СПОСОБ СУШКИ СЕМЯН В ПЛОТНОМ СЛОЕ
METHOD OF DRYING SEEDS IN DENSE LAYER

Изобретение относится к сушке семян, преимущественно селекционных и может быть использовано в сельском хозяйстве.
Известен способ сушки семян активным вентилированием, при котором семена загружают, продувают наружным воздухом, по достижении кондиционной влажности разгружают, (М.А. Теленгатор, B.C. Уколов, В.М. Цециновский. Обработка семян зерновых культур, «Колос», М., 1972, с.33).
Такой способ сушки широко распространен в практике обработки селекционных семян, однако он малопроизводителен и зависит от погодных условий.
Известен способ сушки семян, по которому материал загружают, вентилируют агентом сушки, нагревают до предельно допустимой температуры, зависящей от исходной влажности и длительности процесса, сушат, охлаждают и разгружают. (В.Ф. Самочетов, Г.А. Джорогян, Зерносушение, «Колос», М., 1970, с.199).
Этот способ широко применяется в сельском хозяйстве, однако для селекционных семян он применяется ограниченно, так как предельно допускаемая температура нагрева семян, определенная по этому способу при влажности семян более 20…21% завышена. На практике семена сушат при температуре нагрева на 8-10°C ниже предельно допустимой, определенной для известного способа, что снижает эффективность сушки. (С.Д. Птицын, Зерносушилки, Машгиз. М., 1962, с.49-52).
Этот способ наиболее близок к заявленному и принят за прототип.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности процесса сушки селекционных семян.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе, заключающимся в том, что семена загружают, вентилируют агентом сушки, нагревают до предельно допустимой температуры, зависящей от длительности процесса, сушат, охлаждают и разгружают, согласно изобретению, предельно допустимую температуру нагрева семян, определяют по формуле
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>n</mi><mo>.</mo><mi>q</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>23,5</mn></mrow><mrow><mfrac><mrow><mn>0,37</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>100</mn><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mi>в</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mn>100</mn><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>η</mi><mrow><mi>u</mi><mi>c</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>20</mn><mo>−</mo><mn>10</mn><mi>lg</mi><mi>τ</mi><mo>,</mo></mrow>
где 23,5 - допустимое теплосодержание семян, ккал/кг;
0,37 - теплоемкость сухих семян, ккал/кг °C;
1
2
ω, ω - начальная и конечная влажность семян, %;
uc
η - часть теплоты, пошедшая на испарение влаги;
τ - время, мин;
в
C- теплоемкость влаги, ккал/кг °C;
Изобретение поясняется чертежом.
На фиг.1 изображена схема селекционной сушилки СЛБ-0,3×2.
Схема включает сушильную камеру 1, диффузор 2, решетку 3, пульт управления 4, заслонки 5, вентилятор 6, калорифер 7, секции 8 сушильной камеры.
Способ осуществляют следующим образом.
Определяют исходную влажность семян, по массе семян в сушильной камере и конечной влажности оценивают ориентировочную длительность сушки, рассчитывают влагосъем и предельно допустимую температуру нагрева семян. Согласно этой температуре устанавливают температуру агента сушки, высушивают, охлаждают и разгружают материал.
Работу сушилки осуществляют следующим образом.
a.c
n.q
В сушильную камеру 1 загружают семена, выравнивают слой во всех четырех секциях, включают вентилятор 6, заслонками 5 устанавливают заданный расход сушильного агента, включают калорифер 7 и с пульта 4 устанавливают заданную температуру агента сушки t=Θ+2…3°C включением соответствующих секций калорифера. Окончательную температуру агента сушки устанавливают изменением его расхода.
С.Д. Птицыным получена эмпирическая формула для определения допустимой температуры нагрева семян:
<mrow><msub><mi>t</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mi>C</mi></mfrac><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><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
c
где Q - допустимое теплосодержание семян, ккал/кг;
C - теплоемкость семян, ккал/кг °C.
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,37</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>100</mn><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>к</mi><mi>а</mi><mi>л</mi><mo>/</mo><mi>к</mi><mi>г</mi><mtext> </mtext><msup><mtext> </mtext><mi>o</mi></msup><mi>С</mi></mrow>
,
1
где ω - начальная влажность семян, %; 0,37 - теплоемкость сухих семян, ккал/кг °C.
c
c
Для решения уравнения (1) необходимо знать лишь влажность семян, так как величина Q при полном сохранении всхожести по данным опытов С.Д. Птицыным принята Q=23,5 ккал/кг.
Эта формула справедлива для времени экспозиции равном 90 мин. Для общего случая С.Д. Птицыным получена формула
<mrow><msub><mi>t</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2350</mn></mrow><mrow><mn>0,37</mn><mo stretchy="false">(</mo><mn>100</mn><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>20</mn><mo>−</mo><mn>10</mn><mi>l</mi><mi>g</mi><mi>τ</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><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где τ - длительность экспозиции, мин.
Эта формула нашла широкое применение в зерносушильной практике, как у нас, так и за рубежом. (С.Д. Птицын, Зерносушилки, Машгиз, М., 1962, с.49-52)
c
c
Однако при сушке ценных сортов семян, в частности, селекционных при повышенной влажности (более 20…21%) значение t по (2) снижают на 8…10°C, так как расчет t по (2) дают завышенную величину и не гарантируют качество семян.
Это объясняется тем, что она получена для условий «чистого» теплообмена, не осложненного различными физико-химическими процессами, в частности испарением влаги. С.Д. Птицын вывел (2) на основе нагрева семян различной влажности, помещенных в латунные сосуды, а те в свою очередь располагали в водяной бане
э
uc
Однако сушка происходит при одновременном развитии процесса нагрева и испарении. Вследствие того, что на испарение влаги требуется тепло, теплоемкость возрастает, а температура влажных семян будет ниже. Для упрощенных расчетов можно пользоваться понятием «кажущейся» теплоемкости C. которая имеет составляющую испарения C (А.И. Орлов, Исследование кондуктивного и конвективного нагрева в процессе сушки семенного зерна, автор. диссерт. на соискание ученой степени канд. техн. наук, М, 1970, с.14).
э
uc
C=C+C,
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>u</mi><mi>c</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>в</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mn>100</mn><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
где
<mrow><msub><mi>C</mi><mi>л</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mn>100</mn><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Выражение
представляет собой приращение теплоемкости семян за счет испаренной влаги, но поскольку не вся испаренная влага используется на это приращение, то в окончательном виде имеем
<mrow><msub><mi>C</mi><mi>л</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mn>100</mn><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>η</mi><mrow><mi>u</mi><mo>.</mo><mi>c</mi></mrow></msub></mrow>
,
э
uc
где C, C, C - кажущаяся теплоемкость, теплоемкость семян и приращение теплоемкости семян, ккал/кг °C (ккал здесь употреблены в связи с тем, что входит в (2);
uc
η - доля теплоты, пошедшая на испарение влаги.
uc
uc
наг
<mrow><mi>К</mi><mi>o</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>η</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>η</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Величину η можно найти приняв n+η=1 и
, тогда получим
<mrow><msub><mi>η</mi><mrow><mi>u</mi><mi>c</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>K</mi><mi>o</mi></mrow><mrow><mi>K</mi><mi>o</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
uc
наг
Ко - число Коссовича, характеризующее отношение количества теплоты, затраченной на испарение влаги из семян η, к количеству теплоты пошедшему на их нагрев, η.
С увеличением продолжительности сушки значения Ко возрастают, т.к. при сушке снижается доля первоначальных затрат на нагрев семян в общих затратах теплоты, при этом все большая часть теплоты будет затрагиваться на испарение влаги.
Число Коссовича увеличивается с ростом начальной влажности семян. Высокие значения Ко при низкой температуре сушильного агента объясняются малыми затратами теплоты на нагрев семян (Значения числа Ко приводятся в специальной литературе, например В.Ф. Сорочинский, Повышение эффективности конвективной сушки и охлаждения зерна на основе интенсификации тепломассобменных процессов, диссерт. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук, М. 2003, с.162).
Величина числа Коссовича (Ко)
Температура сушильного агента, °C
Продолжительность сушки, мин
30
45
135
210
380
20
25
20
25
20
25
20
25
20
25
35
4
5
5
7
6,5
8
8
11
9
14
40
3
4
4
6
6
7,5
7
9
8
12
45
1,5
3
3,5
4
5
6
7
8
6
10
50
1
2
2
3
3,5
5
6
-
-
-
Пример 1.
uc
Определим длительность сушки, число Коссовича Ко и η
1
2
a.c.
3
2
Высушивали семена пшеницы исходной влажностью ω=22% до конечной ω=14% с объемной массой γ=750 кг/м в одной камере селекционной сушилке СЛ-0,3×2 с площадью решает F=1 м, высота слоя семян h=0,2 м. Температуру агента сушки примем t=45°C, его скорость V=0,4 м/с. Примем удельные затраты тепла на испарение 1 кг влаги q=5,45 МДж/кг (~1300 ккал/кг), что характерно для сушилок плотного слоя.
Количество семян в камере сушилке, составит
G=Fhγ=1·0,2·750=150 кг.
Количество испаренной влаги составит
<mrow><mover accent="true"><mi>W</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>G</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>100</mn><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>150</mn><mo>⋅</mo><mn>8</mn></mrow><mrow><mn>86</mn></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>14,9</mn><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow>
.
Расход агента сушки составит
a.c.
3
Q=F·V·3600=1·0,4·3600=1440 м/ч
Количество тепла, подаваемое на сушку составит
т
a.c
0
a.c.
a.c
в
3
Q=(t-t)Q·c·ρ=25·1440·1·1=36·10 кДж/ч
a.c
где t - температура агента сушки, °C;
0
0
t - температура наружного воздуха, t=20°C;
а.с
a.с
С - теплоемкость агента сушки, c=1 кДж/кг °C;
в
в
3
ρ - плотность агента сушки, ρ=1 кг/м.
Количество тепла, необходимое для испарения 14,9 кг влаги, составит
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>т</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mi>q</mi><mo>⋅</mo><mover accent="true"><mi>W</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mn>76,3</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi></mrow>
Расчетная длительность сушки составит
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>т</mi><mn>1</mn></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>т</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>76,3</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>36</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2,1</mn><mtext> </mtext><mi>ч</mi></mrow>
uc
Число Ко составит 5, а η=0,83
nq
a.c
Пример 2. Расчет θ и t
nq
Величина Θ составит
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>q</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mi>c</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mi>в</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ϖ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mn>100</mn><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>η</mi><mrow><mi>u</mi><mi>c</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>20</mn><mo>−</mo><mi>lg</mi><mi>τ</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>q</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>23,5</mn></mrow><mrow><mfrac><mrow><mn>0,37</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>100</mn><mo>−</mo><mn>22</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>22</mn></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><mn>8,1</mn><mo>⋅</mo><mn>0,83</mn></mrow><mrow><mn>86</mn></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>20</mn><mo>−</mo><mn>21</mn><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>40</mn></mrow><mi>o</mi></msup><mi>C</mi></mrow>
nq
a.c
Температура агента сушки в плотном слое недолжна быть выше θ не более чем на 3°C, т.е. t≤43°C.
По известному способу имеем
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>n</mi><mo>.</mo><mi>q</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2350</mn></mrow><mrow><mn>0,37</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>100</mn><mo>−</mo><mn>22</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>22</mn></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>20</mn><mo>−</mo><mn>21</mn><mo>=</mo><msup><mrow><mn>45</mn></mrow><mi>o</mi></msup><mi>C</mi></mrow>
a.с
и t=48°C
a.c
a.c
n.q
a.c
a.c
Эта температура агента сушки t=48°C является для селекционных семян завышенной, на практике принимают t=35°C, т.е. на 10°C ниже. Достоверное определение Θ и t позволит осуществить безопасную сушку повысить безопасную температуру t, что в свою очередь снизит время сушки на 15…20%.