Процессы влаготеплообмена в хранилище зерна

Уважаемый читатель, я прошу извинения за тон повествования, который вполне можно отнести к назидательному или поучающему, но часто слушая на конференциях докладчиков, я отмечаю недопонимание ими таких понятий как абсолютная и относительная влажность.

Начнем с более простого понятия: абсолютная влажность – это доля воды в составе зерна в процентном отношении к массе зерновки. Т.е. если для зерна пшеницы это 14%, то значит, что при такой влажности в 1 тонне зерна 140 кг воды. Как эта вода оказалась в зерне? Большая доля ее осталась после обмолота, если уборка проводилась в сухой жаркий день и уборочная влажность составляла, например, 12%, то все равно зерновка «добререт» влаги из окружающего воздуха до 14%, если относительная влажность воздуха составляла не более 75% при температуре 25°С.

Относительная влажность воздуха 75% - это доля в % молекул воды, вернувшихся в воду, в результате конденсата после их испарения в воздух над открытой водной поверхностью.

Если говорить об абсолютном количестве воды в воздухе, то при той же относительной влажности (пусть 75%) с ростом температуры воздуха количество водяного пара (молекул воды) в нем будет расти. Т.е. в нагретом воздухе молекул воды всегда больше, чем в холодном при равных значениях относительной влажности. Влагоемкость воздуха с ростом температуры повышается. Это легко объяснить ростом интенсивности движения молекул в воздухе при повышении его температуры (азота, кислорода, воды, углекислого газа и др.). В случае охлаждения воздуха, молекулы воды замедляют свои движения (как и другие входящие в воздух газы) и, соединяясь, образуют мелкие капельки – конденсат. Другие газы, входящие в состав воздуха тоже сконденсируются, но при очень глубоком охлаждении (для каждого газа своя температура), например, N₂ -195,8°С, СО₂ -78°С (сублимация – переход пара в твердую фазу), О₂ -182,98°С, Н₂ – 240,2°С. Простой пример, бутылка пива, поставленная на стол из холодильника, сразу покрывается каплями воды, поскольку, молекулы воды, залетая в охлажденный пограничный слой у стенки бутылки, теряют свою скорость и, соединяясь, образуют капли.

Уважаемый читатель, эту информацию я привел для того, чтобы было понятно – засыпая зерно в хранилище при высокой температуре воздуха (например 25°С) при относительной равновесной влажности его (75%) и при влажности зерна 14%, мы заполняем хранилище большим количеством воды в виде молекул, находящихся в воздухе, которая в процессе тепло-масса переноса будет перераспределяться и увлажнять отдельные зоны засыпанного зерна в хранилище при тепломассопереноса в нем. Рассмотрим эти процессы.

Воздух распределен между зернами в малых объемчиках и именно этот, по сути, пористый материал, имеет очень низкую теплопроводность и высокую теплоемкость, и может долго удерживать температуру и влажность, но, тем не менее, в объеме зерна всегда происходит тепломассообмен, обусловленный либо гравитационным полем, либо принудительном перепадом давления за счет вентилятора. Рассмотрим оба варианта.

На стенках металлического хранилища практически всегда есть перепад температур в ту или иную сторону. Сама металлическая стенка для передачи тепла никакого препятствия не составляет. Так, коэффициент теплопроводности стали в 100 раз выше, чем у бетона или кирпича, а цинк (как известно, лист стенки хранилища гальванически оцинкован) в два раза «прозрачней» для тепла, чем сталь. Так что стенку металлического хранилища при оценке теплообмена зерна с окружающим воздухом в расчет можно не брать, она для тепла так же прозрачна как марля для потока воздуха. Режим теплообмена между зерном в хранилище и наружным воздухом можно упрощенно разделить на два случая: наружный воздух холоднее зерна (зима) и зерно холоднее наружного воздуха (весна) (рис. 1, 2).

Рис. 1. Процесс увлажнения зерна в хранилище при низкой температуре окружающего воздуха.	Рис. 2. Процесс увлажнения зерна в хранилище при высокой температуре окружающего воздуха.

При охлаждении атмосферного воздуха зерно в центре насыпи очень долго (до нескольких месяцев) удерживает тепло. При этом охлажденные слои зерна и воздуха, прилегающие к стенкам хранилища, обуславливают движение охлажденного воздуха сверху вниз (он более плотный, а значит тяжелее), который вытесняет теплый воздух из середины.

Первоначально, охлаждение воздуха в пористом слое вызывает в нем увлажнение зерна из-за появления конденсата и последующее движение холодного воздуха захватывает зону увлажнения вплоть до слоев над днищем. Поднимаясь вверх, воздух нагревается, проходя через слой теплового зерна и, оказавшись в верхней части силоса, встречается с охлажденным зерном и дополнительно его увлажняет. Почему дополнительно, потому что он уже оказался увлажненным от конденсата охлажденного воздуха над зерном.

а – плоская стенка	б – гофрированная стенка
Рис. 3. Схема взаимодействия лучистого теплового потока солнца (qл) на стенки зернохранилища

Весной стенки зернохранилища нагреваются как от тепла наружного воздуха, так и от солнечных лучей. В случае нагревания стенки хранилища лучами солнца (лучистый теплообмен) поглощаемая часть их повышает температуру стенки до значений намного выше температуры окружающего воздуха, причем, в силу высокой теплопроводности стали, стенка сильно нагревается не только в том месте, на который попадает лучистый тепловой поток от солнца, а и в прилегающей зоне (рис. 3). В случае гофрированной стенки силоса нагрев усугубляется за счет увеличенной поверхности контакта стенки с зерном и углом падения солнечных лучей на ее волновую поверхность. Кроме этого, нагретая стенка излучает лучистый поток (ик-излучение) в прилегающий пристенный слой зерна. Нагретый воздух, поднимаясь вдоль стенок вверх, образовывая циркуляцию воздуха в обратном направлении (по сравнению с циркуляцией в зимний период), но опять же не в пользу хранения зерна, ибо, проходя по центру хранилища вниз и

 охлаждаясь в межзерновом пространстве холодного зерна, увлажняет его.

Вмешаться в этот процесс можно только за счет активной вентиляции воздуха, принудительно подаваемого через систему активного вентилирования. 

Рис. 4. Устранение гравитационной конвекции за счет принудительной вентиляции.

Рис. 5. Самосортирование сора при ссыпании зерна.

Рис. 6. Схема взаимодействия движущегося воздуха при активной вентиляции в случае неравномерного распределения сора из-за самосортирования при загрузке зерна.

Все бы ничего, если бы не самосортирование зерна при загрузке силоса. Дело в том, что разная скорость падения разнородного сыпучего материала (легкий сор, зерно, минеральный сор) приводит к их разделению в процессе падения при загрузке силоса. Легкий сор тороидальным вихрем, образующемся в объеме силоса, при засыпании зерна отвевается на периферию емкости, тяжелый падает по центру, а между ними оказывается слегка «подчищенное» зерно (рис. 5). При этом концентрация легкого сора локально может превышать равнораспределенную в 6-7 раз, а тяжелого – в 10-13 раз. Именно это, при неблагоприятных по влажности и температуре условия, может спровоцировать очаги самосогревания.Такие потоки воздуха возможно создать только за счет перепада давления, в отличии от гравитационных циркуляций обусловленных гравитационным полем Земли (рис. 4). Окончание процесса вентилирования можно отследить по показанию температуры воздуха на входе, значение которой должно быть близкой к температуре окружающего воздуха. При существенном загрязнении ссыпаемого зерна из-за самосортирования и, как следствие, разной прозорности зерновой массы, возникает перераспределение скорости движения воздуха при вентилировании зерна в силосе. Это приводит к еще большему слеживанию сора и еще более повышает риски возникновения очагов самосогревания (рис. 6). Кроме того, неоднородность сыпучей массы зерна нарушает осесимметричный режим ссыпания зерна при выгрузке его из силоса, что приводит к перераспределению нагрузки на конструкцию, потере устойчивости силоса и разрушению его.Вентилирование желательно проводить в ночное (более прохладное) время при относительной влажности воздуха не более 75%.

В последнее время фирмы разрабатывающие конструкции зернохранилищ с целью недопущения концентрации сора при загрузке зерна предлагают устанавливать специальные разбрасыватели зерна (гомогенная загрузка), размещая их в верхней части хранилища. Тороидальные вихри при этом не образуются, ибо зерно падает рассредоточено, но усугубляется вторая проблема – бой зерна о днище хранилища, площадь которого у силосов большого диаметра доходит до 100 м². Перед ударом о днище скорость падения зерна достигает скорости витания, а это, например, для кукурузы 17-19 м/с.

Нами запатентовано устройство решающее две проблемы – снижение скорости падения зерна при загрузке в хранилище и устранение самосортирования. Углы взаимного положения лотков регулируемые, что позволяет оптимизировать скорость ссыпания зерна для самых травмированных культур (рис, соя, кукуруза, горох и т.д.) (рис. 7, 8). Испытания показали, что скорость движения зерна по лоткам не превышает 1м/с, что полностью исключает как травмирование зерна, так и самосортирование его.

Рис. 7. Устройство для безударного ссыпания зерна с большой высоты		Рис. 8. Патент на зернохранилище  Фадеева (гаситель скорости падения )

Уважаемый читатель, возвращаясь к центральной теме всего повествования (щадящая пофракционная технология производства сильных семян) есть необходимость сравнить качество семян, получаемых по традиционной однофракционной технологии и предлагаемой нами пофракционной технологии. Об этом речь пойдет в следующей статье.