Psychrometrie v zemědělství: skleníky, skladování obilí a sušení plodin

Každé zemědělské rozhodnutí týkající se vzduchu, ať už jde o větrání skleníku, čas sklizně, nastavení sušárny nebo podmínky v zásobníku obilí, má psychrometrický základ. Vzduch příliš vlhký způsobí plísně, příliš suchý vadí rostlinám nebo způsobí praskání produktu. Rozdíl oproti průmyslu spočívá v sorpčním chování biologických materiálů, kdy obilí, ovoce nebo dřevo aktivně vlhkost přijímají a odevzdávají podle rovnováhy s okolním vzduchem.

Transpirace rostlin a vlhkost skleníku

Rostliny uvolňují vodní páru listy procesem transpirace. Její intenzita závisí na sytostním doplňku vzduchu (VPD - Vapour Pressure Deficit), tedy na rozdílu mezi saturačním tlakem páry při teplotě listu a skutečným parciálním tlakem páry ve vzduchu:

$$\text{VPD} = p_{ws}(T_{\text{list}}) - p_w(\text{vzduch})$$

Vysoké VPD (suchý vzduch) způsobuje intenzivní transpiraci, uzavření průduchů a stres rostliny. Nízké VPD (vlhký vzduch) transpiraci omezuje, ale podporuje houbové choroby (plíseň šedá). Optimum VPD pro většinu zeleniny a květin je zhruba 0,5–1,3 kPa, tedy přibližně 20–26 °C / 60–75 % RH. Každé hodnotě VPD odpovídá v h-x diagramu specifická kombinace teploty a relativní vlhkosti.

Rovnovážná vlhkost (EMC) a kdy obilí přestane vysychat

Zemědělský produkt vyměňuje vlhkost se vzduchem, dokud nedosáhne rovnovážné vlhkosti (EMC - Equilibrium Moisture Content) - vlhkosti materiálu, při níž je parciální tlak páry v materiálu roven tlaku ve vzduchu a výměna ustane. EMC závisí na teplotě a relativní vlhkosti a popisují ji sorpční izotermy. Standard ASABE D245.6 obsahuje izotermy pro 40 komodit. Příklad pro pšenici: při 20 °C a RH 65 % je EMC přibližně 13 % (na mokrý základ), což odpovídá bezpečné skladovací vlhkosti.

Bezpečná skladovací vlhkost obilí

Obilí uložené vlhčí, než je rovnovážná vlhkost bezpečná proti mikrobiálnímu růstu, se rychle znehodnotí:

• Krátkodobé skladování (do 6 měsíců): pšenice < 14 %, kukuřice < 14 %, slunečnice < 9 % (wb)
• Dlouhodobé skladování (přes zimu): pšenice < 13 %, kukuřice < 13 % (wb)

Tyto hodnoty odpovídají RH vzduchu přibližně 60–65 % při 15–20 °C. Moderní zásobníky jsou proto vybaveny řízeným větráním a větrá se pouze tehdy, když je vzduch sušší než obilí, což je rozhodnutí, které lze přijmout jen s psychrometrickými daty.

Posklizňové sušení obilí v h-x diagramu

Sklizená kukuřice má vlhkost 25–30 % (wb) a pro bezpečné uložení musí klesnout na 13–14 %. Sušicí vzduch: typicky 80–100 °C, RH na vstupu < 5 %.

Množství vody k odpaření z 1 t kukuřice (z 27 % na 14 % wb):

$$m_{\text{voda}} = 1000 \cdot \frac{0{,}27 - 0{,}14}{1 - 0{,}14} \approx 151\ \text{kg vody/t}$$

Potřebné množství vzduchu při $\Delta x = 18 - 2 = 16\ \text{g/kg}$:

$$m_{\text{vzduch}} = \frac{151}{0{,}016} \approx 9\,440\ \text{kg vzduchu/t}$$

Výkon ohřívače při 8hodinovém sušení a $\Delta h \approx 80\ \text{kJ/kg}$: $\Phi \approx 26\ \text{kW}$ na tunu kukuřice za hodinu. (Přesné hodnoty EMC a $\Delta h$ závisí na odrůdě, proto ověřte v ASABE D245.6 nebo u výrobce sušičky.) Principy jsou stejné jako u průmyslového sušení.

Skleníkové systémy a jejich větrání vs. chlazení

Ve skleníku generuje slunce obrovské tepelné zisky, proto v létě může teplota bez chlazení stoupnout na 50–60 °C. Přirozené větrání (boční a střešní okna) je nejlevnější řešení, ale při venkovní teplotě nad 30 °C nestačí. Evaporativní chlazení (pórovitá deska a ventilátor) je pro skleníky rozšířené. V principu se voda odpařuje na celulózovém panelu, vzduch se ochlazuje a zvlhčuje podél izentalpy. Efektivní v suchém klimatu, méně ve středoevropském létě s vyšší vstupní RH. Podrobně v článku Evaporativní chlazení.

Časté dotazy

Co je VPD a proč je pro pěstitele důležitější než relativní vlhkost? VPD je rozdíl mezi saturačním a skutečným tlakem páry, tedy „sací síla” vzduchu pro vodu z listů. Řídí transpiraci přímo, zatímco relativní vlhkost je bez teploty listu nejednoznačná.

Jak poznám, kdy je bezpečné větrat sklad obilí? Když je venkovní (nebo vháněný) vzduch v rovnováze se sušší vlhkostí obilí - tedy jeho EMC je nižší než aktuální vlhkost zrna. To se určí z teploty a relativní vlhkosti vzduchu pomocí sorpčních izoterm.

Liší se sušení obilí od průmyslového sušení dřeva? Fyzikálně ne - jde o tytéž psychrometrické vztahy. Liší se teploty, rychlost sušení a citlivost produktu na trhliny či ztrátu klíčivosti.