СПОСОБ БЕЗОПАСНОЙ СУШКИ СЕМЯН
METHOD OF SAFE SEED DRYING

Изобретение относится к сушке семян, преимущественно повышенной влажности, а также элитных ценных сортов и может быть применено в сельском хозяйстве.
Известен способ сушки семян, при котором влажный материал загружают, вентилируют агентом сушки со съемом 3-4% влажности за пропуск, количество пропусков устанавливают в зависимости от начальной и конечной влажности. Между пропусками применяют отлежку (В.А. Шаршунов, Л.В. Рукшан, Сушка и хранение зерна, Минск, Мисата, 2010, с 106-107).
Этот способ способствует перераспределению влаги в зерновке и снижению градиента влагосодержания, тем самым обеспечивает безопасную сушку при температуре нагрева ниже допустимой.
Однако он достаточно длителен и требует развитой инфраструктуры, включая бункера отлежки, транспортные средства и т.д., поэтому его применяют достаточно редко.
Известен способ, заключающийся в том, что семена предварительно подогревают, загружают, вентилируют агентом сушки, охлаждают и разгружают (А.С. Гинзбург, В.П. Дубровский, Казаков, Г.С. Окунь, В.А. Резчиков. Влага в зерне, М. «Колос», 1969, с 169-1712).
Предварительный подогрев семян способствует снижению градиента влагосодержания и тем самым повышает безопасность процесса сушки.
Этот способ сушки по своей технической сущности наиболее близок к заявленному и принят за прототип.
Недостатком известного способа является то, что он экономически не выгоден для крупнотоннажного производства семян, так как организация предварительного подогрева требует сложных технологических и технических мероприятий, а также при подогреве необходимо решить вопрос с возможной неравномерностью нагрева и сушки отдельных зерновок.
Технической задачей изобретения является повышение безопасности сушки семян путем ограничения коэффициента теплоотдачи семян, т.е. снижения градиента влагосодержания в зерновках.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе сушки семян, заключающийся в том, что материал загружают, вентилируют агентом сушки, охлаждают и разгружают, согласно изобретению, скорость агента сушки ограничивают величиной коэффициента теплоотдачи α.
a.c.
где λ - коэффициент теплопроводности зерновки, Вт/м °C; ΔU - снижение влагосодержания зерновки, кг вл/кг мат; σ - теплота парообразования, кДж/кг, σ - толщина сферы зерновки с зародышем, м; c - теплоемкость зерновки, кДж/кг °C; t - температура агента сушки, °C; θ - температура семян, °C; Ко - число Коссовича.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена принципиальная схема сушилки; на фиг.2 - схема зерновки с зародышем.
Устройство представляет собой серийно выпускаемую ГНУ ВИМ Россельхозакадемии лотковую селекционную сушилку ЛСБ-0,3×2 и содержит калорифер 1, вентилятор 2, задвижки 3, диффузор 4, решетку 5, секции 6 сушильных камер 7, пульт управления 8, термодатчики 9, регистратор температуры 10, анемометр с раструбом 11.
Устройство работают следующим образом.
Влажные семена загружают в секции 6 одной или двух сушильных камер 7, высотой слоя от 0,1 до 0,5 м, выравнивают и последовательно включают вентилятор 2, калорифер 1. Задвижками 3 устанавливают скорость агента сушки, соответствующую величине α.
п.q
Включением того или иного количества секций калорифера 1 устанавливают температуру агента сушки не более чем на 5°C выше допустимой температуры нагрева θ при условии регулировки перемешивания материала или на 2…3°C - без перемешивания.
п.q
1
2
Температуру θ определяют, например, по формуле С.Д. Птицына (С.Д. Птицын Зерносушилки, М, Машгиз 1962, с 52). Начальную влажность семян со, определяют влагомером или высушиванием навесок в сушильном шкафу. Длительность сушки определяют расчетом по известной температуре агента сушки, исходной (начальной) и конечной влажности (ω, ω), массе семян и скорости агента сушки (предварительно задаются).
1
Вычислить объем зерновки V, приняв ее форму шарообразной, при известном диаметре и объем сферы (оболочки) V при известной глубине нахождения зародыша в зерновке не представляет труда. Величину а определяют по справочникам (например для пшеницы зародыш находится за наружной оболочками на расстоянии σ=0,3-0,5 мм от поверхности (С.Д. Птицын, Зерносушилки, М, Машгиз, 1962, с 35).
Способ осуществляют следующим образом.
По известной начальной и конечной влажности зерна, объемах зерновки и ее сферы с зародышем, температуре агента сушки рассчитывают параметры зерновки и процесса и расчетом определяют а и скорость агента сушки. Рассчитанную скорость устанавливают, контролируя ее анемометром с раструбом 11.
пq
Сушка зерна состоит из трех основных этапов: испарение влаги, внешней перенос пара, внутренний перенос влаги. Причем при сушке зерно быстро нагревается до допустимой температуры θ и не успевает высохнуть до необходимой влажности. Таким образом, процесс сушки лимитируется внутренним переносом влаги. Несоответствие интенсивностей процесса переноса влаги вызывает существенный градиент влагосодержания по радиусу зерновки и отрицательно сказывается на качественных показателей семян (в первую очередь снижается энергия прорастания).
Рациональным решением проблемы будет применение таких способов сушки, при которых зона испарения располагалась бы возможно ближе к наружной поверхности зерновки, но за зародышем, например регулируемое снижение интенсивности внешнего массопереноса, которое зависит от величины α.
В свою очередь величина а зависит от скорости агента сушки в известной зависимости, например
Nu=0,106Re(20<Re<200),
где Nu, Re - число Рейнольдса и Нуссельта
;
,
'э
2
d - эквивалентный диаметр зерновки, м, υ - кинематическая вязкость агента сушки, м/с.(В.В.Портнов, В.В.Майоров, Промышленные конвективные установки, Сборник задач, Воронеж, Воронежский Гос. Тех. Уни-вер., 2003, с 37).
Для расчета безопасных влагосъемов рассмотрим тепломассоперенос в зерновке.
Физическая модель. В общем случае сушка зерна происходит в два периода. Как только температура поверхности зерновки с радиусом R достигнет температуры адиабатического насыщения воздуха (температуры мокрого термометра), начинается первый период сушки, в котором агент сушки у поверхности зерновки насыщен водяными парами, а скорость процесса лимитируется скоростью их отвода от поверхности испарения в ядро потока сушильного агента. В этом периоде влага преимущественно из периферийных оболочек зерновки перемещается к ее поверхности, испаряется, а пары отводятся агентом сушки. Движение границы испарения в этом периоде не происходит, но происходит во втором периоде.
Математическая модель. Уравнение, согласно которому можно определить скорость сушки запишем в виде
3
3
где V - объем зерновки, м; ρ - плотность вещества зерновки, кг/м;
(τ)
a.c.
м.т
п.q
п.q
2
2
r - теплота парообразования, кДж/кг влаги; U - влагосодержание кг влаги/кг сухого материала; α - коэффициент теплоотдачи Вт/м °C; F - поверхность зерновки, м; t - температура агента сушки, °C; θ - температура материала °C, в первом периоде θ=θ (мокрого термометра), во - втором θ=θ/2 (где θ - допустимая температура нагрева, °C); η - часть теплоты, поступающая на испарение влаги.
Величину η можно определить из числа Коссовича (Ко), например в (В.Р. Сорочинский, Повышение эффективности конвективной сушки и охлаждение зерна на основе интенсификации теплообменных процессов, диссерт. На соиск. учен. степ. докт. техн. наук, М. 2002, с 162.
a.c.
При θ и t=const имеем искомое решение (1) имеет вид
или
где ΔU влагосъем с поверхности зерновки, кг/кг.
По мере снижения влагосодержания оболочек к ней подводится влага из ядра зерновки, а фронт испарения углубляется.
Уравнение перемещения фронта испарения в зерновке шароообразной формы на величину σ может быть записана в виде
где λ - коэффициент теплопроводности зерновки Вт/м °C;
σ - толщина сферы зерновки с зародышем, м;
1
V, - объем сферы зерновки с толщиной σ, °C;
1
Δθ - перепад температуры на границах сферы с толщиной σ, °C.
После решения (5) аналогично выражению (1) получим
Так как условие безопасной сушки есть равенство правых частей (4) и (6), то их приравняем и получим после упрощений
Для решения (6) необходимо знать выражение перепада температуры по радиусу зерновки, который можно определить из числа Коссовича.
1
1
, где ΔU - изменение влагосодержания сферы зерновки с объемом V в процессе сушки, кг/кг, с - теплоемкость материала зерновки, кДж/кг °C.
Переходя к влагосодержанию в зерновке ΔU с объемом V окончательно получим
Значения Ko можно определить для различных режимов сушки из экспериментальных данных. (В.Р. Сорочинский. Повышение эффективности конвективной сушки и охлаждение зерна на основе интенсификации теплообменных процессов, диссерт. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук, М., 2003, с 162).
1
2
a.c
a.с
n.q
э
Пример. Определим коэффициент теплоотдачи и скорость агента сушки при высушивании семян пшеницы с исходной влажностью 21% (U≈0,27) до конечной влажности 14% (U≈0,16 кг/кг); при t=45°C в плотном неподвижном слое высотой 0,2 м с перемешиванием. Принятая величина t позволяет высушить семена без превышения допустимой температуры нагрева θ=41,0°C. Параметры зерновки, взятые из литературы следующие λ=0,023 Вт/м °C; с=1,68 кДж/кг°C; r=2640 кДж/кг; d=4 мм; σ≈0,5 мм (С.Д. Птицын, Зерносушилки, М., Машгиз, 1962, с 35) Ко=6. Параметры агента сушки и процесса сушки
-6
2
υ=20·10м/с; ΔU=0,11 кг/кг
;
; где Re, Nu - числа Рейнольдса и Нуссельта соответственно, причем для рассматриваемого гидродинамического режима сушки Nu=0,106 Re (при 20<Re<200)
a.c
a.c
Так как процесс сушки проходит практически во втором периоде, то (t-θ)=(t-41/2)≈25°C
;
;
Предложенный скоростной режим сушки позволит использовать на сушке элитных и ценных сортов семян высокопроизводительные сушилки, производительность которых па порядок выше зачастую используемых установок с естественной конвекцией.