За матеріалами статті на тему «Правильний підхід до проектування системи кондиціонування цукрового силосу» («The right approach how to design the conditioning system of a sugar silo») журналу «Цукрова галузь» («Sugar Industry»), 142 (2017).

Ефективне проектування системи кондиціонування цукрового силосу дозволяє уникнути далекосяжних наслідків, таких як надмірне утворення кірки на стінках силосу, зміна кольору цукру, мікробіологічна активність, погіршення зовнішнього вигляду та сипучості цукру. У наші дні цукрові силоси розраховані на об’єм до 80 тис. т, а схема проектування системи кондиціонування заснована на індивідуальному підході.

Головною метою є забезпечення якості цукру, безперебійного транспортування та безпеки праці. Забезпечення якості продукції включає гарантію тривалого терміну її придатності. Тривалість кондиціонування цукру повинна складати 48-72 годин для забезпечення його придатності до зберігання. Для ефективного проектування системи кондиціонування силосу необхідно забезпечити рівномірний розподіл подачі цукру та кондиційного повітря всередині силосу (Рис. 1). У процесі кондиціонування важлива правильна повітряна обробка, низька швидкість повітряного потоку, розподіл повітря всередині силосу для досягнення здатності вільної сипучості та заданої залишкової вологості цукру. Для захисту силосу від пошкоджень необхідно контролювати тиск та додатково обладнати силос механічною системою вакуумних вимикачів.

Рис. 1. 3D анімація кондиційного силосу

Загальна похибка полягає в тому, що кондиціонування — це просто процес видалення води, а кондиціонування цукру зазвичай пов’язане зі зменшенням вмісту води в кожному конкретному випадку/ситуації. Тому пояснюється, які моменти потрібно враховувати і які припущення є основою правильного проектування системи кондиціонування.

Вихідне положення

Залишковий вміст води може спричинити грудкування та злежування цукру, що впливає на його якість, зберігання та транспортування. Ще однією важливою причиною кондиціонування є уникнення необхідності проникання персоналу в неопорожнений силос. Спочатку його (силос) слід повністю розвантажити. На Рис. 2 показано, як персонал потрапляє в силос та піддається небезпеці через мимовільні закупорювання, викликані надмірною вологістю цукру.

Процес кондиціонування

Системи кондиціонування силосу зазвичай включають такі основні компоненти:

• Видалення пилу/ система збору відходів
• Газопроводи сирого та очищеного газу
• Захист від вибуху
• Радіальні вентилятори
• Осушувач та/або зволожувач повітря
• Система підлогових повітряпроводів
• Система управління ПЛК (програмований логічний контролер) для автоматизації технологічних процесів.

Процес кондиціонування складається з трьох фаз: фаза попереднього нагрівання, фаза наповнення та посткондиціонування.

На фазі попереднього нагрівання силос нагрівається приблизно до 30°C протягом 2-3 днів за допомогою кондиційного повітря. Повітря, що подається, повинне бути попередньо кондиційованим. Таким чином, мають бути досягнуті цільові значення відносної вологості, які, наприклад, використовуються в процесі кондиціонування.

Під час фази наповнення повітря температура всередині силосу становить близько 25-30°C, а відносна вологість повітря — приблизно 30%. Регулювання обсягу циркулюючого повітря відбувається шляхом налаштування швидкості обертання вентилятора. При збільшенні заповнення силосу частоту обертання вентилятора потрібно збільшувати залежно від втрати тиску шару цукру, поки не буде досягнута необхідна кількість повітря, яка подається в силос. Під час фази наповнення та до 72 годин після цього процесу повітря належним чином кондиціонується, тим самим знижується ризик виникнення так званих «вологих плям» у цукрі. Точка конденсації не перевищується, а процес кондиціонування відбувається до необхідного залишкового вмісту води в цукрі. Після кондиціонування вміст води в цукрових кристалах повинен залишатися стабільним. Тривалість кондиціонування залежить від наступних аспектів:

• Розмір цукрових кристалів
• Вміст води в кристалах цукру
• Відносна вологість, температура та повітряний потік
• Обсяг наповнення силосу
• Час наповнення

Фаза посткондиціонування починається тоді, коли цукор вже висох, а силос більше не завантажується додатковим цукром. Після наповнення та кондиціонування силос повинен регулярно вентилюватися. Під час вентилювання необхідно контролювати відносну вологість. Щоб мінімізувати ризик статичних розрядів, відносна вологість повітря не повинна бути занадто низькою. Обсяг повітря, що подається, можна зменшити до 50-60%. Для підтримки смаку цукру принаймні 10% циркулюючого повітря замінюється свіжим повітрям, незалежно від погодних умов. За належних погодних умов для забезпечення енергоефективної роботи можна подавати до 100% свіжого повітря. Розподіл повітря є важливим аспектом хорошого кондиціонування (Рис. 3). Низька швидкість повітряного потоку та великі випускні або вихідні отвори покращують розподіл повітря в цукрі та дозволяють уникнути утворення «вологих плям», тобто не кондиційного належним чином цукру.

Рис. 3. Повітряна обробка та розподіл повітря

Рис. 4. Відповідні проектні параметри

Проектні вимоги та параметри

Основними проектними вимогами та параметрами є якість цукру, розмір цукрових кристалів, норма подачі, тип силосу, а також умови зберігання, такі як температура, вологість тощо. На основі розрахунків, досвіду та припущень про можливість найгіршого варіанту розвитку подій слід визначати цільові значення якості продукції, відносної вологості, температури та розподілу повітря. На Рис. 4 показані основні параметри, які необхідно враховувати.

Якість продукту

При розрахунку необхідного обсягу повітря для системи кондиціонування, необхідно враховувати індивідуальний розмір цукрових кристалів та залишковий вміст води в цукрі. Більші кристали потребують більше часу для кондиціонування, ніж менші часточки. Якщо процес охолодження та сушіння не працює належним чином, корисно робити припущення про можливість найгіршого варіанту розвитку подій. Цукор зазвичай повинен мати залишковий вміст води приблизно від 0,030 до 0,035%, але система проектується з урахуванням вищого значення на основі досвіду, щоб забезпечити надійну функціональність процесу кондиціонування в будь-якому випадку.

Норма подачі

Норма подачі цукру залежить від виробничих потужностей і може сильно змінюватися. Норма подачі, а також вміст води в цукрі важливі для визначення необхідної кількості повітря, щоб досягти середнього вмісту води — 0,02%. На Рис. 5 показано зв’язок визначення кількості повітря з існуючою нормою подачі цукру в силос.

Тип силосу

Існують різні типи силосів, які показано на Рис. 6. Кожен із них має свої особливі характеристики щодо умов зберігання цукру, які слід розглядати в кожному окремому випадку. Кругла площа підлоги дозволяє уникнути відкладень продукції та погано провітрюваних зон через відсутність кутів та країв. Коло відповідає природній формі вільної сипучості цукру і забезпечує чіткі статичні умови для завантаження силосу та зберігання солодкого продукту. Циліндрична або сферична безкаркасна конструкція забезпечує найкращі умови для рівномірного розподілу тиску, що виникає внаслідок завантаження силосу.

Інший аспект включає тип ізоляції, опалювальну систему, а також варіанти розвантаження силосу, які мають великий вплив на повітряні умови та проектування системи підлогових каналів. Тип силосу визначає його розміри та об’єм, а також необхідну кількість повітря. Наприклад, куполоподібна конструкція з більшою площею підлоги вимагає більше метрів підлогових каналів та відповідно спроектованої системи вентиляції через великі обсяги повітря.

Рис. 5. Співвідношення норми подачі цукру до кількості повітря

Рис. 6. Типи силосів (зліва направо): з підвісною стелею, конічним дахом, зрізаним конічним дахом, куполом (півсферичним), куполом (циліндричним)

Відносна вологість

Зі зменшенням відносної вологості (наприклад, за рахунок підвищення температури зберігання) після сушки виникає ризик утворення грудок та злипання цукру. Збільшення відносної вологості повітря (наприклад, при охолодженні під час транспортування до замовника) може призвести до проникнення води в цукор. Тому необхідно забезпечувати та постійно контролювати оптимальні умови розподілу повітря — від сушіння цукру до розвантаження силосу — для збереження та підтримки вільної сипучості продукту.

На Рис. 7 показано типову криву сушіння цукру. Було виявлено, що перші 24-48 годин зберігання є вирішальними, оскільки саме в цей період вода в цукрових кристалах та залишковий вміст води на їх поверхні легко доступні для видалення. Точний період залежить від параметрів, що стосуються розміру кристалів цукру, повітряного режиму та швидкості повітряного потоку.

Рис. 7. Типова крива сушіння цукру

Сучасні силоси вентилюються кондиційним повітрям 20-30°C і мають низьку відносну вологість. У разі постійної вентиляції та уникнення конденсації цукор знаходиться в рівновазі з вмістом води до 0,05%, тому злежування відсутнє.

На Рис. 8 показано, як відносна вологість впливає на якість продукції. Оптимальний відсоток коливається від 30% до 40% в основі силосу. Відносна вологість повітря більше 50% призводить до зменшення сипучості, збільшення злежування і, зрештою, до проблем із завантаженням та розвантаженням силосу. У силос подається більш прохолодне свіже повітря. Надлишок води, що виділяється цукровими кристалами, слід безперервно видаляти, одночасно уникаючи пересушування.

Для поглинання вологи використовуються абсорбційні сушарки або кондиціонери. Абсорбційні сушарки оснащені ротором із сушильними агентами/осушувачами, які поглинають воду з технологічного повітря. Вони енергетично придатні лише тоді, коли вже існує охолоджуючий агент. В іншому випадку, ефективними є кондиціонери, оскільки вони оперують лише одним процесом і з меншим зносом, порівняно з абсорбційними сушарками. Процес охолодження збільшує витрати енергії.

Якщо вологість повітря падає до менше ніж 20%, застосовуються зволожувачі, такі як парові зволожувачі або системи розподілу існуючої пари під тиском. Парові зволожувачі випаровують воду за допомогою нагрівання, що вимагає великої кількості енергії. На противагу цьому, системи розподілу існуючої пари під тиском набагато простіші у встановленні,  обслуговуванні та зменшують витрати енергії.

Рис. 8. Співвідношення відносної вологості до якості продукту

Температура

Небажана конденсація на стінках силосу утворюється через температуру, що падає нижче точки роси. Таким чином, конструкція стін і влаштування підлогових каналів відіграють важливу роль та повинні проектуватися відповідно до умов зберігання. Стінки силосу захищають продукт від негативних умов навколишнього середовища, забруднення та води. При перепадах внутрішніх та зовнішніх температур може відбуватися злежування кристалів та налипання цукру на стінках силосу. У Центральній Європі існує суттєва різниця температур між продуктом із > 35°C та умовами силосу з < 35°C. Стінка силосу забезпечує температурний обмін, завдяки чому вода, що міститься в продукті, рухається до стінки і конденсується. Щоб запобігти цьому, стінка силосу підігрівається та забезпечується ізолюючими елементами, щоб відповідати температурному режиму.

У якості альтернативи або як додаток, температурних перепадів можна уникнути за допомогою правильного розташування підлогових каналів. При більшій різниці температур додаткові підлогові канали подаватимуть більше кондиційного повітря у зовнішню частину силосу, щоб уникнути конденсації та забезпечити рівномірний розподіл теплого або прохолодного повітря всередині силосу. Залежно від температури навколишнього середовища, система кондиціонування силосу повинна подавати відповідну кількість свіжого повітря. При холодній температурі навколишнього середовища потрібно більше свіжого повітря, а при теплій, навпаки, менше свіжого повітря.

Рис. 9. Приклад проектування так званої системи ялинки (ліворуч), системи паралельних гілок (посередині) та кільцевої системи, в поєднанні з паралельним розташуванням гілок (праворуч)

Розподіл повітря та швидкість повітряного потоку

Найважливішими елементами рівномірного розподілу повітря є підлогові канали. Riedel Filtertechnik (Німеччина) розробив унікальні підлогові канали, які складаються з пресованого алюмінієвого профілю, покритого конструкцією з двох перфорованих пластин із фільтруючою мембраною між ними. Вони витримують великі навантаження, швидко та легко встановлюються.

У кожному проекті виникає питання про те, як розташувати водопровідні протоки у відповідному силосі, оскільки потрібно враховувати всі впливові фактори. Потрібно ретельно продумувати різні механізми, такі як паралельна чи кільцева система щодо шляхів розвантаження, проектування та встановлення силосу, а також враховувати експлуатаційні витрати. На Рис. 9 показані три способи розташування підлогових повітроводів силосу. Для планування системи підлогових повітроводів доцільно врахувати існуючу та потенційну поведінку повітряного потоку. За допомогою чисельного розрахунку розподілу повітря у всьому силосі Riedel може аналізувати, оцінювати та візуалізувати його поведінку. Під час проектування повітропроводів було проведено наступне числове моделювання повітряного потоку з використанням силосу діаметром 50 м, висотою 45 м, об'ємом потоку 12 тис. м³ та робочою температурою 30°C. Як показано на Рис. 10, конструкція являла собою круглу систему каналів на зовнішній стінці силосу з прямими каналами в центрі. Рис. 10 візуалізує результати дослідження у вигляді швидкості повітряного потоку. Крім того, векторні стрілки показують напрямок потоку повітря.

На Рис. 10 показано швидкість повітряного потоку в масштабі від 0,003 до 0,005 м/с. Рівномірний розподіл повітря досягається через 6 м у зовнішній зоні та через 3 м в центрі силосу. Залежно від чисельних ноу-хау та результатів моделювання потоку, Riedel може оптимально розробити систему повітроводів для кожного замовника.

Рис. 10. Виріз на осьовій площині ZY, що відображається від центру