CC BY
0
Научная статья / Original research article УДК 635.647 Код ВАК: 4.3.1
doi: 10.24411/2078-1318-2024-2-88-95
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА СУШКИ
СЕМЯН РАПСА
А.В. Медведев1 И
1Южно-Уральский государственный аграрный университет г. Челябинск, Россия И [email protected]
Реферат. В статье рассмотрены проблемы сушки мелкосемянных культур. Выявлены основные направления исследований в области обезвоживания сельскохозяйственного сырья. Рассмотрены преимущества и недостатки инфракрасной сушки на примере семян рапса. Сформулирована цель исследования. Разработана схема сушильной установки, определены ее основные части. Для проведения экспериментальной части исследования разработан экспериментальный макет сушильной установки с применением низкотемпературных электронагревателей в качества генераторов ИК-излучения, которое позволило снизить энергозатраты на 25%. В конструкцию сушильной установки внедрено устройство для проведения процесса сепарирования семян сразу после сушки, чтобы сократить количество операций и время получения готового сырья. Проведены исследования по сепарации семян рапса. Исследуемый продукт разделен на несколько контрольных групп по 1000 г для проведения замеров и определения количества вороха в каждой группе. Доказано, что предложенная технология позволяет значительно снизить количество вороха в конечном продукте: как визуально, так и по подсчетам видно, что после сепарации семян вороха значительно меньше после термообработки. Технология показала свою эффективность. Внедрение устройства для сепарации в конструкцию сушильной установки позволило снизить общее время получения готового сырья на 15%, при этом энергозатраты и затраты на обслуживание также снижаются на 25% и 28% соответственно. Конечный продукт содержит большое количество полезных веществ, а низкие температуры сушки не позволяют развиваться патогенной микрофлоре. Все это способствовало увеличению экономической эффективности по всем показателям от 20% до 40%.
Ключевые слова: сушка, сепарация, зерно, установка, ИК-излучение, энергозатраты
Цитирование. Медведев А.В. Повышение эффективности процесса сушки семян рапса // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2024. - № 2 (76). -С. 88-95, doi: 10.24411/2078-1318-2024-2-88-95.
INCREASING THE EFFICIENCY OF RAPE SEED DRYING PROCESS
A.V. Medvedev1 И
1 South Ural State Agrarian University, Chelyabinsk, Russia И [email protected]
Abstract. The problems of drying of small-seeded crops are considered in this article. The main directions of research in the field of dehydration of agricultural raw materials have been identified. The advantages and disadvantages of infrared drying are considered using the example of rapeseed seeds. The purpose of the study is formulated. The scheme of the drying plant has been developed, its main parts have been determined.
© Медведев A.B., 2024
То carry out the experimental part of the research, an experimental model of the drying plant with the use of low-temperature electric heaters as generators of infrared radiation was developed, which allowed to reduce energy consumption by 25%. Devices for carrying out the seed separation process immediately after drying have been introduced into the design of the drying unit in order to reduce the number of operations and the time to obtain finished raw materials. Studies on the separation of rapeseed seeds have been carried out. The product under study is divided into several control groups of 1000 g each to carry out measurements and determine the amount of pile in each group. It is proved that the proposed technology can significantly reduce the amount of pile in the final product, both visually and by calculations it is clear that after separation of seeds, the pile is significantly less after heat treatment. The technology has shown its effectiveness. The introduction of a separation device into the design of the drying plant has reduced the total time for obtaining finished raw materials by 15%, while energy consumption and maintenance costs are also reduced by 25% and 28%, respectively. The final product contains a large amount of useful substances, and low drying temperatures do not allow pathogenic microflora to develop. All this contributed to an increase in economic efficiency in all indicators from 20% to 40%.
Keywords: drying, separation, grain, installation, IR radiation, energy costs
Citation. Medvedev A.V. (2024), 'Increasing the efficiency of rape seed drying process', Izvestya of Saint-Petersburg State Agrarian University, vol. 76, № 2, pp. 88-95, doi: 10.24411/2078-13182024-2-88-95.
Введение. Сокращение энергозатрат в процессе сушки является одним из приоритетных направлений исследований в области переработки сельскохозяйственного сырья. Сокращение энергозатрат необходимо обеспечивать за счет максимальной концентрации выделенной энергии в сравнительно малых объемах сырья и автоматизированного поддержания требуемого технологического режима, а также за счет создания новых и совершенствования существующих технологий с перевооружением производства [1,2].
Сушка, основанная на применении оптических электротехнологий, в том числе и инфракрасного излучения, является перспективным направлением в области развития зеленных технологий, так как сочетает в себе снижение термонагрузки и сохранение готового продукта при возможности минимизации энергозатрат. Данное направление недостаточно развито из-за малой степени научного изучения данного вопроса. Однако такой тип переработки сельскохозяйственного сырья имеет широкое применение в мировой практике и показывает высокую эффективность [3]. Слабое развитие данной отрасли обусловлено тем, что долгое время не существовало специального сушильного оборудования для семян мелкой фракции, жидких и пастообразных сред, как и низкотемпературных ИК-генераторов [4].
В настоящее время особенно актуальным является совершенствование и автоматизация технологических процессов в процессе сушки сырья. Обеспечение средств автоматизации на всех этапах сушки позволяет значительно сократить затраты на энергоресурсы. Автоматическая выгрузка и загрузка сырья, контроль за изменением влажности в процессе сушки, уменьшение операций в технологическом процессе - все это положительно сказывается на качестве готовой продукции, а также позволяет увеличить экономическую эффективность предприятий АПК [5].
Цель исследования - повышение эффективности процесса сушки семян рапса.
Материалы, методы и объекты исследования. Для достижения поставленной цели разработан и собран экспериментальный макет сушильной установки каскадного типа (рисунок 1). Сушильная установка выполнена в закрытом исполнении, имеет 4 яруса, датчики
температуры и блок управления. Установка предназначена для сушки твердого термолабильного сырья. Каскадный тип установки позволяет проводить процесс сушки практически непрерывно, при этом в процессе сушки продукт при переходе с одного яруса на другой перемешивается и остывает, благодаря чему температура продукта постоянно изменяется в ходе процесса сушки, что снижает риск появления патогенной микрофлоры и
способствует сохранению большого количества полезных веществ. Характеристики сушильной установки представлены в таблице 1.
Рисунок 1. Внешний вид эксперементальной инфракрасной сушильной установки Figure 1. External view of the experimental infrared drying unit
Таблица 1. Технические характеристики Table 1. Technical specifications
Показатели Значения
Номинальная потребляемая мощность, кВт 26,5
Номинальное напряжение, В 380
Частота питающей сети, Гц 50
Насыпная плотность, кг/м2 5
Количество ярусов, шт. 4
Грузоподъемность одной ленты, кг 65
Мощность нагревательного элемента, кВт 0,54
Температура сушки, °С 60
Масса установки, кг 1100
Производительность установки, кг/ч 100
В качестве генераторов инфракрасного излучения используются пленочные электронагреватели, разработанные учеными кафедры Энергообеспечения и автоматизации технологических процессов Южно-Уральского ГАУ. Они обладают более низкой себестоимостью и низким потреблением энергии по сравнению с ближайшими аналогами [6, 7]. Характеристики пленочного электронагревателя представлены в таблице 2. Использование
в качестве нагревательных элементов инфракрасного излучения пленочных электронагревателей обеспечит равномерное облучение продукта сушки в режиме щадящих температур до 40°С при минимальных энергетических затратах, а использование системы автоматического управления, контролирующей необходимые технологические параметры процесса сушки, обеспечит высокое качество готового продукта [8, 9].
Таблица 2. Характеристика пленочного электронагревателя Table 2. Film electric heater characteristics
№ Технические характеристики Значения
1 Номинальное напряжение, ин 12-220 В, 380 В, 50 Гц
2 Удельная мощность до 500 Вт/м2
3 Номинальный ток нагрузки, 1н от 0,5 до 2,3 А/м2
4 Диапазон длины волны излучения, X 8,5-9,5 мкм
5 Диапазон температуры поверхности, Т 35-70°С
6 Долговечность 50 лет
7 Ширина полотна 0,35; 0,51 м
8 Размерный ряд по длине от 0,5 до 7 м
9 Наличие передающего элемента Алюминиевая фольга
В ходе исследования были проведены опыты по сушки семян рапса. Семена разделили на несколько групп массой 1000 г каждая. Для повышения точности и достоверности результатов каждый опыт проводился в пятикратной повторности. Первая группа семян прошла процесс сепарации до попадания в сушильную установку. Вторую группу семян сперва поместили в сушильную установку, а затем произвели процесс сепарации. Третья группа семян с помощью разработанной установки подверглась процессу обезвоживания и сепарации одновременно.
Результаты исследования. Разработанный экспериментальный макет с внедренным в конструкцию устройством для сепарации показал высокую эффективность в ходе проведения эксперимента по сушке семян рапса. Благодаря использованию в конструкции установки низкотемпературных пленочных электронагревателей удалось уменьшить температурное воздействие на продукт, тем самым повысить качество конечного сырья. Поскольку в составе основных зеленых культур, подвергаемых процессу сушки, содержится витамин С, который разрушается при высоких температурах, использование таких нагревателей полностью оправдывается. Важно также сохранить целостность, жизнеспособность и высокие питательные свойства зерновых, - при нагревании и длительном хранении в плохо просушенном состоянии они разрушаются. Экспериментальная установка хороша и сокращением энергозатрат на сушку.
Разработанная установка обладает низкой себестоимостью за счет использования в качестве ИК-генераторов низкотемпературных пленочных электронагревателей. Установка отличается простотой в эксплуатации за счет удобства конструкции нагревателей. Сушка происходит при низких температурах. Конечный продукт на выходе получается высокого качества за счет согласования оптических характеристик растительного сырья и генератора
инфракрасного излучения [10]. Все это позволит кардинально расширить функциональные возможности сушильной установки.
Результаты эксперимента по сепарации семян рапса приведены в таблице 3.
Таблица 3. Результаты опытов по сепарации семян Table 3. Results of seed separation experiments
Результаты сепарации семян после процесса сушки Результаты сепарации семян до процесса сушки Результаты сепарации во время процесса сушки
Номер опыта Зерно, г Ворох, г Ворох, % Зерно, г Ворох, г Ворох, % Зерно, г Ворох, г Ворох, %
1 880 120 12 790 210 21 960 40 4
2 850 150 15 810 190 19 940 60 6
3 860 140 14 805 195 19,5 970 30 3
4 840 160 16 800 200 20 975 25 2,5
5 890 110 11 820 180 18 965 35 3,5
Как видно из таблицы 3, внедрение в сушильную установку устройства для сепарации позволяет значительно снизить количество вороха в конечном продукте, тем самым повысить качества сырья. Проведение этапа сепарации отдельно от этапа сушки ведет к дополнительным затратам на транспортировку семян. Внедрение в сушильную установку сепаратора позволило, во-первых, снизить затраты во время всего технологического процесса, во-вторых, уменьшить количество вороха, тем самым повысить качество конечного сырья. Сильное снижение содержания вороха в конечном продукте объясняется тем, что продукт после сушки имеет влажность от 6% до 8%, что является наиболее оптимальной влажностью для семян рапса, поскольку при влажности ниже 6% семена могут растрескиваться, а при влажности выше 8% семена могут слипаться друг с другом и процесс сепарации происходит не так эффективно [11-12].
Также в ходе исследования проведено сравнение времени получения готовой продукции. Так, длительность процесса получения семян при разделении этапов сушки и сепарации для 1 т сырья составила около 15 ч., а при следовании предложенной технологии длительность удалось сократить до 12 ч. При этом энергозатраты удалось снизить на 25% за счет пленочных электронагревателей и исключения транспортировки семян до сепаратора.
Выводы. Внедрение в конструкцию установки для сепарации позволяет уменьшить время производства готовой продукции на 15-20%, а также снизить затраты энергии и издержки в ходе обслуживания установка на 25%. При этом установка позволяет получить продукт высокого качества и конкурировать с зарубежными аналогами благодаря использованию в ее конструкции низкотемпературных пленочных электронагревателей, которые позволяют проводить процесс сушки с меньшими затратами энергии при низких температурах.
Список литературы
1. Theoretical justification of film electric heater parameters as a source of infrared radiation in the technology of drying green crops / V. M. Popov, E. N. Epishkov, V. A. Afonkina [et al.] // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science : Mechanization, engineering, technology, innovation and digital technologies in agriculture. Сер. 3, Smolensk, 25 января
2021 года. - Smolensk: ЮР PUBLISHING LTD, 2021. - P. 032038. - DOI 10.1088/17551315/723/3/032038. -EDNKOXCIT.
2. Инновационный способ сушки семян масличных культур на примере рапса /
A. Ю. Кишев, И. М. Ханиева, А. X. Эржибов, 3. М. Жирикова // Известия Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета им. В.М. Кокова. - 2022. - № 2 (36). - С. 83-90. -DOI 10.55196/2411-3492-2022-2-36-83-90. -EDN ALCFBQ.
3. Попов, В.М. Исследование электрофизических свойств семян рапса как объекта сушки / В. М. Попов, Е. И. Кривошеева, В. А. Афонькина // Инновационные технологии в агропромышленном комплексе: Материалы Международной научно-практической конференции Института агроинженерии, Челябинск, 14-18 декабря 2020 года / Под редакцией Н. С. Низамутдиновой. - Челябинск: Южно-Уральский государственный аграрный университет, 2020. - С. 245-249. - EDN KWMKGV.
4. Обзор существующих конструкций устройств для сушки семян / С. С. Воложанинов,
B. В. Красовский, В. С. Воложанинова, Д. Д. Волобуев // Научные вести. - 2018. - № 4. -С. 51-55. - EDN YPOCFF.
5. Gabitov, I.I., Badretdinov, I.D., Mudarisov, S.G., Khasanov, E.R., Lukmanov, R.L., Nasyrov, R.R., ... & Pavlenko, V.A. (2018). Modeling the process of heap separation in the grain harvester cleaning system. Journal of Engineering and Applied Sciences, 13(S8), 65176526.
6. Загоруйко, М.Г. Исследования кинетики ИК-сушки семян рапса / М. Г. Загоруйко,
C. А. Павлов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. -2021. -№ 3(55). - С. 6-11. - DOI 10.18286/1816-4501-2021-3-6-11. - EDN PUFMRN.
7. Попов, В.М. Разработка конструкции ИК-конвектора с повышенным тепловым КПД / В. М. Попов, В. Н. Левинский, В. А. Афонькина // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2023. - № 3(101). - С. 212-217. - DOI 10.37670/2073-0853-2023-101-3-212-217. - EDN HQEFNW.
8. Ochirov, V.D., Altukhov, I.V. and Fedotov, V. A. 2019, "Use of Electrical Heating in Heat Treatment Technology and Drying of Wild-Growing Raw," International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon), Vladivostok, Russia, pp. 1-5, doi: 10.1109/FarEastCon.2019.8934799.
9. Ganeev, I., Karimov, K., et al. (2020); 'Intensification of the drying process of small seed oilseeds using microwave electromagnetic radiation; Acta Agriculturae Slovenica, 115(2), 261-271. https://doi.Org/10.14720/aas.2020.115.2.1359
10. Martynov, V.M., Gabitov, I.I et al. (2018); Reasoning Barley Grain Drying Modes For Vacuum-Infrared Drying Machines; Journal of Engineering and Applied Sciences, 13(S11), 8803-8811.
11. Tomchuk, V. (2020) 'Loss management when harvesting grain, legume and oilseed crops' / Norwegian Journal of Development of the International Science. - No. 50-1. - pp. 54-67. -EDN VAQQXE.
12. Разработка установки для шелушения рапса в электромагнитном поле сверхвысокой частоты. / О. В. Михайлова, М. В. Белова, и др. // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2019. - № 81. - С. 27-34.
References
1. Theoretical substantiation of the parameters of a film electric heater as a source of infrared radiation in the technology of drying green crops / V. M. Popov, E. N. Epishkov, V. A. Afonkina [et al.] // IOP conference series: Earth and Environmental Science: mechanization, engineering, technologies, innovations and digital technologies in agriculture. 3, Smolensk, January 25, 2021. - Smolensk: IOP PUBLISHING HOUSE, LLC, 2021. -p. 032038. - DOI 10.1088/1755-1315/723/3/032038. - ED. KOXCIT.
2. An innovative method of drying oilseeds on the example of rapeseed / A. Y. Kishev, I. M. Khanieva, A. H. Erzhibov, Z. M. Zhirikova//Proceedings of Kabardino-Balkarian State Agrarian University named after V.M. Kokov. - 2022. - № 2(36). - Pp. 83-90. - DOI 10.55196/2411-3492-2022-2-36-83-90. -EDNALCFBQ.
3. Popov, V.M. Investigation of the electrophysical properties of rapeseed seeds as an object of drying / V. M. Popov, E. I. Krivosheeva, V. A. Afonkina // Innovative technologies in the agro-industrial complex : Materials of the International Scientific and practical Conference of the Institute of Agroengineering, Chelyabinsk, December 14-18, 2020 / Edited by N.S. Nizamutdinova. - Chelyabinsk: South Ural State Agrarian University, 2020. - pp. 245249. - EDN KVMKGV.
4. Review of existing designs of devices for drying seeds / S. S. Volozhaninov, V. V. Krasovsky, V. S. Volozhaninova, D. D. Volobuyev // Scientific news. - 2018. - No. 4. - pp. 51-55. -EDN IPOKFF.
5. Gabitov, I.I., Badretdinov, I.D., Mudarisov, S.G., Khasanov, E.R., Lukmanov, R.L., Nasyrov, R. R., ... & Pavlenko, V.A. (2018). Modeling of the heap separation process in the cleaning system of a combine harvester. Journal of Engineering and Applied Sciences, 13 (S8), 6517-6526.
6. Zagoruiko, M.G. Studies of kinetics of IR drying of rapeseed / M. G. Zagoruiko, S. A. Pavlov // Bulletin of the Ulyanovsk State Agricultural Academy. - 2021. - № 3(55). - Pp. 6-11. -DOI 10.18286/1816-4501-2021-3-6-11. - EDN PUFMRN.
7. Popov, V.M. Design of an IR convector with increased thermal efficiency / V. M. Popov, V. N. Levinsky, V. A. Afonkina // Proceedings of the Orenburg State Agrarian University. -2023. -№ 3(101). - Pp. 212-217. - DOI 10.37670/2073-0853-2023-101-3-212-217. - EDN HQEFNW.
8. Ochirov, V.D., Altukhov, I.V. and Fedotov, V.A., "The use of electric heating in the technology of heat treatment and drying of wild raw materials", International Multiconference on Industrial Engineering and Modern Technologies 2019 (FarEastCon), Vladivostok, Russia, 2019, pp. 1-5, doi: 10.1109/FarEastCon.2019.8934799.
9. Ganeev, I., Karimov, K., Fayzrakhmanov, S., Masalimov, I., Permyakov, V. (2020). Intensification of the drying process of small oilseeds using microwave electromagnetic radiation. Acta Agriculturae Slovenica, 115 (2), 261-271. https://doi.Org/10.14720/aas.2020.115.2.1359.
10. Martynov, V.M., Gabitov, I.I., Karimov, K.T., Masalimov, I.K., Permyakov, V.N., Ganeev, I. R., ... & Saitov, B. (2018). Justification of the drying modes of barley grain in vacuum-infrared drying machines. Journal of Engineering and Applied Sciences, 13 (Sll), 8803-8811.
11. Tomchuk, V. Loss management when harvesting grain, legume and oilseed crops / V. Tomchuk // Norwegian Journal of Development of the International Science. - 2020. -No. 50-1. - P. 54-67. - EDN VAQQXE.
12. Mikhailova, O.V., Belova, M.V., Korobkov, A.N., Novikova, G.V. (2019). Development of an installation for peeling rapeseed in an ultrahigh frequency electromagnetic field // Bulletin of the Voronezh State University of Engineering Technologies. - № 81 (2 (80)), pp. 27-34.
Сведения об авторах
Медведев Андрей Витальевич, ассистент кафедры «Энергообеспечение и автоматизация технологических процессов», Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный аграрный университет»; http://orcid.org/0000-0002-3353-3191, SPIN-код: 9556-8455, Researcher Ш: JNE-5719-2023; [email protected].
Information about the author
Andrey V. Medvedev, Assistant of the Department Energy Supply and Automation of Technological Processes, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «South Ural State Agrarian University»; http://orcid.org/0000-0002-3353-3191, SPIN-code: 9556-8455, Researcher Ш: JNE-5719-2023; [email protected].
Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest. The author declares no conflict of interest.
Статья поступила e редакцию 20.03.2024; одобрена после рецензирования 18.04.2024; принята к публикации 25.05.2024.
The article was submitted to the editorial office 20.03.2024; approved after reviewing 18.04.2024; accepted for publication 25.05.2024.
