Способ сушки зерна злаковых культур и установка для его осуществления
METHOD FOR DRYING GRAIN OF CEREAL CROPS AND UNIT FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к способам зерносушения и может быть использовано при сушке зерна пшеницы, ячменя, ржи, тритикале и других злаковых культур.
Известен способ сушки [Патент РФ № 2200288, F26B 25/22], предусматривающий предварительный подогрев влажного зерна потоком отработанного сушильного агента с последующим его охлаждением в испарителе и нагреванием в конденсаторе парокомпрессионной теплонасосной установки и подачей в сушилку с образованием замкнутого цикла.
Однако известный способ имеет следующие недостатки:
- сушка осуществляется в изотермическом цикле, когда зерно выводится на предельно допустимую температуру, возникает необходимость промежуточного охлаждения зерна, поскольку скорость его нагрева опережает скорость влагоудаления. В этом случае повышение производительности сушки не гарантирует получение высушенного зерна высокого качества;
- наличие механического привода снижает надежность парокомпрессионной теплонасосной установки и, как следствие, может привести к снижению производительности процесса сушки по высушенному продукту из-за возможных остановок на техническое обслуживание и ремонт;
- при большой разнице температур в испарителе и конденсаторе существенно снижается термодинамическая эффективность цикла парокомпрессионного теплового насоса, что приводит к увеличению энергетических затрат при компрессионном сжатии паров хладагента;
- для реализации обратного термодинамического цикла использован фреон  R12 , который для парокомпрессионных тепловых насосов либо исключен из обращения, либо его применение ограничено вследствие негативного воздействия на озоновый слой; использование озоноразрушающих хладагентов не дает оснований считать способ экологически безопасным.
Известен способ сушки [Пат. 2406340, A23B 9/02], предусматривающий предварительный подогрев влажного зерна, его сушку и охлаждение, а также охлаждение отработанного сушильного агента после сушки в холодоприемнике пароэжекторной холодильной машины, его разделение на два потока, один из которых направляют на сушку зерна, а второй на охлаждение зерна после сушки.
Недостатком известного способа является то, что пароэжекторный тепловой насос работает в области положительных температур и не может обеспечить подготовку низкопотенциального энергоносителя с температурой ниже 5 °С, что сдерживает скорость охлаждения зерна перед закладкой на хранение. Несмотря на снижение температуры сушильного агента в холодоприемнике до температуры точки «росы», когда содержащаяся в нем влага конденсируется в виде капельной жидкости на поверхности теплообмена, нельзя гарантировать его полное осушение в связи недостаточно низкой температурой конденсации влаги на охлаждающей поверхности холодоприемника. Для отделения паров влаги от сушильного агента потребуется дополнительная установка влагоотделителей, что приведет к увеличению энергозатрат на преодоление аэродинамического сопротивления в линии рециркуляции сушильного агента.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ сушки зерна [Пат. 2303213, F26B 3/14, F26B 21/08, A23B 9/02], предусматривающий двухступенчатый режим позонной сушки при температуре и скорости сушильного агента 373…393 K и 1,1…1,2 м/с в первой зоне и 403…413 K и 0,4…0,6 м/с во второй, осушение и охлаждение отработанного сушильного агента в рабочей секции испарителя парокомпрессионного теплового насоса до влагосодержания 0,001…0,005 кг/кг, нагревание в конденсаторе теплонасосной установки и подачу в сушилку, отключение на регенерацию рабочей секции испарителя и подключение резервной.
Одноступенчатый парокомпрессионный тепловой насос не позволяет подготовить высокотемпературный сушильный агент с температурой более 80 °С и выше, поэтому дополнительно используется калориферный нагрев сушильного агента, что ведет к увеличению энергозатрат.
В известном способе использование сушильного агента с высокой температурой может привести к интенсивному испарению влаги с поверхности сырого зерна. Это может нарушить влагопроводность в зерне и ухудшить процесс переноса влаги из его внутренних слоев к поверхности. Кроме того, при высокой температуре сушильного агента поверхностный слой зерна быстро нагревается, влажность же его за это время успевает снизиться незначительно. Поэтому поверхность зерна может быть пересушена, а в центре оставаться избыточная влажность, что вызывает внутренне напряжение в зерне и может привести к его растрескиванию. Пересушивание поверхности зерна и углубление зоны испарения внутрь зерна снижает интенсивность влагоудаления, скорость сушки и увеличивает энергозатраты на сушку [Сорочинский В.Ф., Доганин А.Л. Изменение полей влагосодержания и температуры в зерне при сушке / Хранение и переработка сельхозсырья, 2019, № 1, С. 48–54.]
Анализ современного состояния технологии зерносушения показывает, что конвективный способ высокотемпературной сушки, являющийся наиболее распространённым в современных зерносушильних установках, практически исчерпал свои возможности в направлении интенсификации процесса сушки и снижения энергозатрат [Сорочинский В.Ф / К вопросу снижения энергозатрат в технологии двухстадийной сушки зерна // Хранение и переработка зерна (научно-практический портал), 11.01.2020]. Существующие высокотемпературные зерносушилки не имеют гибкой технологической схемы, обеспечивающей сушку в оптимальных условиях в зависимости от начальных параметров поступающего на обработку зерна, подверженного трещинообразованию, и не обеспечивают комплексного решения проблемы управления качеством зерна в процессе обработки. В этой связи процесс сушки зерна целесообразно проводить при «мягких режимах».
В способе не предусмотрена тонкая очистка отработанного сушильного агента, что негативно отразится на процессе конденсации влаги из сушильного агента и на работе теплового насоса в целом; не рассматривается возможность подключения водоаммиачной холодильной установки в общую схему энергоснабжения способа, обеспечивающего получение низкотемпературного сушильного агента с высокой влагопоглощающей способностью, что позволило бы в установившемся режиме обеспечивать высокое качество зерна при сохранении производительности сушилки по сухому продукту и эффективное охлаждение зерна перед закладкой его на хранение.
Известны зерносушильные установки различных типов [1. Жидко В.И., Резчиков В.А., Уколов В.С. Зерносушение и зерносушилки. - М.: Колос. 1982;  2. Атаназевич В.И. Сушка зерна. - М.: Агропромиздат, 1989].
Известные установки объединяет один общий недостаток. Они малоэффективны, так как не предусматривают реализацию основных принципов энергосбережения, связанных с организацией рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам с применением теплового насоса. Их конструктивное оформление не позволяет обеспечить утилизацию и рекуперацию вторичных энергоресурсов за счет рационального использования отработанных теплоносителей, повысить экологическую безопасность за счет сокращения выбросов отработанного сушильного агента в окружающую среду.
Известно устройство для сушки растительного сырья [Пат. 2379607, F26B 17/12], содержащее сушильную камеру, загрузочное устройство, вентиляторы и калориферы, контур обогрева, в котором отработанный агент сушки используется в качестве теплоносителя для предварительного подогрева сырья.
Конструкция данного устройства не позволяет утилизировать отработавший охлаждающий воздух, имеющий низкое влагосодержание и повышенную температуру, то есть полезно использовать тепло, ранее затраченное на нагрев зерна. При этом отработавший сушильный агент и охлаждающий воздух полностью выбрасываются в атмосферу, что приводит к повышенным энергозатратам на сушку и загрязнению окружающей среды пылевидной фракцией.
Известна зерносушилка [Пат. 2394195, F26B 17/12], содержащая вертикальные шахты для зерна, образованные параллельно установленными перфорированными стенками с зонами сушки и охлаждения. К недостаткам известной зерносушилки следует отнести отсутствие эффективной подготовки высокотемпературного и низкотемпературного сушильного агента для сушки и охлаждения зерна с образованием замкнутых термодинамических циклов с использованием теплового насоса.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является установка, реализующая способ сушки зерна в шахтной зерносушилке, укомплектованной парокомпрессионным тепловым насосом [Пат. 2303213, F26B 3/14, F26B 21/08, A23B 9/02].
Однако парокомпрессионный тепловой насос целесообразно использовать в условиях децентрализованной системы энергоснабжения, когда отсутствуют источники получения высокопотенциальной тепловой энергии (котельные агрегаты, газотурбинные установки и др.). Традиционная ориентация в нашей стране на централизованное теплоснабжение ставит под сомнение использование парокомпрессионных тепловых насосов в технологии зерносушения, по крайней мере, в ближайшее время, в том числе с учетом их высокой стоимости.
Технической задачей изобретения является повышение качества зерна при сушке и охлаждении, снижение энергозатрат на единицу массы высушенного зерна, повышение экологической безопасности способа сушки зерна злаковых культур и установки для его осуществления.
Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в способе сушки зерна злаковых культур, предусматривающем двухстадийную сушку и охлаждение зерна; очистку, охлаждение и осушение отработанного сушильного агента в двухсекционном испарителе до влагосодержания 0,001-0,005, рабочая и резервная секции которого попеременно работают в режиме конденсации и регенерации; разделение отработанного сушильного агента после рабочей секции испарителя на два потока, один из которых подогревают и подают на сушку, а другой на охлаждение зерна; объединение потоков отработанного сушильного агента после сушки и охлаждения зерна с возвратом на двухстадийную сушку и охлаждение зерна в режиме замкнутого цикла; размораживание секции испарителя, работающей в режиме регенерации, согласно изобретениюиспользуют водоаммиачную холодильную установку, осуществляют тонкую очистку отработанного сушильного агента до содержания пылевидной фракции не более 30 мг/м и конденсируют из него влагу посредством рекуперативного теплообмена с кипящим в рабочей секции испарителя водоаммиачной холодильной установки аммиаком при температуре минус 10 °С, абсорбируют пары кипящего аммиака слабым водоаммиачным раствором при температуре 35 °С, нагревают слабый водоаммиачный раствор в кипятильнике водоаммиачной холодильной установки посредством рекуперативного теплообмена с перегретым паром до температуры кипения 130 °С с получением крепкого водоаммиачного раствора, конденсируют отделившиеся пары аммиака при температуре 40 °С, дросселируют сконденсированный аммиак до давления 0,26 мПа и доводят температуру его кипения в рабочей секции испарителя до минус 14 °С с последующей подачей на абсорбцию в режиме замкнутого цикла, при этом сушку зерна на первой стадии осуществляют сушильным агентом с температурой и скоростью 80 °С и 1,2 м/с, на второй стадии сушильным агентом с температурой 110 °С и скоростью 0,6 м/с и на завершающей стадии охлаждают зерно до температуры, не превышающей температуру окружающей среды не более чем на 10 °С; а отработанный перегретый пар после кипятильника водоаммиачной холодильной установки используют для подготовки сушильного агента, который разделяют на два потока, один из которых смешивают с сушильным агентом после рабочей секции испарителя и подают на первую стадию сушки, а второй направляют на вторую стадию сушки, причем размораживание секции испарителя, работающей в режиме регенерации, осуществляют водой с температурой 70 °С, при этом в установке для осуществления способа сушки зерна злаковых культур, включающей шахтную зерносушилку с двумя зонами сушки и зоной охлаждения зерна; вентиляторы; двухсекционный испаритель, содержащий рабочую и резервную секции; конденсатор и терморегулирующий вентиль; циклон для очистки сушильного агента от взвешенных частиц, распределители потоков; сборник конденсата; линии подачи влажного зерна на сушку, отвода высушенного зерна, подачи осушенного и охлажденного сушильного в зону сушки и охлаждения, отвода отработанного сушильного агента в рабочую секцию испарителя, отвода конденсата из резервной секций испарителя в сборник конденсата, согласно изобретениюшахтная зерносушилка укомплектована абсорбционной водоаммиачной холодильной установкой, включающей двухсекционный испаритель, кипятильник с ректификатором, змеевиком и дефлегматором; конденсатор; терморегулирующие вентили; абсорбер; контур рециркуляции оборотной воды, перекачивающий насос, работающие по замкнутым термодинамическим циклам; дополнительно содержит фильтр тонкой очистки отработанного сушильного агента; рекуперативный теплообменник для нагревания сушильного агента после рабочей секции испарителя; парогенератор для подготовки перегретого пара; при этом перегретый пар из парогенератора подают в змеевик кипятильника, а отработанный пар после кипятильника направляют в рекуперативный теплообменник для нагревания части сушильного агента после рабочей секции испарителя с последующей подачей в зону сушки; образовавшийся конденсат после рекуперативного теплообменника отводят в сборник конденсата и возвращают в парогенератор в режиме замкнутого цикла, а размораживание резервной секции испарителя осуществляют оборотной водой после дефлегматора.
Технический результат изобретения заключается в повышении качества зерна при сушке и охлаждении, снижении энергозатрат на единицу массы высушенного зерна, повышение экологической безопасности способа сушки зерновых культур.
На фиг.1 представлена схема, реализующая предлагаемый способ.
1.1
1.2
1.3
2.1
2.2
2.3
2.4
3.1
3.2
3.3
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
5.1
5.2
5.3
5.1, 5.2
5.3
Схема содержит зерносушилку 1 с зонами сушки 2, 3 и зоной охлаждения зерна 4; устройства подачи и выгрузки зерна 5 и 6; циклон для очистки сушильного агента от взвешенных частиц 7, нагнетающие вентиляторы 8, 9, 10; отводящий вентилятор 11, фильтр тонкой очистки отработанного сушильного агента от пылевидной фракции 12, сборник конденсата 13, насосы 14, 34; рекуперативные теплообменники 15, 32; распределители потоков 16, 17, 18; смеситель 19; парогенератор 20 с электронагревательными элементами 21 и предохранительным клапаном 22; абсорбционную водоаммиачную холодильную установку, включающую кипятильник 23, ректификатор 24, дефлегматор 25, конденсатор 26, терморегулирующие вентили 27, 31, рабочую и резервную секции испарителя 28, 29; абсорбер 30 со змеевиком; насос перекачивающий 33; клапаны 35-42; линии подачи и отвода материальных и тепловых потоков: – влажное зерно; – высушенное зерно; – взвешенные частицы; – высокотемпературный сушильный агент; – низкотемпературный сушильный агент; – смесь высокотемпературного и низкотемпературного сушильных агентов; – очищенный сушильный агент; – перегретый пар; – отработанный перегретый пар; – конденсат; – паров аммиака; – жидкого аммиака; – испаренного аммиака; – крепкого водоаммиачного раствора; – слабого водоаммиачного раствора; – подачи оборотной воды сначала в конденсатор, а затем в дефлегматор; – отвода оборотной воды из дефлегматора в рабочую секцию испарителя; – подачи оборотной воды в из рабочей секции испарителя в абсорбер; линии и образуют контур рециркуляции оборотной воды.
1.1
1.2
Влажное зерно по линии с помощью загрузочного устройства 5 подают в зерносушилку 1. За счет сил гравитации зерно перемещается по зонам сушки 2 и 3, где происходит снижение его влажности до стандартного значения. В зоне охлаждения 4 зерносушилки 1 зерно охлаждают до температуры 20…22 °С и выводят из сушилки с помощью разгрузочного устройства 5 по линии .
2.4
1.3
3
Потоки отработанного сушильного агента после зон сушки 2, 3 и охлаждения 4 объединяют и вытяжным вентилятором 11 по линии сначала отводят в циклон 8 для очистки от содержащихся в нем взвешенных твердых частиц по потоку , а затем в фильтр тонкой очистки 12 для отделения пылевидной фракции, содержание которой в отработанном сушильном агенте не должно превышать 30 мг/м, и далее подают в рабочую секцию 28 испарителя водоаммиачной адсорбционной холодильной установки, где происходит его охлаждение путем теплопередачи от хладагента к сушильному агенту через разделяющую стенку поверхности теплообмена. В рабочей секции испарителя 28 водо-аммиачной холодильной установки испарившаяся из зерна влага конденсируется в виде снеговой шубы на поверхности теплообмена, за счет чего происходит осушение сушильного агента до значения влагосодержания 0,001 кг/кг.
о
о
2.1
2.2
Осушенный и охлажденный низкотемпературный сушильный агент в рабочей секции 28 разделяют на два потока, один из которых нагревают в рекуперативном теплообменнике 15 и получают высокотемпературный сушильный агент с температурой 110 С, а затем через распределитель потока 17 направляют нагнетающим вентилятором 9 по линии в зону сушки 3; второй поток по линии через распределитель потока 18 направляют в зону охлаждения 4 сушилки 1. В смесителе 17 осуществляют смешивание частей низкотемпературного и высокотемпературного сушильного агента и с температурой 80 С подают в зону 2 сушилки 1.
Процесс конденсации влаги из отработанного сушильного агента в рабочей секции испарителя 28 абсорбционной водоаммиачной холодильной сопровождается увеличением толщины «снеговой шубы» на теплообменной поверхности испарителя, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи от хладагента к сушильному агенту и, как следствие, к снижению интенсивность осушения сушильного агента. Поэтому для обеспечения не-прерывного процесса конденсации испарившейся из зерна влаги, содержащейся в отработанном сушильном агенте, предусмотрено переключение секций 28 и 29 испарителя абсорбционной водоаммиачной холодильной установки с режима конденсации на режим регенерации с помощью синхронизированной работы исполнительных механизмов клапанов 35-42. При этом рабочая секция 28 работает в режиме конденсации, а резервную секцию 29 отключают из контура рециркуляции хладагента, в неё прекращают подачу отработанного сушильного агента и «размораживают» в режиме регенерации, предусматривающего оттайку снеговой шубы с отводом образовавшейся воды в сборник конденсата 13. При снижении интенсивности процесса конденсации влаги из отработанного сушильного агента резервная секция 29 переключается на режим конденсации, а рабочая секция 28 на режим регенерации и на оборот.
о
В парогенераторе 20 при затрате электроэнергии в электронагревательных элементах 21 образуется насыщенный водяной перегретый пар с давлением 0,36 МПа и температурой 140 С. В случае технологических и аварийных сбоях в работе парогенератора 20, связанных с возможным увеличением давления насыщенного водяного пара в его рабочем объеме, предусмотрен предохранительный клапан 22.
4.4
Перегретый пар из парогенератора 20 направляют в змеевик кипятильника 23, в котором создают температуру испарения водоаммиачного раствора 130 °С. Смесь образовавшихся паров воды и аммиака проходит через насадки ректификатора 24, которая орошается крепким водоаммиачным раствором, подаваемым в кипятильник 23 по потоку перекачивающим насосом 33 из адсорбера 30. Часть воды увлекается стекающим раствором по насадкам ректификатора 24. При этом концентрация аммиачного пара возрастает. Концентрированные аммиачные пары отводят в дефлегматор 25, остатки воды конденсируются и стекают по насадкам ректификатора 23 в кипятильник 23.
4.1
Осушенный аммиачный пар из дефлегматора 24 по потоку направляют в конденсатор 26 и конденсируют при температуре 40 °С, после чего поток жидкого аммиака дросселируют в терморегулирующем вентиле 27 до давления 0,3 мПа и температуры минус 10 °С, с которой он кипит в рабочей секции испарителе 28.
4.3
4.5
Испаренный аммиак из рабочей секции испарителя 28 по потоку подают в абсорбер 30, орошаемый слабым водоаммиачный раствором, подаваемым из кипятильника 23 по потоку через рекуперативный теплообменник 32 и терморегулирующий вентиль 31. Поглощение паров аммиака слабым водоаммиачным раствором в абсорбере 30 сопровождается выделением тепла, которое отбирается протекающим через змеевик абсорбера оборотной водой.
4.4
4.4
4.5
Образовавшийся крепкий водоаммиачный раствор в абсорбере 30 насосом 33 направляется по потку в кипятильник 23. В теплообменнике 32 происходит предварительный нагрев сильного водоаммиачного раствора, подаваемого в кипятильник 23 по потоку , что приводит к охлаждению слабого водоаммиачного раствора в потоке , обеспечивая повышение его абсорбирующей способности и экономии тепловой энергии.
Рециркуляция оборотной воды через абсорбер 30, конденсатор 26 и дефлегматор 25 с помощью насоса 34 позволяет повысить энергетическую эффективность процессов конденсации паров воды в дефлегматоре 25 и паров аммиака в конденсаторе 26 и обеспечить отвод теплоты абсорбции из абсорбера 30. Оборотная вода не выводится из контура рециркуляции 5.1-5.2-5.3, при этом отсутствует необходимость в периодическом анализе воды на присутствие в ней аммиака.
3.2
Отработанный перегретый пар после кипятильника 23 с температурой направляют в рекуперативный теплообменник 15 по линии для нагревания части сушильного агента до температуры 110.
Производственная проверка предлагаемого способа проведена в условиях ОАО «Мукомольный комбинат «Воронежский». Приводятся результаты сравнения температурных режимов и параметров сушильного агента в термодинамических циклах его рециркуляции по известному способу с использованием парокомпрессионной холодильной машины и предлагаемому способу с использованием адсорбционной водоаммиачной холодильной установки (табл. 1).
Таблица 1
Параметры
По известномуспособу
По предлагаемому способу
Температура сушильного агента на входе в первую зону сушки, °С
100-120
80
Температура сушильного агента на входе во вторую зону сушки, °С
130
110
Температура сушильного агента после конденсатора, °С
80
Температура сушильного агента после рекуперативного теплообменника, °С
110
Температура охлаждающего воздуха навходе в зону охлаждения, °С
10
10
Скорость сушильного агента в первую зону сушки, м/с
6,0
1,2
Скорость сушильного агента во вторую зону сушки, м/с
0,6
0,6
Скорость охлаждающего воздуха, м/с
5,5
5,5
Влагосодержание сушильного агента на входе в зону сушки, кг/кг
0,005
0,001
Влагосодержание отработанного сушильного агентана входе в рабочую секцию испарителя, кг/кг
0,025
0,025
Продолжительность сушки, мин
52
50
Затраты мощности теплового насоса натонну высушенного зерна тритикале, кВт/т
9,50
-
Затраты мощности электронагревательных элементов парогенератора абсорбционной водоаммиачной холодильной установки на тонну высушенного зерна тритикале, кВт/т
-
8,52
В табл. 2 приводятся показатели качества зерна тритикале, высушенного по предлагаемому способу, и их сравнение с показателями качества по ГОСТ 34023-2016 «Тритикале. Технические условия».
Таблица 2
Наименование показателя
Характеристика и норма для тритикале 1 класса (ГОСТ 34023-2016)
По предлагаемому способу
Влажность, %, не более
14,0
14,0
Сорная примесь, %, не более,в том числе:
2,0
1,9
минеральная примесь
0,30
0,28
в числе минеральной примеси:
галька,
0,10
0,09
шлак, руда
0,05
0,04
вредная примесь
0,2
0,2
куколь
0,5
0,5
испорченные зерна
0,5
0,48
Зерновая примесь, %, не более
5,0
5,0
Таким образом, предлагаемый способ сушки зерна злаковых культур и установка для его осуществления с использованием абсорбционной водоаммиачной холодильной установки позволяет снизить эксплуатационные расходы на охлаждение и конденсацию влаги из сушильного агента, что значительно дешевле теплоэнергетических затрат на подключение дополнительных электрических мощностей. С помощью абсорбционной холодильной установки обеспечивается более полное использование топливно-энергетических ресурсов и повышается экологическая безопасность способа сушки за счет организации дополнительных замкнутых рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам, полностью исключающих выброс отработанных энергоносителей в окружающую среду, а также за счет использования озонобезопасного хладагента в работе абсорбционной водоаммиачной холодильной установки; достигается снижение удельных энергозатрат на 10-11%.