Обоснование параметров холодильной машины для временной консервации влажных семян зерновых культур

Увеличение производства зерна остается одной из важнейших задач сельскохозяйственного производства [ij. Согласно решениям ХХУ1 съезда КПСС и установкам Продовольственной программы СССР среднегодовое производство зерна в одиннадцатой пятилетке должно составить 238−243 млн. тонн [2,4]. Поставлена, таким образом, задача довести к 1990 году производство зерна до одной тонны на человека в среднем по стране.

Основными путями увеличения производства зерна являются повышение урожайности и значительное сокращение потерь продукции.

По урожайности зерновых в одиннадцатой пятилетке предполагается выйти на уровень 20 центнеров в среднем по стране, а в ряде основных зернопроизводящих районов до 40 центнеров с гектара [з]. Достижению этой цели способствует широкое внедрение высокоурожайных районированных сортов. Однако свойства сорта могут быть наиболее полно проявлены лишь при условии обеспечения высоких посевных качеств семян, достигаемых наряду с агротехникой возделывания за счет оптимальных условий обработки и хранения. Наукой и практикой установлено, что высококачественные семена повышают урожайность зерновых культур на 15−20 $ |б4].

Учитывая исключительно важное значение семеноводства для увеличения производства зерна и улучшения качества семян ЦК КПСС и Совет Министров СССР приняли 14 ноября 1976 года Постановление «0 мерах по дальнейшему улучшению селекции и семеноводства зерновых, масличных культур и трав» [б], согласно которому выращивание, подготовка, хранение и реализация семян зерновых культур и трав должны осуществляться на промышленной основе в специализированных семеноводческих хозяйствах, бригадах, межхозяйственных объединениях. Перед научными и конструкторскими организациями была поставлена задача осуществить модернизацию имеющегося, а также поиск и внедрение принципиально новых технических и технологических решений, позволяющих проводить послеуборочную обработку и хранение семян на более качественной основе.

В условиях все увеличивающихся объемов зерна и высоких темпов уборочных работ проблема сохранения урожая, более половины которого убирается во влажном состоянии, становится все более острой.

Свежеубранный влажный семенной ворох является нестойким при хранении и требует незамедлительной обработки. Основным приемом приведения семян в безопасное для качества состояние является их высушивание. Сушка — наиболее дорогая и «узкая» операция послеуборочной обработки. Концентрация зернопроизводства, развитие комбайновой техники, совершенствование методов уборки приводят к необходимости применения все более мощного зерносушильного оборудования при все более сокращающихся сроках его использования. В этих условиях обеспечение в полном объеме немедленной сушки поступающего с полей свежеубранного зерна требует значительных капитальных вложений на сооружение сушильного оборудования, вызывает резкое увеличение себестоимости сушки. Для повышения рентабельности зерносушильной техники важно продлить период работы сушилок, что возможно за счет консервации влажного зерна, скапливающегося перед сушилкой и «ожидающего» возможности просушки. Консервация влажного зерна возможна при помощи органических кислот, путем хранения зерна без доступа кислорода (герметическое и в среде инертных газов), а также охлаждением [7,12]. Установлено [34], что при обработке органическими кислотами и хранении в герметических условиях погибает зародыш, поэтому консервация семян возможна лишь с применением охлаждения.

Принципиально охлаждение влажной зерновой массы возможно естественным наружным воздухом или искусственно охлажденным с помощью специальных установок. В настоящее время в составе поточных семеобрабатывающих линий предусмотрены отделения бункеров активного вентилирования. Однако, охлаждающая способность средств активного вентилирования зависит от погодных условий, поэтому нередко влажное зерно не удается охладить до требуемой температуры, вследствие чего происходит порча семян от самосогревания и плесневения. Высокая ценность семян и значительное влияние их состояния на размеры урожая обусловливают необходимость разработки и применения технологии, предотвращающей снижение их качества перед сушкой. Гарантированное сохранение влажных семян при временном хранении независимо от погодных условий возможно лишь при снижении их температуры до соответствующего уровня с помощью специальной холодильной установки.

Задача использования в сельском хозяйстве холодильных установок с целью временной консервации влажного свежеубранного зерна была обоснована впервые в нашей стране БЙМом Под руководством В. И. Анискина группой сотрудников ВИМа с участием автора в содружестве со специалистами ВНИИхолодмаш и п.о. «Мели-топольхолодмаш» было выполнено комплексное исследование по обоснованию технологии временной консервации влажных семян охлаждением и созданию оборудования для ее реализации. Автор выносит на защиту:

— математические выражения, отражающие особенности процесса охлаждения влажных семян в стационарном слое;

— основные режимные и конструктивные параметры холодильной установки;

— результаты испытания холодильной машины в хозяйственных условиях, послужившие основанием для постановки ее на производство.

I. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ВРЕМЕННОЙ КОНСЕРВАЦИИ ОХЛАЖДЕНИЕМ ВЛАЖНЫХ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР ПРИ ПОСЛЕУБОРОЧНОЙ ОБРАБОТКЕ.

Основные факторы, обусловливающие необходимость временной консервации влажного вороха зерна комбайновой уборки, были раскрыты в работе В. И. Анискина £б]. Развитие организационных форм зернопроизводства, совершенствование технологий уборки и обработки урожая, изменение свойств материала как объекта обработки определяют изменение условий обработки зерна и необходимость их тщательного учета. В этой связи было предпринято дополнительное изучение статистического материала и опубликованных работ для обоснования способа физического воздействия на семена с целью гарантированного их временного сохранения. Установлено, что неизбежность скапливания части поступающего с поля урожая перед обрабатывающим оборудованием стационарного агрегата (комплекса, семеобрабатывакяцего предприятия) обусловлена рядом причин, в числе которых:

— неравномерность поступления урожая в течение суток и уборочного периода;

— несоответствие темпов уборки темпам обработки;

— неоднородность компонентов и нестабильность свойств урожая, доставляемого на обработку;

— одновременность поступления с поля партий семян различных видовых и сортовых признаков и необходимость в этой связи очередности их обработки и т. д.

I.I. Основные причины скапливания части влажного зернового вороха перед основной обработкой.

Согласно решениям ХХУ и ХХУ1 съездов КПСС [2], июльского 1978 г. пленума ЦК КПСС [з], а также положениям Продовольственной программы СССР [4], осуществляется интенсивный рост производства зерна. Так, валовый сбор зерна в девятой пятилетке возрос до 181,6 млн. тонн против 130,3 в I96I-I965 rri, а в десятой пятилетке достиг 205 млн-тонн в среднем за год. Характерно, что рост производства зерна осуществлен, главным образом, за счет повышения урожайности, так как посевные площади изменились незначительно и составляли, соответственно, 122, 124 и 128 млн-га. Рост производства зерна привел к существенному увеличению нагрузкр на зернооб-рабатывающее оборудование колхозов и совхозов, так как в структуре урожая, в основном, возрастает доля зерна внутрихозяйственного использования. Росту объемов обрабатываемого зерна способствуют и осуществляемые в стране концентрация и специализация как зерно-производства в целом, так и семеноводства [б]. Указанная тенденция учтена при формщювании «Системы машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства», в которой комплекты семеобрабатывающего оборудования производительностью 5 т/ч заменены проточными линиями производительностью 10−20 т/ч [il]•.

Значительное влияние на увеличение нагрузки на обрабатывающие предприятия оказывает рост комбайнового парка, совершенствование конструкций комбайнов и повышение их пропускной способности, улучшение организации уборочных работ. Характерной тенденцией в организации уборочных работ в настоящее время является значительное сокращение сроков уборки. С учетом развития комбайновой техники ставится задача довести длительность уборочного периода до 10−12 дней. Как показывают исследования Коренева Г. В. [зо], Процерова AiB. £55,5б] и ряда других ученых [29,бб] растягивание сроков уборки приводит к потерям до 30% зерна из-за самоосыпания и снижения абсолютного веса зерна. Следствием совокупного действия указанных факторов является скапливание значительного количества свежеубрэнного зерна на площадках временного хранения в нерегулируемых условиях, опасных для качества и сохранности урожая. Альтернативными решениями проблемы является либо дальнейший рост мощности поточных зерноочистительно-сушильных линий, либо растягивание сроков их работы. Однако, повышение производительности поточных линий и, в частности, зерноочистительно-сушильных целесообразно, как установлено исследованием В. П. Елизарова [27], до ограниченного уровня. Более эффективным является продление срока работы технологического оборудования путем временной консервации части урожая. Скапливание определенного количества зерна обусловлено и такими объективно действующими факторами, как неравномерность поступления на обработку зерна в связи со спецификой сельскохозяйственного производства. Наличие существенной неравномерности поступления зерна показано в исследованиях Елизарова В. П., Окуня Г. С., Кроппа Л. И., Ходанови-ча Б.В. [28], Коренева Г. В. [зо], Федосеева П. Н. [бб], Янко В. М. [69] и других. Согласно данным Окуня Г. С,. [17] неравномерность часового и суточного поступления зерна на хлебоприемные пункты Алтайского края характеризуются, соответственно значениями 1,8 и 1,7.

Наряду с неравномерностью поступления урожая на обработку имеет место одновременная уборка различных культур и сортов.

В' хозяйствах центральных районов Нечерноземной зоны поступление культур характеризуется данными, представленными в таблице I.

Анализ таблицы I показывает, что в течение периода уборки происходит наложение сроков поступления на обработку нескольких культур. Поэтому при расчете оборудования вводят обобщенный коэффициент неравномерности К, учитывающий динамику поступления зерна и одновременность поступления нескольких культур или сортов. Для определения массы скапливающегося перед сушижами зерна или вместимости отделений временной консервации, выполняющих.

Таблица I.

Сроки уборки различных культур для Нечерноземной зоны (по [17]).

Культура.

Продоляитель-!Сдвиг начала ность уборки! уборки (по в днях [сравнению с! озимой рожью).

Рожь озимая 27−31 июля 16 0.

Пшеница озимая 2−7 августа II 6.

Ячмень 5−10 августа 13 9.

Пшеница яровая 10−18 августа 10 15.

Овес 12−25 августа 14 19.

Горох 12−16 августа 10 15 сглаживающую функцию, используют [28] выражение:

G6=K-Gr (i) где Grобщее годовое поступление зерна, т.

При отыскании оптимальных GB и К минимизируют сумму приведенных затрат на временную консервацию и сушку зерна.

Изучение различных факторов уборочного периода показало, что на величину К значительное влияние оказывает соотношение сроков поступления различных культур и сортов, причем преобладающее влияние оказывает одновременность их поступления (что особенно характерно для семеноводческих хозяйств), а не общее число их. Подсчитано, что для монокультурных хозяйств К = 0,06−0,1. Этот вывод справедлив и для хозяйств с произвольным числом культур при последовательном их поступлении на обработку. Наложение же сроков уборки существенно увеличивает К. Так, для условий Нечерноземной зоны, когда из 6 культур перекрываются сроки уборки 4 культур, оптимальные значения К изменяются в пре делах 0,21−0,28. Таким образом временное хранение части поступающего на обработку урожая является неизбежным и обеспечение качества зерна в этот период представляет важную практическую задачу. Именно на этой стадии потенциально возможны и в значительной мере происходят необратимые отрицательные изменения состояния зерновой массы, вызывающие количественные потери и снижение качества. Поэтому операция временного хранения зерна (семян) является технологически необходимой и должна осуществляться после предварительной очистки свежеубранного зернового вороха [п]. Объем консервируемого зерна, как показано в работе Елизарова В. П. [27], зависит главным образом от производительности сушильной установки и применительно к семеноводческим хозяйствам Нечерноземной зоны должен составлять порядка 20% пропускной способности сушилки.

1.2. Особенности влажного свежеубранного зерна как объекта послеуборочной обработки.

На значительной территории страны зерновой ворох, поступающий от комбайнов, имеет высокую влажность и засоренность. Содержание сорных примесей может достигать 20 и более процентов, влажность при неблагоприятных условиях созревания и уборки достигает 30%. Наличие сорной примеси (части зеленых растений, соломы, колоски) резко снижают сыпучесть зернового вороха, способствуют слеживанию зерновой насыпи при хранении. Кроме того, сорные включения, имеющие как правило, более высокую влажность, становятся очагами самосогревания зерна при хранении и ускоряют развитие микроорганизмов, что приводит к снижению стойкости зерна при хранении и ухудшению его качества. Поэтому технологией обработки предусматривают предварительную очистку в потоке поступающего на пункты зернового вороха. Созданные машины типа МП0−50 производительностью 50 т/ч позволяют рассматривать эту операцию как технически реализуемую. Следовательно с точки зрения операции временного хранения следует рассматривать свойства зерна, прошедшего предварительную очистку. Так как после временной консервации зерно должно направляться на сужу, то требования к качественным показателям предварительной очистки зерна перед временной консервацией должны быть идентичны требованиям к предварительной очистке перед сушкой.

Агротехническими требованиями на машины предварительной очистки зерна предусмотрено доведение содержания сорных примесей в обработанном зерне до величины, не превышающей 3%, в том числе соломистых примесей (длиной не более 50 мм) не более 0,2%. Эти показатели следует рассматривать как предельно возможные, так как они могут быть достигнуты лишь при обеспечении высокого технического уровня машины согласно этим же агротребованиям и при условии квалифицщюванного использования оборудования. В условиях же рядовой эксплуатации можно ожидать отклонений в сторону более высокой засоренности материала. При предварительной очистке влажного вороха происходит некоторое (на Iг-2,%) снижение влажности, остающейся достаточно высокой.

Важным показателем, характеризующим состояние зерновой массы, является повышенная температура. Обычно зерно комбайновой уборки имеет температуру наружного воздуха, за исключением случаев повышения ее вследствие самосогревания материала.

Температуру наружного воздуха в уборочный период определяли по средним многолетним данным в зонах хозяйственных испытаний холодильной установки. Значения температуры воздуха приведены в таблице 2.

По наблюдениям, температура зерновой массы в бункере комбайна меньше температуры воздуха не более чем на 1 °C. Насыпь зерна, формируемая для временного хранения, состоит из участков, имеющих разную температуру: от минимальной температуры в 9 часов утра.

Таблица 2.

Зона Температура воздуха, °С июль — август средне- !макси- !средне- !максиме сячная! мальная .'месячная .'мальная.

Латвийская ССР 17,0 24−26 15,1 20−23 Краснодарский край 23−25 28−31 20−22 25−28 до максимальной в 14−16 часов дня;

Наибольшую опасность с точки зрения возможного процесса самосогревания представляют участки с максимальной температурой, поэтому именно эта температура должна приниматься в качестве расчетной при анализе условий хранения и охлаждения.

Сочетание высокой температуры и влажности насыпи зерна, размещаемого на временное хранение, обусловливает интенсивную жизнедеятельность семян и микроорганизмов и быстрое самосогревание вороха. Повышение температуры его наблюдается нередко в бункере комбайна и в кузове автотранспортных средств. Предварительная очистка несколько замедляет процесс самосогревания, однако для полного его предотвращения требуются более радикальные и оперативные меры обеспечения сохранности зерна.

1,3- Условия и способы обеспечения сохранности влажного зерна при хранении.

Свежеубранные семена представляют собой биологически живой объект, для поддержания жизнедеятельности которого требуются влага, тепло и кислород. От уровня воздействия указанных факторов зависит интенсивность физиологической активности семян. Управлением их можно направить процесс жизнедеятельности в требуемую сторону. Роль кавдого из упомянутых факторов и совокупного их воздействия на качество и сохранность семян тщательно изучены отечественными [62, 64] и зарубежными исследователями [72,79,86, 87] и обобщены в частности в [7,14,67]. Установлено, что основной причиной снижения качества или даже порчи семян при хранении в нерегулируемых условиях является интенсивное дыхание, приводящее к резкому росту температуры, так называемому самосогреванию, вызывающему гибель зародыша. Самосогревание является следствием выделения тепла от жизнедеятельности семян и обсеменяющих их микроорганизмов. Если влажность семян зерновых культур не превышает 14%, процессы жизнедеятельности практически не существенны, но начинают резко возрастать при превышении этого значения влажности. Так, выделение углекислого газа при дыхании зерна влажностью 17% в 20 раз выше, чем при влажности 14% [14]. При более высокой влажности интенсивность тепловыделений от дыхания в сотни раз выше. Именно поэтому для приведения зерна в длительное стойкое состояние его подвергают сушке.

Наряду с влажностью, определяющее влияние на развитие дыхания оказывает температура зерновой массы. При 0 °C дыхание зерна практически равно нулю, в диапазоне 0-Ю°С незначительно возрастает, а при температуре выше Ю°С происходит его резкая интенсификация.

Понижение температуры зерновой массы до 8-Ю°С, как указывает Трисвятский Л. А. [б2], оказывает заметное угнетающее действие на всю микрофлору зерна, и хотя и не приводит к ее гибели, но весьма тормозит ее развитие. При температурах ниже 7 °C и относительной влажности воздуха в межзерновом пространстве менее 70% не происходит развитие плесени [79]. Активность насекомых и клещей также резко снижается при охлаждении. Так, при температурах 12−16°С наступает замедление размножения насекомых (удлиняются сроки выхода из яиц и циклы развития личинок). При температуре.

IO-II°C наступает задержка развития большинства насекомых. Температура порядка 6 °C является порогом активного существования насекомых [б2]- при более низкой температуре насекомые и клещи теряют свою подвижность, а затем погибают. Знание причин порчи семян и количественная оценка роли отдельных факторов позволили выявить условия безопасного хранения урожая зерна в течение требуемого времени. Указанные условия предложено различными учеными оценивать в виде диаграмм, таблиц и графиков, пригодных для инженерного использования. В зарубежной литературе опубликованы диаграммы Баргеоа и Барреля [во], показывающие, при каком темпе-ратурно-влажностном состоянии возможно безопасное хранение зерна или происходит его порча вследствие самосогревания, плесневения и жизнедеятельности микроорганизмов. В практике профилактической обработки и хранения зерна шщюко применяют таблицы, составленные специалистами ВНИИ8 (таблица 3).

Таблица 3.

Длительность безопасного хранения пшеницы, ржи и ячменя по данным ВНИИЗ).

Влажность j—-, Длительность хранения, fсутки { зерна, % ! 5 °C ! I0°C i I5°C i 20 °C i 25 °C ! 30 °C.

30 28 26 24 22 20 18 16.

12 — - - ;

14 2 — - ;

18 5 — т1 ;

20 7 — - ;

24 10 2 ЯШ ;

39 18 5 I ;

127 32 15 8 5 I.

180 133 33 18 II 7.

Более высокие сроки безопасного хранения семян в зависимости от температуры и влажности указываются Креугером [8б], который принял в качестве критерия сохранности ячменя уменьшение его всхожести не более чем до 95 $ (таблица 4).

Таблица 4.

Длительность безопасного хранения семян ячменя в зависимости от температуры и влажности зерна (по Креугеру [8б]).

Влажность зерна, %.

Длительность^безопасного хранения, недели.

7 °C i I0°c i I5°C i 20 °C i 25 °C ! 30 °C.

Е2 4 2,5 I — ;

EI 6,5 4 E I I.

SO 10 6 3 S 1,5 I.

18 30 17 6,5 3,5 2,5 2.

16 30 30 21 10 4,5 3.

14 30 30 30 30 2,3 1,7.

Близкими данным ВНИИЗ являются рекомендации Бевера [79]по длительности безопасного хранения семян ржи (таблица 5).

Таблица 5.

Длительность безопасного хранения семян ржи в зависимости от температуры и влажности по Беверу [79]).

Влажность зерна, %.

5° С } • I0°C.

2 I.

3 1,5.

6 3.

11,5 5.

Л^ОЛСПШ. I5°c ! E0°C.

I 0,5.

1,5 0,5.

2 I.

3,5 2.

8 5.

Е4 ЕЕ SO 18 16.

— 20.

Знание причин порчи и условий безопасного хранения семян предопределяет приемы приведения зерна в стойкое состояние. На управлении одним или несколькими факторами (влажность, температура и обеспеченность кислородом) основаны технологические приемы консервации влажного урожая [7, 70, 74, 75].

Технология консервации влажного зерна в герметически изолированных условиях [89], в среде инертных газов или с помощью химических реагентов [34] обусловливает гибель зародыша и таким образом ликвидирует причины порчи, обусловленные дыханием зерна. Однако указанные приемы по их физико-биологической сущности не могут применяться для обработки семян. Традиционным и широко практикуемым приемом приведения семян в стойкое состояние является их обезвоживание до уровня так называемой «кондиционной» влажности, при которой становится незначительным дыхание зернаСуществующими стандартами на семена влажность должна составлять в зависимости от класса семян зерновых колосовых культур 14−17%. Из приведенных на рис. I зависимостей следует, что эффективным фактором обеспечения безопасного хранения семян является их температура. Так, охлаждение до 5 °C позволяет сохранить в течение 2−4 недель семена влажностью до 24%, а при влажности до 18,5% срок безопасного хранения достигает 100 суток. Для продовольственного и кормового зерна сроки безопасного хранения при прочих равных условиях в 1,2 и, соответственно, в 1,5 раза больше, чем для семян. Важным является тот факт, что соответствующее понижение охлаждением температуры обеспечивает временное хранение зерновой насыпи, имеющей довольно высокую влажность. Охлаждение зерна является более простым и гораздо менее энергоемким, но достаточно эффективным приемом, так как снижение температуры зерна в 2 раза позволяет увеличить длительность безопасного его хранения в 10 раз [7,71,81,84,93].

Рис. I. Зависимость длительности безопасного хранения зерна различного целевого назначения от температуры и влажности семенное зерно, «=—— продовольственное, > ¦ кормовое.

Необходимая степень охлаждения зерна, как следует из рис. I, зависит от его исходной влажности и требуемого срока безопасного хранения.

С учетом нормативных значений годовой загрузки семеобрабаты-вающих предприятий (260−500 ч) максимальная длительность периода временной консервации семян средней уборочной влажностью должна составлять 2−4 недели, что возможно при охлаждении материала до температуры 10−5°С. Охлаждение зерна до такого уровня температуры независимо от погодных условий как правило возможно лишь с помощью специальной холодильной установки.

Охлаждение зерна позволит устранить такие основные причины биологических потерь зерна как дыхание, прорастание, развитие микроорганизмов и клещей, самосогревание и, следовательно, исключит потери массы и ухудшение качества семян [7,78,82,9о].

1.4. Задачи диссертационной работы, программа и методика исследований.

Целью диссертационной работы явились разработка холодильной машины для временной консервации влажных семян и определение условий рационального ее использования. Для выполнения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

— обосновать целесообразность временной консервации влажных семян охлаждением и основные технологические параметры ее осуществления;

— установить зависимость длительности процесса охлаждения слоя влажных семян от определяющих параметров зерна и охлаждающего воздуха;

— выявить основные параметры холодильной машины и испытать ее в производственных условиях.

Для выполнения поставленных задач была принята изложенная ниже программа и методика экспериментальных и теоретических исследований. Для подтверждения целесообразности временной консервации влажных семян охлаждением следовало:

— обобщить данные о неравномерности поступления семян на обработку, обусловленной организационными причинами, природно-климатическими условиями, а также особенностями созревания различных культур;

— выявить особенности влажного свежеубранного зерна как объекта послеуборочной обработки;

— установить максимальные значения влажности семян, подвергаемых временной консервациинеобходимую температуру охлаждения семян и нормы подачи воздуха, исходя из требуемой длительности безопасного хранения;

— на основе описания закономерностей повышения температуры охлажденной зерновой массы при хранении определить частоту охлаждения семян при временной консервации;

— провести теоретические и экспериментальные исследования зависимости длительности охлаждения толстого слоя влажного зерна от основных параметров процесса (начальной влажности зерна, температуры, удельной подачи воздуха).

Для обоснования параметров холодильной установки намечалось:

— на основе анализа существующего холодильного оборудования выбрать тип установки сельскохозяйственного назначения для искусственного охлаждения семян;

— установить допустимое значение влажности отработанного воздуха на выходе из воздухоохладителя установки;

— рассчитать подачу и напор воздуха при вентилировании толстого слоя семян, определить требуемую производительность установки по охлаждаемому материалу и холодильную мощность.

При производственных испытаниях технологии и холодильной машины ставилось целью:

— уточнить расчетные характеристики процесса охлаждения толстого слоя зерна;

— проверить влияние охлаждения семян на их качественные показатели;

— оценить экономическую эффективность применения холодильной установки в производственных условиях.

Для выполнения намеченной программы исследований применялась следующая методика.

Предельную длительность временной консервации семян охлаждением выбирали исходя из агротехнических сроков послеуборочной обработки урожая и нормативных значений годовой загрузки семеоб-рабатывающих пунктов.

Предельную влажность семян, подвергаемых консервации охлаждением, оценивали на основании соответствующих средних многолетних данных на примере некоторых районов Центрально-Нечерноземной зоны, характеризующейся избыточным увлажнением в период созревания и уборки урожая зерновых колосовых культур.

Температуру охлаждения семян при временной консервации принимали на основании установленных зависимостей длительности безопасного хранения семян от температуры и влажности, принимая в качестве исходных данных значения расчетной влажности поступающего на обработку урожая и требуемой длительности его консервации.

Расчетную зависимость длительности охлаждения толстого слоя семян получали на основе решения системы дифференциальных уравнений, описывающих тепло-массообмен в слое зерна. Достоверность аналитических решений проверяли по результатам экспериментального изучения процесса охлаждения слоя семян на специально разработанном стенде (рис. 2, 3), состоящем из теплоизолированной кассеты, холодильного агрегата, воздухонагнетательного блока и регулировочной аппаратуры. I 1.

Рис. 2. Принципиальная схема стенда для экспериментального изучения процесса охлаждения слоя семян. I — холодильный агрегат с вентилятором — 2 — нагнетательная камера- 3 — испытательная кассета- 4 -датчики температуры- 5 — потенциометр ЭПП09-МЗ- 6 — ротаметры- 7 — психрометр- 8 — всасывающий вентилятор с вентилями для регулирования подачи воздуха.

Рис. 3. Общий вид стенда для изучения процесса охлаждения семян.

Изучали зависимость длительности охлаждения от толщины слоя, влажности зерна и скорости воздуха при изменении указанных величин в диапазонах, соответственно, 0,1−1,2 м- 11,8−28,3%, 0,020,26 м/с.

В лабораторных опытах использовали искусственно увлажненное зерно пшеницы, чтобы исключить влияние высокой неравномерности по влажности отдельных зерен, характерной для свежеубранного урожая. Увлажнение зерна до требуемой влажности достигали добавлением расчетного количества воды. Для выравнивания влажности увлажненное зерно тщательно перемешивали и выдерживали 2−3 суток. Влажность зерна определяли методом высушивания отобранных проб согласно ГОСТ 12 041;66.

Скорость воздуха в кассете устанавливали соответствующей подачей воздушного потока. Величину подачи определяли по показаниям ротаметров. Максимальная погрешность измерения подачи воздуха не превышала ±1,5% от верхнего предела измерения.

Относительную влажность воздуха измеряли психрометром с погрешностью +2,5%.

Температуру воздуха, а также температуру зерна определяли с помощью хромель-копелевых термопар с чувствительным элементом, изготовленным из проволоки диаметром 0,4 мм. Термопары для определения температуры зерна размещали по вертикальной оси кассеты с интервалом 100 мм. Для регистрации температуры использовали потенциометр ЭПП09-МЗ с пределом измерения до 30 °C. Максимальная погрешность записи не превышала 1% от диапазона измерений, то есть ±-0,3°С.

Частоту повторного охлаждения зерновой насыпи рассчитывали с помощью температурных кривых естественного ее нагрева при хранении. Температурные кривые для семян пшеницы, ржи, ячменя, овса, риса и проса строили путем суммирования температурных приращений, определенных на основе имеющихся литературных данных об интенсивности тепловыделений от дыхания зерна и жизнедеятельности микроорганизмов при различной температуре зерна.

Тип установки для искусственного охлаждения выбирали исходя из требований к сохранению зерна при временном хранении и особенностей поточной технологии послеуборочной обработки семян на семе обрабатывающих предприятиях.

Предельную относительную влажность воздуха на выходе из воздухоохладителя принимали исходя из необходимости предотвращения увлажнения зерна при обработке на основе закономерностей гигроскопического равновесия системы «вентилирующий воздух-вентилируе-мая насыпь зерна» .

Производительность холодильной машины определяли исходя из темпа поступления семян на обработку, производительности семеоб-рабатывающего предприятия и количества семян, подвергаемых консервации.

Подачу воздуха определяли исходя из требуемой длительности и глубины охлаждения семян. Расчет величины напора вентилятора проводили путем вычисления суммарного сопротивления зернового слоя, воздухоподводящих и воздухораспределительных систем и охладительной секции холодильной машины.

Холодильную мощность установки определяли по разности энтальпий воздуха до и после воздухоохладителя с учетом выделения тепла в нагнетающем вентиляторе.

Технико-эксплуатационные показатели холодильной машины определяли при лабораторных и хозяйственных испытаниях.

Целью лабораторных испытаний было уточнение технических характеристик и изучение особенностей работы холодильной машины на различных режимах, в том числе определение длительности достижения заданной температуры охлажденного воздуха при включении машины и устойчивости поддержания его температуры на заданном уровне, частоты отключений компрессоров на автоматических режимахвеличины отклонения температуры охлажденного воздуха от заданной, расхода электроэнергии, производительности холодильной машины в целом и отдельно первой и второй ступеней (в том числе на специ-фикационном режиме). Спецификационный режим характеризовался температурой кипения фреона 7 °C в 1-й ступени охлаждения и 1 °C во П-й.

Лабораторные испытания холодильной машины проводили при различных значениях температуры, относительной влажности и подачах воздуха. Подачу воздуха при испытаниях изменяли в пределах 0,561,67 м3/с (2000;6000 м3/ч) и определяли по скорости воздуха в нагнетающем воздуховоде, замеряемой чашечным анемометром. Погрешность измерения скорости воздуха составляла +1,5%.

Удельную энтальпию воздуха до и после охлаждения определяли с помощью D-ol диаграммы по температуре и относительной влажности воздуха перед всасывающим воздуховодом и после воздухоохладителя. Измерение температуры воздуха на входе и выходе из машины и непосредственно после вентилятора воздухоохладителя осуществляли с помощью ртутных термометров со шкалой 0−50°С и ценой деления 0,1°С.

Температуру (давление) кипения и конденсации фреона определяли во всасывающих и нагнетательных линиях компрессоров дистанционным манометром и термометром.

Измерение давления воздуха, подаваемого в зерновую массу, проводили с помощью пневмотрубки и многопредельного микроманометра MMH-IM.

Хозяйственные испытания холодильной машины проводили в соответствии с ОСТ 70.10.1−74. «Сушильные машины и установки сельскохозяйственного назначения. Программа и методы испытаний» и «Агротехническими требованиями на холодильную машину для охлаждения зерна». При хозяйственных испытаниях сравнивали различные технологические варианты использования холодильной машины.

Охлаждение семян проводили с использованием холодильной машины в бункерах С-50А и в бунтах. Охлажденный воздух подавали в зерновую массу через воздухораспределительные системы соответствующей конструкции.

Количество одновременно обрабатываемых свежеубранных семян составляло 30−90 т при охлаждении в 1−3 бункерах С-50А и 120−140т при охлаждении в бунте. Вентилирование семян осуществляли непрерывно до момента достижения температуры Ю°С в наиболее удаленных от места поступления охлажденного воздуха в слой семян.

Охлажденные семена хранили без вентилирования до момента повышения их температуры до 15−16°С в любом их участков насыпи, после чего проводили повторное охлаждение. В процессе охлаждения и хранения измеряли температуру семян с помощью термоштанг и зернового электротермометра ЭТЗ, имеющего пределы измерения 0−70°С и цену деления 1 °C, а также хромель-копелевых термопар ТХК-539М и двенадцатиточечного потенциометра ЭШ109-МЗ со шкалой 0−30°С, позволяющего осуществлять непрерывную запись температуры.

Для определения равномерности охлаждения семян в бункерах С-50А, изучения влияния температуры окружающей среды и жизнедеятельности зерновой массы на повышение температуры охлажденных семян при хранении датчики температуры в одном из бункеров располагали по всему объему насыпи (рис. 4). В остальных бункерах температуру определяли в верхнем слое семян на глубине 50−70 см от поверхности. Запись температуры осуществляли непрерывно в течение всего периода охлаждения и хранения.

В бунтах измерение проводили в равномерно расположенных по насыпи местах (рис.4). Снятие показаний при охлаждении проводили.

Рис. 4. Схема размещения датчиков температуры зерна при охлаждении семян в бункере С-50А и в бунте. Нумерация точек в сечениях I, П, Ш идентична. Точки 2,3,5 расположены с солнечной стороны бунта. через каждый час работы холодильной машины, а при хранении — два раза в сутки.

Полученные кривые снижения температуры семян при охлаждении и повышения ее при последующем пассивном хранении сопоставляли с расчетными. Качество исходных и обработанных семян (влажность, энергию прорастания и всхожесть, трещиноватость и пожелтение риса) определяли по стандартным методикам.

Всхожесть и энергию прорастания охлажденных семян и контрольных проб определяли после высушивания их при комнатной температуре и последующего хранения в течение месяца с тем, чтобы исключить влияние незавершенности процесса послеуборочного дозревания семян. Пробы исходных семян отбирали при загрузке бункеров и формировании бунтов. Пробы обработанных семян брали после окончания охлаждения и через 5−7 суток хранения из верхней и нижней частей бункера С-50А. Места отбора проб семян из охлаждаемого бунта показаны на рис. 5.

По результатам измерений и анализа проб определяли изменение температуры и влажности семян при охлаждении и хранении.

По результатам эксплуатационно-технологической оценки и испытания на надежность расчитывали экономическую эффективность холодильной машины. Расчет проводили методом наложения на конкретное хозяйство согласно ОСТу 70.2.18−72 «Методы экономической оценки». Затраты на обработку семян определяли для трех вариантов технологий (рис. 6).

Вариант I. Свежеубранные семена подвергаются немедленной сушке без временной консервации путем увеличения мощности сушильного оборудования с использованием дополнительного зерноочисти-тельно-сушильного комплекса КЗС-ЮШ с семеочистительной приставкой СПЛ-5. Хранение высушенных семян осуществляется на складе готовой продукции.

Рис. 5. Схема мест отбора проб для определения качества семян, охлаждаемых в бунте.

В сечениях 1У и У точки расположены с солнечной стороны бунта. Нумерация точек в сечениях 1, П, Ш и 1У, У идентична.

Рис. 6. Варианты сравниваемых технологий послеуборочной обработки семян.

I — приемный бункер- 2 — машина предварительной очистки- 3 — зерносушилка- 3' - зерносушилка повышенной мощности- 4 — склад сухого зерна- 5 -переоборудованный склад сухого зерна- 6 — бункеры активного вентилирования- 7 — холодильная машина- 8 — бунт с воздухораспределительной системой.

— 35.

Вариант П. Обработка свежеубранных семян осуществляется на зерносушильном оборудовании с временной консервацией в бункерах активного вентилирования БВ-25 той части урожая, которую не удается пропустить в потоке через зерносушилки. Хранение семян осуществляется на складе готовой продукции и в бункерах БВ-25.

Вариант Ш. Обработку свежеубранных семян проводят на зерно-сушильном оборудовании с использованием холодильной машины XMBI-30 для временного хранения скапливающегося зерна. Временную консервацию осуществляют в емкостях хранилища, оборудованных системой воздухораспределения (Ша) или в бунте (Шб). Высушенные семена хранят в том же хранилище.

При расчете экономической эффективности определяли годовой экономический эффект применения холодильной машины, снижение капиталовложений, прямые издержки и приведенные затраты.

Для более полного представления об экономической эффективности холодильной машины расчетным путем определяли зависимость годового экономического эффекта от количества семян, требующих временного хранения, а также минимальное их количество, при котором применение холодильной машины является эффективным.

1.5. ВЫВОДЫ.

1. Особенности созревания, уборки и обработки урожая, организационные факторы и климатические условия обусловливают неизбежное скапливание и необходимость временной консервации до 20% поступающего на обработку урожая.

2. С точки зрения нормативных сроков сезонного использования семеочистительно-сушильного оборудования длительность безопасного хранения влажных семян должна составлять 2−4 недели, что обеспечивается охлаждением их до 10−5°С.

— 36.

3. Безопасное сохранение влажных семян при временной консервации возможно при условии использования специализированной машины для их искусственного охлаждения.

— 37.

2. ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМА ВРЕМЕННОЙ КОНСЕРВАЦИИ ОХЛАЖДЕНИЕМ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР.

К основным режимным параметрам процесса охлаждения следует отнести температуру (t) и скорость (tf) или удельную подачу (ja) охлаждающего воздуха. Выбор скорости воздушного потока определяется периодом (Т^хд)" в течение которого должно быть осуществлено охлаждение до заданной температуры.

Большое значение имеет определение закономерностей повышения температуры охлажденной зерновой массы при хранении, вызывающее необходимость в связи с этим повторного ее вентилирования охлажденным воздухом.

2.1. Определение максимальной влажности семян, подвергаемых временной консервации.

Для выбора основного режимного параметра процесса временной консервации — температуры охлаждения, необходимо знание величины расчетной максимальной влажности зерновой массы. Оценку ее проводили путем анализа требований к используемому технологическому оборудованию и значений фактической уборочной влажности. Для размещения зерна с целью консервации охлаждением может быть использовано промышленное оборудование двух типов: бункеры активного вентилирования БВ-25 (БВ-40) завода «Брянсксельмаш» и бункеры С-50А, выпускаемые предприятиями «Латвсельхозтехника». В указанных бункерах выгрузка зерна осуществляется самотеком через конусообразное днище. Для обеспечения выпуска зерна под действием силы тяжести должно быть исключено уплотнение и слеживание материала, происходящее при загрузке материала повышенной влажности. Поэтому агротребованиями на бункера активного вентилирования оговорено, что влажность зерна при временном хранении не должна превышать 24%. С увеличением влажности вышеуказанного предела возникает серьезная опасность уплотнения и слеживания зернового слоя, что затрудняет обработку семян вентилированием и их выгрузку. Причиной этих явлений является увеличение трения между зернами, снижение упругости и значительная деформация их оболочек при влажности зерна выше 24%.

С учетом отмеченных особенностей целесообразно, чтобы при вентилировании в бункерных хранилищах зерна охлажденным воздухом влажность не превышала 24%.

Указанный предел влажности зерна при временной консервации совпадает и со значением уборочной влажности зерна в Нечерноземной зоне страны по средним многолетним данным.

Изучением средней уборочной влажности зерна занимались многие исследователи [l5,17,20,29,32].

Большой интерес к этому вопросу объясняется, в первую очередь, влиянием уборочной влажности зерна на пропускную способность зерносушильного парка. Достаточно заметить, что повышение влажности свежеубранного зерна всего лишь на I% (с 20 до 21%) требует увеличения потребной мощности зерносушилок примерно на 11% [28].

Прогнозирование уборочной влажности зерна многие исследователи осуществляли используя количественные зависимости между метеорологическими условиями различных зон страны и влажностью зерна. Исследования ВИМа f17] показали целесообразность выявления на основе метеорологических данных зон со сравнительно одинаковыми условиями уборочного периода. Среднемноголетние характеристики метеоусловий позволили на основе зависимости влажности зерна от дефицита влажности воздуха выделить для предварительной оценки однородности условий уборки пять агроклиматических зон (таблица Б).

Зону I принято считать зоной избыточного увлажнения, а зоны П-У — зонами нормальной влажности.

Таблица Б.

Классификация агроклиматических зон по уровню средней уборочной влажности зерна (по [17]) п/п 1 о ' - Зона увлажнения — Средняя уборочная влажность зерна, % {Дефицит влажности .'воздуха, мб.

I Повышенного увлажнения 22−24 до 3,0.

П Достаточного увлажнения 19−22 3,0−7,5 ш Умеренного увлажнения 16−19 7,5−10,0.

1У Средней сухости 14−16 10,0−15,0.

У Засушливая зона 12−14 более 15,0.

Зона I охватывает Прибалтику, Ленинградскую, Новгородскую, Вологодскую области, северные части Пермской, Свердловской, Тюменской, Омской, Новосибирской, Кемеровской, Читинской областей, Красноярский край, Иркутскую область, Бурятскую АССР, Дальний Восток.

Зона П включает северо-запад Украины, Белоруссию, Центрально-Нечерноземную зону, Средний Урал, Западную Сибирь (кроме запада Алтайского края), северную часть Казахстанской области и южные районы Восточной Сибири.

К зоне Ш относятся северные части Молдавии и Украины, Поволжье, Кустанайская, Целиноградская и Павлодарская области, северная часть Центрально-Нечерноземной зоны, Башкирия, юго-запад Алтайского края.

1У зону составляют южные части Молдавии и Украины, Донецко-Приднепровский и Северо-Кавказский район, центральные части Поволжья и Казахстана, Оренбургская область.

Зона У охватывает Калмыцкую АССР, Астраханскую область, юж.

— 40 ную часть Казахстана и Среднюю Азию.

Статистическая обработка многолетних данных фактической уборочной влажности зерна позволила уточнить средние значения влажности зерна (id) по зонам и среднеквадратические отклонения (бит) значений уборочной влажности от средних. Установлено, что распределение влажности зерна по годам с вероятностью 0,85 подчиняется закону нормального распределения, и максимальные значения влажности в неблагоприятные годы (u?ne*) определяли как:

Vfmox = UT + б*^ Расчетные значения уборочной влажности зерна по данным [l7] приведены в таблице 7.

Как видно из таблицы 7, средняя уборочная влажность не превышает 24% в нормальные годы во всех зонах страны. В неблагоприятные годы лишь в Северо-Западном районе возможно повышение уборочной влажности до 26,5%. Однако, указанное превышение допустимо в связи с тем, что, как будет показано ниже, при охлаждении влажного зерна вентилированием происходит подсушка материала и съем влаги порядка 2%. Указанное подтверждает целесообразность выбора в качестве максимальной влажности семян, закладываемых на временное хранение, значения в 24%.

2.2. Выбор температуры охлаждения влажных семян и нормы удельной подачи охлажденного воздуха.

Длительность безопасного хранения семян строго определена значениями влажности и температуры материала (рис. I). Максимальная длительность временного хранения влажных семян ограничена нормативной величиной сезонной загрузки семеочистительного предприятия, если допустить, что в течение всего периода уборки темп уборки превышает пропускную способность предприятия и обработка первой законсервированной партии должна быть произведена после периода уборки. Следовательно, максимальная длительность временной кон.

Таблица 7.

Расчетная уборочная влажность зерна в основных зонах СССР зоны.

Экономические районы.

Зона увлажнения Средняя .'Средне- !Влажность !убороч-!квадра- !зерна в! ная !тическое!неблаго-!влаж- !отклоне-!приятные !ность, !ние влалНгоды, !иг, % !ности, !цг б^ % 1 max,.

Среднесуточная температ€'°с.

1 Северо-Западный.

2 Центрально-Нечерноземный.

3 Волго-Вятский.

4 Центрально-Черноземный: северная часть южная часть.

5 Поволжский: северная часть центральная часть.

П П ш ш ш.

1У У южная часть.

6 Северо-Кавказский 1У.

7 Уральский: северная часть П.

5.4. ВЫВОДЫ.

1. Производственной проверкой установлено, что временная консервация влажных семян искусственно охлажденным до 5-Ю°С воздухом не препятствует завершению процесса послеуборочного дозревания свекеубранных семян и обеспечивает повышение посевных качеств обрабатываемых семян до норн 1-го класса.

2. Разовое охлаждение семян до режимной температуры 5-Ю°С позволяет осуществлять безопасное их хранение в течение 4−2 недель.

3. При однократном охлаждении семян влажностью 24% обеспечивается средний по насыпи съем влаги до 1,5−2,0%.

4. Периодичность охлаждения семян, обусловленная самосогреванием в период временной консервации с повышением их температуры на 5−8°С составляет 24−30 суток (при влажности 17−19%). Расчетные данные по периодичности охлаждения удовлетворительно с точностью около 9% согласуются с экспериментальными.

5. Годовой экономический эффект от применения одной холодильной машины XMBI-30 составляет 19 409 рублей.

— 152 -ОБЩИЕ вывода ПО РАБОТЕ.

1. Особенности созревания, уборки и обработки урожая, организационные факторы и климатические условия обусловливает неизбежное скапливание и необходимость временной консервации части поступающего на обработку урожая.

С учетом нормативных сроков сезонного использования семе-очистительно-сушильного оборудования длительность безопасного хранения семян должна составлять 2.4 недели.

2. Максимальная влажность свежеубранных семян, размещаемых на временное хранение с целью консервации искусственно охлажденным воздухом составляет 24%.

3. Температура охлаждения семян пшеницы максимальной влажностью должна составлять Ю°С при 2-недельном хранении и 5 °C при 4-недельном.

Гарантированное достижение требуемого при временной консервации влажных семян теплового их состояния возможно при условии использования специализированной машины для искусственного охлаждения зерна.

4. Интенсивность повышения температуры насыпи семян возрастает с увеличением их температуры и влажности. При принятых значениях максимальной влажности семян средний темп согревания составляет 0,5°С/сутки при начальной температуре 5 °C и около 1°С/сутки при температуре Ю°С.

5. Определена периодичность охлаждения семян различных культур в зависимости от влажности семян и температуры охлаждения. Для поддержания температуры семян влажностью 24% на уровне Ю°С периодичность охлаждения ржи составляет 4, пшеницы 7, ячменя 10, овса 13 суток.

6. Разработан метод расчета температурного поля охлаждаемой насыпи семян в виде аналитических выражений (52)-(56), (60), рас.

— 153 четной таблицы 12 и расчетных графиков (рис.10), позволяющий с погрешностью не более 12% в зависимости от режима процесса рассчитать температуру семян в заданный момент времени на требуемой глубине слоя или определить длительность охлаждения материала в слое заданной толщины.

7. Скорость воздушного потока при охлаждении семян влажностью 24% и толщине слоя до 6 м, характерной для используемых в сельском хозяйстве силосов, должна составлять 0,06 м/с.

8. Для временной консервации влажных семян охлаждением на 15 °C необходима фреоновая холодильная машина производительностью 100 т/сутки с подачей воздуха 0,8.1,2 м3/с при напоре 2500 Па.

9. Производственной проверкой установлено, что временная кон-серващя влажных семян воздухом, искусственно охлажденным до 5. Ю°С, способствует завершению процесса послеуборочного дозревания свежеубранных семян и обеспечивает повышение посевных качеств обрабатываемых семян.

10. При однократном охлаждении семян влажностью до 24% обеспечивается средний по насыпи съем влаги порядка 1,5.2,0%.

11. На основании результатов исследований выданы ПО «Мели-топольхолодмаш» предложения по параметрам холодильной машины и проект задания на ее разработку. Годовой экономический эффект от применения одной холодильной машины, освоенной в производстве под маркой XMBI-30, составляет 19 409 рублей.