Статья | Контроль температуры и влажности зерна, хранящегося в силосах

Охладите зерно, защитите свой продукт и будущие поколения с помощью силосных охладительных установок TKS!

Представляем вам нашу статью о сохранении зерна, хранящегося в силосах, в течение длительного времени, о контроле температуры и влажности в силосе с примерами и изображениями. Мы рады поделиться с вами подробным исследованием, чтобы увидеть, что можно сделать для снижения качества и минимизации ущерба, который могут нанести зерну насекомые и плесневые грибки.

Краткий обзор сегодняшней ситуации

При ежегодном анализе производства зерна в мире видно, что оно имеет тенденцию к росту. По последним данным Всемирной продовольственной и сельскохозяйственной организации (ФАО), в 2021 году производство зерна увеличилось на 0,7 % по сравнению с прошлым годом и составило 2,796 млн тонн [1]. Данные о потреблении и хранении также следуют за данными о производстве. Как видно на рисунке 1, изучив последние данные ФАО, можно понять, что примерно треть произведенного зерна хранится на складах. Учитывая, что производство и потребление следуют друг за другом в одинаковых объемах, становится очень важно сохранить хранящееся зерно в подходящих условиях без потери количества и питательной ценности.

Если проанализировать ежегодные данные по всему миру, то можно увидеть, что производство зерна имеет тенденцию к росту. Согласно последним данным Всемирной продовольственной и сельскохозяйственной организации (ФАО), в 2021 году производство зерна увеличилось на 0,7 % по сравнению с прошлым годом и достигло 2,796 млн тонн [1]. Данные о потреблении и хранении также следуют за данными о производстве. Как видно на рисунке 1, изучив последние данные ФАО, можно понять, что примерно треть произведенного зерна хранится на складах. Учитывая, что производство и потребление следуют друг за другом в одинаковых объемах, становится очень важно сохранить хранящееся зерно в подходящих условиях без потери количества и питательной ценности.

Рисунок-1: ЧаВО График прогноза мирового производства, потребления и хранения зерна [1].

С другой стороны, развитие сельскохозяйственных технологий позволило сократить время между сбором урожая и хранением зерна с нескольких недель до нескольких часов. В этом случае зерно может потребоваться высушить и охладить в соответствии с климатическими условиями. Другой проблемой являются случаи, когда зерно транспортируется и снова хранится в течение длительного времени и даже при межконтинентальных перевозках в суровых условиях. В этом случае, поскольку зерно подвергается воздействию условий, сильно отличающихся от идеальных условий хранения, баланс питательных веществ и влаги может быть нарушен.

Хранение зерна и аэрация силосов

Жизненный цикл зерна, хранящегося в силосе, продолжается. В процессе жизнедеятельности зерно выделяет тепло и водяной пар в результате дыхания. Пока продолжается эта химическая реакция, с одной стороны, снижается питательная ценность зерна, с другой — повышается температура и влажность в силосе. Эта ситуация также провоцирует рост численности насекомых и плесневых грибков, попавших в силос вместе с зерном. Повышение температуры в силосе способствует размножению насекомых. Учитывая, что насекомые в силосе дышат, они ускоряют повышение температуры и влажности. Как правило, рост плесневых грибков усиливается при относительной влажности выше 70 %. Все эти неблагоприятные условия провоцируют друг друга, вызывая повышение температуры и относительной влажности внутри силоса. В результате происходят значительные потери хранящегося зерна. Учитывая, что зерно является хорошим изолятором из-за очень низкого коэффициента теплопроводности, выделяемое тепло удерживается внутри силоса. В результате постоянно нагретая среда создает идеальные условия для размножения вредных организмов. Если изучить данные, основанные на наблюдениях и измерениях, то температура выше 21 °C, как правило, создает идеальные условия для размножения вредных организмов. Известно, что при температуре ниже 16 °C (12 °C по влажному термометру и 65 % относительной влажности) значительно снижается скорость роста популяций насекомых и других вредителей. Снижение температуры внутри силоса является важным фактором для долгосрочного сохранения зерна в силосе, поскольку оно также замедляет жизненный цикл зерна.

Хранение зерна в силосе зависит от многих внешних факторов, таких как температура окружающей среды, относительная влажность воздуха, воздействие солнечного света, конструкция силоса, а также от внутренних условий. Изменение условий окружающей среды в течение дня оказывает положительное или отрицательное влияние на хранящееся зерно.

Для длительного сохранения зерна, хранящегося в силосе, используются различные методы. Основные методы можно перечислить следующим образом: использование химических консервантов, естественная вентиляция с помощью вентилятора и охлаждение. Вентиляция с помощью вентилятора также называется «естественным или пассивным охлаждением». Это один из наиболее широко используемых методов. Вкратце, при этом методе наружный воздух направляется в силос из нижней части силоса с помощью вентилятора. Основная цель метода вентиляции может быть кратко сформулирована следующим образом;

• Сохранение жизнеспособности зерна,
• Снижение внутренней влажности зерна,
• Замедление роста насекомых,
• Предотвращение образования плесени и грибка,
• Сокращение использования химических консервантов,

Для однородного распределения воздуха внутри силоса и легкой очистки, при необходимости, на дне силоса должны быть установлены соответствующие решетки и системы воздуховодов. Хотя направление наружного воздуха в силос с помощью вентилятора кажется эффективным методом вентиляции хранящегося зерна и улучшения условий хранения, это процесс, которым необходимо хорошо управлять. В зависимости от условий окружающей среды этот метод имеет некоторые трудности и негативные последствия. Наиболее важные из них перечислены ниже:

• Время и условия вентиляции напрямую зависят от условий окружающей среды. По этой причине вентиляторы могут работать в течение ограниченного времени при соответствующих значениях температуры и относительной влажности окружающей среды. Учитывая последние климатические изменения во всем мире, эти периоды могут быть еще более ограничены.
• Поскольку воздух поднимается вверх из мест, где противодавление ниже, внутри силоса может возникнуть дисбаланс температуры и влажности. Колебания температуры внутри силоса становятся более постоянными по мере увеличения диаметра силоса. Однако если температура хранящегося зерна выше температуры окружающей среды, то для охлаждения больших силосов требуется гораздо больше времени. По этой причине в холодном климате предпочтительнее использовать силосы меньшего диаметра, а в тропическом — большего диаметра.
• Во время хранения зерна в силосе в зависимости от типа зерна в верхней части образуется угол наклона. В этом случае воздух, поднимающийся со дна силоса, не сможет в достаточной мере пройти над зерном в верхней части.
• Разница температур между днем и ночью может привести к образованию конденсата и капель с крыши силоса на зерно. В результате увлажнения зерна в верхней части в результате стекания капель эти участки становятся идеальной средой для размножения плесени и насекомых. Для предотвращения подобной ситуации использование дополнительных вытяжных вентиляторов на крыше снижает этот риск.

Охлаждение силосов и равновесие влажности зерна

Для того чтобы устранить трудности и недостатки, возникающие при вентиляции силосов с помощью вентиляторов, можно использовать метод парокомпрессионного цикла (VCC) для охлаждения. В этом методе с помощью компрессора хладагент циркулирует между теплообменниками по замкнутому циклу, передавая тепло в окружающую среду, а воздух, прошедший через теплообменник и удовлетворяющий требуемым условиям, направляется в силос с помощью вентилятора. Воздух, забираемый извне, поступает в силос с требуемой температурой и относительной влажностью. Таким образом, обеспечивается сохранение идеальных условий хранения зерна в течение длительного времени. Окружающий воздух кондиционируется и направляется в нижнюю часть силоса. Воздух движется вверх внутри силоса и осуществляет процесс охлаждения внутри силоса.   Нагретый воздух выбрасывается обратно в атмосферу через вентиляционные отверстия на крыше силоса. Во время охлаждения воздуха также контролируется относительная влажность.

Холодопроизводительность, выполненная по методу парокомпрессионного цикла, может быть рассчитана с помощью следующего уравнения:

W = Δh x Q x ρ_w

W :  Мощность охлаждения (кВт)

Δh : Разница энтальпии между температурой окружающей среды и охлажденного воздуха (кДж/кг)

Q :   Расход воздуха, направляемого в бункер (м3/час)

ρw:  Плотность наружного воздуха (кг/м3)

Относительная влажность воздуха так же важна, как и температура воздуха, подаваемого в силос. Поэтому его необходимо контролировать. Если относительная влажность воздуха в помещении, где хранится зерно, превышает 70 %, это может привести к росту плесени, которая также вызывает повышение температуры из-за дыхания плесени.

Зерно гигроскопично благодаря своей способности впитывать и отдавать влагу из окружающей среды. Вода удерживается в зерне тремя способами: поглощенная вода, адсорбированная вода и химически связанная вода. Поглощенная вода удерживается в тканях зерна под действием капиллярных сил. Она связана с водорастворимыми компонентами, такими как сахара, минеральные соли, органические кислоты и некоторые витамины, которые содержатся в зерне. Адсорбированная вода состоит из газовых молекул воды, удерживаемых на поверхности пористых частиц электростатическими силами. Химически связанная вода присутствует в ассоциации с компонентами зерна во время развития и созревания семян. [4]

Для каждого типа зерна существует значение, при котором внутризерновая влага находится в равновесии с различными коэффициентами относительной влажности воздуха. Кривая, полученная при построении этих значений, называется кривой равновесного содержания влаги (EMC). Равновесные значения зависят от типа зерна, температуры окружающего воздуха и соотношения относительной влажности. EMC представляет собой содержание влаги в зерне, при котором оно в конечном итоге стабилизируется, если погодные условия остаются стабильными в течение длительного периода времени. Таким образом, в зависимости от условий окружающей среды, в которой хранится зерно, можно оценить его влажность или контролировать ее путем изменения условий окружающей среды. Для этого может быть использована диаграмма психометрии, на которой нанесены кривые баланса влажности (EMC) различных зерновых культур (рис. 2).

Кроме того, для наиболее потребляемых зерновых были подготовлены таблицы, показывающие ЕМС в зависимости от температуры окружающей среды и относительной влажности. [3], [7] В качестве примера в табл. 1а и табл. 1б приведены таблицы для пшеницы и ячменя. Из этих таблиц можно судить о балансе влаги в зерне. Например, для пшеницы из табл. 1а следует, что ЕМС составляет 14,5% в условиях окружающей среды при температуре 15 °C и относительной влажности 65%. Значение баланса влажности показывает отношение массы влаги в пшенице к общей массе.

Таблица-1a: Таблица, показывающая различные значения равновесного содержания влаги (EMC), температуры окружающей среды и относительной влажности для пшеницы [3].

Таблица-1a: Таблица, показывающая различные значения равновесного содержания влаги (EMC), температуры окружающей среды и относительной влажности для пшеницы [3].

Движение температуры и влажности внутри силоса

Когда воздух проходит над зерном внутри силоса, в нем образуются 3 зоны и фронты. На рисунке 2 схематично показаны зоны, образующиеся внутри силоса, где продолжается процесс аэрации.

Рисунок-2: Схематическое изображение зон и фронтов, образующихся внутри силоса в результате поступления воздуха в силос [4].

Значения температуры и относительной влажности в нижней области соответствуют значениям воздуха, направленного в силос (зона А). В верхней области значения температуры и относительной влажности соответствуют начальным условиям (до подачи воздуха в силос) (зона C). Область между ними имеет значение между значениями в самой низкой и самой высокой областях (зона B). Движение этих зон происходит в том же направлении, что и поток воздуха. Самая быстро движущаяся часть области называется передним краем, а самая медленно движущаяся — задним краем. Пока воздух направляется в силос, через определенный период времени температура и относительная влажность во всем силосе достигают значений воздуха, направленного в силос.

Фронты температуры и влажности образуются в области между зоной A и зоной C внутри силоса. Причина образования фронтов внутри силоса заключается в том, что температура движется относительно быстрее, чем относительная влажность. Практически, скорость продвижения температуры составляет одну тысячную скорости воздуха. (10-3). Скорость движения относительной влажности в 100 раз меньше скорости движения температуры. [4]

Изменение равновесной влажности (РВС) хранящегося в силосе зерна в зависимости от погодных условий, направленных в силос, объясняется на примере задач, подготовленных с использованием книги «Механика и физика современного управления аэрацией зерна» [4].

Пример 1:

Пшеница хранится в силосе при температуре 35 °C и влажности 12 %. Если силос начать проветривать воздухом, имеющим температуру 11 °C (температура сухого термометра) и относительную влажность 90 %, вычислите значения 3 зон (A, B, C), которые образуются внутри силоса?

Рисунок 3- Диаграмма психометрии с различными значениями влажности и кривые равновесного содержания влаги (EMC) для пшеницы (2)

Значения температуры и относительной влажности в зоне C соответствуют начальным условиям, в которых хранилась пшеница. Температура пшеницы в этой зоне составляет 35 °C, а относительная влажность — 12 %. В зоне A те же условия с воздухом, направленным в силос. Когда на психометрической диаграмме на рисунке 3 (A) отмечено условие 11 °C (температура сухого термометра) и 90 % относительной влажности, то получается, что температура пшеницы в этой зоне составляет 11 °C, а равновесная влажность — 18 %.

При температуре 11 °C (температура сухого термометра) и относительной влажности 90% температура влажного термометра на кривой будет равна 10 °C. Это также температура насыщения воздуха. Чтобы рассчитать значения влажности зерна в зоне B, кривая температуры влажного термометра на диаграмме совмещается с кривой равновесия влажности зерна. Температура в точке пересечения составляет 15,5 °C. (B1) Для более детальной оценки применяется правило, согласно которому внутренний баланс влажности зерна изменяется на 1% при разнице температур в 28 °C. Применяя это правило, рассчитывается влажность зоны В примерно на 0,70% ((35-15,5)/28=0,70) ниже, чем зоны С. В этом случае равновесная влажность зерна для зоны В составляет 11,3% (12-0,7=11,3). На графике температура сухого термометра равна 16,7 °C для 11,3% на кривой влажного термометра. Таким образом, видно, что температура пшеницы для области B составляет 16,7 °C, а равновесная влажность — 11,3%.

При меньшей скорости воздушного потока зона охлаждения между передним и задним краями становится тоньше. При более высоких скоростях воздушного потока зона охлаждения становится шире или толще из-за уменьшения времени контакта каждой частицы воздуха с отдельным ядром зерна.

Поскольку фронт влажности следует за постоянной энтальпией воздуха (параллельно температуре мокрого термометра), температура мокрого термометра считается более удовлетворительным критерием, чем температура сухого термометра, для управления системами аэрации зерна. [4]

Время охлаждения зерна, хранящегося в бункере, до нужной температуры зависит от многих переменных. Однако Наваро и Кальдерон [4] представили простой метод расчета, позволяющий сделать приблизительный прогноз времени:

F= (M x ΔT x C) / (Q x ρ_w x CF x ΔH)

F: Время охлаждения (ч)

M: Масса хранящегося зерна (кг)

ΔT: Разница температур между начальным состоянием хранимого зерна и охлажденным зерном (°C)

C: Удельная теплота хранящегося зерна (ккал/ (кг °C))

Q: Расход воздуха над хранящимся зерном (м3/ч)

ρ_w: Средняя плотность охлажденного воздуха (кг/м3)

CF: Поправочный коэффициент для энтальпии (0,4 ~ 0,5)

ΔH: максимальная разница энтальпии между воздухом, поступающим в силос и выходящим из него (ккал/кг).

Используя этот метод, можно рассчитать приблизительное время охлаждения зерна, хранящегося в силосе. Для этого выполните пример;

Пример 2:

В силосе хранится 5 000 тонн сои (влажность 12%). При наружной температуре 45 °C (30 % относительной влажности) в силос подается 25 000 м3/ч воздуха с температурой 20 °C и относительной влажностью 65 %. За сколько дней соя достигнет желаемых условий?

Разница энтальпий рассчитывается по психометрической диаграмме. Среднее значение удельной теплоемкости сои по графику на рисунке 4 равно 0,34. Если все значения подставить в формулу;

Рисунок 4 — График удельной теплоемкости для различных зерновых культур в зависимости от их влажности [4]

F = [5,10⁶ x (45 – 25) x 0.34] / [25,000 x 1,225 x 0.5 x (20.5 – 10.5)]

F = 222 часа

F = 9.25 дня

В результате расчетов получается, что сое требуется около 10 дней, чтобы достичь заданного значения температуры.

Выбор вентилятора аэрации

Воздух, подаваемый в силос, подвергается высокому противодавлению из-за хранящегося зерна. Величина противодавления кратковременно изменяется в зависимости от типа зерна, высоты силоса и скорости движения воздуха. Зерно в силосе создает пористую среду благодаря своей структуре, и воздух движется вверх в этой среде. По этой причине мелкие зерновые продукты, такие как масличные семена, создают большее противодавление, чем крупные зерновые продукты, такие как арахис. Когда скорость воздуха увеличивается, потери на трение в воздуховоде также возрастают, что приводит к увеличению противодавления. Увеличение высоты силоса повышает противодавление, так как затрудняет движение воздуха по вертикальной оси.

При выборе вентилятора необходимо учитывать эти факторы. Центробежные вентиляторы являются наиболее подходящим выбором, так как они подвержены высоким значениям противодавления. Исходя из наблюдений, при выборе расхода воздуха оптимальным условием является 3 ~ 6 м3/ч на тонну. Если высота силоса превышает 30 метров, это значение можно принять равным 2 ~ 3 м3/ч на тонну. Высокая скорость воздуха улучшает время охлаждения, но при этом увеличивает статическое давление и расход электроэнергии. Как правило, двукратное увеличение расхода воздуха приводит к трехкратному увеличению противодавления и четырехкратному увеличению потребления электроэнергии.

Охладитель зерна

Зерноохладители, работающие по методу парокомпрессионного цикла (VCC), были разработаны для того, чтобы охлаждать воздух, поступающий извне, до нужных условий и направлять его в силос. Эти кондиционеры представляют собой системы, работающие со 100% наружного воздуха. В цикле парового сжатия хладагент циркулирует в замкнутом цикле, обеспечивая теплообмен. Простой VCC состоит из компрессора, испарителя, конденсатора и расширительного клапана. В этом охлаждающем устройстве есть дополнительные компоненты, такие как нагревательный змеевик и электрический нагреватель. Хладагент в фазе перегретого пара, сжатый в компрессоре, направляется в конденсатор, где он конденсируется в жидкую фазу, рассеивая тепло во внешнюю среду. Затем хладагент поступает в расширительный клапан, разгерметизируется и направляется в испаритель. Пока хладагент течет по медным трубам в испарителе, воздух, забираемый снаружи с помощью вентилятора, проходит между алюминиевыми ребрами, и происходит теплопередача от воздуха к хладагенту. Хладагент, который испаряется, забирая тепло в испарителе, движется к компрессору. По мере снижения температуры воздуха, проходящего через испаритель, влагоудерживающая способность охлажденного воздуха уменьшается, поэтому часть содержащейся в нем влаги конденсируется и удаляется из устройства.  Хотя абсолютная влажность охлажденного воздуха уменьшилась, значение относительной влажности увеличилось. Поскольку температура воздуха, направляемого в силос, и относительная влажность также важны, относительную влажность необходимо контролировать до того, как воздух покинет устройство. Поэтому после испарителя воздух направляется в нагревательный змеевик и электрический нагреватель соответственно. Прежде всего, в нагревательном змеевике, куда направляется хладагент в фазе перегретого пара, происходит нагрев воздуха и снижение относительной влажности. Если этот процесс нагрева недостаточен, воздух нагревается еще немного в электрическом нагревателе, чтобы достичь желаемой температуры воздуха на выходе и относительной влажности. Чтобы достичь заданной температуры воздуха и относительной влажности в выходящем из устройства воздухе, воздух охлаждается ниже заданной температуры в испарителе, и избыток воды в воздухе конденсируется. Затем воздух нагревается для достижения заданной температуры и относительной влажности.

Для достижения заданных значений производительности в зерноохладителе регулируется поток воздуха. Скорость потока вентилятора увеличивается или уменьшается в зависимости от температуры воздуха на выходе. В полуденные часы, когда температура высока, поток воздуха может уменьшаться в определенное время, в то время как ночью он достигает наибольшей интенсивности.

В зависимости от холодопроизводительности можно предпочесть использование одного или двух компрессоров в зерноохладителе. В охладителях с двумя компрессорами экономия энергии достигается за счет отключения одного компрессора при необходимости, в зависимости от внешних условий.

Для достижения заданных точных значений используются клапаны с пропорциональным управлением, драйверы и измерительные приборы, управляемые с помощью ПЛК. Охладитель зерна легко регулируется путем ввода заданной температуры и дополнительного нагрева для заданной относительной влажности. Несмотря на то, что эта величина немного варьируется в зависимости от относительной влажности наружной среды, можно сказать, что, как правило, каждое повышение температуры на 1 °C обеспечивает снижение относительной влажности на 5 %. Для более точного расчета можно практически использовать психометрическую диаграмму.

Можно управлять только вентилятором зерноохладителя, не активируя компрессор в зависимости от внешних условий. Другими словами, внутреннее пространство силоса можно проветривать с помощью вентилятора. Опять же, в случаях, когда зерно хранится в силосе при высокой влажности, зерноохладитель может осушать воздух до определенного значения температуры. Во время этого процесса температура воздуха на выходе из устройства повышается за счет направления высокотемпературного хладагента в испаритель.

Оценка

В современных условиях, когда потребность в продуктах питания возрастает, увеличивается и важность сохранения произведенных продуктов без потерь. В связи с этим возникла необходимость использования наиболее эффективных методов, позволяющих сохранить питательную ценность зерна, хранящегося в силосах длительное время, замедлить или даже остановить размножение вредных организмов внутри силоса. Наиболее часто используемый метод аэрации силосов с помощью вентиляторов имеет недостатки, указанные в предыдущих разделах. Наиболее оптимальным решением для устранения этих недостатков являются охладители зерна. Благодаря этим устройствам можно обеспечить бесперебойное охлаждение независимо от внешних условий окружающей среды. После подключения зерноохладителя к силосу он может работать в течение 24 часов в соответствии с расчетным периодом, обеспечивая достижение зерном в силосе необходимой температуры и относительной влажности. Поскольку зерно является хорошим изолятором, в таких условиях оно может храниться долгое время. После этого зерноохладитель можно подключить к другому силосу и повторить тот же процесс. При необходимости эти устройства могут работать только в режиме вентилятора, который выполняет ту же функцию, что и вентиляторы аэрации. Дополнительные химические консерванты не нужны, так как образование насекомых и плесени внутри силоса замедляется или даже останавливается за счет охлаждения.

В заключение следует отметить, что при правильном выборе в зависимости от размера силоса, типа хранимого зерна и требуемого времени охлаждения зерноохладители являются наиболее подходящим решением, улучшающим условия хранения.

Ссылки

[1]         https://www.fao.org/worldfoodsituation/csdb/en/

[2]         P.Burrill, DPI & F «Аэрация для охлаждения и сушки зерна: Как использовать психрометрическую диаграмму для выбора подходящего воздуха», https://storedgrain.com.au/how-to-use-the-psychrometric-chart-to-select-suitable-air-burrill-dpiq/

[3]         «Диаграммы равновесного содержания влаги для управления хранением зерна» Институт сельскохозяйственного машиностроения Прайрл (PAMI), https://pami.ca/wp-content/uploads/2021/10/Equilibrium-Moisture-Content-Charts-for-Grain-Storage-Management_rev2.pdf

[4]         С.Наварро, Р.Нойес, «Механика и физика современного управления аэрацией зерна», CRC Press, 2002

[5]         Д.В. Хагструм, Т.В. Филлипс, Г. Куперус «Защита хранимой продукции» Университет штата Канзас, 2012 г.

[6]         www.storedgrain.com.au, «Аэрация хранящегося зерна — охлаждение или сушка для контроля качества», 2013 г.

[7]         С.Садака, Р.Баутиста, «Инструменты для сушки зерна: Таблицы равновесного содержания влаги и психрометрические графики», Сельское хозяйство и природные ресурсы, Университет Арканзаса