Обоснование процесса охлаждения зерна вертикальными аэрационными колонками

УДК 631.365

Обоснование процесса охлаждения зерна вертикальными аэрационными колонками

Донодоков Ю. Ж., кандидат технических наук

Аммосов И. Н.

Дринча В. М., доктор технических наук

ФГБОУ ВО «Якутская государственная сельскохозяйственная академия»

677007, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, Сергеляхское ш., 3-й км, д. 3

E-mail: ysaa.ykt@gmail.com

Исследования процесса охлаждения зерна вентилированием проводились в основном в условиях хозяйств Ивановской области в 2015–2018 годах. В последнее время в зернопроизводстве из-за нарушений технологии наряду с возросшими потерями существенно снизилось качество зерна. В процессе послеуборочной обработки и хранения зерна оно постоянно подвергается рискам, обусловленным высокой температурой, миграцией влаги, активностью плесеней, насекомых и развитием микотоксинов. Температура зерна наряду с его влажностью является одним из основных параметров, определяющих состояние зернового материала и процессов, происходящих в нём. Охлаждение средствами вентиляции является основной технологической операцией безопасного хранения зерна. Отличительная особенность вертикальных аэрационных колонок (ВАК) в сравнении с другими вентиляционными устройствами — их высокая технологическая эффективность и низкая стоимость. Цель исследования — определение оптимальных конструктивно-технологических параметров ВАК при их применении для охлаждения зерна. В статье представлены хозяйственные исследования процессов охлаждения зерна основных сельскохозяйственных культур с применением ВАК, а также обобщены результаты современных зарубежных исследований. Определены основные технологические и конструктивные параметры ВАК, обеспечивающее сохранность и качество зерна, поступающего с поля или после сушилок. Проведён сравнительный анализ применения колонок в режиме нагнетания и всасывания. Хозяйственные исследования показали, что одна промышленная вертикальная аэрационная колонка при высоте зерновой массы 3 м обеспечивает в режиме нагнетания охлаждение кубоида зерна массой около 100 т, а в режиме всасывания — 80 т. Материалы статьи могут служить основой для рекомендаций по применению ВАК в условиях зернопроизводящих хозяйств, а также на элеваторах и в других организациях, связанных с обработкой и хранением зерна.

Ключевые слова: зерно, вертикальные аэрационные колонки, температура зерна, охлаждение зерна, относительная влажность воздуха, расход воздушного потока, нормы аэрации зерна при охлаждении вентилированием.

В последнее время в зернопроизводстве из-за нарушений технологии наряду с возросшими потерями существенно снизилось качество зерна.

В процессе послеуборочной обработки и хранения зерна оно постоянно подвергается рискам, обусловленным высокой температурой, миграцией влаги, активностью плесеней, насекомых и развитием микотоксинов.

Температура зерна наряду с его влажностью является одним из основных параметров, определяющих состояние зернового материала и процессов, происходящих в нём (табл. 1) (Hellevang, 2007).

1. Приблизительное время безопасного хранения зерна основных злаковых культур, дни

Из вышеприведённой таблицы видно, что при одинаковой влажности и температурах зерна, разнящихся в среднем на 10°С, длительность безопасного хранения возрастает почти в 3 раза при более низкой температуре. Например, при влажности 16% и температуре 16°С зерно может храниться около 120 дней, в то время при температуре 27°С — только 40 дней, а при температуре 21°С — 70 дней. Но при этом следует заметить, что при температуре 20–30°С в зерновой массе интенсивно развиваются насекомые, другие вредители, а также микотоксины.

Здесь следует особое внимание обратить на тот факт, что семенное зерно теряет всхожесть значительно раньше, чем продовольственное или фуражное зерно свои свойства (табл. 2) (Hellevang, 2007).

2. Приблизительное время безопасного хранения зерна пивоваренного ячменя, недели (критерий «всхожесть»)

При высоких температурах и высокой активности воды в зерне не только снижается его качество, но увеличивается его активность (дыхание) и теряется сухой вес (табл. 3) (Hamer, Lacey, Magan, 1991).

3. Потеря сухого вещества в пшенице в течение 160 ч, %

Примечание: * — при выделенных температурах наблюдается появление плесени.

Активность воды определяется выражением:

а_w = p/p₀,

где p — давление водяных паров в зерне; p₀ — давление водяных паров чистой воды при той же температуре.

При влажности зерна 15–19% активность воды в зерне находится в пределах 0,75–0,85.

В большинстве хозяйств этот факт не принимается во внимание. Учитывая то обстоятельство, что изменить влажность зерна технологически намного сложнее и дорогостояще, чем температуру, на практике во избежание потерь прибегают к вентилированию.

В некоторых случаях, особенно в климатических зонах с повышенной влажностью и температурой воздуха, применяют установки искусственного охлаждения зерна, которые позволяют получать воздух с низкой температурой и низкой относительной влажностью.

Охлаждение средствами вентиляции является основной технологической операцией безопасного хранения зерна (Блоховцев, 1999; Дринча, 2012). Отличительная особенность ВАК в сравнении с другими вентиляционными устройствами — их высокая технологическая эффективность и низкая стоимость.

В зарубежной практике ВАК начали применять более 40 лет назад в Англии и в настоящее время они находят всё более широкое применение в ЕС и других странах. Все шире применяются ВАК со всасывающим воздушным потоком (Дринча, Цыдендоржиев, 2010; The WA Guide to High Moisture Harvest Management, Grain Storage and Handling, 2006).

В РФ и других странах СНГ до настоящего времени в основном применяются системы вентиляции, включающие напольные каналы, работающие в режиме нагнетания воздушного потока (Дринча, Сангадиев, 2014; Мельник, Малин, 1980).

Выбор параметров устройств охлаждения зерна зависит от зачастую взаимосвязанных свойств трёх объектов: охлаждаемой зерновой массы, климатических условий и самих устройств, их конфигурации. Из-за сложности теоретического описания, многофакторности и динамичности свойств зерновой массы и климатических условий выбор параметров процесса охлаждения зерна осуществляется в основном по практических правилам, принятым в отдельных регионах. В связи с чем исследование процессов ВАК является важным как для повышения эффективности их использования, так и для поиска новых конструктивных решений аэрационных устройств.

Цель исследования — определение оптимальных конструктивно-технологических параметров ВАК при их применении для охлаждения зерна.

Задачи исследований включали:

— проведение сравнительного анализа работы ВАК в режиме нагнетания и всасывания;

— определение изменения температуры и влажности зерна в процессе его охлаждения;

— определение оптимальных объёмов зерна и нормы аэрирования при его охлаждении;

— определение оптимальных аэродинамических параметров ВАК.

Методика исследований. Исследования процесса охлаждения зерна вентилированием проводились в основном в условиях хозяйств Ивановской области в 2015–2018 годах. В процессе проведения исследований использовали стандартные методики определения влажности и температуры зерна. Температуру зерна в зерновом слое определяли при помощи влагомеров Willi-55 компании Farmcop, точность измерения — 0,5%. Исходные пробы доставали из зерновой насыпи и проводили измерения в трёхкратной повторности. Особое внимание при взятии проб уделялось точкам, расположенным в мёртвых зонах (в зонах, недоступных для прохождения воздушного потока). Температуру зерна проверяли с применением стандартных термоштанг, идущих в комплекте с влагомерами или в виде самостоятельных приборов.

Расход воздуха над зерновой массой определяли при помощи специально разработанного прибора.

Прибор содержит цилиндрическую часть, вставляемую в зерновую массу, а также конический колпак с цилиндрическим патрубком, расположенным над колпаком. Со стороны верхнего основания патрубка устанавливается стандартный крыльчатый анемометр АСО-3, имеющий предел допускаемой погрешности не более ±(0,1÷0,05V) м/с (где V — текущее значение измеряемой скорости, м/c) (рис. 1).

Перед установкой прибора в зерновую насыпь поверхность её тщательно исследовали на предмет отсутствия корок или пылевого скопления, а также наличия крупных соломистых примесей, которые могли бы привести к искажению измерений. Скорость потока определяли по градуировочному графику, приложенному к анемометру.

Рис. 1. Приспособление для определения расхода воздуха над зерновой аэрируемой массой

Относительную влажность контролировали при помощи складских гигрометров-психрометров ВИТ-1 с ценой деления температурной шкалы 0,2ºС.

Общее состояние зерновой массы в процессе охлаждения вентилированием оценивалось также визуальными методами.

Исследования проводили с использованием типичных моделей, включающих следующие основные части: вентилятор 1, воздухоподводящую трубу 2, перфорированную часть 3, подставку 4 (фото 1).

Фото 1. Вертикальные аэрационные колонки:

а — общий вид; б — размещение в насыпи в процессе загрузки

Результаты исследований. Процесс охлаждения зерна вентилированием (ОЗВ) проводился для сохранения его качества. Основными задачами при этом являлись понижение температуры зерна и выравнивание его температурных градиентов для предотвращения конденсации и прорастания зерна на поверхности зерновой массы, уменьшения биологических и биохимических изменений в зерне, а также для борьбы с насекомыми-вредителями и клещами.

Проведённые хозяйственные исследования в условиях хозяйств Ивановской области, а также некоторых других регионов РФ подтвердили высокую эффективность и целесообразность проведения ОЗВ в трёх основных случаях:

— при поступлении горячего зерна с поля в ожидании его обработки (в зависимости от времени уборки температура его может превышать 30ºС);

— после выхода зерна из высокотемпературной сушилки;

— в процессе хранения зерна в летне-зимний и зимне-летний периоды.

ОЗВ зерна основных злаковых культур эффективно при влажности зерна меньше, чем 14,5–15%. Кратковременная защита урожая от порчи может быть эффективной при его влажности включительно до 18–19%.

Ключевым технологическим параметром ОЗВ является норма аэрации, представляющая собой расход воздушного потока, приходящийся на единицу зерновой массы насыпи (Дринча, Цыдендоржиев, 2011; Мельник, 1970). Было установлено, что для ОЗВ с применением ВАК норма аэрации находится в пределах 8–12 м³/ч/т. Данные значения обеспечивают достаточно быстрое охлаждение, предотвращающее завершение жизненных циклов насекомых до момента, когда холодный фронт пройдёт сквозь зерновую массу.

Плановые периоды вентилирования ВАК зависят от относительной влажности и температуры воздуха. Исходя из проведённых хозяйственных экспериментов, а также обобщая их с основными положениями зарубежных исследований, рекомендуется следующая последовательность этапов вентилирования зерна в горизонтальных хранилищах ВАК (HGSA. Project report, 2002; McLean, 1989):

1. на первом этапе охлаждения зерна в течение не более трёх недель (около 100–150 часов аэрации) следует температуру зерна понизить до 15–20ºС. Это легко достигается в условиях, когда среднесуточная температура меньше 20ºС. На данном этапе предотвращается быстрое развитие насекомых, прекращается жизненный цикл мукоеда суринамского (Oryzaephilus surinamensis), и температура зерна снижается ниже порогового значения их воспроизводства;

2. на втором этапе температуру зерна следует максимально быстро снизить ниже 10ºС для предотвращения развития долгоносиков амбарных (Sitophilus granarius);

3. на третьем этапе охлаждение зерновой массы следует продолжать до температуры от 0 до –6ºС с целью уничтожения оставшихся насекомых и исключения развития клещей;

4. на четвёртом этапе при поднятии температуры воздуха весной рекомендуется во избежание появления градиентов температур повысить температуру зерна до положительных температур — около 6ºС.

Рекомендуемые этапы охлаждения зерна представлены на диаграмме (рис. 2), которая может служить первым приближением при выборе стратегии охлаждения зерна.

Рис. 2. Диаграмма охлаждения зерна

Большинство современных конструкций ВАК позволяют использовать их в режиме нагнетания (восходящий воздушный поток) или всасывания воздуха (нисходящий воздушный поток) (рис. 3).

Рис. 3. Схема вентилирования зерна вертикальными аэрационными каналами:

а — с нагнетающим воздушным потоком;

б — со всасывающим воздушным потоком

Выбор направленности воздушного потока при охлаждении зерна ВАК является важным и во многих случаях трудноопределимым в хозяйственных условиях. Практический опыт показывает, что зачастую специалисты хозяйств предпочитают использовать ВАК со всасывающим потоком (табл. 1).

4. Преимущества нагнетающих и всасывающих систем вентиляции зерна

Одним из важных показателей при выборе направленности воздушного потока является наличие в зерновой массе пластовых согреваний. Если они находятся в верхней части массы, то рекомендуется применять нагнетающий поток, в противном случае можно применять всасывающий поток.

Применяемые нормы аэрации в процессе охлаждения зерна обеспечивают незначительное изменение его влажности. Исключениями являются следующие случаи:

— первоначальное зерно является слишком тёплым, ОЗВ уменьшает его влажность в среднем на 0,25% на каждые уменьшаемые 5ºС, данный процесс называется драйаэрацией. В процессе снижения температуры зерна от 35 до 15ºС влажность его уменьшается в среднем на 1%;

— при небольшом расстоянии между крышей хранилища и поверхностью зерновой массы при всасывающем режиме вентилирования тёплый фронт от верхнего зернового слоя может постепенно перемещаться в нижние слои.

В процессе проведения наблюдений и хозяйственных исследований было выявлено, что при ВЗО следует осуществлять постоянный температурный контроль и мониторинг зерна по следующим причинам:

1. прохладное хранение зерна продлевает период его безопасного хранения, при котором уменьшаются потери всхожести, сохраняются хлебопекарные качества, уменьшается развитие насекомых и других вредителей, а также микотоксинов;

2. с понижением температуры зерно может храниться при более высокой влажности;

3. уменьшение температуры зерна снижает его равновесную влажность, что эффективно увеличивает длительность хранения;

4. высокие температуры теплоносителя (воздуха) в сушилках непрерывного действия дезинфицируют зерно. Если после такой сушки зерно естественно остывает, то оно интенсивно заражается вредителями и болезнями;

5. при температуре, превышающей 40ºC, большинство насекомых погибает в течение дня. Подавляющее большинство насекомых наиболее интенсивно развивается при температурах 25–33ºC. Основная масса насекомых прекращает размножение при температуре ниже 15ºC. Однако каландрины (зерновые долгоносики) могут медленно развиваться при температуре 12ºC;

6. при температуре, меньшей 5ºC, насекомые перестают питаться и медленно погибают. Количество клещей и грибов может увеличиваться (хотя очень медленно) при температуре 5ºC во влажном зерне;

7. наиболее вероятное образование микотоксинов происходит при температуре 15–25ºC.

Заключение. Отличительной особенностью ВАК в сравнении с другими вентиляционными устройствами является высокая технологическая эффективность и низкая стоимость.

Хозяйственные исследования показали, что одна промышленная вертикальная аэрационная колонка при высоте зерновой массы 3 м в режиме нагнетания обеспечивает охлаждение кубоида зерна массой около 100 т, а в режиме всасывания — 80 т.

Оптимальное расстояние между колонками при глубине слоя 2 м — около 7 м, с увеличением высоты слоя расстояние между колонками уменьшается пропорционально и при высоте слоя 8 м составляет около 3,5 м.

Оптимальные нормы аэрирования ВАК для охлаждения зерна находятся в пределах 8–12 м³/ч/т.

Для применения ВАК в режимах подсушки зерна нормы аэрирования следует увеличить в 10–18 раз в сравнении с режимом охлаждения. Системы ВАК для подсушки зерна должны иметь большие размеры аэрируемой части и более мощные вентиляторы, а также уменьшенное расстояние между каналами.

Литература

1. Блоховцов В. Д. О некоторых способах обеспечения сохранности зерна в условиях крестьянских (фермерских) хозяйств края / В. Д. Блоховцев. — Ставрополь: Книжное издательство, 1999. — 23 с.

2. Дринча В. М. Напольное вентилирование зерна полукруглыми каналами / В. М. Дринча // Кормопроизводство. — 2012. — № 11. — С.47–49.

3. Дринча В. М. Правила и практика вентилирования зерна вертикальными колонками / В. М. Дринча, А. П. Сангадиев // Кормопроизводство. — 2014. — № 12. — С.44–48.

4. Дринча В. Вентилирование зерна вертикальными колонками / В. Дринча, Б. Цыдендоржиев // Совершенные агротехнологии. — 2011. — № 11–12. — С.21–22.

5. Дринча В. М. Основные концептуальные положения активного вентилирования зерна / В. М. Дринча, Б. Д. Цыдендоржиев // Труды Орловского ГАУ. — 2010. — № 2. — С.36–39.

6. Мельник Б. Е. Вентилирование зерна / Б. Е. Мельник. — М.: Колос, 1970. — 183 с.

7. Мельник Б. Е. Справочник по сушке и активному вентилированию зерна / Б. Е. Мельник, Н. И. Малин. — М.: Колос, 1980. — 175 с.

8. The WA Guide to High Moisture Harvest Management, Grain Storage and Handling. — СВН group SEPWA, 2006. — 68 p.

9. Hamer A. Use of an automatic electrolytic respirometer to study respiration of stored grain / A. Hamer, J. Lacey, N. Magan // Proceedings of 5^th Int. Working Conference of Stored Product Protection. — Bordeaux, France: Imprimerie du medoc. — Vol. I. — P.321–329.

10. HGSA. Project report № 269. — January, 2002. — 33 p.

11. Hellevang K. Grain Storage / K. Hellevang. — NDSU, 2007. — 31 p.

12. McLean K. A. Drying and Storing Combinable Crops / K. A. McLean. —Suffolk: Farming Press Ltd., 1989. — 281 p.

Grain cooling by vertical air-stripping tower

Donodokov Yu. Zh., PhD Techn. Sc.

Ammosov I. N.

Drincha V. M., Dr. Techn. Sc.

Yakut State Agricultural Academy

677007, Russia, the Republic of Sakha Yakutia, Yakutsk, Sergelyakhskoe shaussee, 3rd km, 3

E-mail: ysaa.ykt@gmail.com

Investigations took place in the Ivanovo region in 2015–2018. Lately grain production faced high grain yield and quality losses due to improper technology. High temperature, water movements, fungi, insects and mycotoxins can negatively affect grain quality during its treatment and storage. Grain temperature and moisture are main parameters defining its condition and internal processes. Using ventilation systems is an important technological technique for safe storage. Unlike other ventilation systems vertical air-stripping tower has high effectiveness and low price. Investigations aimed at definition of optimal design and technological parameters of air-stripping tower for grain cooling. Paper reports on practical analyses of cooling by air-stripping tower and contains a review of recent foreign researches. Experiments determined basic technological and design parameters of vertical air-stripping tower that lead to effective storage and high quality of grain coming directly from field or dryers. Discharge and suction modes were tested competitively. One large-scale vertical tower cooled around 100 t of grain cube of 3 m in height in discharge mode and 80 t — in suction mode. Paper materials can be used as a basis for application of air-stripping tower at grain producing farms.

Keywords: grain, vertical air-stripping tower, grain temperature, cooling, relative air humidity, air flow rate, Standards of grain aeration during cooling by ventilation.

References

1. Blokhovtsov V. D. O nekotorykh sposobakh obespecheniya sokhrannosti zerna v usloviyakh krestyanskikh (fermerskikh) khozyaystv kraya / V. D. Blokhovtsev. — Stavropol: Knizhnoe izdatelstvo, 1999. — 23 p.

2. Drincha V. M. Napolnoe ventilirovanie zerna polukruglymi kanalami / V. M. Drincha // Kormoproizvodstvo. — 2012. — No. 11. — P.47–49.

3. Drincha V. M. Pravila i praktika ventilirovaniya zerna vertikalnymi kolonkami / V. M. Drincha, A. P. Sangadiev // Kormoproizvodstvo. — 2014. — No. 12. — P.44–48.

4. Drincha V. Ventilirovanie zerna vertikalnymi kolonkami / V. Drincha, B. Tsydendorzhiev // Sovershennye agrotekhnologii. — 2011. — No. 11–12. — P.21–22.

5. Drincha V. M. Osnovnye kontseptualnye polozheniya aktivnogo ventilirovaniya zerna / V. M. Drincha, B. D. Tsydendorzhiev // Trudy Orlovskogo GAU. — 2010. — No. 2. — P.36–39.

6. Melnik B. E. Ventilirovanie zerna / B. E. Melnik. — Moscow: Kolos, 1970. — 183 p.

7. Melnik B. E. Spravochnik po sushke i aktivnomu ventilirovaniyu zerna / B. E. Melnik, N. I. Malin. — Moscow: Kolos, 1980. — 175 p.

8. The WA Guide to High Moisture Harvest Management, Grain Storage and Handling. — SVN group SEPWA, 2006. — 68 p.

9. Hamer A. Use of an automatic electrolytic respirometer to study respiration of stored grain / A. Hamer, J. Lacey, N. Magan // Proceedings of 5^th Int. Working Conference of Stored Product Protection. — Bordeaux, France: Imprimerie du medoc. — Vol. I. — P.321–329.

10. HGSA. Project report No. 269. — January, 2002. — 33 p.

11. Hellevang K. Grain Storage / K. Hellevang. — NDSU, 2007. — 31 p.

12. McLean K. A. Drying and Storing Combinable Crops / K. A. McLean. —Suffolk: Farming Press Ltd., 1989. — 281 p.