تهوية مخازن المحاصيل الزراعية

يخزن العديد من المنتجات الزراعية بعد الحصاد و بعد المعاملات الأولية ( تنظيف، تجفيف الخ) لذلك تعبر عملية التهوية لهذه المحاصيل بعد التخزين من عمليات ما بعد الحصاد الهامة للتقليل من معدلات تنفس النبات وعملية النتح داخل المخازن الدائمة أو المؤقتة وتتم عملية التهوية بدفع الهواء الخارجي إلى داخل هذه المخازن ومعالجتة عند الضررة حيث لا تزال هذه المواد مستمرة بعملية التنفس وإنتاج الطاقة بذلك توفر عملية التهوية البيئة المناسب من درجة الحرارة الرطوبة والضغط وذلك لوقف التفاعلات الكيميائية.

تتظمن البيانات الرئيسية لتصميم نظم التهوية كلا من:

درجة حرارة التخزين
الرطوبة النسبية
تركيب الهواء ومعدل التهوية
كذلك معرفة معدلات التنفس والنتح حيث تعتبر كل من التفس و النتح من العوامل الأساسية لتحديد جودة المنتجات مثل الفواكه والخضار

التنفسrespiration :

يعتبر التنفس من أكثر العمليات الكيميائية أهمية للمنتج بعد الحصاد و التنفس عبارة عن تفاعل كيميائي حيث تتأكسد الهيدروكربونات ( سكريات ) في أنسجة المنتجات بواسطة الأكسجين من الوسط المحيط لإنتاج مواد متحللة والتي يتبعها التحول إلى غاز ثاني اكسيد الكربون كما هو مبين في المعادلة التالية :

ِC₆H₁₂O₆ + 6O₂ <ــــــــــــــــــــــــــــــ 6CO₂ + 6H₂O + 673cal

يرافق هذه العملية إطلاق حرارة ومع زيادة سرعة التفاعل تزداد كمية الحرارة المنطلقة لذلك لا بد من إزالة هذه الحرارة والماء وثاني أكسيد الكربون ويزداد معدل التنفس من ضعفين إلى ثلاثة أضعاف عند كل زيادة مقداره 10 درجات مئوية ويتولد بفعل الحرارة غاز الايثيلين الذي يسبب نضجا” مبكرا” للفاكهه أو شيخوخة بعض النباتات لذلك فان عمليات التبريد و التهوية تقلل بشكل كبير تولد هذا الغاز.

الجدول (1 ) يبين الحرارة المتولدة عند درجات حرارة مختلفة

جول / كغ.ساعة
المادة	صفر	5	15	20
تفاح	24	53 – 78	145- 329	179 – 373
مشمش		78 – 402	402- 732	640 – 1330
جزر	112 – 218	136- 281	276 – 572	489 – 1010
قرنبيط	174 – 204	204- 233	455 – 532	869 – 1490

النتح : Transpiration

تعني عملية النتح فقد الرطوبة من المنتج من خلال البخر والانتشار ويعتبر النتح من الخضر والفواكه عملية انتقال للمادة بحيث يتحرك بخار الماء من سطح المنتج إلى الوسط المحيط من خلال قنوات موجودة داخل المادة تؤدي هذه العملية بشكل مباشر إلى ذبول المنتج والتأثير على في جودة المادة فعلى سبيل المثال فقد يحث انفراط لنقود العنب إذا كانت السوق جافة ويرافق فقدان الماء عملية فقد قي الوزن.

تصميم أنظمة التهوية

يعتبر هواء التهوية وسيطا يتم من خلاله نقل الحرارة و الرطوبة المتولدة بفعل التنفس والنتح من مكان التخزين إلى الوسط الخارجي و بذلك يجب أن يؤمن هواء التهوية إمكانية إزالة الحرارة الرطوبة من خلال مروره داخل فراغات هذه المواد و يتعلق وصول الهواء إلى المنتج بطريقة ترتيب و توضع المنتج داخل المخزن و يجب تحديد متطلبات التحزين كما يلي:

تأمين تيار الهواء المطلوب بالمعدل المناسب والضغط المناسب بحيث يتم اختراق المادة خلال فتحات خاصة أو مباشرة.
توزيع تيار الهواء بانتظام داخل المخزن وفي جميع الأوقات.
معالجة الهواء الخارج بعد عملية التهوية لاحتمال احتواءه على بعض الغازات السامة بسبب ارتفاع درجة حرارته.

الاعتبارات الأساسية في تصميم أنظمة التهوية

يتضمن تصميم نظام التهوية لمنشأة تخزين المحاصيل الاعتبارات التالية:

الظروف البئية للتخزين
أحجام تبادل الهواء
نظم توزيع الهواء
اختيار أجهزة التهوية
نظام التحكم
التكاليف الاقتصادية

الظروف البيئية للتخزين : storage environmental conditions

تعتمد ظروف التخزين على نوع المنتج استخدام المنتج بعد التخزين من الأساسيات حفظ المنتج عند درجات حرارة و رطوبة بحيث تقلل من معدل النتح والأمراض و نشاط التبرعم و فقد الوزن يتم الحصول على ظروف التخزين من جدوال خاصة بكل منتج كما هو مبين في الجدول ( 2 )

Storage Conditions for Vegetables and Fruits شروط التخزين للخضار و الفواكه
	Temperature F	% Relative humidity	Pre cooling Method	Storage Life Days	Ethylene sensitive
Apples	30–40	90–95	R،F،H	90–240	Y
Apricots	32	90–95	R،H	7–14	Y
Asparagus	32–35	95–100	H،I	14–21	Y
Avocados	40–55	85–90		14–28	Y
Bananas	56–58	90–95		7–28	Y
Beans، snap	40–45	95	R،F،H	10–14	Y
Beans، lima	37–41	95		7–10
Beets، root	32	98–100	R	90–150
Blackberries	31–32	90–95	R،F	2–3
Blueberries	31–32	90–95	R،F	10–18
Broccoli	32	95–100	I،F،H	10–14	Y
Brussels sprouts	32	95–100	H،V،I	21–35	Y
Cabbage	32	98–100	R،F	90–180	Y
Cantaloupe	36–41	95	H،F	10–14	Y
Carrots، topped	32	98–100	I،R	28–180	Y
Cauliflower	32	90–98	H،V	20–30
Sources: USDA Agricultural Marketing Service، Kansas State University Cooperative Extension Service

أحجام تبادل الهواء :Air exchange volumes

لا بد من تبادل الهواء الخارجي باستمرار مع الهواء الدافئ داخل المخزن لكي يتم التخلص من حرارة الحقل ومن حرارة التفس المتولدة أثناء فترة التخزين المقصود بالتبادل هو عدد المرات التي يتم من خلاها تفريغ الهواء الداخلي وتجديده وتعتمد عدد مرات التهوية على معدل السريان الحجمي اللازم خلال زمن معين فمثلا لنبات الكرنب المخزن عند درجة حرارة صفر يكون معدل التبادل 0.013 م³ / ثا .

نظام توزيع الهواء: Air distribution system

يتظمن هذه التصميم معرفة أحجام وأقطار أنابيب التوزيع و عند تصميم هذه الأنظمة لابد من العودة إلى المراجع بالنسبة للمعلومات التفصيلية التي تتوافق مع الترتيبات الهندسية الجديدة يمكن إتباع الإرشادات التالية عند تصميم أنظمة التوزيع:

تحديد سرعة الهواء بما لا يزيد عن 5 م / ثا لتقليل الفواقد
استخدام أقطار أنابيب بالنسبة لنظام توزيع الهواء بما لا يقل عن 32 مم
تحديد المسافات بالنسبة لنظم الأرضية المثقبة بما لا يزيد عن 30 سم بين بعضها البعض بما لا تزيد المسافات بين مراكز الأنابيب على 3 م تقريبا
المحافظة على سرعة عودة الهواء من الأجزاء الجانبية إلى المروحة عند 5 م / ثا
المحافظة على سرعة عودة الهواء من الحيز أسفل الغرفة إلى المروحة عند 2.5 م / ثا

ترتيبات التحميل و التكديس:Stacking and loading arrangements

يجب ترتيب صناديق المنتجات داخل المخزن بطريقة تتيح أقصى تقليب للهواء مع سهول التحميل و التفريغ المتابعة البصرية للمنتج.

يجب ترتيب البالات متوازية بطول الحوائط الجانبية للمبنى وعلى مسافات من 15 – 20 سم عن الحائط ويتيح استخدام مصدة خشبية بعرض من 15 – 20 سم بعيدا” عن الحائط لتوفير تلك المساحة ويجب توفير ممرات عرضية لتأمين مراقبة المنتج ويجب تأمين فراغ في أعلى قمة البالات المكدسة بارتفاع 0.6- 1 م وذلك لتأمين التقليب الجيد للهواء كما هو مبين في الشكل ( 1 ).

شكل ( 1 ): نظام تهوية شائع الاستخدام مع الصناديق المكدسة

اختيار التجهيزات Equipment selection

يتكون نظام تبادل الهواء من المراح و نظام توزيع الهواء و أنظمة التحكم بدرجة الحرارة.

تركب أنظمة توزيع الهواء ( الأنابيب ) فوق المنتج بحيث يسمح للهواء بالمرور فوق و حول و خلال المنتج و يتم اختيار المروحة على أساس تأمين معدل السريان الحجمي المناسب الضاغط المطلوب و يعتمد الضغط المطلوب للمروحة على:

حجم فتحة مدخل الهواء
أنابيب التوزيع و طولها و شكل خرج الهواء
شكل و حجم فتحة الطرد
خصائص المروحة المستخدمة
أما أجهزة التحكم فعلى الأقل يجب أن تؤمن تشغيل المرحة آليا عند درجة الحرارة المطلوب

المراوح

تعتبر المراوح Fans والنافخات Blowers الجزء الأساسي في تأمين الهواء المطلوب في أية عملية تجفيف أو تهوية أو تبريد أولي ويوجد للمروحة وظيفتان أساسيتان :

تأمين الضاغط المناسب للتغلب على المقاومات أثناء مرور الهواء على المادة الغذائية وذلك للمحافظة على سرعة وتدفق ثابتين للهواء.
تأمين تدفق الهواء المناسب واللازم لإنجاز عملية التجفيف أو التهوية

لذلك فان انجاز عملية التجفيف بطريقة صحيحة يتطلب اختيار المروحة المناسبة و التي تؤمن الضاغط المطلوب و التدفق المطلوب.

وتختلف المراوح عن النافخات بنسبة زيادة الضغط عند المخرج كما هو مبين في الجدول ( 1 )

أنواع المراح

يمكن تقسيم المراوح المستخدمة في العمليات التصنيعية وفي معاملة المحاصيل الزراعية بعد الحصاد ( التبريد الأولي, التهوية, التجفيف ) وذلك بحسب طريقة دخول وخروج الهواء منها إلى الأقسام التالية :

1- المراوح ذات السريان المحوري:Axial flow fans

يستخدم هذه النوع من المراوح في عمليات تجفيف الحبوب وتهوية المواد غير المعبأة في أكياس, في هذا النوع من المراوح يدخل الهواء محوريا ( من مركز المروحة ) من مقدمة المرحة ويخرج محوريا أيضا من الجهة الخلفية ويكون الهواء موازيا لمحور دوران هذه المروحة , لذلك تمتاز هذه المراوح بالكفاءة العالية وذلك لعدم انحراف الهواء في اتجاهات مختلفة وتتكون هذه المروحة من هيكل ثبت عليه محور الدوران وثبت على محور الدوران مجموعة من الريش كما هو مبين في الشكل ( 1 ).والشكل ( 2 ).

2- المراوح الطاردة المركزية Centrifugal blower

تتكون هذه المراح كما هو موضح في الشكل ( 3 ) من دولاب دائر يحوي بداخله الريش الدافعة للهواء غالبا ما تحوي هذه المراح على عدد من الريش يتراوح بين 10 – 16 ريشة وتقسم المراوح هذه حسب تصميم الريش إلى الشكل ( 4 )

ريش مائلة إلى الأمام
وريش مائلة إلى الخلف
وريش مستقيمة

وتؤدي أنواع الريش هذه الى وجود اختلافات في الضغط ومعدل السريان

ومن جسم المروحة والمحرك الذي يقود المروحة , يدخل الهواء من مركز المروحة بشكل موازي لمحور المروحة وينحرف عند الخروج بزاوية 90 درجة حيث يتحول معظم ضغط السرعة إلى ضاغط ساكن وتعتبر كفاءة هذه النوع أقل من النوع السابق بسبب انحراف تيار الهواء بهذه الزاوية

تستخدم المراوح ذات الريش المائلة للأمام لدفع معدلات كبيرة من الهواء بالرغم من انخفاض الضغط الكلي هي ذات كفاءة عالية أما الريش المستقيمة تستخدم في تطبيقات المواد ذات النسبة المرتفع من الأتربة

شكل ( 4 ) أنواع مختلفة لريش المروحة الطاردة المركزية

a : ريش منحنية الى الامام، b: ريش منحنية ضيقة الى الخلف،c ريش مستقيمة

يبين الجدول ( 2 ) مقارنة بين خصائص المراوح الطاردة و المحورية

تصميم المراوح الطاردة المركزية :

تشمل عملية اختيار المرحة المناسبة من خلال تحديد ما يلي:

تحديد خصائص المروحة المطلوبة وتشمل:
حساب السرعة النوعية للمروحة
اختيار طريقة حركة الهواء ( تصميم الريش )
اختيار معامل الضغط المتوافق مع السرعة المطلوبة ( ψ )
اختيار معامل الجريان ( φ )
اختيار أبعاد المروحة
الضاغط المطلوب
التدفق الحجمي
القدرة اللازمة لتشغيل المروحة

ويتم بشكل فعلي اختيار المروحة وفق ما يلي بالاعتماد على الشكلين ( 5 ) و( 6 ):

1- يتم حساب سرعة دوران المروحة النوعية من العلاقة التالية:

N_s = N.√Q/p ^0.75

حيث:

N: سرعة المحرك الذي يقود المروحة, دورة / دقيقة

Q: تصرف الهواء (معدل تدفق الهواء), قدم مكعب

P: ضاغط المروحة الساكن, ارتفاع ” بوصة من الماء”

2- من المنحنيات البيانية يتم اختيار حركة الهواء المتناسبة مع السرعة المحسوبة حيث يتم اختيار مروحة :

مروحة ذات ريش منحنية الى الامام Forward curved
مروحة ذات ريش منحنية ضيقة الى الخلف backward curved
مروحة ذات ريش منحنية واسعة الى الخلف wide backward curved
مروحة ذات جريان مختلط

3- حساب أبعاد المروحة: يتم حساب قطر المروحة بعد معرفة معامل الضغط ( ψ ) من العلاقة التالية:

d² = 2.35 x 10⁸.P_s / N². ψ

ويتم حساب عرض العنصر الدائر في المروحة من العلاقة التالية:

W = 175.Q / φ.N.d²

4- قدرة المروحة:يمكن التعبير عن قدرة المروحة من العلاقة التالية:

P = Q x h / 102

P: قدرة المروحة, ك.واط

Q:معدل تدفق الهواء, كغ / ثا

h: ضغط الهواء, متر ماء

φ:معامل السريان

قوانين المراوح:

تستخدم هذه القوانين من أجل ضبط عمليات أداء وتشغيل المراوح كما هو كموضح في الشكل ( 6 ) ومن أهم هذه القوانين:

قانون التدفق: التدفق الحجمي يتناسب طردا مع سرعة الدوران:

Q₂ = Q₁. N₂ / N₁

قانون الضغط: يتناسب الضغط المتولد في المروحة طردا مع مربع السرعة:

P₂ = P₁ (N₂ / N₁)²

قانون القدرة : تتغير القدرة الممتصة من قبل المروحة بشكل متناسب مع الأس الثالث لسرعة دوران المروحة :

hp₂ = hp₁ (N₂ / N₁ )³

مقاومة الجريان

يتم حساب مقامة الجريان للهواء خلال حركته على المواد الزراعية بهدف تحديد مقدار الهبوط في الضغط الذي تسببه مقاومة المواد لجريان الهواء من خلالها و ذلك لإضافة هذا للفاقد في الضغط إلى الضاغط الذي يجب أن تأمنه المرحلة لإحداث الأثر المطلوب وخصوصا تأمين الجريان اللازم و الضغط اللازم لإجراء عملية التبريد أو التجفيف أو النقل و هكذا لذلك, فان حساب مقامة الجريان يعتبر الخطوة الأولى في اختيار نوع و ضاغط المروحة المناسبة حيث يجب على المروحة المختارة أن تؤمن الضغط والتدفق المانسبين الذين يمكننان من الحصول يع أجزاء المحصول

قياس الضاغط الكلي الذي يساوي الى مجموع ضاغط السرعة و الضغط الساكن وهو يعتبر الخطوة الأولى في حساب التدفق الذي يمكن ان توفره المراح يتم قياس الضاغط من خلال عمل فتحات في جدار الانبوب الذي يتدفق من خلاله الهواء بحدو 1/ 8 بوصة ثم يتم قياس فرق الضغط باستخدام مانومتر يدل مقياس الضغط على القيمة الفعلية و من ثم يتم اختيار المضخة التي تؤمن الضغط المناسب التدفق المناسب من الجداول المرفقة ذلك فقا لعمق المادة الضاغط كما هو موضح في الشكل (7 )

ويتم حساب هبوط الضغط اللازم لتهوية البطاطا من العلاقة التالية:

حيث:

h: ارتفاع الكومة

K: ثابت يتعلق بنوع المادة

V_Q: سرعة الهواء

d_k: قطر حبة البطاطا

ε: الفراغ الحجمي

التحكم بمعدل التدفق:

غالبا ما تعمل المراوح عند سرعة ثابتة ولكن في كثير من الأحيان تتطلب العملية تغيرمعدل التدفق مما يعني تغيير سرعة دوران هذه المروحة, ويمكن التحكم بمعدل تدفق الهواء من خلال ما يلي:

1- تغيير السرعة عن طريقة البكرات:

يتم في هذه الطريقة تغيير قطر بكرة المحرك القائد زيادة أو نقصانا ولكن من الافضل تغيير قطر بكرة المروحة حيث تنقل الحركة لها عن طريق سير ناقل بشكل حرف V كما هو مبين في الشكل (8) مما يقود الى تغيير معدل التدفق حسب قوانين المراوح.

شكل ( 8 ) التحكم بالتدفق باستخدام تغيير البكرات

2- فتحات التحكم:

تزود بعض المراوح عند مدخل الهواء أو عند مخرج الهواء بمصدات خاصة للهواء بحيث تعمل على توليد مقاومة للهواء وبالتالي تقلل من معدل تدفق الهواء الى نظام التجفيف.

3- باستخدام ريش توجيه عند المدخل:

توجد هذه الريش عند مدخل المروحة, فعند الرغبة في بقاء معدل التجفيف دون تغيير فان هذه الريش تبقى على شكلها المستقيم داخل تيارالهواء عندما تكون مفتوحة دون أن تشكل أية عائق وبالعكس عند الحاجة الى تغيير معدل التدفق فانها تغلق وبالتالي تغيير من زاوية دخول الهواء مما يؤدي الى تغيير تدفق الهواء

مقدام الهواء لبعض المحاصيل الزراعية

Ventilation rate m³/h t	Grain depth (m)
	2	3	4	5	6
	Airflow resistance (mm w.g.)
10	2	4	8	13	18
20	4	9	17	27	39
30	6	14	26	42	62
40	8	20	36	59	88
50	11	25	47	77	116
60	13	31	59	97	147
70	16	37	71	118	180
80	18	44	84	140	215

جدول ( 2) مقامة الهواء للقمح و الذرة البيضاء

Grain depth (ft)	Airflow (cfm/bu)
	0.05	0.1	0.25	0.5	0.75	1.0	1.25	1.5	2.0
	Expected static pressure (inches of water)
2	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.2
4	0.1	0.1	0.1	0.2	0.3	0.3	0.4	0.5	0.7
6	0.1	0.1	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2	1.7
8	0.1	0.1	0.3	0.7	1.1	1.5	1.9	2.3	3.2
10	0.1	0.2	0.5	1.1	1.7	2.3	3.0	3.7	5.3
12	0.1	0.3	0.8	1.6	2.5	3.4	4.5	5.6	7.9
14	0.2	0.4	1.0	2.2	3.4	4.8	6.3	7.8	11.3
16	0.3	0.5	1.4	2.9	4.6	6.4	8.4	10.6	15.3
18	0.3	0.7	1.7	3.7	5.9	8.3	11.0	13.8	20.0
20	0.4	0.8	2.2	4.7	7.5	10.5	13.9	17.6	25.6
25	0.6	1.3	3.4	7.5	12.2	17.4	23.1	29.4	43.3
30	0.9	1.9	5.1	11.2	18.3	26.3	35.3	45.0	*
40	1.7	3.4	9.3	21.1	35.1	*	*	*	*
50	2.6	5.4	15.0	34.8	*	*	*	*	*