Установка для сушки, обеззараживания зерна и предпосевной обработки семян
INSTALLATION FOR DRYING, DISINFECTION OF GRAIN AND PRE-SOWING TREATMENT OF SEEDS

Изобретение относится к технике послеуборочной и предпосевной обработки, обеззараживанию зерна и продуктов его переработки, в частности к сушке и обеззараживанию сыпучих материалов, и может использоваться в сельском хозяйстве, на элеваторах, на крупяных заводах и мельницах, при приготовлении кормов.
Сушка и обеззараживание зерна необходимы для повышения стойкости при хранении, улучшения условий послеуборочного созревания семенного зерна, повышения энергии прорастания и всхожести, а также в качестве борьбы с зараженностью зерна вредителями.
Основные требования, предъявляемые к установкам послеуборочной обработки зерновых - производительность и удельное потребление мощности. Наряду с этими показателями важное значение имеют стоимость, надежность и простота обслуживания.
Известна установка для сушки сыпучих материалов, содержащая вертикальную сушильную камеру, снабженную загрузочным и расположенным в ее нижней части выгрузным устройствами с бункерами, подключенные к камере СВЧ-генератор с устройством связи и нагнетальный вентилятор (патент РФ № 2201566, МПК F26B 3/347, опубл. 27.03.2003, Бюл. №9). Дополнительно в состав введена полость поддува и отсоса, кожух над СВЧ-генератором с входным и выходным патрубками, инжектор с двумя входами и одним выходом, циклон, разветвитель воздуха с одним входом и двумя выходами, причем сушильная камера имеет прямоугольную форму и сужающуюся нижнюю часть с перфорированными стенками с выгрузным устройством в виде шнека с приводом, заключенную в кожух, образующий камеру поддува, загрузочное устройство, выполненное в виде труб с клапанами, опущенными внутрь сушильной камеры на 0,1-0,15 высоты камеры, образующими полость отсоса над материалом, СВЧ-генератор выполнен из множества (более 2) магнетронов с индивидуальными источниками питания и устройствами связи, расположенными под кожухом равномерно на боковых поверхностях сушильной камеры, при этом выходной патрубок кожуха над СВЧ-генератором соединен с входом вентилятора, выход которого соединен с входом разветвителя воздуха, один выход которого соединен с камерой поддува, а второй - с первым входом инжектора, второй вход которого соединен с воздушной полостью над материалом, а выход инжектора соединен с входом циклона.
Недостатком известной сушильной камеры является сложность конструкции, неравномерность нагрева, высокие энергозатраты.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является установка для сушки сыпучих материалов, содержащая вертикальную сушильную камеру прямоугольной формы, функционально разделенную на надсушильную секцию, секцию нагрева и секцию охлаждения, между надсушильной секцией и секцией нагрева между окнами в торцах сушильной камеры установлены горизонтальные ^ - образные отводящие короба горячего воздуха, один из которых ориентирован по горизонтальной оси симметрии и имеет рупорный излучатель, раскрыв которого заглушен радиопрозрачной заглушкой и ориентирован внутрь камеры сушки, а ось излучения совпадает с вертикальной осью симметрии камеры сушки (патент РФ № 2267067, МПК F26B 17/12, F26B 3/347, опубл. 27.12.2005, Бюл. №36). На противолежащих стенках секции нагрева установлены симметрично относительно вертикальной и горизонтальной оси рупорные излучатели, раскрывы которых заглушены радиопрозрачными заглушками и ориентированы внутрь камеры, а оси излучения расположены в одной горизонтальной плоскости. Каждый рупорный излучатель через стандартный волновод подключен к соответствующему магнетрону. Между секцией нагрева и секцией охлаждения между окнами в торцах сушильной камеры установлены ∧ - образные отводящие короба холодного воздуха. Секция нагрева снабжена подводящим перфорированным коробом, соединенным с патрубком подвода горячего воздуха, секция охлаждения снабжена подводящим перфорированным коробом, соединенным с патрубком подвода атмосферного воздуха. ∧ - образные отводящие короба горячего воздуха, расположены между надсушильной секцией и секцией нагрева.
Недостатком известной установки является неравномерность нагрева зерна полем СВЧ по толщине зернового слоя, что приводит к снижению скорости сушки, повышению энергоемкости процесса, некачественному обеззараживанию зерна по толщине зернового слоя, неоднородному изменению посевных качеств семян по слою.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение неравномерности нагрева зерна полем СВЧ по толщине зернового слоя, повышение скорости сушки, снижение энергоемкости процесса, повышение качества обеззараживания зерна по толщине зернового слоя, повышение однородности изменения посевных качеств семян по слою.
В результате использования предлагаемого изобретения повышается равномерность нагрева зерна полем СВЧ, повышается качество обеззараживания зерна по толщине зернового слоя, повышение однородности изменения посевных качеств семян по слою за счет формы и расположения волноводов обращенных в зерновой слой, что позволяет обеспечить уравнивание напряженности полей от расположенных встречно друг другу соседних источников, снижение энергоемкости процесса обработки зерна и повышение кпд установки за счет использования охлаждающего магнетроны и их источники питания воздуха в качестве агента сушки и конструкции СВЧ-конвективных зон из которых выполнена вертикальная сушильная камера и конструктивного исполнения волноводов с воздуховодами.
l
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой установке для сушки, обеззараживания зерна и предпосевной обработки семян, содержащей вертикальную сушильную камеру прямоугольной формы с частично перфорированными стенками, загрузочный и выгрузной бункеры, нагнетающие вентиляторы, СВЧ магнетроны с индивидуальными источниками питания, расположенными на противоположных стенках СВЧ-конвективных зон, каждый магнетрон подключен к волноводу, магнетроны и их источники питания помещены в экранирующие корпуса, к которым подводится принудительное воздушное охлаждение, выход воздуховода охлаждения соединён с перфорированным воздуховодом, расположенным внутри зернового слоя, согласно изобретению, вертикальная сушильная камера состоит из СВЧ-конвективных зон, расположенных одна над другой, каждая СВЧ-конвективная зона содержит не менее 2-х магнетронов с индивидуальными источниками питания, волновод каждого магнетрона размещен внутри зернового слоя перпендикулярно направлению движения зерна, при этом волновод представляет собой прямоугольный волновод стандартного сечения, усеченный с одной стороны, представляющей собой четырёхугольный клин, погруженный в зерновой слой, три грани клина расположены под прямым углом по отношению друг к другу, а четвёртая грань волновода под углом к широкой стенке волновода, погруженной в зерновой слой, угол, под которым усечен волновод, определяется глубиной погружения волновода в зерновой слой, при этом грань клиновидной части волновода, образованная сечением заглушена радиопрозрачной заглушкой и направлена в зерновой слой перпендикулярно движению зернового слоя в установке, воздуховод горячего воздуха выполнен в виде трёхгранного клина и расположен непосредственно на верхней грани волновода, образуя сборку волновод-воздуховод, боковая грань воздуховода выполнена неперфорированной и расположена перпендикулярно нижней грани воздуховода, а третья грань клиновидной части воздуховода выполнена перфорированной и расположена под углом 30о по отношению к вертикальной боковой грани воздуховода, сборки волновод-воздуховод располагаются попарно, боковыми неперфорированными гранями друг к другу, в направлении от центральной вертикальной оси СВЧ-конвективной зоны к её боковым стенкам, а у боковых стенок СВЧ-конвективной зоны установлены одинарные сборки волновод-воздуховод, сборки волновод-воздуховод располагаются по высоте СВЧ-конвективной зоны в несколько рядов, по вертикали в шахматном порядке по отношению к сборкам волновод-воздуховод, идущим с противоположной стенки СВЧ – конвективной зоны, для обеспечения равномерности распространения микроволнового поля расстояние  между четвертыми гранями соседних волноводов в СВЧ-конвективных зонах по мере движения зерна в установке может быть различно и находится в диапазоне от 5 до 40 см, увеличиваясь от СВЧ-конвективных зон, установленных в верхней части вертикальной сушильной камеры к нижним в зависимости от исходной влажности обрабатываемого зерна, при этом количество СВЧ-конвективных зон в сушильной камере устанавливают не менее двух с учетом режимов обработки и требований технологической линии обработки зерна, как при сушке, так и при обеззараживании зерна и предпосевной обработке семян.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая схема установки для сушки, обеззараживания зерна и предпосевной обработки семян, на фиг. 2 – клиновидная часть парных сборок волновод-воздуховод, находящаяся в слое обрабатываемого зерна, на фиг. 3 – вид сбоку волновод с воздуховодом и установленным магнетроном, на фиг. 4 – вид сверху на СВЧ-конвективную зону, на фиг. 5 – вид сбоку на две СВЧ-конвективные зоны, расположенные одна над другой, на фиг. 6 – сборка волновод-воздуховод с клиновидной частью, находящейся в зерновом слое.
Установка содержит  загрузочный бункер 1, вертикальную сушильную камеру прямоугольной формы 2, СВЧ-конвективные зоны 3, вентиляторы 4, выгрузной бункер 5, выгрузной шнек 6, волновод 7, воздуховод 8, перфорированная грань воздуховода горячего воздуха 9, экранирующий корпус 10, магнетрон 11, источник питания магнетрона 12, перфорированная стенка 13 СВЧ-конвективной зоны 3, зерновой слой 14, парная сборка волновод-воздуховод 15, 16, одиночная сборка волновод-воздуховод 17, боковая стенка 18 СВЧ-конвективной зоны 3, вертикальная боковая грань воздуховода 19, грань воздуховода 20, выполненная под углом 30° к грани 19, нижняя грань воздуховода 21, верхняя грань волновода 22, широкая грань волновода 23, основание волновода 24, четвёртая грань 25 волновода 7, заглушенная радиопрозрачной заглушкой 26.
В СВЧ-конвективной зоне 3 на её противоположных стенках установлены одиночные сборки волновод- воздуховод 17. Волновод 7 выполнен в виде четырёхугольного клина, три грани которого 22, 23, 24, расположены под прямым углом, а четвёртая грань 25, под углом задаваемым длиной трёх граней 22, 23, 24. Грань 25, расположенная под углом заглушена радиопрозрачной заглушкой 26, выполненной из радиопрозрачного материала, например фторопласта. Через четвёртую грань 25 клиновидной части волновода 7 поле СВЧ попадает в зерновой слой 14, находящийся в СВЧ-конвективной зоне 3. Верхняя грань 22 волновода 7 служит основанием (нижней гранью 21) воздуховода 8, выполненного в виде трёхгранного клина. Вертикальная грань 19 воздуховода 8 расположена под прямым углом к грани 22, при этом угол между гранью 19 и гранью 20 составляет 30°. Что позволяет зерну, при движении сверху вниз стекать с воздуховода 8. Грань 9 воздуховода 8 выполнена перфорированной. Через неё подогретый воздух, попадает в зерновой слой 14.
Воздух, подаваемый вентилятором 4, попадает в экранирующий корпус 10 (фиг. 3), в котором расположены магнетрон 11 и источник питания 12. Поскольку в процессе работы магнетрон 11 и источник питания 12 нагреваются, то подаваемый на них вентилятором 4 атмосферный воздух подогревается, охлаждая магнетрон 11 и источник питания 12. Далее подогретый от магнетрона 11 и источника питания 12 воздух поступает в воздуховод 8 и, через перфорированную грань воздуховода 9, подаётся в зерновой слой 14.
l
l
Одиночные сборки волновод-воздуховод 17, устанавливают в СВЧ-конвективной зоне 3 попарно 15, 16 (фиг.5), соединяя друг с другом широкими гранями волноводов 23. Парные сборки волновод-воздуховод 16 размещают в СВЧ-конвективной зоне 3 в ряд, от центра к боковым стенкам 18, чередуя со сборками волновод-воздуховод 15, в которые СВЧ поле и воздух подают с противоположных стенок СВЧ-конвективной зоне 3 (фиг. 4). Возле боковых стенок СВЧ-конвективной зоны 3 устанавливают одиночные сборки воздуховод-волновод 17 (фиг. 6). Расстояние  между гранями 25 волноводов 7 (фиг.4), устанавливают таким образом, чтобы обеспечить проникновение поля СВЧ на всю толщину слоя зерна 14, находящегося между гранями 25 при максимальной влажности зерна, обработку которого требуется осуществлять. Расстояние  между четвертыми гранями 25 волноводов 7 определяется глубиной проникновения СВЧ поля dp, которая зависит от длины волны (частоты) воздействующего излучения λ, диэлектрической проницаемостью ε', и фактором диэлектрических потерь ε", материала на частоте воздействующего излучения при текущей влажности и определяется соотношением:
dp=(λ√(ε'))/(2π⋅ε"), (1)
где dp – расстояние между гранями (м);
λ – длина волны (частоты) воздействующего излучения (м);
ε' – диэлектрическая проницаемость;
ε" – фактор материала диэлектрических потерь на частоте воздействующего излучения при текущей влажности.
Например, при сушке пшеницы влажностью более 20%, с использованием магнетронов с частотой 2,45 МГц расстояние между гранями волноводов должно быть не больше 40 см. По мере прохождении зерна через СВЧ-конвективные зоны 3 оно высыхает, диэлектрические свойства изменяются (фактор диэлектрических потерь снижается), а глубина проникновения поля в зерновой слой 14 увеличивается. Поэтому расстояние между гранями 25 волноводов 7 в СВЧ-конвективных зонах 3, из которых собрана установка и расположенных вертикально по мере высыхания материала может отличаться. В верхних СВЧ – конвективных зонах 3 – меньше, в нижних СВЧ-конвективных зонах – больше. Конкретные величины этих расстояний устанавливают исходя из планируемой величины исходной влажности зерна, требуемого влагосъёма за один проход и требуемой производительности установки как при сушке, так и при обеззараживании зерна, принимая во внимание, что по мере высыхания зерна с 20 до 14% глубина проникновения увеличивается в 2-3 раза.
В зависимости от требуемой производительности установки вертикальная сушильная камера прямоугольной формы может состоять из различного количества СВЧ-конвективных зон 3, при этом в одной СВЧ-конвективной зоне 3 сборки воздуховод-волновод 15, 16, 17 могут располагаться в несколько рядов (фиг. 5). В этом случае прямо 16 и встречно 15 расположенные волноводы 7 с воздуховодами 8 располагаются в шахматном порядке по вертикали по отношению к волноводам-воздуховодам 15, 16, расположенным с противоположной стенки СВЧ-конвективной зоны 3 (фиг. 5).
Стенки 13 СВЧ-конвективных зон 3, на которых располагаются волноводы 7, воздуховоды 8, выполнены перфорированными. Это снижает сопротивление движению воздуха, проходящего по воздуховодам 8 через зерновой слой 14.
Установка для сушки, обеззараживания зерна и предпосевной обработки семян работает следующим образом.
Зерно, которое необходимо сушить, провести его обеззараживание или предпосевную обработку загружают в загрузочный бункер 1. Далее оно под собственным весом движется через СВЧ-конвективные зоны 3 в сушильной камере 2 вниз в выгрузной бункер 5. Выгрузка зерна осуществляется выгрузным шнеком 6. Шнек 6 включают периодически, либо изменяя скорость его вращения для регулирования скорости движения зерна в непрерывном режиме.
Зерно, находящееся в СВЧ-конвективных зонах 3, подвергается воздействию поля СВЧ и продувается воздухом, нагнетаемым вентиляторами 4 через воздуховоды 8, при этом воздух нагревается, охлаждая магнетроны 11 и источники питания магнетронов 12. Это воздействие осуществляется через сборки волновод – воздуховод 15, 16, 17. Поле СВЧ от магнетронов 11 по волноводам 7 через грани 25, заглушенные радиопрозрачными заглушками 26 попадает непосредственно в зерновой слой 14, чем обеспечивается более равномерное распространение микроволнового поля в зерновом слое и равномерный нагрев зерна внутри СВЧ – конвективных зонах 3.
Атмосферный воздух вентиляторами 4 продувается через экранирующие корпуса 10, где установлены магнетроны 11 и их источники питания 12. В процессе работы магнетроны 11 и их источники питания 12 нагреваются, а проходящий воздух их охлаждает. Подогретый таким образом воздух используется в качестве агента сушки. Через перфорированные стенки 9 воздуховодов 8 подогретый воздух попадает в зерновой слой 14. Поскольку волновод 7 проложен внутри СВЧ-конвективной зоны 3 от одной её стенки к другой, то распределение подогретого воздуха в зерновом слое 14 будет более равномерным, что обеспечит более равномерное высыхание зерна по слою.
Совмещённая сборка воздуховод 8 – волновод 7 совмещены попарно и расположены по вертикали СВЧ-конвективных зон 3 в шахматном порядке, что обеспечивает перемешивание зерна при движении его по высоте вертикальной сушильной камеры прямоугольной формы 2 и более интенсивный влагосъём.
Использование комбинированного СВЧ-конвективного воздействия на зерно позволяет уменьшить градиент температуры между центром и поверхностью зерновки, что уменьшает энергетические затраты на тепло-влагоперенос в зерне. Предлагаемая установка позволяет добиться повышения равномерности распространения микроволнового поля в зерновом слое. Повышение равномерности нагрева позволяет обеспечить нагрев зерна по всему объему зерна и снизить затраты на перемещение и перенос влаги. Так как воздух, охлаждающий магнетроны и источники питания магнетронов, используется в качестве агента сушки, то повышается общий кпд установки за счет снижения потерь с отходящим охлаждающим воздухом.
При обеззараживании зерна выполняется обеспечение требуемого температурного режима зерна в течение времени, требуемого для подавления вредной микрофлоры. Конкретная температура обработки зерна определяется требуемым температурным режимом и экспозицией обработки. В этом случае режимы работы электрооборудования (магнетронов, электродвигателей вентиляторов, выгрузного шнека) отличаются от их режимов работы при сушке зерна. Соответствующие алгоритмы управления электрооборудованием установки реализованы в системе автоматического управления (Васильев А.А. Обоснование режимов послеуборочного обеззараживания зерна с использованием поля СВЧ: дисс. … кандидата техн. наук.: 05.20.02 / А.А. Васильев. – М.: ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 2018. – 186 с.).
При предпосевной обработке семян в установке могут быть реализованы различные способы воздействия на семена: продувка атмосферным воздухом; продувка подогретым воздухом; воздействие полем СВЧ; СВЧ-конвективное воздействие, нагрев и выдержка при требуемой температуре, импульсное воздействие СВЧ-полем. Зерно обрабатывают при его нахождении внутри установки. Соответствующие режимы обработки реализованы в алгоритмах системы автоматического управления (патент РФ № 2729824, МПК A01C 1/06, опубл. 12.08.2020., Бюл. №23).
Предлагаемая установка обеспечивает снижение неравномерности нагрева зерна полем СВЧ, повышение качества обеззараживания зерна по толщине зернового слоя, повышение однородности изменения посевных качеств семян по слою за счет формы и расположения волноводов обращенных в зерновой слой, уравнивание напряженности полей от расположенных встречно друг другу соседних источников микроволнового поля, снижение энергоёмкости процессов сушки, обеззараживания зерна и предпосевной обработки семян и повышение общего КПД установки.