	13,5	2 950
0,021	160	160	пшеница / wheat	13,5	2 950
0,038	170	174	соя / soy	7,0	3 000
0,028	120	129	соя / soy	7,0	3 000
0,016	70	71	соя / soy	7,0	3 000
0,038	130	117	соя / soy	7,0	2 000
0,028	90	86	соя / soy	7,0	2 000
0,016	50	47	соя / soy	7,0	2 000
0,026	50	45	овес / oats	13,8	500	В нижнем слое зерна в силосе / In the lower layer of grain in silo
0,033	1 080	1 078	пшеница / wheat	13,5	10 250
0,027	870	808	пшеница / wheat	13,5	10 250
0,021	630	567	пшеница / wheat	13,5	10 250
0,030	12	10	соя / soy	6,0	220	В нижнем слое зерна в лабораторных условиях / In the lower layer of grain in laboratory conditions
0,090	39	34	соя / soy	6,0	220
0,150	68	59	соя / soy	6,0	220
0,030	90	91	пшеница / wheat	11,3	1 000
0,050	193	191	пшеница / wheat	11,3	1 000
0,060	241	248	пшеница / wheat	11,3	1 000

 

 

 

Расхождения между расчетными и фактическими значениями потерь давления не превышают 15 %. Это допустимо для инженерных расчетов вентилирования зерна по формуле (1).

Используя эту формулу, можно описать эпюру скоростей воздуха на границе выхода из зерновой массы от центра силоса до стены следующим уравнением:

v_x  = expn^–1(lnP – lnA – ln(h + (R – x)tgα)), (2)

где v_x – скорость фильтрации воздуха на выходе из зерновой массы на расстоянии х от центра силоса, м/с; P – давление воздуха в нижней части насыпи, Па; h – высота слоя зерна около вертикальной  стенки силоса, мм; R – радиус силоса, мм; x – переменная величина расстояния от центра силоса до его стенки, мм; α – угол естественного откоса зерна, град.

На рисунке 2 приведены графики изменения скоростей фильтрации воздуха от центра до стенки в двух силосах. При большей высоте слоя скорость фильтрации меньше и меньше расход воздуха. Около стенки силоса скорость воздуха  одинакова для силосов различного диаметра,  если в них одинаковые высоты зерновой массы и давление под решеткой. В силосах с большим диаметром имеется больший разброс значений скоростей фильтрации по поверхности зерновой массы.

 

 

 

Рис. 2. Изменение скоростей воздуха на поверхности зерновой массы в силосах диаметром
12,5 м и 28,3 м при высоте зерна около стен 15 м и 20 м и давлении воздуха в нижней части насыпи 2 500 Па

 

Fig. 2. Air velocities on the surface of the grain mass in silo with diameter of 12.5 m and 28.3 m
at grain heights near the walls of 15 m and 20 m and air pressure in the lower part of the fill of 2,500 Pa

 

 

Для установления критической скорости фильтрации в центральной части силоса требуется дополнительный объем воздуха с учетом неравномерности распределения в зерновой массе. Расход воздуха должен соответствовать средневзвешенной скорости фильтрации в силосе. Давление в нижнем слое должно соответствовать критической скорости в центральной части силоса.

Максимальное давление воздуха в нижнем слое зерна можно вычислить по формуле:

P = 9,81 ∙ A(H + R ∙ tgα) ∙ vⁿ,     (3)

где H – высота вертикальной стенки силоса, мм; v – критическая скорость фильтрации, м/с.

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

$\overline{v}=\text{exp}{n}^{-1}\left(n\cdot \text{ln}v+\ln \left(H+R\cdot \text{tg}\alpha \right)-\right.\left.\text{ln}\left(h+R-X\right)\cdot \text{tg}\alpha \right),$  (4)

где Χ – координата средневзвешенной скорости фильтрации, мм.

$\overline{v}=R^{-1}\underset{0}{\overset{R}{{\displaystyle \int }}}v\left(x\right)dx$ .                   (5)

Координату средневзвешенной скорости фильтрации вычисляли, используя формулу (4) и формулу (5) для силосов диаметром от 8 до 40 м при равенстве высот зернового слоя и стенки силоса в диапазоне от 15 до 20 м. Координата практически не зависит от высоты стенки, изменяется в силосах различного диаметра. Значения  координаты, полученной расчетом для силосов с различными диаметрами, представлены в таблице 3.

 

Таблица 3 Значения координаты средневзвешенной скорости фильтрации воздуха в силосах различного диаметра

Table 3 Values of coordinate of weighted average air filtration speed in silos of different diameter

 

Координата средневзвешенной скорости фильтрации / Weighted average filter rate coordinate	Диаметр силоса, м / Silo diameter, m
	<10	10–20	20–30	>30
XW	0,50R	0,55R	0,60R	0,65R

 

 

На рисунке 3 представлен случай возникновения самосогревания зерна в центре нижней части металлического силоса, заполненного зерном пшеницы массой около 9 000 т.

 

 

 

Рис. 3. Самосогревание зерна пшеницы в металлическом силосе. Красным выделены
температуры выше 40 °С

Fig. 3. Self-heating wheat grain in metal silo. Temperatures above 40 °С are highlighted in red

 

 

С 22 по 26 января в слое высотой до 7,0 м (пять датчиков слева направо) от днища в центре силоса (рис. 3) произошло повышение температуры. В слоях, лежащих выше, повышение температуры не наблюдалось. В слое высотой до 2,5 м от днища температура повысилась более чем на 20 °С. В слое высотой от 2,5 до 7,0 м температура повысилась более чем на 7 °С. Через трое суток 29 января произошло самосогревание в слое высотой от 7,0 до 8,5 м, температура повысилась на 40 °С. Затем в течение 1–2 суток самосогревание развилось в нижних слоях. Этот процесс в реальных условиях может развиваться скоротечно, в течение одной недели. В нагретом состоянии зерно находилось до 21 февраля, до его выгрузки из силоса. В данном силосе осуществлялся визуальный контроль температуры по показаниям датчиков, однако исследователи поздно среагировали на повышение температуры и включили активное вентилирование. Силос был оборудован четырьмя вентиляторами с общей производительностью свыше 80 000 м³/ч. В данном случае имел место человеческий фактор.

На рисунках ниже представлены изменения относительной влажности (рис. 4), влагосодержания (рис. 5) и температуры (рис. 6) воздуха снаружи и под крышей силоса вместимостью 10 000 т за период наблюдений с 11:00 12 января до 18:00 16 января 2018 г.

 

 

 

Рис. 4. Изменение относительной влажности воздуха: 1 – над зерном; 2 – снаружи

Fig. 4. Change of relative air humidity: 1 – above grain; 2 – outside

 

 

 

 

 

Рис. 5. Изменение влагосодержания воздуха: 1 – над зерном; 2 – снаружи

Fig. 5. Change of air moisture content: 1 – above grain; 2 – outside

 

 

 

 

 

Рис. 6. Изменение температуры воздуха: 1 – над зерном; 2 – снаружи; 3 – в поверхностном слое
на глубине около 70 мм

Fig. 6. Air temperature change: 1 – above grain; 2 – outside; 3 – in the surface layer at a depth
of about 70 mm

 

Этот период характерен тем, что имеются импульсы повышения температуры, влагосодержания и относительной влажности в воздухе над зерном, а также период 100 % влажности воздуха снаружи. Из представленных  данных следует, что наиболее опасными являются импульсы выброса тепла в надзерновое пространство под крышу. В кратковременные периоды повышения температуры в надзерновом пространстве (рис. 6) происходит увлажнение воздуха, достигающее 100 % (рис. 4). После прекращения выброса тепла происходит охлаждение воздуха, из которого выпадает максимальное количество конденсата. Например, с 21:00 12 января до 7:00 13 января влагосодержание в одном кубическом метре воздуха над зерном уменьшилось с 7 г до 2 г (рис. 5). Можно предположить, что из одного кубического метра воздуха надзернового пространства выпало около 5 г конденсата. При 100 % влажности снаружи воздух внутри верхней части силоса имеет такие же показатели влажности, температуры и влагосодержания, как в атмосфере снаружи. В этот период воздух под крышей насыщается влагой (рис. 4), но не происходит его охлаждение (рис. 6). Поэтому образование конденсата маловероятно.

Некоторые исследователи обосновывают увлажнение поверхностного слоя наличием конвекции внутри металлических силосов. Авторы отмечают, что в результате перепадов температур между зерновой массой и атмосферой происходит процесс влагопереноса и, возможно, отпотевание и увлажнение верхнего слоя. В работе уточняется, что конвективные потоки воздуха имеют место в невентилируемых металлических силосах. Силосы для хранения зерна в верхней части и внизу соединены с атмосферой (рис. 1). В верхней части внутренний объем силоса соединен с атмосферой через кольцевой зазор между вертикальной стенкой и крышей, внизу – через вентиляционную установку. При такой конструкции силосов, имеющих высоту более 20 м, в них возможно естественное вентилирование зерна. Наличием этого процесса можно объяснить кратковременные (несколько часов) импульсы повышения температуры под крышей. По данным, представленным на рисунке 6, не наблюдается зависимости температуры над зерном от температуры снаружи. Повышение температуры над зерном до 5–8 °С (кривая 1) происходило независимо от колебаний температуры снаружи от –5 до –17 °С (кривая 2). Если бы в силосе имели место только конвективные токи, то максимальное повышение температуры над зерном можно было бы ожидать при максимальном понижении температуры снаружи. В этом случае максимальная разность температур между теплым воздухом внутри зерна и холодным воздухом снаружи. В реальном силосе такого изменения не наблюдается.

В силосе происходит эпизодическое движение воздуха снизу вверх. Вышележащие слои зерна подогреваются теплом нижних. Для понимания этого процесса интерес представляют наблюдения за температурой верхнего слоя зерна на глубине 70 мм от поверхности (рис. 6, кривая 3). В диапазоне периодов движения воздуха с 11:00 12 января до 20:00 14 января температура верхнего слоя практически не изменялась и составляла около 7 °С при наружной отрицательной ‒ до –17 °С (рис. 6, кривая 2). В период равновесия, при равенстве температур снаружи и под крышей (отрицательных от –1 до –9 °С), наблюдается охлаждение верхнего слоя. При последующем движении воздуха вновь повышается температура верхнего слоя зерна.

В соответствии с известными физическими свойствами воздух движется через зерновую массу вследствие разности давлений в верхней и нижней частях силоса и разности температур между зерном и воздухом снаружи. Наиболее интенсивное движение воздуха вверх происходит при совпадении направлений аэродинамических сил и конвекции по аналогии с вентилированием погребов, топки печей и т. д.

Конвекция в силосе подтверждается тем обстоятельством, что воздух под крышей охлаждается не до температуры атмосферы, а на 4–5 °С выше (рис. 6, кривые 1 и 2). Такова составляющая конвекции в повышении температуры над зерном. Металлические силосы более габаритные, поэтому в них  отсутствует устойчивое движение воздуха. Разность давлений внизу и вверху силоса возникает вследствие совпадения в определенном сочетании многих факторов в атмосфере. Например, давление воздуха внизу увеличивается при повышении его плотности, зависящей от абсолютного давления, влагосодержания и других факторов. Давление воздуха вверху снижается при уменьшении его плотности вследствие нагрева, а также зависит от воздействия завихрений, возникающих при обдуве ветром крыши. Завихрения могут одновременно или порознь с разных сторон силоса создавать избыточное давление или разрежение. Избыточное давление препятствует выходу воздуха из силоса, а разрежение способствует вытяжке. Характер завихрений зависит от скорости и направления ветра, аэротеней, от других зданий, расположенных на территории, и других факторов. При благоприятном совпадении вышеперечисленного происходят движение воздуха внутри силоса и изменения в надзерновом пространстве под крышей. Однако совпадения случайны, поэтому случайны и выбросы тепла из зерновой массы. Аналогичный процесс движения воздуха наблюдался в силосе вместимостью 2 000 т [12; 13]. Предусмотреть влияние всех факторов на изменения температурно-влажностных параметров воздуха внутри силоса при хранении зерна не представляется возможным.

В силосе не происходит движения воздуха при 100 % влажности снаружи. В этом случае воздух в надзерновом пространстве имеет такую же влажность и такую же максимальную плотность, как снаружи. Не имеется разности давлений воздуха между верхней и нижней частями силоса, но имеется разность температур между зерном и атмосферой. Температура внутри зерновой массы на высоте от 7 до 13 м составляла от 14 до 22 °С, а снаружи температура была отрицательная, от –1 до –9 °С. Данные графиков изменения температуры внутри зерновой массы в этом силосе опубликованы ранее³. Плотный воздух над зерном препятствует движению более теплого и легкого воздуха из глубины зерновой массы.

В таблице 4 представлены предельные значения относительной влажности воздуха, использование которого не приведет к повышению влажности зерна при вентилировании. При прохождении через зерновую массу происходит нагрев атмосферного воздуха, в котором, следовательно, уменьшается относительная влажность. Нагревается воздух до температуры зерна в конце вентилирования, значение которой вычислялось по следующей формуле [13]:

T_к = 0,3 ∙ T_з + 0,7 ∙ t,

где T_к – конечная температура зерна после охлаждения, °С; T_з – начальная температура зерна, °С; t – температура наружного воздуха, °С.

 

Таблица 4 Предельные значения относительной влажности атмосферного воздуха для охлаждения зерна  различной влажностью в металлическом силосе

Table 4 Limit values of relative humidity of atmospheric air for grain cooling with different humidity in metal silo

 

Температура атмосферного воздуха, °С / Atmospheric air temperature, °С	Температура зерна, °С / Temperature of grain, °C		Влажность зерна / Humidity of grain
			< 12 %		12–13 %		13–14 %
	Начальная / Initial	Конечная / Final	Пшеница / Wheat	Ячмень / Barley	Пшеница / Wheat	Ячмень / Barley	Пшеница / Wheat	Ячмень / Barley
‒15	15	–2	70	60	70	65	75	70
	20	–1	70	60	70	65	75	70
‒10	15	–2	65	60	70	65	75	70
	20	–1	65	60	70	65	75	70
‒5	15	1	65	55	70	65	75	70
	20	3	62	55	70	65	73	70
	25	4	60	55	70	65	73	65
0	15	5	60	55	70	65	70	65
	20	6	60	53	68	65	70	65
	25	8	60	53	68	63	70	65
	30	9	60	51	68	63	70	65
5	15	8	60	53	68	63	70	65
	20	10	60	50	65	60	70	65
	25	11	58	50	65	60	70	65
	30	13	58	50	65	60	70	65
10	15	11	58	50	65	58	70	65
	20	13	58	50	65	58	70	65
	25	14	55	50	65	55	70	65
	30	16	55	50	65	55	70	65
15	20	17	52	48	63	55	68	65
	25	18	52	48	63	55	68	63
	30	20	50	45	62	53	65	63
	35	21	50	45	60	50	65	60

 

Равновесная влажность зерна, которая устанавливается по окончании вентилирования, не должна превышать исходную влажность. Для зерна с заданными параметрами в конце вентилирования в таблице 4 определялась максимально допустимая относительная влажность воздуха в силосе по таблице равновесной влажности. Предельная влажность наружного воздуха вычислялась по общеизвестным формулам пересчетом влажности воздуха внутри силоса для более низких температур снаружи.

Например, при вентилировании зерна пшеницы, имеющей температуру 15 °С и влажность 12 %, воздухом с температурой 0 °С и относительной влажностью 60 % произойдет снижение температуры зерна и повышение температуры воздуха до 5 °С. Такое повышение температуры в силосе снизит влажность атмосферного воздуха до 45 %, при которой равновесная влажность зерна не превысит исходную.

Обсуждение и заключение

Выполнить безопасное активное вентилирование зерна возможно при различных вариантах технологии.

В первом варианте для каждой зерновой культуры и габаритных размеров силоса необходим вентилятор, аэродинамическая характеристика которого соответствует аэродинамике зерновой культуры, заложенной на хранение. Такая технологическая схема создает ряд неудобств в эксплуатации и повышает капитальные и текущие затраты. Неудобства заключаются в том, что в процессе подготовки зернохранилищ к приемке нового урожая не представляется возможным прогнозировать номенклатуру и количество по каждой зерновой культуре. Капитальные затраты на приобретение дополнительного вентиляционного оборудования и текущие на приобретение запасных частей более широкой номенклатуры увеличатся.

Во втором варианте на каждый силос устанавливаются одинаковые вентиляторы, обеспечивающие безопасное вентилирование зерновой культуры, имеющей аэродинамическую характеристику с максимальными параметрами. Для вентилирования зерна с меньшими аэродинамическими параметрами дросселируют воздуховоды от вентилятора. Этот вариант имеет повышенные затраты электроэнергии, которые возрастут в несколько раз. Использовать такую технологию в практике нецелесообразно.

В третьем варианте предлагается технология подготовки воздуха (охлаждение, подсушивание), нагнетаемого в зерновую массу, до кондиций, исключающей образование конденсата [16–18]. Эта технология энергоемка и ее целесообразно использовать во влажном и жарком климате.

Авторы предлагают вариант – регулировать количество нагнетаемого воздуха изменением массы вентилируемого зерна. Этот способ не требует  затрат, но требует знаний по управлению воздушным потоком. Чем меньше масса зерна, тем больше расход воздуха. Устанавливается объем воздуха, при котором в наиболее нагруженной центральной части силоса обеспечивается критическая скорость фильтрации.

Предлагаемая технология активного вентилирования зерна в металлических силосах заключается в следующем:

1. Металлические силосы оборудуют контрольно-измерительным прибором давления воздуха. Снаружи, как показано на рисунке 1, устанавливают дифманометр, например ДНМП, для измерения перепада давления воздуха в слое зерна толщиной 3 м. Нижняя точка отбора давления расположена на расстоянии не менее 1 м от днища силоса.
2. По таблице 4 определяются предельные параметры наружного воздуха для вентилирования зерна. При достижении этих параметров в окружающем воздухе вентилируется зерновая масса. Если требуется вентилирование воздухом, имеющим относительную влажность больше предельно допустимого значения в таблице 4, то возможно оценить повышение влажности зерна по следующей формуле:

∆W = 5 ∙ 10^–4 ∙ (φ_ф – φ_д) ∙∆T ∙ e^0,07t,

где ∆W – приращение влажности зерна, %; φ_ф – фактическая относительная влажность атмосферного воздуха, %; φ_д – допустимая относительная влажность (из таблицы 4), %; ∆T –  разность температур зерна и атмосферного воздуха, °С; t – температура атмосферного воздуха, °С.

Допускается повышение влажности в пределах погрешности измерения, не более 0,5 %.

3. Вычисляется по формуле (4) значение средневзвешенной скорости фильтрации воздуха. Затем – перепад давления в слое толщиной 3 м по следующей формуле:

       $\Delta P=29430\cdot A\cdot {\overline{v}}^n$     (7)

где ∆P – перепад давления воздуха в слое толщиной 3 м, Па.

4. Вентилятор включается вручную. Если перепад давления на дифманометре покажет значение меньше вычисленного по формуле (7), то уменьшается масса зерна в силосе. Зерно выгружается в оперативную емкость (предусмотренную в технологической схеме) или в свободный силос до тех пор, пока показание на дифманометре не совпадет с вычисленным значением. В этом случае в зерновую массу будет подаваться объем воздуха, обеспечивающий критическую скорость фильтрации в центральной части силоса и гарантированный вынос влаги за его пределы.
5. При опасности возникновения самосогревания зерновой массы ее вентилирование осуществляется при любых погодных условиях. Учитывая ранее рассмотренный случай самосогревания, и с целью исключения человеческого фактора целесообразно систему мониторинга температуры внутри зерновой массы оборудовать сигнализацией или устройством автоматического включения вентиляторов. Эти устройства должны включаться при повышении температуры на 7 °С и более в течение 2–3 суток на двух и более датчиках.

Технология вентилирования надзернового пространства заключается в определении времени включения осевых (под крышей) вентиляторов и продолжительности их работы. Вентилирование в надзерновом пространстве необходимо осуществлять в периоды насыщения влагой воздуха. Включение вентиляторов позволит не только исключить конденсат, но интенсифицировать процесс охлаждения и снизить затраты. Мощность осевого вентилятора не более 1,5 кВт, мощность вентилятора для активного вентилирования не менее 18 кВт. Количество осевых вентиляторов, как правило, равно количеству нагнетающих.

Согласно результатам исследований, приведенным выше, максимальное насыщение воздуха влагой происходит в периоды повышения температуры над зерном. Вентиляторы должны включаться и выключаться автоматически при достижении следующих соотношений температур внутри силоса и снаружи.

1. Включаются вентиляторы при превышении температуры внутри силоса относительно температуры снаружи не менее чем на 7 °С.
2. Выключаются вентиляторы при установлении разности температур не более 4 °С.

Для внедрения технологий управления воздушными потоками внутри металлических силосов требуется выполнить дополнительно следующие исследования и разработки.

1. Исследовать процесс сорбции и десорбции зерном влаги в динамическом режиме вентилирования при скоростях фильтрации воздуха не более 0,05 м/с. Имеются данные единичных опытов в этом диапазоне скоростей воздуха⁴ [19].
2. Экспериментально определить минимальную скорость фильтрации, обеспечивающую гарантированный унос влаги из надзернового пространства (критическую скорость).
3. Разработать и испытать в производственных условиях блок управления осевыми (крышными) вентиляторами.

 

 

¹           Burrill P. Super Cool Aeration Results // Source Link Grains Research and Development Corporation (GRDC). 21.06.2016. URL: https://storedgrain.com.au/super-cool-aeration-results/ (дата обращения: 20.04.2020).

²           Кечкин И. А., Разворотнев А. С., Гавриченков Ю. Д. Обеспечение сохранности зерна в металлическом силосе // Инновационное развитие пищевой, легкой промышленности и индустрии гостеприимства: материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию Алматинского технологического университета. Алматы, 2017. С.194–196.

³           Разворотнев А. С., Гавриченков Ю. Д. Изменение температуры внутри зерновой массы пшеницы при хранении в металлическом силосе большой вместимости // Сборник трудов к 90-летию ВНИИЗ. М., 2019. С. 166–170.

⁴           Сорочинский В. Ф. Кинетика охлаждения зерна после сушки на установках активного вентилирования // Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов в различных отраслях промышленности и агропромышленном комплексе: сборник научных статей первых Международных Лыковских научных чтений (22–23 сентября 2015 г.). Курск: Университетская книга, 2015. С. 230–235.

 

作者简介

Alexandr Razvorotnev

All-Russian Research Institute of Grain and Its Processing Products

Email: razvorotnev.ac@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3957-041X
Researcher ID: AAH-1423-2019

Senior Researcher of All-Russian Research, Ph.D. (Engineering), Associate Professor

俄罗斯联邦, 11 Dmitrovskoye Shosse, Moscow 127434

Yuri Gavrichenkov

All-Russian Research Institute of Grain and Its Processing Products

编辑信件的主要联系方式.
Email: gavrud@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-5590-8997
Researcher ID: AAG-8142-2019

Senior Researcher of All-Russian Research, Ph.D. (Engineering)

俄罗斯联邦, 11 Dmitrovskoye Shosse, Moscow 127434

参考

补充文件