CC BY
34УДК 633.1:631.563.2 DOI 10.25257/FE.2020.3.26-32
ДВОЕНКО Олег Викторович
Кандидат технических наук
Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия
E-mail: [email protected]
ЧЕНИН Алексей Николаевич Кандидат технических наук
Брянский государственный аграрный университет,
Брянск, Россия
E-mail: [email protected]
СНИЖЕНИЕ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ПРИ СУШКЕ И ХРАНЕНИИ ЗЕРНА И СЕМЯН
Объекты хранения зерновых культур подвержены возникновению пожаров, сопровождающихся значительным материальным ущербом. Одной из основных причин таких пожаров является самосогревание зерна и семян в результате неправильного хранения. В статье проанализирован процесс самосогревания зерна и семян при отсутствии досушивания свежеубранного зерна, неправильном хранении и длительном нахождении в барабанной гелиосушилке при неблагоприятных погодных условиях. Предложена модифицированная конструкция барабанной гелиосушилки зерна с системой активного вентилирования, позволяющая повысить эффективность выполняемых работ, снизив при этом пожарную опасность объектов при сушке и хранении зерна и семян.
Ключевые слова: пожар, агропромышленный комплекс, зерновые культуры, пожарная безопасность, барабанная гелиосушилка, самосогревание, активное вентилирование, межзерновое пространство, температурный предел.
В соответствии с Указом Президента России от 07.05.2018 г. № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» развитие агропромышленного комплекса является одной из приоритетных целей государства. Создание устойчивой системы функционирования объектов сельского хозяйства позволит стабилизировать экономику ряда регионов страны, повысить объёмы экспортной продукции, создать дополнительные рабочие места.
В настоящее время актуален вопрос разработки новых технологий, способствующих повышению качества уборки урожая и дальнейшего его хранения. Правильная организация хранения зерна и семян сельскохозяйственных культур способствует сохранению их технологических качеств, всхожести, а также обеспечивает пожарную безопасность суши-
Рисунок 1. Пожар на элеваторе в Воронежской области
лок и зернохранилищ [1, 2]. Пожары на элеваторах создают угрозу для жизни и здоровья людей, наносят ущерб, приводят к порче семенного и фуражного материала, а также повреждению оборудования и строений (рис. 1) [3, 4].
Одной из возможных причин возникновения пожара при первичной обработке и хранении зерна и семян является самосогревание зерновой и семенной массы. Самосогревание - это самопроизвольное повышение температуры массы, находящейся на послеуборочной обработке или хранении, обусловленное протеканием физиологических, биохимических и микробиологических процессов в зерне и семенах.
Физической составляющей процесса самосогревания зерна является плохая теплопроводность зерновой массы: в различных участках зерновой массы одновременно формируются очаги теплоты, которые превышают его отдачу в окружающую среду. В зависимости от места возникновения этих очагов вид самосогревания может быть гнездовым, послойным, сплошным. Образовавшаяся в очаге теплота задерживается в зерновой массе, вызывает повышение температуры, а также развитие различных вредоносных микроорганизмов, процесс жизнедеятельности которых, в свою очередь, также провоцирует выделение теплоты в зерновую массу.
Основным параметром, характеризующим процесс самосогревания, является температура самонагревания. Это наименее низкая температура, при которой в массе могут возникать экзотермические процессы окисления, разложения и т. п.
26
© Двоенко О. В., Ченин А. Н., 2020
Температура самонагревания потенциально является источником пожарной опасности. Поэтому её величину используют при определении условий безопасного длительного или постоянного нагревания вещества или массы. Безопасной температурой постоянного нагревания считается температура, не превышающая 90 % величины температуры самонагревания, так как самосогревание при определённых условиях может привести к процессу самовоспламенения вещества.
Искусственный нагрев зерна при температуре 100-110 °С приводит к тому, что оно полностью высыхает, теряя свободную влагу, и начинает выделять летучие вещества [5]. При дальнейшем нагревании до 150-230 °С зерно начинает разлагаться с выделением небольшого количества газообразных веществ, и обугливается, а при температуре 350-400 °С образовавшийся уголь воспламеняется.
Для определения максимальной температуры нагрева зерновой массы в процессе самосогревания были проведены лабораторные исследования со све-жеубранным зерном по ГОСТ Р 52554-2006 (рис. 2) и зерном, прошедшим послеуборочную обработку и сушку, но хранившемся в условиях повышенной влажности атмосферного воздуха, по ГОСТ 28717-90 (рис. 3).
График на рисунке 4 показывает на плавный рост температуры в начальной стадии эксперимента, а также длительность процесса самосогревания -45 дней. Температурный максимум равнялся 72 °С. Зерно перед экспериментом было высушено до оптимальной влажности (14 %), а процесс самосогревания начался из-за нарушения режима длительного хранения (переизбыток влаги в окружающей среде).
Как видно из рисунка 5, процесс самосогревания свежеубранной зерновой массы проходит интенсивнее и в волнообразной форме, а температурный максимум достигается к четвертому дню эксперимента, после чего происходит гибель микроорганизмов, и температура зерновой массы начинает падать. При этом начальная влажность свежеубранной зерновой массы равнялась 20 %, а к концу опыта выросла до 25 %. Такая динамика обусловлена наличием в массе зелёных примесей сорных растений и насекомых, повышающим темп роста температуры, а также её максимум (85 °С), что опасно, ведь температура самонагрева соломистых остатков в зерновой массе 80 °С [6].
Наибольшую температуру самосогревания имеют семена подсолнечника [7]. Энергия дыхания подсолнечника гораздо выше, чем у других культур из-за наличия в нём масла. Если у зерновых культур температурный предел самосогревания 80-90 °С, то у семян подсолнечника биологическая фаза самосогревания при температуре 50-55 °С переходит в химическую, которая может продолжаться после гибели всех микроорганизмов. Фаза химического самосогревания семян подсолнечника - это гидролиз масла в результате цепочки химических реакций, при которых температура повышается до 200-300 °С,
Рисунок 2. Влагомер Wile-65 для контрольного измерения влажности свежеубранного зерна во время проведения эксперимента
Рисунок 3. Процесс исследования самосогревания высушенного и неправильно хранящегося зерна
Т
30
35
т
40
45 50
Продолжительность опыта, сутки
Рисунок 4. Процесс самосогревания зерна при неправильном хранении
90 80 70 60 50 1 40 & 30 I 20 Л 10 —
<" 50 —
3
Продолжительность опыта, сутки
Рисунок 5. Процесс самосогревания свежеубранного зерна
0
5
0
1
6
7
а иногда и больше, что и приводит к самовоспламенению, а поскольку процесс гидролиза обязательно сопровождается образованием углеводородистых газов, то самовоспламенение приводит к последующему взрыву.
Процесс самосогревания в зерновой массе не может прекратиться самостоятельно, поэтому при первом появлении признаков данного процесса необходимо срочно устранить его первопричины -снизить влажность и температуру зерна с применением специальных технических методов и средств, одним из которых является активное вентилирование. Этот процесс заключается в интенсивном принудительном продувании атмосферного воздуха через насыпь зерна, при этом она может оставаться неподвижной. Поток атмосферного воздуха снижает температуру и влажность зерна, а также изменяет газовый состав зерновой массы.
Применять системы активного вентилирования можно как в местах хранения зерна (зерносклады, зернохранилища) непосредственно в буртах, в малогабаритных сушилках, а также барабанных гелиосу-шилках.
Для снижения энергозатрат при сушке зерновых, бобовых и масленичных культур предложена и испытана барабанная гелиосушилка (рис. 6), использование которой при благоприятных погодных условиях показало хорошие результаты [8]. Однако при испытаниях в период неблагоприятных погодных
условий процесс сушки замедляется, а при длительном таком периоде и вовсе наблюдается обратный процесс с насыщением зерновой массы влагой и началом процесса самосогревания [9]. В связи с этим авторами было предложено дооборудовать такую сушилку системой активного вентилирования (рис. 7).
Она состоит из вытяжного вентилятора и заслонки вытяжной трубы для организации прохода воздуха, и установлена на выходе из вытяжной трубы.
Рисунок 6. Опытный образец барабанной гелиосушилки
Рисунок 7. Схема гелиосушилки с резервными системами вентиляции: 1 - светопрозрачное покрытие нижнего солнечного коллектора; 2 - тепловоспринимающая поверхность гравийного аккумулятора; 3 - сушильная камера; 4 - вытяжная труба в виде вертикального солнечного коллектора; 5 - дефлектор;
6 - светопрозрачное покрытие вертикального солнечного коллектора; 7 - тепловоспринимающая поверхность вертикального солнечного коллектора; 8 - вытяжной вентилятор; 9 - заслонка для организации активного вентилирования; 10 - сушильный барабан
При неблагоприятных погодных условиях температура вертикального солнечного коллектора понижается и скорость воздушного потока в вытяжной трубе падает. По этой причине может увеличиться температура зернового слоя.
На основании анализа конструкций и характеристик видов вентиляторов был выбран осевой вентилятор как наиболее удовлетворяющий требованиям исследования [10]. Вентилятор включается дистанционно. Заслонка закреплена с помощью рояльной петли и приводится в действие также дистанционно с места оператора. Заслонка полностью перекрывает вытяжную трубу и организует движение потока воздуха через вентилятор (рис. 8).
Данную систему можно дополнительно оборудовать датчиком контроля скорости потока воздуха, который будет автоматически включать вентилятор
при падении скорости потока воздуха в контрольном канале вытяжной трубы [11].
График на рисунке 9 показывает, что скорость воздушного потока при включённой системе активного вентилирования в несколько раз выше, чем без неё. При этом она постоянна и не зависит от скорости воздушного потока на входе в наклонный коллектор.
Система активного вентилирования повышает скорость движения потока воздуха через сушильный барабан с зерновой массой, тем самым понижая температуру зернового слоя (рис. 10) и удаляя избыток влажного воздуха из межзернового пространства.
Аналогичным способом можно применять систему активной вентиляции и при длительном хранении зерна в зернохранилищах, применяемых для бережного досушивания и хранения на длительные сроки.
Предложенные нововведения позволят предотвратить развитие процесса самосогревания зерновой
яя
Рисунок 8. Система активного вентилирования: а - вид спереди; б - вид сбоку
i
1,4 -
1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 0,2 0
9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00
Время суток
Рисунок 9. Сравнение потоков воздуха:
■ скорость воздуха на входе в сушилку, м/с; —■--скорость потока воздуха в вытяжной трубе без активного вентилирования, м/с;
А - скорость потока воздуха в вытяжной трубе с активным вентилированием, м/с
б
а
[X
N \
\
_1
7_
7_
7
9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00
Время замера
Рисунок 10. Влияние активного вентилирования на температуру зерновой массы: —--в 15:05 включён вентилятор
20
массы за счёт снижения температуры собранного зерна с 39 до 30,5 °С, а также удаления части углеводо-родистных газов, приводящих к самовоспламенению и последующему взрыву. Предложенные технические
решения для совершенствования гелиосушилки позволяют повысить эффективность выполняемых работ, снизив пожарную опасность объектов при сушке и хранении зерна и семян.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алтухов А. И., Силаева Л. П., Винничек Л. Б., Семы-кин В. А, Солошенко Р. В., Кондрашова О. Н. и др. Методология и механизмы совершенствования размещения и специализации агропромышленного производства. Курск: Курская государственная сельскохозяйственная академия им. профессора И. И. Иванова. 2016. 155 с.
2. Белоус Н. М, Ториков В. Е, Моисеенко И. Я. Зернобобовые культуры и однолетние бобовые травы: биология и технологии возделывания. Брянск. Изд-во Брянской ГСХА 2010. 152 с.
3. Бритиков Д. А, Шевцов С. А, Каргашилов Д. В., Русских Д. В., Столярчук О. И. Управление взрывобезопасными режимами сушки и хранения зерна на предприятиях элеваторной промышленности // Современные проблемы гражданской защиты. 2019. № 1 (30). С. 59-67.
4. Бельченко С. А, Ториков В. Е, Шаповалов В. Ф, Белоус И. Н. Технологии возделывания кормовых культур в условиях радиоактивного загрязнения и их влияние на содержание тяжёлых металлов и цезия 137 // Вестник Брянской государственной сельскохозяйственной академии. 2016. № 2 (54) . С. 58-67.
5. В Воронежской области на элеваторе сгорело 60 тонн семечек [Электронный ресурс] // Фумигация зерна: сайт. Режим доступа: http://www.fumigaciya.ru/news/722 (дата обращения 08.09.2020).
6. Волков А. И., Жарский И. М. Большой химический справочник. Минск: Современная школа. 2005. 608 с.
7. Купреенко А. И., Исаев Х. М, Байдаков Е. М, Ченин А. Н. Зерносушильный комплекс на основе альтернативного источника энергии // Труды ГОСНИТИ. 2015. Т. 120. С. 49-53.
8. Купреенко А. И., Ченин А. Н. К обоснованию режима работы резервных систем подогрева и вентиляции барабанной гелиосу-шилки // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 2. С. 30-31.
9. Купреенко А. И., Комогорцев В. Ф, Исаев Х. М, Ченин А. Н., Шкуратов Г. В. К определению температуры нагрева объекта теплового воздействия в гелиоустановках // Тракторы и сельхозмашины. 2016. № 3. С. 20-22.
10. Купреенко А. И., Исаев Х. М., Михайличенко С. М. Применение информационных технологий в современном сельском хозяйстве // Новые информационные технологии в образовании и аграрном секторе экономики: сборник материалов I Международной научно-практической конференции. Брянск: Брянский государственный аграрный университет, 2018. С. 11-16.
11. Купреенко А. И., Исаев Х. М. Байдаков Е. М. Результаты испытания барабанной гелиосушилки зерна // Вестник Брянской государственной сельскохозяйственной академии. 2009. № 5. С. 69-73.
12. Мелехина О. В., Лобанов В. Г. Влияние липидов покровных тканей на характер процессов в семенах подсолнечника при самосогревании // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 1994. № 1-2. С. 23-24.
13. Панова Т. В., Панов М. В. Соблюдение температурного режима при заготовке и хранении зерна различных культур с использованием средств механизации // Конструирование, использование и надёжность машин сельскохозяйственного назначения. 2013. № 1 (12). С. 69-73.
Материал поступил в редакцию 8 сентября 2020 года.
Oleg DVOENKO
PhD in Engineering
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]
Aleksey CHENIN
PhD in Engineering
Bryansk State Agrarian University, Bryansk, Russia E-mail: [email protected]
REDUCING FIRE HAZARD DURING GRAIN AND SEEDS DRYING AND STORAGE
ABSTRACT
Purpose. Grain storage facilities are at risk of fires that cause significant material damage. One of the main causes of these fires is self-heating of grain and seeds as a result of improper storage. The article analyzes the process of grain and seeds self-heating in the absence of freshly harvested grain drying up, improper storage and prolonged stay in a drum solar dryer under adverse weather conditions.
The purpose of this work is to reduce fire hazards at grain and seeds processing and storage facilities. The task is to develop, implement and test an active ventilation system in a drum solar dryer.
Methods. According to the scheme of one-factor experiment methods of laboratory research were used, production tests performed and a prototype of a technical solution made.
Findings. A modified design of a drum solar grain dryer with an active ventilation system was proposed, which makes it possible to increase the efficiency of the work performed, while reducing fire hazard
of facilities during drying and storage of grain and seeds. A number of comparative experiments were conducted, and the results obtained confirm the effectiveness of the proposed technical solutions. There is a decrease in the temperature of the collected grain, as well as the removal of part of hydrocarbon gases that lead to self-ignition and subsequent explosion.
Research application field. The findings obtained can be used to reduce fire hazard during grain and seeds drying up and storage under adverse weather conditions.
Conclusions. The research perspective is the introduction of an active ventilation system in a drum solar dryer based on the results of the experiments to reduce fire hazard during drying and storage of grain and seeds.
Key words: fire, agro-industrial complex, grain corps, fire safety, drum solar dryer, self-heating, active ventilation, intergranular space, temperature limit.
REFERENCES
1. Altukhov A.I., Silaeva L.P., Vinnichek L.B., Semykin V.A., Soloshenko R.V., Kondrashova O.N. Metodologiia i mekhanizmy sovershenstvovaniia razmeshcheniia i spetsializatsii agropromyshlennogo proizvodstva [Methodology and mechanisms for improving the placement and specialization of agro-industrial production]. Kursk, Kursk State Agricultural Academy Publ., 2016. 155 p. (in Russ.).
2. Belous N.M., Torikov V.E., Moiseenko I.Ya. Zernobobovye kultury i odnoletnie bobovye travy: biologiia i tekhnologii vozdelyvaniia [Leguminous crops and annual legumes: biology and cultivation technologies]. Bryansk, Bryansk State Agrarian University Publ., 2010, 152p. (in Russ.).
3. Britikov D.A., Shevtsov S.A., Kargashilov D.V., Russkih D.V., Stolyarchuk O.I. Management of the fireproof modes of drying and storage grains at the enterprises of the elevator industry. Sovremennye problemy grazhdanskoi zashchity [Modern problems of civil protection]. 2019, no 1 (30). 59-67 pp. (in Russ.).
4. Belchenko S.A., Torikov V.E., Shapovalov V.F., Belous I.N. Forage crop cultivation technologies in conditions of radioactive contamination and their impact on the content of heavy metals and cesium-137. Vestnik Brianskoi gosudarstvennoi sel'skokhoziaistvennoi akademii (Bulletin of the Bryansk State Agrarian University). 2016, no. 2 (54), 58-67 pp. (in Russ.).
5. In the Voronezh region, 60 tons of sunflower seeds burned at the elevator. Available at: http://www.fumigaciya.ru/news/722 (accessed September 8, 2020) (in Russ.).
6. Volkov A.I., Zharsky I.M. Bolshoi khimicheskii spravochnik [Large chemical reference book]. Minsk, Sovremennaia shkola Publ., 2005. 608 p.
7. Kupreenko A.I., Isaev K.M, Baydakov E.M., Chenin A.N. Grain drying complex on the basis of an alternative energy source. Trudy GOSNITI [Proceedings of GOSNITI]. 2015, vol. 120, 49-53 pp. (in Russ.).
8. Kupreyenko A.I., Chenin A.N. To the substantiation of operation mode of backup heating and ventilation systems of drum solar dryer. Traktory i selkhozmashiny (Tractors and agricultural machinery). 2015, no. 2, 30-31 pp. (in Russ.).
9. Kupreenko A.I., Komogortsev V.F., Isaev Kh.M., Chenin A.N., Shkuratov G.V. To the determination of heating temperature of an object of thermal influence in solar power plants. Traktory i selkhozmashiny (Tractors and agricultural machinery). 2016, no. 3, 20-22 pp. (in Russ.).
10. Kupreenko A.I., Isaev Kh.M., Mikhailichenko S.M. Primenenie informatsionnykh tekhnologii v sovremennom sel'skom khoziaistve. Novye informatsionnye tekhnologii v obrazovanii i agrarnom sektore ekonomiki: sbornik materialov I Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Application of information technologies in modern agriculture. New information technologies in education and the agricultural sector of the economy: a collection of materials]. Bryansk, Bryansk State Agrarian University Publ., 2018. Pp. 11-16 (in Russ.).
11. Kupreenko A.I., Isaev K.M., Baydakov E.M. Economic efficiency of helium drum dryer. Vestnik Federalnogo gosudarstvennogo obrazovatelnogo uchrezhdeniia vysshego professional'nogo
© Dvoenko O., Chenin A., 2020
31
obrazovaniia "Moskovskii gosudarstvennyi agroinzhenernyi universitet imeni V.P. Goriachkina" (Bulletin of the Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Moscow State Agroengineering University named after V.P. Goryachkin"]. 2012, no. 3, 33-35 pp. (in Russ.).
12. Melekhina O.V. Lobanov V.G. Influence of cover tissue lipids on the nature of processes in sunflower seeds during self-heating. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Pishchevaia tekhnologiia
(News of higher educational institutions. Food technology). 1994, no. 1-2, pp. 23-24 (in Russ.).
13. Panova T.V., Panov M.V. The observance of a temperature mode in the harvesting and storage of various grain crops using mechanization. Konstruirovanie, ispolzovanie i nadezhnost mashin selskokhoziaistvennogo naznacheniia (Design, use and reliability of agricultural machinery). 2013, no. 1 (12), pp. 69-73 (in Russ.).
