Аэрация зерна подпольными каналами с перфорированными покрытиями

УДК 631.365

Аэрация зерна подпольными каналами с перфорированными покрытиями

¹Дондоков Ю. Ж., кандидат технических наук

²Аммосов И. Н.

²Дринча В. М., доктор технических наук

¹ФГАОУ ВО «СВФУ имени М.К. Аммосова», кафедра «Эксплуатация

автомобильного транспорта и автосервис»

677000, Республика Саха (Якутия), г Якутск, ул.Белинского, д. 58

²ФГБОУ ВО «Якутская государственная сельскохозяйственная академия»

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

E-mail: tekhnoagro@mail.ru

Экспериментальные исследования по аэрированию зерна проводились в основном в условиях хозяйств Ивановской области в 2015–2018 годах. Целью данной статьи является обоснование основных положений аэрирования зерна перфорированными напольными секционными покрытиями. Выбор систем аэрирования, а также их конструктивно-технологических параметров в первую очередь зависит от предполагаемых задач, решаемых аэрированием, типа складских помещений, объёмов и вида зерна, наличия погрузочно-разгрузочного оборудования, продолжительности хранения зерна, инвестиционных возможностей вложения в оборудование. Полностью перфорированные полы обеспечивают наиболее эффективное распределение воздуха в зерновой насыпи складских помещений. Данное конструктивное решение является наиболее оптимальным для напольных сушилок, но в то же время оно является и наиболее дорогостоящим. Подпольные каналы (ПК) с перфорированными напольными секционными покрытиями (ПНСП) обычно применяются для аэрирования зерна в складах и зерновых силосах. Основным технологическим преимуществом данного конструктивного решения является возможность применения традиционно используемого погрузочно-разгрузочного оборудования, а также минимальные затраты людских ресурсов. В статье представлены технологические основы аэрации зерна атмосферным воздухом подпольными каналами с перфорированными напольными секционными покрытиями, а также обобщены результаты современных зарубежных исследований. Определены основные принципы проектирования и технологические режимы аэрирования путем применения ПК и ПНСП. Материалы статьи могут служить основой для разработки рекомендаций по аэрированию зерна в условиях зернопроизводящих хозяйств, а также на элеваторах и в других организациях, связанных с обработкой и хранением зерна.

Ключевые слова: зерно, аэрация зерна, охлаждение зерна атмосферным воздухом, температура зерна, относительная влажность воздуха, расход воздушного потока, нормы аэрации, равновесная влажность зерна, подпольные каналы, перфорированные покрытия.

Зерно в том виде, в каком оно поступает после уборки комбайном на поле, лишь в редких случаях бывает настолько сухим, что может храниться в обычных условиях достаточно долго без существенного снижения его качества. После уборки жизненные процессы в зерне не прекращаются. Зерно остаётся живым организмом: оно дышит, расходует при этом сухое вещество и выделяет воду, углекислый газ и тепло. Интенсивность жизненных процессов, происходящих в зерне, зависит от ряда факторов, к числу которых относятся его биологические особенности (культура, сорт и т.п.), температура, влажность, степень зрелости зерна и приток свежего воздуха к нему. Поскольку при хранении зерна пополнение органических веществ за счёт притока извне (как это происходит в растении) невозможно, дыхание его неизбежно приводит к потере органического вещества (Анискин, 1968; Голик, 1951; Мельник, 1970).

Во многих других случаях зерно даже кондиционной влажности и, на первый взгляд, чистое при хранении начинает греться и требует постоянного внимания и работ (вентилирования, перелопачивания и др.) для предотвращения интенсивной порчи (Блоховцов, 1999; Казакевич, Дашков, Чеботарёв и др., 2008; Мельник, Малин, 1908).

Бытует ошибочное мнение специалистов хозяйств, что зерно требует аэрации в основном в случаях его повышенной температуры и влажности.

Аэрирование зерна в ведущих зернопроизводящих странах является неотъемлемой частью технологического цикла зернопроизводства (Hansen, Keener, Gustafson, 2006; Noyes, Navarro, Armitage, 2002). Это объясняется в первую очередь тем, что комбайновое зерно, поступающее с поля независимо от его влажности, температуры и засорённости, для сохранения его качества, особенно при долгосрочном хранении, должно подвергаться аэрированию, в противном случае избежать потерь его качества практически невозможно. Существенные риски возникают при использовании зерновых силосов с объёмами зерна 1000 т и больше.

Для аэрирования зерна могут применяться основные типы вентиляционных систем, применяемые в зернопроизводстве:

– аэрируемые бункеры;

– полукруглые секционные напольные каналы;

– трубчатые и телескопические напольные каналы;

– вертикальные аэрационные каналы;

– подпольные воздухоподводящие каналы (ПК), устанавливаемые ниже уровня полов с перфорированными напольными секционными покрытиями (ПНСП).

Применение ПК и ПНСП в практике хозяйств РФ по сравнению с другими системами аэрирования не находит широкого применения в основном из-за удорожания строительной конструкции складов, а также из-за отсутствия доступного технологического обоснования систем ПНСП.

Целью данной статьи является обоснование основных положений аэрирования зерна подпольными каналами с перфорированными напольными секционными покрытиями.

Методика исследований. Экспериментальные исследования по аэрированию зерна проводились в основном в условиях хозяйств Ивановской области в 2015–2018 годах. В процессе проведения исследований использовали стандартные методики определения влажности и температуры зерна.

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

Для измерения статического давления сопротивления в воздухоподводящих каналах применялся U-образный манометр (рис. 1).

U-образный манометр непосредственно присоединяли к стенке воздушных каналов. В качестве контрольной жидкости использовалась вода, деления шкалы приведены в миллиметрах. Для этого типа манометров в холодное время года вместо воды могут применяться другие контрольные незамерзающие жидкости. При этом трубки можно применять как стеклянные, так и пластиковые с идеально гладкой внутренней поверхностью, а внутренний диаметр трубок должен быть не меньше 5 мм.

Скорость воздушного потока над зерновым слоем определяли при помощи крыльчатого анемометра.

Рис. 1. Схема U-образного манометра (а) и его фото (б)

Применяемые методы оценки и исследования аэрирования зерна более детально описаны ранее (Дондоков, Аммосов, Дринча, 2019; Moisture relations of grains, 1991).

Результаты исследований. Системы аэрирования зерна, применяемые на зерновых складах, независимо от их конструктивных особенностей могут использоваться для решения в отдельности или в некоторых случаях в совокупности для выполнения следующих технологических задач:

– охлаждения зерна;

– удаление застоявшегося воздуха из межзернового пространства;

– кондиционирования в процессе хранения;

– сушки зерна;

– выравнивания влажности зерна в насыпи;

– выравнивания температуры зерна в насыпи;

– дегазации зерна;

– предпосевного аэрирования с целью вывода семян из состояния покоя.

Выбор систем аэрирования, а также их конструктивно-технологических параметров в первую очередь зависит от предполагаемых задач, решаемых аэрированием, типа складских помещений, объёмов и вида зерна, наличия погрузочно-разгрузочного оборудования, продолжительности хранения зерна, инвестиционных возможностей вложения в оборудование.

Полностью перфорированные полы обеспечивают наиболее эффективное распределение воздуха в зерновой насыпи складских помещений. Данное конструктивное решение является наиболее оптимальным для напольных сушилок, но в то же время оно является и наиболее дорогостоящим.

ПК с ПНСП обычно применяются для аэрирования зерна на складах и в зерновых силосах (рис. 2). Основным технологическим преимуществом данного конструктивного решения является возможность применения традиционно используемого погрузочно-разгрузочного оборудования, а также минимальные затраты людских ресурсов.

Применение ПК с ПНСП рекомендуется в основном для выполнения задач охлаждения зерновой насыпи, а также для других задач аэрирования, перечисленных в данной статье, кроме сушки зерна, так как при сушке рекомендуется применять полностью перфорированные полы.

Рис. 2. Общий вид подпольного канала с ПНСП (а) и зернового склада, оснащённого ПНСП (б)

Конструктивно-технологический расчёт систем аэрации с ПНСП включает следующие этапы:

– выбор норм аэрирования, определения зернового объёма, расхода общего количества воздуха;

– выбор ПК, расстояния между ними, площади сечения каналов, площади ПНСП;

– определение рабочего давления применяемого вентилятора;

– выбор вентилятора для подачи требуемого объёма воздуха.

Выбор норм аэрирования зависит от технологических режимов и является важным решением. Обобщённые рекомендации, основанные на экспериментальных данных зарубежных авторов, и собственные исследования показывают, что диапазон норм аэрирования для основных технологических режимов составляет 4–20 л/с/т (рис. 3) (Дринча, 2012; Kreyger, 1963).

Рис. 3. Нормы аэрирования зерна для разных технологических режимов вентилирования и СЗАВ

Общий расход воздушного потока рассчитывают путём умножения норм аэрирования на массу зерна в хранилище.

Одним из наиболее важных параметров систем аэрации с ПНСП является расстояние между ПК, так как от него напрямую зависит стоимость оборудования и эксплуатационные расходы. С одной стороны, чем больше расстояние между каналами, тем меньше вложений на единицу аэрируемого зерна, а с другой стороны, увеличение расстояния между каналами ухудшает равномерность воздухораспределения в зерновой массе, что приводит к появлению застойных зон и снижению качества зерна. В связи с этим выбор расстояния является компромиссной задачей и на практике решается, исходя из конструктивно-технологических соображений. Для процессов охлаждения зерна и кондиционирования его в процессе хранения расстояние между каналами можно принять равным высоте зернового слоя.

На основании хозяйственных исследований совместно с немецкой компанией Ambros Schmelzer&Sohn GmbH&Co.KG для ООО «Славянка» (Ивановская обл.) разработан технологический проект аэрирования зерна ПНСП (рис. 4)

Рис. 4. Схема зернового склада, оснащённого ПНСП

Высота зернового слоя для разработанного проекта — до 4 м. Аэрирование зерна осуществляется одним вентилятором, продувающим одновременно два канала. В процессе вентилирования вентилятор поэтапно переставляется на последующие пары каналов.

Поперечное сечение ПК выбирается из условия максимальной скорости воздушного потока, которая должна быть меньше 7,5 м/с, а минимальная площадь ПНСП — из условия ограничения максимальной скорости воздуха, проходящего сквозь ПНСП, которая составляет 0,13 м/с. Приведённые ограничения скоростей воздушного потока обусловлены течениями воздушного потока без образования завихрений и турбулентности (Jones, Hardin, 2017; Hellevang et al., 2007).

Размерные характеристики применяемых ПК позволяют выбрать оптимальные значения их конструктивных размеров, обеспечивающих требуемые нормы аэрирования (табл. 1).

1. Размерные характеристики применяемых для аэрации ПК

Рабочее давление вентилятора определяется суммарным сопротивлением зернового слоя и ПНСП.

Заключение. Отличительной особенностью ПК с ПНСП в сравнении с другими аэрационными устройствами является их высокая функциональность и технологическая эффективность.

Склады с ПК и ПНСП загружают и выгружают обычными зерновыми погрузчиками. При этом применение ПНСП позволяет существенно уменьшить количество ручного труда перед засыпкой зерна на хранение в сравнении с полукруглыми каналами, вертикальными аэрационными каналами или телескопическими вентиляционными установками. Исключается вероятность повреждения аэрационных систем погрузочно-разгрузочными средствами.

Складские помещения при отсутствии зерна могут использоваться для других производственных целей, например для хранения сельскохозяйственной техники.

Разработанная технологическая схема аэрирования зерна с ПК и ПНСП рекомендуется для применения в зерновых хозяйствах с объёмами производства до 1500 т.

Литература

1. Анискин В. И. Консервация влажного зерна / В. И. Анискин. — М.: Колос, 1968. — 286 с.

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

3. Голик М. Г. Активное вентилирование зерна в складах и вентиляторах / М. Г. Голик. — М.: Заготиздат, 1951. — 54 с.

4. Дондоков Ю. Ж. Обоснование процесса охлаждения зерна вертикальными аэрационными колонками / Ю. Ж. Дондоков, И. Н. Аммосов, В. М. Дринча // Кормопроизводство. — 2019. — № 1. — С.34–38.

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

6. Технологические основы сохранности зерна повышенной влажности. Механизация и электрификация сельского хозяйства / П. П. Казакевич, В. Н. Дашков, В. П. Чеботарёв В.П. и др. // Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства. — 2008. — Вып. 42. — С.103–108.

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

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

9. D245.4: Moisture relations of grains. 1991. ASAE Standards, 38th ed. St. Joseph, MI: ASAE.

10. Hansen R. C. Natural Air Grain Drying in Ohio / R. C. Hansen, H. M. Keener, R. J. Gustafson // The Ohio state university. AEX-202, 2006. — 4 p.

11. Jones C. Aeration and cooling of stored grain / C. Jones, J. Hardin. — Oklahoma State University, 2017. — P.1–4.

12. Kreyger J. General consideration concerning the storage of seeds / J. Kreyger // Proc. Inst. Seed Test. Ass. — 1963. — No. 28–4. — P.827–836.

13. MWPS-29. Dry Grain Aeration Systems Design Handbook, Revised First Edition / K. J. Hellevang et al. — Ames, IA. MidWestPlan Service, 2007. — 145 p.

14. Noyes R. Supplemental aeration systems. In the Mechanics and Physics of Modern Grain Aeration Management / R. Noyes, S. Navarro, D. Armitage. — Boca Raton, Fl: CRC Press, 2002. — P.413–488.

Grain aeration by flush floor ducts with perforated sectional panels.

¹Dondokov Yu. Zh., PhD Techn. Sc.

²Ammosov I. N.

²Drincha V. M., Dr. Techn. Sc.

¹North-Eastern Federal University, NEFU

677000, Russia, the Republic of Sakha Yakutia, Yakutsk, Belinskyi str.,58

²Yakut State Agricultural Academy

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

E-mail: tekhnoagro@mail.ru

Investigations on grain aeration took place in the Ivanovo region in 2015–2018. The goal was to describe the process of grain aeration through the perforated sectional panels. An optimal aeration system depends on objectives, storage facility, grain quantity and type, availability of handling devices, duration of a storage period and equipment investment. Fully perforated panels allow the most effective air distribution in grain mass. They are the most optimal for the on-floor dryers but also very expensive. Floor ducts with perforated sectional panels are usually used when aerating grain in stores and grain silage. The main advantage of this system is the use of handling devices and low labor costs. The article focuses on the application of floor ducts with the perforated sectional panels for grain aeration by atmospheric air and reviews modern foreign experiments. It presents the main principles of design and technological aeration modes. The content of this work can be used for the development of regulations on grain aeration.

Keywords: grain, grain aeration, grain cooling by atmospheric air, grain temperature, relative humidity, air flow rate, aeration regulations, equilibrium grain moisture, underground channels, perforated cover.

References

1. Aniskin V. I. Konservatsiya vlazhnogo zerna / V. I. Aniskin. — Moscow: Kolos, 1968. — 286 p.

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

3. Golik M. G. Aktivnoe ventilirovanie zerna v skladakh i ventilyatorakh / M. G. Golik. — Moscow: Zagotizdat, 1951. — 54 p.

4. Dondokov Yu. Zh. Obosnovanie protsessa okhlazhdeniya zerna vertikalnymi aeratsionnymi kolonkami / Yu. Zh. Dondokov, I. N. Ammosov, V. M. Drincha // Kormoproizvodstvo. — 2019. — No. 1. — P.34–38.

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

6. Tekhnologicheskie osnovy sokhrannosti zerna povyshennoy vlazhnosti. Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya selskogo khozyaystva / P. P. Kazakevich, V. N. Dashkov, V. P. Chebotarev V.P. et al. // Nauchno-prakticheskiy tsentr Natsionalnoy akademii nauk Belarusi po mekhanizatsii selskogo khozyaystva. — 2008. — Iss. 42. — P.103–108.

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

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

9. D245.4: Moisture relations of grains. 1991. ASAE Standards, 38th ed. St. Joseph, MI: ASAE.

10. Hansen R. C. Natural Air Grain Drying in Ohio / R. C. Hansen, H. M. Keener, R. J. Gustafson // The Ohio state university. AEX-202, 2006. — 4 p.

11. Jones C. Aeration and cooling of stored grain / C. Jones, J. Hardin. — Oklahoma State University, 2017. — P.1–4.

12. Kreyger J. General consideration concerning the storage of seeds / J. Kreyger // Proc. Inst. Seed Test. Ass. — 1963. — No. 28–4. — P.827–836.

13. MWPS-29. Dry Grain Aeration Systems Design Handbook, Revised First Edition / K. J. Hellevang et al. — Ames, IA. MidWestPlan Service, 2007. — 145 p.

14. Noyes R. Supplemental aeration systems. In the Mechanics and Physics of Modern Grain Aeration Management / R. Noyes, S. Navarro, D. Armitage. — Boca Raton, Fl: CRC Press, 2002. — P.413–488.