ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА ДЛЯ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР Текст научной статьи по специальности «Физика»

aerodynamic characteristics of the seed flow shaper. To assess the effect of the placement of rods on the local resistance coefficient, the diffusers were made in the form of a 40 mm diameter section of the seed pipe, in which 7 rods with a diameter of 5 mm with distances from 5 to 40 mm were installed. As a result, data were obtained on the basis of which a graphical dependence of the calculated coefficient of local resistance on the distance between the rods was constructed. Thus, a range of rod placement is established that ensures the implementation of the technological process of air removal and seed movement inside the diffuser without clogging, thereby improving the quality of distribution. The seed flow generator of the proposed design was used on the seed line of the Amazone DMC Primera pneumatic seed drill when sowing sunflower seeds. Based on the results of evaluating the uniformity of the distribution of plants in rows by seedlings, the coefficient of variation of intervals between plants is obtained.

Key word: Seed flow shaper, air flow dampener, local resistance coefficient, static pressure, dynamic pressure, diffuser.

-♦-

УДК 664.78:536.24

Обоснование использования перегретого пара для гидротермической обработки зерна крупяных культур

А.А. Румянцев2, канд. техн. наук; М.М. Константинов1, д-р техн. наук, профессор;

Н.А. Борзов3, инженер; Г.П. Юхин4, д-р техн. наук, профессор

1 ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

2 ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья

3 ТОО «Казагроэксперт»

4 ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ

В статье предложено для гидротермической обработки (ГТО) зерна крупяных культур (гречихи) перед его шелушением использовать в качестве тепло- и влагоносителя перегретый пар с невысокой степенью перегретости. Такая обработка представляется непрерывным процессом перехода стадии прогрева и увлажнения зерна конденсирующимся на его поверхности паром в стадию сушки с постоянной скоростью. При использовании пара небольшой перегретости АТ = 10 - 15 К и завершении ГТО с подсушиванием зерна до влажности 16 - 17 % обеспечивается возможность последующей сушки до нормированного влагосо-держания в автономной сушилке за один проход, что является оптимальным для этой операции. При перегретости пара АТ = 20 - 30 К и длительности ГТО 8,5 - 12,5 мин. процесс предварительной обработки можно считать завершённым, а зерно - подготовленным к его дальнейшему шелушению. В рассмотренных случаях переработанное зерно имело удовлетворительные технологические показатели: коэффициент шелушения - Кш = 58 - 67 %, коэффициент целости ядра - Кця = 62 -66 %, коэффициент эффективности шелушения - Кэш = 60 - 66 %.

Ключевые слова: обработка, зерно, перегретый пар, сушка, влагосодержание.

Гидротермическая обработка (ГТО) зерна крупяных культур, в том числе гречихи, включает его пропаривание насыщенным паром избыточного давления из магистрали или вырабатываемым парогенератором. При этом происходит интенсивное увлажнение и монолитизация ядра с дальнейшим его укреплением после сушки обычно горячим воздухом в автономной сушилке, что в значительной мере повышает эффективность последующего шелушения.

В условиях фермерских хозяйств для этих целей нами предложена многофункциональная установка ёмкостного типа, совмещающая функции парогенератора, пропаривателя и сушилки [1]. При этом парообразование происходит вскипанием подаваемой на рабочую поверхность разогретого до нужной температуры днища тонко распыляемой воды, а зерно, поданное на ту же поверхность, перемешивается лопастной мешал-

кой. Давление пара в рабочей камере в сочетании с температурой генерируемого пара определяет его состояние, которое может быть насыщенным или перегретым. В последнем случае температура пара должна превышать температуру насыщения при заданном давлении, поддерживаемым клапаном, сбрасывающим избытки пара в атмосферу. При этом перемешиваемый слой зерна пронизывается потоком генерируемого пара.

Перегретый пар используется, как правило, в качестве агента сушки, который может быть более эффективным чем воздух. Так, многими исследователями обосновывается применение перегретого пара атмосферного давления для сушки варёных круп, при этом перегрев пара АТ < 40 К не рассматривается, а начальный период прогрева сопровождается процессом доувлажения, обусловленным конденсацией пара на поверхности крупы [2].

Учитывая вышеизложенное, нами предложено для предварительной обработки зерна гречихи перед его шелушением использовать в качестве тепло- и влагоносителя перегретый пар с невысокой степенью перегретости. В этом случае такая обработка представляется непрерывным процессом перехода стадии прогрева и увлажнения зерна конденсирующимся на его поверхности паром в стадию сушки с постоянной скоростью. Обе стадии сопровождаются процессом испарения влаги сначала с поверхности конденсатной плёнки, а затем с поверхности зерновок. Наличие избыточного давления пара интенсифицирует проникновение влаги внутрь зерновок и является фактором, компенсирующим некоторые потери влаги при частичном испарении конденсатной плёнки на первой стадии обработки, но препятствующим испарению влаги с поверхности зерновок на второй стадии.

Цель исследования - обоснование применения перегретого пара для гидротермической обработки зерна крупяных культур, преимущественно гречихи.

Материал и методы исследования. Для выполнения поставленной цели были применены: анализ научных работ в рассматриваемой и смежных областях, теория тепломассообмена, дифференциальные и интегральные исчисления, методология экспериментальных исследований.

Обработка и анализ данных результатов исследования проводились с помощью программ MathCAD-14 и Microsoft Office Excel 2010.

Для изучения предложенного способа ГТО зерна, реализуемого в разработанной нами установке, были проведены экспериментальные исследования, задаваемыми параметрами которых являлись: давление пара р = 0,3 МПа (давление пара при традиционном способе пропаривания), температура пара Тп = 426, 436, 446, 456К (перегрев АТ = 10 - 40 К при температуре насыщения Ts = 416К).

Результаты исследования. Рассмотрим кинетику влагосодержания зерна на первой стадии его обработки, полагая, что контактная передача тепла в этот период отсутствует, а вместо неё происходит непосредственное соприкосновение с греющей поверхностью конденсатной плёнки и её частичное вскипание с образованием дополнительного количества перегретого пара.

В общем виде текущее влагосодержание ui(x), кг/кг определяется уравнением:

uj(x) = uH + Ди(т) - иисп(т),

(1)

где ин - начальное влагосодержание зерна; Ди(т) - изменение избыточного влагосодер-жания зерна;

иисп(т) - изменение влагосодержания зерна, связанное с испарением конденсатной плёнки на его поверхности.

м1(т) = ин + 1

(2)

С учётом теплового баланса получим: Д»-Рнз{г(т)-Го]

Г-Ра-Я* '

где сз, сп - соответственно удельная теплоёмкость зерна и пара, Дж/кг-К;

Рнз, рсз, рп - соответственно насыпная плотность зерна, плотность сухого вещества зерна и плотность пара, кг/м3; Т0, Т(р), - соответственно начальная и текущая среднеобъёмная температуры зерновки, К;

Тп, Т, - соответственно температуры пара и насыщения при заданном давлении, К; ак - конвективный коэффициент теплоотдачи пара поверхности конденсатной плёнки, Дж/(м2-К-с);

г - удельная теплота конденсации (испарения), Дж/кг;

Я - отношение объёма зерновки к площади её поверхности, м.

Среднеобъёмная температура зерновки (зерновка представлена шаром радиусом Я, м, и объёмом, равным её объёму) вычисляется по формуле:

- 3 R

T(т) = ^-i r2 •T(r,тd, R 0

(3)

где Т (г т) -температура зерновки на расстоянии г, м от её центра в момент времени т, с, является решением уравнения теплопроводности:

d \г ■ Т (г, т)! d2 Гг • Т (г, т)!

Г ^ )А= а--^ 2 , (4)

dr dr

где т > 0, 0 < г < R;

а - коэффициент теплопроводности зерновки,

м2/с;

при начальных и граничных условиях:

ёТ (0, т) =

Т(г, 0) = То, Т(Я, т) = Т„ = 0.

dr

Т(0,т) ф

При этих условиях решение уравнения (4) имеет вид [3]:

T ( r, т) - Tq

Ts - Tq

= 1 -

(5)

-I An

n=1

R • Sin vn

r •V-n

R • exp(-Vn2 • Fo).

Подставляя отсюда Т (г т) в (3), будем иметь:

да

Т ( т) = Т - Т - Т ) ■ X Вп ■ ехр(-^П • Fo). (6)

п=1

В последних двух уравнениях: Fo - критерий Фурье, Fo = (ат)/Я2;

r

цп - корни характеристического уравнения

= Цп / (В/ - 1); В/ - критерий Био, В/ = (а^у) / Хз;

- теплопроводность зерна, Вт/(мК); а - коэффициент теплоотдачи при конденсации пара, Дж/(м2-К-с); Ап, Вп - соответственно начальные тепловые амплитуды и постоянные коэффициенты, табулированные для различных значений В/.

Теплофизические характеристики зерна и водяного пара взяты из ранее опубликованных работ [4, 5], а геометрические характеристики зерновок - по Г.А. Егорову [6].

Точный расчёт коэффициента теплоотдачи а конденсатной плёнки поверхности зерна затруднителен из-за невозможности учёта поверхностных эффектов, а также динамичности слоя зерна, поэтому можно говорить лишь о примерной его оценке.

Для этого воспользуемся формулой Нуссель-та, преобразованной применительно к периоду прогрева слоя зерна [7, 8]:

О -|0,25

а = 0,36 х

К

•Рк •r • g

(Ts - Тз ) •^к • h

(7)

где - теплопроводность конденсата, Вт/(м-К); рк - плотность конденсата, кг/м3; г - удельная теплота парообразования при температуре насыщения, Дж/кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; Тз - температура зерна, К; цк - кинематическая вязкость конденсата, м2/с; h - толщина слоя зерна, м.

При расчётах производилась оценка минимального значения а, т.е. при Тз = Т0. Расчёты показали, что В/ составляет не менее 60.

Конвективный коэффициент теплоотдачи ак в период прогрева рассчитали для случая испарения влаги со свободной поверхности при вынужденной конвекции перегретого пара и небольших, как показали расчёты, числах Рейнольдса (Яе < 200) по критериальному уравнению [9]:

Ыи = 2 + 1,05Pr0,33•Re0,5•Gu0,175, (8)

где Ыи - критерий Нуссельта, Ыи = ак ^;

Рг - критерий Прандтля, Рг = — = Сп Ц; Яе - критерий Рейнольдса, а ^п

Яе = Ъп^А =Рп • ^п • ^ .

V ц '

Gu - параметрический критерий Гухмана,

Т - Т Ои = ;

Т п

- теплопроводность пара, Вт/(м-К); d - эквивалентный диаметр зерновки, м; V, ц - соответственно кинематическая, (м2/с) и динамическая, (Па-с) вязкости пара;

vп - скорость потока генерируемого пара

через слой зерна, м/с;

рп - плотность пара, кг/м3;

сп - удельная теплоёмкость пара, ДжДкг-К).

Расчёты показали, что в условиях проводимых исследований критерий Яе < 170, что подтверждает применимость формулы (8).

Вычислим такие важные показатели периода прогрева, как максимальную величину влагосо-держания итах и время её достижения т0, приравняв производную от уравнения (2) нулю:

«Ыл)- Сз •Рнз • (Ts - Т0 ) •

dT [СИ • (Тп -Ts) + r}рп • R2

да , ,

• вп • exp (•Fo)

(Тп - Т ) = 0.

(9)

n=1 Г •Рсз • Rv

Подставив найденное значение т0 в уравнение теплового баланса (2), определялось umax.

Учитывая быструю сходимость ряда, в уравнении (6) можно ограничиться n = 1 без существенных потерь в точности.

После завершения периода прогрева зерна начинается период испарения влаги с его поверхности, т.е. сушки с постоянной скоростью N = du / dx = const при постоянной температуре Ts. Этот процесс происходит до достижения первого критического влагосодержания икр1. В этот период на зерно воздействует конвективный поток тепла от перегретого пара и кондуктивный поток тепла от генерирующей поверхности при одинаковых температурах обоих агентов Тп = Тгп.

Комбинированная конвективно-кондуктивная сушка характеризуется повышенной интенсивностью, что может существенно сократить длительность ГТО в целом и ограничить выход зерна с высокими технологическими свойствами и вырабатываемой из него высококачественной крупы. В связи с этим наличие избыточного давления пара, препятствующего испарению влаги с поверхности зерна, может оказывать благоприятное влияние на весь процесс ГТО.

При постоянной температуре греющей поверхности и перегретого пара, а также пересыпающемся слое зерна механизм конвективной и кондуктивной сушки схож [9, 10]. В этом случае постоянная скорость конвективно-кондуктивной сушки Nkk, кг/(кг-с), которую можно приближённо определить графически по результатам экспериментальных исследований, предопределит кинетику влагосодержания при различных температурных режимах теплоносителей в этот период.

Для описания кинетики изменения влагосо-держания зерна в период его сушки представляет интерес знание величины скорости снижения влагосодержания при постоянной скорости сушки и конвективно-кондуктивном теплообмене при том или ином режиме ГТО, которую можно при-

a

х

ближённо определить графически по результатам экспериментальных исследований. Принимая в качестве начального влагосодержания ин = umax, кинетику влагосодержания можно описать формулой [11, 12]:

U2(t) = Umax - N^T, (10)

а время достижения зерном нормируемого вла-госодержания составит т* = (umax - и*)/Ыкк.

Результаты исследований, приведённые на рисунке 1, показывают, что расхождение расчётных и экспериментальных данных не превышает 12 %, а значения критического влагосодержания оказались меньше нормативных при рассматриваемых температурных режимах, что подтверждает применимость формулы (10).

Результаты исследований [13] показали также, что зерно приобретает регламентированный стандартами коричневый цвет после 4,5 - 5,0 мин. обработки как насыщенным, так и перегретым паром в рассматриваемых температурных интервалах. Это объясняется тем, что, как в период прогрева, так и в период снижения влагосодер-жания зерна определяющим фактором является одинаковая для них температура Ts при заданном давлении пара.

U, кг/кг 0,24

0,23 0,22 0,21 0,20 0,19 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14

/ /___ '/—

l/l/ ш 1

IV/ iml \ \.4

I 1 г \ \/2

я II 4 \

I 3 \

К о н т р о л ь \

4 \ \

160 240 320 400 480

-------- насыщенный пар

- перегретый пар

Рис. 1 - Кривые кинетики влагосодержания зерна гречихи при его ГТО перегретым паром давлением 0,3 МПа и температурах, К:

1 - 426; 2 - 436; 3 - 446; 4 - 456

Можно отметить существенное влияние степени перегрева пара на кинетику влагосодержания зерна. Наличие выраженного максимума кривой изменения влагосодержания проявляется уже при перегреве пара АТ = 10 К. При таком температурном режиме ГТО зерна скорость уменьшения влагосодержания невелика, и для достижения его нормативных значений требуется слишком много времени, однако при длительности обработки 8,6 мин. можно получить зерно с влагосодержанием и = 0,205 кг/кг (Ж = 17 %),

которое позволяет производить последующую сушку в автономной сушилке за один проход, что соответствует требованиям регламента технологического процесса производства быстро разваривающейся гречневой крупы с помощью выпускаемого оборудования мини-цехов (АО «ЖАСКО», ООО «АГРОМАШ», ООО «ОЛИС»). Такой же результат можно получить при ГТО в течение 5,5 мин. при использовании пара с перегревом 20 К. Нужно также отметить, что в этих условиях можно получить зерно с нормативным влагосодержанием при длительности обработки 12 - 14 мин., а при использовании пара с перегревом 30 К - в течение 8,5 - 10,0 мин., что можно считать приемлемым.

В рассмотренных случаях переработанное зерно имело удовлетворительные технологические показатели: коэффициент шелушения -Кш = 58 - 67%, коэффициент целости ядра -Кця = 62 - 66%.

Использование пара с перегревом АТ = 40 К позволяет произвести весь процесс ГТО до получения зерна с нормированным влагосодержанием за 6,5 - 7,7 мин., однако при этом ухудшаются его технологические показатели. Это можно объяснить слишком малым временем периода прогрева и недостаточным увлажнением ядра зерна, что приводит лишь к частичной его монолитизации.

Выводы. Проведённое исследование показало возможность использования перегретого до определённой степени пара для ГТО зерна гречихи в предложенной установке.

При использовании пара небольшой пере-гретости АТ = 10 - 15 К и завершении ГТО с подсушиванием зерна до влажности 16 - 17 % обеспечивается возможность последующей сушки до нормированного влагосодержания в автономной сушилке за один проход, что является оптимальным для этой операции.

При перегретости пара АТ = 20 - 30 К и длительности ГТО 8,5 - 12,5 мин. процесс предварительной обработки можно считать завершённым. Подготовленное к дальнейшему шелушению зерно имело удовлетворительные технологические показатели (коэффициент эффективности шелушения Кэш = 60 - 66 %), а выработанная из зерна крупа - достаточно высокое качество.

Литература

1. Инновац. пат. 23957 Республика Казахстан. В02В 1/08. Способ гидротермической обработки зерна гречихи и аппарат для его осуществления / А.А. Румянцев, Н.А. Борзов, Л.Ф. Беспалько; опубл. 16.05.2011. Бюл. № 5.

2. Шевцов А.С. Научное обеспечение энергосберегающих процессов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья при переменном теплоподводе: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Воронеж: ВГУИТ, 2015. 48 с.

3. Лыков А.В. Тепломассообмен. М.: Энергия, 1978. 479 с.

4. Гинзбург А.С., Громов М.А. Теплофизические свойства зерна, муки и крупы. М.: Колос, 1984. 304 с.

5. Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М: Энергия, 1980, 424 с.

0

г. c

6. Егоров Г. А. Технологические свойства зерна. М.: Агропро-миздат, 1985. 334 с.

7. Воронцов Е.Г., Тананайко Ю.М. Теплообмен в жидкостных плёнках. Киев: Техшка, 1972. 196 с.

8. Калашников Г.В., Остриков А.Н. Ресурсосберегающие технологии пищевых концентратов: монография. Воронеж: ВГУ, 2001. 356 с.

9. Лыков М.В. Теория сушки. М, 1968, 472 с.

10. Тепловая обработка зерна в установках контактного типа: монография / В.И. Курдюмов [и др.]. Ульяновск: УГСХА имени П.А. Столыпина, 2013. 290 с.

11. Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперстных материалов. М.: Химия, 1988. 351 с.

12. Энергосберегающие технологии и оборудование для сушки пищевого сырья / А.Н. Остриков [и др.]. Воронеж. гос. технол. акад. Воронеж, 1998. 344 с.

13. Константинов М.М., Румянцев А.А. Комплексный показатель эффективности технологического процесса производства крупы // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2012. № 6. С. 81 - 82.

Румянцев Александр Алексеевич, кандидат технических наук ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья» Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7 E-mail: rumyantsevaa@gausz.ru

Константинов Михаил Маерович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет» Россия, 460014, г. Оренбург, ул Челюскинцев, 18 E-mail: orensau@mail.ru

Борзов Николай Андреевич, ведущий специалист ТОО «Казагроэксперт»

Республика Казахстан, 110015, г. Костанай, ул. Чкалова, 4 Юхин Геннадий Петрович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет» Россия, 450001, Республика Башкортостан, ул. 50-летия Октября, 34 E-mail: Gpet1@yandex.ru

Rationale for the use of superheated steam for hydrothermal processing of cereal grains

Rumyantsev Alexander Alekseevich, Candidate of Technical Sciences Northern Trans-Ural State Agricultural University 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia E-mail: rumyantsevaa@gausz.ru

Konstantinov Mikhail Maerovich, Doctor of Technical Sciences, Professor

Orenburg State Agrarian University

18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia

E-mail: orensau@mail.ru

Borzov Nikolay Andreevich, leading specialist

LLP "Kazagroexperf'

4, Chkalova St., Kostanay, 110015, Republic of Kazakhstan Yukhin Gennady Petrovich, Doctor of Technical Sciences, Professor Bashkir State Agrarian University

34, 50-let October St., Ufa, Republic of Bashkortostan, 450001, Russia E-mail: Gpet1@yandex.ru

In article it is offered for hydrothermal processing (HTP) of cereal grains (buckwheat) before his peeling to use as warm and the moisture carrier superheated steam with low overheating. Such treatment is represented by a continuous process of the step of heating and humidifying the grain by condensing steam on its surface to the step of drying at a constant rate. When using steam of low overheating of AT = 10 - 15 К and completion of HTP with grain drying to moisture content of 16 - 17 %, it is possible to further dry to normalized moisture content in an autonomous dryer in one pass, which is optimal for this operation. With overheating of AT = 20 - 30 К steam and duration of HTP 8.5 - 12.5 minutes, the pre-treatment process can be considered completed, and the grain is prepared for its further exfoliation. In the considered cases, the processed grain had satisfactory technological indicators: exfoliation coefficient 58 - 67 %, nucleus integrity coefficient 62 -66 %, exfoliation efficiency coefficient 60 - 66 %.

Key words: processing, grain, superheated steam, drying, moisture content.

-♦-