УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ СУШКИ СЕМЯН
APPARATUS FOR INFRARED DRYING OF SEEDS

Изобретение относится к области радиационной сушки с помощью элементов, испускающих инфракрасные лучи, и может быть использовано для сушки семян подсолнечника путем теплопроводности при относительном движении на бесконечных лентах горизонтальных транспортеров.
Уровень данной области техники характеризует многоярусное устройство для подсушивания семян, описанное в патенте RU 2063592, F26В 17/10, 1996 г., которое содержит загрузочный и промежуточный бункера подачи насыпного растительного материала в перфорированные наклонные лотки нисходящего каскада, каждый из которых примыкает к изолированному ресиверу, сообщающемуся с общим воздуховодом от теплогенератора, и вытяжную шахту.
Воздуховод разделяет каскад лотков в камерах сушки и охлаждения, которые связаны скатной доской в промежуточный бункер, сообщающийся с вытяжной шахтой, оснащенной пылесборником.
Лотки каскада между собой связаны перегрузочными вертикальными патрубками, снабженными разновысокими пластинами, смещенными по шагу, которые формируют равную толщину обрабатываемых слоев насыпного материала в лотках.
Обе камеры и автономные ресиверы лотков имеют шиберные заслонки для регулирования воздушных потоков гидродинамического режима «кипящего слоя» и его продольного перемещения по лоткам каскада.
Требуемая толщина слоев обрабатываемого материала обеспечивается регулированием взаиморасположения пластин в перегрузочных патрубках и подачи теплоносителя из общего воздухоподвода под каждый изолированный лоток каскада.
Особенностью описанного устройства является совмещение функций сушки зерна с его очисткой, сепарацией легких фракций половы, мякины, семян сорняков, шелухи, пыли и т.п.
Недостатком описанного устройства является относительно большие энергозатраты на работу агрегатированных теплонагревателя (марки ТАУ-0,75 или ТАУ-1,5) с теплонагревателем типа ВПТ-600.
Кроме того, обслуживание установки требует высокой квалификации оператора для тонкого регулирования многочисленных шиберов и заслонок, давления потоков воздуха, чтобы обеспечить на всех наклонных участках каскада одинаковый по толщине кипящий слой насыпного материала, его самотек без образования заторов и сгруживания семян при перегрузках.
Отмеченные недостатки устранены в выбранном в качестве наиболее близкого по числу совпадающих признаков аналога, который описан в патенте RU 2115323 C1, А23В 7/02, 1998 г.
Известная многоярусная сушильная камера содержит распределенные в объеме инфракрасные излучатели, выполненные в форме кварцевой трубки с функциональной кремнийорганической (керамической) оболочкой, внутри которой расположена нихромовая спираль накаливания от сетевого источника тока.
При нагреве материал функциональной оболочки служит источником инфракрасного излучения в заданном диапазоне длин волн, под действием которого осуществляется эффективная сушка насыпного материала во всем объеме.
Корпус из жести с хорошо отражающей поверхностью закреплен на каркасе, несущем продольные направляющие по технологические сетчатые лотки, выполненные съемными, сменными, которые служат опорой для слоя насыпного растительного материала, подлежащего сушке.
Поперек секций камеры смонтированы диэлектрические опоры под токоведущие зажимы электропитания токосъемных втулок инфракрасных излучателей, электрически связанных с центральными спиралями накаливания.
Излучатели по высоте устройства размещены с переменным шагом, расстоянием до опорного сетчатого дна лотков по ярусам: от 1,3 внизу до 1,5 вверху.
Расположение сетчатых лотков под нижним рядом инфракрасных излучателей на высоте меньше 1,3 высоты до верхнего ряда вызывает их перегрев конвективным теплом нижнего яруса и связанные при этом деформацию приповерхностных слоев обрабатываемого продукта и снижение скорости диффузии его влаги в конвективный поток, пригары продукции и потерю органолептических свойств, то есть потерю потребительских качеств. Оболочка не выдерживает тепловой нагрузки, лопается, и продукт становится непригодным для дальнейшей сушки.
При высоте установки сетчатых лотков над нижним рядом инфракрасных излучателей больше 1,5 оптимального верхнего промежутка до излучателей отсутствует продуктивное их воздействие на сушку материала снизу через сетчатое дно верхнего яруса. Тепловой поток не приводит к образованию микротрещин на поверхности продукта, вследствие чего не интенсифицируется процесс последующей сушки.
Кроме того, увеличивается общая высота устройства.
,
Особенностью известного устройства сушки плодов, овощей, трав, ягод и т.п. является то, что формируемый спектр инфракрасного излучения с длиной волн 03-1,0 мм близок к естественному солнечному спектру в инфракрасной части, что обеспечивает эффективное удаление через образующиеся поверхностные микротрещины влаги из растительной продукции.
Энергией прямого инфракрасного излучения распределенных над сетчатыми лотками и под ними (нижнего яруса) излучателей, вторичного излучения с боков от отражателей и тепла восходящих конвективных потоков воздуха продукция разогревается и сушится.
При сушке в описанном устройстве сохраняется цвет, вкус и запах, а также органическая структура молекулярных соединений пищевых продуктов.
Сушка сопровождается дискретной ротацией лотков по высоте, последовательным перемещением лотков снизу вверх до полной готовности высушенного продукта.
Однако недостатком известного многоярусного устройства является перемещение лотков вручную, что неизбежно снижает качество сушки продукции по причине человеческого фактора и неприемлемо для серийного производства из-за сопутствующей высокой трудоемкости процесса.
Кроме того, практическое использование излучателей с указанной длиной волны инфракрасного излучения для сушки семян подсолнечника нерационально из-за чрезвычайно продолжительного времени, что определяет нереализуемую протяженность устройства при отсутствии необходимых для этого производственных площадей.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение производительности качественной сушки семян подсолнечника в автоматическом режиме всего цикла обработки.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном устройстве для инфракрасной сушки семян, содержащем установленные под отражателями инфракрасные трубчатые излучатели с керамической функциональной оболочкой и электронагреваемой спиралью внутри, которые распределенно закреплены на диэлектрических опорах каркаса над лотками, несущими слой семян, средство перегрузки обрабатываемых семян на лоток нисходящего яруса и вентилятор, закрытые термоизолированным кожухом, согласно изобретению инфракрасные излучатели с длиной волны 1,5-3,0 мкм распределены вдоль лотка, дно которого выполнено в виде тефлоновой ленты бесконечного транспортера, с шагом, равным 1,1-1,3 расстояния до слоя семян подсолнечника на ленте высотой 2-3 см, а средство перегрузки, представляющее собой бункер, оснащенный шиберной заслонкой выпускного окна, установлено между ярусами в шахматном порядке у противных торцов их транспортеров, причем угол конического сужения бункера перегрузки превышает угол естественного откоса насыпного материала.
Отличительные признаки обеспечили заданное качество сушки семян подсолнечника, пригодных к длительному хранению, которое гарантированно достигается в автоматическом потоке компактного многоярусного каскадного устройства, характеризующегося стабильными технологическими режимами для различного сырья в условиях поставки.
Выполнение инфракрасных излучателей с длиной волны 1,5-3,0 мкм обусловлено тем, что она соответствует частоте собственных колебаний молекулы воды в составе ядра семени, которая при облучении избирательно нагревается и резонансно испаряется.
Это инфракрасное излучение беспрепятственно проникает через плотную оболочку семечки и поглощается в его ядре, которое интенсивно разогревается.
При этом пористая оболочка семечки остается сухой, так как испаряемая изнутри влага (при движении от более нагретого тела к менее нагретому) в атмосферу беспрепятственно удаляется через открытые поры.
Мерное дифференцированное распределение инфракрасных излучателей над обрабатываемым слоем семян подсолнечника, по шагу и относительной высоте, автоматически создает разную плотность излучения и интенсивность ввода энергии для структурирования разогрева семян и ориентированного влагоудаления, исключающего растрескивание оболочки.
Этим в устройстве обеспечивается возможность независимого регулирования на отдельных уровнях многоярусного транспортера интенсивности тепловложения, скорости и времени автономного режима обработки различного насыпного материала, что расширяет технологические возможности по сушке семян подсолнечника в условиях поставки, разной номенклатуры и физического качества.
Технологическая опора в форме бесконечного ленточного транспортера, над которым распределены излучатели, обеспечивает равномерное принудительное перемещение слоя насыпного материала в стабильном поле инфракрасного излучения при заданном времени выдержки, таким образом повышается производительность качественной сушки семян подсолнечника в оптимизированном режиме обработки.
Использование ленты из тефлона создает в устройстве стабильность механических и тепловых характеристик, так как этот материал имеет высокую удельную теплоемкость, что исключает потери энергии на ее разогрев в динамике процесса, используя теплоинерционные свойства технологической опоры, когда практически вся тепловая энергия инфракрасного излучения поглощается обрабатываемым материалом.
Тефлоновая лента транспортеров практически не истирается, не деформируется от механических и тепловых воздействий при длительной эксплуатации.
При этом опорная лента из тефлона, отражая энергию встречно основному тепловому потоку инфракрасного излучения, обеспечивает дополнительный нагрев слоя семян подсолнечника, чем повышается интенсивность равномерной сушки, когда исключены пригары семян к несущей поверхности технологической опоры.
Тефлоновая лента служит экраном для отражения энергии инфракрасного излучения в слой обрабатываемого материала, предотвращая нерациональное ее рассеяние.
В результате активного нагрева среды (воздуха внутри устройства) интенсифицируется внешний теплообмен, сопровождающийся увеличением отвода механически связанной влаги. При снижении содержания влаги в семечке появляется возможность увеличить процесс влагоотвода более жестко структурно связанной влаги за счет кратного уменьшения высоты размещения излучателей над обрабатываемым слоем.
Размещение инфракрасных излучателей вдоль технологической опоры с шагом, равным 1,1-1,3 расстояния до слоя семян подсолнечника, определяется зоной гарантированного перекрытия секторов облучения соседних ламп на поверхности движущегося слоя материала, размещенного на ленте транспортера.
Высота расположения излучателей в соответствии с заданной плотностью теплового потока на технологическом ярусе изменяется в указанных соотношениях относительно шага между излучателями.
При обработке расположенного на ленте транспортера слоя семян подсолнечника высотой более 3 см не обеспечивается равномерность сушки на противоположных его поверхностях и снижается эффективность сушки в целом.
При обработке соответственно слоя семян подсолнечника высотой менее 2 см происходит растрескивание оболочки чрезвычайно интенсивного испарения влаги из ядра при перегреве (до 80°С) и сопутствующего высушивания наружной поверхности оболочки от возникающего градиента температур.
Геометрические параметры рабочего органа установки были рассчитаны по математической модели планирования эксперимента, оптимальное соотношение которых нашло практическое подтверждение в достижении заданного качества сушки в компактной многоярусной установке при автоматической обработке инфракрасным излучением выбранного диапазона длины волн.
Установка между ярусами транспортера бункеров перегрузки обеспечивает автоматическую гравитационную перегрузку обрабатываемых семян подсолнечника и формирование мерного слоя на нижерасположенном ярусе регулированием высоты выходного окна посредством ее шиберной заслонки.
Шахматный порядок размещения бункеров перегрузки у противных торцов на выходе каждого яруса бесконечного транспортера создает сквозную магистраль движения обрабатываемого насыпного материала.
В бункерах перегрузки неизбежно происходит перемешивание нагретых на ярусе ленточного транспортера семян подсолнечника и выравнивание температуры в объеме материала, гравитационное пересыпание и дозированная подача на ленту транспортера нижерасположенного яруса.
С противного торца каждого транспортера установлен примыкающий бункер перегрузки для технологической связи с расположенным ниже ярусом устройства
Превышение угла конического сужения бункера над углом естественного откоса насыпного материала необходимо, чтобы исключить образование сводов и заторов при перегрузке семян подсолнечника последовательно по ярусам устройства всего цикла инфракрасной сушки.
Размещение шиберной заслонки выходного окна бункеров с зазором 2-3 см над лентой транспортера автоматически формирует адекватный слой семян подсолнечника, перемещаемый по нижерасположенному ярусу.
В компактной многоярусной установке, представляющей собой поточную линию из взаимосвязанных посредством бункеров перегрузки технологических транспортеров каждого яруса, осуществляется качественная и производительная сушка семян подсолнечника.
Компактное устройство по изобретению полного технологического цикла сушки семян подсолнечника возможно устанавливать на существующих промышленных площадях для практического использования по назначению.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи является достаточной для достижения новизны качества, неприсущего признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы существенных признаков.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, которые имеют чисто иллюстративное назначение и не ограничивают объема притязаний формулы изобретения. На чертеже схематично изображены:
на фиг.1 - многоярусное устройство для инфракрасной сушки семян подсолнечника, продольный разрез;
на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1, пространственное расположение излучателей относительно ленты транспортера;
на фиг.3 - вид I на фиг.1.
Каркас устройства представляет собой несущую раму 1, на которой закреплен термозащищенный кожух 2, формирующий камеру 3 сушки.
Вдоль камеры 3 сушки, через окна 4 кожуха 2, ярусами параллельно расположены ленточные транспортеры 5 (в примере - три яруса), нижний из которых имеет зону атмосферного охлаждения.
Над транспортерами 5 поперек их несущей тефлоновой ленты 6 распределенно с шагом «1» смонтированы инфракрасные излучатели 7, накрытые отражателями 8.
Камера 3 сушки оснащена блоком вытяжных вентиляторов 9 для удаления выпариваемой влаги.
Транспортеры 5 связаны между собой бункерами 10 перегрузки, оснащенными вертикально подвижной относительно выходного окна 11 шиберной заслонкой 12 (фиг.3) для регулирования высоты формируемого слоя насыпного материала - семян подсолнечника.
Каждый ленточный транспортер 5 имеет приводной вал 13, кинематически связанный с мотор-редуктором 14, и натяжной вал 15.
Лента 6 транспортеров 5 расположена на дне лотка 16 коробчатой формы (фиг.2), на котором установлены параллельные диэлектрические опоры 17 под крепление излучателей 7.
Инфракрасные излучатели 7 представляют собой кварцевую трубку 18 с функциональным кремнийорганическим (керамическим) покрытием 19, которое при нагреве излучает волны в диапазоне 1,5-3,0 мкм.
Внутри кварцевых трубок 18 помещена нихромовая спираль 20 накаливания - резистор, подключенный к сетевому электропитанию.
Излучатели 7 смонтированы на расстоянии «h» от лотка 16 (обрабатываемого слоя семян подсолнечника), составляющем 0,8-0,9 величины шага «1» между ними.
В описываемом варианте выполнения устройства сушки соотношение высоты (h) размещения излучателей 7 над опорой 16 транспортирующей ленты 6 относительно шага (l) между излучателями 7 по ярусам сверху вниз выбрано соответственно следующим:
Ярус
Параметры
1
2
3
высота h, см
70
65
65
шаг l, см
64
54
50
Соотношение h/l
1,1
1,2
1,3
Оптимальная высота слоя семян подсолнечника на ленте 6 транспортера 5 составляет 2-3 см.
В верхней части кожуха 2 расположены вытяжные вентиляторы 21 для принудительного отвода выпариваемой при сушке семян подсолнечника влаги при движении воздуха в камере 3 сушки со скоростью 0,1 м/с.
H
Предложенная конструкция устройства инфракрасной сушки семян подсолнечника характеризуется простотой регулирования технологических параметров, связанных однозначной зависимостью. Так, плотность потока лучистой энергии каждого яруса определяется начальной влажностью подаваемых семян подсолнечника: q=0,21·W.
2
При влажности поставки 22% плотность потока первого яруса составляет 4,62 кВт/м, где материал высушивается до влажности 17%.
2
На втором ярусе плотность потока инфракрасного излучения устанавливают 3,57 кВт/м. На выходе с транспортера 5 второго яруса влажность семян подсолнечника составляет 12%.
2
Для высушивания семян подсолнечника до требуемого условиями длительного хранения уровня влажности 7% плотность потока излучения на третьем ярусе устанавливают равной 2,52 кВт/м.
Время обработки семян подсолнечника на каждом ярусе составляет 15 минут, так как определяется по однозначной зависимости:
H
K
H
K
t=(W-W)·3 мин, где W - начальная влажность этапа, a W - конечная влажность материала этапа сушки на ярусе.
Время охлаждения высушенных семян подсолнечника на участке транспортера 5 нижнего яруса до температуры 20-30°С на открытом воздухе составляет 4-5 минут.
В устройстве по изобретению обеспечивается щадящий режим сушки, когда энергия инфракрасного излучения беспрепятственно проникает через твердую пористую оболочку семян подсолнечника и поглощается его ядром.
Выпариваемая при этом влага интенсивно удаляется через поры сухой оболочки семян, которые не растрескиваются, потому что внутри обеспечено согласованное направление потоков термовлагопроводности и диффузии выпариваемой воды.
Сравнительно с прототипом интенсивность инфракрасного излучения снижена на порядок, что обеспечивает экономию затрачиваемой энергии при несравнимом выигрыше по качеству обработки семян подсолнечника, которые возможно хранить до четырех месяцев.
В устройстве по изобретению существует возможность независимой простой регулировки на ярусах интенсивности тепловложения, скорости и времени автономного режима сушки, что расширяет его технологические возможности по номенклатуре и физическому качеству семян подсолнечника, поступающих на сушку.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста сельского хозяйства, показал, что оно не известно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления устройства инфракрасной сушки можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.