Терморежимы и циклы вентилирования зерна в металлических хранилищах

Постоянное наращивание производства зерна в развитых зернопроизво-дящих странах неразрывно связано с созданной за многие десятилетия и периодически совершенствующейся системной инфраструктурой уборки, обработки, хранения и реализации урожая. В России, где в основе своей, такая системная инфраструктура не была создана, эксплуатируемая на данных технологических операциях техника имеет значительный износ, превышающий в 2.3 раза паспортный срок службы у зернопроизводителей, и в 1,5.2 раза в системах хранения (элеваторы) и у переработчиков зерновой продукции. Зарубежный опыт показывает, что гарантированную сохранность урожая обеспечивают сбаланси-" рованные системы временного и длительного его хранения. Поэтому основой повышения производства зерна в стране можно признать создание, в первую очередь у зернопроизводителей, соответствующей современным требованиям материально-технической базы (МТБ) обработки и временного хранения убранного урожая, а во вторую, одновременно с первой, развитие системной инфраструктуры, в которой гарантированное временное и длительное хранение зерна будет способствовать стабилизации цен на него и продовольственной безопасности страны. ф Оценка деятельности западноевропейских фирм, занятых производством техники для послеуборочной обработки и хранения зерна, показывает, что большинство из них на основе ассоционного объединения, занимаются проектированием, строительством и монтажом под «ключ» технологических линий. При этом подрядчики по контракту с заказчиком оставляют за собой право на техническое обслуживание, ремонт и модернизацию создаваемого ими объекта. Особое место при разработке подобных объектов уделяется снижению энергопотребления на проведение технологических операций, экологии и условиям * труда обслуживающего персонала.

Последние годы в России решению данной проблемы организациями, основная специализация которых — механизация процессов в АПК, должного внимания не уделяется. Они, как правило, если функционируют, то тяготеют, в лучшем случае, к разработке новой техники. Отсутствие новых технологических решений и должной государственной политики по отношению к производителю зерна практически к невозобновляемости в аграрном секторе МТБ послеуборочной обработки урожая и хранения зерна. В этой связи не приходится ожидать, что себестоимость зерна в ближайшее время снизится, а его потери сократятся.

Если принять во внимание, что с производством зерноочистительной и зерносушильной техникИ (известные производители ОАО «Брянсксельмаш», ОАО «Воронежзерномаш», ЗАО «Агропромтехника», ОАО «Мельинвест» и др.) особых проблем в России нет, то с комплексной поставкой и производством хранилищ, например для зерна, дела обстоят крайне неудовлетворительно. Пытаются наладить массовое производство их в Краснодарском крае и Ростовской области. В силу отсутствия должного опыта в области производства, маркетинговых исследований рынка и низкой покупательной способности зерно-производителей, имеет место незначительный спрос на послеуборочную технику, в т. ч. и на зернохранилища. Кроме этого, в России нет специализированных организаций, осуществляющих у зернопроизводителей пуск, монтаж и наладку объектов хранения, комплектацию последних оборудованием для приема, сушки и очистки комбайного вороха. За рубежом, например, у известной итальянской фирмы «Metalmeccanica Fracasso S.p.A.» и ее дочернего предприятия «Frame» S.p.A. эти вопросы полностью решены.

В отечественной элеваторной отрасли накоплен значительный опыт эксплуатации бетонных и железобетонных емкостей при хранении зерна различных культур. Специалистами ВНИИ зерна во многих регионах страны проведено большое количество исследований по обоснованию режимов длительного хранения зерна в таких емкостях, разработаны рекомендации по их эксплуатации, методики по определению и оценке качества зерна в различные периоды его хранения. Имеется опыт в этой отрасли и по эксплуатации металлических зернохранилищ, в основном, зарубежного производства (Болгария, Венгрия,.

Германия и др.) и экспериментальных отечественных цилиндрических зернохранилищ диаметром от 6 до 18 метров [60, 62]. Изучением условий хранения зерна в металлических цилиндрических силосах, вертикальный цилиндр которых возводится навивкой по методу фирмы «Lipp» (Швейцария), в свое время занимались специалисты ВИМа. По их рекомендациям Центральный институт строительных конструкций и институт легких сплавов (ВИЛС) разработали техническую документацию на такие зернохранилища. Проведенные испытания опытных образцов в различных климатических зонах страны, позволили в последующем обосновать типоразмерный ряд зернохранилищ для отечественного зернопроизводителя.

В нашей стране накоплен значительный опыт эксплуатации вентилируемых металлических цилиндрических емкостей с радиальной раздачей воздуха в слое зерна. Впервые такие емкости в нашу страну в начале 60-х годов прошлого столетия начали поставлять из ГДР (Восточная Германия) под маркой К-878. В конце 60-х годов завод «Брянсксельмаш» освоил производство аналогичных емкостей в виде типоразмерного ряда БВ-6, БВ-12,5, БВ-25 и БВ-50. Эти емкости имели ряд преимуществ перед немецкими. Так, они имели широкую номенклатуру (типоразмерный ряд) — высокую унификацию (до 85%) — повышенный расход воздуха (до 450 м3/ч на тонну зерна), в немецкой конструкции — 300 м3/ч на тонну зернадвухступенчатый подогрев воздуха (на 5 и 9°С), у немецкой конструкции — одна ступень до ТС. При проведении ВИСХОМом и СКБ по сушилкам г. Брянск модернизации (1975 г) этих емкостей, возникла необходимость выпуска одной модели, которой стала емкость БВ-40. С этого момента зарубежные поставки емкостей К-878 в страну прекратились и завод «Брянсксельмаш» ежегодно, до 1990 года, выпускал емкости БВ-40 в количестве до 10 000 штук. Однако, этот объем выпуска не обеспечивал спрос на них да, и использовались они в основном для сушки семенного зерна.

В начале 80-х годов из ГДР в отечественные семеноводческие хозяйства стали поступать вентилируемые емкости вместимостью 150 тонн в суммарном блоке на 3000 тонн зерна. Таких блоков было поставлено более 1000 штук. Однако, у семеноводов они применения не нашли. На это повлияли технологическая компоновка блока хранилищ и ограниченные возможности подачи воздуха в массу зерна. В первом случае блок нельзя было использовать на семенном материале, т.к. точка приема зерна и его выдачи была всего одна. Это ограничивало функциональные возможности блока и не позволяло использовать его на семенах различных культур и сортов, т.к. неизбежно возникло бы смешивание их, что недопустимо стандартом на посевной материал. При этом семеноводческие хозяйства не производили такие объемы семенного материала одной культуры и сорта. Во втором случае, в хранилищах осуществлялось не вентилирование, а аэрация зерна (расход 35.50 м /ч на тонну зерна). При отсутствии в хозяйствах семенных зерносушилок, закладка на хранение зерна влажностью более 15% могла привести к его порче или снижению качества. Полномасштабных исследований и опытно-конструкторских работ по выявлению возможностей использования этих зернохранилищ в хозяйствах страны не проводились. Поэтому они до настоящего времени, в большинстве семеноводческих предприятиях, стоят незадействованными или разобраны как металл для различных хозяйственных нужд.

В настоящее время отечественная промышленность не выпускает технологически и технически обоснованной техники и оборудования для хранения зерна в России. Предприятие ЗАО «Мельинвест» рекламирует лицензированные американские зернохранилища без проверки и испытаний их у зернопроиз-водителей России. Подобную продукцию и при тех же условиях в Россию поставляет Украина. Зарубежные же производители предлагают, а иногда поставляют, на отечественный рынок различные конструкции металлических зернохранилищ как по номенклатуре и вместимости, так и по назначению. Отличительной особенностью этой техники является пока ее значительная стоимость. Кроме этого, не изученность применение этой техники и оборудования в различных климатических зонах страны не позволяет сделать однозначных рекомендаций по их эксплуатации и использованию у отечественных зернопроизво-дителей.

Таким образом, изложенное позволяет заключить, что отечественная промышленность практически не выпускает металлические зернохранилища требуемой номенклатуры. Имеющийся зарубежный опыт по производству и эксплуатации металлических зернохранилищ в аграрном секторе России, особенно вместимостью более 100 тонн, весьма ограничен и в ближайшей перспективе не может быть однозначно воспроизведен, т.к. он не отвечает сложившимся за рубежом рыночным ценовым условием, а в России экономическим. Из этого следует, что создание и поставка на производство новой отечественной техники для хранения зерна должна учитывать уровень и критерии технологической применяемости, конкурентоспособности, номенклатуры выпуска и объема комплектации в зависимости от финансовых возможностей заказчика.'.

Данная работа посвящена обобщению классификационных признаков зернохранилищ и обоснованию терморежимов и циклов вентилирования зерна в металлических зернохранилищах и цилиндрических силосах с вертикальной и радиальной раздачей воздуха в зерновую массу. Конечной целью работы являлось получение исходных данных для разработки рекомендаций по хранению зерна в зернохранилищах применительно к Центральному региону европейской части России.

Цель работы — изыскание и обоснование терморежимов и циклов вентилирования зерна в металлических хранилищах.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследований: разработка обобщенной схемы классификационных признаков, технологических особенностей и основных приемов хранения зернаобоснование методики расчета процесса хранения зерна при вентилировании зерновой массыразработка методической структуры экспериментально-теоретических исследований продуваемого слоя зернаисследование эксплуатационных возможностей и оценка условий хранения зерновой массы при радиальной и вертикальной продувке ее атмосферным воздухомоценка технико-экономической эффективности вентилирования зерновой массы при временном и длительном храненииразработка рекомендаций по терморежимам и циклам вентилирования зерна в металлических хранилищах.

Объектами исследований являются технологические процессы хранения зерна в кольцевом и вертикальном продуваемом слое, основными элементами которых служат лабораторная установка и металлические хранилища различного типа.

Предметом исследования являются режимы работы хранилищ зерна при продувке их охлажденным и подогретым воздухом и процессы, происходящие в зерном слое на различной высоте от места подачи воздуха.

Методика исследований. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных установках и натурных объектах. Для обработки результатов экспериментальных исследований были использованы методы математической статистики и теории вероятностей с использованием ЭВМ. При проведении экспериментальных исследований за основу были приняты ГОСТы, отраслевые ОСТы и разработанные ОАО «ВИСХОМ» частные методики. В теоретических исследованиях применены методы математического анализа.

Научную новизну работы составляют: аналитические зависимости расчетов терморежимов и цикличности вентилирования зернохранилищ с кольцевым и вертикальным продуваемым слоем зерновой массыусовершенствованный технологический прием длительного и безопасного хранения зерна путем продувки, нагретым воздухом и последующим охлаждением низкотемпературным атмосферным воздухом, что обеспечивает влагоудаление и охлаждение зерновой массы.

Практическую ценность работы составляют: классификационные признаки зернохранилищрекомендации по терморежимам и циклам воздушного вентилирования зерна при различных приемах его храненияметодика инженерного расчета основных параметров хранилищ с ра-диально и вертикально продуваемой зерновой массой.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований внедрены ЗАО «СКВ по сушилкам «Брянсксельмаш» и ООО «Юнитэкс» в конструкциях выпускаемой техники, предназначенной для временного и длительного хранения зерна. По рекомендуемым режимам вентилирования в ЗАО «Колхоз Уваровский» (Можайский район, Московской области) было осуществлено временное хранение зерна урожая 2003 года.

На защиту выносятся: анализ современного состояния и проблемы послеуборочной обработки и хранения зернаклассификация технологических приемов и систем хранения зернаметодика инженерного расчета основных параметров хранилища с ра-диально и вертикально продуваемой зерновой массойрезультаты лабораторно-эксплуатационных исследований и производственной проверки хранения зерна в металлических силосах при радиальной и вертикальной продувке зерновой массырезультаты экономической оценки выполненных исследований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Выполненные теоретические, экспериментальные и эксплуатационные.

• исследования позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации.

1. Разработана обобщенная схема классификационных признаков безопасных приемов хранения зерна. Номенклатура технических средств для хранения зерна по функциональному назначению может быть представлена для: временного хранения предварительно очищенного зерна влажность более 20%- временного хранения высушенного зерна влажностью 14. 16%- длительного хранения кондиционного по влажности зерна 13. 15%. Для обеспечения хра нения зерна с минимальными потерями объекты хранения должны характеризоваться следующими признаками: технологией хранения зернаконструктивными особенностями единичного хранилищааэродинамической распределительной системой и вариантами компоновок хранилищ.

2. Исследования тепло-массообменных процессов при вентилировании неподвижного слоя зерновой массы позволили разработать инженерную методику расчета основных параметров, способствующих влагоудалению при храг" нении зерна. В основе этой методики принято, что при постоянстве скорости влагоудаления из всего зернового объема продолжительность влагоудаления обратно пропорциональна удельной подаче воздуха и степени влагонасыщения воздуха (зависимость 4). При этом учитывается, что затраты электроэнергии на вентилирование зерновой массы, отнесенные к единицы испаренной влаги, прямо пропорциональны общему гидравлическому сопротивлению аэродинамической системы, в т. ч. зернового слоя, и обратно пропорционально его на* чальной температуре.

3. Эксплуатационными исследованиями определено, что стабилизация съема влаги при радиальной продувке зерновой массы до средней конечной влажности 16,8% при температуре нагретого воздуха 38 °C достигается только после 20 часов вентилирования и при удельной подаче воздуха равной 1,06 м3/ч-кг.

4. По результатам исследований разработана инженерная методика расчета аэродинамического сопротивления вентиляционной системы силоса с кольцевым зерновым слоем, выведено уравнение регрессии для определения продолжительности вентилирования зерна и скорости влагоудаления в интервале удельной подачи воздуха 0,4.2,0 м3/ч-кг, исходной влажности зерна 24,7% и температуре подогретого воздуха 40 °C, а также номограмма для определения параметров воздуха и режимов вентилирования радиального слоя толщиной 1,1 м при исходной влажности зерна 25% и удельном расходе воздуха 0,7 м3/ч-кг.

5. Хозяйственная эксплуатация трех вариантов вентилирования зерновой массы показала, что хранение зерна в бунтах (насыпью) неэффективно из-за неравномерного снижения температуры. Однако вентилированием насыпи атмосферным воздухом в ночное время, в период с 23 до 8 ч утра, можно добиться положительных результатов при удельном расходе воздуха 0,25 м3/ч-кг.

6. Металлические силосы с радиальным слоем более 1160 мм обеспечивают временное и длительное безопасное хранение зерна нагретого до 40 °C, если вентилирование его атмосферным воздухом начинать после сушки с расходом 0,3., 04 м /ч-кг. При этом интенсивность охлаждения, при температуре атмосферного воздуха 3.6°С и его удельном расходе до 0,4 м3/ч-кг, составляет 0,55°С/ч. Хранение зерновой массы в металлическом силосе при вертикальной.

4 продувке в слое высотой более 7 м в течение 96 часов при средней суточной температуре атмосферного воздуха 19,5°С и удельном расходе 0,06 м3/ч-кг не эффективно для процесса охлаждения зерна при начальной его температуре 36 °C.

7. Полученные данные в виде рекомендаций по совершенствованию конструкции бункера БВ-40А и технологическому его назначению в составе поточных линий агрегатов и комплексов для послеуборочной обработки и хране-&diamsния зерна переданы ЗАО «СКБ по сушилкам «Брянсксельмаш» и ООО «Юнит-экс». Материалы исследований использованы этими предприятиями при корректировке конструкторской документации, в инструкциях по эксплуатации и проектированию поточных технологических линий. С 2004 года рекомендации вошли в сопроводительную документацию к выпускаемым аэродинамическим системам для временного хранения зерна.

Технико-экономическими расчетами определено, что при модификации цилиндрических металлических емкостей с кольцевым продуваемым слоем БВ-40А и использование их для временного хранения зерна до сушки и после нее абсолютная эффективность составляет 2393,4 тыс. рублей (на четыре емкости), а окупаемость их происходит за один сезон эксплуатации.