Инженерные системы для хранения сырья в свеклосахарном производстве

Период продолжительности хранения свеклосахарного сырья завит от эффективности инженерных систем, предназначенных для отведения избыточной теплоты от корнеплодов. Приведен обзор технических решений, применяемых для хранения сахарной свёклы. Акцентировано внимание на работе инженерных систем, предназначенных для создания условий хранения сырья навалом без ограждающих конструкций. Установлено, что в решении задач обеспечения потребностей производства важная роль принадлежит инженерным системам активной вентиляции насыпи корнеплодов. Выявлены особенности хранения сахарной свёклы и представлены задачи, решение которых способствует повышению эффективности хранения сырья. Проведен анализ величин аэродинамического сопротивления насыпи для свёклы из нормативных документов, который подтвердил недостаточность справочных данных для проектирования систем активной вентиляции. Предложен диапазон допустимых скоростей воздуха в межкорневом пространстве сахарной свёклы с учетом влияния окружающей среды и отсутствия ограждающих конструкций. Представлены рекомендации для конструирования систем активной вентиляции. Рассмотрены типы ограждающих конструкций сооружений для хранения корнеплодов, получившие наибольшее распространение в свеклосахарном производстве в настоящее время. Предложен принцип работы инженерных систем охлаждения насыпи для овощехранилищ, основанный на среднесуточном колебании температур. Систематизированы существующие решения и представлены задачи, требующие решения при проектировании инженерных систем свеклохранилищ.

В сахарной промышленности актуальны задачи увеличения продолжительности цикла работы сахарного завода и повышения эффективности переработки свеклосахарного сырья.

Период продолжительности работы сахарного завода в Российской Федерации составляет 110…140 дней в год, при этом в ряде государств продолжительность работы заводов составляет 170…200 дней. Разрыв образовался в двадцатом веке из-за того, что для советского свеклосахарного производства первостепенной задачей являлось увеличение мощности завода, а хранение сырья являлось второстепенной, поэтому данный вопрос и сейчас недостаточно изучен. Сегодня основным направлением исследований является разработка химических веществ для обработки корнеплодов и изучение их влияния на свёклу. При этом эффективность обработки насыпи во многом зависит от аппаратной части системы активной вентиляции сырья, которая является слабым звеном всей технологической цепочки хранения корнеплодов. Под активным вентилированием подразумевается принудительная подача атмосферного воздуха через неподвижную насыпь сырья в овощехранилищах и на открытых площадках.

Ограниченность периода хранения заготовленного сырья не позволяет увеличить цикл работы завода, а нарушение условий хранения способствует уменьшению периода сохранности и снижению качества сырья. При переработке качественного сырья из ста тонн получают от четырнадцати до семнадцати тонн сахара, а при нарушении режимов хранения корнеплодов – от шести тонн сахара. Таким образом, в сахарной промышленности актуальной задачей является увеличение продолжительности цикла работы сахарного завода и повышение эффективности переработки свеклосахарного сырья.

Исходя из вышесказанного, необходимо систематизировать знания для разработки алгоритма проектирования инженерных систем, учитывающих рекомендации хранения овощей валовым способом, с учетом равномерного тепломассообмена по всему объему насыпи при минимизации энергозатрат.

Период поступления сельскохозяйственного сырья на площадки хранения начинается с сентября. Во время хранения в сахарной свёкле протекают химические реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, влаги, приводящие к потере сахаристости. Интенсивность биохимических реакций зависит от температуры внутри корнеплодов, а также температуры, скорости и газового состава воздуха в межкорневом пространстве. На рис. 1 приведен график зависимости суточных потерь сахара свёклой от температуры насыпи.

Рис. 1. Зависимость от температуры в насыпи: 1 – суточных потерь сахара свёклой, % от массы свеклы; 2 – количества выделяемого тепла на 1 т свёклы, ккал

При хранении овощей учитывают три основных параметра воздуха: температура, влажность, скорость движения воздуха в насыпи. Диапазон изменения температуры и влажности для каждой культуры берется из справочников теплофизических характеристик пищевых продуктов. Скорость движения воздуха в овощехранилищах составляет 0,12… 0,5 м/с. Оптимальная температура хранения сахарной свёклы – 0...+2 °С при относительной влажности 85…95 %.

Межкорневое пространство занимает 30…40 % объема насыпи сахарной свёклы. За счет разности температур окружающего воздуха и воздуха внутри слоя насыпи возникает конвективное движение воздуха. По данным, приведенным в, скорость воздуха находится в диапазоне 0,005…0,05 м/с. Температура сырья, поступающего на хранение, составляет +10...+12°С. Установлено, что данной скорости воздуха недостаточно для отведения избыточной теплоты от сырья. На рис. 2 показан процесс испарения влаги, образованной в ходе химической реакции, сопровождающейся выделением теплоты внутри насыпи. Наоборот, процессы, проходящие внутри сахарной свёклы, способствуют возникновению эффекта «горения». «Горение» сырья – это локальное возрастание температуры с образованием «очага горения», приводящее к ускоренной порче сырья. Для снижения и поддержания температуры в заданном диапазоне применяют систему принудительной вентиляции.

Рис. 2 – Внешний вид насыпи для краткосрочного хранения без использования инженерных систем: 1 – насыпь сахарной свёклы, 2 – водяной пар

Проведен обзор конструктивных решений современных инженерных систем для овощехранилищ компаний ООО «ЗИПо» (г. Липецк), ООО «АБОНО» (г. Москва), ООО «Агрохолод» (г. Котовск).

Компания «ЗИПо» предлагает собственную запатентованную разработку вентиляционных каналов для хранения сырья навалом (рис. 3, а). Отличительной особенностью каналов являются ребра жесткости, которые позволяют использовать меньшую толщину стенки (1,2…2,2 мм). При изготовлении вентиляционных каналов использует конвейерное производство, что значительно снижает время и затраты на изготовление продукта. В то же время выпускные отверстия воздуховода располагаются на одном расстоянии друг от друга, имеют одну форму и площадь, что снижает эффективность равномерного распределения воздуха по всей длине. Также компания «ЗИПо» занимается разработкой и изготовлением высоконапорных осевых вентиляторов (рис. 3, б), которые ориентированы для применения в системах вентиляции с большим сопротивлением воздушному потоку.

Рис. 3. Внешний вид вентиляционного оборудования: а) вентиляционных каналов для картофелехранилища; б) вентиляционных агрегатов для сахарной свёклы

  А

 Б

ООО «АБОНО» предлагает инженерную систему воздухоподготовки для картофелехранилищ (рис. 4). Принцип работы основан на вытесняющей вентиляции «сверху – вниз» для стеллажного овощехранилища. За счет того, что между штабелями имеется воздушное пространство, возникновение эффектов самосогревания сырья и «горения» снижено. Схема подачи воздуха «сверху – вниз» в данной конструкции овощехранилища наиболее эффективна. Также особенностью этой конструкции является минимальное использование воздуховодов. Инженерное решение компании ООО «АБОНО» применяется для хранения овощей, картофеля, лука, моркови в ящиках, решетчатых контейнерах на стеллажах. Система применима и для долгосрочного хранения (до 6 месяцев) сахарной свёклы, однако в этой отрасли не применяется. Причиной отсутствия спроса является высокая стоимость капитальных затрат, обусловленная низкой ценой на сахарную свёклу и большими объемами хранения сырья. Сахарный завод перерабатывает сырья от 1,5 до 4 тысяч тонн в сутки. Вместительность типового овощехранилища для сахарной свёклы составляет от 2 до 10 тысяч тонн.

Рис. 4. Система вентиляции и охлаждения сельскохозяйственного сырья компании «АБОНО»: а) внешний вид системы подготовки воздуха; б) принципиальная схема работы

Компания «Агрохолод» разработала комплексную систему активной вентиляции для хранения сахарной свёклы в насыпи, которая включает в себя вентиляционный агрегат, воздуховоды, систему автоматизации и контроля температуры сырья, а также систему диспетчеризации, оснастку для транспортировки воздуховодов и другое вспомогательное оборудование. Особенностью конструкции является модульная рама вентиляционного агрегата (рис. 5), которая позволяет увеличить полезную длину воздуховода за счет того, что она частично находится в насыпи сырья. Используются воздуховоды диаметром 820 мм и толщиной стенки 9 мм. Толщина подобрана для нагрузки, которую создают сахарная свекла и (с учетом запаса прочности) механические воздействия во время демонтажа системы.

Несмотря на имеющиеся предложения на рынке по организации хранения сырья с помощью инженерных систем, спрос на них невысок из-за того, что он только начал формироваться, и на данный момент менее 10 % сахарных заводов осваивают технологию хранения с принудительной вентиляцией. Получили распространение системы активной вентиляции насыпи сахарной свёклы, предполагающие хранение сырья без ограждающих конструкций. Наиболее комплексное предложение у компании «Агрохолод». Преимуществами этой системы является низкая стоимость, окупаемость за один-два года эксплуатации. Недостатками является незащищенность сырья от воздействий окружающей среды. Воздуховоды системы активной вентиляции устанавливаются на площадку и засыпаются сырьем. Воздух, забираемый из окружающей среды, равномерно поступает снизу по всему объему насыпи через распределительные щели для охлаждения сырья. Хранение сырья без ограждающих конструкций ориентировано на среднемесячную температуру окружающего воз-духа около 0 °С или ниже.

Рис. 5. Хранение сырья без ограждающих конструкций: 1 – насыпь сахарной свёклы, 2 – воздуховод, 3 – рама вентиляционного агрегата

Таким образом, установлено, что при проектировании инженерных систем необходимо решить следующие задачи:

˗ рассчитать расход подаваемого воздуха для охлаждения насыпи при допустимой скорости воздушного потока;

˗ подобрать диаметр трубы и толщины стенки для воздуховода;

˗ выбрать форму выпускных отверстий;

˗ рассчитать шаг между выпускными отверстиями для достижения равномерного распределения воздуха по всей длине воздуховода;

˗ подобрать вентилятор;

˗ подготовить площадку для хранения сырья;

˗ подобрать технику для транспортировки воздуховодов и вентиляционных агрегатов;

˗ выбрать способ укладки воздуховодов и установки вентиляционных агрегатов;

˗ установить систему автоматизации и контроля температуры внутри насыпи.

Скорость воздуха на выходе из воздухораздающих отверстий в объем хранимой продукции авторами рекомендуется принимать 1…2 м/с. Эта скорость выше, чем в справочной литературе, вследствие увеличения высоты насыпи сырья, которая составляет от 6 до 8 метров, а также для уменьшения периода охлаждения сырья. На сегодняшний день имеются исследования, посвященные потерям веса корнеплодов от скорости воздуха в межкорневом пространстве. В справочной литературе предлагается использовать диапазон скоростей воздуха, рекомендованный для овощехранилищ, который составляет от 0,1 до 0,5 м/с. При этом не учитывается отсутствие ограждающих конструкций и влияние окружающей среды при хранении на открытых площадках, а также отсутствуют исследования экономической эффективности скорости охлаждения при изменении климатических условий. Наличие ограждающих конструкций позволяет снизить влияние суточных колебаний температур и атмосферных осадков.

Расход воздуха принимается равным 35…70 м3/ч на одну тонну в зависимости от сорта корнеплодов. Воздуховоды располагаются параллельно друг другу и перпендикулярно длине насыпи. Расстояние между соседними воздуховодами составляет 6 метров при высоте насыпи 6,5 метров. При скважности сырья 40 %, насыпная плотность которого составляет ρн = 600 кг/м3, вес, приходящий на погонный метр воздуховода, составляет 25,2 тонны. При расходе воздуха 50 м3/(ч·т) требуется подать не менее 1300 м3/ч воздуха на один метр воздуховода. В НТП АПК 1.10.12.001-02 «Нормы технологического проектирования предприятий по хранению и обработке картофеля и плодоовощной продукции» приведены значения аэродинамического сопротивления для свёклы высотой насыпи до 4 метров и расходом воздуха до 500 м3/ч (табл.), что не отвечает реальным условиям хранения сырья.

Таблица. Аэродинамическое сопротивление насыпи свеклы, Па

Данные в табл. приведены для свёклы обыкновенной (столовой), которая имеет меньший размер, чем сахарная. При проведении лабораторного опыта для определения аэродинамического сопротивления насыпи автором были получены результаты, которые отличаются от приведенных в табл. Чтобы подтвердить достоверность проведенного опыта, требуется проведение дополнительных исследований. Наличие спроса на хранение описанной выше конфигурации насыпи (высотой 6…7 метров) и отсутствие справочных данных приводит к необходимости проведения соответствующих исследований и разработки рекомендаций для расчета активной вентиляции.

Подбор диаметра воздуховода должен производиться из расчета необходимой подачи воздуха. Толщина стенки воздуховода должна быть достаточной для восприятия нагрузки, создаваемой сахарной свёклой, а также иметь прочностной запас на воздействие механических воздействий при монтаже и демонтаже системы. Рекомендуемая расчетная скорость движения воздуха в поперечном сечении воздуховода не должна превышать 10 м/с во избежание повышенного аэродинамического сопротивления.

Шаг выпускных отверстий рассчитывается из условия сегментного распределения воздуха по длине насыпи. Необходимо учитывать, что слой, находящийся вблизи сторон насыпи, меньше подвержен эффекту самосогревания. Форма выпускных отверстий подбирается из условия необходимой пропускной способности сечения и сохранения прочностных свойств воздуховода.

С учетом натурных исследований авторами предлагаются следующие рекомендации по конструированию вентиляционной системы:

˗ для выпускных отверстий использовать форму ромба, овала, линзы и др.;

˗ длина выпускного отверстия должна быть перпендикулярна центральной оси воздуховода;

˗ отверстия размещаются с обеих сторон относительно центральной оси воздуховода вблизи поверхности соприкосновения вентиляционного канала с площадкой;

˗ минимальное расстояние между соседними отверстиями не должно быть меньше 4-х размеров, равных ширине выпускного отверстия. При необходимости большего количества отверстий на участке воздуховода необходимо расположить следующий ряд выше предыдущего на расстояние, равное не менее одной длины выпускного отверстия (ряды располагаются в шахматном порядке) (рис. 6).

Вентилятор подбирается по результатам аэродинамического расчета воздуховода с учетом сопротивления насыпи сахарной свёклы. Следует учитывать рабочее положение вентилятора. Несмотря на заявление производителей, что вентиляторы возможно эксплуатировать вертикально, оборудование не имеет упорного подшипника на валу, что приводит к быстрому износу и выходу из строя. При заказе вентиляторов для вертикального рабочего положения необходимо требовать у завода-изготовителя вносить соответствующие дополнения в конструкцию электродвигателя.

Рис. 6. Воздуховод системы активной вентиляции: 1 – платформа регулировки высоты воздуховода, 2 – выпускное отверстие, 3 – насыпь сахарной свёклы

Для монтажа системы активной вентиляции необходимо иметь подготовленную бетонную или асфальтированную площадку. На данный момент появились разработки, позволяющие формировать насыпь на грунтовой поверхности, что расширяет возможности внедрения системы активной вентиляции. Монтаж инженерной системы на площадке производится на период хранения сырья. Отсутствие оснастки для транспортировки и монтажа системы вентиляции приводит к удорожанию проекта, так как помимо закупки аппаратной части требуется приобретение боковых погрузчиков типа Combilift (Ирландия). Разработка шасси для транспортировки воздуховодов позволяет работать на штатном оборудовании завода: вилочные погрузчики, ковшовые погрузчики и др.

Для обеспечения минимальных энергозатрат управление работой вентиляционных установок должно осуществляться с помощью систем автоматизации. Контроль за температурой корнеплодов при этом производится в режиме реального времени и каждый час производится запись в журнал.

Авторами предлагаются следующие условия включения системы активной вентиляции в автоматическом режиме:

- температура сырья выше уставки, задаваемой оператором 
- температура окружающего воздуха ниже температуры сырья 
- температура окружающего воздуха выше -3 °С 
Последнее условие включения системы необходимо для снижения воздействия негативного влияния на продукцию, а именно предотвращения образования трещин на корнеплодах вследствие большой разницы между температурой окружающего воздуха и температурой сырья.

Уставка выбирается в пределах от 0 до +3 °С. Вышеприведенные условия включения вентиляции можно представить в виде системы:

Измерение температуры внутри насыпи производится с помощью термоштанг. Это устройство представляет из себя штангу, на одном конце которой установлен датчик измерения температуры среды, а на другом конце – блок с передающим устройством. Датчик устанавливают сверху насыпи на глубину 1,5 м. Применяют проводные и беспроводные термоштанги. Проводные термоштанги имеют простую конструкцию и вместе с этим недостаток, связанный с возможностью обрыва проводов. Недостатком беспроводных термоштанг является необходимость зарядки аккумуляторов, однако они удобны в эксплуатации. Вопрос зарядки аккумуляторов можно решить с помощью модульной конструкции термоштанг. Если термоштанга не передает сигнал, то заменяется аккумуляторный блок.
В настоящее время производительность системы вентиляции регулируется за счет включения и отключения вентиляционной установки. Отсутствуют результаты изучения влияния непосредственного вентилирования через неподвижную насыпь при различных режимах работы вентилятора. При изучении следует рассмотреть постоянное, периодичное вентилирование, а также со ступенчатым регулированием производительности электродвигателя вентилятора для определения наиболее экономичного режима в период эксплуатации.
Объемы сырья ограничиваются сроком хранения, который, в свою очередь, зависит от способа хранения (с инженерными системами или без них) и климатических условий. Чтобы минимизировать влияние последних, необходимо перейти от способа хранения открытого типа к хранению с использованием ограждающих конструкций. Хранение на открытых площадках обладает рядом недостатков в связи с незащищенностью от атмосферных осадков. Наибольший ущерб наносит дождь в период оттепелей, «вымывая холод» из насыпи. Специфика разработки овощехранилища для сахарной свеклы заключается в том, что объем сырья, предназначенный для хранения, довольно большой. Например, чтобы обеспечить потребности сахарного завода производительностью 3 тысячи тонны в день на 90 дней, необходимо поместить на хранение в овощехранилищах порядка 270 тысяч тонн сахарной свеклы, при этом требуется обеспечить свободный доступ для забора сырья на нужды производства.

Решение задач для хранения сырья навалом без ограждающих конструкций и усовершенствование описанной выше системы позволит детальнее подойти к разработке овощехранилищ. 
Существует два направления ограждающих конструкций для овощехранилищ, которые получили развитие в свеклосахарном производстве. Первым направлением является типовое овощехранилище, применяемое для хранения картофеля, свеклы обыкновенной (столовой), лука, моркови и др. В настоящее время активно развиваются быстровозводимые хранилища ангарного типа с утеплением стен. Утепление производится с помощью крепления теплоизоляционных материалов на стенках и потолке здания или с помощью напыления теплоизоляции. Монтаж теплоизоляционных рулонов или плит имеет ряд недостатков, так как не всегда достигается плотная стыковка, вследствие чего увеличиваются теплопритоки через неизолированные части металлоконструкций. Наиболее эффективным и простым является напыление пенополиуретана на внутреннюю поверхность ограждающей конструкции. Пенополиуретановое напыление проводится на поверхностях любой формы и в труднодоступных местах, позволяет получить бесшовную поверхность любой толщины.
Вторым направлением минимизации воздействий окружающей среды на сырье является использование укрывных материалов для насыпи. Данный способ укрытия значительно дешевле, защищает от осадков, но обладает недостатками. Накрывные маты усложняют забор сырья из насыпи, создают дополнительное аэродинамическое сопротивление для вентиляции. При применении укрывного материала к неохлажденной насыпи сырья теплота, удерживаемая внутри насыпи, не удаляется, что приводит к усилению эффекта самосогревания.
Если рассматривать период хранения сырья 180…200 дней, цикл работы сахарного завода завершается в марте. В центральной части Российской Федерации среднемесячная температура в марте ниже 0 °С, при этом амплитуда колебаний температуры окружающего воздуха в течении дня составляет 5…10 °С. Количество тепловыделений в период охлаждения составляет 34 Вт на тонну, в период хранения – 10,5 Вт на тонну. Например, теплопритоки от 270 тысяч тонн сырья в период охлаждения составляют 9,18 МВт, в период хранения – 2,84 МВт. При росте температуры хранения и увеличении интенсивности химических реакций внутри свеклы, количество теплопритоков от сырья увеличивается. Использование только искусственного холода нецелесообразно, поэтому при проектировании необходимо предусматривать систему охлаждения естественным холодом как основную, а холодильную установку использовать как вспомогательную для удаления теплопритоков от окружающей среды в период суточных колебаний температуры.
С учетом вышеописанных особенностей сезонной работы хранилищ свеклы, следует обеспечить различную логику работы инженерной системы зимой и в начале весны:
- при температуре окружающей среды ниже 0 °С использовать только естественный холод;
- при температуре окружающей среды выше 0 °С в течение светового дня отключать систему активной вентиляции и использовать холодильную машину. При отрицательных температурах ночью включать систему активной вентиляции и охлаждать сырье.
Подаваемый в слой насыпи воздух не должен быть холоднее сырья более чем на 5 °С, так как при большой разнице температур приточного воздуха и насыпи возможно образование трещин на плодах, что негативно сказывается на сроке хранения. Необходимо предусматривать камеру смешения уличного воздуха и воздуха из овощехранилища.
Помимо температуры необходимо поддерживать в овощехранилище оптимальную влажность воздуха, а также учитывать эффект осушения воздуха при работе холодильной машины. Соответственно в овощехранилищах должна предусматриваться система увлажнения воздуха. Следует учитывать, что в период охлаждения сырья в корнеплодах протекают интенсивные химические реакции и помимо выделяющейся теплоты также образуется водяной пар, поэтому необходимо предусматривать систему осушения воздуха.
Таким образом, для создания комплекса по хранению сахарной свеклы необходимо выделить задачи, которые требуют системного подхода в решении:
- выбор конструктивного исполнения и способа утепления ограждающих конструкций;
- разработка схемного решения системы активной вентиляции насыпи и режимов ее работы;
- разработка системы воздухоподготовки, включающая охлаждение искусственным холодом, подогрев, осушение, увлажнение;
- разработка схемного решения равномерного распределения подготовленного воздуха по вентиляционным каналам;
- автоматизация работы инженерных систем, а также обеспечение контроля температуры сырья для минимизации энергозатрат.
Заключение
Выявлены основные проблемы, решение которых будет способствовать развитию хранилищ для свеклосахарного производства, повышению технологических и экономических показателей хранения сахарной свеклы навалом без ограждающих конструкций. 
Авторами предложены рекомендации для разработки схемных решений систем активной вентиляции насыпи без ограждающих конструкций. Предложена логика работы инженерных систем хранилищ свеклы с учетом сезонных особенностей работы. Определены граничные условия включения системы активной вентиляции в автоматическом режиме, базирующиеся на основе мониторинга температуры сырья внутри насыпи.
С. М. Кольцов, магистрант,
М. Н. Жерлыкина, канд. техн. наук, доцент, 
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»