CC BY
49
УДК 631.243.32 DOI 10.24411/0235-2486-2020-10012
технологическая схема хранения зерна в металлических силосах большой емкости
М.А. Беляева*, д-р техн. наук, профессор; И.А. Кечкин, аспирант российский экономический университет имени Г.в. Плеханова, москва
Дата поступления в редакцию 25.11.2019 Дата принятия в печать 27.01.2020
* [email protected] ©, 2020
Реферат
Металлические силосы большой емкости с плоским дном, предназначенные для хранения зерна, комплектуются двумя установками воздействия на воздушное пространство внутри силоса: активное вентилирование зерновой массы и вентилирование пространства над зерном под крышей силоса. Системами активного вентилирования воздействуют на зерновую массу восходящим потоком атмосферного воздуха. Данную систему включают для охлаждения зерновой массы с целью увеличения сроков хранения, для предупреждения или устранения самосогревания в ней. Установку для вентилирования надзернового пространства используют для удаления конденсата, образующегося в процессе хранения зерна и осевшего на конструкциях силоса. Для определения условий, при которых требуется вентилирование в верхней части металлических силосов большой емкости, нами были проведены замеры температуры и относительной влажности воздуха в верхнем слое зерна и в надзерновом пространстве в промышленном металлическом силосе. Измерения в верхнем слое проводили на глубине 70 мм, а над зерном - на расстоянии 60 мм от поверхности зерновой массы. Одновременно с измерениями параметров воздуха внутри силоса измеряли температуру наружного воздуха. Исследования проводились в металлических силосах диаметром 12,5 м, высотой вертикальной стенки 20 м и общей высотой 26 м, вместимостью 2000 т, заполненных зерном пшеницы влажностью 12,5%, массой 1800 т. Для обеспечения и контроля подачи нормативного объема воздуха в зерновую массу необходимо оснастить силос промышленным дифманометром, который измеряет перепад давления внутри силоса в слое с фиксированной толщиной. Для предупреждения развития процесса самосогревания зерна рекомендуется систему мониторинга температуры внутри зерновой массы оборудовать сигнализацией и устройством автоматического включения системы вентиляторов при повышении температуры более 7 С в течение 2-3 суток на двух и более датчиках, работающей в режиме реального времени. Регулировать скорость фильтрации предлагается за счет насыпной высоты зерновой массы, хранящейся в металлических силосах большой емкости. В данной статье предложена и апробирована технологическая система контроля воздухораспределения в металлических силосах большой емкости.
Ключевые слова
активное вентилирование, металлические силосы, технологическая схема процесса, хранение зерна, большие емкости Для цитирования
Беляева М.А., Кечкин И.А. (2020) Технологическая схема хранения зерна в металлических силосах большой емкости // Пищевая промышленность. 2020. № 1. С. 46-49.
Technological scheme of grain storage in metal silos of large capacity
M.A. Belyaeva*, Doctor of Technical Sciences, Professor; I.A. Kechkin, graduate student Plekhanov Russian University of Economics, Moscow
Received: November 25, 2019 * [email protected]
Accepted: January 27, 2020 ©, 2020
Abstract
Metal silos of large capacity or capacity with a flat bottom, designed for grain storage, are equipped with two installations of influence on the air space inside the silo: active ventilation of the grain mass and ventilation of the space above the grain under the roof of the silo. Active ventilation systems affect the grain mass with an upward flow of atmospheric air. This system is used to cool the grain mass in order to increase the shelf life, to prevent or eliminate self-heating in it. The installation for ventilation of the over-grain space is used to remove condensate formed during grain storage and settled on the silo structures. To determine the conditions under which ventilation is required in the upper part of large-capacity metal silos, we have measured the temperature and relative humidity in the upper layer of grain and in the supra-grain space in an industrial metal silo. Measurements in the upper layer were carried out at a depth of 70 mm, and above the grain at a distance of 60 mm from the surface of the grain mass. Simultaneously, with the measurements of the air parameters inside the silo, the outside air temperature was measured. The studies were carried out in metal silos with a diameter of 12.5 meters, a vertical wall height of 20 meters and a total height of 26 meters, with a capacity of 2000 tons, filled with wheat grain with a moisture content of 12.5%, weighing 1800 tons. To ensure and control the supply of the standard volume of air to the grain mass, it is necessary to equip the silo with an industrial diphmanometer, which measures the pressure drop inside the silo in a layer of fixed thickness. To prevent the development of the process of grain it is recommended that a system of monitoring the temperature inside the grain mass to equip and alarm device auto on system fan when the temperature rises more than 7 °C for 2-3 days on two or more sensors working in «real time». It is proposed to regulate the filtration rate due to the bulk height of the grain mass stored in large-capacity metal silos. In this article the technological system of control of air distribution in metal silos of large capacity is offered and tested.
Key words
active ventilation, metal silos, process flow diagram, grain storage, high capacity For citation
Belyaeva M.A., Kechkin I.A. (2020) Technological scheme of grain storage in metal silos of large capacity // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost'. 2020. No. 1. P. 46-49.
46
1/2020 пищевая ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ISSN 0235-2486
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
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 зерновой 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 температуру и относительную влажность воздуха в месте своего расположения. Периодичность записей регулируется от двух секунд до двадцати четырех часов. В наших исследованиях запись параметров воздуха производилась каждые 30 мин, или в течение суток осуществляли 48 измерений. Погрешность измерения температуры в пределах -40...+70 °С составляет 2 °С, погрешность измерения относительной влажности воздуха в пределах 10.95 % составляет 5 %о. 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 в первые 9 суток хранения температура воздуха в надзерновом пространстве (под крышей силоса) соответствовала температуре наружного воздуха, изменявшейся в пределах 6-13 °С. Влагосодержа-ние практически не изменялось и составляло около 7 г/м3. В последующие сутки наблюдалось резкое понижение температуры наружного воздуха до -2 °С, но температура над зерном повысилась и в отдельные сутки составляла свыше 18 °С. Также повысилось влагосодержание до 12 г/ м3. 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 °С [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 10 000 т (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 филь-
Температура зерна на глубине 1 м
вс ндДз
>|4 '!■:■ «1« !К
ют г:« т т м» т т т »4 гЬ т I» г» и»
95% 96 %97 % 96%97%
Рис. 1. Среднесуточное изменение параметров воздуха внутри металлического силоса большой
. Система задвижек
для переключения потока воздуха
Рис. 2. Технологическая схема металлического силоса большой емкости для хранения зерна с контролем и управлением воздушными потоками во внутреннем пространстве
емкости
трации, 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:
Значения коэффициентов A и n для различных культур
Таблица 1
= R-
Vz(x)dx
(1)
= expi
■ЫАР - ЫА - 2,28 - In (И, + (В - x)tga)
Культура А n Культура А n
Пшеница 1,41 1,43 Кукуруза 0,67 1,55
Рожь 1,76 1,41 Горох 0,82 1,51
Овес 1,64 1,42 Гречиха 1,76 1,41
Ячмень 1,44 1,43 Просо 2,34 1,38
0,050
0.045
га ' .i' Jii
и
:<2>
где Vx - 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 вертикальной 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 п - 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 (К = 6,25 м) вместимостью 2000 т и диаметром 28,3 м (К = 14,15 м) вместимостью 10 000 т. 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 0,039 м/ с, а около стены 0,046 м/с, разность равна 0,007 м/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 0,007 м/с соответствует расходу воздуха 3000 м3 / ч. Для силоса диаметром 28,3 м скорость фильтрации 0,012 м/с соответствует расходу воздуха свыше 27 000 м3/ч. Для компенсации неравномерности распределения воздуха требуются дополнительные затраты электроэнергии.
Требуемая критическая скорость фильтрации в центре силоса обеспечивается при подаче воздуха в объеме, соответствующем значению средневзвешенной скорости, и при давлении снизу, соответствующем критической скорости в центре. максимальное давление воздуха в нижней части зерна вычисляется по формуле:
Р = 9,81хА х(Н+К^апа )х V
0.030
0.025
0.5R R
Рис. 3. Эпюры скоростей воздуха на поверхности зерновой массы в силосах диаметром 12,5 м и 28,3 м при высоте зерновой насыпи около стен 15 м и 20м, давлении воздуха в нижней части насыпи 3000 Па
(3)
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:
(4)
(5)
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 вентилято-
ров при повышении температуры более 7 °С 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 измеряют 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 необходимо 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
48
1/2020 ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ISSN 0235-2486
ENGINEERING AND TEcHNoLoGY
Таблица 2
Значения координаты средневзвешенной скорости фильтрации воздуха в силосах
различного диаметра.
Координата Диаметр силоса, м
До 10 От 10 до 20 От 20 до 30 Свыше 30
0,50 R 0,55 R 0,60 R 0,65 R
охлаждение зерна. При меньших температурах зерно имеет более длительные сроки хранения: так, пшеница при температуре 10 °С 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:
ДМ=5хЮ4х(ф -ф> ДТ х e0
(6)
где Д№ - приращение влажности зерна, %;
Фф - относительная влажность атмосферного воздуха, %;
Фд - допустимая относительная влажность, %;
ДТ - разность температур зерна и атмосферного воздуха, °с;
I- температура атмосферного воздуха, °С.
Вычисляют по формуле (5) средневзвешенное значение скорости фильтрации воздуха. Затем вычисляют перепад давления в слое толщиной 3 м по следующей формуле:
ДР=29430хДх"
(7)
где ДР - перепад давления воздуха в слое зерна толщиной три метра, Па.
Включают вентилятор. Если дифмоно-метр 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 °с. Значения относительной влажности воздуха не должны превышать предельных значений, указанных в табл. 3.
Благодарности. Выражаем признательность за помощь в проведении экспериментов Александру Сергеевичу Разворот-неву и Юрию Дмитриевичу Гавриченкову,
сотрудникам ВНИИЗ - филиала ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН.
ЛИТЕРАТУРА
1 Кечкин, И.А. Аэродинамические параметры воздуха при вентилировании зерна в силосах вместимостью 1000, 2000, 5000 и 10000 тонн. Сборник научных трудов I Международной научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов. - 2018. - С. 46-47.
2. Кечкин, И.А. Изменения параметров воздуха внутри металлического силоса при хранении пшеницы/И.А. Кечкин, А.С. Разворот-нев, Ю.Д. Гавриченков. Сборник материалов II Международной научно-практической конференции «Инновационные исследования и разработки для научного обеспечения производства и хранения экологически безопасной сельскохозяйственной и пищевой продукции». - 2017. - С. 451-452.
3. Larsson, U. Comparison of ventilation performance of three different air supply devices: a measurement study/ U. Larsson, B. Moshfegh // International Journal of Ventilation. - 2017. - Vol. 16. - P. 84-98.
4. Zhou, B. Flow simulation around double cylinders based on Lattice Boltzmann method at low Reynolds numbers / B. Zhou, J. Fan, L. Feng [et al.] // International Journal of Ventilation. - 2017. - Vol. 16. - P. 124-133.
5. Davies, W.J. Stress resilience in crop plants: Strategic thinking to address local food production problems/W.J. Davies, J.M. Ribaut // Food and Energy Security. - 2017. - Vol. 6 (1). - P. 12-18.
REFERENCES
1. Kechkin IA. Aerodinamicheskiye parametry vozdukha pri ventilirovanii zerna v silosakh vmestimostyu 1000. 2000. 5000 i 10000 tonn [Aerodynamic parameters of air during grain ventilation in silos with capacity of 1000, 2000, 5000 and 10000 tons]. Sbornik nauchnykh trudov I Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii molodykh uchenykh i aspirantov [Proceedings of the I-th International scientific and practical conference of young scientists and postgraduates]. 2018. P. 46-47 (In Russ.).
2. Kechkin IA, Razvorotnev AS, Gavrichenkov Yu D. Izmeneniya parametrov vozdukha vnutri metaUicheskogo silosa pri khranenii pshenitsy [Changes in the parameters of the air inside the metal silo during storage of wheat]. Sbornik materialov II Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Innovatsionnyye issledovaniya i razrabotki dlya nauchnogo obespecheniya proizvodstva i khraneniya ekologicheski bezopasnoy selskokhozyaystvennoy i pishchevoy produktsii» [Proceedings of the II International scientific and practical conference «Innovative research and development for scientific support of production and storage of environmentally safe agricultural and food products»]. 2017. P. 451-452 (In Russ).
3. Larsson U, Moshfegh B. Comparison of ventilation performance of three different air supply devices: a measurement study. International Journal of Ventilation. 2017. Vol. 16. P. 84-98 (In Eng.).
4. Zhou B, Fan J, Feng L, Cheng J, Chen L. Flow simulation around double cylinders based on Lattice Boltzmann method at low Reynolds numbers. International Journal of Ventilation. 2017. Vol. 16. P. 124-133 (In Eng.).
5. Davies WJ, Ribaut JM. Stress resilience in crop plants: Strategic thinking to address local food production problems. Food and Energy Security. 2017. Vol. 6 (1). P. 12-18 (In Eng.).
Авторы
Беляева Марина Александровна, д-р техн. наук, профессор, Кечкин Иван Александрович, аспирант
Российский экономический университет имени Г. В. Плеханова, 117997, Москва, Стремянный пер., д. 36, [email protected], [email protected]
Authors
Marina A. Belyaeva, Doctor of Technical Sciences, Professor, Ivan A. Kechkin, graduate student
Plekhanov Russian University of Economics, 36, Stremyanniy lane, Moscow, 117997, [email protected], [email protected]
