СПОСОБ СУШКИ СЕМЯН В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ
METHOD OF DRYING SEEDS IN FIXED BED

Изобретение относится к сушке семян, преимущественно селекционных, и может быть использовано в сельском хозяйстве.
Известен способ сушки семян, при котором влажный материал загружают, вентилируют агентом сушки при нагреве до температуры ниже предельно допустимой, высушенный материал охлаждают и разгружают (С.Д. Птицын. Зерносушилки, Машгиз, М., 1962, с.49-53.).
По известному способу высушивают рядовые семена, но селекционные семена не сушат, так как влажность отдельных зерновок может существенно превышать среднюю влажность партии семян, по которой определяют предельно допустимую температуру нагрева.
3
2
Известен способ сушки селекционных семян в неподвижном слое, согласно которому материал загружают слоем, высотой 0,4-0,45 м, и вентилируют агентом сушки с температурой 35°C и удельным расходом 1800-1900 м/м·ч (скорость агента сушке 0,5-0,53 м/с), высушенный материал охлаждают и разгружают (Р.М. Гамхашвили. Обоснование технологического и конструктивных параметров и разработка универсальной установки для сушки селекционных семян сельскохозяйственных культур, автор. диссерт. на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1975, с.16).
Известный способ по технической сущности наиболее близок к заявленному и выбран за прототип.
к
Сушка семян в слое с критической высотой h≤0,4-0,45 м по этому способу обеспечивает исходные требования по неравномерности сушки (±1,5%) по достижении семенами средней кондиционной влажности.
Недостатком известного способа то, что он малопроизводителен и затратен, так как при столь низкой температуре агента сушки длительность сушки 6…10 ч-при исходной влажности семян более 21…22%, и не удовлетворяет требования по неравномерности сушки в отношении отдельных зерновок.
Технической задачей данного изобретения является повышение эффективности, снижение затратности и неравномерности сушки (не более δ±1,5%) не только по средней влажности, но и по отдельным зерновкам.
к
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе сушки семян в неподвижном слое, заключающемся в том, что материал загружают, вентилируют агентом сушки, высушенный материал охлаждают и разгружают, согласно изобретению высушенный материал перемешивают и отлеживают не менее 2 ч, а критическую высоту слоя семян h, не превышающую фактическую высоту слоя h, определяют по формуле
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>к</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ν</mi><msub><mi>d</mi><mi>э</mi></msub><msub><mi>ρ</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mrow><mn>8</mn><mi>ε</mi><mi>β</mi><mi>ρ</mi></mrow></mfrac><mi>ℓ</mi><mi>n</mi><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
м,
где ν - скорость сушильного агента, м/с;
в
3
ρ, ρ - плотность агента сушки и материала соответственно, кг/м;
э
d - эквивалентный диаметр зерновки, м;
ε - порозность слоя;
β - коэффициент массоотдачи, м/с
0
где U - влагосодержание агента сушки на входе в слой, кг/кг;
1
2
U, U - влагосодержание паровоздушной пленки семян на выходе и входе слоя, кг/кг.
к
Сравнение заявленного способа с прототипом показывает, что новым в способе является то, что высушенный материал перемешивают и отлеживают не менее 2 ч, а критическую высоту слоя семян h, не превышающую фактическую высоту слоя h, определяют по формуле.
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>к</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ν</mi><msub><mi>d</mi><mi>э</mi></msub><msub><mi>ρ</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mrow><mn>8</mn><mi>ε</mi><mi>β</mi><mi>ρ</mi></mrow></mfrac><mi>ℓ</mi><mi>n</mi><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
м,
где ν - скорость сушильного агента, м/с;
в
3
ρ, ρ - плотность агента сушки и материала соответственно, кг/м;
э
d - эквивалентный диаметр зерновки, м;
ε - порозность слоя;
β - коэффициент массоотдачи, м/с;
0
где U - влагосодержание агента сушки на входе в слой, кг/кг;
1
2
U, U - влагосодержание паровоздушной пленки семян на выходе и входе слоя, кг/кг.
Изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как может быть достигнут результат, удовлетворяющий существующую потребность, a именно повышение эффективности и снижение затратности сушки.
Изобретение является и промышленно применяемым, так как может быть использовано в сельском хозяйстве.
Изобретение поясняется чертежом.
На фиг.1 изображена схема устройства (селекционная сушилка СЛ-0,3×2).
В состав устройства входят калорифер 1, вентилятор 2, заслонка 3, воздушный канал 4, разводящий агент сушки на две камеры 5, решетка 6, перегородки 7 и разгрузочные отверстия 8.
Устройство работает следующим образом.
Вручную или мобильными средствами семена загружают в камеры 5, которые разделены на секции перегородками 7. Включают вентилятор 2, калорифер 1, устанавливают заданную температуру агента сушки и вентилируют семена. Высушенные семена охлаждают наружным воздухом после отключения калорифера 1 и разгружают. Разгрузку слоя семян 9 производят путем поворота камер 5 относительно горизонтальной оси таким образом, чтобы семена высыпались в мешки, закрепленные ниже окон 8 на секциях камер 5.
Способ осуществляют следующим образом.
Семена загружают, вентилируют агентом сушки, перемешивают, отлеживают, охлаждают и разгружают. Контроль за процессом сушки в том числе за величиной неравномерности сушки δ можно осуществлять следующими способами - периодически отбирать навески семян из слоя, пограничного с решеткой и на поверхности с последующим сравнением, или контролируя относительную влажность отходящего агента сушки. При δ>±1,5% в конце сушки в нескольких пробах подряд проводят корректировку режима сушки (понижают температуру или повышают скорость агента сушки).
к
Для обоснования величины критической высоты слоя h, которая не должна превышать фактическую h, рассмотрим упрощенную математическую модель переноса влаги в слое семян.
Предположим, что влагосодержание в зерновках выровнено, тогда после вентилирования в них возникает разность потенциалов влагосодержания, в силу которого влага с поверхности зерновок испаряется, пар перемещается в поток агента сушки и выносится из слоя. Из центральных областей зерновки в периферийные в свою очередь устремляется поток влаги, в первом периоде сушки в виде жидкости, затем в виде пара. Ограничимся рассмотрением потока влаги с поверхности зерновки в поток агента сушки, так как второй поток малосуществен. Массу влаги, выносимой из слоя, можно записать в виде
<mrow><mi>d</mi><mi>M</mi><mo>=</mo><mi>β</mi><mi>ρ</mi><mi>d</mi><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где β - коэффициент массоотдачи от зерновок агенту сушки, м/с;
3
ρ - плотность сухого вещества семян, кг/м;
dF - площадь с которой испаряется влага, м;
U - влагосодержание семян, кг/кг;
0
U - влагосодержание агента сушки на входе в слой.
Тот же поток влаги можно представить в виде
<mrow><mi>d</mi><mi>M</mi><mo>=</mo><mi>G</mi><mi>d</mi><mi>U</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где G - масса влаги, вынесенной из слоя, кг/с.
Приравняя правые части выражений (1) и (2), получим
<mrow><mi>β</mi><mi>ρ</mi><mi>d</mi><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>U</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>G</mi><mi>d</mi><mi>U</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
к
Рассмотрев отдельный элементарный канал диаметром d в насыпи, с внутренней поверхности которого испаряется влага, получим
<mrow><mi>d</mi><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>π</mi><msub><mi>d</mi><mi>к</mi></msub><mi>d</mi><mi>l</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где dl - длина канала, по которому проходят агент сушки. Массу влаги, вынесенной из слоя, можно записать в виде
<mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>в</mi></msub><msub><mi>ν</mi><mn>0</mn></msub><mfrac><mrow><mi>π</mi><msubsup><mi>d</mi><mi>к</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mn>4</mn></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
в
0
к
к
э
э
0
к
к
э
3
<mrow><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>V</mi><mi>ε</mi></mfrac><mo>.</mo></mrow>
где ρ - плотность агента сушки, кг/м; v - скорость агента сушки в кана-ле, м/с; величину d можно записать d=2dε/3(l-ε), ε - порозность слоя, d - эквивалентный диаметр зерновки, м. Скорость V выразим через порозность слоя ε и скорость воздуха над слоем
После интегрирования (3) от 0 до 1 и упрощений (l≈h), 2d=d получим
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>к</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ν</mi><msub><mi>d</mi><mi>э</mi></msub></mrow><mrow><mn>8</mn><mo>⋅</mo><mi>ε</mi><mi>β</mi></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mi>ρ</mi></mfrac><mi>ℓ</mi><mi>n</mi><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
где - U, U - влагосодержание паровоздушной пленки семян на выходе и входе слоя, кг/кг.
2
2
1
1
0
э
в
<mrow><mi>ℓ</mi><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,28</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>к</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>в</mi></msub><msub><mi>d</mi><mi>э</mi></msub><mo>⋅</mo><mn>0,28</mn></mrow><mrow><mi>β</mi><mi>ρ</mi><mi>ε</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,39</mn><mo>≈</mo><mn>0,4</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi></mrow>
-3
3
3
-6
Пример 1: По достижении на решетке влажности семян на решетке W=13,25% (U=0,153 кг/кг), на свободной поверхности слоя влажность семян составит W=16,75% (U=0,201 кг/кг), т.е. средняя влажность семян составит 14% (кондиционная) и при U=0,008 кг/кг, что соответствует влагосодержанию агента сушки
. Приняв скорость агента сушки V=0,5 м/с, порозность слоя ε=0,42; эквивалентный диаметр d=3,0·10 м. ρ=1,1 кг/м, ρ=1200 кг/м, β=0,3·10 м/с (В.Д. Сорочинский. Повышение эффективности конвективной сушки и охлаждения зерна… Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М. 2003 г., с.143-145), получим
Пример 2: Исследовали эффективность сушки при повышенной температуре для условия δ=±1,5%. Опыты проводили на лабораторной сушилке вместимостью камеры 1 кг. Высушивали семена средней влажностью 23% при скорости агента сушки V=0,4 м/с при температуре 35°C и 45°C. В первом случае слой составлял h=0,4 м, во втором из увеличения β на ~20% h=0,48. В первом случае длительность сушки составила 8,0 ч, а во втором - 5,2 ч и производительность сушки возросла на 35%.
При соблюдении условия в конце сушки σ≤±1,5% по средней влажности, неравномерность по влажности между отдельными зерновками может быть σ>±1,5%, а разность по влажности между отдельными зерновками достигает 4…6%, особенно если исходная средняя влажность семян 25% и более (Анискин В.И., Окунь Г.С. Технологические основы оценки работы зерносушильных установок. М., ВИМ, 2003, с.56-63). С целью снижения неравномерности сушки между отдельными зерновками высушенные семена перемешивают и отлеживают, при этом происходит перераспределение влаги. Причем чем выше температура семян, тем быстрее снижается неравномерность. Согласно (С.Д. Птицын. Зерносушилки, Машгиз, М., 1962, с.39-41) при температуре 20°C темп выравнивания влажности составляет 1,05%/ч, а при 55°C - 3%/ч. Для селекционных семян при температуре в 35°C за два часа отлежки неравномерность между отдельными зерновками снизится на ~3%, что обеспечит их сохранность.