У даній статті досліджувалися процеси природного охолодження цукрових буряків (3 650 т) у кагаті середньострокового зберігання. Встановлено, що адіабатичне охолодження та пов’язані з ним процеси мають значний вплив на зниження температури в кагаті. Цукровий буряк охолоджується за рахунок природного випаровування вологи з поверхні коренеплодів із подальшим насиченням вологою зовнішнього повітря. Таке охолодження призводить до неконтрольованого зниження якості буряків, що негативно впливає на їх промислову переробку.

Альтернативою польовим буртам є зберігання буряків у кагатах середньострокового або довготривалого зберігання. Відмінність кагатів від польових бурт полягає в тому, що перші мають більшу висоту — від 3 до 6,5 м, що зменшує вплив навколишнього середовища на більший обсяг сировини.

Зменшення впливу умов навколишнього середовища забезпечується зміною відношення маси кагату M_b до площі його поверхні S_p. У Таблиці 1 порівнюються різні типи кагатів. Стосовно вентильованих кагатів довготривалого зберігання, за рахунок іншого способу укладання вони мають трапецієподібну форму, що дає можливість додатково зменшити вплив навколишнього середовища.

Матеріали та методи

Вплив конвективного тепломасообміну між навколишнім середовищем і кагатом на зберігання цукрових буряків досліджували в листопаді 2020 року в Курській області Росії, коли температура навколишнього середовища коливалася в районі нуля протягом доби. Щоб виключити вплив активної вентиляції, досліджувався кагат без вентиляції висотою 6,5 м і масою 3 650 т буряків. Дослідження проводилося в листопаді, так як саме такі умови є найбільш сприятливим температурним фоном для зберігання буряків.

У листопаді спостерігається низький рівень сонячної радіації, що супроводжується коротким світловим днем. Вибрано період із 15 по 26 листопада з температурою навколишнього середовища в діапазоні від -4,8°C до +4,7°C і середнім значенням -0,2°C. Відносна вологість повітря коливалася від 61 до 98%, середнє значення становило 71,3%. Температура буряків із полів складала від +3 до +7°С. Цукрові буряки укладалися паралельно напрямку руху південно-східного вітру, середня швидкість вітру 2,4 м/с. Температуру всередині кагату вимірювали кожні 3 години за допомогою термічних стрижнів, поміщених на глибину 1 м всередину кагату.

На Рис. 1 і 2 показані графіки коливань температури навколишнього середовища та схилів кагату, а також вказані зміни швидкості вітру. На початку дослідження (з 15 по 17 листопада) не було виявлено різниці в температурі між схилами кагату.

Починаючи з 18 листопада на схилах кагату почала коливатися температура. Під час дослідження температура коливалася в межах від 0,2 до 2,2°С, середнє значення становило 1,93°С. Різниця температур у кагаті виникла через навітряне положення одного з його схилів. Із 23 по 26 листопада температура навколишнього середовища була вищою, ніж цукрових буряків. Підвищення температури навколишнього середовища викликало підвищення температури сировини в кагаті.

Предметом дослідження є ті фактори, які забезпечили різницю температур між схилами кагату. Для невентильованого кагату рівняння теплового балансу виглядає наступним чином:

Q = Q_br + Q_s – Q_c - Q_e

де Q_br – теплота, що виділяється при «обдуванні» маси цукрових буряків, Вт; Q_s – теплота, що потрапляє в кагат від сонячної радіації, Вт; Q_c – теплота, що виділяється з кагату за рахунок конвективного руху повітряних мас, Вт; Q_e – кількість теплоти, що витрачається на випаровування вологи з буряків, Вт.

Тепло виділялося з кагату за допомогою двох процесів: конвективного руху повітря та випаровування вологи з поверхні буряків. Для визначення кількості тепла під час конвективного теплообміну процес представляли у вигляді нагрівання з наступним насиченням повітря вологою. Швидкість потоку зовнішнього повітря залежала від швидкості руху вітру. Повітря продувало крізь кагат, нагріваючись до температури всередині кагату. Межа насиченості вологою зовнішнього повітря залежить від мікроклімату в кагаті.

У кагатах цукрових буряків за рахунок процесів саморегуляції відносна вологість підтримувалася на рівні 96-98%. Під час зберігання конвективний рух повітря забезпечував видалення вологи з кагату, що компенсувалося виділенням вологи на поверхні коренеплодів.

Таким чином кількість тепла, що відводиться від навітряного схилу кагату, можна представити у вигляді рівняння:

C_bm_bdT_bdτ = L_ap_aC_adTdτ + C_v (d_k – d_p) dTdτ + WS_prdτ

де С_b — теплоємність цукрових буряків, Дж/(кг·°С); m_b — маса буряків, кг; dT_b —різниця між початковою та кінцевою температурою цукрових буряків, °С; L_a — кількість повітря, що надходить у кагат, розрахована на основі повітропроникності, зовнішнього тиску та швидкості вітру, м³/год; ρ_a — щільність повітря, кг/м³; C_a — теплоємність повітря, Дж/(кг·°С); dT — різниця між початковою та кінцевою температурою, °С; C_v — теплоємність водяної Дж (кг·°С); (d_k-d_p) — різниця між вологістю повітря, кг; W — інтенсивність випаровування, кг/(м²·s), залежно від швидкості вітру; S_p — площа випаровування в кагаті, м²; r – питома теплота пароутворення, Дж/кг.

Результати та обговорення

На Рис. 3 показано графік, що характеризує зміну теплового балансу залежно від зміни факторів навколишнього середовища для навітряного схилу кагату.

«Плюсове» значення означає надходження тепла в кагат і нагрівання досліджуваної ділянки буряків, а «мінусове» значення означає тепло, що виділяється, та охолодження буряків всередині кагату. За 12 днів дослідження у другій половині листопада з 1 м³ зовнішнього шару кагату було виділено близько 6,3 кВт тепла, а отримано — 0,43 кВт тепла. Частка виділеного тепла з кагату в результаті нагрівання зовнішнього повітря становила 24,9% від загальної кількості виділеного тепла, при цьому насичення вологою повітря складало 55,5%, а випаровування вологи з поверхні коренеплодів — 19,6%. Такий коефіцієнт теплового балансу характерний для листопада.

У жовтні (коли збирають буряк) температура навколишнього середовища, як свідчать результати даних, зазвичай перевищує температуру буряків. Основним інструментом регулювання температури всередині кагату є відведення від нього тепла за рахунок випаровування вологи з поверхні коренеплоді із подальшим насиченням вологою повітря, що надходить ззовні. Відповідно, основним інструментом забезпечення збереження цукрових буряків при природному охолодженні кагату є процеси, пов’язані з втратою вологи буряками, укладеними в кагат. Фактично природне охолодження кагату зовнішнім повітрям має адіабатичний характер.

Втрати буряків при зберіганні є негативним фактором для цукрового заводу. Буряк, що втратив тургор, важче піддається переробці: збільшується навантаження на транспортні шнеки та бурякорізальні ножі, а ефективність дифузійних пристроїв знижується. На Рис. 4 представлений графік втрат вологи під час зберігання. За 12 днів дослідження внаслідок природного похолодання було втрачено 50,3 кг вологи або 7,6% маси 1 м³ кагату. На Рис. 3 показано графік втрати вологи з об’єму 1 м³ кагату буряків на його навітряному схилі. Цільовий кагат лише за рахунок того, що одна його сторона була розташоана паралельно напрямку вітру, за розрахунками втратив 28,4 т вологи, що становило 0,8% від загальної маси кагату за 12 днів спостережень. У розрахунку не враховано решту втрат, що включають втрати цукрових буряків під час «обдування».

Зокрема, розрахунки проведилися для кагату висотою 6,5 м з відношенням маси сировини до площі поверхні кагату, що контактує з навколишнім середовищем, M_b/S_р = 0,89. Вимірювалася температура всередині кагату на глибині 1 м від його поверхні. Цей шар становив 23% від загальної маси буряків у кагаті. За 38 діб загальні втрати в досліджуваному кагаті середньострокового зберігання висотою 6,5 м склали 3,4%, у тому числі з урахуваннях втрат від «обдування» буряків, сонячного випромінювання, конвективного тепломасообміну та випаровування протилежного схилу кагату.

Формула, отримана в результаті кореляційного аналізу даних, була складена для розрахунку втрат маси буряків тільки на схилі, розташованому паралельно напрямку вітру:

M’ = (-0,01057 + 0,0959T_b – 0,0712T_env + 0,162v) ∙ 0,89M_b/S_p

де Т_b — температура буряка, °С; T_env — температура навколишнього середовища, °С; v — швидкість вітру, м/с; М_b — маса кагату, кг; S_p — площа поверхні кагату, м².

У польових буртах відношення маси сировини до площі поверхні кагату менше і становить 0,42. В середньому на шар товщиною 1 м припадає 58% від загальної маси буряків у кагаті. Відповідно, втрати буряків у польових буртах можуть перевищувати втрати при зберіганні в невентильованих кагатах середньострокового зберігання. У польових буртах втрати часто можуть досягати 15-27% залежно від кліматичної зони та погодних умов певної пори року. 

Під час зберігання цукрових буряків більше місяця, щоб зменшити втрати бурякової маси, кагати середньострокового та довготривалого зберігання слід розташовувати кінцем до напрямку рух вітру. Перевагою довготривалого зберігання буряків у кагатах із системою активної вентиляції є збільшення відношення маси сировини до площі поверхні кагату до M_b/S_p = 1,35, що знижує агресивний вплив навколишнього середовища. Системи активної вентиляції контролюють інтенсивність тепломасообміну між навколишнім середовищем і кагатом, уникаючи при цьому неконтрольованої гіпервентиляції.

Застосування вищенаведеної методики для невеликих польових кагатів із співвідношенням M_b/S_p = 0,42 призводить до очікуваної втрати маси буряків 6,5% від маси польового кагату за 12 днів зберігання в листопаді за сприятливих температурних умов. За один місяць зберігання це значення може досягати 16,3%.

Висновки

Середньострокове та довготривале зберігання цукрових буряків у польових кагатах супроводжується великими втратами бурякової маси та знижує вихід цукру з гектару, що особливо критично для підприємств, що займаються виробництвом та переробкою цукрових буряків (вертикально інтегрованих компанії). При укладанні кагатів їх слід розташовувати кінцем до напрямку руху вітру. Для зменшення втрат і залежності від впливу навколишнього середовища цукрові буряки необхідно зберігати у великих кагатах зі зменшеною зовнішньою поверхнею. Від природного охолодження цукрових буряків у польових буртах необхідно перейти на охолодження через систему активної вентиляції з нормованою подачею повітря в кагат.