Способ сушки зерна крупносеменных культур и устройство для его осуществления
METHOD FOR DRYING GRAIN OF LARGE-SEED CROPS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Способ касается сушки зерна и семян и может быть использован в сельском хозяйстве и системе заготовок.
Известен способ сушки зерна крупносеменных культур в плотном слое и устройство, представляющие собой камерную сушилку (Теленгатор М.А., Уколов В.С., Цециновский В.М. Обработка семян зерновых культур. - М.: Колос, 1972. - С. 92-93).
По этому способу зерно загружают на решетку, вентилируют агентом сушки, охлаждают и разгружают. Устройство содержит сушильную камеру, калорифер, вентилятор, средство загрузки и разгрузки.
Способ широко распространен в сельском хозяйстве, но он энергозатратен, характеризуется повышенной неравномерностью высушенного зерна.
Известен способ сушки семян и зерна в опускающемся слое, согласно которого материал загружают, циркулируют, периодически отлеживают, воздействуют подогретым и неподогретым агентом сушки, охлаждают и разгружают, длительность промежуточной отлежки менее 0,5 ч.
Известно и устройство для его осуществления, содержащее надсушильный бункер, камеру сушки, перфорированные цилиндры, средства циркуляции, загрузки и разгрузки материала, калорифер, вентилятор (Патент № 2519809 РФ Способ сушки семян и зерна и устройство для его осуществления / Голубкович А.В., Павлов С.А., Лукин И.Д., Машковцев М.Ф. // Бюл. 2014. № 17).
Эти способ и устройство нашли применение в сельском хозяйстве на сушке зерна, но при сушке зерна крупносеменных культур возможно механическое повреждение зерен из-за перепада влагосодержаний по радиусу зерновки.
Эти способ и устройство приняты за прототип. Именно это устройство позволяет осуществить способ, что обеспечивает соблюдение критерия «единство изобретения».
Технической задачей изобретения является повышение качества процесса сушки зерна.
Поставленная задача достигается тем, что в способе сушки зерна крупносеменных культур, заключающимся в том, что материал загружают, циркулируют, периодически отлеживают, воздействуют агентом сушки, охлаждают и разгружают, согласно изобретению, контролируют влагосъем в отдельном цикле, который не должен превышать:
, кг вл./кг сух. мат
где
- среднее значение влагосъема в отдельном цикле, кг вл./кг сух. мат;
;
- число Кирпичева; ≤ 0,1 - 0,15;
,  - среднее и конечное влагосодержание зерна, кг вл./кг сух. мат.;
- среднее влагосодержание зерна в цикле, кг вл./кг сух. мат;
- координата зоны обезвоживания, м;
, м
где  - определяющий размер зерновки, м (при сферической форме - радиус);
а длительность отлежки зависит от коэффициента диффузии и определяется по формуле:
, час
где
m
2
a - коэффициент диффузии, м/с;
- влагосодержание равновесия,  кг.вл./кг сух. мат;
Поставленная задача достигается также тем, что устройство для сушки зерна крупносеменных культур, содержащее надсушильный бункер, сушильную камеру, средства циркуляции, загрузки и разгрузки материала, топку, вентилятор, согласно изобретению, оно снабжено датчиками уровня, размещенными на вертикальной стенке загрузочного бункера, друг под другом, один вверху, другой внизу с расстоянием между ними, определяемым по формуле:
, м,
где
- расстояние между датчиками уровня, м;
- масса зерновки, кг;
- предел устойчивости однородности псевдоожиженного слоя равен 1,0;
2
- площадь бункера, м;
3
- объемная масса зерна, кг/м.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства.
Устройство сушки зерна крупносеменных культур включает: топку 1, вентилятор 2, диффузор 3, сушильную камеру 4, загрузочного бункер 5, норию 6, датчики уровня 7, разгрузочное средство 8, клапан 9, влагомер 10. На схеме также показаны влажное 11, циркулирующее 12 и высушенное зерно 13.
На вертикальной стенке загрузочного бункера 5 установлены датчики 7 уровня зерна, один вверху, другой внизу.
Расстояние между датчиками 7 определяют по формуле:
, м,
где
- расстояние между датчиками уровня, м;
- масса зерновки, кг;
- предел устойчивости однородности псевдоожиженного слоя равен 1,0;
2
- площадь бункера, м;
3
- объемная масса зерна, кг/м.
В зависимости объема загрузочного бункера 7 расстояние между датчиками 7 будет отличаться.
Способ сушки зерна крупносеменных культур заключается в том, что материал загружают, циркулируют, контролируют значение влагосъема в отдельном цикле, периодически отлеживают, контролируют значение влагосъема в отдельном цикле, воздействуют агентом сушки, охлаждают и разгружают. При этом значение влагосъема не должно превышать среднего значения влагосъема, определяемого по формуле:
, кг вл./кг сух.мат.
где
- среднее значение влагосъема в отдельном цикле, кг вл./кг сух. мат; ;
- число Кирпичева; ≤ 0,1 - 0,15;
- среднее влагосодержание зерна в цикле, кг вл./кг сух;
, ,  - начальное, среднее и конечное влагосодержание зерна, кг вл./кг су х. мат.;
- координата зоны обезвоживания, м;
.
- определяющий размер зерновки, м (при сферической форме - радиус);
- равновесие влагосодержания, кг вл./кг сух. мат.
от
Длительность отлежки τ зависит от коэффициента диффузии и составляет не менее:
, час.
где
m
2
a - коэффициент диффузии, м/с.
Мониторинг влагосъема способствует качественному процессу сушки зерна.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Влажное зерно 11 норией 6 загружают в сушильную камеру 4 и загрузочный бункер 5, включают вентилятор 2, топку 1 и осуществляют циркуляцию зерна 12, высушенное зерно охлаждают отключив топку, затем клапан 9 ставят на разгрузку и высушенное зерно 13 разгружают.
Способ осуществляют следующим образом.
По радиусу зерновки , влагосодержанию , , и  рассчитывают координаты зоны обезвоживания  и среднее влагосодержание зерна в цикле, длительности отлежки  и сушки в отдельном цикле.
Затем по заданной вместимости сушильной камеры 4 рассчитывают расход зерна, проходящего через устройство, устанавливают вместимость загрузочного бункера 5, запускают сушилку и высушивают зерно. Контроль за процессом осуществляют по показанию влагомера 10.
При сушке зерна крупносеменных культур (сои, нута, гороха, кукурузы и др.) на качество семян в первую очередь влияют механические напряжения в зоне обезвоживания, вызванные градиентом влагосодержания при превышении скорости сушки, которые обусловливают появление трещин в оболочке и эндосперме с понижением качества зерна.
За цикл оборота зерна ограничивают влагосъем материала, исходя из того, что при ограниченном влагосъеме трещины не образуются, а при отлежке зона обезвоживания увлажняется и т.д.
Безопасность сушки зерна крупносеменных культур обусловлена допустимой величиной числа Кирпичева 0,1- 0,15(горох, соя, нут, кукуруза), (Сорочинский В.Ф. Повышение эффективности конвективной сушки и охлаждения зерна на основе интенсификации тепломассообменных процессов: Дисс. докт. техн. наук. - М.: ВНИИЗ, 2003. - С. 156-157), которое имеет вид для описания процесса сушки в отдельном цикле:
,
где  - определяющий размер зерновки, м (при сферической форме - радиус);
- среднее влагосодержание зерна в цикле, , , кг вл./кг сух. мат;
,  - начальное и конечное влагосодержание зерна, кг вл./кг сух. мат.;
- влагосъем для одного цикла, кг вл./кг сух. мат;
- влагосъем, кг вл./кг сух. мат;
- начальное влагосодержание, г вл./кг сух. мат;
- координата зоны обезвоживания.
Из (1) можно получить допустимый влагосъем:
,
Для расчета величины  рассмотрим массоперенос в зерновке при сушке.
Массоперенос в зерновке пренебрегая термодиффузией и бародиффузией можно записать (Лыков А.В. Теория сушки. - М.: Энергетика, 1968. - 91 с.):
,
где
2
,  - масса (кг) и поверхность зерновки (м), для шара - ;
- влагосодержание, кг вл./кг сух. мат.;
- время, с;
m
2
a  - коэффициент диффузии, м/с;
3
- объемная масса зерна, кг/м;
- градиент влагосодержания у поверхности зерновки, кг/кг∙м;
R - радиус, м.
,
где , - влагосодержание в центре зерновки; , кг вл./кг сух. мат;
- влагосодержание равновесия,  кг вл./кг сух. мат;
Для определения минимальной длительности отлежки рассмотрим массоперенос в зерновке:
.
Расход зерна, проходящего через устройство, определяется формулой:
,
где  - вместимость устройства, т;
- время сушки в одном цикле, ч;
Величину  можно рассчитать, например, по формуле (Сажин Б.С. Основа техники сушки. - М.: Химия, 1984, - 79 с.):
,  час.
где
- удельная теплота парообразования, кДж/кг;
2
- коэффициент теплоотдачи, Вт/м⋅ С;
2
- удельная поверхность зерновки, м/кг;
,  - толщина слоя зерна и пограничного слоя (, где  - эквивалентный диаметр зерновки) м;
,  - температура агента сушки и средняя зерна, °С.
Величину надсушильного бункера  запишем:
.
Вместимость бункера должна соответствовать , при большей величине снижается производительность устройства, так как возрастает время отлежки, при меньшей величине возможно снижение качества зерна из-за механических повреждений.
Эффективность предложенного способа сушки обусловлено кроме сохранения качественных показателей зерна повышение интенсивности сушки при повышенной температуре агента сушки, так как процесс происходит большей частью в условии первого периода сушки.
Пример. Расчет основных параметров процесса и устройство.
-3
2
2
-10
2
3
Сушка семян гороха  = 5⋅10 м исходным влагосодержанием  = 0,33 кг/кг до конечного  = 0,16 кг/кг проводится в колонковой сушилке с толщиной слоя  = 0,25 м подогретым воздухом с  = 55°С, максимальная температура нагрева зерна 42°С, температура наружного воздуха  = 20°С. Коэффициент теплоотдачи  = 20 Вт/м⋅°С, удельная поверхность зерна  = 0,4 м/кг. Масса зерна  = 20 т, доля теплоты, пошедшей на испарение влаги  = 0,4, равновесное влагосодержание зерна  = 0,16 кг/кг, допустимая величина 0,15;  = 2,7 МДж/кг;  = 1,5⋅10 м/с; δ=1,0; = 6 м;  = 0,76 т/м.
-3
Получим после расчетов  = 0,8⋅10 м;  = 0,015 кг/кг;  = 0,6 ч;
= 17 т/ч;  = 0,46;  = 1,8 т.
Длительность сушки определяем по формуле ≈ 11 ч.
Подставляем значение параметров в формулу и получаем расстояние между датчиками уровня  = 6,3 м.
Использование способа и устройства позволит повысить качество сушки зерна.