Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния вопроса по консервации свежеубранного зерна
1.1 Анализ существующих способов и установок для консервации свежеубранного зерна 5
1.2 Взаимосвязь между свойствами зерновой массы и окружающими ее условиями 16
1.3 Климатические особенности Восточной Сибири и влияние применяемых технологий консервации на продовольственный и семенные показатели качества зерна 21
1.4 Основные выводы, цели и задачи исследований 34
Глава II. Теоретические исследования процесса охлаждения свежеубранного зерна
2.1 Аналитическое решение процесса охлаждения свежеубранного зерна 35
2.1.1 Решение уравнения теплового баланса при охлаждении вороха вентилированием 35
2.1.2. Дифференциальное уравнение теплообмена, происходящего при охлаждении зерна в ворохе 37
2.1.3. Определение критериальной зависимости процесса теплообмена в плотном слое 38
2.1.4 Определение зависимости коэффициента теплоотдачи в плотном слое 39
2.1.5. Вывод уравнение температурной кривой охлаждения зерна в ворохе 40
2.1.6. Определение времени повторного включения вентилятора 41
2.1.7. Расчет процесса охлаждения зерна в плотном слое на ЭВМ 42
2.2 Вероятностно-статистический анализ параметров атмосферного воздуха в период уборки зерновых 45
2.3 Классификация факторов, влияющих на физиологические процессы в свежеубранном зерновом ворохе 56
2.4 Параметрическая схема зерновой массы 70
2.5 Выводы 76
Глава III. Программа и методика экспериментальных исследований
3.1 Объект и программа экспериментальных исследований 77
3.2 Методика исследования процесса охлаждения свежеубранного зерна на типовом оборудовании 78
3.3 Методика исследования процесса охлаждения свежеубранного зерна на экспериментальной установке 79
3.4 Методика расчета экспериментальной установки 81
Глава IV. Результаты экспериментальных исследований
4.1. Экспериментальные исследования процессов охлаждения зерна на типовом оборудовании 91
4.2 Экспериментальные исследования процессов охлаждения зерна на экспериментальной установке 99
4.3 Выводы по экспериментальным исследованиям 122
Глава V. Практическая реализация результатов исследований
5.1 Рекомендации по консервации свежеубранного зерна в хозяйствах Восточной Сибири 123
5.2 Экономическая эффективность использования естественного холода для консервации зерна 134
Общие выводы и предложения 140
Литература 142
Приложения 157
- Климатические особенности Восточной Сибири и влияние применяемых технологий консервации на продовольственный и семенные показатели качества зерна
- Расчет процесса охлаждения зерна в плотном слое на ЭВМ
- Методика исследования процесса охлаждения свежеубранного зерна на экспериментальной установке
- Экспериментальные исследования процессов охлаждения зерна на экспериментальной установке
Введение к работе
і І
і І
І І
Экономически развитые страны практически подошли к пределу по
і І
продуктивности сельского хозяйства, при этом используемые интенсивные
! '
технологии вошли в противоречие со здоровьем человека и окружающей
і J средой. Часть этих стран при реализации концепции «устойчивого развития»
і !
желают перейти на более экологически безопасные технологии с некоторым уменьшением продуктивности сельскохозяйственных культур.
Слаборазвитые страны не могут обеспечить население продуктами питания и по-прежнему считают своей основной задачей производить максимально возможное количество продуктов с помощью любых технологий, не принимая во внимание последствий :их воздействия на
здоровье населения и состояние природы. | J
і і
Наращивание производства зерна за счет расширения посевных
! і
площадей или повышения урожайности зерновых культур требуют больших
затрат. В связи с этим первостепенное значение приобретает проблема
повышения эффективности сохранения и использования уже выращенного
урожая. ; !
Зерновая масса как объект хранения обладает уникальными свойствами долговечности. Однако эта способность зерна проявляется только при условии, что свежеубранная зерновая масса будет своевременно и правильно подготовлена к хранению: очищена, рассортирована,' законсервирована. Задержка с послеуборочной обработкой или проведение необходимых
технологических операций не в полном объеме, с нарушением режимов
I '
обработки неизбежно связаны с потерями урожая. |
Чтобы соблюдать рекомендуемые наукой технологий, необходимо иметь
I !
: I
достаточную материально-техническую базу и финансы на приобретение
! |
ГСМ. Хозяйства республики не имеют ни того, ни другого. Поэтому вся
технология послеуборочной обработки сводится к| очистке зерна и
профилактической переброске с места на место с целью подсушки и
охлаждения. В благоприятных климатических условиях созревания и уборки урожая таких приемов бывает достаточно, хотя отдельные партии зерна и теряют часть и даже полностью свои технологические и семенные показатели качества. В неблагоприятные годы, а их бывает четыре из семи, потери возрастают до 40% от убранного урожая.
Анализ литературных источников показывает, что до настоящего времени в условиях Восточной Сибири не исследованы возможности длительного хранения влажного зерна различного назначения в охлажденном состоянии.
Таким образом, решение вопросов разработки и совершенствования альтернативных региональных способов консервации и хранения свежеубранного зерна путем использования естественного ночного холода в условиях резко континентального климата Восточной Сибири является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес.
Климатические особенности Восточной Сибири и влияние применяемых технологий консервации на продовольственный и семенные показатели качества зерна
В предложенной Голдовским А.И. классификации [27] критерием состояния организмов принято наличие или отсутствие сочетания ассимиляции и диссимиляции, лежащим в основе жизнедеятельности, в соответствии с этим разграничиваются состояния: - жизнедеятельности: гипербиоз - функционирование жизнеспособных структур резко повышенное, биоз - функционирование полное; гипобиоз -функционирование ослабленное.- нежизнедеятельности: первичная и вторичная фаза мезабиоза - одностороннее каталитическое действие ферментативно-активных участков структур; диссимиляция - процесс распада веществ; анабиоз- функционирование жизнеспособных структур отсутствует, незначительные разрушительные процессы, не являющиеся настоящей диссимиляцией.
Полный анабиоз - это сочетание многих условий среды, в частности низкая влажность (ксероанабиоз), низкая температура (криоанабиоз), отсутствие доступа воздуха (аноксианабиоз), высокая концентрация солей в среде (осмотический анабиоз). Способность впадать в анабиоз способствует выживанию организмов в резко неблагоприятных условиях жизни, распространен у микроорганизмов, грибов, растений и животных. У некоторых из них он входит в нормальный цикл развития (семена, споры, цисты) [160 ].
Сечняк Л.К. [115 ] считает, что, биологическим взаимодействием семян в процессе формирования и хранения должна заниматься отдельная отрасль науки - экология семян, основной задачей которой является «исследование взаимосвязи между условиями выращивания, подготовки, хранения и прорастания и их биологическими свойствами, а также изучение условий, при которых семена наиболее полно реализуют свои потенциальные свойства, т.е. урожайные качества».
Одна из важнейших проблем современного растениеводства — разработка научных основ и эффективных приемов повышения посевных качеств семян. В настоящее время большое внимание исследователей привлекают методы стимуляции семян физическими факторами: переменным и постоян-ным электрическим полем, радиационным облучением, сверхвысокими частотами миллиметрового диапазона, а также лазерным излучением, генерирующим красную, синюю и ультрафиолетовую части спектра. Общепринято мнение о том, что семена различных сельскохозяйственных культур существенно различаются по морфологическим, генетическим, физическим и физиологическим параметрам, поэтому реакция на воздействие того или иного фактора у них неодинакова. Причем для исследований берутся некондиционные семена с низкими показателями энергии прорастания (60-65%) и всхожести (70-86%), т.е. эти семена не получили необходимого воздействия для улучшения их качества во время послеуборочной обработки. По нашему мнению, все работы по получению качественных семян должны быть сконцентрированы в первый период после уборки, оставив на весенний период предпосевной обогрев в качестве стимулирования запуска механизма питания зародыша.
Анализ литературных источников позволяет сделать вывод о том, что разработке данного вопроса уделяется не достаточное внимание. Имеющиеся работы позволяют сформировать, по нашему мнению, новый подход к решению проблемы, заключающиеся в том, чтобы разделить все возможные факторы на абиотические и биотические и установить их взаимосвязи. Зная, что цель технологии - введение живых компонентов зернового вороха в термоанабиоз - выявить главные управляющие факторы, при этом использовать имеющиеся в регионе климатические факторы как управляющие. 1.3. Климатические особенности Восточной Сибири и влияние технологии консервации на продовольственные и семенные показатели качества зерна Климатические особенности региона Восточная Сибирь - это обширный регион России от Красноярского края до Читинской области. Климат любого района определяется .географическим положением и формируется под воздействием солнечной радиации, подстилающей поверхности, циркуляции атмосферы и влагооборота. Глубинное материковое положение Восточной Сибири (Забайкалья) и его отгороженность горными сооружениями от влияния морских и океанических бассейнов в сочетании с характером циркуляции воздушных масс над его территорией создает основные черты климата этого региона Сибири, выражающиеся в резкой континентальности, неравномерном распределении осадков, инверсии температур, продолжительной безоблачности и сухости воздуха.Среднегодовая температура воздуха повсеместно отрицательна и понижается с юга (-0,5С) на север (-8,7С) [3]. Продолжительность отопительного периода составляет 241 сут. [57].
Календарный год разделим на два периода, в которых средняя многолетняя сумма месячных температур атмосферного воздуха способствует либо (способствует не хранению зерна в охлажденном состоянии. Как уже отмечалось, в системе хлебопродуктов принято считать охлажденным партии с температурой в насыпи не более 10С , тогда максимальную сумму месячных температур атмосферного воздуха, способствующим такому режиму хранения определим по формуле.
Расчет процесса охлаждения зерна в плотном слое на ЭВМ
Первый этап экспериментальных исследований проводился на зернотоку учхоза «Байкал» БСХИ с 10.10.90 по 20.05.91. Прямое комбайнирование семенных полей при сложившихся климатических условиях 1990 года началось 5 октября. Поступившее на зерноток свежеубранное зерно обрабатывалось на машине первичной очистки ОВП-20 и затем в течение суток загружалось в бункера СЗЦ-1,5 Начальные показатели качества семенного зерна приведены в/Габл. 4.1 Зафиксирована значительная разница между всхожестью зерна и энергией прорастания (более 10%), показатель говорит о незавершенности периода послеуборочного дозревания [30, 62]. Подтверждением этого предположения являются значительные изменения температуры во все четырех бункерах СЗЦ-1,5 в первые сутки хранения до начала процесса охлаждения (рис. 4.1І время с 0 до 22 ч. В связи с этим было принято решение проводить импульсное охлаждение, включая вентилятор на один час работы с тем расчетом, чтобы температурные поля меж зернового пространства поддерживалось в границах 2...9С. Такой температурный интервал будет лимитирующим для развития мезофильной микрофлоры и в тоже время сохранит естественный температурный фон для окончания процессов послеуборочного дозревания. Во вторых, импульсное вентилирование в течение часа достаточно для того, чтобы атмосферный воздух, имеющий разность с температурой зерна для первого включения вентилятора (рис.4.1) вынес избыток влаги из межзернового слоя =550 мм. Теоретически, в сложившейся ситуации даже, если относительная влажность воздуха будет равна 100% (такая возможность для первой декады сентября в 60% случаев (рис.2.3б) существует, возможно вентилированием высушить зерно до 14% влажности (таб.5.2).
За два часовых вентилирования температура зерна была снижена на 6С (с И до 5С), причем разность температур зерна в различных бункерах уменьшилась с 4С до 1,1С. После отключения вентиляторов в течение двух часов наблюдалось повышение температуры на 0,5...1 С, отражающее разность инерционности тепловых полей атмосферного воздуха межзернового пространства и зерновок. Затем температура зерна стала снижаться за счет кондуктивного теплообмена с окружающей средой.
Рассмотрим процессы кондуктивного обмена с окружающей средой между первым и вторым включением вентилятора с 2300 ч. до 2200 ч. следующих суток, (рис. 4.1) Изменение температуры зерна в бункерах копируют изменения температуры окружающего воздуха, причем разность ночных и дневных температур между зерном и атмосферным воздухом (в точках минимума для 800 и 16 ч.) составляет для бункера № 1 (среднее значение из всех четырех бункеров) 5,0...4,С. Б ночные часы за счет кондуктивного охлаждения температура понизилась на 1...2С, а в дневные часы повысилась на 4,5...6,0С. Это явление объясняется высокой солнечной инсоляцией в дневные часы, к тому же установка была смонтирована на открытой местности. При возможности следует размещать установку с северной стороны складов, тем самым уменьшая солнечную инсоляцию.
На рис.4.2 приведено изменение температуры зерна при кондуктивном теплообмене с окружающей средой между вторым и третьем вентилированием. Масштаб оси абсцисс (время астрономическое, час. суток) увеличен и показан один из четырех бункеров СЗЦ-1,5 с целью большей наглядности процесса кондуктивного теплообмена зерна с окружающей средой. Также приведены значения изменения температуры по часам суток по данным метеостанции г. Улан-Удэ и по прибору КСМ-4.
Метеостанция расположена в 8 км от зернотока на возвышенности, поэтому (а также погрешность прибора КСМ-4 и датчиков температуры) отмечается разность в данных на 0,5...1 С в ночные часы. В дневные часы эта разность возрастает до 5С за счет высокой солнечной инсоляции. Из рис.4.2 определяется время запаздывания т3, которое равно для ночных температур - один час. Таким образом, за три часовых ночных вентилирования температура зерна была снижена на 8С (с 11 до 3С).
Анализ (рис.4Л и 4.2) подтверждает теоретическое предположение о том, что для эффективного ведения процесса охлаждения требуется значительная «критическая» масса обрабатываемого зерна, достаточная для того, чтобы аккумулированный за счет ночного вентилирования холод не потерять в дневные часы. Попытка провести опыты по статистическим методам планирования эксперимента в данном случае невозможна, так масса зерна в 1,5 т недостаточна.
Методика исследования процесса охлаждения свежеубранного зерна на экспериментальной установке
Влажность свежеубранного зерна зависит от его J спелости и погодных условий, в период уборки может колебаться в широких пределах - от 13 до 35%. Причем влажность отдельных зерновых в момент уборки значительно отличается от среднего значения. Если проба имеет среднюю влажность 22%, то около 10% зерновых будут иметь влажность 17%, а более одной пя той всех зерен - выше 25%. При плохих условиях созревания эти колебания могут быть более значительными. і Неравномерная влажность отдельных зерновых является причиной больших потерь их с колосом при обмолоте, а после обмолота ускоряющим фактором быстрого самосогревания зерновой массы. Влажность отдельных зерновых в колосе сильно варьирует по часам суток, достигая максимума в ранние утренние часы, снижаясь до минимума к полудню и началу второй половины дня, если нет осадков. Поэтому целесо- образно начинать уборку в наиболее благоприятные часы, и как можно бы- стрее провести первичную очистку, так как в противном случае влага с сор-ной примеси перераспределится на зерно.
Необходимо иметь в виду, что, кроме величины абсолютной влажности, большое значение имеет форма связи влаги с материалом. Установлено значительное различие в длительности безопасного хранения вегетативно-влажного и увлажненного зерна одной влажности. В первом случае уже через несколько часов наблюдалось сильное самосогревание зерна, приводив шее к ухудшению его качества. В другом случае происходило более медленное согревание зерна, а изменение качества вызывалось главным образом жизнедеятельностью микроорганизмов, для которых создавалась благопри-ятная питательная среда. Продолжительность безопасного хранения зерна определяется его влажностью и температурой (табл.5.1.).
Безопасное хранение влажного зерна возможно при следующих услови- ях: низкой влажности зерна, низкой температуре зерна; низком содержании кислорода. В условиях фермерского хозяйства при отсутствии оборудования для активного вентилирования зерна возможно применение естественной сушки зерна на площадке. При устройстве открытой! площадки учитывают, что на одну тонну высушиваемого зерна требуется площадь до 15м. Зерно рассыпают слоем от 5 до 10 см в зависимости от состояния погоды и влажности просушиваемого зерна, Желательно днем зерно несколько раз перелопатить, а на ночь сгребать в бунты и прикрывать брезентом. Для сокращения затрат ручного труда возможно проведение естественной сушки в индивидуальных решетчатых закромах, изолированных от земли и оборудованных дефлектором для улучшения естественной вентиляции. Активное вентилирование зерна - самый дешевый и наименее трудоемкий способ охлаждения и консервации влажного зерна. В Восточной Сибири, да и в других регионах страны с резко континентальным климатом, в сентябре наблюдается большой перепад температур в течение суток. Наличие огромного естественного источника холода позволяет изменить стратегию обработки, заменив сушку (процесс длительный по времени) охлаждением. Анализ климатических параметров атмосферного воздуха за сентябрь месяц показал, что минимум суточных температур (колебания от 3 до 8 С) наблюдается с 4 до 8 часов. При этом относительная влажность воздуха изменяется в пределах 75-90 %. Температура свежеубранного вороха в условиях Восточной Сибири формируется в пределах 12-17С, т. е. разница в температуре между зерном и воздухом составляет в утренние часы от 4 до 14С.
Анализируя табл.5.2, видим, что влажное зерно можно охладить атмосферным воздухом с относительной влажностью 100%, при этом достигая эффекта сушки зерна до влажности 20% при условии, если воздух холоднее зерна на 1С. Если этот же воздух будет холоднее зерна на 8С, то можно высушить зерно до 13%, т.е. получить сухое зерно.
Включая установку активного вентилирования в утренние часы, запасаем ночной холод в зерновом ворохе на дневные часы (за счет его плохой те 1Z? плопроводности).
Охладив зерно до 5С, дальнейшая стратегия обработки выбирается в зависимости от влажности и назначения зерна. Фуражное зерно с влажностью до 22% может храниться в охлажденном состоянии, семенное и продовольственное доводится до требуемых кондиции, повторным цикличным вентилированием холодным воздухом.
Следует внимательно следить за тем, чтобы ворох не вентилировался очень влажным воздухом (более 90%) при температурах его выше зерна более 1 С . В этом случае происходит конденсация влаги в поверхностных слоях.
Экспериментальные исследования процессов охлаждения зерна на экспериментальной установке
По данным журналов «Бухгалтерская отчетность организаций АПК Минсельхозпрода Р.Б. за 1998 - 2002 г. »: Стоимость одного литра диз. топлива за последние пять лет возросла в 4,65 раза (с 1955руб. в 1998г. до 9100 руб. на 01.03.03 ), стоимость электроэнергии в 5,5 раза (51 коп 1999г. до 108 коп. на 01.03.03). Себестоимость одного килограмма зерна в Р.Б. за последние три года в среднем составила 2,14 руб/кг (2000 г. - 1,77 руб /кг; 2001 г. - 2,27 руб/кг; 2002 г.- 2,39руб/кг), при урожайности 7,8 /7,1; 5,6 / 5,2; 6,4 / 5,9 ц/га ( где в знаменателе данные после доработки).
По итогам 2002 г. себестоимость зерна изменялась от 4075 руб/т в Тункинском районе до 1753 руб/т в Закаменском районе. Данные по хлеборобным районам: Джидинский - 2182 руб/т., Бичурский — 3067 руб./т., Мухоршибирский - 3196 руб/т. Средняя цена реализации зерна по республике равна 2644 руб/т ( для расчетов примем 2600 руб) Для упрощения расчетов примем вариант, когда хозяйство не затрачивает средств на послеуборочную консервацию свежеубранного зерна. В этом случае, как минимум , возрастают потери в поле на 3% [44] и при хранении — на 2% [84]. Экономическая эффективность технологии хранения зерна в охлажденном состоянии складывается из следующих составляющих: экономии капитальных затрат за счет снижения стоимости установки; экономия за счет исключения расхода жидкого топлива; сокращение предуборочных потерь зерна в поле за счет выполнения рекомендаций науки по срокам уборки; сокращение потерь при послеуборочной обработки и хранении за счет исключения воз никновения процессов самосогревания. На основании проведенных аналитических и экспериментальных исследований нами сделаны следующие выводы: 1. Для регионов с резко континентальным климатом, где в ночные часы температура атмосферного воздуха в период уборки зерновых меньше 10С, экономичнее и целесообразнее, с точки зрения физиологических особенностей зерновок, заменить тепловую сушку охлаждением. В этом случае не отменено снижение семенных или продовольственных качеств зерна при хранении. 2. На сохранность свежеубранного зерна влияют физиологические и тепло-физические свойства свежеубранного зернового вороха, рассматриваемые во временных координатах. Установлена возможность управления физиологическими процессами с целью долговременной консервации. 3. Разработанная классификация факторов, влияющих на сохранность свежеубранного зерна, позволяет объединить их в четыре группы и выявить возможность управления физиологическими процессами консервации. Установлено, что для консервации зерна естественным холодом ночных часов суток достаточно за время, не превышающее лаг период охладить его до температуры, исключающей развитие мезофильной микрофлоры, а затем, через определенные промежутки времени убрать вентилированием избыток тепла и влаги, выделяемые от жизнедеятельности зерновой массы. 4. Алгоритм управления физиологическими процессами в свежеубранном зерновом ворохе заключается в том, чтобы: а) соблюдая временные ограничения (т 1...3 сут.) сформировать на установке для вентилирования зерна ворох с оптимальными геометриче скими размерами; б) используя минимум температур атмосферного воздуха (для регионов Восточной Сибири с 2200 до 900 часов) включать вентилятор на первой стадии обработки при условии разности температур зерна и воздуха больше или равно 5С, отключать при условии разности температур зерна и воздуха больше или равно 1С; первая стадия обработки завершается, когда температура зерна в застойной зоне достигнет значения меньше 5 С после завершения кондуктивного теплообмена (т = 5 сут.); в) при необходимости получения зерна требуемых кондиций по влаж ности проводится вторая стадия обработки, включение вентилятора осу ществляется также по условию разности температур зерна и воздуха как на первой стадии, а отключение через 4 часа (импульсное вентилирова ние); вторая стадия обработки завершается при влажности межзернового пространства в центре вороха меньше 75%; г) контроль за процессом хранения осуществляется путем фиксации скорости изменения температуры зерна через 15 суток. 5. Установлено, что кондуктивное выравнивание температур после завершения процесса активного вентилирования в реальном зерновом ворохе можно считать завершенным через 5-7 суток. Затем все многообразие возможных взаимодействий факторов, влияющих на сохранность свеже-убранного зерна, будет проявляться в величине изменения температуры и состава воздуха межзернового пространства. 6. Разработана установка для осуществления технологии консервации све-жеубранного зерна естественным холодом ночных часов с двумя вариантами изготовления воздуховодов: рассверленная металлическая труба и деревянный короб. 7. Экономическая эффективность предлагаемой технологии достигается за счет использования бесплатного, экологически чистого консерванта (холода ночных часов суток), сокращения предуборочных потерь, вызванных затягиванием сроков начала уборки с целью исключения его сушки, а также доведения свежеубранного зерна до наивысших возможных показателей качества.
