Особенности работы зерносушилок разного исполнения

 

 

 

Сушка зерна, как обязательная составляющая послеуборочной обработки при влажности его выше критической (равновесная влажность при относительной влажности воздуха 70%), для семенного материала имеет особое значение. Товарное зерно, в случае неравномерности его влажности (при средней влажности не выше критической), не требует сушки, а вот семена, даже в этом случае необходимо подвергнуть умеренной сушке с целью выравнивания влажности для ускорения и создания равнозначных условий для послеуборочного дозревания каждой зерновки, особенно, если в последующем предполагается охлаждение семенного материала, которое может задержать послеуборочное дозревание влажных семян.

Уважаемый читатель, необходимо сразу отметить, что в разделе не будет развернутого анализа недостатков и преимуществ сушек по их экономической эффективности, удобства эксплуатации, долговечности и т.п. Рассмотрим только особенности процесса в сушках разного варианта исполнения с позиций минимального травмирования зерна и сохранности (а может даже улучшения семенных показателей семян).

Исходя из поставленной задачи, классификация сушек может выглядеть следующим образом.

Тип зерносушилок	Вариант исполнения
Зерносушилки гравитационного типа	Шахтные зерносушилки
	Модульные зерносушилки
	Башенные зерносушилки
Зерносушилки с принудительным перемещением зерна	Барабанные зерносушилки
	Конвейерные зерносушилки
	Зерносушилки DRYER ONE (в Украине пока отсутствуют)

В рамках указанных вариантов могут быть отличия присущие отдельным производителям, но мы их касаться не будем.

Рис. 1. Схема движения зерна при обтекании коробов шахтной зерносушилки.

Подавляющее большинство зерносушилок для товарного зерна имеют существенные недостатки, которые для семенного материала являются еще значимее. Во всех зерносушилках гравитационного типа, зерно в процессе сушки движется под собственным весом сверху вниз, испытывает повышенное давление под воздействием выше находящейся массы зерна. При этом перемещение зерна сопровождается трением как между зернами, так и между зерном и твердыми металлическими поверхностями зерносушилки, что приводит к травмированию защитной оболочки зерна и образованию зерновой пыли. Особенно этот процесс присущ шахтным зерносушилкам, в которых зерно непрерывно ворошится, двигаясь по трехмерной синусоидальной траектории при обтекании стальных коробов подвода и отвода теплоносителя. Из-за медленного движения трущегося зерна, зерновая пыль обнаруживается лишь после сушки в процессе его последующего пересыпания.

Кроме этого, высокая теплопроводность стальных коробов при контакте зерна с ними, приводит к локальному перегреву зерна, при котором возможна денатурация белка в зародыше. Процесс перегрева зерна из-за прямого контакта с горячим коробом усугубляется еще и тем, что скорость движения зерна, скользящего по коробу намного меньше скорости движения зернового потока между коробами (рис. 1).

Рис. 2. Схема работы двустенных коробов.

Как уже было сказано выше,  в силу исключительно высокой теплопроводности стали (в сто раз теплопроводность выше, чем у бетона или кирпича), температура на наружной поверхности стальных коробов, обтекаемых зерном, практически, равна температуре теплоносителя. В случае, если температура теплоносителя выше допускаемой для семян, то при прямом контакте с коробом семена, нагреваясь, теряют посевные свойства. Для возможного устранения этого перегрева зерна в шахтных зерносушилках короба необходимо делать двустенными, но это удорожает сушку (рис. 2).

При этом, внешний короб, с которым входят в непосредственный контакт семена, нагревается только за счет лучистого потока (q_л) от внутреннего короба, и по расчетам температура его существенно ниже температуры теплоносителя.

В гравитационных сушилках башенного типа этот недостаток (неравномерность скорости движения зерна) менее существенен, но он имеется, ибо слои зерна, примыкающие к перфорированным стенкам коаксиального канала, движутся медленнее, чем зерна между ними (открытый в 1907 году Л.Прандлем эффект пограничного слоя пока никто не опроверг).

Рис. 3. Схема процесса сушения зерна в сушках башенного и колонкового типа.

Кроме этого, гравитационным зерносушилкам башенного типа присуща неравномерность влагоудаления, что приводит к пересушиванию семян в одних зонах и к недосушиванию других. Этот эффект легко объясним. Теплоноситель, температура которого выше температуры зерна, проходя через слой влажного зерна, увлажняется и охлаждается (рис. 3). Этот процесс сохраняется качественно на всех поверхности по высоте сушки. Устранить его можно за счет снижения температуры теплоносителя до критической температуры для семян (для сухой пшеницы эта температура 45°С), но при этих условиях сушить придется нереально долго.

Именно так сушатся семена в напольных сушках, где процесс сушения семян высоких репродукций, занимает иногда несколько суток. Более реальным для равномерного высушивания семян в башенных и модульных (колонковых) сушках осуществить циркуляцию зерна за счет его возврата норией. При этом происходит перемешивание разных по влажности семян, но вероятность того, что пересушенная семянка опять окажется у внутренней стенки составляет 0,5%. Кроме того, для такого процесса нория обязательно должна быть щадящая (скорость ковша не более 0,7 м/с).

Если допустить, что в процессе длительного контакта недосушенного и пересушенного зерна произойдет влаговыравнивание в общем объеме зерна при его последующем хранении (а это так), то вроде бы большей беды при пересушивании отдельной части, тем более товарного зерна, нет. Но это не так. Пересушенное зерно легко травмируется, и стоит только пропустить его через самотек длиной 3 м и более, или через обычную (черпающе-бросающую) норию, то пересушенное зерно непременно раздробится. Кроме того, в большинстве модульных и башенных гравитационных зерносушилках при установке теплогенераторов внутри объема сушки происходит возгорание за счет взаимодействия радикалов (раскаленных частиц несгоревшего углеводородного горючего) с зерновой пылью, осевшей на внутренней стенке сушки. Для предупреждения этого, необходимо в процессе эксплуатации таких сушек, регулярно очищать внутреннюю поверхность от пыли, особенно при сушке подсолнечника.

Эффективность сушки при умеренных температурах теплоносителя можно повысить за счет увеличения его объемного расхода, но поскольку зерновая масса представляет среду высокого сопротивления для движения воздуха, то для увеличения его расхода требуется существенное повышение напора, что приводит к увеличению энергозатрат. Как известно, сопротивление движению воздуха создают градиенты скорости на поверхности твердой стенки омываемой потоком, а поскольку поверхность 1 кг зерна пшеницы составляет примерно 3 м² и в 1 кг более 30 000 шт. зерен, а значит и столько же межзерновых объемчиков, через которые необходимо «протолкнуть» теплоноситель, то становится понятно, что требуются существенные затраты при увеличении скорости теплоносителя, тем более, что сопротивление трения пропорционально квадрату скорости потока.

Вот тут мы подошли еще к одному важному вопросу – толщине слоя зерна, через который требуется обеспечить движение теплоносителя заданного расхода. Исходя из вышесказанного, следует, что величина перепада давления теплоносителя, что и определяет скорость его движения, так же  во второй степени зависит от толщины слоя зерна.

В зерносушилках шахтного типа большое гидравлическое сопротивление теплоносителю не позволяет обеспечить большой объемный расход его и форсирование сушки зерна осуществляется за счет повышения температуры теплоносителя, что может привести к нагреванию зерна выше допустимого уровня.

Поскольку влаговыравнивание в зерне в процессе сушки происходит медленно, по той причине, что вода испаряется только с поверхности зерна, а поступление воды из капилляров и межклеточного пространства и коллоидных тканей происходит медленно, то форсирование сушки за счет температуры теплоносителя большего эффекта не дает, а энергозатрат требует много.

Гораздо экономичнее (с учетом времени влаговыравнивания в зерне) зерно сушить при конвективном теплообмене бо́льшими объемными расходами теплоносителя при умеренной температуре, но, как было сказано выше, это энергетически эффективно при небольшом слое продуваемого зерна. Эффективность сушки при этом можно оценить по ускорению прогревания зерна при разных скоростях теплоносителя. Как уже указывалось ранее, при скорости теплоносителя 0,6-0,7 м/с прогрев сырого зерна до температуры меньше температуры теплоносителя на 3-4°С происходит за 10-15 минут, а при скорости теплоносителя близкой к скорости витания (кипящий слой) – за 3-5 минут.

Кроме того, использование зерносушилок гравитационного типа для сушки семян сдерживается требованием обязательной ее остановки и полной зачистки от семян предыдущей партии с целью недопущения смешивания семян разных партий (фракций, репродукций и, вообще, семян разных культур). Такая процедура трудоемкая и энергозатратна по двум причинам:

-        остановка зерносушилки приводит к простою всей линии;

-        энергопотери при охлаждении зерносушилки и последующее ее нагревание для выхода на режим весьма существенны.

Зерносушилки с принудительным перемещением зерна.

Барабанные зерносушилки. В барабанных сушилках процесс сушки происходит в перемешивающемся слое семян. Теплоноситель при этом конвективно взаимодействует только с теми семенами, которые оказываются на внешней поверхности зерновой массы. Продолжительность пребывания в барабанной сушке отдельных семян, особенно сложной формы, таких как подсолнечник, может отличаться на 30%, что отрицательно влияет на равномерность нагрева и сушки. Травмирование семян в такой сушке обусловлено периодическим давлением всего слоя зерна на зерновку и трением между зернами и стенкой барабана.

Конвейерные сушки.

По нашему разумению, для сушки семян наиболее подходящими являются зерносушилки непрерывного потока конвейерного типа (рис. 4).

Преимущества:

-        не травмирует зерно и не образует зерновой пыли;

-        за счет активной конвекции (малое гидравлическое сопротивление потоку теплоносителя) не допускает перегревание зерна;

-        обеспечивает равномерное просушивание всей массы зерна;

-        полностью исключает какое-либо зависание зерна;

-        позволяет, не останавливая зерносушилку, менять как вид зерна, так и его фракции и репродукции.

-        высокая экономичность за счет рециркуляции теплоносителя.

Такая сушка дает возможность глубокого регулирования процесса сушки. Вот эти возможности:

-        изменять толщину слоя зерна;

-        регулировать скорость перемещения слоя зерна от 0,2 до 1,1 м/мин;

-        регулировать температуру теплоносителя с точностью ±0,1°С;

-        регулировать режим подачи теплоносителя по объемному расходу.

Но есть еще одна особенность взаимодействия теплоносителя с зерном в такой сушке, о котором необходимо сказать подробнее.

Как уже было показано в соответствующем разделе, трещиноватость семян при сушке возникает при, так называемом, «тепловом стрессе». Когда теплоноситель высокой температуры воздействует на влажную, непрогретую зерновку. При этом интенсивное удаление влаги с поверхности семянки вызывает обезвоживание верхних слоев (особенно защитной оболочки, которая легко отдает влагу по сравнению с эндоспермом или семядолей), что приводит к напряжению на границе раздела подсушенного и влажного материала из-за уменьшения объема верхнего слоя и, как следствие, образование микротрещин или, вообще, разрыва защитной оболочки.

Снизить травмирование семян из-за теплового стресса можно двумя путями – увлажнить теплоноситель или снизить его температуру, а лучше оба эти смягчающие факторы совместить.

Дело в том, что непрогретая семянка плохо отдает воду не только потому, что для фазового перехода воды из жидкости в пар требуется много энергии, которая первоначально расходуется на прогрев этой самой воды, а дело в том, что интенсивность движения влаги из внутреннего объема семянки увеличивается при ее прогреве. Когда перед нами возникла необходимость сушки семян подсолнечника высокой репродукции, то мы разработали сушку башенного типа, в которой теплоноситель воздействовал на семена в зоне досушивания непосредственно перед зоной охлаждения, причем движение его было с внешней стороны. Семена в зону досушивания поступали после прогрева и частичного высушивания за счет воздействия на них влажного теплоносителя умеренной температуры, который формировался путем смешения влажного теплоносителя и подогретого сухого воздуха после охлаждения им семян в зоне охлаждения (рис. 5). При этом теплоноситель меняет свое направление при проходе через зерно на 180° (реверс), что обеспечивало равномерность сушки.

Рис. 6. Схема воздействия теплоносителя на влажное зерно при сушке с чередованием фаз отлежки и продувки.

Если оптимизировать процесс сушения зерна, с учетом медленного процесса поступления влаги из центра зерновки к наружной поверхности, то с целью сокращения

 

затрат на нагрев теплоносителя и его продвижения через слой зерна, оптимальным представляется режим периодической подачи теплоносителя чередуемой с фазами отлежки зерна. Заданную скважность такого режима можно обеспечить двумя путями: прерывать с определенным интервалом подачу теплоносителя или перемещать слой зерна по поверхности, на 

Таблица №1
Производительность, зерновые с 20% до 15%	33 т/час	Длина (мм) 13500 Ширина (мм) 4500 Высота (мм) 5500 Высота выгрузки (мм) 50
кукуруза с 20% до 15% с 25% до15%	36 т/час 18 т/час
Вес агрегата (кг)		16000
Вес просушиваемого продукта (кг)		16000
Потребляемая эл.энергия (кВт)		90
Мощность горелки (кВт)		1х1200

которой с определенным интервалом слой зерна, в процессе его движения, продувается теплоносителем, удаляя с зерна ту влагу, которая за время отлежки вышла на поверхность. Поскольку зерновая масса имеет очень низкую теплопроводность, и то за счет аккумулирования теплоты и теплоинерционности, зерно при движении от одного импульса продувки до следующего температуру не теряет, что и способствует активному движению влаги из внутренних частей зерновки на поверхность. Схема такого принципа показана на рисунке 6.

Применительно к комплексу, технологию которого мы описываем в этой книге, предполагается модель сушки конвейерного типа DF-3000 с приведенными характеристиками в таблице №1. Именно такой принцип взаимодействия теплоносителя с зерном при его сушке реализован в зерносушилке непрерывного потока конвейерного типа.

Сушка DRYER ONE.

Рис. 7. Сушилка DRYER ONE ТМ

Уважаемый читатель, можете себе представить, что за последние сто лет хлеборобы в поиске наилучшего способа сушения зерна не раз провоцировали конструкторов и производственников разрабатывать несколько вариантов сушек, которые, как мы видим, уже укладываются в матрицу классификации. Но, видимо, универсального ответа на проблему сушения зерна пока еще не найдено, иначе чем объяснить, что в наше время мощная компания по разработке различных инновационных проектов в областях, часто мало связанных между собой, получает задание от хлеборобов разработать сушку, максимально отвечающую решению проблемы.

Все это говорит о том, что сушка зерна сложный процесс и применительно к семенам сушка должна повышать посевные качества, а это требует глубокого понимания процесса для каждого вида семян.Так, в Бельгии в 2013 году была разработана и испытана сушка DRYER ONE ^ТМ (рис. 7). С целью не допустить теплового стресса семян (влажное зерно не должно продуваться сухим теплоносителем высокой температуры) теплоноситель, проходящий через верхний диск, увлажнен и температура его снижена после нижнего диска.

Таким образом, в предлагаемом нами комплексе (рис. 8) после сушки зерно высушенное до равновесной влажности ссыпается на ленточный транспортер и подается в приемное устройство щадящей нории. Из нории зерно поступает в вибросепаратор, в котором очищается от того сора и пыли, которые не удалось удалить до сушки из-за его высокой влажности и плохой сыпучести. Из вибросепаратора зерно поступает на окончательную очистку в очищающий модуль и далее, при необходимости производства семян, по соответствующей технологии.

Производительность комплекса при работе на влажном зерне – 30 т/час при его очистке, при производстве сильных семян – 10 т/час.

Рис. 8. Универсальный комплекс для зерноочистки и производства сильных семян (щадящая пофракционная технология Фадеева).