Повышение эффективности сушки зерна: основные технологические приемы и направления

УДК 631.365.22

© 2015

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУШКИ ЗЕРНА: ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ И НАПРАВЛЕНИЯ

Д. Ю. Данилов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технические и биологические системы»

А. Ю. Рындин, старший преподаватель кафедры «Технические и биологические системы»

Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино

Аннотация. Рассматриваются основные способы сушки зерна, их особенности, преимущества и недостатки. Обоснована перспективность различных методов комбинированной сушки при разном состоянии зернового слоя. Применение комбинированных способов сушки зерна позволяет значительно увеличить скорость сушки, сократить расход энергии, добиться более гибкого управления процессом и в результате этого не только сохранить все ценные качества высушиваемого материала, но зачастую и улучшить их. В промышленных сушилках обычно зерно находится в состоянии плотного гравитационно-движущегося, псевдоожиженного или взвешенного слоя. Состояние слоя определяет величину активной поверхности зерна, контактирующей с сушильным агентом, и, следовательно, интенсивность сушки. Рассматриваются основные технологические приемы, позволяющие повысить эффективность сушки зерна, требования, которым должны соответствовать современные зерносушилки. Конструкция зерносушилки должна обеспечивать равномерный нагрев и сушку зерна при надежном контроле температуры и влажности зерна во время сушки. Современные зерносушилки должны обладать определенной степенью универсальности в части возможности сушки зерна различных культур. Показаны пути решения проблемы снижения энергоемкости сушки зерна, а также приоритетные направления повышения эффективности сушки зерна. Эффективность сушки зерна позволяют повысить: увеличение активной поверхности зерна, участвующей в процессе тепло- и влагообмена; повышение температуры зерна, подаваемого на сушку и охлаждение, что достигается применением предварительного подогрева зерна на операциях, предшествующих его сушке. Приоритетными направлениями повышения эффективности сушки зерна являются: рациональное сочетание технологических приёмов обезвоживания зерна, повышение интенсивности испарения влаги из материала и снижение энергетических затрат, необходимых на его осуществление.

Ключевые слова: влажность зерна, зерносушилка, испарение влаги, нагретая поверхность, предварительный нагрев, солнечная энергия, сушка зерна, слой зерна, теплота, технологический процесс, эффективность сушки.

Сушка - технологический процесс, цель которого получить материал с оптимальными свойствами. Этой целью и определяется выбор способа сушки, конструкции сушильной установки и режима ее работы. Свойства исходного материала, конструкцию сушилки и режим ее работы следует рассматривать в неразрывной связи.

В технологии зерносушения используют два основных способа удаления излишней влаги из зерна: в виде жидкости и в виде пара.

В первом случае сушка осуществляется при непосредственном контакте сырого зерна с более гигроскопичным веществом, способным поглощать влагу из зерна путем сорбции. Это так называемая сорбционная сушка (контактный влагообмен). В качестве сорбируемого вещества могут быть использованы сухое зерно, гранулированный силикагель или другие вещества.

Во втором случае сушка связана с затратой теплоты на превращение жидкости в пар. Такая

сушка называется тепловой. Энергия, необходимая для испарения влаги, сообщается зерну различными методами: конвекцией, кондукцией, терморадиацией, в электрическом поле токов высокой частоты и др. Применение того или иного способа сушки и метода подвода теплоты необходимо увязывать со свойствами зерна, в частности, с прочностью связи влаги в зерне.

Наибольшее применение в технологии зерносушения получила сушка при конвективном теплоотводе. В этом случае энергия, необходимая для испарения влаги, сообщается зерну нагретым газом -воздухом или смесью воздуха с продуктами сгорания топлива. Конвективную сушку осуществляют, как правило, продуванием зернового слоя потоком нагретого газа. Конвективный метод сушки зерна получил широкое распространение благодаря простоте его осуществления и достаточно высокой экономичности процесса.

26

Теплота может быть передана зерну от нагретой поверхности кондукцией (теплопроводностью), в связи с чем такой метод сушки называют кондук-тивным. В качестве нагретой поверхности чаще всего используются трубы, которые обогреваются изнутри паром, горячей водой или газом. Выделяющийся из зерна водяной пар при этом поглощается холодным или нагретым воздухом, подаваемым в сушильную камеру. Скорость кондуктивной сушки зависит от температуры греющей поверхности и толщины зернового слоя. Кондуктивную сушку применяют, главным образом, для прогрева зерна и небольшого снижения влажности при подготовке зерна к переработке [10]. Кондуктивный теплоподвод используют в вакуум-сушилках. Сушка под вакуумом позволяет повысить интенсивность процесса, проводимого при низких температурах высушиваемого зерна. Усиление вакуума приводит к снижению температуры зерна и интенсифицирует подвод теплоты от поверхности нагрева к зерну [13].

Терморадиационный метод сушки основан на подводе теплоты к зерну, осуществляемом от генераторов инфракрасного излучения или солнечными лучами. В последнее время внимание к использованию солнечной энергии, как источника теплоты для сушки зерна, увеличивается. Простейшую солнечновоздушную сушку рекомендуется проводить в сухую и ясную погоду на специально оборудованных кирпичных, асфальтовых или глинобитных площадках. Зерно, в зависимости от влажности, рассыпается слоем толщиной 100-150 мм, при этом на 1 т зерна требуется примерно 15 м2 площади. В течение дня при благоприятных погодных условиях влажность зерна можно снизить на 3-4 % [3]. Если при этом периодически перемешивать и провеивать зерно, то сушка заметно ускоряется. Преимущество солнечной сушки в том, что полностью сохраняются семенные и продовольственные достоинства зерна, ускоряется послеуборочное дозревание, снижается зараженность вредителями. Вместе с тем солнечная сушка весьма трудоемка, зависит от погодных условий и требует специально оборудованных площадок.

Искусственная сушка инфракрасными лучами, излучаемыми генераторами инфракрасного излучения (специальными электролампами, керамическими и металлическими панелями, нагреваемыми электротоком или газом), характеризуется высокой плотностью теплового потока на поверхности материала (в 20-100 раз выше, чем при конвективной сушке). Однако зерно в целом малопроницаемо для инфракрасного излучения. Так, при применении светлых излучателей проницаемость слоя толщиной в одно зерно составляет только 20 %, а слоя толщиной в два зерна - всего лишь 5 % [2].

При сушке токами высокой частоты (ТВЧ) материал, являющийся диэлектриком, помещают в поле ТВЧ между двумя пластинами (обкладками конденсатора). Молекулы материала поляризуются и приводятся в колебательное движение, сопровождающееся трением частиц и нагревом. Выделившаяся в результате нагрева и испарения влага удаляется вместе с поглотившим ее воздухом. Материал в поле ТВЧ нагревается очень быстро (в течение нескольких секунд) и равномерно по всей толщине [8].

Сушка сельскохозяйственных материалов в поле ТВЧ, несмотря на ряд преимуществ (быстрый нагрев материала, очень высокая интенсивность сушки), не находит широкого применения вследствие большого расхода электрической энергии (свыше 3 кВт-ч на 1 кг испарённой влаги).

Перспективны различные методы комбинированной сушки (конвективного в сочетании с кондук-тивным, радиационным или электрическим (высокочастотным); радиационного - с высокочастотным и др.) при разном состоянии зернового слоя [12, 20]. Применение комбинированных способов сушки зерна позволяет значительно увеличить скорость сушки, сократить расход энергии, добиться более гибкого управления процессом и в результате этого не только сохранить все ценные качества высушиваемого материала, но зачастую и улучшить их.

В промышленных сушилках обычно зерно находится в состоянии плотного гравитационнодвижущегося, псевдоожиженного или взвешенного слоя [5, 11, 15].

Состояние слоя определяет величину активной поверхности зерна, контактирующей с сушильным агентом, и, следовательно, интенсивность сушки.

Плотный неподвижный слой характеризуется постоянно зафиксированным контактом зерен. Здесь снижение влажности зерна при сушке происходит не сразу по всей толщине слоя, а зонами. Такому методу присуща большая разность по влажности верхнего и нижнего слоя.

Гравитационно-движущийся плотный слой формируется при непрерывном верхнем питании сушильной камеры зерном и создании подбора в нижней ее части. Активная поверхность зерна постоянно обновляется. Несмотря на то, что при движении слоя отдельные зерна смещаются относительно друг друга, контакт между ними сохраняется. Толщина слоя зерна, соприкасающегося с агентом сушки, постоянно меняется от 0 до максимума (150-250 мм), что создает более-менее равноценные условия, как для нагрева, так и для сушки. При сушке в таком слое допустимо применение более высокой температуры сушильного агента (120-160 ° С). Продолжительность нагрева

27

зерна составляет 15-20 мин [4]. Наиболее распространен вариант сушки в зерносушилках шахтного типа с воздухораспределительными коробками.

В процессе сушки в псевдоожиженном слое плотный слой сначала разрыхляется, затем переходит в псевдоожиженное состояние. Такой слой может перемешаться, приобретая свойства жидкости, может кипеть как жидкость [6]. По мере увеличения внешнего воздействия псевдоожиженный слой переходит во взвешенное состояние. При разрыхлении зернового слоя уменьшаются диффузионные и термические сопротивления у границы раздела фаз, что вызывает тепло- и влагообмен [17].

Одной из разновидностей псевдоожиженного слоя является виброкипящий слой. Псевдоожиженное состояние слоя достигается путем воздействия на него вибрационных колебаний или совместным воздействием воздушного потока и вибрации [14]. Амплитуда вибрирующих (встряхивающих) колебаний находится в пределах 2-10 мм с частотой колебаний 20-30 Гц.

В рециркуляционных зерносушилках типа «Целинная» сушка зерна осуществляется в падающем слое. Падающий слой представляет собой движущийся под действием гравитации сильно разреженный поток зерна, частично сдерживаемый восходящим потоком газа - аэродинамическое торможение. По ходу движения истинная концентрация зерна нарастает. На нагрев зерна наибольшее влияние оказывает его концентрация в потоке агента сушки. Падающий слой используется для нагрева зерна до максимального значения за короткий промежуток времени (2-3 с) при противоточной продувке падающего в виде дождя зерна агентом сушки высокой температуры (350-400 °С) [19].

Сушилка со взвешенным слоем зерна действует по принципу свободной системы, т. е. в ней поток зерна регулируется извне подачей зерен в загрузочное устройство. Взвешенный слой достигается увеличением скорости агента сушки выше критической скорости, т. е. выше скорости витания зерна, при этом вся поверхность зерна участвует в тепло- и влагообмене с агентом сушки. Продолжительность пребывания зерна в пневмотрубе не превышает нескольких секунд; температура агента сушки 350-400 °С, однако снижение влажности составляет доли процента [11]. Поэтому устройства со взвешенным слоем зерна применяют не как самостоятельные сушилки, а как составные элементы многокамерных комбинированных сушилок.

Сушка предварительно нагретого зерна составляет часть комбинированного процесса сушки.

Предварительный нагрев зерна целесообразно применять при интенсивном теплоотводе за короткий промежуток времени, не допуская пересушивания оболочек зерна [7].

Сушка с рециркуляцией зерна характеризуется цикличностью процесса. Такая сушка состоит из комбинаций процессов. На практике используют различные технологические схемы рециркуляционной сушки, отличающиеся составом процессов и параметрами смешиваемых свежего и рециркулируемого зерна.

Для повышения эффективности сушки зерна необходимо, чтобы конструкция зерносушилки обеспечивала равномерный нагрев и сушку зерна при надежном контроле температуры и влажности зерна во время сушки. Современные зерносушилки должны обладать определенной степенью универсальности в части возможности сушки зерна различных культур (пшеница, рис, семена подсолнечника, кукуруза и др.), резко различающихся физико-химическими, биохимическими, структурно-механическими и другими технологическими свойствами. Эффективность сушки зерна позволяют повысить: увеличение активной поверхности зерна, участвующей в процессе тепло- и влагообмена; рациональное сочетание технологических приёмов обезвоживания зерна; повышение температуры зерна, подаваемого на сушку и охлаждение [16].

Одним из направлений повышения эффективности сушки зерна [1], будет являться изыскание способов повышения интенсивности испарения влаги из материала и снижение энергетических затрат, необходимых на его осуществление. Для решения проблемы снижения энергоемкости сушки зерна возможны следующие направления:

- повышение температуры сушильного агента и увеличение его расхода;

- рециркуляция отработавшего в зерносушилке теплоносителя;

- предварительный подогрев зерна;

- герметизация, теплоизоляция сушилки, каналов и воздуховодов;

- наложение неоднородных электрических полей;

- регенерация теплоты из отработанного теплоносителя;

- наложение электромагнитных ВЧ- и СВЧ-полей. [9]

Представляется целесообразным, с точки зрения технологии послеуборочной обработки зерна, применение предварительного подогрева зерна на операциях, предшествующих его сушке. Однако для осуществления предварительного подогрева зерна на зерносушилке должна быть смонтирована специаль

28

ная емкость, что связано с увеличением металлоемкости зерносушилки.

Таким образом из вышеизложенного следует, что приоритетными направлениями повышения эффективности сушки зерна являются: рациональное сочетание технологических приёмов обезвоживания зерна, повышение интенсивности испарения влаги из материала и снижение энергетических затрат, необходимых на его осуществление.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анискин В. И., Окунь Г. С. Технологические основы оценки работы зерносушильных установок. М. : ВИМ. 2003. 167 с.

2. Бортдинов А. Д. Послеуборочная обработка зерна и семян. Казань : Издательство Казанского ун-та. 2001. 82 с.

3. Буханцов В. А., Вобликов Е. М., Прокопец А. С. Послеуборочная обработка и хранение зерна. Ростов на Дону. : Издательский центр «МарТ». 2003.231 с.

4. Жидко В. И., Резчиков В. Л., Уколов В. С. Зерносушение и зерносушилки. М. : Колос. 1982. 239 с.

5. Журавлёв А. П. Теория и практика рециркуляционной сушки зерна. Самара. : Парус. 2001. 254 с.

6. Журавлев А. П., Журавлева Л. А. Технология сушки зерна и семян подсолнечника. Чапа-евск : СГСХА. 2000. 200 с.

7. Кавецкий Г. Д., Васильев Б. В. Процессы и аппараты пищевой технологии. М. : Колос. 2000. 551 с.

8. Ким Л. В., Пащенко Л. И. Зерносушение и зерносушилки. Воронежская государственная технологическая академия. 1999. 63 с.

9. Ксенз Н. В. Пути снижения энергоемкости процесса сушки семян зерновых культур. Технологические комплексы, машины и оборудование для

механизации процессов в полеводстве. Сб. науч.

тр. ВНИНТИМЭСХ. 1994. 185-190 с.

10. Личко Н. М. Технология переработки продукции растениеводства. М. : Колосс. 2000. 214 с.

11. Малин Н. И. Энергосберегающая сушка зерна. М. : КолосС. 2004. 240 с.

12. Манжосов В. И., Попов И. A., Щедрин Д. С. Технология хранения растениеводческой продукции. М. : КолосС. 2005. 392 с.

13. Мельник Б.Е., Лебедев В. Б., Винников Г. А. Технология приемки, хранения и переработки зерна. М. : Агропромиздат. 1990. 367 с.

14. Тарасенко А. П., Солнцев В. Н., Гребнев

B. П. Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства. М. : КолосС. 2004. 552с.

15. Милюткин В. А., Векшин В. С., Сидор-чук А. П. Многофункциональная сушилка с электрическим теплогенератором. Материалы научнопрактической конференции «Совершенствование конструкции и технологии использования сельскохозяйственной техники». Самара. : ССХА. 1999.

C. 208-210

16. Резчиков В. А., Налеев О. Н., Савченко С.В. Технология зерносушения. Учебник Алматы : Изд. Алматинского Технологического Университета. 2000. 363 с.

17. Рудобашта С. П., Теплотехника. М. : КолосС. 2010. 599 с.

18. Оболенский Н. В. Сооружения и оборудование для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции. Учебное пособие. Н. Новгород. : НГСХА. 2006. 352 с.

19. Сорочинский В. Ф. Послеуборочная обработка и хранение зерна. Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2003. 10-14 с.

20. Севернева М. М. Энергосберегающие технологии в сельскохозяйственном производстве. Минск : 1994. 222 с.

IMPROVING THE EFFICIENCY OF GRAIN DRYING:

BASIC TECHNOLOGICAL METHODS AND DIRECTIONS

© 2015

D. Y. Danilov, candidate of technical Sciences, associate Professor of «Technical and biological systems» Y. A. Ryndin, senior lecturer «Technical and biological systems»

Nizhniy Novgorod state engineering-economic university, Knyaginino

Annotation. Discusses the basic methods of drying grain, their features, advantages and disadvantages. The usefulness of different methods combined drying at different state of the grain layer. Application of combined methods of drying grain can significantly increase the drying speed, reduce power consumption, to achieve more flexible management process and as a result, not only to preserve all the valuable qualities of the dried material, but often to improve them. In industrial dryers usually the grain is in a state of dense gravity-moving, fluidized or fluidized bed. The state of the layer determines the amount of active grain surface that is in contact with a drying

29

agent, and thus the intensity of drying. Discusses the main technological methods that improve the efficiency of grain drying, the requirements to be met by modern dryers. Design of dryers to ensure uniform heating and drying of grain with a reliable control of temperature and grain moisture during the drying process. Modern dryers should have a degree of versatility in terms of grain drying different cultures. The ways of solving the problem of reducing energy intensity of drying grain, as well as priority directions of increase of efficiency of grain drying. The efficiency of grain drying allow to increase: the increase of the active surface of the grain involved in the process heat and wet interface; increasing the temperature of the grain supplied to the drying and cooling, which is achieved by the use of preheating grain operations prior to its drying. Priority directions of increase of efficiency of grain drying are: rational combination of technological methods of dehydration of grains, increasing the rate of evaporation of moisture from the material and the reduction of energy expenses necessary for its implementation.

Keywords: grain drying, the dryer, the layer of grain, grain moisture, the drying efficiency, the heat, the heated surface, preheating, technology process, moisture evaporation, sun energy.

УДК 621.785

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ И УСТАНОВОК ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

© 2015

Е. Б. Миронов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технический сервис»

Т. А. Курникова, магистрант,

Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино

Аннотация. Проблема восстановления деталей касается, в частности, агропромышленного комплекса, где значительная доля материальных ресурсов расходуется на приобретение или ремонт изношенных деталей, поэтому использование наиболее эффективных средств и методов восстановления деталей в данной

области становится актуальной задачей.

Одним из методов восстановления и повышения надежности деталей сельскохозяйственных машин является газопламенное напыление.

Сущность газопламенного напыления заключается в нагреве напыляемых материалов газовым пламенем и нанесении их на восстанавливаемую поверхность струей сжатого газа. Газопламенное напыление предполагает формирование капель (частиц) малого размера расплавленного металла и перенос их на обрабатываемую поверхность, где они удерживаются, формируя тем самым непрерывное покрытие.

С помощью газопламенного напыления наносят износостойкие и коррозионно-стойкие покрытия из железных, никелевых, медных, алюминиевых, цинковых сплавов, баббитовые покрытия подшипников скольжения, электропроводные, электроизоляционные и декоративные покрытия. Широко применяется для восстановления геометрии деталей насосно-компрессорного оборудования, крышек и валов электродвигателей, деталей двигателей внутреннего сгорания, коробок передач и прочего нестандартного оборудования.

Восстановление изношенных поверхностей деталей посредством газопламенного напыления позволяет повысить физико-механические свойства восстанавливаемых деталей и исключить возникновение трещин в покрытии при последующей термической обработке.

Технология газопламенного напыления является эффективной заменой трудоемким технологическим процессам восстановления гальваническими покрытиями, химико-термической обработки и т. д.

В данной статье рассмотрено устройство установок газопламенного напыления для повышения надежности и восстановления деталей сельскохозяйственных машин.

Ключевые слова: агропромышленный комплекс, восстановление деталей, газ защитный, покрытия защитные, технология газопламенного напыления, патентный поиск, подготовка поверхности, порошки металлические.

Постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными и практическими задачами. Расширение возможности повторного использования изношенных деталей - огромный резерв в снижении эксплуатационных расходов сельскохозяйственных товаропроизводителей. Пробле-

ма восстановления изношенных деталей особенно актуальна в агропромышленном комплексе, так как себестоимость восстановления в среднем составляет не более 10-15 % от стоимости изготовления новой детали.

30