Аэросепараторы. Мифы и реальность.
Машины по очистке зерна, использующие в своей основе взаимодействие сносящего потока воздуха с ссыпающимся в этот поток зерном, представлены на рынке Украины многими фирмами «ТОР», «Агросепмаш», «Сад», «Алмаз» и др. Аналогичные по принципу действия машины производят и в России («Класс», пневмоклассификатор семян и др.). Такое дружное появление машины по очистке зерна при ссыпании его в сносящий поток воздуха легко объяснимо. Чрезвычайно простой и понятный принцип работы такой машины, не требующей при ее производстве сложной механики, оказался по силам структурам, первоначально не имеющим больших производственных возможностей.
Хороший маркетинг и массированная реклама позволили успешно продвинуть такие машины на рынке. Само по себе это хорошо. Если не брать на веру некоторые перехлесты в рекламной информации о возможностях самого способа такой очистки, то, в целом, такие машины позволяют почистить зерно практически без его травмирования в самой машине. Преимущества таких машин позволяют утверждать, что более дешевого способа облагородить загрязненное зерно, пока назвать трудно. Именно поэтому, эти машины пользуются спросом. Тем не менее, разработчикам таких машин и обязательно покупателям, надо понимать реальные возможности самого способа такой очистки без проекции его на конкретный вариант исполнения в той или иной машине.
Рассмотрим рамки возможного качества очистки зерна при ссыпании его в сносящий поток воздуха. Как правило, в поток воздуха в аэросепараторах ссыпается разнородный материал по размерам, форме, плотности и т. д. Поэтому для анализа такого взаимодействия потока воздуха с ссыпаемым в него зерном рассмотрим влияние на траекторию движения зерна отличающегося размерами, формой и плотностью. По плотности семена одних и тех же с/х культур могут отличаться в разной степени. Отличие это обусловлено как различием плотности тела у семян (эндосперма, семядоли и т. д.), обусловленной местом положения ее на материнском растении, так и разным соотношением в семянке крахмала белка, жира и защитных пленок. Так разность плотностей у одинаковых по размеру зерновок ячменя составляет около 10%; пшеницы — 6-7%, сои, нута и др. бобовых — на уровне 5%, а вот у семян подсолнечника плотность может отличаться в разы.
Поэтому мы для анализа возьмем две культуры – с малым отличием плотности – нут и с большим – подсолнечник. Нам на мини-завод по производству сильных семян привезли более 6 тонн семян нута с просьбой его почистить и довести до требуемой кондиции. Семена нута у заказника в начале прошли первичную очистку и уже после нее были пропущены через аэродинамический сепаратор.
Условно, фракции на выходе после очистки зерна на аэросепараторах можно разделить на три категории: хорошо очищенное и сортированное зерно (первые сходы), недостаточно хорошо очищенное зерно (средние сходы) и легковитаемый сор (последние сходы и аспирационный относ). Простота такого разделения является явным преимуществом. Очень часто оказывается, что такой очистки достаточно для какого-то, по времени беспроблемного, хранения зерна до следующей более строгой очистки его на машинах другого типа.
Рассмотрим причины, по которым нельзя при таком способе строго разделить всю партию исходного разнородного материала ни по размерам, ни по плотности, ни по форме.
Причины следующие.
1. Очень короткое время взаимодействия зерновки со сносящим потоком воздуха (0,8…1,2 сек).
2. Неравномерность потока воздуха, как по скорости, так и по масштабам турбулентности.
3. Случайное положение семянки при ее попадании в сносящий поток воздуха.
Прежде всего, это принципиально для семян сложной формы – подсолнечник, кукуруза, лен и т. п.
Но даже если мы устраним второй недостаток, мы все равно вынуждены мириться с коротким временем воздействия потока воздуха на зерно (время его падения) и случайной ориентацией зерновки при ее встрече с потоком воздуха.
 |
|
Рис. 1. Положение семянки в потоке воздуха через некоторое время после их встречи. |
Если допустить, что нам удалось сформировать выровненный по основным параметрам поток воздуха с глубоким монотонным регулированием его скорости движения и до встречи с потоком мы можем ориентировать семянку так, как ее развернул бы поток (по наименьшему сопротивлению – закон взаимодействия вязкого газа – воздуха при обтекании твердого тела со смещенным центром массы – зерновки (рис. 1), мы все равно попадаем в неопределенность траектории движения частички, вызванную наличием трех неодинаковостей: плотности частички (ρ – г/мм3), ее формы и размера. Для упрощения дальнейшего анализа допустим одинаковость по форме всех частичек в виде шара и оставим только две переменные – плотность и размер частичек.
 |
|
Рис. 2. Схема вероятностного распределения частичек разного размера и разной плотности под воздействием сносящего потока воздуха в гравитационном поле Земли. |
Рассмотрим два варианта: равенство плотностей при разных размерах зерновок и наоборот. Если плотности зерновок одинаковые, но размеры разные, то мелкое зерно полетит дальше крупного по той причине, что отношение ее омываемой поверхности к массе больше (при уменьшении радиуса частички ее поверхность уменьшается во второй степени, а объем, т. е. масса, в третьей, и поэтому вязкому воздуху «легче» сносить более мелкую частичку дальше). Частички размером до 30 мкм, вообще, не имеют свих баллистических траекторий и движутся, находясь в полной власти воздушных струек, что часто используют для визуализации структуры течения воздуха. В другом случае, если частички равные по форме (это мы допустили), но разные по плотности, то, в силу равных омываемых площадей, поток воздуха более легкую частичку унесет дальше (Земля быстрее притянет тяжелую частичку (рис. 2)).
Таким образом, получается (в рамках рассматриваемых допущений), что в первый сход аэросепаратора попадают крупные тяжелые частицы, в последний разного размера, но легкие, а в средние попадает фракция представляющая смесь зерен разного размера и разной плотности.
Изменение скорости сносящего потока приведет только к изменению соотношений распределения частичек, а суть распределения останется той же, ибо сам принцип такого распределения подчиняется закону взаимодействия потока вязкого газа с твердой частицей падающей в гравитационном поле Земли (человек хотел бы летать, но выше 2,5 м прыгнуть не может). Допущение об одинаковости по форме частичек (шар) целых семян нута вполне корректно, т.к. целые семена нута по форме близки к шару, поэтому их положение перед встречей с потоком, практически не сказывается на траектории их движения в сносящем одномерном потоке воздуха, а вот половинки нута — совсем другое дело.
 |
|
Рис. 3. Схема вероятностного распределения частичек не осесимметричной формы в зависимости от их положения в сносящем потоке воздуха. |
 |
|
Рис. 4. Фрагмент смеси целых зерен нута, половинок и сора сошедшей со средних сходов аэросепаратора (фото сделано Сурововым А.). |
Рассмотрим, как будут перемещаться частички (половинки семянки нута) не симметричной формы при условии, что их положение относительно потока в процессе падения не меняется (рис. 3). По закону аэродинамики частичка с меньшим сопротивлением потоку упадет ближе, чем частички с большим сопротивлением – их поток отнесет дальше. Именно такое распределение происходит в аэросепараторах. Так в привезенной к нам смеси целых семян нута, половинок и сора сошедшей со средних сходов аэросепаратора половинок нута было несколько тонн. Ну а если снять допущение о равномерности структуры потока, то неудивительно, что из 63 тонн нута, прошедшего через аэросепаратор, половинок оказалось даже в первом сходе более тонны.
Общее количество смеси нута, зерновой примеси поступившей на мини-завод и сора составило 6400 кг, это 10 % от общего объема пропущенного через аэросепаратор при очистке семян нута у заказчика.А если снять все допущения принятые нами для простоты анализа, то в реальном процессе аэросепарации получим то, что и получаем при таком разделении – в средних сходах окажется не только зерно разных размеров, разных форм и плотностей, но и легковитаемый сор, занесенный туда благодаря вихревой структуре воздушного потока, что мы и наблюдаем в привезенной нам партии нута отобранного со средних сходов аэросепаратора. Внешний вид поступившего материала приведен на фото (рис. 4).
На очищающе-калибрующей машине, на которую смесь зерна нута с примесью и сором была поднята щадящей тихоходной норией, были установлены сита и решета в следующем варианте (рис. 6).Поскольку пофракционная технология производства сильных семян обеспечивает глубокую очистку зерна от различного сора и строгую калибровку и сепарацию по плотности, то мы с уверенностью взялись за разделение этой смеси на кондиционные семена нута, на зерновую примесь и сор. Схема мини-завода приведена на рисунке 5.
 |
|
Рис. 5. Блок-схема мини-завода по производству сильных семян (щадящая пофракционная технология Фадеева). |
|
1. Щадящая нория подачи материала на очистку и калибровку. 2. Очищающе-калибрующая машина (ОКМФ). 3. Бункеры для пофракционного размещения материала. 4. Щадящая нория подачи материала на пневмовибростол. 5. Ленточный реверсивный транспортер. 6. Пневмовибростол (ПВСФ). 7. Система аспирации. 8. Бункера приема семян разной плотности. |
 |
|
Рис. 6. Последовательность установки сит (решет) |
– целые чистые семена нута (сход с решета 5,5);Таким образом, смесь семян нута с зерновой примесью и сором была разделена на 5 фракций:Решета Фадеева с характерным размером 5,5 позволили со 100 % результатом разделить целые семена нута (сход с решета) от половинок, за счет того, что на таких решетах половинка семян бобовых культур поворачивается и проходит в отверстие прямоугольной формы в виде удлиненной воронки, что хорошо видно на примере семян сои (рис. 7).
– половинки семян нута и соразмерный сор (проход через решето 5,5);
 |
|
Рис. 7. Принцип взаимодействия сои с решетами новой геометрии. |
– сор и мелкий сор, прошедшие соответственно через щелевое и гексагональное сита. На фото приведены две фракции: целые зерна и половинки зерен с соразмерным сором (рис. 8, 9).– дробленое зерно (проход через решето 3,8);
На приведенных фотографиях хорошо видно, что все половинки нута прошли через решета, а целые семена сошли с него.
На пневмовибростол для сепарации семян нута по плотности были направлены исключительно целые семена, что позволило удалить легковесные и пораженные зерна. После сепарации семян нута по плотности на пневмовибростоле тяжелая фракция была исследована на посевные качества – всхожесть и энергию прорастания. Ниже приведены результаты анализа (таблица №1).
 |
 |
|
Рис. 8. Фрагмент смеси половинок семян нута и соразмерного сора прошедшего через решето Фадеева 5,5 мм. (фото сделано Сурововым А.) |
Рис. 9. Фрагмент партии целых чистых семян нута сошедших с решета Фадеева 5,5 мм. (фото сделано Сурововым А.) |
|
Таблица №1 |
|
|
Чистота |
99,60% |
|
Отход всего |
0,4% |
|
Семян других культурных растений |
0% |
|
Семян бурьянов |
0% |
|
Семян карантинного бурьяна |
0% |
|
Энергия прорастания |
82% |
|
Всхожесть |
90% |
|
Влажность |
10,8% |
|
Масса 1000 шт. семян |
280,6 г |
По заключению семенной лаборатории семенные (а значит и урожайные) качества отобранного нута из привезенных нам отходов выше показателей для семян нута высоких репродукций.
Результат разделения всей партии (6400 кг) приведены на рисунке 10.Таким образом, щадящая пофракционная технология производства сильных семян позволяет даже из партии семян, в которой более половины зерновой примеси и сора, за один проход выделить практически без остатка кондиционные семена.
Уважаемый читатель, я «нажимаю» на слова «щадящая технология», поскольку очевидно, что в данной партии нута, поступившего на аэросепаратор, около 10 % (более 5 тонн из 63 т) составляли половинки зерен. Это результат травмирующей первичной очистки.
 |
|
Рис. 10. Долевое распределение зерен нута, половинок и сора после очистки и сортировки смеси на мини-заводе. |
 |
|
Рис. 11. Схема взаимодействия воздушного потока с семенами сложной формы. |
Ограничение возможностей способа очистки и сортировки семян при их взаимодействии со сносящим потоком воздуха достоверно подтверждаются при работе с семенами сложной формы, например, с семенами подсолнечника. Семена подсолнечника по закону случайных событий могут попасть в сносящий поток воздуха в трех разных положениях: «а», «б». «в» (рис. 11). В каждом из вариантов мы получим три разные траектории движения семян. Конечно, при длительном воздействии потока семечко займет положение «в», но где взять это время, машина-то для этого мала.
 |
|
Рис. 12. Схема размещения и геометрия сит (решет) при очистке и калибровке кондитерского подсолнечника сорта «Лакомка» после очистке его на аэросепараторе. |
На мини-завод по производству сильных семян поступили семена подсолнечника кондитерского сорта «Лакомка». Перед этим в хозяйстве эта партия семян прошла первоначально дважды через очистку на барабанном центробежном сепараторе типа БЦС и затем на аэросепараторе. К нам поступила самая лучшая партия семян сошедшая с первого схода аэросепаратора. При очистке и калибровке на очищающе-калибрующую машину были установлены сита и решета следующих форм и размеров (рис.12).
Для демонстрации того, что получается при такой «биографии» очистки и сортировки кондитерского подсолнечника (два раза через БЦС – с ситами 3,8 и Ф 10 и аэросепаратор – сход с первого схода) на рисунках 13 и 14 приведены фотографии двух фракций: материал поступивший на мини-завод после аэросепаратора и материал отгруженный заказчику после очистки на мини-заводе.
 |
 |
|
Рис. 13. Фрагмент партии семян кондитерского подсолнечника «Лакомка» после очистки на аэросепараторе (первый сход) поступившей на очистку на мини-завод. (фото сделано Сурововым А.) |
Рис. 14. Фрагмент партии семян после очистки на мини-заводе (проход с решета Фадеева 4,2 мм). (фото сделано Сурововым А.) |
Приведенные фотографии позволяют сделать следующие заключения.
1. Двукратный проход семечка на БЦС на плоских щелевых ситах 3,8 не отобрал не только мелкую семечку, но и голозерку (масличную примесь).
2. Наличие большего количества битого семечка еще раз подтверждает агрессивность первичной очистки зерна на машинах центробежного типа.
3. В аэросепараторе голозерка обязательно окажется в компании с крупными тяжелыми семечками, поскольку ядро тяжелее целых семянок более чем в два раза.
4. Наличие сора в составе семечка сошедшего с первого выхода аэросепаратора подтверждает то, что структура сносящего потока воздуха вихревая.
5. Строгая калибровка и очистка возможна на решетах Фадеева, где все обрушенное ядро (масличная примесь) проходит через первые же по ходу семечка решета, ибо при этом оно поворачивается и примеряется к щелевому отверстию, размер которого больше не ширины ядра, а толщины его (рис. 15).
 |
|
Рис. 15. Отбор масличной примеси от подсолнечника на решетах Фадеева. |
Таким образом, в качестве заключения можно сказать, что аэросепараторы имеют явное преимущество за счет своей простоты и дешевизны и могут быть без ограничений использованы для удаления легковитаемого сора для любых с/х культур. А для калибровки семян по размерам, по плотности и, вообще, для более строгой очистки необходимо применять машины, отвечающие указанным задачам.
После того, как была показана эффективность работы машин по очистке и калибровке зерна, то логично будет более подробно рассмотреть новые подходы в разработке таких машин, что и сделано в следующей статье.
