СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ И СУШКИ СЛОЯ ЗЕРНА
METHOD AND DEVICE OF FORMATION AND DRYING OF GRAIN LAYER

Изобретение относится к послеуборочной обработке зерна и может быть использовано в сельском хозяйстве, системе заготовок и в других отраслях народного хозяйства при сушке термочувствительных материалов.
Известен способ формирования слоя зерна в вентилируемых бункерах или в бункерах для хранения высушенного зерна [1]. Зерно подают в верхнюю часть устройства, далее под действием силы тяжести в его нижней части формируют слой. Профиль слоя в поперечном сечении может иметь треугольную форму при отсутствии распределительного устройства или выравненную, если это устройство имеется. После формирования слоя зерно продувают наружным (подогретым) воздухом. Этот способ формирования и сушки слоя зерна достаточно надежен, прост и широко распространен в сельском хозяйстве. Основной его недостаток - невозможность использования для современных энергосберегающих многоэтапных технологий сушки.
Известен способ формирования и сушки слоя зерна на решетке конусной поверхности в верхней части устройства, сушку его высокотемпературным теплоносителем, периодическую периферийную разгрузку высушенного материала в нижнюю часть устройства и досушку (охлаждение) на горизонтальной решетной поверхности наружным воздухом [2]. Слой является стационарным с переменной высотой по образующей.
В известном способе формирование слоя осуществляется соответствующим расположением круговых пластин на конусной решетке, задерживающих материал, а в нижней части устройства периодической разгрузкой зерна из периферийных засыпных воронок.
Известно устройство для его осуществления, содержащее корпус, конусную решетку, средства периферийной разгрузки материала из верхней части корпуса, горизонтальную решетку в нижней части, средства подачи влажного и разгрузки сухого и охлажденного материала [3]. Конусная решетка содержит круговые пластины для равномерного распределения зерна.
Этот способ и устройство по своей сущности наиболее близки к заявленным и приняты за прототип.
Однако известный способ не позволяет формировать слой постоянной высоты по конусной поверхности, что необходимо для снижения неравномерности сушки зерна, а нижний слой зерна, прилегающий к конусной решетке, ограничивает температуру агента сушки нагревом зерна до 50°С, а семян 45°С. Поэтому температура агента сушки не может быть выше чем на 10…15°С температуры нагрева материала. Особенно когда высушивают высоковлажный материал и с длительным циклом продувки, а низкая температура агента сушки снижает эффективность известного способа.
Технической задачей изобретения является обеспечение качественной и экономичной сушки зерна путем рационального формирования слоя. Поставленная задача решается за счет того, что в способе формирования и сушки слоя зерна (семян, материала), включающего формирование слоя зерна на решетной конусной поверхности в верхней части устройства, его сушку высокотемпературным агентом сушки, разгрузку материала в нижнюю часть устройства и досушку на горизонтальной решетке наружным воздухом, согласно изобретения, нижнюю часть высушиваемого слоя зерна на решетной конусной поверхности постоянно или периодически разгружают на горизонтальную решетку и досушивают на ней при накоплении массы зерна, равной
n
отл
H
M=Gτ+hFρ, т,
n
отл
H
3
2
где М - масса зерна, т; G - паспортная производительность устройства, т/ч; τ - длительность цикла отлежки, ч; h - высота зоны досушки, м; ρ - объемная плотность зерна, ρ=0,75 т/м; F - поверхность горизонтальной решетки, м, кроме того, высоту слоя на решетной конусной поверхности поддерживают постоянной относительно образующей, а разгрузку материала из верхней части устройства осуществляют по его оси.
Поставленная задача осуществляется также тем, что в устройстве для формирования и сушки слоя зерна, содержащем корпус с постоянным сечением по высоте, конусную решетную поверхность в верхней части корпуса и горизонтальную решетку в его нижней части, средства подачи влажного и разгрузки высушенного и охлажденного материала. Согласно изобретению площадь горизонтальной решетки равна
ц
ц
отл
охл
с
H
OT
H
H
отл
охл
Н
отл
охл
OT
H
где τ - длительность цикла отлежки и охлаждения зерна на горизонтальной решетке, τ=τ+τ, ч; h=h+h=h+hτ/τ=h(1+τ/τ); h - высота отлеживаемого слоя зерна, h - высота зоны досушки, м, кроме того, на решетной конусной поверхности установлено средство удаления нижнего слоя материала (шнек), а над ней дополнительная решетка, формирующая слой равной высоты, конусная и дополнительная решетки снабжены приводом, распределителем и средством удаления нижнего слоя материала.
Сравнение заявленного способа с прототипом показывает, что новым в способе является то, что нижнюю часть высушиваемого слоя зерна на решетной конусной поверхности постоянно или периодически разгружают на горизонтальную решетку и досушивают при накоплении на ней массы зерна, равной
n
отл
H
M=Gτ+hFρ, т,
кроме того, высоту слоя на решетной конусной поверхности поддерживают постоянной относительно образующей, а разгрузку материала из верхней части устройства осуществляют по его оси.
Сравнение заявленного устройства с прототипом показывает, что новым в устройстве является то, что площадь горизонтальной решетки равна
кроме того, на решетной конусной поверхности установлено средство удаления нижнего слоя материала (шнек), а над ней - дополнительная решетка, формирующая слой равной высоты, конусная и дополнительная решетки снабжены приводами, распределителем и средствами удаления нижнего слоя материала.
Таким образом, изобретение соответствует критерию «новизна».
Данный способ может быть осуществлен только при предложенном конструктивном решении, таким образом, обеспечено «единство изобретения».
Изобретение является и «промышленно применимым», так как может использоваться в сельском хозяйстве.
Изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как может быть достигнут результат, удовлетворяющий существующую потребность, а именно качественная и энергосберегающая сушка зерна.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображена схема общего вида устройства, на фиг.2 - кривые сушки и температуры нагрева семян.
Устройство включает средство загрузки зерна 1, корпус устройства 2, решетную конусную поверхность 3, средство удаления нижнего слоя (шнек) зерна 4, привод этого средства 5, верхнюю, ограничивающую и дополнительную формирующую слой решетку 6, распределитель зерна 7, катки конусной решетки 8, привод этих катков 9, теплогенератор 10, воздушный канал 11, вентилятор 12, горизонтальную решетку в нижней части корпуса 13, разгрузочное средство 14, вентилятор для подачи наружного (подогретого) воздуха 15, калорифер 16, слой 17 зерна в верхней части устройства, слой 18 в нижней части устройства, обтекатель шнека 19, загрузочный бункер 20, поток зерна, поступающий на сушку 21, тоже высушенный и охлажденный поток 22 зерна, сбрасываемый в норию 23, и отработавший агент сушки 24.
Способ осуществляют следующим образом.
На верхней конусной решетке формируют слой постоянной высоты, по мере достижения нижним слоем зерна, прилегающим к этой поверхности, кондиционной или заданной влажности его удаляют, разгружая по оси в нижнюю часть устройства, одновременно добавляя влажное зерно. Слой зерна в верхней части устройства продувают высокотемпературным агентом сушки, в нижней части после формирования слоя заданной массы - наружным (подогретым) воздухом.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Средством загрузки (нория) 1 поток зерна 21 подают в загрузочный бункер 20, на конусную решетку 3 и располагают на ней под углом естественного откоса. Избыток зерна (сверх разгружаемого) 23 после переполнения бункера 20 сбрасывается в норию 1. После подсушки зерна на конусной решетке 3 включают приводы 9 и 5, шнеком 4 разгружают нижний слой зерна, которое поступает в распределитель 7 и далее на решетку 13, где формируется толстый слой зерна 18. Верхний слой зерна продувают высокотемпературным агентом сушки, приготовленным в теплогенераторе 10 и подаваемым вентилятором 12 через воздушный канал 11. Нижний слой продувают наружным воздухом посредством вентилятора 15, при необходимости его подогревают в калорифере 16. Отработавшие высокотемпературный агент сушки и наружный воздух 24 удаляют через фрамуги в верхней части корпуса 1. Высушенное и охлажденное зерно 22 средством разгрузки 14 удаляют из устройства. Решетка 3 вращается посредством катков 8 и привода 9. Разгрузку материала с этой решетки осуществляют согласно показаниям поточного влагомера, установленного после распределителя 7 (на схеме не показан), а с горизонтальной решетки - согласно показаниям стационарного влагомера (на схеме не показан), расположенного над разгрузочным средством 14, срабатывающим через определенные промежутки времени. Нормальный режим работы устройства предусматривает постоянную работу разгрузочных средств 4 и 14. Полную разгрузку устройства проводят средством 14, зачищают решетку 13 вручную.
На фиг.2 приведены кривые сушки (1, 3) и нагрева (2, 4) семян пшеницы, полученные в модельной лабораторной установке, представляющей собой решетную кассету высотой 0,07 м, при скорости агента сушки 0,4 м/с и его температуре 70°С, подаваемого в слой высотой 0,25 м. Кривые 1 и 2 относятся к стационарному слою, кривые 3 и 4 к слою, из которого каждые ~ 20 мин удаляли кассету с подсушенным нижним слоем высотой 0,07 м, одновременно добавляя при этом сверху такую же кассету с влажным материалом.
Как следует из фиг.2, менее длительная сушка - при удалении нижнего высушенного слоя, при этом температура семян в конце сушки не превышает допустимую ~ 45±2°С.
Так как зона сушки в слое распространяется по направлению агента сушки, то в момент достижения в верхней части слоя кондиционной влажности 14% семена в нижней части будут пересушены. Чем выше температура агента сушки, тем выше неравномерность по влажности, которая согласно исходным требованиям на сушку для семян не должна превышать ±1,5%, для зерна ±2%. Поэтому для подготовки качественных семян их высушивают при температуре агента сушки, не превышающей температуру нагрева семян более чем на 10…15°С. Чем выше исходная влажность семян, тем ниже его предельно допустимая температура нагрева и температура агента сушки. При удалении высушенного слоя имеется возможность как исключить перегрев, так и выдержать допустимую неравномерность сушки. Поэтому температура агента сушки повышена более чем на 10…15°С относительно температуры материала с соответствующим повышением эффективности сушки.
В предложенном способе слой в верхней части устройства формируют на вращающейся поверхности, зерно поступает в полость, ограниченную двумя решетками, что обеспечивает выравненность его по высоте по всей поверхности образующей конуса. На поверхности конусной решетки установлен шнек, над ним закреплен обтекатель, разгружающий шнек от давления вышерасположенных слоев материала. Влажный материал из загрузочного бункера 20 поступает в канал, образованный верхней решеткой и обтекателем, распределяется вдоль него и заполняет полость вместо удаляемого шнеком.
охл
отл
3
При досушке зерна на горизонтальной решетке наружным воздухом целесообразно снять 2…3% влаги, что существенно повысит эффективность способа. Для этого необходимо предусмотреть отлежку и охлаждение зерна при условиях, обеспечивающих максимальный влагосъем в достаточно короткое время. Ранее были определены эти условия [4], в частности для зерна пшеницы τ=5…6 ч, τ≈4 ч, удельная подача наружного воздуха q=80…120 м/ч·т.
H
H
Досушка зерна происходит в толстом слое с образованием «зоны сушки», проходя которую воздух насыщается влагой. При этом интенсивность испарения влаги постепенно снижается и на высоте h сушка прекращается (относительная влажность воздуха приходит в равновесие с влажностью зерна). Выше зоны высотой h располагается зона отлежки, так как отсутствует тепломассоперенос. Следовательно, прежде чем продувать зерно наружным воздухом необходимо на решетке сформировать слой, включающий зоны отлежки и сушки.
Масса этого слоя может быть записана в виде:
n
отл
H
3
2
где М - масса зерна, т; G - паспортная производительность устройства, т/ч; τ - длительность цикла отлежки, ч; h - высота зоны досушки, м; ρ - объемная плотность зерна, ρ=0,75 т/м; F - поверхность горизонтальной решетки, м,
Первый член правой части уравнения представляет собой массу зерна, которую необходимо отлежать, а второй - массу высушиваемого зерна.
H
H
При неизменных подачах подсушенного и высушенного зерна и постоянной подаче наружного воздуха «зона сушки» будет перемещаться вверх по направлению потока воздуха, оставляя за собой высушенный до равновесной влажности с наружным воздухом материал, пока высушенное зерно полностью не заполнит корпус устройства. В случае поступления на сушку зерна с отличающейся во времени влажностью режим работы разгрузочного средства на конусной решетке будет изменен, соответственно будет изменена паспортная производительность устройства как по поступающему, так и высушенному материалу, т.е. h≈const. Постоянная величина h гарантирует качественную досушку в том числе семян и экономическую эффективность работы устройства.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Средством загрузки (нория) 1 поток зерна 21 подают в загрузочный бункер 20, на конусную решетку 3 и располагают на ней под углом естественного откоса. Избыток зерна (сверх разгружаемого) 23 после переполнения бункера 20 сбрасывается в норию 1. После подсушки зерна на конусной решетке 3 включают приводы 9 и 5, шнеком 4 разгружают нижний слой зерна, которое поступает в распределитель 7 и далее на решетку 13, где формируется толстый слой зерна 18. Верхний слой зерна продувают высокотемпературным агентом сушки, приготовленным в теплогенераторе 10 и подаваемым вентилятором 12 через воздушный канал 11. Нижний слой продувают наружным воздухом посредством вентилятора 15, при необходимости его подогревают в калорифере 16. Отработавшие высокотемпературный агент сушки и наружный воздух 24 удаляют через фрамуги в верхней части корпуса 1. Высушенное и охлажденное зерно 22 средством разгрузки 14 удаляют из устройства. Решетка 3 вращается посредством катков 8 и привода 9. Разгрузку материала с этой решетки осуществляют согласно показаниям поточного влагомера, установленного после распределителя 7 (на схеме не показан), а с горизонтальной решетки - согласно показаниям стационарного влагомера (на схеме не показан), расположенного над разгрузочным средством 14, срабатывающим через определенные промежутки времени. Нормальный режим работы устройства предусматривает постоянную работу разгрузочных средств 4 и 14. Полную разгрузку устройства проводят средством 14, зачищают решетку 13 вручную.
n
о
Для расчета площади F учтем, что паспортная производительность G должна обеспечивать массу зерна М, отвечающую оптимальным условиям, тогда
или
c
где h- высота насыпи материала на горизонтальной решетке, м.
Приравнивая правые части уравнений (2), (3), получаем
n
Задаваясь значениями G из (4) можно определить величину F и остальные параметры устройства.
H
о
Пример расчета h, М, М и F.
H
1
Для расчета высоты h составим математическую модель переноса влаги в слое зерна. Массу влаги dM, вынесенной из слоя наружным воздухом, можно представить в виде
где β - коэффициент массоотдачи от зерна воздуху, м/с;
2
3
о
0
dF - площадь, с которой происходит испарение влаги, м; ρ - плотность зерна, т/м; U, U - влагосодержание паровоздушной пленки на поверхности зерновки и воздуха соответственно, кг/кг.
Тот же поток влаги можно представить в виде
где G - масса вынесенной влаги из слоя, кг/с.
Приравнивая правые части выражений (5) и (6), получим
э
Рассматривая отдельный элементарный канал диаметром d в насыпи слоя зерна, с внутренней поверхности которого происходит испарение влаги, величину dF в (7) можно представить в виде
0
где dl - длина канала, по которому проходит воздух, м.
H
Вследствие извилистости каналов средняя длина h больше соответствующего отрезка в направлении градиента давления, т.е. высоты слоя, и может быть выражена
0
0
где Т - коэффициент извилистости, который Карманом в случае турбулентного режима течения принят равным Т≈1,50. В случае ламинарного режима течения, который характерен для условий охлаждения зерна при V≤0,1 м/с, где V - скорость воздуха в элементарных каналах слоя, м/с, можно принять Т≈1,2.
Значение G можно представить в следующем виде
э
где d - эквивалентный диаметр элементарного канала, м
'
э
ε - порозность слоя зерна, d - эквивалентный диаметр зерновки, м.
o
H
Скорость V удобно выразить через порозность слоя ε, скорость воздуха над слоем V. После интегрирования (7) от О до h и упрощений получим
1
2
где U, U - влагосодержание воздуха на входе и выходе из элементарного канала, кг/кг.
1
2
Значения U и U могут быть определены из
H
где φ - относительное влагосодержание воздуха; Р, Р - атмосферное давление и давление насыщенного пара соответственно, кПа.
1
0
При температуре наружного воздуха 15°С и φ=0,7 величина U=0,007 кг/кг. Для расчета величины U примем следующие допущение.
0
0
H
K
H
0
После отлежки поверхность зерновки увлажняется с образованием паровоздушной пленки, величину φ при расчете U для указанных температурных условий можно принять φ=0,99. Будем полагать, что φ=const в течение всего процесса охлаждения зерна, кроме того, температуру зерна примем средней между начальной θ=45°С и конечной θ=20°С-θ=32,5°С. Тогда получим Р=5,0 кПа и U=0,034 кг/кг.
H
K
cp
2
n
0
1
0
2
Рассчитаем среднюю температуру воздуха на выходе из «зоны сушки» (t=15°С, t=45°С) t=30°С и примем предельно допустимое влагосодержание по условиям конденсации паров - φ=0,8, тогда U=0,021 кг/кг и величина натурального логарифма l(U-U/U-U)≈0,7.
0
1
2
э
c
-4
2
3
-3
После подстановки величин U, U и U в (12), принимая среднюю величину β≈0,5·10м/ч (для 32,5°С) [5], скорость воздуха V=0,025 м/с (удельная подача q≈120 м/ч·т), порозность слоя ε=0,45, d≈1,6·10м, получим h=1,35 м.
n
отл
охл
H
Принимая G=10 т/ч; τ=4 ч; τ=5 ч; диаметр корпуса 8,5 м; (F=50,2 м) h≈1,35 м из (1) и (2) получим:
М=10·4+1,35·50,2·0,75≈91 т
с
h=1,35(1+0,8)=2,43 м
из (4) .
2
3
Погрешность расчета по F по сравнению с принятым диаметром 8 м не превышает 3%, следовательно, для устройства производительностью 10 т/ч величина F≈50 м оптимальна. При этом подача вентилятора 15 составит ~10 тыс. м/ч, а мощность калорифера 16, исходя из максимального подогрева воздуха на 6°С - 7,5 кВт.
Источники информации
1. М.А.Теленгатор, B.C.Уколов, В.М.Цециновский. Обработка семян зерновых культур. - «Колос», М., 1972, 76 с.
2. Хранение и переработка зерна // Экспресс-информация. Элеваторная промышленность за рубежом, вып.6, М., 1989, с.1.
3. Рекламный листок «Top DRY Specifications».
4. Патент РФ №2305241, МПК8 F26B 17/12, 2006 (прототип).