Результат интеллектуальной деятельности: Способ сушки мелкосеменных культур и устройство для его осуществления

Изобретение касается сушки мелкозернистых культур (рапс, сурепица и т.д., в том числе семян трав) и может быть использовано в сельском хозяйстве и системе заготовок.

Известен способ сушки зерна в неподвижном слое, заключающийся в том, что зерно загружают, воздействуют агентом сушки, охлаждают и разгружают.

Известно устройство для его осуществления, содержащее сушильную камеру, топку, вентилятор, средства загрузки и разгрузки (Анискин В.И., Окунь Г.С. Технологические основы оценки работы зерносушильных установок. - М.: ГНУ ВИМ, 2003. - С. 140-141).

Эти способ и устройство периодического действия широко используются и для сушки семян мелкосеменных культур. Однако способ малопроизводителен и энергозатратен, хотя и обеспечивает качественную сушку.

Известен способ сушки рапса, заключающийся в том, что материал загружают, воздействуют агентом сушки, предварительно подогревают, отлеживают, рециркуляционно-квазиизотротермически сушат, охлаждают и разгружают. Сушку осуществляют в двух шахтах, одна из которых рециркуляционная. По этому способу сушки работают рециркуляционные зерносушилки типа «Целинная». Этот способ наиболее близок к заявленному и выбран за прототип (Урманов А.И., Резчиков В.А. Повышение эффективности сушки рапса // Электронный ресурс / https:docviewer.yandex.ru).

Однако известный способ, как правило, не используют на сушке семян из-за повышенной неравномерности высушенного материала по влажности, кроме того, сушилки, использующие этот способ, достаточно сложны и нерентабельны в крупных хозяйствах и маслозаводах.

Известно устройство для его осуществления, содержащее надсушильный бункер, камеру сушки, внешний и внутренний перфорированные цилиндры, вертикальный транспортер, топку, вентилятор, систему загрузочных и разгрузочных средств.

Эти способ и устройство по технической сущности наиболее близко к заявленному и принято за прототип (Пат. №2519809 РФ Способ сушки семян и зерна и устройство для его осуществления / Голубкович А.В., Павлов С.А., Лукин И.Д., Машковцев М.Ф. // Бюл. 2014. №17).

Недостатком известного устройства является то, что надсушильный бункер не обеспечивает постоянный температурный режим отлежки. Поэтому изотермический режим сушки не реализуется и интенсивность сушки низка.

Техническая задача изобретения заключается в повышении интенсивности сушки при осуществлении рециркуляционно-квазиизотермического процесса сушки при полном сохранении качественных показателей семян.

Задача решается тем, что в способе сушки семян мелкосеменных культур, заключающемся в том, что семена загружают, предварительно подогревают, отлеживают, сушат, охлаждают и разгружают, согласно изобретению семена сушат циркуляционно-квазиизотермически с влагосъемом за цикл не более:

,

где R, δ - радиус и толщина оболочки семени, м;

U_н, U_p - начальное и равновесное влагосодержание семян, кг вл./кг сух. мат.;

и отлеживают со временем:

,

где а_m - коэффициент диффузии, м²/с;

А - коэффициент формы семени (при сферический А=1);

причем τ ≥ τ_д,

где τ_д - минимальное время отлежки, при которой перераспределяется влага между семенами (τ_д = 0,3 ч).

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве, содержащем надсушильный бункер, камеру сушки, внешний и внутренний перфорированные цилиндры, вертикальный транспортер, топку, вентилятор, систему загрузочных и разгрузочных средств, согласно изобретению, надсушильный бункер снабжен крышкой и выполнен теплоизолированным, а внешний и внутренний перфорированные цилиндры выполнены с зазором, не превышающим 0,25 м.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема сушилки.

Способ сушки семян мелкосеменных культур заключается в том, что семена загружают, предварительно нагревают, циркуляционно-квазиизотермически сушат с влагосъемом за цикл , отлеживают с временем отлежки и разгружают.

В состав устройства входят: вентилятор 1, топка 2, сушильная камера 3, загрузочный транспортер 4, внутренний перфорированный цилиндр 5, внешний перфорированный цилиндр 6, вертикальный транспортер 7, труба 8, теплоизолированный надсушильный бункер 9, теплоизолированная крышка 10, датчики уровня 11, теплоизоляция 12, также на схеме приведены влажные 13, циркулирующие 14 и высушенные семена.

Работу осуществляют следующим образом.

Влажные семена 13 транспортерами 4 и 7 загружают сушильную камеру 3 и надсушильный бункер 9, запускают вентилятор 1, топку 2 и транспортер 7. Устанавливают температуру агента сушки, исходя из предельно-допустимой температуры нагрева семян. Агент сушки из топки 2 поступает во внутреннюю полость цилиндра 5, пронизывает семена и выходит из перфораций внешнего цилиндра 6. Циркуляция семян осуществляется посредством транспортера (шнека) 7. Высушенные семена охлаждают путем отключения топки 2 и разгружают через трубу 8. Заданный уровень семян в надсушильном бункере 9 поддерживают датчиками уровня 11, которые воздействуют на загрузочный транспортер 4.

Известно, что чем выше температура семян, тем более эффективен тепломассоперенос. Именно поэтому крыша 10 и надсушильный бункер 9 выполнены теплоизолированными.

Наличие зазора в 0,25 м между внутренним 5 и внешним 6 перфорированными цилиндрами обеспечивает использование вентиляторов среднего давления, которые эффективнее вентиляторов высокого давления.

Способ осуществляют следующим образом.

Исходя из исходного и конечного влагосодержания и массы семян определяют допустимый влагосъем, длительности отлежки, оценивают длительность цикла сушки и устанавливают расход семян через сушильную камеру, например, изменением частоты вращения шнека 7, предварительно подогревают семена до температуры на ~5°С ниже предельно-допустимой, что осуществляют без циркуляции семян, но температура агента сушки на 10-15°С ниже чем при циркуляции.

При циркуляции поддерживают температуру семян близкой или равной предельно-допустимой, например, изменением температуры агента сушки.

Сущность циркуляционно-квазиизотермического режима сушки заключаются в том, что за время отлежки влага из центральной части семени перемещается в его перефирийную часть - оболочку, в том числе в полость между оболочкой и ядром, суммарная толщина которых составляет δ=0,15-0,2 R (где R, δ - радиус семени и толщина оболочки) (Ганеев И.Р. Повышение эффективности сушки семян рапса с применением электромагнитного излучения: Автореф. дисс. … канд. техн. наук. - Уфа, 2011. - 8 с.) и при вентилировании агентом сушки температура семян не только не повышается, но некоторое время снижается из-за интенсивного испарения и достигает к следующей отлежке близкую к предельно-допустимой.

Очевидно, что с целью недопущения перегрева семян влагосъем за время цикла ΔU_i не должен превысить допустимой величины.

Составим балансовые уравнения влагосъема и определим величину ΔU_i.

Массу влаги, заключенную в семени шарообразной формы, можно записать:

где R - радиус семени, м;

U_н, U_к - начальное и конечное влагосодержание, кг вл./кг сух. мат.;

ρ - плотность сухих семян, кг/м³.

Массу влаги, заключенной в периферийной части семени и удаленной при сушке, запишем:

где ;

U_p - равновесное влагосодержание, так как принято, что оболочка высыхает до равновесного влагосодержания;

n - частота оборота семян (количество циклов).

При отлежке достаточной длительности влага из центральной части семени перемещается в периферийную зону.

Приравнивая правые части (1) и (2), определим n:

и величину ΔU_i:

При отлежке происходит как перемещение влаги из центральной части в семени в периферийную длительностью τ₁, а также между семенами длительностью τ₂. Очевидно, что длительность отлежки следует выбрать наибольшую между τ₁ и τ₂.

Распространение поля температур в частице при подводе теплоты можно описать выражением:

где R₀ - определяющий размер, м;

β - коэффициент температуропроводности, м²/с;

А - коэффициент, зависящий от формы (Безуглов A.M., Кураков Ю.И. Математическое моделирование технологических процессов. - Ростов-на-Дону: Изд. СКНУ ВШ, 2002. - 7 с.).

Так как законы распространения теплоты и влага в твердом теле идентичны и отличаются лишь инерционностью процесса, то длину пути перемещения влаги из центра к периферии зерновки при отлежках можно записать в виде , а так как δ<<R, то , а выражение (5) при шарообразной форме зерновки семян получит вид:

где а_m - коэффициент диффузии влаги, м²/с.

При отлежке в условиях рециркуляционной сушки величину τ₂ принимают равной τ₂ = 0,3 ч (Шаршунов В.А., Рукшан Л.В. Сушка и хранение зерна. - Минск: Мисанта, 2010. - 368 с.).

Отлежка эффективна при повышенной температуре семян, для этого следует предусмотреть крышу на надсушильным бункером и теплоизоляцию надсушильного бункера.

Сопротивление слоя мелкозернистых материалов весьма существенно, так, например, рапса в 2-3 раза больше, чем у пшеницы. Толщина слоя до 0,25 м позволяет использовать вентиляторы среднего давления (Р≤2,0 кПа), (Методические рекомендации по сушке и охлаждению зерна. - М.: ГНУ ВИМ, 1974. - 20 с.).

Пример расчета параметров процесса и сушилки.

Дано: семена рапса U_н=0,25; U_к=0,11; U_р=0,06 кг вл./кг сух. мат.; ϕ_н=100; ϕ_к=50; ϕ_p=35%; R=1⋅10^-3; δ=0,1⋅10^-3 м; а_m=1,5⋅10^-10 м/с (начальная температура рапса θ_пд=20°С, после подогрева 36-38°С).

После расчета по (4) получено ΔU_i=0,028 кг/кг.

Частота циркуляции рассчитана по (3), получено 3,7. Выбираем n=4 и уточняем величину ΔU_i=0,026 кг/кг.

Длительность отлежки составит:

то есть τ₁>τ₂.

Следовательно, длительность отлежки τ=0,46 ч.

Эффективность предложенного способа в сравнении с прототипом заключается в реализации циркуляционно-квазиизотермического режима сушки, который на 15…20% менее длителен, чем рециркуляционно-изотермический. Снижение длительности сушки достигают повышением температуры агента сушки на 5…7°С при не превышении предельно-допустимой температуры нагрева семян.