УСТАНОВКА ДЛЯ КОНСЕРВИРОВАНИЯ ЗЕРНА
DEVICE FOR GRAIN CONSERVATION

Изобретение относится к области сельского хозяйства и промышленности, связанной с хранением и переработкой зерна и семян сельскохозяйственных культур. Предлагаемая установка предназначена для послеуборочной обработки зерна с целью предотвращения самосогревания и порчи при хранении и транспортировке.
Традиционный процесс сушки отличается высокой энергоемкостью и связан с неизбежными потерями вместе с влагой существенной части его питательной ценности. Для исключения этих потерь в качестве альтернативы применяют технологии консервирования зерна, обеспечивающие более полную сохранность его питательных свойств. Известна, например, технология консервирования влажного зерна в среде углекислого газа (диоксида углерода), предложенная в середине 50-х годов профессором Никитинским Я.Я. [см. Труды ВНИИ Зерна, Выпуск XXX, Москва, 1955 г.]. Результаты приведенных исследований того времени подтвердили высокую эффективность этой технологии и принципиальную возможность применения углекислоты как консерванта. Препятствием к широкому ее внедрению в практику явились ограниченность и нестабильность ресурса существовавших тогда промышленных производств как источников углекислоты и отсутствие достаточно простых технологий ее производства непосредственно на месте переработки зерна.
Существует способ консервирования зерна в среде газовой смеси, полученной из продуктов сгорания природного сжиженного газа с помощью устройства, разработанного ВНИИ Промгаз [М.Голик. Применение нейтральных газовых смесей при хранении сельскохозяйственных продуктов. ЦНИИТЭИ Министерства заготовок СССР, Обзорная информация. Серия «Элеваторная промышленности». Москва, 1972 г.]. Консервирование зерна в этом случае осуществляют путем активного вентилирования зерновой массы влажной газовой смесью азота и диоксида углepода с coдержанием последнего в смеси до 14%, которую перед использованием в качестве консерванта охлаждают до температуры 15÷25°C. При этом консервирующий эффект достигается за счет бактерицидного свойства диоксида углерода и отсутствия кислорода.
В ряде случаев для консервирования сырого зерна применяют технологию, использующую холод. В частности, по этому принципу работает известная установка «3ерно-500», которую используют для консервирования риса и зерна других культур при временном хранении, применяя для этой цели охлажденный до низкой температуры атмосферный воздух. Для получения холода используют компрессорную холодильную установку большой мощности, работающую на фреоне, с приводом компрессора от электродвигателя.
В качестве аналога выбрана установка, защищенная патентом RU 2084119, публикация от 20.07.1997 г., в которой консервирование зерна осуществляется путем активного вентилирования зерновой массы атмосферным воздухом, предварительно охлажденным также с помощью компрессорного холодильного оборудования, в сочетании с обработкой зерна консервантом - прописной кислотой для подавления биологической активности. Процесс консервирования больших масс зерна с помощью этой установки связан с большим расходом электроэнергии, что делает этот процесс достаточно затратным. Применение пропионовой кислоты еще более удорожает процесс.
При разработке принципов работы и конструкции предлагаемой установки основная задача состояла в том, чтобы усовершенствовать процесс консервирования зерна, сделать его более эффективным и экономичным в сравнении с известными технологиями. Процесс консервирования с помощью предлагаемой установки осуществляют так же, как и в установке-аналоге, путем активного вентилирования загруженной в консервирующую емкость зерновой массы. Для загрузки зерна в емкость, как и его выгрузки, применяют обычные, широко распространенные устройства. В отличие от аналога в этом случае для подавления биологической активности зерна и микрофлоры, так и для его расхолаживания применяют один и тот же агент - сухую, охлажденную до 0°С или ниже газовую смесь атмосферного азота и диоксида углерода. Рабочую смесь газов получают непосредственно на месте обработки зерна из продуктов сгорания природного или сжиженного газа с помощью устройства, основной частью которого является блок силового энергетического оборудования, в состав которого входит газотурбинная установка. Выхлопные газы газотурбинной установки, используемые для приготовления консервирующего агента, содержат азот - 80% (по объему), диоксид углерода - 18%, кислород - не более 2%. Глубокого охлаждения газовой смеси, т.е. до температур ниже 0°С, достигают путем расширения предварительно сжатой с помощью компрессора газовой смеси в детандере. В процессе активного вентилирования зерновой массы одновременно с подавлением биологической активности происходит ее расхолаживание циркулирующей по замкнутому контуру газовой смеси, что обеспечивается главным образом за счет разряжения, создаваемого эжектором-смесителем.
Известно, при охлаждении атмосферного воздуха его относительная влажность мере сжижения темпеpaтуры возрастает вплоть до состояния насыщения. Поэтому процесс расхолаживания зерна в установке-аналоге, осуществляемый посредством искусственно охлажденного атмосферного воздуха, происходит в основном путем конвективного теплообмена без участия испарения содержащейся в зерне влаги, что недостаточно эффективно. Причем процесс протекает со скоростью, снижающейся по мере охлаждения зерна в связи с уменьшением температурного перепада. При этом возможность повышения его активности путем снижения температуры охлажденного воздуха ограничена из-за опасности обмерзания и образования на поверхности теплообменника холодильной установки ледяной «шубы» и ухудшения по этой причине эффективности ее работы.
В противоположность этому расхолаживание зерна с помощью сухой, охлажденной до 0°С газовой смеси происходит более активно, с участием испарения. При этом интенсивность процесса в пределах рабочего диапазона температур не снижается по мере охлаждения зерна. Более того, при температуре на поверхности зерна 0°С начинает проявляться эффект сублимации, усиливающий интенсивность процессов тепло- и массопереноса.
В отличие от установки-аналога, где низкопотенциальное тепло, снятое при расхолаживании зерна, сбрасывается в окружающую среду, в предлагаемой оно после преобразования до более высокого энергетического уровня по известному в термодинамике принципу теплового насоса совместно с теплом, высвобождающимся в процессе работы установки, утилизируется, как один из возможных вариантов, в параллельно осуществляемом сушильном процессе, заменяя частично или полностью тепло, получаемое при сжигании топлива в обычном режиме работы сушильной установки. Такое совмещение процессов консервирования и сушки позволяет существенно сократить общий расход потребляемого топлива и, следовательно, снизить выбросы диоксида углерода в атмосферу, способствуя тем самым сохранению ее экологической чистоты.
Таким образом, принципиальные решения, заложенные в конструкцию установки, предоставляют возможность для проведения послеуборочной обработки по более рациональной и экономичной технологии.
В состав предлагаемой установки входит емкость для консервирования зерна (10), оснащенная устройствами для проведения активного вентилирования, загрузки и выгрузка зерна. В качестве устройства, предназначенного для получения газовой смеси и диоксида углерода и осуществления активного вентилирования загруженной в емкость зерновой массы, служит блок силового энергетического оборудования, частью которого является газотурбинная установка (см. чертеж), в типичный состав которой обычно входит воздушный компрессор (1), камера сгорания (2) и газовая турбина (3). Помимо газотурбинной установки в состав силового блока входят кинематически связанные общим валом с ней двухступенчатый газовый компрессор (6) и детандер (8). Кроме того, в состав установки входит теплообменное оборудование, включающее основной (5) и промежуточный (7) газоохладители, один из которых, основной, установлен перед первой ступенью газового компрессора, а другой, промежуточный, - «в рассечку» между первой и второй ступенями газового компрессора, а также встроенный на выхлопе газотурбинной установки эжектор-смеситель (4), совмещенный со сборным баком конденсата циклонный фильтр (9), установленный на выхлопе детандера, фильтр очистки газовой смеси от пыли (11), установленный на одетой линии газопроводов, связывающей консервирующую емкость с эжектором-смесителем.
Линии газопроводов с частью оборудования, включающей консервирующую емкость, эжектор-смеситель, основной газоохладитель, первую ступень, газового компрессора и детандер с циклонным фильтром, образуют циркуляционный контур расхолаживания, что делает возможным многократное использование газовой смеси в процессе обработки зерна и обеспечивает транспортировки снятого при его расхолаживании тепла в установку для его последующей утилизации. При этом поступившую в установку увлажненную газовую смесь охлаждают и осушают для последующего использования по назначению как консервирующего и холодильного агента.
В процессе работы газотурбинной установки атмосферный воздух, поступающий через заборный патрубок, сжимают воздушным компрессором и направляют в камеру сгорания. Сюда же поступает топливо. Для снижения температуры продуктов сгорания в условиях горения топлива с малым избытком воздуха, что необходимо для сведения к минимуму остаточного содержания кислорода в продуктах сгорания, в конструкции камеры предусмотрен подвод относительно холодной газовой смеси по линии рециркуляции от второй ступени газового компрессора. Расход подаваемой газовой смеси регулируется с помощью клапана по импульсу от температурного датчика, установленного на выходе из камеры сгорания.
Выхлопные газы, имеющие на выходе из проточной части турбины температуру порядка 750-900°С, направляют в эжектор-смеситель, где их смешивают с обратным потоком более холодной газовой смеси после консервирующей емкости, при этом получают газовую смесь с температурой 150-200°С.
После эжектора общий поток газовой смеси направляют в основной газоохладитель ГО-1, где ее дополнительно охлаждают до температуры 25°С. При этом часть содержащей в газовой смеси влаги и сливается в дренаж.
Охлажденную газовую смесь далее направляют в первую ступень газового компрессора, после которого газовую смесь направляют в промежуточный газоохладитель ГО-2, где ее вновь охлаждают и осушают.
После газоохладителя ГО-2 поток газовой смеси разделяют. Основную часть потока направляют в детандер, в котором газовая смесь, совершая при расширении работу, охлаждается до температуры ниже 0°С. Полученную при этом активную мощность наряду с активной мощностью газотурбинной установки используют для привода компрессора. Баланс по мощности между устройствами, генерирующими активную мощность - газотурбинной установкой и детандером с одной стороны и газовым компрессором, являющимся ее потребителем, с другой, обеспечивается с помощью общего вала. Частота вращения вала, а вместе с ней и производительность установки регулируются расходом подаваемого в камеру сгорания топлива.
Другую, оставшуюся после разделения потока, часть газовой смеси направляют во вторую ступень компрессора, где ее сжимают до давления, превышающего давление, создаваемое воздушным компрессором газотурбинной установки, и направляют по линии рециркуляции через регулятор расхода в камеру сгорания.
После детандера основной поток охлажденной газовой смеси поступает в установленный непосредственно за выхлопом детандера циклонный фильтр-сепаратор, где происходит окончательное осушение газовой смеси. Остатки влаги в виде снежней массы, образовавшейся в результате кристаллизации влаги на выхлопе детандера, там отделяются и после оттаивания в конденсата сливаются в дренаж.
Осушенную и охлажденную газовую смесь фильтра-сепаратора направляют далее в консервирующую емкость, где ее и используют по назначению в качестве консервирующего и холодильного агента.
После консервирующей емкости газовую смесь очищают от пыли с помощью установленного на выходе из консервирующей емкости фильтра и далее направляют по обратной линии в эжектор-смеситель, замыкая тем самым круг циркуляции по контуру расхолаживания, где ее смешивают с выхлопными газами газотурбинной установки. Циркуляция газовой смеси обеспечивается за счет избыточного давления на выхлопе детандера и разряжения, создаваемого в обратной линии с помощью газового эжектора-смесителя, использующего при работе кинетическую энергию газов на выхлопе турбоагрегата. Утечки газовой смеси из контура постоянно восполняются за счет выхлопных газов турбоагрегата при работе установки. Избыток газа сбрасывается в атмосферу с помощью клапана, поддерживающего в контуре заданное давление.
Установка способна работать по прямоточной схеме, т.е. без консервирующей емкости со свободным выхлопом охлажденной газовой смеси. Такой вариант применяют при кратковременной ее работе для предотвращения самосогревания и оперативного контроля температурного режима хранения зерна в элеваторах и иных емкостях.
3
В качестве примера ниже приведены краткие данные характеристики опытной установки малой мощности, предназначенной для послеуборочной обработки зерна в комбинированном процессе, включающем наряду с консервированием также и процесс сушки зерна. Указанная производительность установки по сухому зерну соответствует части номинальной производительности сушильной установки, полученной за счет утилизации тепла консервирующей установки. Остальную восполняющую часть ее производительности в реальных условиях получают за счет тепла дополнительно сжигаемого топлива. Величина удельных затрат на топливо рассчитана исходя из стоимости 1000 нм природного газа 900 руб.
Производительность установки
в комбинированном процессе обработки зерна:
- консервированного зерна
5,2 т/час;
- сухого зерна
2,3 т/час;
Мощность турбоагрегата
52 кВт;
Расход консервирующего агента
в контуре расхолаживания
1,0 кг/сек;
Температура консервирующего агента
-5÷0°С:
Расход топлива (природный газ)
22 нм<sup>3</sup>/час;
Уд. затраты на топливо в расчет
на 1 усл. тонну зерна
2,55 руб./т.
Технический результат. Получаемый эффект от применения установки при обработке зерна прежде всего состоит в высокой экономичности. За счет совместного проведения процессов консервирования и сушки с утилизацией снятого при консервировании тепла в сушильном процессе достигается сокращение удельных затрат на топливо в расчете на 1 условную тонну обработанного в комбинированном процессе зерна. По сравнению с традиционной технологией сушки расход топлива снижается более чем в три раза. При этом снижение расхода топлива сопровождается сокращением экологически вредных выбросов в атмосферу диоксида углерода.
Предлагаемая установка в равной мере может применяться для консервирования как фуражного, так и продовольственного и даже семенного зерна. При хранении не происходит отрицательных качественных изменений зерна, всхожесть семян, обработанных газовой смесью азота и диоксида углерода, не снижается.
Газовая смесь, применяемая для консервирования, считается относительно безопасной для обслуживающего персонала, и при работе установки не требуется принятия особых мер безопасности. В состав применяемой газовой смеси входят широко распространенные в природе вещества: атмосферный азот и диоксид углерода - естественный продукт жизнедеятельности живых организмов.
Среди других преимуществ установки особое значение для пользователя представляет возможность дополнительного использования газовой смеси сбросом ее в атмосферу для временного конcepвирования зерна, которое производят перед основной обработкой в период аварийного простоя или же в случаях перегрузки зерносушительного оборудования, не справляющегося с потоком больших поступающих партий влажного или сырого зерна. В то же время сочетание основного процесса послеуборочной обработки зерна с временным консервированием позволяет существенно продлить срок его обработки, снизить напряженность работы оборудования, что, в свою очередь, дает возможность использовать маломощное, а значит, более дешевое перерабатывающее оборудование.
Важной особенностью предлагаемой установки является постоянная готовность к запуску и быстрый выход на рабочий режим. Благодаря этой особенности установка может стать достаточно эффективным средством предотвращения самосогревания зерна и оперативного контроля температурного режима при его хранении на элеваторах и зерноскладах.
Установка может найти применение на водном железнодорожном транспорте при перевозках зерна или иных скоропортящихся грузов. Ее применение, в частности, на водном транспорте наряду с решением задачи предотвращения порчи и сохранности груза позволит вместо специализированных транспортных средств - судов-рефрежираторов использовать более дешевые в эксплуатации суда универсального назначения.