Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Автоматизированные системы контроля и управления температурой в хранилищах растительного сырья 11
1.1 Технологический процесс хранения и переработки растительного сырья 11
1.2. Процесс самонагревания растительного сырья при хранении 13
1.3. Системы контроля и управления температурой в хранилищах растительного сырья 26
1.3.1. Основные элементы систем термоконтроля растительного сырья 26
1.3.2. Виды систем термоконтроля 33
1.3.3. Система дистанционного автоматического контроля температуры зерна (ДАКТ) с машиной МАРС-1500 40
1.3.4. . Зарубежные системы дистанционного контроля температуры зерна в элеваторах 48
1.4. Статистика аварий на предприятиях по хранению и переработке растительного сырья 55
1.5. Анализ известных способов обнаружения очагов самонагревания насыпи растительного сырья 60
1.6. Выбор направлений исследования 62
Глава 2. Математическая модель процесса самонагревания насыпи растительного сырья 66
2.1. Пластовый очаг 66
2.2. Гнездовой очаг 92
2.3. Решение задачи в обобщенных переменных 98
Глава 3. Характеристики объектов исследования 109
3.1. Теплофизические свойства 109
3.2. Определение плотности, скважистости и влажности 118
3.3. Интенсивность тепловыделения 120
Глава 4. Экспериментальное исследование процессов самонагревания растительных материалов 128
4.1. Методика проведения эксперимента 128
4.2. Исследование процесса пластового самонагревания 130
4.3. Исследование процесса гнездового самонагревания 145
4.4. Обсуждение результатов. Проверка адекватности математических моделей экспериментальных данных 156
Глава5 Повышение эффективности системы термоконтроля 158
5.1. Расчет радиуса чувствительности термодатчика 158
5.2. Система контроля температурного режима в хранилищах 162
5.3. Расчет безопасных сроков хранения растительных материалов 169
5.4.Функия управления системы термоконтроля 172
5.5. Автоматика и управление термоконтроля электрооборудования. 174
5.6. Практическая ценность полученных результатов 177
Выводы 178
Список литературы 180
Приложение:
1. Характеристики растительного сырья 190
2. Программа расчета на ЭВМ параметров хранящегося растительного сырья 197
3. Экспериментальные данные исследования температур в очагах самонагревания растительного сырья 202
4. Внедрение 212
- Процесс самонагревания растительного сырья при хранении
- Пластовый очаг
- Исследование процесса пластового самонагревания
- Система контроля температурного режима в хранилищах
Процесс самонагревания растительного сырья при хранении
Краткий анализ технологического процесса переработки и хранения растительного сырья свидетельствует о сложности этого процесса и его высокой аварийности, которая обусловлена наличием громоздкого и высоко энерговооруженного оборудования (сушилки, нории, транспортеры, дробилки, веялки и др.) и больших количеств горючего растительного сырья.
К этому следует добавить, что процесс "дыхания" (аэробные условия) растительного сырья сопровождается повышением температуры, тепло аккумулируется в месте очага самонагревания, интенсифицируется термоокислительная деструкция продукта. При увлажнении и смачивании растительного сырья (анаэробные условия) происходит выделение водорода и других газов. Благодаря высокой сорбционной способности растительного сырья газы задерживаются в насыпи, инициируя при повышении температуры химические реакции с образованием оксида углерода и углеводородов.
В процессе дальнейшего роста температуры и размеров очага идут процессы десорбции горючих газов, которые накапливаются в относительно замкнутых свободных объемах силосов и бункеров, что обусловливает опасность взрыва.
Принципы, определяющие технологию хранения различных зернопродуктов, в основном, одинаковы. Они заключаются в создании условий, снижающих биохимическую активность растительного сырья. На практике это достигается снижением влажности, сорности, кислотности и температуры продуктов. Режимы, способы и возможные сроки хранения зависят от количества и природы продукта, его химического состава, биохимических и физических свойств.
Поскольку хранение растительного сырья на современных элеваторах и комбикормовых заводах осуществляется в естественных условиях, влажность и температура продуктов могут изменяться в широком диапазоне и приводить к их самонагреванию и самовозгоранию.
С ростом единичных производственных мощностей и внедрением интенсивных технологий неизбежно увеличиваются объемы складируемого сырья, что создает потенциальную опасность самонагревания хранящихся материалов. Для органических растительных материалов характерно микро биологическое самовозгорание, поскольку в них возможна жизнедеятельность микроорганизмов. Первичное самонагревание массы материала происходит за счет тепла, выделяемого микроорганизмами [8]. Повышение температуры в объеме способствует ускорению экзотермических реакций, т. е. возникает вторичный процесс самонагревания материала, заканчивающийся самовозгоранием в наиболее горячей зоне объема. Термофильные микроорганизмы, находящиеся в объеме органического материала, могут также вызвать образование нестабильных горючих соединений, которые в свою очередь окисляются кислородом воздуха с выделением большого количества тепла. Таким образом, генерация тепла в объеме вызывается сначала микробиологическим импульсом, а затем химическим. Как отмечалось выше, самонагревание в растительных дисперсных материалах до 65-75 С обусловлено, в основном, деятельностью микрофлоры. В дальнейшем повышение температуры происходит в основном за счет химических и экзотермических процессов.
Некоторые органические соединения (пектиновые, белковые и др.) распадаются уже при 60-70 С с образованием пористого угля, обладающего свойством поглощать (адсорбировать) пары и газы [23].
Пары конденсируются на поверхности угля, газы адсорбируются, что сопровождается выделением теплоты [24]. За счет тепла адсорбции температура в растительных продуктах повышается и достигает 100-130 С, что вызывает распад ряда соединений и образование пористого угля, более значительную адсорбцию им паров и газов и новое повышение температуры. При 200 С начинает разлагаться клетчатка, входящая в состав растительных продуктов. В результате ее разложения образуется уголь, способный интенсивно окисляться, что вызывает повышение температуры до 250-300 С, т. е. до температуры тления растительных материалов[18].
Рассмотрим процесс самонагревания насыпи PC более подробно. При влажности, превышающей критическую, и повышенной температуре накопление тепла в насыпи происходит вследствие активной жизнедеятельности микрофлоры и дыхания живых компонентов зерновой массы, а также адсорбции влаги и кислорода воздуха [9,25].
В применении к комбикормам термин "критическая влажность" характеризует возможность активного развития микроорганизмов, жизнедеятельность которых является главной причиной самонагревания влажных растительных материалов [26-31].
Движение тепла и влаги в насыпи взаимно связаны [32]. Скорость проникновения влаги в насыпь зависит от гранулометрического состава корма и его скважистости. Критическая влажность комбикормов находится на уровне 10-14,5 %, а критическая влажность костяной муки - 8,7 %, травяной муки из листьев люцерны - 14,9 %, жмыха из семян хлопчатника - 11,5 %, шрота из тех же семян - 12,8 % [8]. Комбикорма влажностью до 10 % можно хранить при температуре до 20 С без ухудшения качества до 4 месяцев. При влажности 12-14,5 %, установленной стандартом, сроки хранения комбикормов при указанных температурах составляют 30-60 суток [9].
Все компоненты комбикормов, особенно травяная мука и отруби, чрезвычайно насыщены микроорганизмами [8]. Количество и видовой состав микрофлоры в сырье являются случайной величиной, поэтому интенсивность процесса самонагревания и достигаемая максимальная температура тоже случайные величины. Однако установлено, что при влажности больше нормативной и при температуре больше 10 С, независимо от видового и количественного состава микроорганизмов, начинается процесс самонагревания [33]. При повышенной влажности сначала растут грибы Aspergillus, доводящие температуру зерна до 55 С. Наиболее активна жизнедеятельность грибов родов Aspergillus, Penicillium и др. при температурах 32-33 С [9]. При этом выделяется тепло, поскольку микроорганизмы берут лишь -10% тепла на конструктивные изменения в клетке, остальное же идет во внешнюю среду [8]. Каждый вид микроорганизма имеет свой температурный интервал, а образуемое тепло изменяет популяцию микроорганизмов на более термофильную [8, 34]. В зависимости от того, удаляется ли из продукта или накапливается в нем метаболическая и дистилляционная вода, появляющаяся в результате деятельности плесеней, самонагревание может постепенно прекратиться или перейти в следующую фазу с участием термофильных бактерий, и, возможно, ряда термофильных грибов, способных довести температуру до 75-83 С, ряд из которых развивается даже при 95 С. Большая скважистость рассыпных (60-90 %) и гранулированных (50-70 %) кормов обеспечивает запас воздуха, необходимого для интенсивного развития аэробной грибной флоры.
При наличии в сырье живых компонентов зерновой массы происходит накопление тепла за счет их дыхания. При этом наблюдается оба вида диссимиляции, конечный результат которой может быть суммарно выражен следующими уравнениями [8, 35]:
С6Н1206 + 602 = 6С02 + 6Н20 + 2763,4 кДж , (1.1)
С6НІ206 = 2С02 + 2С2Н50Н + 114,8 кДж . (1.2)
При массовом развитии в насыпях клещей и насекомых им принадлежит существенная роль в тепловыделении. Очаг самонагревания, вызванный насекомыми, возникает тогда, когда метаболическое тепло вырабатывается насекомыми быстрее, чем оно удаляется из зерновой массы [36]. При самонагревании «сухого зерна» (до 15% влажности), вызванного насекомыми, температура повышается до 42 С. Увеличивается при этом также влажность: зерно, зараженное амбарным долгоносиком, за три месяца достигло влажности 17,6-23 % при начальной 14,6-14,8 % [37].
Выделяемое тепло в какой-либо части дисперсной насыпи локализуется в ней теплоизолирующим слоем растительного материала. Возникает очаг повышенной тепловой активности, тепло которого распространяется на соседние участки насыпи, усиливая процесс самонагревания, который может перейти в самовозгорание PC [7, 38].
Пластовый очаг
Задача распространения тепла в насыпи путем теплопроводности в случае пластового очага может быть сформулирована следующим образом: в неограниченной среде с начальной температурой Т0 в момент времени t = 0 начинает действовать плоский источник тепловыделения, удельная интенсивность которого является непрерывной функцией координаты q = q(x) (рис. 2.1).
Теплофизические характеристики насыпи полагаются однородными по пространству и постоянными во времени. В настоящей работе задача получения температурных полей в насыпи во времени и пространстве решалась численно на ЭВМ с использованием функции (2.8), которая дает наилучшее согласие с экспериментом. На ЭВМ была просчитана дискретная математическая модель физического процесса самонагревания, построенная на базе стандартных подпрограмм [116]. Высокая гладкость решения служит гарантией равномерной сходимости приближенного решения к точному со скоростью 0 (h -+ т). Данная дифференциальная задача с областью изменения независимых переменных 13 = {0 х /, 0 t t0} решается методом сеток и на равномерной прямоугольной сетке shT аппроксимируется разностной схемой с опережением [117]. Для решения разностных уравнений используется алгоритм одномерной правой прогонки. Безусловная сходимость приближенного решения к точному гарантируется при достаточно малых h и т, т. е. при h h0, т т0. Величины h0 и т0 находились при помощи пробного счета путем сгущения сетки.
Построенная математическая модель позволила с высокой степенью точности описать процесс пластового самонагревания в реальном объекте, в результате чего получено распределение температур в насыпи растительного сырья в пространстве и во времени для различных значений интенсивностей тепловыделения q0, q j, и размеров очага R для разных компонентов комбикормов. Типичные температурные кривые представлены на рис. 2.4. В качестве пожароопасного значения температуры бралось Т(х, t) = 100 С, т. к. интервал температур 100 -г 120 С соответствует началу газовыделения в комбикормах, а следовательно, созданию пожаро- и взрывоопасной ситуации, а начальные температуры сырья в реальных случаях Т0 = 0 -f- 20 С [7, 18]. В расчетах использовались средние значения теплофизических характеристик хранящегося сырья, взятые из работ [61,110,118] и представленные в таблице 2.1.
По данным численного расчета построены номограммы для определения температуры в очаге в зависимости от времени и интенсивности тепловыделения для различных компонентов комбикормов (рис. 2.5 - 2.8) в отсутствие фонового тепловыделения. Выбранный интервал времени определяется сроками хранения комбикормов, которые для сырья влажностью более 10 % при темпера турах 0- 20 С не превышают 120 суток [9].
Корма влажностью 12-14,5 % (предусмотренной в настоящее время стандартом) можно хранить без ухудшения качества от 30 до 60 суток в зависимости от температуры. Соответствующая графическая схема для определения сроков стойкого хранения комбикормов, проведенная в производственных условиях, при различных сочетаниях температуры и влажности представлена на рис. 2.9 [9]. Анализ приведенных в этой работе данных по развитию очага самонагревания говорит о том, что радиус очага не превышает 0,5-0,7 м, темп роста температуры в очаге составляет 3-8 град/сут при темпе роста фоновой температуры до 0,4 град/сут. В работе [5] отмечено, что самонагревание шротов и жмыхов носит очаговый характер с темпом роста температуры до 10 град/сут. Подобные данные приведены в работе [119] на основе анализа процессов самонагревания в реальных случаях и на модельных крупномасштабных установках. По максимальному значению темпа роста температуры AT/At =10 град/сут можно оценить максимальное значение интенсивности тепловьщеления для травяной муки в центре очага по формуле [6].
Тогда q0 « 150BT/MJ.B расчетах использовались q0 из табл. П. 1.7. В случае отсутствия очага повышенной тепловой активности при самонагревании всего массива рост температуры можно найти из соотношения (2.29). Разогрев засыпки до 100 С произойдет за 120 суток при q j, = 8,5 Вт-м" Анализ реальных случаев самонагревания показывает, что обычно темп роста фоновой температуры не превосходит 0,5 град/сут, что соответствует qcj, = 5 Вт/м для травяной муки. Такой темп роста температуры при отсутствии очага повышенной интенсивности тепловыделения не представляет пожарной опасности за принятые сроки хранения. На рис. 2.10 приведена номограмма роста температуры в центре очага в травяной муке при наличии фонового тепловыделения Яф = 5 Вт/м Сравнение рис. 2.5 и рис. 2.10 показывает, что наличие фонового тепловыделения ведет к интенсификации процесса самонагревания.
Из рис. 2.16 видно, что самым сложным продуктом для хранения являются отруби. Данные зависимости показывают, что при значениях q0 = 60 -т- 80 Вт/м3, которые типичны для пластовых очагов самонагревания, срок пожаробезопасного хранения комбикормового сырья не превышает одного месяца, а при больших интенсивностях тепловыделения он еще меньше.
Важной характеристикой самонагревания пласта является темп роста температуры в насыпи. На рис. 2.17 показана зависимость темпа роста температуры в травяной муке от расстояния до центра очага для типичного случая. При удалении от центра очага кривая асимптотически приближается к прямой AT/At = 0,51 град/сут, соответствующей фоновому тепловыделению Цф = рс(Э17д1)ф = 5 Вт/м3. При увеличении интенсивности тепловыделения очага или его размера темп роста температуры в центре очага увеличивается (рис. 2.18, 2.19). На рис. 2.20 показана зависимость темпа роста температуры в центре очага от его интенсивности для различных компонентов комбикормов.
Хорошее совпадение расчетных значений температур с экспериментальными данными позволяет считать предложенную математическую модель пластового самонагревания правильной.
Исследование процесса пластового самонагревания
Для исследования процесса пластового самонагревания исследуемое сырье одинаковой исходной влажности равномерно засыпалось во внутреннюю емкость бункера до уровня королька термопары №8 (рис. 4.1), затем загружался слой заранее приготовленного увлажненного продукта (W 40 + 50 %) толщиной 2R = 0,2 м, а затем доверху засыпалось сырье исходной влажности, при этом выдерживалась заданная насыпная плотность.
Вследствие повышенной влажности центрального слоя в нем при комнатной температуре начиналась активная деятельность микрофлоры, приводящая к росту температуры. На микробиологическую природу образования очага указывает также проведенный эксперимент, когда бункер был загружен рассыпной травяной мукой с увлажненным слоем, предварительно обработанной углекислым газом. При этом в течение всего времени эксперимента ( 10 суток) самонагревания не наблюдалось, очевидно, вследствие гибели микрофлоры.
Таким образом, в бункере моделировался естественный процесс пластового самонагревания, имеющий место в реальных хранилищах.
Для большей надежности опыты повторялись не менее двух раз. При проведении экспериментов по самонагреванию в центральной плоскости горизонтального пластового очага располагались термопары №11-13 (рис. 4.1). Результаты экспериментов показали вертикальную направленность теплового потока и симметричное развитие температурного поля в насыпи относительно центральной плоскости, что говорит о выполнении граничного условия (2,3). Термопары, лежащие в одной горизонтальной плоскости, фиксировали близкие по значениям показания температуры, что свидетельствует о горизонтальности изотермических поверхностей.
Таким образом, поток тепла можно считать одномерным, и его распространение допустимо описывать уравнением (2.1). Эксперимент заканчивался, когда в центре очага прекращался рост температуры, что, вероятно, связано с затуханием деятельности микрофлоры. При этом рост температуры для нижней термопары №1, как правило, не превышал 5 , что, учитывая хорошую тепловую изоляцию, позволяет говорить о выполнении граничного условия (2.4). Первоначальная температура насыпи по объему была одинаковой, что контролировалось в 23 точках, и начальное условие (2.2) также выполнялось. Таким образом, для описания процесса пластового самонагревания можно применить математические соотношения (2.1)-(2.4).
На рис. 4.2-4.4 приведены расчетные температурные кривые и нанесены усредненные по уровню измеренные значения температур. Расчет проводился на ЭВМ для удельной мощности q(x) вида (2.8) при q = 0, так как фоновый разогрев в эксперименте не имел места. Значение q0, необходимое для расчета, оценивалось из формулы (2.55) для q$ = 0 с использованием номограммы (рис. 2.23).
В табл. 4.1 приведены расчетные параметры для нахождения значения удельной мощности д0 в экспериментах по пластовому самонагреванию и значения qo, используемые в расчетах на ЭВМ, полученные методом пробного счета и наилучшим образом отвечающие результатам эксперимента.
Для найденных значений q0 на ЭВМ были рассчитаны кривые распределения температур, изображенные на рис. 4.2-4.4 Сравнение экспериментальных результатов с расчетом дает хорошее соответствие. Незначительное нарушение симметрии температурных полей относительно центральной плоскости с течением времени вероятно связано с конвекцией теплого воздуха и паров в верхние слои насыпи.
С целью дальнейшего исследования процесса самонагревания в условиях, приближенных к натурньм, были проведены крупномасштабные эксперименты на полигонной установке "Силос", являющейся фрагментом натурального силоса СКС-3, которые позволили проверить правильность предложенной математической модели для расчета температурных полей в самонагревающейся насыпи PC в условиях, близких к реальным.
Установка представляет из себя бетонную емкость размером 3x3x4,8 м , образованную тремя секциями стандартного силоса СКС-3 с выпускной воронкой внизу (рис. 4.5). Бункер был засыпан рассыпной травяной мукой влажностью 10,4 % с прослойкой влажной травяной муки (53 % влажности) толщиной 0,5 м. Измерение температуры осуществлялось 58 хромель-копелевыми термопарами и потенциометрами КСП-4.
Показания термопар, изображенных на рис. 4.5, представлены в табл. 4.2.
На рис. 4.6 изображено соответствующее распределение усредненных по уровню температур. Картинка получается асимметричной относительно центральной плоскости очага вследствие конвекции и влагопереноса в верхние слои насыпи. Поэтому сравнение численного расчета с экспериментом осуществлялось для части насыпи, расположенной ниже центральной плоскости очага. Показания крайних верхней и нижней термопар (№1 и №58) исключены из рассмотрения, так как на них, очевидно, сильно сказывается изменение температуры наружного воздуха. Показания термопар №54 и №55 свидетельствуют, что первые две недели имел место фоновый разогрев с темпом роста температуры (ДТУДі)ф = 0,5 град/сут, что соответствует для травяной муки фоновой удельной интенсивности тепловыделения Яф = 5 Вт/м .
Значение интенсивности q0 = 75 Вт/м можно найти, воспользовавшись номограммой (рис. 2.23) для R=0,25 и формулой (2.55) при t= 14 суток. При этом для t = 28 суток в расчетах принято q$ = 0, что обусловлено влиянием понижения температуры наружного воздуха на периферийные слои засыпки.
На рис. 4.7 изображены расчетные кривые и соответствующие экспериментальные точки. Для кривой 1, соответствующей г== 14 суткам, наблюдается хорошее согласие с расчетом. Несколько хуже соответствует эксперименту кривая 2 (t = 28 суток), что может быть объяснено рядом причин: во-первых, к этому моменту времени тепло достигло верха и дна бункера и начался теплоотвод с поверхности насыпи, усиленный значительным понижением температуры наружного воздуха; во-вторых, часть выделяемой энергии в центре очага вероятно, пошла на испарение влаги, так как температура в центре очага, Т 100 С и с течением времени все больший объем насыпи достигает температуры испарения воды. Необходимо также отметить, что при температурах Т 100С должно сказываться и изменение природы тепловыделения в хранящемся сырье: прекращается тепловыделение, обусловленное жизнедеятельностью микрофлоры вследствие ее гибели при этих температурах, и нарастает тепловыделение за счет низкотемпературного окисления обуглившегося сырья. В табл. 4.3 приведены показания термопар в опыте №5 на той же установке, схема расстановки которых показана на рис. 4.8. В этом опыте в бункер загружено 14,47 тонн гранулированной травяной муки влажностью 10,4 % при температуре 25-30 С. Горизонтальный пласт увлажненного продукта (W =44,2 %) расположили между термопарами №37 и №43. Соседние датчики равноудалены друг от друга на расстоянии 30 см. Нижний датчик расположен выше дна на 20 см. Используя данные табл. 4.3, были вычислены усредненные по уровню приращения температур, распределение которых показано на рис. 4.9. Картинка получается асимметричной по той же причине, что и в опыте 1, поэтому сравнение расчета с экспериментом проведено для нижней части бункера. Расчет проведен для очага с параметрами : q0 = 75 Вт/м ,q(t,= 0, R = 0,25 м.
Из рис. 4.9 видно хорошее соответствие расчетных кривых с экспериментом для пластового очага. Наибольшее отклонение в центре очага не превосходит 10 %. В этом опыте был также создан гнездовой очаг с центром в районе термопары №50. Взаимное влияние двух очагов не позволило выявить полную картину распределения температур. Однако, наличие двух типов очагов дало возможность провести сравнение роста температуры в их центрах. Из табл. 4.3 видно, что рост температуры до 8 суток примерно одинаковый, а затем становится для гнездового очага меньше, что соответствует результатам расчета. Хорошее совпадение расчетных значений температур с экспериментальными данными позволяет считать предложенную модель пластового самонагревания правильной и указывает на надежность предлагаемой методики расчета температурного режима самонагревающейся дисперсной насыпи PC.
Система контроля температурного режима в хранилищах
В настоящее время для осуществления температурного контроля в хранилищах PC силосного типа применяют вертикальную термоподвеску, которую располагают по центральной оси силоса [6, 116]. Термодатчики на такой подвеске расположены равноудаленно друг от друга, покрывая длину термоподвески с некоторым шагом, который, как правило, превышает 2 м.
При таком расположении датчиков вне зоны контроля оказывается значительная часть хранилища, включающая пристеночную массу хранящегося сырья.
Дня оценки контролируемой части объема хранилища в том случае, когда радиус чувствительности термодатчика меньше поперечньж размеров силоса, т. е. г R для круглого силоса радиуса R и г а/2 для квадратного сечением S = а , можно использовать выражение [114,115].
В таблице 5.2 представлены результаты расчета контролируемой датчиками части объема хранилища с травяной мукой для различных абсолютных погрешностей используемой системы температурного контроля в случае применения термоподвески с шагом h = 2 м. [ 1 1 5].
Необходимо отметить, что с ростом интенсивности очага значение г уменьшается (рис. 5.4), а, следовательно, уменьшается контролируемая часть объема силоса.
На ЭВМ выполнены расчеты радиуса чувствительности термодатчика для различных видов хранящегося PC. В табл. 5.3 приведены полученные значения г, а также показана часть объема хранилищ, находящаяся под контролем, для различного растительного сырья при абсолютной погрешности системы температурного контроля Д= ±3 С для термоподвески с шагом 2м [115]: Таблица 53
Расчетные данные, приведенные в табл. 5.2 и табл. 5.3, показывают низкую эффективность применяемой системы температурного контроля, что особенно заметно для хранилищ, поперечные размеры которых существенно больше радиуса чувствительности термодатчика г. В этом случае может быть применена объемная схема расположения термодатчиков. Поскольку датчик контролирует массу сырья, заключенную внутри сферы радиуса г, задача размещения датчиков в объеме хранилища сводится к задаче перекрытия объема минимальным числом шаров одинакового радиуса. Оптимальное покрытие осуществляется в случае пространственно-центрированной (пц) кубической решетки, которая получается из точек обычной кубической решетки добавлением к ней центров всех кубов [117,118]. В этом случае плотность покрытия D = 5л/5 -я/24 « 1,464 минимальна и равна отношению объема шара к объему вписанного усеченного октаэдра (4, 6, 6). В случае обычной кубической решетки DKy6« 2,72. Усеченный октаэдр, таким образом, является элементарной ячейкой, которая должна заполнить весь объем хранилища V. Используя основную кинематическую формулу Бляшке [119], из формулы осреднения для пространства в случае его замощения усеченным октаэдром (4, 6, 6) с радиусом описанного шара г получим, что для покрытия выпуклого тела с основными характеристиками V, F, М всегда достаточно шаров радиуса г. В формуле (5.15) введены обозначения: V = V/r , F = F/r , М = М/г - безразмерные объем, поверхность и кривизна ребер выпуклого тела, соответственно.
Используя формулу (5.15), получим формулу для оценки среднего числа термодатчиков с радиусом чувствительности г, необходимых для осуществления температурного контроля в силосах квадратного и круглого сечения [112,115].
При размещении датчиков важно знать не только их общее число в объеме хранилища, но и их количество в каждой из горизонтальных плоскостей размещения, или количество слоев датчиков. Задача определения количества датчиков в слое сводится к задаче о замощении горизонтального сечения силоса площади S и периметра L квадратами стороны а, где а - расстояние между термодатчиками. Используя формулу осреднения для плоскости [118], получено выражение для среднего числа датчиков в плоскости в случае пространственно-центрированной решетки.
Пример реализации пространственно-центрированной кубической схемы размещения в хранилище размером 6x10x8 м приведен на рис. 5.1 [115].
Для силосов сечением 3x3 м , имеющих широкое практическое применение, можно осуществить контроль температуры во всем объеме одной термоподвеской, если А 0,5 С, делая расстояние между датчиками d = 3 м. Это связано с тем, что при такой абсолютной погрешности радиус чувствительности г 2,5 м и превышает расстояние до наиболее удаленной точки в хранилище, определяемой соотношением ал/з/2. Создание системы контроля с такой низкой абсолютной погрешностью представляет трудности [112,117].
Поэтому при существующих абсолютных погрешностях систем контроля необходимо несколько термоподвесок. При А = ±3С и г «1,2м расстояние между датчиками при пространственно-центрированной кубической схеме размещения составляет d = 4г/ V 5 = 2,2 м и в рассматриваемых силосах для осуществления надежного контроля температуры необходимо 5 термоподвесок с шагом d = 2,2 м, четыре из которых крепятся на стенках (вдоль середины боковых стенок квадратного силоса и на концах двух взаимно перпендикулярных диаметров круглого силоса), а одна является центральной осью силоса. При этом требуется 65 датчиков для силоса высотой 30м.
Данный пример, а также табл. 5.6 показывают, что решение задачи осуществления температурного контроля во всем объеме хранилища ведет к увеличению числа термодатчиков. Однако этот недостаток компенсируется потенциальными возможностями данной объемной схемы размещения. Кубическая схема расположения датчиков позволяет своевременно и точно обнаруживать очаг на стадии самонагревания продукта, что дает возможность своевременно принять профилактические меры.
На основании исследований предложена структурная схема [112,114,115] системы автоматического контроля температуры в хранилищах растительного сырья (рис. 5.2).
Основными элементами системы контроля являются: пульт управления с ЭВМ (на базе машины МАРС-1500), местные блоки (типа МБ-12) и термоподвески (например, ТП-1М).
Центральный пульт включает блок самоконтроля и измерения температуры, блок управления, цифровой преобразователь, дешифратор, блок управления печатью, блок электрического календаря, блок ручного вьвова термоподвесок, преобразователь кода, интерфейс ЭВМ, спецмикроЭВМ.
Система работает в автоматическом режиме обегания датчиков температуры, либо в режиме вьвова одной термоподвески. В режиме обегания система контроля может сравнить показания отдельных датчиков с заданной температурой (например, пожароопасной Тп = 100 С).
Применение ЭВМ позволяет вычислять темп роста температуры, сравнить его с заданным пожароопасным и прогнозировать развитие очага. Показания датчиков, без сравнения с заданной температурой, регистрируются независимо от величины значения. В случае превышении в какой-либо точке пожароопасных значений температуры или темпа роста температуры подается сигнал тревоги [115].
Таким образом, применение предложенной схемы размещения датчиков совместно с ЭВМ в качестве прибора сбора, хранения и анализа информации позволит не только обнаружить очаг, но и прогнозировать его развитие, а так же выдавать соответствующие команды по его ликвидации [120,121 ].Это приведет к существенному повышению уровня пожаробезопасности хранилищ растительного сырья [122,123].
