УСТРОЙСТВО ДЛЯ СУШКИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР И ИМ ПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение может быть использовано для сушки сыпучих тел, а именно различных зерновых культур, семян, а так же им подобных материалов.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Холодный воздух из атмосферы (например, вентилятором) прокачивается через специальные теплоконденсаторы, где за доли секунды нагревается до заданной температуры. Нагретый воздух по воздуховоду поступает в генератор импульсов, воздухораспределитель которого последовательно направляет его в диффузоры, на которых смонтирован рабочий лоток. Дном лотка является сетка, на которой находится слой зерна или другого сыпучего материала (в дальнейшем «зерно»).
Таким образом, поток нагретого воздуха заданными порциями последовательно проходит по всей длине лотка и, не снижая скорости потока, проходит через всю толщину слоя высушиваемого зерна, нагревает и испаряет накопившуюся в нем влагу и уносит ее в атмосферу.
При этом производительность вентилятора и все проходные отверстия теплоконденсатора рассчитаны таким образом, что суммарная площадь отверстий в теплоконденсаторе равна суммарной площади отверстий сетки под одним из диффузоров. А масса и размеры гранул позволяют удерживать заданный тепловой поток и граничную температуру, контролируемую встроенной термопарой и гальванометром, отградуированном в °С.
Изобретение относится к устройствам для сушки сыпучих тел. Оно позволяет за счет мгновенного нагрева воздуха до заданной температуры в теплоконденсаторе и импульсного распределения генератором импульсов потока нагретого воздуха по всей площади рабочего лотка, практически охватывать поверхность каждого зерна тепловым потоком, нагревать его, испарять накопившуюся в нем влагу и уносить ее в атмосферу. Тем самым, значительно сокращается время нагрева воздуха и увеличивается КПД устройства за счет большой разности температур и исключения необходимости использования вытяжных вентиляторов.
Наиболее близким из известных способов сушки сыпучих тел являются так называемые шахтные (огневые) сушки. Сущность их заключается в следующем.
Воздух нагревается за счет выделения тепла продуктами сгорания горючих материалов, как-то дров, угля или нефтепродуктов, и вместе с отработанными газами через специальные каналы удаляется в трубу, отдавая тепло стенкам каналов. По внешней стороне этих каналов сверху двигается поток зерна, нагревается о его стенки и испаряет накопившуюся влагу, которая специальными вытяжными вентиляторами удаляется в атмосферу. Использование в таких сушках в качестве нагревателя воздуха ТЭНов также не эффективно, т.к. площадь поверхности нагретых ТЭНов очень мала по сравнению с площадью поверхности воздуховодов. Поэтому они потребляют большое количество энергии для нагрева и создают необходимость в вытяжных вентиляторах для отвода испаряемой влаги.
Для осуществления предполагаемого способа сушки зерна разработано устройство, технологическая схема которого приведена на Фиг.1.
Устройство состоит из следующих узлов: (Фиг.1.)
- Рама «1», на которой смонтированы все узлы установки;
- Теплоконденсатор «2», позволяющий в течение долей секунды нагревать воздух до заданной температуры; размеры гранул теплоконденсатора и их масса позволяют удерживать заданный тепловой поток при избыточном давлении;
- Генератор импульсов «3», обеспечивающий направленное поступление горячего воздуха в каждый диффузор «4» через равные промежутки времени;
- Рабочий лоток «5», дном которого является сетка, не позволяющая попадать зерну в генератор импульсов, но свободно пропускающая нагретый воздушный поток;
- Вентилятор «6», обеспечивающий необходимый расход воздуха и поддерживающий заданное избыточное давление во всей системе;
- Вибратор «7», обеспечивающий заданную толщину слоя высушиваемого зерна и необходимую производительность установки в зависимости от влажности зерна и его назначения;
- Механизм поворота «8», обеспечивающий с помощью подъемника «9» необходимый наклон лотка при смене типа высушиваемого материала;
- Шибер «10», обеспечивающий заданную производительность установки (тонн/час);
- Воздухораспределитель «11», обеспечивающий плотность воздушного потока по всей длине рабочего лотка;
- Воздуховоды «12», обеспечивающие герметичность доставки нагретого воздуха в системе;
- Шасси «13», обеспечивающие передвижение сушки вдоль бурта с высушиваемым зерном;
- Силовой шкаф и пульт управления «14», обеспечивающие напряжение двигателя и теплоконденсатора и осуществляющие управление сушкой и контроль температуры.
Технологические схемы узлов установки приведены на Фиг.2, Фиг.3 и Фиг.4, которые работают следующим образом.
1
Холодный воздух из атмосферы вентилятором «1» с избыточным давлением Р прокачивается через теплоконденсатор «2», где нагревается до заданной
температуры и по воздуховоду «3» попадает в герметически закрытый корпус генератора импульсов «4». В корпусе генератора импульсов смонтирован воздухораспределитель «5», который представляет собой трубу с окнами «6», вырезанными по спирали с заданным шагом t по длине трубы. Труба вращается в подшипниках, смонтированных в корпусе генератора импульсов.
На крышке корпуса генератора импульсов вдоль его центральной оси выполнены окна. С внешней стороны окон смонтированы диффузоры «7», а с внутренней - башмаки «8», имеющие равное сечение и размеры с окнами крышки корпуса генератора импульсов и трубы воздухонагревателя.
Таким образом, нагретый воздух поступает под избыточным давлением в корпус генератора импульсов «4» и, проходя через свободные окна «6» воздухораспределителя «5», попадает только в тот диффузор «7», окно которого совместилось в данный момент с окном воздухораспределителя «5». Башмаки «8» выполнены таким образом, что при повороте воздухораспределителя «5» на заданный угол α воздух попадает в следующий диффузор «7» только после полного закрытия предыдущего окна и так до полного оборота воздухораспределителя «5». Далее цикл повторяется.
1
Фракция сетки «9» подобрана таким образом, что при наличии на ней слоя зерна «10» толщиной h она обеспечивает свободное прохождение горячего воздуха с избыточным давлением P через всю толщину зерна h, при этом горячий воздух обтекает практически каждое зерно, нагревая его и испаряя накопленную влагу в атмосферу.
воздуха
меди
Как известно, теплопроводность воздуха (как и всех газов) очень низка (λ=0,025 Вт/м·К), а теплопроводность металлов - высока (например, λ=385 Вт/м·К). Т.е. если через каждый квадратный метр воздушной стенки толщиной в 1 м при разности температур в 1 К передается за 1 сек 0,025 Вт тепла, то через каждый квадратный метр медной стенки толщиной в 1 м при разности температур в 1 К передается 385 Вт тепла в секунду.
в
м
Теплоемкость воздуха С=1,01 кДж/(кг·К), а теплоемкость меди С=0,38 кДж/(кг·К).
Варьируя толщиной стенки нагреваемого потока воздуха, массой и размерами гранул меди и скоростью температуропроводности, можно рассчитать размеры теплоконденсатора в зависимости от выходного сечения диффузора «7» и
1
3
необходимого избыточного давления Р на выходе, т.е. производительность вентилятора W (м/час).
1
2
1
Пусть S - общая площадь потока воздуха в живом сечении нагревателя теплоконденсатора, 1 - расстояние между гранулами (причем 1≤1 мм), S - суммарная площадь сечения гранул меди, a T - температура, до которой необходимо нагреть гранулы. Тогда, исходя из теплового баланса системы, можно определить массу гранул, необходимую для обеспечения теплового потока, способного испарить нужное количество находящейся в зерне влаги (кг).
Из-за малой толщины стенки воздушного потока (1≤1 мм) он практически имеет туже температуру, что и гранулы. Тогда при повышении температуры гранул мы увеличиваем и КПД системы. В тепловых установках КПД определяется формулой:
, где
η - КПД установки;
1
T - температура нагревателя (гранул) (К);
2
Т - температура холодильника (воздуха атмосферы) (К).
Тогда, например, при нагреве гранул до 300°С (573°К) и температуре атмосферы 20°С (293°К) КПД установки будет равен:
что значительно выше, чем у всех существующих видов сушек.
Изготовленные по этому принципу теплоконденсаторы просты по устройству и надежны в работе.
Поскольку при сушке зерновых культур максимальная температура нагрева не превышает 150°С, то и навитая электрическая спираль сопротивления в предлагаемом устройстве не требует нагрева до высокой температуры. Кроме того, она электро- и теплоизолирована, что практически исключает ее окисление.
Для определения требуемой мощности нагревательных элементов воспользуемся законом сохранения энергии. Удельная теплота в процессе парообразования определяется формулой:
(Дж/кг), где
1
m - масса пара (кг);
2
m- масса пара (кг);
0
1
tи t - соответственно начальная и конечная температуры воды;
k
t - температура кипения воды;
С -удельная теплоемкость воды.
В среднем для того, чтобы испарить 1кг воды необходимо 2250 кДж тепла. Следовательно, чтобы снизить влажность 1 тонны зерна на 7% (т.е. чтобы испарить 70 кг воды) при температуре парообразования 50°С необходима общая мощность нагревателей порядка 22 кВт.
Задавая плотность электрического тока, можно определить количество нагревательных элементов, а также массу (кг) гранул, их форму и размеры (используя тем самым так называемый «эффект паяльника» - варьирование диаметром, длиной высокоомного провода при минимальном шаге навивки спирали).
Конструкция генератора импульсов позволяет за один поворот воздухораспределителя последовательно импульсами направлять воздушный тепловой поток по всей длине рабочего лотка с зерном и уносить выпариваемую влагу в атмосферу, что исключает необходимость в вытяжных вентиляторах и экономит электроэнергию.
Наиболее ощутимую экономию приносит возможность установки сушить зерно непосредственно на месте хранения, тем самым исключая затраты на погрузочно-разгрузочные работы и транспортные расходы, которые составляют от 13% до 25% от отпускной стоимости зерна.
Таким образом, устройство для сушки зерновых культур и им подобных материалов позволяет:
- производить сушку зерновых непосредственно на месте их хранения, исключая затраты на погрузочно-разгрузочные работы и транспортировку;
- нагревать воздушный поток за доли секунды в специальном теплоконденсаторе;
- импульсно последовательно распределять воздушный поток по длине всего рабочего лотка с зерном;
- избыточным давлением нагретого воздуха проходить через весь слой зерна на лотке, обтекая каждое зерно, нагревать его, испарять избыточную влагу и уносить ее в атмосферу без использования вытяжных вентиляторов.
На основании вышеизложенного были проведены расчеты, разработана конструкторская документация, изготовлены опытные и промышленные образцы установки и проведены промышленные испытания, показавшие положительные результаты и высокую рентабельность установки в процессе испытаний.
Фотография промышленного образца приведена на Фиг.5.