CC BY
171
Закономерность изменения влагосъема (рис. 4) в зонах 1 и 3 имеет также оптимальный (наиболее интенсивный) характер, аналогичный зоне 2. Это стало возможным благодаря дифференцированию режимных параметров и оптимизации температуры нагрева зерна по зонам сушильной камеры.
Выводы
1. Полученные имитационные модели и методы их настройки для зерносушилок определенного типа и конструкционных особенностей при сушке зерновой культуры данного сорта и исходного качества могут быть использованы (после идентификации модельных коэффициентов с использованием фактических или опытных данных) для определения эффективных режимов сушки.
2. Разработанные методы реализации имитационных моделей в различных зерносушилках позволяют осуществлять выбор соответствующих конструктивных и эксплуатационно-технологических параметров, обоснование технологических приемов, позволяющих достичь качественного характера оптимального режима в существующих конструкциях зерносушилок и проверку значений выходной вектор-функции качества с точки зрения целевых функционалов.
Литература
1. Манасян, С.К. Моделирование и системная идентификация структуры энтропийных эмпирически целостных объектов / С.К. Манасян // Гомеостаз и окружающая среда: мат-лы междунар. науч. конф. -Красноярск: Изд-во КГУ, 1997. - С. 18-22.
2. Математическое моделирование процесса сушки зерна в сушильных установках / Л.В. Колесов, С.К. Манасян, Н.М. Андрианов [и др.] // Автоматический контроль и сигнализация в сельскохозяйственных машинах. - М., 1989. - С.101-118.
3. Манасян, С.К. Построение математической модели процесса сушки зерна и методы ее настройки / С.К. Манасян // Автоматизация технологических процессов послеуборочной обработки зерна. - Л.-Пушкин, 1985. - С.13-26.
4. Колесов, Л.В. Численное моделирование стационарных режимов барабанной сушилки как объекта управления / Л.В. Колесов, Е.Т. Раженков, С.К. Манасян // Автоматические системы оптимального управления технологическими процессами. - Тула, 1982. - С. 61-65.
5. Цугленок, Н.В. К разработке теории процесса тепломассопереноса при сушке зерна / Н.В. Цугленок, С.К. Манасян // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион. науч. конф. - Красноярск, 2006. -С.275-281.
--------♦'-----------
УДК 631.563.2 С.К. Манасян
ПРИНЦИПЫ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ЗЕРНА
В статье приведены основные принципы сушки зерна, которыми следует руководствоваться при оптимизации конструктивных параметров, синтезе технологических схем и выборе режимов сушки зерна.
Природно-климатические условия большинства районов нашей страны таковы, что при уборке урожая мы получаем зерно с избыточным содержанием влаги. Влажное зерно не подлежит длительному хранению, поскольку быстро портится. Своевременно и правильно проведенная процедура сушки не только повышает стойкость зерна при хранении, но и способствует улучшению его качества, ускорению дозревания зерна, выравниванию зерновой массы по содержанию влаги (на уровне кондиционного значения) и степени зрелости (на уровне полной спелости), улучшению цвета и внешнего вида, останавливанию жизнедеятельности микроорганизмов и вредителей.
Для зерна наибольшее распространение получила тепловая сушка. Сорбционную (контактную) сушку применяют как вспомогательный элемент в некоторых сушилках (при сушке фуражного зерна), а механическое обезвоживание (отжим, центрифугирование) зерновых отходов - на некоторых мукомольных заводах [1].
Тепловая сушка связана с обязательным превращением жидкости в пар, на что расходуется тепловая энергия. В настоящее время среди способов тепловой сушки наибольшее распространение получила конвективная сушка зерна, при которой в качестве теплоносителя (агента сушки) используется нагретый газ, подаваемый в сушильную камеру для подвода теплоты к зерну и отводимый из нее для удаления поглощенных им паров влаги, выделяющихся из зерна.
Конвективная сушка представляет собой испарение влаги с поверхности зерна в среду сушильной камеры. При этом, очевидно, необходим перенос этой влаги из зерна на его поверхность. Теплота, подводимая агентом сушки (тепломассоносителем), расходуется не только для испарения влаги, но и для нагрева зерна, нагрева влаги до температуры испарения, перегрева образующегося пара.
Процесс конвективной сушки зерна включает ряд составляющих, важнейшими из которых являются:
а) приготовление агента сушки (а1 - нагрев воздуха, а2 - смешивание нагретого воздуха с топочными газами, а3 - подача агента сушки из топки в напорно-распределительную систему);
б) испарение влаги (б1 - подача сушильного агента через точки ввода в сушильную камеру, б2 - продувка агентом сушки зерновых слоев, образованных внутриконструкционными элементами сушильной камеры, б3 - нагрев активной поверхности зерновок, б4 - превращение поверхностной влаги зерна в пар, б5 -удаление поверхностной влаги с зерна и поглощение ее агентом сушки, б6 - нагрев внутренних частей зерновок пограничных слоев материала, б7 - влагоперенос внутри зерновок из центральных частей к поверхности, б8 - уменьшение объема зерновок, б9 - углубление зоны испарения в глубь зерновок, б10 - влаго- и теплообмен между зерновым слоев и сушильным агентом, б11 - изменение массы, плотности и насыпной плотности зерна);
в) удаление влаги из сушильной камеры (в1 - вывод отработавшего агента сушки через точки вывода из сушильной камеры, в2 - очистка отработавшего сушильного агента в циклонах, в3 - подача отработавшего сушильного агента в воздуховод рециркуляции, в4 - подача отработавшего агента сушки в выпускную трубу).
Основные подсистемы любой сушилки:
а) теплогенератор (топка, калорифер);
б) сушильная камера (часто разделенная на две, три или более зоны сушки);
в) вентилятор.
Они должны взаимно дополнять друг друга с помощью дополнительных и вспомогательных подсистем и элементов, таких как:
а) подающая агент сушки напорная (напорно-распределительная) система (диффузор, конфузор, коллектор, центральная подводящая подсистема);
б) воздухораспределительная система внутри сушильной камеры, совмещенная с внутриконструкци-онными элементами, направляющими поступательное движение зерновых слоев относительно потоков агентов сушки и охлаждения, а также взаимное движение зерновок внутри данного слоя (короба, жалюзи, наклонные полки-скаты, козырьки-отбойники, инверторы, ротаторы, вибраторы, тормозящие, направляющие и регулирующие элементы и др.);
в) надсушильный бункер (для накопления сырого зерна и обеспечения непрерывной подачи его в сушилку; кроме того, зерно в нем препятствует утечке агента сушки из верхней части сушильной камеры);
г) выпускное устройство (для равномерного выпуска зерна по всему сечению сушильной камеры, регулирования в широких пределах времени пребывания зерна в ней).
Конструкция сушильной камеры зависит от дополнительных условий, к основным из которых следует отнести следующие:
а) свойства сушимого материала;
б) удобство и равномерность загрузки и выгрузки;
в) принцип действия сушилки (рециркуляционный, непрерывный или периодический);
г) газораспределительная система вводов и выводов сушильного агента;
д) внутриконструкционные элементы направления движения зерновых слоев и других, а также их совокупного совместного действия или совмещения двух или нескольких элементов в одном.
При конструировании, расчете, проектировании и эксплуатации зерносушилок следует руководствоваться общими принципами сушки зерна. К основным из них, на наш взгляд можно отнести то, что:
1. Водяные пары распространяются из мест с высоким давлением в места с малым давлением. Разность давлений представляет собой движущую силу влагопереноса:
р1 - р2 = к ^н - w),
где р1, р2 - давление над чистой водой (открытой водной поверхностью) и над зерном соответственно; к - постоянная величина (коэффициент пропорциональности);
wн - влажность насыщения зерна (максимальная гигроскопическая влажность, или минимальная гидроскопическая влажность - минимальная влажность при максимальном давлении); w - текущая влажность зерна в слое [2].
2. Испарение внутренней влаги из зерна отличается от испарения чистой свободной воды с поверхности зерна - оно требует подачи в 2-3 раза большего количества сушильного агента и нагрева воздуха на 30-600 С. [3].
3. Свежеубранное сырое зерно более чувствительно к высокой температуре, чем менее влажное после временного хранения.
4. Тепловой поток распространяется из мест сушильной камеры с высокой температурой в места с низкой температурой.
Теплота от более теплого по отношению к зерну агента сушки переходит к зерновому слою благодаря разности температур, а затем при испарении влаги теплота возвращается обратно от нагретого зерна к сушильному агенту, благодаря разности давлений.
5. С уменьшением температуры сушильного агента уменьшается его влагоемкость.
6. Высокая температура агента сушки повышает интенсивность процесса. Температура сушильного агента должна быть близкой (но не превышать) к предельно допустимому значению во избежание закала зерна, денатурации белков и потери всхожести.
7. Высокая влагопоглотительная способность сушильного агента повышает интенсивность процесса. Влагосодержание отработавшего агента сушки должно быть близким (но не превышать) к предельно допустимому значению во избежание запаривания зерна и уменьшения скорости сушки [4].
8. КПД сушилки определяется как отношение количества теплоты, расходуемого на испарение влаги к общему количеству теплоты, поступающему в камеру с агентом сушки.
Теоретический КПД сушилки (если не учитывать потери тепла через стенки) можно рассчитать по формуле
П =(Тмах - Твых)/ (Тмах-То),
аналогичной формуле Карно для идеальной паровой машины. Поэтому естественно эту формулу называть формулой для КПД идеальной сушилки.
КПД теплогенератора определяется как отношение количества доставляемого им тепла к произведению расхода топлива на его теплопроизводительность.
9. Скорость сушки искусственно увлажненных и мытых зерен больше по сравнению со скоростью сушки зерен той же влажности, сформировавшейся естественным путем в поле или же увеличившейся в результате временного хранения без своевременной предварительной очистки.
10. При сушке кроме массы материала уменьшается также объем зерен. Причем при уменьшении влаги на 1% объем зерна уменьшается на 5,8%.
11. Превышение предельно допустимой (для данной влажности и экспозиции) температуры агента сушки может вызвать закал зерна - образование на его поверхности твердой корки, мешающей дальнейшему выделению влаги из середины зерна.
12. При большой разности температур агента сушки и зерна вода слишком быстро превращается в пар и механически разрывает клетки зерна около зародыша, вызывая потерю всхожести.
13. При сушке необходимо соблюдать баланс температур, баланс давлений, баланс времени экспозиций, баланс скоростей движения зерна и агента сушки, баланс влажности, баланс скорости сушки.
14. Скорость сушки зависит от скорости сушильного агента, состояния и толщины слоя, характера взаимодействия зерна и агента сушки, степени механического перемешивания зерна, температуры сушильного агента, влажности зерна, вида зерна (культуры), целевого назначения зерна, температуры зерна.
15. Температура нагрева зерна всегда значительно ниже температуры окружающего его сушильного
агента.
16. Поглощение тепла при выделении водяных паров из зерен влечет за собой охлаждение сушильного агента.
17. Температуру отработавшего сушильного агента с достаточной для практических целей точностью можно принимать равной максимальной температуре нагрева зерна.
18. Количество влаги, испаряющейся за единицу времени с единицы активной поверхности зерна пропорционально разности температур свежего и отработавшего сушильного агента, коэффициенту теплообмена между агентом сушки и зерном и обратно пропорционально скрытой теплоте парообразования воды.
19. Агент сушки теряет в сушильной камере такое количество теплоты, которое необходимо на нагрев зерна (до предельно допустимой температуры нагрева) и для испарения влаги (до достижения кондиционной влажности). Отработавший сушильный агент должен иметь температуру большую, чем атмосферный воздух, для того, чтобы мог заключать в себе без пересыщения всю испарившуюся влагу (т.е. иметь степень насыщения близкую, но меньшую предельной, для избежания оседания влаги в виде капель и запаривания зерен).
20. Подсистема вентиляции должна быть рассчитана для наибольшего расхода воздуха. Объем воздуха при проходе через сушилку (при входе в теплогенератор, при выходе из него и при выходе из сушильной камеры) изменяется заметным образом. Учитывая, что наименьшее значение этого объема имеет место в первом случае, а среднее - в третьем, целесообразнее ставить вентилятор перед теплогенератором или при выходе из сушилки (но не после теплогенератора).
21. Агент сушки вследствие непрерывной отдачи влаги зерном быстро достигает предела насыщения, поэтому его смена в сушильной камере является необходимым условием сушки.
Агент сушки по мере насыщения водяными парами в сушильной камере охлаждается и постепенно опускается вниз, поэтому точки вывода сушильного агента должны быть размещены в нижней части камеры более часто по сравнению со средней и тем более верхней частями.
22. Повышенные значения отношения количества агента сушки к количеству зерен в сушильной камере обеспечивают защиту зерна от оседания влаги и повышают равномерность процесса сушки зерна.
23. Процесс сушки зерна делится на три периода [5]: подсушка, собственно сушка (главный период), досушка. Подсушка (подогрев) характеризуется ростом температуры при малом влагосъеме. Продолжительность этого периода желательно свести к минимуму («близкая к нулевой скорость сушки, максимальная скорость нагрева»). Основной процесс идет с наибольшей скоростью влагосъема при практически постоянной температуре, близкой (но не превышающей) к допустимой температуре нагрева зерна («близкая к постоянной скорость сушки», скорость нагрева близка к нулевой). Досушка характеризуется значительным уменьшением скорости испарения влаги и возрастанием температуры зерна, которая в пределе будет стремиться к температуре сушильного агента; для этого периода процесс сушки с некоторым приближением протекает аналогично испарению воды со свободной поверхности (скорость сушки постоянно падает от близкой к максимальной до нулевой). Процесс сушки необходимо остановить значительно раньше достижения этого предельного состояния. Значения влажности, при которых происходит смена периодов сушки - первая и вторая критическая влажность, зависят от начальной влажности зерна и режима сушки и могут изменяться в широких пределах: w 1кр = 17-24%, w 2 кр =14-20%. Желательно, чтобы фронт сушки (второй и начало третьего периоды) охватывал большую часть сушильной камеры, а еще лучше - полностью специально выделенные зоны сушки.
24. Влажность - важнейший, наиболее информативный параметр состояния процесса сушки зерна, характеризующий как ход процесса, так и его эффективность, а также конечную цель. В то же время можно утверждать, что влажность (а также и градиент влажности) не в полной мере характеризует режим влагооб-мена и влагопереноса в сушильной системе. О необходимости дополнительного введения некоторого другого свойства зерновой влаги (например, активность воды в зерне, потенциал влагопереноса, плотность потока влагообмена, сопротивление зерна испарению влаги) свидетельствуют следующие факты: а) разные партии зерна, даже имеющие одинаковую влажность, просушенные при одних и тех же режимных параметрах в одних и тех же зерносушильных установках, имеют различные технологические параметры (конечная влажность, качественные показатели) и, более того, дают разные оценки технологической эффективности данной сушилки (удельный расход топлива на плановую тонну и удельный расход теплоты на испарение килограмма влаги); б) если разные партии зерна данной культуры находятся в контакте, то вода обычно переходит из одной партии в другую.
25. Продолжительность сушки возрастает с уменьшением доли активной поверхности и с уменьшением степени ее обновляемости (для плотных типов слоев - с увеличением толщины слоя).
Период падающей скорости сушки (третий период) характеризуется уменьшением влаги внутри зерен и при этом влага, насыщающая каждое зерно, как бы выступает на его поверхности, т.е. поверхность сырой части зерна пропорциональна количеству заключенной в нем влаги, m=S/w:
w(t) = w0 ехр((- Этах - Э)т а і / г).
26. В сушилках непрерывного принципа действия (с непрерывным передвижением зернового материла) тепловое состояние агента сушки сохраняется одинаковым в каждом месте, но меняется во времени.
27. В сушилках периодического действия (с неподвижным материалом, располагаемых в слоях с плотным малоподвижным состоянии) состояние агента сушки (как и сушимого зерна) меняется в пространстве и во времени.
28. В каждой сушилке сушка может происходить с соответствии с определенной схемой продувки:
а) прямоточной (при движении зернового материала и сушильного агента в одном и том же направлении);
б) противоточной; в) поперечноточной. В определенных случаях возможно чередование или сочетание различных схем.
29. При прямоточной схеме сушильный агент с максимальной температурой и минимальной влажностью встречается с зерном с минимальной температуры и максимальной влажностью.
30. При противоточной схеме сушильный агент с максимальной температурой и минимальной влажностью встречается с зерном максимальной температуры и минимальной влажностью. Поэтому потенциал и скорость сушки ниже, чем при прямоточной схеме. В то же время здесь выше теснота взаимодействия между сушильным агентом и зерновым материалом, значительно выше степень механического перемешивания зерновок в слоях, возрастает и порядковый номер типового слоя (от плотного малоподвижного до плотного подвижного и разрыхленного).
31. При поперечноточной сушке равномерное снятие влаги у внутренней и наружной стенок зернового столба (слоя) обеспечивает его толщина, не превосходящая 30-35 см.
32. Комплектование зерносушилки системой рекуперации тепла (рециркуляции теплоносителя) позволяет экономить до 30% топлива.
33. Комплектование зерносушилки системой аварийной сигнализации позволяет предотвращать пожароопасные ситуации. При работе с газообразным топливом появляются дополнительные более жесткие противопожарные требования по технике безопасности, которые безусловно надо выполнять [1].
Применение оцинкованных покрытий зерносушилок, выполнение из оцинкованной стали стенок шахт, коробов, зернопроводов, воздуховодов, облицовки зерносушилки увеличивает срок службы. Для предотвращения коррозии металла в качестве панелей верхнего модуля блочных зерносушилок рекомендуется использовать алюминиевые.
Зерносушилки блочно-модульной структуры обладают значительной гибкостью использования технологических схем сушилки и ее отдельных блоков и модулей.
Важное значение имеет конфигурация зерносушилки, от которой зависит возможность вписать ее в определенную технологическую линию и привязать к имеющимся и проектируемым зданиям и сооружениям.
Экономичность сушилки зависит от применения теплоизоляции сушильных камер, системы рециркуляции отработавшего теплоносителя, автоматического регулирования температурного режима в сушилке и значения КПД теплогенератора.
Экологическая чистота сушки может быть обеспечена за счет применения топочного блока с теплообменником (при котором контакт топочных газов и просушиваемого зернового материала исключен) и наличия аспирации (системы очистки отработавшего теплоносителя).
Процесс конвективной сушки зерна является сложным процессом, представляющим собой результирующую внешнюю динамику большого числа внутренних достаточно простых хорошо изученных одновременно протекающих и влияющих друг на друга частных процессов тепло- и влагообмена:
- подачу агента сушки (и количества теплоты, содержащегося в нем) в зоны сушильной камеры;
- перенос теплоты от агента сушки к зерну через его поверхность;
- перенос влаги внутри зерна;
- испарение влаги с поверхности зерна;
- углубление поверхности испарения внутрь зерна;
- перенос влаги с поверхности зерна в среду сушильной камеры;
- поглощение паров влаги агентов сушки;
- отвод отработавшего агента сушки (и поглощенного им количества паров влаги).
Одним из условий правильно организованной сушки зерна является обязательное последующее охлаждение его до температуры, близкой к температуре наружного воздуха (не превышающей ее более чем на 5 0С).
На хранение в склад можно закладывать только зерно с кондиционными по влажности, чистоте и температуре параметрами.
Выводы
1. Сушка зерна - сложный нестационарный нелинейный динамический процесс с распределенными по длине, высоте и ширине сушильной камеры параметрами.
2. Зерно, как объект сушки, представляет собой коллоидное капиллярно-пористое тело сложной структуры.
3. Для учета требований сбалансированности и особенностей процесса сушки зерна необходимо руководствоваться 33 основными принципами, приведенными выше, которые позволяют интенсифицировать взаимодействие сушильного агента с зерновым материалом, в том числе и за счет совершенствования систем воздухораспределения, внутриконструкционных и системообразующих элементов и повышения степени их взаимного соответствия и согласования.
4. В сушилках с равномерным распределением теплоносителя и интенсивным перемешиванием зерна в зонах сушки можно повысить средние значения температуры и скорости движения теплоносителя, что, в конечном счете, обеспечивает интенсификацию процесса сушки зерна.
Литература
1. Зерносушение и зерносушилки / В.И. Жидко, В.А. Резчиков, В.С. Уколов. - М.: Колос, 1982. - 239 с.
2. Цугленок, Н.В. Теоретические основы интенсификации процесса сушки зерна / Н.В. Цугленок,
С.К. Манасян // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы Всерос. науч.-практ. конф. / Краснояр. гос. аг-рар. ун-т. - Красноярск, 2005. - C. 134-135.
3. Манасян, С.К. К построению обобщённой математической модели процесса сушки зерна / С.К. Манасян // Селекция, биология и агротехника сорго: сб. науч. тр./ ВНИПТИМЭСХ, ВНИИ сорго. - Зерноград:
ПМГ ВНИПТИМЭСХ, 1984. - С.114-122.
4. Математическое моделирование процесса сушки зерна в плотном подвижном слое / С.К. Манасян, Л.В. Колесов, Г.А. Кореньков [и др.] // Математическое моделирование уборочно-транспортных процессов: сб. науч. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград: ПМГ ВНИПТИМЭСХ, 1986. - С.166-172.
5. Лыков, А.В. Теория сушки / А.В. Лыков. - М.: Энергия, 1968.
--------♦'-----------
УДК 631.563.2 С.К. Манасян
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ЗЕРНА В ЗЕРНОСУШИЛКАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В статье приведены основные положения и результаты имитационного моделирования процессов сушки зерна в шахтных, барабанных, камерных и бункерных сушилках многозонного типа.
Одной из важнейших задач, обеспечивающих устойчивое развитие страны и ее продовольственную безопасность, является увеличение производства зерна, сокращение потерь на всех стадиях его производства. Эта задача должна решаться не только путем увеличения валового сбора, но и улучшения качества послеуборочной обработки, так как качество зерна - второй урожай. Более половины собранного урожая остается в сельском хозяйстве, поэтому особое значение имеет сушка, которая является наиболее узким местом в послеуборочной обработке зерна для Восточной Сибири и других зон повышенного увлажнения. Она позволяет не только сохранить огромный объем продукции, но при правильной организации и выборе режимов повысить качество просушиваемого зернового материала.
Однако в настоящее время при наличии большого (но далеко не достаточного) количества зерносушилок (значительная часть которых устарела как физически, так и морально) на сельскохозяйственных предприятиях различных типов они не всегда эксплуатируются в оптимальных режимах, вследствие чего расход топлива оказывается выше, а производительность сушилок ниже паспортных. Не удовлетворяются также и другие целевые функционалы процесса сушки - качественные характеристики зерна на выходе су-
