СПОСОБ СУШКИ СЕМЯН В ПЕРЕМЕШИВАЕМОМ СЛОЕ
METHOD OF DRYING SEEDS IN MIXED LAYER

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, охлаждают и разгружают [1].
По этому способу высушивают рядовые семена, но селекционные семена так не сушат, так как влажность отдельных зерновок может существенно превышать среднюю партии, по которой определяют предельно допустимую температуру.
3
2
Известен способ сушки семян, заключающийся в том, что материал загружают высотой слоя 0,4 м, вентилируют агентом сушки с температурой, на 5°С ниже принятой по средней влажности, с удельным расходом 1800-1900 м/м·ч (V≈0,5 м/с), начинают перемешивать через 1-2 ч с длительностью интервалов между перемешиванием 1-2 ч, число оборотов мешалки 3-5 об/цикл полного перемешивания, высушенный материал охлаждают и разгружают [2].
Этот способ по технической сущности наиболее близок к заявленному и выбран за прототип.
Известный способ обеспечивает сушку семян до кондиционной влажности при сохранении посевных качеств, однако, энергозатратен из-за повышенной скорости агента сушки. Кроме того, возможно повреждение семян из-за перегрева или травматизма.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности и безопасности сушки селекционных семян.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе сушки семян в перемешиваемом слое, заключающемся в том, что материал загружают, вентилируют агентом сушки с температурой, на 5°С ниже принятой по средней влажности, периодически перемешивают, высушивают, охлаждают и разгружают, согласно изобретению скорость агента сушки V рассчитывают в зависимости от свойств материала и агента сушки по формуле
а время первого и последующих перемешиваний семян определяют соотношением
m
2
где α - коэффициент диффузии влаги в зерновке, м/с;
в
3
ρ, ρ - плотность сухого вещества зерновки и агента сушки, кг/м;
0
1
2
U, U, U - влагосодержание исходных семян, агента сушки на входе и выходе слоя соответственно, кг/кг;
с - теплоемкость семян, кДж/кг°С;
0
1
ср
Θ; Θ; Θ - начальная, конечная и средняя температура семян, °С;
Ko - число Коссовича;
2
α - коэффициент теплоотдачи от агента сушки семенам, Вт/м°С;
2
f - коэффициент удельной поверхности семян, м/кг;
n
ε - порозность тонкого слоя;
1
t - температура агента сушки, °С,
при этом перемешивание осуществляют вручную с частотой 1-2 раза за цикл перемешивания.
Сравнение заявленного способа с прототипом показывает, что новым в способе является то, что скорость агента сушки V рассчитывают в зависимости от режима сушки и свойств материала и агента сушки по формуле
а время первого и последующих перемешиваний семян определяют соотношением
m
2
где α - коэффициент диффузии влаги в зерновке, м/с;
в
3
ρ, ρ- плотность сухого вещества зерновки и агента сушки, кг/м;
0
1
2
U, U, U - влагосодержание исходных семян, агента сушки на входе и выходе слоя соответственно, кг/кг;
с - теплоемкость семян, кДж/кг °С;
0
1
ср
Θ; Θ; Θ - начальная, конечная и средняя температура семян, °С;
Ko - число Коссовича;
2
α - коэффициент теплоотдачи от агента сушки семенам, Вт/м°С;
2
f - коэффициент удельной поверхности семян, м/кг;
n
ε - порозность тонкого слоя;
1
t - температура агента сушки, °С, при этом перемешивание осуществляют с частотой 1-2 раза за цикл перемешивания.
Таким образом заявляемый способ соответствует критерию «новизна».
Изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как может быть достигнут результат, удовлетворяющий существующую потребность, а именно: повышение эффективности и безопасности сушки селекционных семян.
Изобретение является «промышленно применимым», так как может быть использовано в сельском хозяйстве.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена схема устройства (селекционная сушилка СЛ-0,3×2), на фиг.2 - фрагмент слоя с роторной мешалкой; выделены тонкий слой (штриховка) и удаляемая часть этого слоя (закрашен) за оборот мешалки.
В состав устройства входят калорифер 1, вентилятор 2, заслонки 3, воздушный канал 4, разводящий агент сушки на две камеры 5, решетка 6, перегородки 7, разгрузочные отверстия 8 и слой семян 9.
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 и скорость агента сушки и вентилируют семена. Высушенные семена охлаждают наружным воздухом после отключения калорифера 1 и разгружают. Разгрузку 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, охлаждают и разгружают, перемешивание осуществляют вручную. Поддерживают заданные скорость и температуру агента сушки. Контролируют температуру семян в тонком слое (пограничном с решеткой). Время первого и последующих перемешиваний рассчитывают по соотношению
.
Для обоснования энергосберегающей скорости агента сушки V рассмотрим математическую модель переноса влаги в зерновке. Форму зерновки примем в виде ограниченного цилиндра радиусом R, длиной 1=5R и толщиной оболочки δ≈0,1 R, в которой сосредоточена большая часть влаги, в том числе свободная. Под действием концентрационной диффузии влага перемещается из оболочки в поток агента сушки, а так же из центральных областей зерновки в оболочку. Последним переносом пренебрегаем, так как его скорость много ниже первого, также пренебрегаем переносом влаги через торцевые поверхности зерновки. Тогда поток влаги можно записать
m
2
где α- коэффициент диффузии влаги в зерне, м/с;
ρ - плотность сухого вещества зерновки, кг/м;
0
U, U - влагосодержание семян и агента сушки соответственно, кг/кг.
0
Величина 0,1 R представляет собой толщину оболочки δ, а выражение (U-U)/0,1R - градиент переноса.
Этот поток влаги, испаряемый с поверхности зерновки, можно представить также в виде
где dG - расход агента сушки, кг/с;
2
F - поверхность зерновки, м.
Величину dG можно выразить через
где V - скорость воздуха, м/с;
2
F - поверхность зерновки, м;
в
ρ - плотность воздуха.
1
2
Приравняв правые части выражений (1) и (2) и после интегрирования от 0 до V и от U до U получим
ф
На практике для экономической и безопасной сушки селекционных семян фактическая величина V<V.
m
в
2
В выражение (4) прямо не входит температура нагрева семян, но она косвенно задана через α, ρ и U.
0
1
2
m
в
-10
2
3
3
-3
Пример 1. Рассчитаем скорость агента сушки V для следующего случая: температура семян - 35°С, влажность семян 25% (U=0,33 кг/кг), влагосодержания агента сушки U=0,008 кг/кг, U=0,0115 кг/кг, тогда  α=60·10 м/с (оболочка) [3]; ρ=1200 кг/м, ρ=1,1 кг/м, R=2·10 м. Получим V=0,27 м/с ≈0,3 м/с.
Скорость V=0,3 м/с достаточна для эффективной и безопасной сушки селекционных семян, а скорость V=0,4 м/с в прототипе несколько завышена и должна быть снижена, что обеспечит не только безопасную, но и экономичную сушку.
Перемешивание в первую очередь необходимо для предотвращения перегрева семян в тонком слое, пограничным с решеткой. На семена в этом слое воздействуют конвективная и кондуктивная составляющие теплообмена. Исходя из принятой математической модели периоды между первым и последующими перемешиваниями должны различаться между собой, так как с влажностью семян одновременно снижается отношение расхода тепла, пошедшего на испарение влаги по отношению к теплу, пошедшему на нагрев, определяемое числом Коссовича (Kо) (см. таблицу).
Величина Ко при температуре агента сушки 35°С и его скорости V=0,5 м/с [3].
Начальная влажность семян, %
Продолжительность сушки, мин
45
135
30
9,5
12,5
25
5
8
20
4
6
18
3,8
5,0
Для обоснования длительности работы сушилки до первого и последующих перемешиваний составим тепловой баланс. Поток теплоты от агента сушки к семенам в тонком слое можно записать.
э
α≈1,4α;
; Nu=0,106 Re (20<Re<200),
э
2
где α - эффективный коэффициент теплоотдачи, учитывающий конвективную и кондуктивную составляющие, Вт/м °С;
Nu - критерий Рейнольдса;
λ - теплопроводность семян, кДж/м·ч;
э
d - эквивалентный диаметр зерновки, м;
1
t - температура агента сушки, °С;
0
Θ - начальная температура семян, °С.
Количество теплоты, поглощенное семенами в тонком слое, составит
где G - масса семян в тонком слое, кг;
с - теплоемкость семян, кДж/кг °С;
;
- предельно допустимая температура нагрева семян, °С;
с - теплоемкость зерна, ≈2,05 кДж/кг °С.
Приравняв правые части (5) и (6) запишем
2
где f - коэффициент удельной поверхности (м/кг) является эффективным и равен
0
f=f(1-ε),
0
0
где f - геометрический коэффициент удельной поверхности (для пшеницы f≈1,0), ε - порозность тонкого слоя (ε≈0,55).
Использование эффективного коэффициента обусловлено структурой тонкого слоя, при которой часть агента сушки не контактирует с поверхностью материала.
После упрощений получим
1
0
2
Пример 2. Определим, через какое время необходимо перемешивать слой семян пшеницы для условий: V=0,30 м/с;  t=40°C; W=23% (исходная влажность). По таблице примем Ko≈8, найдем α≈15 Вт/м°С. Получим решением (8) τ≈0,7 ч.
Сравним эффективность и безопасность механического и ручного перемешивания селекционных семян. В первом случае перемешивание осуществляют роторной мешалкой, во втором - деревянной лопатой или совком. Учтем, что семена влажностью более 22% подвержены повышенной опасности травмирования, поэтому механическое воздействие на них должно быть сведено к минимуму.
Роторная мешалка с пластинами подхватывает подсохшие семена нижнего слоя и перемещает их на свободную поверхность, на места перемещенных поступают влажные семена. Исследованиями [2] установлено, что при количестве оборотов мешалки n=3-5 об/цикл достигнуты минимальные значения неравномерности сушки δ. Приводятся и другие параметры устройства и процесса: начальной влажности семян 20-30%, количество лопаток - 6, ширина лопатки 0,25 м, угол наклона -90°, неравномерность сушки по средним пробам не превышают ±0,5…1,0% и не снижается с увеличением n.
2
Очевидно, что за 3…5 об/цикл подсохшие семена нижнего слоя не только будут перемещены вверх, но и смешаны с более влажными, что и позволит достигнуть минимального значения δ. Аналогичный эффект при ручном перемешивании с помощью деревянной лопаты (движка) или совка может быть достигнут за 1-2 цикла перемешивания (1 - при площади решетки до 2…4 м, 2 - при большей площади, так как могут оставаться непромешанные места на решетке).
Действительно, если принять в первом приближении, что основной задачей перемешивания является перемещение вверх пограничного слоя семян, имеющего наименьшую влажность, толщина которого ориентировочно 2-3 зерновки, то за один проход лопасти мешалки удаляется лишь незначительная часть этого слоя (ориентировочно 0,15-0,25) массы от всего в области мешалки. Остальные семена пограничного слоя будут смещаться на место удаленных, и только через 3-5 циклов величина δ снижаться не будет, т.е. семена будут перемешены.
В то время как при использовании лопаты или совка достаточно 1-2 циклов перемешивания, а снижение механического воздействия на семена очевидно.
Источники информации
1. С.Д.Птицын. Зерносушилки. М.: Машгиз, 1962, с.49-53.
2. P.M.Галихошвили. Обоснование технологических и конструктивных параметров и разработка универсальной установки для сушки селекционных семян сельскохозяйственных культур. Автор. диссерт. на соискание ученой степени кандидата техн. наук. M., 1975, с.20-21.
3. В.Ф.Сорочинский. Повышение эффективности конвективной сушки и охлаждения зерна на основе интенсификации тепломассообменных процессов. Диссерт. на соискание учен. степ. докт. техн. наук. М., 2003, с.161-162.