Проблемные вопросы хранения зерна в современных металлических силосах большого диаметра

Интенсивный рост производства зерна требует существенного увеличения количества современных зернохранилищ, потребность в которых в Украине в последние десятилетия интенсивно восполняется за счет строительства стальных гофрированных силосов большого диаметра. Преимущества их бесспорны: с одной стороны сжатые в несколько раз циклы строительства и ввода их в эксплуатацию, с другой — в несколько раз ниже трудоемкость строительных работ и стоимость тонны емкости по сравнению с железобетонными силосными корпусами.

При явных преимуществах современных металлических зернохранилищ Украина столкнулась с проблемой отсутствия опыта работы с ними и сложностями в обеспечении качества хранящегося в них зерна. Ведь из-за высокой теплопроводности поверхности металлических силосов, колебания температуры зерна в периферийных слоях вызывают явления термовлагодиффузии, конвекции, миграции и последующей конденсации влаги даже в том случае, когда зерно имеет безопасную и однородную влажность. Решение этих проблем требует изучения особенностей тепловлагопереноса при различных условиях хранения зерна, закономерностей движения воздушных потоков в межзерновом пространстве силосов, разработки методики проектирования надежных систем активного вентилирования и контроля за состоянием зерновых масс в силосах.

Объекты и методы исследований

Объектами исследований были зерновые массы, хранящиеся в металлических силосах большого диаметра. В процессе хранения при помощи термодатчиков, закрепленных на термоподвесках, исследовали закономерности изменения температур разных слоев зерновых масс во времени и пространстве металлических силосов в зависимости от расположения силосов, степени их загрузки, периода года, времени суток, метеорологических и других условий.

Результаты и их обсуждение

Анализ литературных источников, предварительные исследования, проведенные учеными ОНАПТ совместно со специалистами «Завода элеваторного оборудования» (г. Одесса) и многими производственниками, позволили установить ряд закономерностей, присущих хранению зерна в металлических силосах большого диаметра.

Явление термовлагодиффузии, впервые обнаруженное и экспериментально доказанное в 1935 г. академиком А.В. Лыковым [1], применительно к зерновым массам проявляется в том, что вследствие нарушения однородности температурного поля в насыпи зерна возникает градиент температуры, направленный в сторону большего значения температуры. Под действием этого градиента возникает поток влаги, направленный в сторону, противоположную градиенту температуры. Негативным последствием возникающего градиента температуры является перемещение влаги к более холодным слоям зерна не только вследствие термовлагопровод-ности, наблюдаемой даже при низкой влажности зерна, но и в результате конвекции (в виде водяных паров) [2].

Воздух межзерновых пространств не является неподвижным, он находится в постоянном движении благодаря конвективным потокам. Перемещение воздуха из теплой зоны в холодную может привести к соприкосновению с холодной поверхностью, охлаждению его ниже точки росы и конденсации влаги на стенках хранилища или на поверхности зерновой массы, что существенно увеличивает риск порчи зерна за счет самосогревания зерна, размножения вредите- лей, гниения, порчи и даже возгорания.

Установлено, что в зависимости от поры года градиенты температур определяют два разных направления циркуляции воздуха и перемещения влаги. Весной холодный воздух перемещается от центральной части к днищу силоса и, далее, к поверхности металлических стен, к крыше. В осеннезимний период из-за градиентов давления наблюдается обратная картина — движение водяного пара от холодных стен к днищу и, далее, в «теплую» центральную часть зерновой среды.

По данным метеоцентра Украины годовые колебания температуры черноморского региона находятся в пределах 40...45°С, суточные — 15...25°С. Усложняет ситуацию воздействие солнечной радиации на поверхность металлических силосов (особенно крыши и южной стороны силосов), которое приводит к росту температуры периферийных слоев зерновой насыпи до 45...60°С.

Андерсон с соавторами установили [3], что перепад температуры 35°С в зерновой массе высотой 1,8 м с начальной влажностью 14,6 % вызывал в течение 316 дней повышение влажности зерна в холодной зоне (0 °С) до 20 %. Трисвятский Л.А. [4] указывает, что в некоторых случаях возможны явления набухания и даже прорастания отдельных зерен вследствие их увлажнения до 50...70 %. Процессы термовлагодиффузии и конденсации влаги существенно интенсифицируются при влажности зерна более 14 %.

Таким образом, хранение зерна в гофрированных металлических силосах представляет собой сложный тепло-массообменный процесс, скорость которого определяется градиентами температур системы «металлическая оболочка силоса – зерновая масса». Суточные и годовые изменения температуры окружающей среды из-за цикличных перемещений воздушных потоков влекут за собой колебания температуры зерна в периферийных слоях и вызывают явления термовлагодиффузии, конвекции, миграции и последующей конденсации влаги. Это может привести к скоплению в отдельных участках зерновой насыпи значительного количества капельно-жидкой влаги со всеми последующими негативными явлениями в результате активизации в зерновой массе физиологических процессов.

Отсутствие знаний механики перемещения воздушных потоков, исследований механизма теплоотдачи от поверхности металлических силосов к зерновой среде, моделей процессов миграции влаги, существенно усложняет создание эффективных систем вентилирования зерна.

Экспериментальные термометрические исследования, проведенные нами на некоторых зерновых терминалах Украины, позволили выделить три механизма термовлаго-диффузии в зерновых массах металлических силосов.

Первый — перераспределение влаги в тонком пристенном термослое глубиной 0,10…0,15 м, подверженном жесткому температурному влиянию солнечной радиации со стороны крыши и верхней части гофрированных металлических силосов. Прогрев поверхности периферийных слоев насыпи доходит до 45...60 °С в дневное время суток.

Второй — суточное перемещение потоков влаги в пристенном термослое толщиной 0,25…0,35 м, определяемое тепловым воздействием суточных колебаний воздушной среды.

Третий — миграция влаги в поверхностном термослое толщиной до 1 м под влиянием дифференциала температур годового цикла.

Перераспределение влаги в каждом из слоев изменяется в диапазоне 1…2 % от исходной влажности зерновой среды.

Проведенные исследования позволили создать модели распределения влажности и температуры образующихся слоев зерновой массы во времени и пространстве металлических силосов.

Для выравнивания температурных полей и устранения очагов самосогревания зерновой массы используется активное вентилирование (аэрация) зерна. Однако к.п.д. его работы весьма низок и не превышает 30 %. Это обусловлено, прежде всего, отсутствием эффективных способов управления, адекватной подготовки и равномерной подачи воздушных потоков в зерновую массу. К общему недостатку существующих вентиляционных установок следует отнести отсутствие синхронизации аэродинамических характеристик воздуходувного оборудования и сопротивления воздушных потоков зерновой среды.

Опыт наладки и регулирования работы систем вентилирования зерна в металлических силосах большого диаметра указывает на отсутствие соответствия характеристик системы «вентилятор – зерновая масса», что приводит практически к двукратному превышению удельных энергозатрат вентилирования против технологически обоснованных величин.

К примеру, при средней температуре окружающей воздушной среды 7 °С охладить зерновую массу в гофрированных металлических силосах путем подачи воздуха вентиляционной установкой удается не более 14...15 °С. Такого рода ситуация объясняется эффектом нагрева на 8...12 °С воздушных масс, подаваемых вентиляторным нагнетателем, из-за их сжатия в зерновом столбе высотой 20 м и более.

Аналогичные данные приводят и зарубежные исследователи. В частности, эксперт по вопросах хранения зерна, профессор университета штата Оклахома Рональд Т. Нойес [5] подчеркивает, что при продувке воздухом насыпи зерна 15…20 м снизу (нагнетание), вместо охлаждения может происходить нагревание зерна в хранилище. Кроме того, при продувке зерновой насыпи большой высоты, вверху хранилища происходит конденсация поглощенной воздухом влаги. Поэтому, работа системы аэрации на нагнетание возможна лишь при относительно низких температурах воздуха. При этом на одну тонну зерна необходимо обеспечить подачу 6 м3/ч воздуха со скоростью 0,17 м/с.

В регионах с более мягким климатом должна применяться аэрация на всасывание, при которой воздух в силос подается сверху – вниз. Это позволит при подаче воздуха в соотношении 3 м3/ч на тонну зерна легко справиться с насекомыми, так как они попадут в свежий холодный воздух. При подаче воздуха снизу – вверх требуется 120…150 ч для подъема зоны охлаждения к верхней части зерновой насыпи, где сосредоточены насекомые, и всего 3…4 часа — при подаче воздуха сверху – вниз. Цель аэрации будет достигнута, когда при относительной влажности воздуха 70 % температура зерна с 30…35 °C будет снижена до 13…18 °C.

Укажем, что действующая отраслевая «Инструкция по хранению зерна…» [6] вентилирование зерна в металлических силосах при повышении температуры зерна рекомендует проводить на всасывание. Известный голландский исследователь и практик Г. Боуманс [7] также подчеркивает, что из известных систем охлаждения зерна в вертикальных силосах, предпочтительно воздух подавать сверху вниз. Однако такая технология аэрации зерна сложна в технической реализации.

Упомянем и схему аэрации сухого зерна при низких подачах воздуха (в пределах 1…5 м3/ч на одну тонну зерна), используемую в США с конца 50-х годов прошлого столетия. Появление этой схемы было обусловлено как раз массовым строительством металлических зернохранилищ из алюминия и гальванизированной стали. Для предотвращения конденсация влаги на зерне в холодных периферийных участках силосов, приводящей к плесневению и порче зерна, было предложено осуществлять периодическую циркуляцию воздуха внутри силоса. Для этого, внутри силоса устанавливают перфорированную трубу с небольшим осевым вентилятором, перемешивающим воздух межзернового пространства.

На эффективность аэрации крайне негативно влияет наличие примесей в центральном столбе, а также неравномерность его расположения по диаметру силоса. Для улучшения эффективности аэрации, насыпь зерна в хранилище должна иметь ровную поверхность, для чего можно применить специальные загрузочные устройства, обеспечивающие «разбрызгивание» зерна и его выравнивание по диаметру силоса.

К сожалению, в действующей отраслевой «Инструкции по активному вентилированию…» [8] нет рекомендаций по технике и технологии вентилирования зерна в металлических силосах большого диаметра, которые возводятся на всех строящихся ныне элеваторах. Некоторые данные по существующей технике и технологии аэрации сухого зерна при хранении, а также пути их совершенствования изложены в специальной литературе.

Заключение, выводы

Таким образом, проведенные исследования и их производственная проверка показали, что при помощи правильно спроектированной системы аэрации и применения автоматизированного управления ее работой, можно выравнивать температуру зерна в металлических силосах большого диаметра, нивелировать нежелательные процессы термовлагодиффузии влаги, предотвращать самосогревание, развитие вредителей и порчу хранящегося зерна.