CC BY
118
Повышение энергетической эффективности процесса сушки зерна в условиях фермерских хозяйств*
В.И. Курдюмов, д.т.н., профессор, А.А. Павлушин,
к.т.н., Ульяновская ГСХА
В настоящее время в Российской Федерации действует Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Также правительством разработана и принята государственная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 г.». Все эти правовые акты направлены на повышение энергетической эффективности производства и снижение энергоёмкости валового внутреннего продукта Российской Федерации к 2020 г. не менее чем на 40%.
Основным показателем энергоэффективности производства сельскохозяйственной продукции является его энергоёмкость, то есть удельные затраты энергии на производство единицы продукции.
Важная научная задача в области энергосбережения — разработка и внедрение в сельскохозяйственное производство энергоэффек-
тивных технологий и соответствующих средств механизации.
Кроме того, согласно государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013—2020 гг., одним из приоритетных направлений является развитие малых форм хозяйствования - крестьянских (фермерских) хозяйств [1].
В настоящее время в нашей стране уже функционируют свыше 300 тыс. К(Ф)Х, валовой сбор зерна в которых достигает 3,5-106 т.
Однако обеспечение требуемого уровня рентабельности производства зерна сельхозпредприятиями подобного типа возможно лишь при использовании энергоэффективных установок для послеуборочной обработки зерна.
Одна из наиболее энергозатратных операций в цикле послеуборочной обработки зерна - его сушка. Примерно 20% от всего потребления энергии в агропромышленном комплексе развитых стран приходится на этот процесс.
Таким образом, создание и адаптация средств механизации сушки зерна к условиям реального сельскохозяйственного производства в
* Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских учёных МК-2516.2012.8
России является актуальной и важной научнотехнической проблемой.
Для эффективной работы фермерских хозяйств необходимы мини-зерносушилки, конструкция которых обеспечивала бы требуемое качество готового продукта, сравнительно небольшие затраты энергии при эксплуатации в фермерских хозяйствах.
Следует отметить, что на протяжении всей истории развития средств механизации сушки зерна требовалось создавать установки большой производительности, в которых энергоэффективным было применение конвективного способа подвода теплоты. Использование же контактного способа нагрева зерна не обеспечивало приемлемых энергетических показателей. Однако эксплуатация существующих высокопроизводительных зерносушилок конвективного типа экономически неэффективна в условиях фермерских хозяйств.
Накопленный опыт показывает, что создание мини-зерносушилок возможно на основе применения контактного способа передачи теплоты зерну от электрического нагревательного устройства.
Создание огневых мини-зерносушилок является малорациональным направлением развития зерносушильной техники из-за невозможности организовать на низкопотенциальном уровне тепловые конвекционные процессы. Поэтому основным способом нагрева зерна в минизерносушилках должен быть электрический как достойная альтернатива традиционным способам подвода теплоты к объекту сушки.
Суммарные затраты теплоты X Q, МДж, в зерносушилках конвективного типа слагаются из следующих составляющих [2]:
X Q = а + Q2 + Qз + Q4 + Q5, (1)
где 0 — затраты теплоты на нагрев и испарение влаги из зерна, МДж;
02 — потери теплоты с выбрасываемым в атмосферу агентом сушки, МДж;
03 — потери теплоты в окружающую среду (через нагретые поверхности), МДж;
04 — затраты теплоты на нагрев транспортирующих рабочих органов, МДж;
05 — потери теплоты вследствие неполного сгорания топлива (механический или химический недожог), МДж.
Использование электрических зерносушилок с контактным способом подвода теплоты к зерну позволяет освободиться от потерь теплоты с выбрасываемым в атмосферу агентом сушки, потерь теплоты вследствие неполного сгорания топлива, а также минимизировать потери теплоты в окружающую среду при обеспечении качественной теплоизоляции греющей поверхности зерносушилки.
Так как теплота на нагрев транспортирующих рабочих органов в зерносушилках контактного типа затрачивается лишь в период запуска (прогрева) зерносушилки, а затем нагретые рабочие органы начинают выполнять функции греющей поверхности, то основная часть теплоты в процессе сушки зерна в зерносушилке контактного типа затрачивается на нагрев зерна и удаление из него влаги.
В общем виде удельный расход теплоты, МДж/кг, на нагрев зерна и испарение из него влаги можно представить в виде:
СС
2 = 10-б—{г, - г0), (2)
с
где О - количество зерна, выходящего из зоны сушки, кг/ч;
С - теплоёмкость зерна при выходе из зоны сушки, Дж/(кг-°С);
Щ - количество испарённой влаги, кг/ч; ґ0, ^ - температура зерна соответственно на входе в сушильную камеру и на выходе из неё, °С.
Таким образом, зная температуру зерна до и после сушки, разовый влагосъём, а также пропускную способность зерносушилки, можно рассчитать требуемые затраты теплоты на процесс сушки зерна в зерносушилках с контактным способом подвода теплоты.
Рассмотренные выше положения послужили основой для создания энергоэффективной установки для сушки зерна для фермерских хозяйств [3].
Особенностями конструкции предложенной установки являются электроконтактный способ передачи теплоты и составной цилиндрический кожух (рис. 1).
Составные части кожуха снабжены индивидуальными нагревательными элементами и разделены между собой разделительными кольцами, выполненными из теплоизолирующего материала. Транспортирующий рабочий орган выполнен в виде шнека с перфорированными витками, причём диаметр перфорации витков шнека не превышает минимального размера зерна. Кроме того, установка снабжена охлаждающим устройством, включающим в себе вентилятор и воздуховод, соединённый с внутренней полостью кожуха за выгрузным окном.
Такое конструктивное исполнение установки позволяет быстро прогревать зерно и поддерживать его температуру в пределах, которые не снижают посевных или технологических качеств зерна.
Применение данной установки позволяет снизить удельную энергоёмкость процесса сушки зерна, улучшить качество готового продукта.
Производственная апробация разработанной установки для сушки зерна в условиях
Рис. 1 - Установка для сушки зерна:
1 - кожух; 2 - теплоизолирующий материал; 3 - загрузочный бункер; 4 - выгрузное окно; 5 - шнек с перфорированными витками; 6 - вентилятор; 7 - воздуховод; 8 - привод транспортирующего рабочего органа; 9 - отверстия; 10 - нагревательный элемент; 11 - разделительные кольца
фермерских хозяйств Республики Чувашии, Ульяновской и Самарской областей (рис. 2) подтвердила её высокую эффективность.
Было выявлено, что при сушке зерна пшеницы съём влаги за один проход составил примерно 5%, а температура зерна на выходе из сушильной установки не превышала 40°С, при этом затраты теплоты на 1 кг испарённой влаги составили 3,25 МДж, средняя температура греющей поверхности — 60°С. Заданный температурный режим не приводил к снижению продовольственных и семенных показателей зерна. Полученные данные свидетельствуют о достаточной эффективности процесса сушки в предложенной установке.
Часть данных, полученных при проведении производственных исследований установки, приведена в таблице.
Показатели работы установки контактного типа при сушке зерна пшеницы
Рис. 2 - Фрагмент технологической линии по послеуборочной обработке зерна:
1 - установка контактного типа; 2 - приборы контроля температурного режима; 3 - комплект приборов для контроля энергетических показателей; 4 - спиральновинтовой транспортёр; 5 - сортировальная машина
Показатель Значение показателя Откло- нение, %
тео- рия экспе- римент
Пропускная способность, т/ч 0,25 0,239 -4,4
Потребляемая мощность, max, кВт 2,1 2,15 4,5
Средняя температура греющей поверхности, °С 60 60 -
Экспозиция, с 74 76 2,7
Использование предлагаемого средства механизации в условиях фермерских хозяйств позволит снизить удельные затраты энергии на процесс сушки зерна в 1,3 раза по сравнению с существующими отечественными аналогами (СЗПБ-2,5 и ПУФС-0,4) при обеспечении высокого качества готового продукта. Экономический эффект превышает 100 руб. на тонну продукта.
Таким образом, для сушки зерна в условиях фермерских хозяйств наиболее приемлемым вариантом является использование минизерносушилки с контактным способом подвода теплоты к обрабатываемому материалу непрерывного действия, технологическая схема и конструкция которой обеспечивают высокий процент съёма влаги с сохранением качественных показателей высушиваемого зерна.
Литература
1. Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы. М.: МСХ РФ, 2012. 204 с.
2. Малин Н.И. Энергосберегающая сушка зерна. М.: КолосС, 2004. 240 с.
3. Патент RU № 2323580. Устройство для сушки зерна / В.И. Курдюмов, А.А. Павлушин, Г.В. Карпенко. Опубл. 10.05.2008. Бюл. № 13.
