CC BY
20
ЭЛЕКТРИФ ИКАЦИЯИ АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ УДК 631.243
DOI: 10.26897/2687-1149-2021-3-69-73
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУШИЛКИ С-40 ПРИ ДВУХСТАДИЙНОЙ СУШКЕ ЗЕРНА КУКУРУЗЫ
ЗАГОРУЙКО МИХАИЛ ГЕННАДЬЕВИЧканд. техн. наук, старший научный сотрудник
ПАВЛОВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ; 109428, Российская Федерация, г. Москва, 1-й Институтский проезд, 5
Аннотация. В статье обоснованы безопасные режимы и методика расчёта двухстадийной технологии сушки с частичной рециркуляцией зерна, при которой зерно недосушивают в зерносушилке на 2.. .3% до кондиционной влажности, а горячее зерно охлаждают активным вентилированием наружным воздухом, досушивая при этом до кондиционной влажности. Безопасный режим двухстадийной сушки в С-40 предусматривает частичную рециркуляцию зерна с влагосъёмом, близким к нормативному, и влажностью рециркулирующей смеси не более 18%. Рассчитанный из этого условия коэффициент рециркуляции используется для определения температуры рециркулирующей смеси зерна с учётом реверсивной составляющей в шахтной сушилке. Минимизация коэффициента рециркуляции позволяет выдержать допустимую неравномерность по сушке и минимальную трещиноватость. Расчёт процесса рециркуляционной сушки проведён по стандартной методике, но с уточнёнными значениями влагосъёма и температуры смеси зерна. Проведены хозяйственные испытания сушилки С-40 по двухстадийной технологии на зерне кукурузы. Экспериментально установлено, что сушилка С-40 с коэффициентом рециркуляции, равным 2, и влагосъёмом за цикл 4% при сушке зерна кукурузы с влажностью от 23,5 до 15,6%, при температуре агента сушки 95°С обеспечивает пропускную способность 10 т/ч (без охлаждения). Охлаждение осуществлялось на складе. Существенных изменений качества высушенного и охлажденного зерна не установлено: содержание крахмала и трещиноватости практически не изменилось, неравномерность высушенных семян не превысила исходные требования. Экспериментально установлена целесообразность перевода прямоточной сушилки С-40 на рециркуляционный способ.
Ключевые слова: сушка, зерно кукурузы, рециркуляция, двухстадийная технология, расчёты.
Формат цитирования: Загоруйко М.Г., Павлов С.А. Использование сушилки С-40 при двухстадийной сушке зерна кукурузы // Агроинженерия. 2021. № 3 (103). С. 69-73. DOI: 10.26897/2687-1149-2021-3-69-73.
© Загоруйко М.Г., Павлов С.А., 2021
ORIGINAL PAPER
USE OF THE S-40 DRYER IN TWO-STAGE DRYING OF CORN GRAIN
MIKHAIL G. ZAGORUIKOPhD (Eng), Senior Research Engineer
SERGEY A. PAVLOV, PhD (Eng), Key Research Engineer
Federal Scientific Agroengineering Center VIM; 109428, Russian Federation, Moscow, 1st Institutskiy Proezd Str., 5
Abstract. The paper provides rationale for safe modes and methods for calculating a two-stage drying technology with partial recirculation of grain, in which the grain is under-dried by 2.. .3% to the standard humidity in a grain dryer, and the hot grain is cooled by active ventilation with outside air, while drying it to the standard humidity. The safe mode of two-stage drying in S-40 provides for partial recirculation of grain with moisture removal close to the standard, and the moisture content of the recirculated mixture not exceeding 18%. The recirculation coefficient calculated based on this condition is used to determine the temperature of the recirculating grain mixture, taking into account the reversible component in the shaft dryer. The minimized recirculation
ratio provides for the permissible unevenness in drying and minimal fracturing. The recirculation drying process was analyzed according to the standard method, but with the adjusted values of moisture removal and temperature of the grain mixture. Economic tests of the S-40 dryer were carried out using a two-stage technology on corn grain. It has been experimentally established that the S-40 dryer with a recirculation coefficient of 2 and a moisture pick-up of 4% per cycle when drying corn grain with a moisture content of 23.5 to 15.6%, at a drying agent temperature of 95°C, provides a throughput of 10 t/h (without refrigeration). Cooling was carried out in the warehouse. No significant changes in the quality of dried and cooled grain have been established: the starch content and fracturing practically did not change; the unevenness of the dried seeds did not exceed the original requirements. The expediency of using the S-40 direct-flow dryer in the recirculation mode has been experimentally established.
Key words: drying, corn grain, recycling, two-stage technology, calculations.
For citation: Zagoruiko M.G., Pavlov S.A. Use of the S-40 dryer in two-stage drying of corn grain. Agricultural Engineering, 2021; 3 (103): 69-73 (In Rus.). DOI: 10.26897/2687-1149-2021-3-69-73.
Введение. При двухстадийной сушке зерно, недосушен-ное в зерносушилке на 2.. .3% до кондиционной влажности, охлаждают на складе активным вентилированием наружным воздухом и досушкой до кондиции. Для повышения эффективности сушки зерна используют рециркуляционные сушилки. При рециркуляционном способе в потоке высушивают сравнительно небольшую часть зерна, а большая часть направляется на рециркуляцию, при которой зерно периодически отлеживают. Рециркуляцию, как правило, используют в сушилках системы заготовок для сушки партий зерна с различной исходной влажностью. Установлено, что исходя из условия снижения энергозатрат, сохранения технологических и семенных качеств влажность смеси в сушилке должна составлять не выше 18%'.
Циклы нагрева, отлёжки, охлаждения многократно повторяют2,3 [1-4]. При такой сушке зерна теплота передается зерну конвективным путем и перераспределяется в результате кондуктивного теплообмена между сухим нагретым и влажным холодным зерном. Рециркуляционный способ сушки развивается в двух направлениях: разработка новых сушилок и перевод прямоточных сушилок на рециркуляцию4 [5-7].
Опыт эксплуатации рециркуляционных сушилок показал, что они имеют некоторые недостатки по сравнению с прямоточными сушилками: непроизводительную потерю теплоты в шахте промежуточного охлаждения, повышенную неравномерность и травматизм высушенного зерна.
При рециркуляции влагосъём за цикл составляет < 1,0.1,5%, а частота рециркуляции - п > 5.10, что вызывает повышенную неравномерность сушки. Очевидно, что чем ниже величина п, тем меньшая часть зерна отвлекается на рециркуляцию и тем ниже неравномерность высушенного зерна по влажности и травматизму. Следовательно, влагосъём за цикл целесообразно поддерживать нормативным.
При сушке семян и зерна в потоке влагосъём ограничен: = 4.6%. При необходимости большего влагосъ-ёма делают отлёжку для сохранения семенных и продовольственных качеств, что исключает поточную сушку.
1 Малин Н.И. Технология хранения зерна. М.: Колос, 2005. 280 с.
2 Анатазович В.И. Сушка пищевых продуктов: Справочное пособие. М.: ДеЛи, 2000. С. 15-17.
3 Комышняк Л.Д., Журавлев А.П., Реверс Н.Г. Эксплуатация рециркуляционных сушилок. М.: Агропромиздат, 1986. 232 с.
4 Шаршунов В.А., Рукшан Л.В. Сушка и хранение зерна. Минск: Мисанта, 2010. 111 с.
Рециркуляционная сушка в сельском хозяйстве находит ограниченное применение. Необходимо предложить способ, предусматривающий лишь частичную рециркуляцию, что меньше скажется на неравномерности сушки и травматизме зерна.
Цель исследований: разработка безопасных режимов сушки и методики расчёта процесса сушки с частичной рециркуляцией зерна.
Материал и методы. Способ сушки с частичной рециркуляцией зерна был проведен на зерносушилке С-40 в ООО «Рейнгольд» Орловской области. Зерно влажностью 23% высушивалось до конечной влажности 15,6% без охлаждения в сушилке, затем охлаждалось на складе при вентилировании наружным воздухом. Каждые 15 мин замерялись влажность и температура исходного и высушенного зерна, температура и влажность свежего и отходящего агента сушки. Каждые 30 мин замерялись расходы влажного зерна, смеси и природного газа. Для определения указанных параметров использовался измерительный комплекс «Терем-4». Из высушенного зерна отбирались навески на неравномерность сушки и трещи-новатость.
Работа сушилки осуществлялась следующим образом (рис.). Влажное зерно 14 загружалось первым потоком нории 9 в сушилку, заполняя охладительную 3, сушильную 2 камеры и надсушильный бункер 1; запускался вентилятор 10, разжигалась топка 4 и высушивалась первая партия зерна посредством циркуляции через камеры сушилки и норию 9. Затем сушилка переводилась на рециркуляцию, подавалось влажное 14 зерно и выводилось высушенное 15. Агент сушки (подогретый воздух) готовился в топке 4, нагнетался в сушильную и охладительную камеры. Расходы влажного зерна и смеси устанавливались посредством привода 5 и задвижкой 7. Процесс контролировался влагомерами 11 и 12, поддерживая влагосодержание высушенного зерна неизменным. Отсечение рециркулирующего зерна производилось задвижкой 7 путем сброса зерна в норию 8.
Результаты и обсуждение. Расчёт параметров процесса и сушилки при частичной рециркуляции зерна по двухстадийной технологии проводился в такой последовательности. Уточнялся влагосъём за проход, определялись коэффициент рециркуляции п, расчётная и фактическая температура смеси зерна. Затем определялись длительность сушки, расходы нагрева влажного и рецир-кулирующего зерна.
W - Wp aW
(1)
n =
W - WK aW
(2)
W =
W1 + n-WK n +1
(3)
ec„ = , °C,
n +1
(4)
сушки, то есть его фактическая температура вф будет на величину Ав ниже [8]:
еф = eCM - де.
(5)
Учёт реверсивного фактора позволит интенсифицировать процесс и уточнить методику расчёта длительности сушки.
Для расчёта длительности сушки в слое зернистых материалов широкое применение нашла формула А.В. Лыкова5:
aU • r • H
f (t-ecp )ivV
(6)
Рис. Схема сушилки С-40:
1 - бункер; 2 - сушильная камера; 3 - охладительная камера; 4 - топка; 5 - привод; 6 - приводной вал; 7 - задвижка; 8, 9 - нория; 10 - вентилятор; 11, 12, 13 - влагомер; 14 - влажное зерно; 15 - высушенное зерно
Fig. Diagram of the S-40 dryer:
1 - hopper; 2 - drying chamber; 3 - cooling chamber; 4 - top; 5 - drive; 6 - drive shaft; 7 - gate valve; 8, 9 - noria; 10 - fan-torus; 11, 12, 13 - moisture meter; 14 - wet grain; 15 - dried grain
Коэффициент рециркуляции n можно рассчитать по формуле [2]:
где Аи- влагосъём, кг вл/кг сух. мат.; АП = П1 - П2; П1 П2 - влагосодержание влажного и высушенного зерна, кг вл/кг сух. мат.; г - удельная теплота испарения влаги, кДж/кг; Н - высота слоя зерна и пограничного слоя ^ = (2...34), где dэ - эквивалентный диаметр зерновки, м; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 °С; /- удельная поверхность частиц материала, м2/кг; t - температура агента сушки, °С; вср - средняя температура материала, °С; п - доля теплоты на испарение влаги.
Величину п рассчитывают по выражению:
AU • r
au • r+(еф-е,)
(7)
где с - теплоёмкость зерна, кДж/кг °С.
Для нашего случая выражение (6) можно записать в виде:
(U -Uк)r• H
«• f (t-еф )ivh
(8)
где П1, Пк - влагосодержание исходного и конечного зерна, кг вл/кг сух. мат.
Пропускная способность сушилки по влажному зерну определится из выражения:
где W1 Wр - влажность исходного и рециркулирующего зерна, %; АW - влагосъём за цикл, %.
В случае двухстадийной сушки, когда из зерносушилки выходит нагретое до конечной температуры зерно, а охлаждение осуществляют вне её, Wр = Wк (где Wк - конечная влажность зерна, %), выражение (1) можно записать как
П = ^ т
где Ос - вместимость сушильной камеры, т. Пропускная способность по смеси, т:
Пс = П ■ п,
(9)
(10)
Влажность смеси зерна в сушилке определяется следующим выражением:
Температуру смеси зерна 0см можно определить из уравнения:
где в1= вк - начальная и конечная температура зерна, °С.
Сушилка С-40 является шахтной с коробами, в ней реверсивный фактор сушки: зерно попеременно подвергается воздействию свежего и отработавшего агентов
где п - коэффициент рециркуляции.
При высушивании зерна влагосъём за проход выбирался близким к нормативному при поточной сушке, но при этом влажность смеси Wсм < 18%. По рассчитанной величине коэффициента рециркуляции определялась температура смеси (рециркулирующего зерна) всм и уточнялась ёё фактическая величина вф = всм - Ав, где Ав = 1,5.2,0°С.
В формулу А.В. Лыкова для расчёта длительности сушки подставлялся фактический влагосъём А П0 = П - П2, где П П2 - влагосодержание исходного и высушенного зерна, а средняя температура зерна принималась равной вф.
Значения параметров а,/, входящих в формулу А.В. Лыкова, вычислялись по скоростному режиму продувки и физико-механическим свойствам зерна, величина п рассчитывалась по влагосъёму и нагреву зерна за процесс сушки.
Основные показатели работы сушилки приведены в таблице.
s Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1969. 472 с.
х =
\ =
n
Zagoruiko M.G., Pavlov S.A.
Use of the S-40 dryer in two-stage drying of corn grain
Таблица
Основные показатели сушки зерна кукурузы
Table
Main indicators of corn grain drying
Показатель Величина показателя / Value of the indicator
Indicator 1-й фон / 1s background 2-й фон / 2s background
Производительность, т/ч / Capacity, t/h 21,1 18,3
Расход рециркулирующего зерна, т/ч Recirculating grain consumption, t/h 8,0 7,2
Коэффициент рециркуляции / Recycling rate 0,33 0,42
Расход газа, м3/ч / Gas consumption, m3/h 228 265
Расход агента сушки, тыс. м3/ч Drying agent consumption, thousand m3/h 80 82
Влажность зерна, % / Grain moisture content, %: - начального / initial - высушенного / dried - смеси / mixtures 23.5 15.6 21,5 23,0 14,0 20,4
Плановый коэффициент / Estimated ratio 1,15 1,31
Нормативный влагосъём, % / Standard water intake, %o 6 6
Температура агента сушки, °C The temperature of drying agent, °C 95 94
Температура зерна, °C / Grain temperature, °C: - до сушки / before drying - после сушки / after drying 10 52 11 53
Неравномерность сушки, % / Uneven drying, %o + 1,1 - 1,0 + 1,2 - 0,8
Трещиноватость, % / Fracturing, %: - до сушки / before drying - после сушки / after drying 7 9 10 12
Удельные затраты тепла, кДж/кг исп. влаги Specific heat consumption, kJ/ kg of the used water 3560 3645
Установлено, что сушка с п = 2; АШ = 4% зерна кукурузы в С-40 с исходной влажностью 23,5% до конечной влажности 15,6% при температуре агента сушки ~ 95°С обеспечивает пропускную способность в 10 т/ч (без охлаждения, которое производилось на складе).
Существенные изменения качества высушенного и охлажденного зерна не установлены: содержание крахмала и трещиноватости практически не изменилось, неравномерность высушенных семян не превысила исходные требования.
Таким образом, при переводе прямоточной сушилки С-40 на рециркуляционный способ, при котором за проход реализуется допустимый влагосъём, технико-экономические показатели сушилки соответствуют показателям
лучших рециркуляционных сушилок. При этом нормативная трещиноватость не превышена.
Выводы
1. Безопасный режим двухстадийной сушки сушилки С-40 предусматривает частичную рециркуляцию зерна с влагосъёмом, близким к нормативному, но влажность рециркулирующей смеси не должна превышать 18%.
2. Минимизация коэффициента рециркуляции позволяет выдержать допустимую неравномерность по сушке и минимальную трещиноватость.
3. Расчёт процесса рециркуляционной сушки следует проводить по стандартной методике, но с уточненными значениями влагосъёма и температуры смеси зерна.
Библиографический список
1. Пермяков В.Н., Масалимов И.Ж., Ганеев И.Р. и др. Поточная технология сушки зерна кукурузы // Техника и оборудование для села. 2010. № 1. С. 16-17.
2. Сорочинский В.Ф. Сравнительная оценка технологий конвективной сушки зерна // Комбикорма. 1999. № 4. С. 18-20.
3. Shen L., Gao M., Zhu Y. et al. Microwave drying of germinated brown rice: Correlation of drying characteristics with the final quality. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2021; 70: 102673. DOI: 10.1016/j.ifset.2021.102673.
4. Sousa T.L., Sousa K.A., Santos D.C. et al. Bioingredi-ent produced with fermentation of corn bran and «Cerrado» cashew byproduct using Rhizopus oligosporus and forced-air oven drying: Mathematical modeling and evaluation of quality parameters. Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre, 2021; 26: 100262. DOI: 10.1016/j.bcdf.2021.100262.
5. Charmongkolpradit S., Somboon T., Phatchana R. et al. Influence of drying temperature on anthocyanin and moisture contents in purple waxy corn kernel using a tunnel dryer. Case Studies in Thermal Engineering, 2021; 25: 100886. DOI: 10.1016/j.csite.2021.100886.
6. Li B., Zeng Z., Zhang X. et al. Study on the variable-temperature drying process of corn drying in an industrial corn-drying system equipped with a self-adaptive control heat exchanger. Applied Sciences (Switzerland), 2021; 11 (6): 2772. DOI: 10.3390/app11062772.
7. Анатазевич В.И., Шульдинер Ю.Ф. Способы реконструкции шахтных зерносушилок с переводом их на сушку с рециркуляцией зерна // Экспресс-информация. Серия «Элеваторная промышленность». М.: ЦНИИ-ТЭИ Минзага СССР, 1988. Вып. 9. 16 с.
8. Елизаров В.П., Павлов С.А., Марин Р.А. и др. Сушка зерна с переменным теплоподводом в колонковой зерносушилке // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 12. С. 24-25.
Критерии авторства
Загоруйко М.Г., Павлов С.А. выполнили теоретические исследования, на основании полученных результатов провели эксперимент и подготовили рукопись. Загоруйко М.Г., Павлов С.А. имеют на статью авторские права и несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Статья поступила в редакцию 12.01.2021 Одобрена после рецензирования 29.04.2021 Принята к публикации 29.04.2021
References
1. Permyakov V.N., Masalimov I.Zh., Ganeev I.R. et al. Potochnaya tekhnologiya sushki zerna kukuruzy [Flow technology of drying corn grain]. Tekhnika i oborudovaniye dlya sela, 2010; 1: 16-17. (In Rus.)
2. Sorochinsky V.F. Sravnitel'naya otsenka tekhnologiy konvektivnoy sushki zerna [Comparative evaluation of technologies for convective drying of grain]. Kombikorma, 1999; 4: 18-20. (In Rus.)
3. Shen L., Gao M., Zhu Y. et al. Microwave drying of germinated brown rice: Correlation of drying characteristics with the final quality. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2021; 70: 102673. DOI: 10.1016/j.ifset.2021.102673.
4. Sousa T.L., Sousa K.A., Santos D.C. et al. Bioingredi-ent produced with fermentation of corn bran and «Cerrado» cashew byproduct using Rhizopus oligosporus and forced-air oven drying: Mathematical modeling and evaluation of quality parameters. Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre, 2021; 26: 100262. DOI: 10.1016/j.bcdf.2021.100262.
5. Charmongkolpradit S., Somboon T., Phatchana R. et al. Influence of drying temperature on anthocyanin and moisture contents in purple waxy corn kernel using a tunnel dryer. Case Studies in Thermal Engineering, 2021; 25: 100886. DOI: 10.1016/j.csite.2021.100886.
6. Li B., Zeng Z., Zhang X. et al. Study on the variable-temperature drying process of corn drying in an industrial corn-drying system equipped with a self-adaptive control heat exchanger. Applied Sciences (Switzerland), 2021; 11 (6): 2772. DOI: 10.3390/app11062772.
7. Anatasevich V.I., Shuldiner Yu.F. Sposoby rekonstrukt-sii shakhtnykh zernosushilok s perevodom ikh na sushku s retsirkulyatsiyey zerna [Methods of reconstruction of mine grain dryers with their transfer to drying with grain recirculation]. Ekspress-informatsiya. "Elevatornaya promyshlen-nost'" series. Moscow: TSNIITEI Ministry of Agriculture of the USSR, 1988; 9:16. (In Rus.)
8. Elizarov VP., Pavlov S.A., Marine R.A. et al. Su-shka zerna s peremennym teplopodvodom v kolonko-voy zernosushilke [Grain drying with variable heat supply in a column-type dryer]. Traktory i sel'khozmashiny, 2015; 12: 24-25. (In Rus.)
Contribution
M.G. Zagoruiko, S.A. Pavlov performed theoretical studies, and based on the results obtained, conducted the experiment and wrote the manuscript. M.G. Zagoruiko, S.A. Pavlov have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this paper.
The paper was received 12.01.2021 Approved after reviewing 29.04.2021 Accepted for publication 29.04.2021
Zagoruiko M.G., Pavlov S.A.
Use of the S-40 dryer in two-stage drying of corn grain
